Импульсные источники питания принцип работы: Импульсные блоки питания

Содержание

Импульсные блоки питания

Блоки питания (БП) предназначены для реализации вторичной мощности в электрических цепях, а также для преобразования напряжения до необходимых значений. Элементы могут быть встроены в оборудование или подключаться самостоятельным звеном.

Виды блоков питания

Существует два принципа преобразования электроэнергии в устройствах: на основе аналогового трансформатора и на импульсных блоках питания (ИБП).

Трансформаторные БП. Особенность блоков питания такого типа заключается в использовании силового трансформатора для изменения напряжения в сети. Устройства понижают амплитуду синусоидальной гармоники и направляют ее в выпрямитель, состоящий из силовых диодов. Сглаживание происходит за счет параллельно подключенной емкости. Окончательная стабилизация питающего напряжения осуществляется в полупроводниковой схеме с резисторами.

Трансформаторные преобразователи до недавнего времени были единственными в своем роде, но имели недостатки:

большой вес и крупные габариты;

высокую стоимость, зачастую многократно превосходящую цену остальных компонентов сети.

Импульсные БП. В конструкции устройства нет понижающего трансформатора. Почти во всей современной аппаратуре установлены именно импульсные блоки питания как наиболее компактные и эффективные.

Преимущества и недостатки импульсных блоков питания

Основные преимущества ИБП:

Малый вес и компактные размеры. Уменьшение габаритов устройств обусловлено переходом от использования тяжелых силовых трансформаторов. В ИБП нет линейных управляющих систем, которые требуют установки больших охлаждающих радиаторов. Повышение частоты обрабатываемых сигналов также позволило уменьшить размеры конденсаторов.

Высокий КПД. Низкочастотные трансформаторы характеризуются значительными потерями энергии в виде тепла, которое образуется в результате электромагнитных преобразований. В ИБП максимальные потери происходят в каскаде силовых ключей во время переходных процессов, а все остальное время транзисторы устойчивы. Потери энергии сведены к минимуму. КПД устройств достигает 98 %.

Широкий диапазон входных напряжений. Область применения устройств значительно расширена. Импульсные технологии позволяют использовать блоки питания в сетях с различными стандартами электроэнергии.

Встроенные системы защиты. Большинство моделей имеют автоматическую защиту от токов короткого кроткого замыкания, системы аварийного отключения нагрузок и т. д. Защитные устройства надежно встраиваются в конструкцию блоков благодаря применению миниатюрных цифровых полупроводниковых модулей.

Доступная стоимость. Элементная база ИБП постоянно унифицируется. Снижается стоимость на основные компоненты устройств, которые выпускаются серийно на автоматических станках. Дополнительное сокращение затрат достигается за счет использования менее мощных полупроводников.

Недостатками ИБП являются:

Ограничения по мощности. Существуют противопоказания, как при высоких, так и при низких нагрузках. Если в выходной цепи ток упадет ниже критического значения, то блок начинает генерировать напряжение с искаженными характеристиками, либо полностью отказывает схема запуска.

Наличие высокочастотных помех. Блоки вырабатывают их в любом исполнении. Высокочастотные помехи транслируются в окружающую среду, поэтому необходимо дополнительно решать вопрос об их подавлении. В некоторых видах чувствительной цифровой аппаратуры использование ИБП по этой причине невозможно.

Принцип работы импульсного источника питания

Устройство работает по принципу инвертора. Сначала переменное напряжение в блоке преобразуется в постоянное, а затем снова в переменное, но уже с необходимой частотой.

Схематически устройство можно представить как совокупность трех цепей:

ШИМ-контроллера, который регулирует преобразование широтно-импульсной модуляции;

каскада силовых ключей, подключенных по мостовой, полумостовой схеме или по схеме со средней точкой;

импульсного трансформатора.

Взаимодействие элементов импульсного БП происходит по следующей схеме:

напряжение 220В поступает на выпрямитель. Амплитуда сглаживается за счет работы конденсаторов емкостного фильтра;

проходящие синусоиды выпрямляются диодным мостом;

транзисторная схема преобразует ток в импульсы прямоугольной формы и высокой частоты.

Преобразование синусоид в импульсы может выполняться с гальваническим отделением питающей сети от выходных сетей или без нее.

Виды импульсных блоков питания

С гальванической развязкой. Высокочастотные сигналы поступают на трансформатор, ответственный за гальваническую развязку цепей. Устройства такого типа имеют более компактный магнитопровод и характеризуются повышенной эффективностью использования. Чаще всего сердечник трансформатора изготавливают из ферромагнетиков, а не из электротехнических сталей, что также позволяет уменьшить размеры элементов.

Без гальванической развязки. В схеме импульсного БП отсутствует высокочастотный разделительный трансформатор. Питающий сигнал поступает на фильтр нижних частот.

Принципиальная схема импульсного блока питания

Основные элементы импульсных блоков питания:

сетевой выпрямитель;

накопительная фильтрующая емкость;

силовой транзистор;

генератор;

транзисторная схема обратной связи;

оптопара;

импульсный источник питания;

выходной диодный выпрямитель;

цепи управления выходного напряжения;

фильтрующие конденсаторы;

дроссели, предназначенные для диагностики и коррекции напряжения;

выходные разъемы.

Если в устройстве используется преобразователь постоянного напряжения, то первые два компонента становятся не нужными. Сигнал проходит непосредственно на ШИМ (широтно-импульсный модулятор). Этот элемент является самым сложным в конструкции ИБП. Его основные функции:

генерация импульсов высокой частоты;

контроль и коррекция частотной последовательности с учетом данных обратной связи;

защита от перегрузок.

С ШИМ-модуля сигнал поступает на ключевые транзисторы. Их силовые выводы нагружены на первичную обмотку высокочастотного трансформатора. В конструкции ИБП вместо обычных биполярных транзисторов используют элементы MOSFET или IGBT, которые характеризуются минимальным падением напряжения и быстродействием.

Со вторичной обмотки импульсного трансформатора (таких элементов может быть несколько в цепи) напряжение подается на выходные диоды с повышенной рабочей частотой. Чаще всего в конструкциях используют диоды Шоттки.

Функция выходного фильтра – уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения.

Сферы применения импульсных блоков питания

Малогабаритные ИБП на интегральных микросхемах применяются в конструкции зарядных устройств для электронных гаджетов: планшетов, телефонов, электронных книг. Элементы такого типа востребованы также в производстве телевизоров, усилителей, медицинских приборов, низковольтных осветительных установок.

Выбирайте и заказывайте блоки питания в каталоге компании «ПРОМАИР». Мы предлагаем широкий модельный ряд, выгодные цены, предоставляем грамотные консультации по характеристикам устройств. Для связи со специалистами позвоните по телефонам +375 (17) 513-99-92 или +375 (17) 513-99-93.

Устройство и принцип работы импульсного блока питания, основные характеристики, конструктивные исполнения достоинства и область применения

Блок питания — это устройство, преобразующее сетевое напряжения до уровня, необходимого для работы электрических схем различных приборов. Вторичные источники электропитания часто используются для бытовой техники и промышленных установок, содержащих электронику.

Изначально источники вторичного напряжения строились по схеме, которую принято называть трансформаторной. Принцип её работы состоит в трансформации сетевого напряжения до необходимого уровня с последующим его выпрямлением и стабилизацией.

Типовая схема традиционного источника электропитания состоит из следующих элементов:

силовой понижающий трансформатор, содержащий одну или несколько вторичных обмоток, в зависимости от потребностей питаемой схемы;
выпрямительный блок, как правило, выполняется по схеме диодного моста;
конденсатор фильтра, включенный между положительным и отрицательным выводами моста и необходимый для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, иногда для улучшения параметров фильтра, в схему добавляется дроссель;
стабилизатор выходного напряжения, построенный на основе специализированной микросхемы или содержащий ключевой транзистор и небольшую схему управления.

Эти схемы надёжны в работе, не создают высокочастотных помех, обеспечивают гальваническую развязку между первичными и вторичными цепями. Тем не менее есть ряд причин по которым они уступают блокам питания импульсного типа.

Трансформаторы, преобразующие напряжение с частотой 50 герц, отличаются относительно большими габаритами и весом. Это свойство трансформаторных источников электропитания вступило в противоречие с общими принципами миниатюризации бытовых и промышленных электроприборов.

Проблему удалось решить путём создания импульсных или инверторных блоков. Такие параметры трансформатора, как сечение магнитопровода, количество витков обмотки и сечение провода, существенно уменьшаются с увеличением частоты преобразуемого напряжения.

Это также относится к ёмкости, следовательно, и к габаритам фильтрующих конденсаторов. Этот базовый принцип электротехники был послужил основой при создании вторичных источников питания нового типа.

КАК РАБОТАЕТ ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Принцип работы импульсного блока питания заключается в ряде последовательных преобразований питающего напряжения:

выпрямление входного напряжения;
инвертирование, то есть, генерация сигнала с частотой от десятков до сотен килогерц;
трансформация высокочастотных импульсов до требуемого уровня;
выпрямление и фильтрация полученного напряжения.

Цепочка преобразований в описании принципа работы импульсного блока питания выглядит достаточно громоздкой и даже лишённой смысла. Однако нужно учесть что в данной схеме преобразуется напряжение, частота которого в отдельных моделях составляет 200 кГц (а не 50 Гц, как в трансформаторных источниках питания).

Трансформаторы, которые работают на высоких частотах, называют импульсными. Обычно они используют магнитопровод тороидальной формы (в виде бублика) небольшого размера. Это позволило уменьшить вес и габариты блока той же мощности более чем на порядок.

Тор обычно изготавливается штамповкой из пермаллоя — сплава, состоящего из железа и никеля, магнитопровод же низкочастотного трансформатора набирается из тонких пластин электротехнической стали.

Принцип инверторного преобразования дает возможность создать сверхминиатюрные аппараты электродуговой сварки, работа которых возможна от обычной бытовой розетки, способные сваривать металл до 10 мм толщиной, легко переносимые в небольшой сумке с плечевым ремнём.

Базовые принципы, на которых основано устройство импульсного блока питания не новы, всё находится в рамках давно устоявшихся представлений об электричестве. Что же мешало создать их раньше? Причина в технологии.

Главными электронными компонентами инверторного преобразователя импульсного блока являются элементы схемы, способные работать с высокими частотой и напряжением и большими токовыми нагрузками.

Раньше, компонентов, отвечающих этим требованиям, просто не существовало. Настоящий прорыв в развитии и распространении инверторных технологий произошёл после того, как мировым производителям электроники удалось наладить массовое производство мощных IGBT – транзисторов, а также полевых транзисторов по технологии MOSFET.

Они отличаются очень малым значением тока управления, что обеспечивает высокий КПД блока.

Кроме мощных транзисторных ключей, инвертор содержит времязадающие цепочки, генерирующие высокочастотные сигналы управления транзисторами.

Применение в этом качестве цифровых микросхем ШИМ – контроллеров позволяет ещё более миниатюризировать электронную часть. Контроллер широтно импульсного модулирования формирует прямоугольные периодические импульсы. В целом схемотехнически импульсные блоки питания относительно просты.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счёт обратной связи этого параметра с задающими цепями ШИМ – контроллера. Принцип работы обратной связи — при отклонении уровня контролируемого параметра на выходе от номинального значения происходит изменение скважности импульсов, формируемых контроллером.

Скважностью импульсов называется безразмерная величина, равная отношению периода чередования этих импульсов к их длительности. Таким образом, скважность изменяется от 0 до 1.

Увеличение уровня выходного напряжения вызывает снижение скважности и наоборот, то есть, имеет место отрицательная обратная связь. Скважность, задаваемая контроллером, определяет режим работы ключевых транзисторов. Чем выше значение скважности, тем большую часть периода транзистор открыт, и тем больше среднее значение напряжение за период.

Описанный принцип стабилизации обеспечивает работу блока питания в очень широком диапазоне изменения питающего напряжения. Резюмируя сказанное, преимущества импульсных блоков питания таковы:

малые габариты и вес по сравнению с трансформаторными источниками питания;
схемотехническая простота, обусловленная применением интегральных электронных компонентов;
возможность работы в широком диапазоне изменения значений входного напряжения.

ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ

Источники вторичного напряжения инверторного типа используются повсеместно, как в быту, так и в промышленной технике. Перечень устройств и бытовых приборов, в которых реализована схема электропитания, работающая по принципу инверторного преобразователя:

все виды компьютерной техники;
телевизионная и звуковоспроизводящая аппаратура;
пылесосы, стиральные машины, кухонная техника;
источники бесперебойного электроснабжения различного назначения;
системы видеонаблюдения, комплексы охранной сигнализации.

Исполнение инверторных источников зависит от условий эксплуатации и назначения. Блоки питания, встроенные в электроприбор, выполняются бескорпусными. Они могут располагаться внутри основного изделия на отдельной плате, или быть интегрированы в общую плату электроприбора.

Существуют источники электропитания для автономного применения, к ним могут подключаться различные потребители. Примером могут служить зарядные устройства, источники электропитания систем видеонаблюдения, охранной и пожарной сигнализации. Такие блоки питания размещаются в отдельном корпусе и комплектуются штекерами и проводами для подключения.

* * *

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Как работают импульсные блоки питания: 7 правил

Домашний мастер часто сталкивается с поломками сложной бытовой техники из-за отказов ее электрической схемы. Не всегда удается сразу выполнить такой ремонт. Часто требуются знания про импульсные блоки питания, принципы работы их составных частей.

Такие работники популярны, всегда востребованы, заслуживают уважения. Однако не все так сложно в этом вопросе, как кажется на первый взгляд.

Я выделил 7 правил, по которым работает любой ИБП, постарался объяснить их простыми словами для новичков. А что получилось — оценивайте сами.

Содержание статьи

Блоки питания — это электротехнические устройства, которые изменяют характеристики промышленной электроэнергии до уровня параметров, необходимых для работы конечных механизмов.

Они подразделяются на трансформаторные и импульсные изделия.

Силовой трансформатор понижает входное напряжение и одновременно обеспечивает гальваническую развязку между электрической энергией первичной и вторичной цепи.

Трансформаторные модули тратят значительную часть мощности на электромагнитные преобразования и нагрев, имеют повышенные габариты, вес.

Импульсные блоки питания: как работает структурная схема и взаимодействуют ее части — краткое пояснение

Правило №1 всех ИБП: чем выше рабочая частота, тем лучше. Преобразование электроэнергии выполняется не на промышленных 50 герц, а на более высоких сигналах в пределах 1÷100кГц.

За счет этого снижаются потери и общий вес всех элементов, но усложняется технология. Принципы работы импульсного блока питания помогает понять его структурная схема.

Показываю ее составные части прямоугольниками, связи стрелками, а форму выходного сигнала из каждого блока — мнемонической фигурой преобразованного напряжения (темно синий цвет сверху).

Сетевой фильтр пропускает через себя промышленную синусоиду. Одновременно он отделяет из нее все посторонние помехи.

Очищенная от помех синусоида поступает на выпрямитель со сглаживающим фильтром. Он превращает полученную гармонику в сигнал напряжения строго постоянной формы действующей величины.

Следующим этапом начинается работа инвертора. Он из постоянного стабилизированного сигнала формирует высокочастотные колебания уже не синусоидальной, а практически строго прямоугольной формы.

Преобразованная в подобный вид электрическая энергия поступает на силовой высокочастотный трансформатор, который, как и обычный аналоговый, видоизменяет ее на пониженное напряжение с увеличенным током.

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.

Заключительным звеном работает сглаживающий выходной фильтр. После него на блок управления бытового прибора поступает стабилизированное напряжение постоянной величины.

Качество работы импульсного блока поддерживается за счет создания в рабочем состоянии обратной связи, реализованной в блоке управления инвертора. Она компенсирует все посадки и броски напряжения, вызываемые колебаниями входной величины или коммутациями нагрузок.

Пример монтажа деталей показан на фотографии платы импульсного блока питания ниже.

Сетевой выпрямитель имеет в своем составе предохранитель на основе плавкой вставки, диодный мост, электромеханический фильтр, набор дросселей, конденсаторы развязки со статикой.

Накопительная емкость сглаживает пульсации.

Генератор инвертора на основе силового ключевого транзистора
в комплекте с импульсным трансформатором выдает напряжение на выходной
выпрямитель с диодами, конденсаторами и дросселями.

Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Разберем все эти части подробнее.

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

Правило №2: у качественных ИБП в конструкции блока должен работать надежный фильтр в/ч сигналов.

Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:

в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.

Причины появления помех в бытовой сети:

апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.

Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.

Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.

Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.

Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)

Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.

Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.

Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.

Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.

Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.

Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.

Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.

У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение.

Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.

Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.

У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.

Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.

Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией.

Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.

Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

Правило №3: после выхода с фильтра напряжение подается на схему выпрямителя, состоящего в базовой версии из диодного моста и электролитического конденсатора.

В ходе электрического преобразования форма синусоиды, состоящая из полуволн противоположных знаков, вначале меняется на сигнал положительного направления после диодной сборки, а затем эти пульсации сглаживаются до практически постоянной амплитудной величины 311 вольт.

Такой сетевой выпрямитель напряжения заложен в работу всех блоков питания.

Преобразователь импульсного напряжения: объяснение простыми словами с поясняющими картинками

Правило №4: выпрямленный сигнал подвергается широтно-импульсной модуляции на силовом ключе под управлением ШИМ контроллера.

Силовой ключ выполняется первичной обмоткой высокочастотного трансформатора. Для эффективной трансформации в/ч импульсов до 100 килогерц конструкцию магнитопровода делают из альсифера или ферритов.

На обмотку трансформатора от цепей управления через в/ч транзистор поступают импульсы сигналов в несколько десятков килогерц.

Прямоугольные импульсы тока подаются по времени, чередуются с паузами, обозначаются единицей (1) и нулем (0).

Продолжительность протекания импульса или его ширина в каждый момент низкочастотного синусоидального напряжения соответствует его амплитуде: чем она больше, тем шире ШИМ. И наоборот.

ШИМ контроллер отслеживает величину подключенной нагрузки на выходе импульсного блока питания. По ее значению он вырабатывает импульсы, кратковременно открывающие силовой транзистор.

Если подключенная к ИБП мощность начинает возрастать, то схема управления увеличивает длительность импульсов управления, а когда она снижается, то — уменьшает.

За счет работы этой конструкции производится стабилизация напряжения на выходе блока в строго определенном диапазоне.

Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта

Правило №5: импульсный трансформатор для блока питания передает каждый ШИМ импульс за счет двух преобразований электромагнитной энергии.

Во время преобразования электрической энергии в магнитную и обратно в электрическую с пониженным напряжением обеспечивается гальваническое разделение первичных входных цепей с вторичной выходной схемой.

Каждый ШИМ импульс тока, поступающий при кратковременном открытии силового транзистора, протекает по замкнутой цепи первичной обмотки трансформатора.

Его энергия расходуется:

вначале на намагничивание сердечника магнитопровода;
затем на его размагничивание с протеканием тока по вторичной обмотке и дополнительной подзарядкой конденсатора.

По этому принципу каждый ШИМ импульс из первичной сети подзаряжает накопительный конденсатор.

Генераторы ИБП могут работать по простой однотактной или более сложной двухтактной технологии построения.

Однотактная схема импульсного блока питания: состав и принцип работы

На стороне 220 расположены: предохранитель, выпрямительный диодный мост, сглаживающий конденсатор, биполярный транзистор, цепочки колебательного контура и коллекторного тока, а также обмотки импульсного трансформатора.

Однотактная схема импульсного блока питания создается для передачи мощности 10÷50 ватт, не более. По ней изготавливают зарядные устройства мобильных телефонов, планшетов и других цифровых гаджетов.

В выходной цепочке трансформатора используется выпрямительный диод Д7. Он может быть включен в прямом направлении, как показано на картинке, или обратно, что важно учитывать.

При прямом включении импульсный трансформатор накапливает индуктивную энергию и передает ее в выходную цепь к подключенной нагрузке с задержкой по времени.

Если диод включен обратно, то трансформация энергии из первичной схемы во вторичную цепь происходит во время закрытого состояния транзистора.

Однотактная схема ИБП отмечается простотой конструкции, но большими амплитудами напряжения, приложенными к виткам первичной обмотки импульсного трансформатора.

Их защита осуществляется дополнительными цепочками из
резисторов R2÷R4 и конденсаторов С2, С3.

Двухтактная схема импульсного блока питания: 3 варианта исполнения

Более высокий КПД и пониженные потери мощности являются неоспоримыми преимуществами этих ИБП по сравнению с однотактными моделями.

Простейший вариант исполнения двухполупериодной методики показан на картинке.

Если в нее дополнительно подключить два диода и один сглаживающий конденсатор, то на этом же трансформаторе получается двухполярная схема.

Она распространена в усилителях мощности, работает по обратноходовому принципу. В ней через каждую емкость протекают меньшие токи, обеспечивающие повышенный ресурс конденсаторов при эксплуатации.

Продлить ресурс работы электролитических конденсаторов в ИБП можно заменой одного большой мощности несколькими составными. Ток будет распределяться по всем, что вызовет меньший нагрев. А отвод тепла с каждого отдельного происходит лучше.

Прямоходовая схема блока питания имеет в своей конструкции дроссель, который выполняет функцию накопления энергии. Для этого два диода направляют поступающие импульсы ШИМ на его вход в одной полярности.

Дроссель этих устройств изготавливается большими габаритами и устанавливается отдельно внутри платы ИБП. Он дополняет работу накопительного конденсатора.

Это наглядно видно по верхней форме сигнала, показанного осциллограммой выпрямления одного и того же блока без дросселя и с ним.

Прямоходовая схема используется в мощных блоках питания, например, внутри компьютера.

В ней выпрямлением тока занимаются диоды Шоттки. Их применяют за счет:

уменьшенного падения напряжения на прямом включении;
и повышенного быстродействия во время обработки высокочастотных импульсов.

3 схемы силовых каскадов двухтактных ИБП

По порядку сложности их исполнения генераторы выполняют по:

полумостовому;
мостовому;
или пушпульному принципу построения выходного каскада.

Полумостовая схема импульсного блока питания: обзор

Конденсаторы С1, С2 собраны последовательно емкостным делителем. На него и переходы коллектор-эмиттер транзисторов Т1, Т2 подается напряжение постоянного питания.

К средней точке емкостного делителя и транзисторов подключена первичная обмотка трансформатора Тр2. С ее вторичной обмотки снимается выходное напряжение генератора, которое пропорционально входному сигналу ТР1, трансформируемому на базы Т1 и Т2.

Полумостовая схема ИБП работает для нагрузок от нескольких ватт до киловатт. Ее недостатком является возможность повреждения элементов при перегрузках, что требует использования сложных защит.

Мостовая схема импульсного блока питания: краткое пояснение

Вместо емкостного делителя предыдущей технологии здесь работают транзисторы T3 и T4. Они попарно открываются совместно с Т1 и Т2: (пара Т1-Т4), (пара Т2-Т3).

Напряжение переходов эмиттер-коллектор у закрытых транзисторов не выше величины питающего напряжения, а на обмотке w1 ТР3 оно возрастает до значения U пит. За счет этого увеличивается величина КПД.

Мостовая схема сложна в наладке из-за трудностей с настройкой цепей управления транзисторов Т1÷Т4.

Пушпульная схема: важные особенности

Первичная обмотка выходного ТР2 имеет средний вывод, на который подается плюсовой потенциал источника питания, а его минус — на среднюю точку вторичной обмотки Т1.

Во время прохождения одного полупериода колебания работает один из транзисторов Т1 или Т2 и соответствующая ему часть полуобмотки трансформатора.

Здесь создается самый высокий КПД, малые пульсации и низкие помехи. Амплитудное значение импульсного напряжения на любой половине обмотки w1 ТР2 достигает величины U пит.

К напряжению перехода коллектор-эмиттер каждого транзистора добавляется ЭДС самоиндукции, и оно возрастает до 2U пит. Поэтому Т1 и Т2 надо подбирать на 600÷700 вольт.

Пушпульная схема ключевого каскада пользуется большей популярностью. Она применяется в наиболее мощных преобразователях.

Выходной выпрямитель: самое популярное устройство

Правило №6: сигнал, поступающий с выхода ИБП, выпрямляется и сглаживается.

Простейшая схема выпрямителя, состоящая из диода и накапливающего конденсатора, показана картинкой ниже.

Она может дорабатываться подключением дополнительных конденсаторов, дросселей, элементов фильтров.

Схема стабилизации напряжения: как работает

Правило №7: оптимальные условия для работы нагрузки при изменяющихся условиях эксплуатации обеспечивает принцип стабилизации вторичного напряжения.

Самая примитивная схема стабилизации выходного напряжения создается на дополнительной обмотке импульсного трансформатора.

С нее снимается напряжение и подается для корректировки величины сигнала первичной обмотки.

Лучшая стабилизация создается за счет контроля выходного сигнала с вторичной обмотки и отделения его гальванической связи через оптопару.

В ней используется светодиод, через который проходит ток, пропорциональный значению выходного напряжения. Его свечение воспринимается фототранзистором, который посылает соответствующий электрический сигнал на схему управления генератора ключевого каскада.

Повысить качество стабилизации выходного напряжения позволяет последовательное дополнение к оптопаре стабилитрона, как показано на примере микросхемы TL431 на картинке ниже.

Для закрепления материала в памяти рекомендую посмотреть видеоролик владельца Паяльник TV, который хорошо объясняет информацию про импульсные блоки питания: принципы работы на примере конкретной модели.

Надеюсь, что моя статья поможет вам выполнить ремонт ИБП своими руками за 7 шагов, которые я изложил в другой статье.

Задавайте возникшие вопросы в разделе комментариев, высказывайте свое мнение. Его будет полезно знать другим людям.

Импульсные блоки питания — устройство, применение, неисправности и ремонт

Среди всех блоков питания можно выделить два основных типа:

линейные;
импульсные (инверторные) источники.

В подавляющем большинстве случаев линейный источник питания состоит из трансформатора, преобразующего переменное напряжение, силового выпрямителя, сглаживающего фильтра и стабилизатора. Линейные блоки питания наиболее просты в схемотехническом плане и имеют низкий уровень помех.

Самый крупный недостаток — большие габариты и вес понижающего трансформатора и низкий КПД, особенно в случае большой нестабильности входного напряжения. Массивный силовой трансформатор с большой тепловой инерционностью затрудняет даже принудительное охлаждение при больших нагрузках.

Основные отличия импульсных стабилизаторов.

Импульсные источники питания тоже имеют в составе понижающий трансформатор. Только в данном случае он работает на высокой частоте и имеет несравненно меньшие габариты и массу. Малые габариты элементов облегчают отвод тепла пассивными (применение радиаторов) и активными (вентиляторы) методами.

При фильтрации и стабилизации высокочастотного напряжения с выхода импульсного трансформатора упрощается построение выходных фильтров, поскольку для фильтрации пульсаций напряжения высокой частоты нужна меньшая емкость конденсаторов.

Инверторным блокам питания присущи несколько существенных недостатков — сложное устройство, высокий уровень электромагнитных помех и, в некоторых случаях, гальваническая связь выходных и входных цепей.

Впрочем, отработанная схемотехника подобных устройств в настоящее время уже не считается сложной, а помехи снижаются путем грамотного расчета узлов и дополнительной экранировкой.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Импульсный блок питания состоит из следующих элементов:

входной выпрямитель;
блок конденсаторов;
схема управления;
выходные ключи;
импульсный трансформатор;
вторичные (выходные) стабилизаторы и фильтры.

За счет того, что входное напряжение сначала преобразуется в постоянное, а затем обратно в переменное, точнее, в импульсы высокой частоты, импульсный высокочастотный трансформатор имеет очень малые габариты. Трансформатор преобразует высокочастотное переменное напряжение, поступающее от мощных транзисторных выходных ключей, которые, в свою очередь управляются широтно-импульсным (ШИМ) контроллером.

Такое название схема управления получила из-за того, что изменяя частоту и ширину (длительность) импульсов, можно регулировать время открытия ключевых транзисторов, изменяя, таким образом, значение выходного напряжения.

На ШИМ — контроллер (обычно это одна специализированная микросхема), поступает напряжение обратной связи с выхода блока питания или иные управляющие сигналы. Таким образом можно получить любые алгоритмы стабилизации выходного напряжения.

Стоит отметить, что наибольшей сложностью обладают устройства, которые предназначены для формирования нескольких значений напряжения на выходе с высокими требованиями к стабильности каждого из них. Как пример можно назвать блоки питания персональных компьютеров, телевизоров и других сложных устройств.

Такие блоки питания, как зарядные устройства для мобильных телефонов или иных маломощных гаджетов содержат малогабаритные специализированные микросхемы, в которых уже интегрированы все необходимые элементы. Такие блоки содержат минимум деталей и ремонтируются только энтузиастами, поскольку стоимость отдельных элементов порой сравнима со стоимостью нового зарядного устройства.

Часто производители бытовой техники вообще не предусматривают ремонт, выполняя корпус устройства неразборным или заливая печатную плату вместе с элементами специальным компаундом.

Высокий уровень помех импульсных устройств обусловлен тем, что управляющие импульсы высокой частоты имеют практически прямоугольную форму и поэтому имеют высокий уровень гармонических составляющих в большом диапазоне частот. Мощные транзисторы в момент переключения также становятся сильными источниками электромагнитного излучения. Для снижения помех схемы обычно дополняются помехоподавляющими цепями и заключаются в экранирующий корпус.

Малые габариты устройства и наличие схемы управления позволяют дополнить схемотехнику самыми различными схемами контроля как входного, так и любых выходных цепей, включая программное управление характеристиками.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Импульсные блоки питания в настоящее время используются в подавляющем большинстве устройств мощностью от долей ватта до единиц киловатт. Верхний предел ограничен параметрами выпускаемых на текущий момент транзисторов. Это ограничение можно обойти довольно просто, соединяя несколько идентичных маломощных блоков питания параллельно.

Для одинаковой и равномерной нагрузки отдельных составляющих, они объединяются по сигналам обратной связи. Постоянное совершенствование технологии разработки и конструирования полупроводниковых приборов, создание новых классов транзисторов (IGBT, MOSFET) стимулирует создание все более мощных импульсных устройств.

Даже большое число параллельно включенных устройств по массе и габаритам значительно меньше аналогичного по мощности понижающего трансформатора стандартной частоты 50 Гц, поэтому очень часто делают некоторый избыток блоков для того, чтобы при выходе одного из них он автоматически выключался и работа устройств не нарушалась.

Сам принцип работы обеспечивает широкий диапазон допустимого входного напряжения. Например импульсные блоки питания бытовых устройств при нормальном напряжении сети 220 В, способны работать вплоть до диапазона 80 — 250 В, то есть при таких напряжениях, когда обычный линейный стабилизатор выходит из границ стабильной работы.

ТИПОВЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ И РЕМОНТ

Как ни странно будет звучать, но импульсным блокам питания гораздо страшнее низкое входное напряжения, чем высокое. Верхний предел обычно ограничен номинальным напряжением электролитических конденсаторов фильтра и допустимым обратным напряжением выпрямительных диодов.

Длительная работа при пониженном входном напряжении вызывает перегрев и тепловой пробой ключевых транзисторов, поскольку, чем ниже напряжение на входе, тем больше время открытия ключей для получения нужного напряжения на выходе трансформатора.

Многие импульсные блоки питания нестабильно работают, когда нагрузка выхода имеет малое значение или вообще отсутствует. Отсутствие обратной связи на входе ШИМ контроллера приводит к тому, что транзисторные ключи полностью открываются и блок выходит из строя буквально через несколько минут. Соответствующие схемные решения позволяют избавиться от такого недостатка.

Наиболее часто неисправности импульсных блоков питания вызываются:

выходом из строя диодов выпрямительного моста;
электролитических конденсаторов сглаживающего фильтра;
ключевых транзисторов.

Такое обычно происходит в случае сильно завышенного входного напряжения или длительной работы при пониженном. В подавляющем большинстве случаев даже нет необходимости в измерительных приборах — повреждения видны невооруженным глазом по разрушенным и вздувшимся элементам.

Гораздо реже выходят из строя элементы управляющей схемы (ШИМ-контроллера) и обратной связи. В данном случае без измерений не обойтись.

Крайне редки случаи повреждения импульсного трансформатора. Обычно их габариты позволяют выполнять сборку с большими запасами по току и мощности. Поэтому неисправности случаются только при некачественном выполнении.

Практика ремонтов показывает, что львиная доля неисправностей происходит по причине крайне низкого качества некоторых типов электролитических конденсаторов.

Падение емкости или большое внутреннее сопротивление конденсаторов выходных цепей может приводить к неправильной работе обратной связи, в результате чего выходное напряжение перестает соответствовать норме.

В некоторых случаях конденсаторы могут вызывать срабатывание защиты. Внешне неисправные конденсаторы могут иметь вздутие на торцах корпуса. Такие элементы следует менять на исправные, не тратя время на их проверку.

Обычно ремонт серьезных импульсных блоков питания требует несколько большей квалификации специалистов, чем ремонт традиционных схем и требует таких измерительных приборов, как осциллограф.

Внимание!

Часть элементов схемы блока питания находится под напряжением сети. Это выпрямительные диоды, конденсаторы, ключевые транзисторы и первичная обмотка импульсного трансформатора.

Ремонт таких устройств можно выполнять только при отключенном блоке с разряженными конденсаторами фильтра. В крайнем случае можно производить некоторые работы и под напряжением, но только с обязательной гальванической развязкой блока от питающей сети через разделительный трансформатор.

Для исключения попадания электромагнитных помех в питающую сеть, на входе блока обычно ставят помехоподавляющий фильтр, элементы которого соединены непосредственно с экранирующим кожухом. Таким образом, кожух оказывается гальванически связан с проводами питающей сети.

При прикосновении к корпусу прибора можно получить удар электрическим током, опасным для жизни. Для обеспечения безопасности, все импульсные блоки питания должны быть в обязательном порядке заземлены или иметь корпус из изоляционного материала.

Современное бытовое оборудование и часть промышленного позволяют производить заземление непосредственно через шнур питания. Для этого в паре розетка — вилка предусмотрены отдельные контакты для подключения заземления.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Импульсный блок питания своими руками: принцип работы, схемы

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Пример миниатюрных импульсных БП

Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

частотно-импульсным;
фазо-импульсным;
широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется U_П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К_ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U_УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U_П(опорное напряжение) и U_РС(регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U_УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U_OUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала U_РС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

различные виды зарядных устройств;
Зарядки и внешние БП
внешние блоки питания;
электронный балласт для осветительных приборов;
БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
Транзистор VT1 – KT872A.
Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Принцип работы источников питания

Опубликовано 03.07.2016

Принцип работы

Нерегулируемые источники питания

Нестабилизированный источник питания (Non-stabilized Power Supply) состоит из сетевого понижающего трансформатора и
диодного выпрямителя с фильтром.

Линейные источники питания

Линейный источник питания (Linear Power Supply) кроме сетевого понижающего трансформатора и моста с фильтром
содержит стабилизатор, который стабилизирует выходное напряжение независимо от колебаний сетевого
напряжения и нагрузки.

Стабилизированное выходное напряжение линейного источника питания всегда меньше нестабилизированного сетевого
напряжения, т.к. часть мощности рассеивается на регулирующем элементе (низкий КПД).

Импульсные источники питания

Импульсный источник питания (Switched-Mode Power Supply) сначала выпрямляет сетевое напряжение с помощью
диодного моста, потом преобразует постоянное напряжение в прямоугольные импульсы высокой частоты. Эти импульсы подаются на
первичную обмотку трансформатора. Стабилизация выходного напряжения осуществляется путём широтно-импульсной
модуляции (ШИМ): длительность импульсов и пауз между ними регулируются в зависимости от сигнала отрицательной обратной связи,
пропорционального напряжению вторичной обмотки.

Импульсные ИП широко используются для питания программируемых логических контроллеров, компьютерного и
коммуникационного оборудования.

Преимущества импульсных источников питания относительно линейных ИП

Выше КПД, меньше рассеивание тепла
Меньше габариты и вес (импульсные трансформаторы более компактны)
Шире диапазон сетевого напряжения и частоты
Больше защитных функций
По надёжности и цене импульсные ИП, благодаря современному массовому производству, сопоставимы с
традиционными линейными ИП.

Недостатки

Импульсные ИП являются источниками высокочастотных помех, передаваемых в сеть.

Как выбрать

Диапазон входного напряжения (В)
Диапазон входной частоты (Гц)
Входной ток (А)
Время буферизации при кратковременном провале сетевого напряжения (мс)
Номинальное выходное напряжение (=24В)
Настраиваемый диапазон выходного напряжения (В)
Точность стабилизации выходного напряжения (±…%)
Номинальная выходная мощность (Вт)
Номинальный выходной ток (А)
Ограничение тока при коротком замыкании (А)
КПД (Efficiency)
Перегрузочная способность (%)
Гальваническое разделение входных и выходных цепей
Дистанционное включение/выключения ИП
Опции

Буферизация (подключение дополнительного модуля, увеличивающего время буферизации при кратковременном
провале напряжения до нескольких секунд)
Возможность параллельной работы нескольких ИП для резервирования (Redundancy) и увеличения мощности
Распределение выходного тока по нескольким каналам, контроль каждого канала
Подключение аккумуляторной батареи для обеспечения бесперебойной работы ИП в течение нескольких
часов при аварии сети; коммуникационный интерфейс для дистанционного управления ИБП, индикация состояния ИБП.

Защита:

от холостого хода
от перегрузки
от короткого замыкания
от повышенного напряжения
входа встроенными предохранителями
автоматический перезапуск

Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Уровень устойчивости к электромагнитным помехам
Класс излучения помех

Степень защиты корпуса
Температура окружающей среды.

Источники бесперебойного питания

Импульсный блок питания: схемы, принцип работы, особенности

Мы имеем множество различных устройств, подключая которые к сети мы даже не задумываемся о том, какое питание им необходимо. Значительная часть бытовой техники имеет импульсный блок питания. Даже светодиодные или люминесцентные цокольные лампы имеют встроенный источник импульсного питания (ИИП).

Содержание статьи

Что делает импульсный блок питания (ИБП)

В сети напряжение имеет синусоидальную форму. Для некоторых устройств это то что нужно, другим надо постоянное или импульсное напряжение. Вот этим и занимаются источники питания — преобразуют синусоидальную форму в нужную и, чаще всего, это постоянное напряжение. Независимо от формы выходного напряжения блок питания называют импульсным, потому что одна из стадий преобразования — формирование импульсов, которые затем выпрямляются.

Примеры импульсных блоков питания:

Зарядное устройство для телефона или смартфона;
Внешний блок питания ноутбука;
Блок питания компьютера;
Блок питания для светодиодной ленты.

Импульсный блок питания Robiton EN5000S. Предназначен для питания от источника переменного тока 100-240В приборов с напряжением 6,0 / 7,5 / 9,0 / 12,0 / 13,5 / 15 / 16В и максимальным входным током 5000 мА

Есть импульсные источники питания выдающие постоянное напряжение одного номинала. Наиболее распространенные на — 5 В, 12 В или 24 В. Есть устройства, выдающие сразу несколько уровней. Такие, например, стоят в компьютерах. На выходе они формируют сразу 5 В и 12 В. Есть — регулируемые ИИП, при помощи переключателей в них можно задавать выходные параметры (в определенных рамках). Импульсный блок питания может быть в виде отдельного устройства или являться частью какого-то более сложного прибора.

Путь преобразования синусоиды в постоянное напряжение при помощи источника импульсного питания

Если говорить об отдельных ИБП, то самыми распространенными, пожалуй, являются зарядные устройства для телефонов, ноутбуков. Они имеют компактные размеры, так как требуется небольшая мощность. Встроенный импульсный блок питания есть в телевизорах, компьютерах и другой сложной электронике, в некоторых бытовых приборах. Блоки питания бывают линейные (трансформаторные) или импульсные (инверторные).

Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.

Оба типа блоков питания преобразуют синусоиду в постоянный ток, но вот путь преобразования разный, да и результаты несколько отличаются. Импульсный блок питания отличается высокой стабильностью работы. Тем не менее трансформаторные источники еще в ходу. Почему? Стоит разобраться.

Чем отличается от трансформаторного блока питания

И трансформаторный (линейный) и импульсный (инверторный) БП выдают на выходе постоянное напряжение. Причем вторые имеют меньшие габариты, более стабильны в работе, часто ниже по цене, да еще и напряжение дают более «качественное» и независящее от параметров исходной синусоиды (а она далеко не идеальная в наших сетях). Так почему же используют и трансформаторные блоки, и импульсные? Чтобы понять, надо знать в чем отличие трансформаторного блока питания от импульсного. А для этого придется разбираться в устройстве и принципах работы. На основании этого можно уяснить основные свойства.

Блок-схемы трансформаторного и импульсного блоков питания

Как работает трансформаторный блок питания

В линейном блоке питания основное преобразование происходит при помощи трансформатора. Его первичная обмотка рассчитана под сетевое напряжение, вторичная обычно понижающая. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

Следующий блок — выпрямитель, на котором синусоида сглаживается, превращается в пульсирующее напряжение. Этот блок выполнен на основе выпрямительных диодов. Диод может стоять один, может быть установлен диодный мост (мостовая схема). Разница между ними — в частоте импульсов, которые получаем на выходе. Дальше стоит стабилизатор и фильтр, придающие выходному напряжению нужный уровень и форму. На выходе имеем постоянное напряжение.

Самый простой линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации

Основной недостаток линейных источников питания — большие габариты. Они зависят от размеров трансформатора — чем выше требуется мощность, тем больше размеры блока питания. Нужен еще стабилизатор, который корректирует выходное напряжение, а это еще увеличивает габариты, снижает КПД. Зато это устройство не грозит помехами работающему рядом оборудованию.

Устройство импульсного блока питания и его принцип работы

В импульсном блоке питания преобразование сложнее. На входе стоит сетевой фильтр, задача которого не допустить в сеть высокочастотные колебания, вырабатываемые этим устройством. Они могут повлиять на работу рядом расположенных приборов. Сетевой фильтр в дешевых моделях стоит не всегда, и в этом зачастую кроется проблема с нестабильной работой каких-то устройств, которые мы часто списываем на «падение напряжения в сети».

Далее стоит сглаживающий фильтр, который выпрямляет синусоиду. Полученное на его выходе пилообразное напряжение подается на инвертор, преобразуется в импульсы, имеющие положительную и отрицательную полярность. Их параметры (частота и скважность) задаются при помощи блока управления. Частота обычно выбирается высокой — от 10 кГц до 50 кГц. Именно наличие этой ступени преобразования — генерации импульсов — и дало название этому типу преобразователей.

Блок-схема ИИП с формами напряжения в ключевых точках

Высокочастотные импульсы поступают на трансформатор, который является гальванической развязкой от сети. Трансформаторы эти небольшие, так как с возрастанием частоты сердечники нужны все меньше. Причем сердечник может быть набран из ферромагнитных пластин (в линейных БП должен быть из более дорогой электромагнитной стали).

На выходном выпрямителе биполярные импульсы превращаются в положительные, а выходной фильтр на их основе формирует постоянное напряжение. Основное достоинство ИБП в том, что существует обратная связь, которая позволяет регулировать работу устройства таким образом, чтобы напряжение на выходе было близко к идеалу. Это дает возможность получать стабильные параметры на выходе, независимо от того, что имеем на входе.

Достоинства и недостатки импульсных блоков питания

Для новичков не сразу становится понятным, почему лучше использовать импульсные выпрямители, а не линейные. Дело не только в габаритах и материалоемкости. Дело в более стабильных параметрах, которые выдают импульсные устройства. Качество напряжения на выходе не зависит от качества сетевого напряжения. Для наших сетей это актуально. Но не только это. Такое свойство позволяет использовать импульсный блок питания в сети разных стран. Ведь параметры сетевого напряжения в России, Англии и в некоторых странах Европы отличаются. Не кардинально, но отличается напряжение, частота. А зарядки работают в любой из них — практично и удобно.

Размер тоже имеет значение

Кроме того импульсники имеют высокий КПД — до 98%, что не может не радовать. Потери минимальны, в то время как в трансформаторных много энергии уходит на непродуктивный нагрев. Также ИБП меньше стоят, но при этом надежны. При небольших размерах позволяют получить широкий диапазон мощностей.

Но импульсный блок питания имеет серьезные недостатки. Первый — они создают высокочастотные помехи. Это заставляет ставить на входе сетевые фильтры. И даже они не всегда справляются с задачей. Именно поэтому некоторые устройства, особо требовательные к качеству электропитания, работают только от линейных БП. Второй недостаток — импульсный блок питания имеет ограничение по минимальной нагрузке. Если подключенное устройство обладает мощностью ниже этого предела, схема просто не будет работать.

Схемы импульсных блоков питания

Чтобы понимать, как работает импульсный блок питания, надо разобраться в том, что происходит в каждой его части. Сделать это проще по схемам. Мы приведем только некоторые, так как вариантов и вариаций — море. Схема импульсного блока питания содержит пять обязательных блоков плюс обратная связь. Вот о каждом элементе и поговорим отдельно, Попутно приведем полные схемы ИБП с использованием различной элементной базы.

Вариант импульсного источника питания с выходным напряжением 5 В и 12 В и разной полярности

Входной фильтр

Как мы уже говорили, входной фильтр стоит для того, чтобы в сеть не попали высокочастотные помехи, генерируемые источником питания. В самом простейшем варианте это устройство представляет собой дроссель, который подавляет электромагнитные помехи и два конденсатора, включенных параллельно входу и нагрузке.

Схема простейшего входного фильтра

Конденсаторы используются специальные — X-типа. Икс-конденсаторы были разработаны специально для этих целей. Они выдерживают мгновенные киловольтные всплески напряжения (до 2,5 кВ), гася тем самым помехи между фазой и нейтралью (противофазные помехи). Дроссель — это ферритовый сердечник с намотанными лакированными медными проводами. В нем наводятся токи, нейтрализующие токи помех.

Приведенная выше схема входного фильтра для импульсного источника питания не устраняет помехи, которые возникают между фазой и землей (корпусом) или между нейтралью и корпусом. Для их нейтрализации в схему добавляют два конденсатора Y-типа (которые выдерживают скачки напряжения до 5 кВ). Специальная конструкция Y-конденсатора гарантирует обрыв цепи, а не короткое замыкание, в случае выхода его из строя.

Оба типа конденсаторов (X и Y), который ставят во входных фильтрах, выполняют из специальных негорючих материалов, так как они могут греться до очень высоких температур и могут стать причиной пожара. Именно в этом, да еще в конструктивных особенностях кроется причина их высокой стоимости (по сравнению с обычными).

Схема для компенсации всех типов помех

Но для корректной работы этой схемы необходимо рабочее заземление. Его надо подключить к корпусу блока питания. Без заземления, корпус блока питания будет находиться под напряжением около 110 В. Ток будет очень маленьким, но прикосновения будут ощутимы.

Сетевой выпрямитель и сглаживающий фильтр

Как уже сказано выше, выпрямитель проводит предварительное выпрямление синусоиды. Если установлен один диод, он отсекает нижние (отрицательные) полуволны.

Сравнение однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя. При использовании одного диода низкий КПД и большая пульсация выпрямленного напряжения. По этим причинам предпочтительней мостовая схема на четырех диодах

В самом простом случае выпрямитель — диод Шоттки, но может использоваться и диодный мост с параллельно подключенным конденсатором. Для диодных мостов часто применяют обычные диоды типа 1N4007, но лучше все-таки устанавливать все те же диоды Шоттки. Они «быстрее», так что можно получить лучше результаты на выходе.

Несколько схем фильтров разной степени сложности

Один диод ставят в блоках питания к недорогой технике. На его выходе напряжение имеет вид идущих с некоторыми промежутками положительных полуволн. На выходе диодного моста пульсации намного ниже, так что такой выпрямитель ставят для более требовательных к питанию приборов. Пульсирующее напряжение с выхода диода/диодного моста подается на конденсатор (он должен быть рассчитан на напряжение 270-400 В), который из полуволн делает «зубчики». Тут уже получаем более-менее стабильное постоянное напряжение.

Инвертор или блок ключей

На следующем блоке выпрямленное напряжение преобразуется в импульсы. Частота импульсов высокая — от 10 до 50 кГц. Есть два способа реализации этих блоков: при помощи микросхем, на основе автогенератора (блокинг-генератора).

Еще одна блок-схема ИИП

Во втором случае используется пара транзисторов, которые включаются попеременно, формируя на выходе последовательность импульсов. Частота переключений задается генератором. Такие схемы встречаются и сейчас, но большинство реализуется на микросхемах.

Пример схемы инвертора на транзисторах

Если есть микросхема, зачем городить огород из нескольких десятков деталей. Тем более, что требуемый тип микросхем широко распространен и стоит немного. Это так называемые ШИМ-контроллеры ( TL494, UC384х, Dh421, TL431, IR2151, IR2153 и др). К этим микросхемам надо добавить всего-лишь пару полевых транзисторов и несколько мелких деталей и получим требуемый инвертор.

Схема ИИП с ШИМ контроллером для обратноходового и полумостового преобразователей

ШИМ-контроллер отлично встраивается в любой тип схем. Он совместим с обратноходовыми, полумостовыми и мостовыми схемами выпрямителей. Естественно, отличается количество элементов, но все они простые и доступные.В обратноходовых схемах транзисторы должны быть рассчитаны на более высокое напряжение, чем подается на вход.

Устройство импульсного источника напряжения с ШИМ контроллером и двухтактным и мостовым выпрямителем

По полумостовым схемам построены импульсные блоки питания в осветительных приборах, в энергосберегающих и светодиодных лампах, электронный балласт для люминисцентных ламп (ЭПРА). Мостовые схемы применяют в более мощных блоках. Например, в сварочных инверторах.

Есть и более «серьезные» контроллеры, которые параллельно с работой, проверяют параметры входного и выходного напряжения и, при неисправностях, просто блокируют свою работу. Так как в импульсном блоке питания этот компонент, обычно, самый дорогой, это очень неплохо. Заменив неисправные детали (обычно резисторы или конденсаторы), получаем рабочий агрегат.

Силовой трансформатор

Узел трансформатора на блоке питания является одним из самых стабильных. В этом блоке, кроме самого трансформатора, содержится небольшая группа элементов которая нейтрализует выброс тока, который возникает на обмотках трансформатора при смене полярностей. Эта группа называется «снаббер».

Рассматриваемый блок обведен красным, а снаббер — зеленым

Трансформатор — один из самых надежных элементов. В нем очень редко возникают проблемы. Он может повредиться при пробое инвертора. В этом случае через обмотку течет слишком высокий ток, который и выводит из строя трансформатор.

Схема блока силового трансформатора для ИИП

Работает все это следующим образом:

На первом такте работы импульсного источника питания открыт ключ ВТ1 (полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа). Ток течет через первичную обмотку трансформатора, заряд накапливается в сердечнике.
На втором такте ключ закрывается, ток течет во вторичной обмотке через диод VD2.
При переключении на первичной обмотке возникает выброс, который вызван неидеальностью деталей. Тут в работу вступает снаббер. Его задача поглотить этот выброс, так как напряжение может быть достаточно большим и может повредить ключевой транзистор, что приведет к неработоспособности схемы. Ток выброса течет через первичную обмотку трансформатора, диод VD1, через сопротивление R1 и емкость C2.
Далее полярность снова меняется, вступает в работу ключ ВТ1.

Номиналы выбираются исходя из параметров трансформатора. Подбор сложный, так что описывать его не имеет смысла. И еще: не во всех схемах есть снаббер, но его наличие увеличивает надежность и стабильность работы импульсного источника питания.

Несколько слов о диодах, которые используют в снабберах. Это может быть обычный диод, подобранный по параметрам, но более надежны схемы со стабилитроном. Еще может быть вариант без резистора и емкости, но с включенным навстречу супрессором (на схеме ниже).

Еще один вариант блока силового трансформатора с использованием супрессора (защитного диода) D1

Супрессор — это защитный диод, принцип работы похож на стабилитрон, вот только выравнивается импульсный ток и рассеиваемая мощность. Может быть несимметричный и симметричным.

Выходной выпрямитель и фильтр, стабилизатор

На этом, можно считать со схемой импульсного блока питания разобрались, так как выходные выпрямитель и фильтр устроены по тому же принципу. Элементы могут быть другие, а схемы те же. Единственное, что еще стоит рассмотреть — стабилизация выходных параметров. Это опционная часть, но такой импульсный блок питания более надежен.

Наиболее простой и дешевый способ стабилизации используется в дешевых блоках питания — обратная связь на пассивных элементах. На схеме ниже, это два резистора R6 и R7, подключенные к вспомогательной обмотке силового трансформатора. Не слишком надежно, потому что есть влияние между обмотками, но просто и недорого.

Простой способ стабилизации

Второй вариант стабилизатора выходного напряжения сделан на стабилизаторе VD9 и оптроне HL1. Выходное напряжение складывается из падения на стабилитроне и напряжения на оптроне. Это чуть более надежная схема для ИИП средней мощности.

Стабилизация выхода ИИП при помощи стабилитрона и оптрона

Наиболее стабильные выходные показатели имеют схемы ИИП со стабилизатором TL431.

TL431 — интегральная схема трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. С внешним делителем TL431 способна стабилизировать напряжения от 2,5 до 36 В при токах до 100 мА.

ИБП с использованием микросхемы TL431 более сложные, но надежные. В таких схемах может быть подстроечный переменный резистор, который позволяет изменять выходное напряжение в небольших пределах. Обычно подстройка составляет не более 20%, так как в противном случае схема может быть нестабильной.

Схема со стабильным напряжением на выходе

Если подстройка выходного напряжения не нужна, лучше подстроечный резистор заменить обычным, так как переменные менее надежны.

Пару слов о резисторе R20 (см. схему выше), который стоит на выходе. Это так называемый, нагрузочный резистор. Как известно ИИП не будет работать без нагрузки. Поэтому на выходе и ставят сопротивление, которое обеспечивает минимальную рабочую нагрузку. Но это решение неидеально, так как резистор греется и порой очень сильно. Располагать рядом конденсаторы крайне нежелательно, иначе подогреваются и они. А в качестве выходного сопротивления должны стоять высокоточные резисторы, так как они при нагреве мало меняют свои параметры (блок выдает стабильное напряжение даже при длительной работе).

Импульсный источник питания

: преимущества использования и принцип работы | Статья

СТАТЬЯ ОБРАЗОВАНИЯ

Получайте ценные ресурсы прямо на ваш почтовый ящик — рассылается один раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое блок питания?

Источник питания — это электрическое устройство, которое преобразует электрический ток, поступающий от источника питания, в значение напряжения, необходимое для питания нагрузки, такой как двигатель или электронное устройство.

Существует два основных исполнения источников питания: линейный источник питания и импульсный источник питания.

Линейный: В линейных источниках питания используется трансформатор для понижения входного напряжения. Затем напряжение выпрямляется и превращается в напряжение постоянного тока, которое затем фильтруется для улучшения качества формы сигнала. В линейных источниках питания используются линейные регуляторы для поддержания постоянного напряжения на выходе. Эти линейные регуляторы рассеивают лишнюю энергию в виде тепла.
Коммутация: Импульсный источник питания — это новая методология, разработанная для решения многих проблем, связанных с конструкцией линейного источника питания, включая размер трансформатора и регулировку напряжения. В схемах импульсных источников питания входное напряжение больше не снижается; вместо этого он исправляется и фильтруется на входе. Затем напряжение проходит через прерыватель, который преобразует его в серию высокочастотных импульсов. Прежде чем напряжение достигнет выхода, оно снова фильтруется и выпрямляется.

Как работает импульсный источник питания?

На протяжении многих лет линейные источники питания переменного / постоянного тока преобразуют мощность переменного тока из электросети в напряжение постоянного тока для работы бытовой техники или освещения. Потребность в источниках меньшего размера для мощных приложений означает, что линейные источники питания стали использоваться в конкретных промышленных и медицинских целях, где они все еще необходимы из-за их низкого уровня шума. Но на смену пришли импульсные источники питания, потому что они меньше, эффективнее и способны выдерживать большую мощность. На рисунке 1 показано общее преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) в импульсном источнике питания.

Рисунок 1: Изолированный импульсный источник питания переменного / постоянного тока

Входное исправление

Выпрямление — это процесс преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямление входного сигнала — это первый шаг в импульсных источниках питания переменного / постоянного тока.

Принято считать, что постоянное напряжение — это прямая, непоколебимая линия постоянного напряжения, подобная той, которая выходит из батареи.Однако то, что определяет постоянный ток (DC), — это однонаправленный поток электрического заряда. Это означает, что напряжение течет в одном направлении, но не обязательно постоянно.

Синусоидальная волна представляет собой наиболее типичную форму волны переменного тока, которая является положительной для первого полупериода, но отрицательной для остальной части цикла. Если отрицательный полупериод реверсируется или устраняется, то ток перестает меняться и становится постоянным. Этого можно добиться с помощью процесса, называемого исправлением.

Выпрямление

может быть достигнуто с помощью пассивного полумостового выпрямителя для устранения отрицательной половины синусоидальной волны с помощью диода (см. Рисунок 2) . Диод позволяет току течь через него во время положительной половины волны, но блокирует ток, когда он течет в противоположном направлении.

Рисунок 2: Полумостовой выпрямитель

После выпрямления результирующая синусоида будет иметь низкую среднюю мощность и не сможет эффективно обеспечивать питание устройств.Гораздо более эффективным методом было бы изменить полярность отрицательной полуволны и сделать ее положительной. Этот метод называется двухполупериодным выпрямлением, и для него требуется только четыре диода в конфигурации моста (см. Рисунок 3) . Такая конструкция поддерживает стабильное направление тока независимо от полярности входного напряжения.

Рисунок 3: Мостовой выпрямитель

Полностью выпрямленная волна имеет более высокое среднее выходное напряжение, чем напряжение, создаваемое полумостовым выпрямителем, но это все еще очень далеко от постоянной формы волны постоянного тока, необходимой для питания электронных устройств.Хотя это волна постоянного тока, ее использование для питания устройства было бы неэффективным из-за формы волны напряжения, которая очень быстро и очень часто меняет значение. Это периодическое изменение напряжения постоянного тока называется пульсацией — уменьшение или устранение пульсаций имеет решающее значение для эффективного источника питания.

Самый простой и наиболее часто используемый метод уменьшения пульсаций — это использование большого конденсатора на выходе выпрямителя, называемого накопительным конденсатором или сглаживающим фильтром (см. Рисунок 4) .

Конденсатор накапливает напряжение во время пика волны, а затем снабжает нагрузку током до тех пор, пока его напряжение не станет меньше, чем сейчас нарастающая волна выпрямленного напряжения. Результирующая форма волны намного ближе к желаемой форме и может считаться постоянным напряжением без составляющей переменного тока. Этот окончательный сигнал напряжения теперь можно использовать для питания устройств постоянного тока.

Рисунок 4: Полномостовой выпрямитель со сглаживающим фильтром

Пассивное выпрямление использует полупроводниковые диоды в качестве неуправляемых переключателей и является самым простым методом выпрямления волны переменного тока, но не самым эффективным.

Диоды — относительно эффективные переключатели; они могут быстро включаться и выключаться с минимальными потерями энергии. Единственная проблема с полупроводниковыми диодами заключается в том, что они имеют падение напряжения прямого смещения от 0,5 В до 1 В, что снижает эффективность.

Активное выпрямление заменяет диоды управляемыми переключателями, такими как полевые МОП-транзисторы или биполярные транзисторы (см. Рисунок 5) . У этого есть два преимущества: во-первых, выпрямители на основе транзисторов устраняют фиксированное падение напряжения от 0,5 В до 1 В, связанное с полупроводниковыми диодами, поскольку их сопротивление может быть произвольно малым и, следовательно, иметь небольшое падение напряжения.Во-вторых, транзисторы — это управляемые переключатели, что означает, что частоту переключения можно контролировать и, следовательно, оптимизировать.

Обратной стороной является то, что активные выпрямители требуют более сложных схем управления для достижения своей цели, что требует дополнительных компонентов и, следовательно, делает их более дорогими.

Рисунок 5: Активный выпрямитель с полным мостом

Коррекция коэффициента мощности (PFC)

Второй этап в конструкции импульсного источника питания — это коррекция коэффициента мощности (PFC).

Цепи

PFC имеют мало общего с фактическим преобразованием мощности переменного тока в мощность постоянного тока, но являются важным компонентом большинства коммерческих источников питания.

Рисунок 6: Осциллограммы напряжения и тока на выходе выпрямителя

Если вы посмотрите форму волны тока накопительного конденсатора выпрямителя (см. Рисунок 6) , вы увидите, что зарядный ток течет через конденсатор в течение очень короткого промежутка времени, а именно с точки, где напряжение на входе конденсатор больше, чем заряд конденсатора до пика выпрямленного сигнала.Это вызывает серию коротких всплесков тока в конденсаторе, что создает значительную проблему не только для источника питания, но и для всей электросети из-за большого количества гармоник, которые эти всплески тока вводят в сеть. Гармоники могут создавать искажения, которые могут повлиять на другие источники питания и устройства, подключенные к сети.

В схеме импульсного источника питания цель схемы коррекции коэффициента мощности — минимизировать эти гармоники путем их фильтрации.Для этого есть два варианта: активная и пассивная коррекция коэффициента мощности.

Пассивные схемы PFC состоят из пассивных фильтров нижних частот, которые пытаются устранить высокочастотные гармоники. Однако источники питания, особенно в приложениях с большой мощностью, не могут соответствовать международным нормам по гармоническому шуму с использованием только пассивной коррекции коэффициента мощности. Вместо этого они должны применять коррекцию активной мощности.
Active PFC изменяет форму кривой тока и заставляет ее следовать за напряжением.Гармоники перемещаются на гораздо более высокие частоты, что упрощает их фильтрацию. Наиболее широко используемой схемой для этих случаев является повышающий преобразователь, также называемый повышающим преобразователем.

Изоляция: изолированные и неизолированные импульсные источники питания

Независимо от того, присутствует ли схема PFC, последний этап преобразования мощности — это понижение выпрямленного напряжения постоянного тока до нужной величины для предполагаемого применения.

Поскольку форма входного сигнала переменного тока выпрямлена на входе, выходное напряжение постоянного тока будет высоким: если нет коррекции коэффициента мощности, выходное напряжение постоянного тока выпрямителя будет около 320 В.Если есть активная схема коррекции коэффициента мощности, на выходе повышающего преобразователя будет постоянное постоянное напряжение 400 В или более.

Оба сценария чрезвычайно опасны и бесполезны для большинства приложений, которые обычно требуют значительно более низких напряжений. В таблице 1 показаны некоторые аспекты преобразователя и приложения, которые следует учитывать при выборе правильной топологии изоляции.

	Изолированные источники питания переменного / постоянного тока	Неизолированные источники питания переменного / постоянного тока
Топология	Обратный преобразователь	Понижающий преобразователь
Безопасность	Гальваническая развязка обеспечивает повышенную безопасность пользователя	Возможные утечки тока могут причинить значительный вред пользователям или нагрузкам
Размер и эффективность	Трансформаторы увеличивают размер и вес	Требуется только один индуктор, схема гораздо меньшего размера
КПД	Потери в трансформаторной стали и меди влияют на КПД	Одна катушка индуктивности намного эффективнее, чем целый трансформатор
Сложность	Схема управления необходима как для

Таблица 1: Изолированные vs.Неизолированные источники питания переменного / постоянного тока

При выборе метода понижения главное внимание уделяется безопасности.

Источник питания подключен к сети переменного тока на входе, что означает, что в случае утечки тока на выходе электрический ток такой степени может серьезно повредить или вызвать смерть, а также повредить любое устройство, подключенное к выходу.

Безопасность может быть достигнута за счет магнитной изоляции входных и выходных цепей источника питания переменного / постоянного тока, подключенного к сети.Наиболее широко используемые цепи в изолированных источниках питания переменного / постоянного тока — это обратноходовые преобразователи и резонансные LLC-преобразователи, поскольку они включают гальваническую или магнитную изоляцию (см. Рисунок 7) .

Рисунок 7: Обратный преобразователь (слева) и LLC-резонансный преобразователь (справа)

Использование трансформатора означает, что сигнал не может быть постоянным напряжением. Вместо этого должно быть изменение напряжения и, следовательно, изменяющийся ток, чтобы передавать энергию от одной стороны трансформатора к другой через индуктивную связь.Следовательно, как обратный преобразователь, так и LLC-преобразователи «прерывают» входное постоянное напряжение в виде прямоугольной волны, которая может быть понижена с помощью трансформатора. Затем выходная волна должна быть снова выпрямлена перед выходом на выход.

Обратные преобразователи в основном используются для приложений с низким энергопотреблением. Обратный преобразователь представляет собой изолированный повышающий-понижающий преобразователь, что означает, что выходное напряжение может быть как выше, так и ниже входного напряжения, в зависимости от соотношения витков трансформатора между первичной и вторичной обмотками.

Обратный преобразователь работает аналогично повышающему преобразователю.

Когда переключатель замкнут, первичная катушка заряжается входом, создавая магнитное поле. Когда переключатель разомкнут, заряд в первичной катушке индуктивности передается на вторичную обмотку, которая вводит ток в цепь, питающую нагрузку.

Обратные преобразователи

относительно просты в проектировании и требуют меньшего количества компонентов, чем другие преобразователи, но не очень эффективны из-за значительных потерь из-за жесткого переключения при принудительном включении и выключении транзистора произвольно (см. Рисунок 8).Это очень вредно для жизненного цикла транзистора и приводит к значительным потерям мощности, особенно в приложениях с высокой мощностью, поэтому обратноходовые преобразователи лучше подходят для приложений с низким энергопотреблением, обычно до 100 Вт.

Резонансные LLC-преобразователи чаще используются в приложениях с высокой мощностью. Эти цепи также имеют магнитную изоляцию через трансформатор. Преобразователи LLC основаны на явлении резонанса, которое представляет собой усиление определенной частоты, когда она совпадает с собственной частотой фильтра.В этом случае резонансная частота LLC-преобразователя определяется последовательно включенными катушкой индуктивности и конденсатором (LC-фильтр) с дополнительным эффектом первичной катушки индуктивности трансформатора (L), отсюда и название LLC-преобразователь.

Резонансные преобразователи

LLC предпочтительны для приложений большой мощности, поскольку они могут производить переключение при нулевом токе, также известное как мягкое переключение (см. Рисунок 8) . Этот метод переключения включает и выключает переключатель, когда ток в цепи приближается к нулю, сводя к минимуму потери переключения транзистора, что, в свою очередь, снижает электромагнитные помехи и повышает эффективность.К сожалению, за это улучшение рабочих характеристик приходится платить: сложно спроектировать LLC-резонансный преобразователь, который может обеспечить плавное переключение для широкого диапазона нагрузок. С этой целью MPS разработала специальный инструмент для проектирования LLC, который помогает убедиться, что преобразователь работает точно в правильном резонансном состоянии для оптимальной эффективности переключения.

Рисунок 8: Жесткое переключение (слева) в сравнении с потерями при мягком переключении (справа)

Ранее в этой статье мы обсуждали, почему одним из ограничений источников питания переменного / постоянного тока являются размер и вес входного трансформатора, который из-за низкой рабочей частоты (50 Гц) требует больших катушек индуктивности и магнитных сердечников, чтобы избежать насыщения. .

В импульсных источниках питания частота колебаний напряжения значительно выше (как минимум выше 20 кГц). Это означает, что понижающий трансформатор может быть меньше, потому что высокочастотные сигналы генерируют меньше магнитных потерь в линейных трансформаторах. Уменьшение размеров входных трансформаторов позволяет миниатюризировать систему до такой степени, что весь блок питания помещается в корпус размером с зарядные устройства для мобильных телефонов, которые мы используем сегодня.

Существуют устройства постоянного тока, которым не требуется изоляция, обеспечиваемая трансформатором.Это обычно наблюдается в устройствах, к которым не нужно напрямую прикасаться пользователю, таких как освещение, датчики, IoT и т. Д., Потому что любые манипуляции с параметрами устройства выполняются с отдельного устройства, такого как мобильный телефон, планшет или компьютер.

Это дает большие преимущества с точки зрения веса, размера и производительности. Эти преобразователи снижают уровни выходного напряжения с помощью понижающего преобразователя высокого напряжения, также называемого понижающим преобразователем. Эту схему можно описать как инверсию повышающего преобразователя, описанного ранее.В этом случае, когда транзисторный ключ закрыт, ток, протекающий через катушку индуктивности, создает напряжение на катушке индуктивности, которое противодействует напряжению от источника питания, уменьшая напряжение на выходе. Когда переключатель размыкается, катушка индуктивности выпускает ток, протекающий через нагрузку, поддерживая значение напряжения на нагрузке, в то время как цепь отключена от источника питания.

В импульсных источниках питания переменного / постоянного тока используется высоковольтный понижающий преобразователь, поскольку полевой МОП-транзистор, который действует как переключатель, должен выдерживать большие изменения напряжения (см. Рисунок 9) .Когда переключатель замкнут, напряжение на полевом МОП-транзисторе близко к 0 В; но когда он открывается, это напряжение возрастает до 400 В для однофазных приложений или до 800 В для трехфазных преобразователей. Эти большие резкие изменения напряжения могут легко повредить нормальный транзистор, поэтому используются специальные высоковольтные полевые МОП-транзисторы.

Рисунок 9: Неизолированный импульсный источник питания переменного / постоянного тока с активным PFC

Понижающие преобразователи

гораздо проще интегрировать, чем трансформаторы, потому что требуется только один индуктор.Они также намного более эффективны при понижении напряжения с нормальным КПД выше 95%. Такой уровень эффективности возможен, потому что транзисторы и диоды почти не имеют потерь мощности при переключении, поэтому единственные потери происходят от катушки индуктивности.

Одним из примеров неизолированного выходного стабилизатора переменного / постоянного тока является семейство MPS MP17xA. Это семейство может управлять множеством различных топологий преобразователей, таких как понижающий, повышающий, понижающий-повышающий или обратный. Его можно использовать для напряжений до 700 В, то есть он предназначен для однофазных источников питания.У него также есть опция зеленого режима, в котором частота переключения и пиковый ток уменьшаются пропорционально нагрузке, повышая общую эффективность источника питания. На рис. 10 показана типичная прикладная схема MP173A, в которой он регулирует понижающий преобразователь, состоящий из катушки индуктивности (L1), диода (D1) и конденсатора (C4). Резисторы (R1 и R2) образуют делитель напряжения, который обеспечивает напряжение обратной связи (вывод FB), замыкая контур управления.

Рисунок 10: Типовая прикладная схема MP173A

Импульсные блоки питания переменного / постоянного тока

предлагают повышенную производительность при небольшом размере, что и сделало их такими популярными.Обратной стороной является то, что их схемы значительно сложнее, и они требуют более точных схем управления и фильтров шумоподавления. Несмотря на дополнительную сложность, MPS предлагает простые и эффективные решения, облегчающие разработку вашего источника питания переменного / постоянного тока.

Сводка

Импульсные блоки питания

AC / DC в настоящее время являются наиболее эффективным способом преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Преобразование мощности происходит в три этапа:

Входное выпрямление: в этом процессе напряжение сети переменного тока преобразуется в выпрямленную волну постоянного тока с помощью диодного моста.На выходе моста добавлен конденсатор для уменьшения напряжения пульсаций.
Коррекция коэффициента мощности (PFC): из-за нелинейного тока в выпрямителе гармоническая составляющая тока довольно велика. Есть два способа решить эту проблему. Первый — это пассивная коррекция коэффициента мощности, использующая фильтр для ослабления влияния гармоник, но он не очень эффективен. Второй вариант, называемый активным PFC, использует импульсный повышающий преобразователь, чтобы форма волны тока соответствовала форме входного напряжения.Активная коррекция коэффициента мощности — единственный метод проектирования преобразователя мощности, отвечающий современным стандартам размера и эффективности.
Изоляция: Импульсные источники питания могут быть изолированными или неизолированными. Устройство изолируется, когда вход и выход источника питания физически не соединены. Изоляция осуществляется с помощью трансформаторов, которые гальванически изолируют две половины цепи. Однако трансформаторы могут передавать электроэнергию только при изменении тока, поэтому выпрямленное постоянное напряжение преобразуется в высокочастотную прямоугольную волну, которая затем передается во вторичную цепь, где снова выпрямляется и, наконец, передается на выход.

При проектировании импульсного источника питания необходимо учитывать множество различных аспектов, особенно связанных с безопасностью, производительностью, размером, весом и т. Д. Цепи управления для импульсных источников питания также более сложны, чем в линейных источниках питания, поэтому многие Разработчики считают полезным использовать интегрированные модули в своих источниках питания.

MPS предлагает широкий спектр модулей, которые могут упростить проектирование импульсных источников питания, таких как преобразователи мощности, контроллеры, выпрямители и т. Д.

_________________________

Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Принцип действия и устройство импульсного источника питания

Импульсный источник питания сильно отличается от линейного источника питания. Несмотря на свою сложность, более высокую стоимость материалов и большее количество деталей, импульсный источник питания по-прежнему является предпочтительной топологией источника питания на рынке.Основная причина — более высокий КПД и более высокая удельная мощность. Более высокая эффективность просто означает, что только небольшая часть входной мощности тратится впустую, в то время как более высокая плотность мощности означает, что более высокая мощность возможна при меньшем форм-факторе или размере.

Обзор линейного источника питания AC-DC

Трансформатор 50/60 Гц

Это может быть повышение или понижение в зависимости от использования. Обычно это понижающая версия, поскольку обычное требуемое выходное напряжение ниже входного уровня.

Выпрямитель

Преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный ток. Чаще всего используется выпрямитель двухполупериодного мостового типа, как показано на схеме.

Фильтр

Простой фильтр — это электролитический конденсатор. Это увеличит среднеквадратичный или постоянный уровень выпрямленного сигнала.

Регулятор

Это будет поддерживать чистый постоянный ток на выходе, чтобы не создавать проблем для чувствительных нагрузок или системы.

Общие проблемы

Эффективность и размер — распространенная проблема, связанная с линейным источником питания переменного и постоянного тока.Он также ограничен только для приложений с низким энергопотреблением. Для работы с высокой мощностью трансформатор 50/60 Гц будет очень большим и дорогим. Отфильтрованное вторичное выпрямленное напряжение должно всегда быть выше выходного со значительным запасом, чтобы регулятор мог работать правильно. По этой причине избыточное напряжение будет поглощаться регулятором, что приведет к огромным потерям мощности при умножении на ток нагрузки. Вот почему эффективность очень низкая. Линейный источник питания переменного и постоянного тока также не может обеспечить широкий диапазон входных сигналов.Например, трансформатор рассчитан на 220–20 В переменного тока, вы больше не можете использовать его для 110 В переменного тока, так как вы больше не можете получить 20 В переменного тока на вторичной обмотке.

Обзор линейного источника питания DC-DC

Схема выше представляет собой базовый линейный источник питания постоянного и переменного тока. Это просто и очень просто, поскольку в нем всего несколько компонентов. Однако его основным недостатком по-прежнему остается эффективность, ограниченная только для приложений с низким энергопотреблением.Для правильного регулирования линейного регулятора его входное напряжение должно быть выше выходного напряжения с запасом. Разница во входном и выходном напряжениях называется падением напряжения. В настоящее время на рынке уже есть линейные стабилизаторы с малым падением напряжения. Низкое падение напряжения все равно приведет к огромным потерям мощности при работе с более высоким током.

Блок-схема импульсного источника питания

AC-DC

Ниже представлена блок-схема двухступенчатого импульсного источника питания постоянного и переменного тока.Первый блок — это мостовой выпрямитель, предназначенный для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный ток. В отличие от линейного источника питания переменного и постоянного тока, этот мостовой выпрямитель требует высокого напряжения, поскольку он напрямую видит входное напряжение. Импульсный преобразователь первой ступени в большинстве случаев представляет собой повышающий преобразователь, который функционирует как схема коррекции коэффициента мощности или PFC. Повышающий преобразователь имеет выходную мощность выше, чем входную. Коррекция коэффициента мощности необходима для переключения силовой цепи, чтобы скорректировать форму тока и минимизировать гармоники.Повышающий преобразователь — лучшая схема активной коррекции коэффициента мощности из-за его способности потреблять ток от входа в обоих состояниях Q1 (включен или выключен). Импульсный преобразователь второй ступени обычно называют секцией DC-DC производителями или разработчиками источников питания. Для DC-DC доступно множество топологий, таких как резонанс (LLC, последовательный, параллельный), прямой (ITTF, TTF, одиночный транзистор), мост и полный мост и многие другие. На приведенной ниже схеме секция DC-DC представляет собой резонансный преобразователь LLC.Последний блок — это выходной выпрямитель и фильтр. В приложениях с высокой мощностью вместо диодов используются NMOS.

Схема ниже обычно используется для автономных адаптеров и зарядных устройств с низким энергопотреблением. Это только использование одного переключающего преобразователя на секции DC-DC, который является обратным преобразователем. Обратный преобразователь эффективен при номинальной мощности до 100 Вт. В некоторых случаях Flyback используется до 200 Вт, если соблюдаются требования, особенно по эффективности.Каскад PFC больше не используется, поскольку типичная или номинальная мощность этой конфигурации составляет около 80–120 Вт, а требования к коэффициенту мощности для этого диапазона мощности не такие строгие. Обратный преобразователь очень популярен для маломощных импульсных источников питания в автономном режиме из-за его простоты и меньшего количества деталей.

Импульсный источник питания DC-DC

Существует несколько топологий, которые можно использовать для создания импульсного источника питания DC-DC.Схема ниже представляет собой понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный или обычно известный как понижающий преобразователь. Понижающий преобразователь имеет выходное напряжение ниже входного.

Еще одно решение для импульсного источника питания DC-DC — это повышающий преобразователь, показанный на схеме ниже. Повышающий преобразователь имеет выходную мощность выше, чем входную.

Комбинация понижающего и повышающего преобразователя также возможна в повышенно-понижающей топологии.Ниже приведено инвертирующее решение для повышения и понижения напряжения. Его можно настроить для работы, когда его вход ниже, чем выход, или наоборот. Неинвертирующий понижающий-повышающий также вариант, но он имеет несколько компонентов, чем инвертирующий понижающий-повышающий.

Принцип работы импульсных источников питания

Мы показываем в корпусе выше некоторые разновидности импульсного источника питания как в AC-DC, так и в DC-DC формах. Что именно делает SMPS? Чем он отличается от обычного линейного блока питания?

Импульсный источник питания — это источник питания, в котором в качестве силовой части используется импульсный преобразователь.Это может быть несколько переключающих преобразователей, работающих в каскаде или параллельно, или один. Импульсные преобразователи — это сердце импульсных источников питания.

Импульсный преобразователь работает по принципу непрерывного включения и выключения полупроводникового переключателя. Включение означает работу полупроводникового переключателя, такого как MOSFET, в режиме насыщения, в то время как выключение означает работу MOSFET в режиме отсечки. При насыщении на канале MOSFET не будет падения напряжения (в идеале), следовательно, не будет потерь мощности.С другой стороны, при отключении тока не будет, поэтому потери мощности все равно не будет. Благодаря этому принципу достигается очень высокий КПД.

На самом деле, есть небольшие потери мощности из-за сопротивления открытого МОП-транзистора и задержки выключения, которая вызывает небольшое пересечение между напряжением и током.

Приведение полупроводникового переключателя в режим насыщения и отсечки возможно с помощью ШИМ-контроллера. Контроллер PWM может быть аналоговой ИС для конкретного приложения (ASIC) или цифровым решением, таким как MCU, DSC и DSP.Контроллер также устанавливает регулирование и другие защиты цепи.

Правила получения результатов

Чтобы хорошо это обсудить, давайте рассмотрим понижающий преобразователь, показанный на схеме ниже. Принцип одинаков для всех переключающих преобразователей.

Может быть, вы уже слышали о системе разомкнутого и замкнутого цикла. Система разомкнутого контура не имеет возможности настраиваться на основе поведения выхода, но замкнутая система имеет.Например, в приведенной выше схеме (понижающий переключающий преобразователь) регулирование без обратной связи возможно за счет обеспечения фиксированного входного напряжения, фиксированной нагрузки и фиксированного рабочего цикла. Для понижающего преобразователя идеальное соотношение входного и выходного напряжения определяется рабочим циклом. Для понижающего преобразователя уравнение рабочего цикла равно

Подробное объяснение того, как вычисляется рабочий цикл понижающего преобразователя, можно найти в статье «Расчет рабочего цикла понижающего преобразователя».

Например, входное напряжение составляет 20 В, а желаемое выходное напряжение — 10 В, рабочий цикл может быть установлен на 50%. Таким образом, сигнал ШИМ в приведенной выше схеме должен иметь 50% времени включения. Это может быть нормально, если вход фиксирован, а нагрузка также постоянна. Однако, когда есть небольшое возмущение, выход легко станет сумасшедшим, поэтому рекомендуется использовать управление с обратной связью.

Для управления замкнутым контуром необходим хороший контроллер (стандартный контроллер), или, если вы хорошо разбираетесь в системе управления, вы можете разработать собственное аналоговое или цифровое управление.

Замкнуть цикл для получения постановления

Схема ниже представляет собой понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный, который может работать от входных напряжений 30-60 В и выходных напряжений 24 В, 75 Вт. В силовую часть входят NMOS Si7852, диод SS3H9 и катушка индуктивности 47uH. Резисторы делителя 93,1 кОм и 4,99 кОм составляют цепь обратной связи для управления по замкнутому контуру. Напряжение на резисторе 4,99 кОм сравнивается с внутренним опорным сигналом на выводе V _FB контроллера.

Выход не может отклоняться от установленного уровня из-за замкнутого контура.Выше представлено простое решение, благодаря контроллерам, доступным на рынке в настоящее время. Принцип, лежащий в основе управления с обратной связью, очень технический, но о нем забывают, поскольку на рынке доступно множество простых решений.

Чтобы сделать ответ петли быстрым, необходима компенсационная сеть. В приведенной выше схеме компоненты, подключенные к выводу V _C, составляют компенсационную схему.

Немного подробнее об эксплуатации SMPS

Цепи, из которых состоят импульсные блоки питания, представляют собой импульсные преобразователи.Понимание работы импульсного преобразователя также прояснит работу импульсного источника питания. Позвольте мне рассмотреть схему повышающего преобразователя ниже. Когда PWM высокий (MOSFET Q1 насыщается), переключатель Q1 включается, и на этот раз индуктор L1 заряжается. Диод D1 будет смещен в обратном направлении, и нагрузка будет зависеть только от заряда конденсатора C1.

Когда сигнал ШИМ низкий, Q1 отключается. Катушка индуктивности будет сопротивляться внезапному изменению тока, поэтому она изменит свою полярность, чтобы поддерживать то же направление тока.В результате D1 будет смещен в прямом направлении, а C1 будет пополнять свой заряд, а нагрузка будет получать свою мощность от входа. Изменение полярности катушки индуктивности создает уровень напряжения выше входного (эффект усиления). На диаграмме ниже показаны формы колебаний тока катушки индуктивности, диода и полевого МОП-транзистора в зависимости от состояния ШИМ.

КПД импульсного источника питания

Основная причина, по которой этот тип источника питания так популярен, — это его способность обеспечивать более высокий КПД.Ниже приведена таблица КПД, достижимого для импульсного источника питания, стандартизованного на 80+.

Эффективность вычисляется как

Ploss — общие потери источника питания. Ранее я упоминал о нулевом рассеянии мощности, когда переключатель находится в состоянии насыщения или при отключении. В идеале, но такой идеальной системы нет. Потери импульсного источника питания возникают из-за RDSon полевого МОП-транзистора, коммутируемых потерь, диодных потерь, потерь смещения и потерь, связанных с индуктором.

Руководство по проектированию ИИП

1. Ознакомьтесь с приложением

Определите приложение. Например. в каком приложении используется источник питания, каковы окружающие условия, рабочие температуры и определить, будет ли принудительное воздушное охлаждение или естественная конвекция. Принудительный воздух и естественная конвекция имеют разный дизайнерский подход.

2. Определить мощность

Если вашему приложению требуется 100 Вт, не создавайте блок питания на 100 Вт.Всегда включайте минимум 40% запаса на случай внезапных перегрузок. Если позволяет бюджет, вы можете спроектировать блок питания мощностью 200 Вт так, чтобы ваша нагрузка всегда была вдвое меньше, чем мощность блока питания. По результатам испытаний импульсный источник питания имеет наибольший КПД при нагрузке 50-60%.

3. Выберите топологию

Когда у вас будет целевая мощность, выберите топологию для использования. Для номинальной мощности ниже 150 Вт Flyback является экономичным решением. Однако для более высоких требований к эффективности Flyback — не лучший вариант.Вы можете рассмотреть резонансное решение. Для приложений с высокой мощностью, скажем, в диапазоне киловатт, вы можете рассмотреть полный мост в секции DC-DC. Для приложения DC-DC используйте понижающий режим, если вы стремитесь к более низкому выходному напряжению, повышающий режим для более высокого выходного напряжения или понижающий-повышающий режим, если необходимо комбинировать их.

4. Решите, нужно ли включать схему коэффициента мощности

Это зависит от технических характеристик и приложений. Для зарядных устройств и адаптера малой мощности нет необходимости в дополнительном каскаде PFC.Для высокой мощности или если вы хотите конкурировать на рынке и иметь сертифицированный источник питания, вам необходимо включить схему PFC, такую как повышающий преобразователь.

5. Вы хотите, чтобы продукт был сертифицирован органами EMC?

Если да, то включите в проект фильтр электромагнитных помех.

6. Используйте синхронные выпрямители, параллельные полевые МОП-транзисторы

Если вам требуется очень высокий КПД, подумайте об использовании синхронного выпрямителя. Вы также можете подключить полевые МОП-транзисторы параллельно, чтобы дополнительно снизить потери проводимости, связанные с RDSon.

7. Выберите Control

Вы можете использовать аналоговые контроллеры для конкретных приложений или выбрать цифровое решение, такое как MCU, DSC или DSP. Аналоговые контроллеры просты. Что ж, если вы хорошо разбираетесь в системах управления, почему бы не подумать о цифровом решении. Цифровое решение очень гибкое, так как вы можете включать в себя ведение домашнего хозяйства или мониторинг.

8. Прочее

Правильный выбор устройств, обратите внимание на номинальное напряжение, номинальный ток, а также номинальную мощность.Остерегайтесь допусков. Учитывайте срок службы конденсаторов, вентиляторов и оптоизоляторов.

Связанные

Топологии

с их принципом работы

Схема импульсного источника питания

Источник питания — это электронная схема, которая используется для подачи электроэнергии на устройства или нагрузки, такие как компьютеры, машины и т. Д. Этим электрическим и электронным нагрузкам требуются различные формы мощности в разных диапазонах и с разными характеристиками.Таким образом, по этой причине мощность преобразуется в требуемые формы (с желаемыми качествами) с помощью некоторых силовых электронных преобразователей или преобразователей мощности.

Электрические и электронные нагрузки работают с различными формами источников питания, такими как источник питания переменного тока, источник питания переменного тока в постоянный, источник высокого напряжения, программируемый источник питания, источник бесперебойного питания и импульсный источник питания.

Что такое импульсный источник питания?

Электронный источник питания, интегрированный с импульсным регулятором для эффективного преобразования электроэнергии из одной формы в другую с желаемыми характеристиками, называется импульсным источником питания.Он используется для получения стабилизированного выходного напряжения постоянного тока из нерегулируемого входного напряжения переменного или постоянного тока.

Импульсный источник питания

Как и другие источники питания, импульсный источник питания представляет собой сложную схему, которая подает питание от источника к нагрузкам. Импульсный источник питания необходим для энергопотребляющих электрических и электронных устройств и даже для электрических и электронных объектов.

Топологии импульсного источника питания

Существуют различные типы топологий для SMPS, среди них несколько:

Преобразователь постоянного тока в постоянный
Преобразователь переменного тока в постоянный
Обратный преобразователь
Прямой преобразователь

Принцип работы импульсного источника питания

Несколько типов топологий импульсного источника питания работают следующим образом:

1.Принцип работы SMPS преобразователя постоянного тока в постоянный

В преобразователе постоянного тока в постоянный ток в основном высоковольтная мощность постоянного тока поступает напрямую от источника постоянного тока. Затем эта высоковольтная мощность постоянного тока переключается с очень высокой скоростью переключения, обычно в диапазоне от 15 кГц до 50 кГц.

И далее подается на понижающий трансформатор, который по весогабаритным характеристикам сопоставим с трансформаторным блоком 50 Гц. Выход понижающего трансформатора далее подается на выпрямитель.Эта отфильтрованная и выпрямленная выходная мощность постоянного тока используется в качестве источника для нагрузок, а выборка этой выходной мощности используется в качестве обратной связи для управления выходным напряжением. С помощью этого напряжения обратной связи контролируется время включения генератора, и -сформирован регулятор петли.

Преобразователь постоянного тока в постоянный SMPS

Выход импульсного источника питания регулируется с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Как показано на схеме выше, переключатель приводится в действие генератором ШИМ, так что мощность, подаваемая на понижающий трансформатор, управляется косвенно, и, следовательно, выходом управляет ШИМ, поскольку этот сигнал ширины импульса и выход напряжения обратно пропорциональны друг другу.

Если рабочий цикл составляет 50%, то максимальное количество мощности передается через понижающий трансформатор, а если рабочий цикл уменьшается, то количество передаваемой мощности будет уменьшаться за счет уменьшения рассеиваемой мощности.

2. Принцип работы SMPS преобразователя переменного тока в постоянный

Преобразователь переменного тока в постоянный SMPS имеет вход переменного тока. Он преобразуется в постоянный ток в процессе выпрямления с использованием выпрямителя и фильтра. Это нерегулируемое постоянное напряжение подается на конденсатор большого фильтра или схемы коррекции коэффициента мощности (PFC) для коррекции коэффициента мощности по мере его воздействия.Это связано с тем, что около пиков напряжения выпрямитель потребляет короткие импульсы тока, имеющие значительную высокочастотную энергию, что влияет на коэффициент мощности для снижения.

Преобразователь переменного тока в постоянный SMPS

Он почти аналогичен рассмотренному выше преобразователю постоянного тока в постоянный, но вместо прямого источника постоянного тока здесь используется вход переменного тока. Таким образом, комбинация выпрямителя и фильтра, показанная на блок-схеме, используется для преобразования переменного тока в постоянный, а переключение осуществляется с помощью мощного усилителя MOSFET, с помощью которого можно достичь очень высокого усиления.MOSFET-транзистор имеет низкое сопротивление в открытом состоянии и может выдерживать большие токи. Частота переключения выбирается так, чтобы ее не слышали обычные люди (обычно выше 20 кГц), а действие переключения контролируется обратной связью с использованием генератора ШИМ.

Это переменное напряжение снова подается на выходной трансформатор, показанный на рисунке, для повышения или понижения уровней напряжения. Затем выходной сигнал этого трансформатора выпрямляется и сглаживается с помощью выходного выпрямителя и фильтра.Схема обратной связи используется для управления выходным напряжением путем сравнения его с опорным напряжением.

3. Принцип работы ИИП с обратным преобразователем

Цепь ИИП с очень низкой выходной мощностью менее 100 Вт (ватт) обычно представляет собой ИИП с обратным преобразователем, и по сравнению с ней это очень простая и недорогая схема. к другим цепям SMPS. Следовательно, он часто используется для приложений с низким энергопотреблением.

Обратный преобразователь типа SMPS

Нерегулируемое входное напряжение постоянной величины преобразуется в желаемое выходное напряжение путем быстрого переключения с использованием полевого МОП-транзистора; частота переключения составляет около 100 кГц.Изоляция напряжения может быть достигнута с помощью трансформатора. Работой переключателя можно управлять с помощью ШИМ-регулятора при использовании практичного обратного преобразователя.

Обратный трансформатор имеет другие характеристики по сравнению с обычным трансформатором. Две обмотки обратного трансформатора действуют как индукторы с магнитной связью. Выход этого трансформатора проходит через диод и конденсатор для выпрямления и фильтрации. Как показано на рисунке, напряжение на этом конденсаторе фильтра принимается за выходное напряжение SMPS.

4. Прямой преобразователь типа SMPS Рабочий

Прямой преобразователь типа SMPS почти аналогичен обратному преобразователю типа SMPS, но в прямом преобразователе типа подключается управление для управления переключателем и на выходе вторичной обмотки трансформатора, а схема выпрямления и фильтрации сложна по сравнению с обратноходовым преобразователем.

Его можно назвать понижающим преобразователем постоянного тока в постоянный вместе с трансформатором, используемым для развязки и масштабирования.В дополнение к диоду D1 и конденсатору C, на выходном конце подключены диод D2 и катушка индуктивности L. Если переключатель S включается, то входной сигнал подается на первичную обмотку трансформатора, и, следовательно, на вторичной обмотке трансформатора генерируется масштабированное напряжение.

Прямой преобразователь типа SMPS

Таким образом, диод D1 смещается в прямом направлении, и масштабированное напряжение проходит через фильтр нижних частот, предшествующий нагрузке. Если переключатель S выключен, то токи через первичную и вторичную обмотки достигают нуля, но ток через индуктивный фильтр и нагрузку не может быть изменен резко, и путь этому току обеспечивает обратный диод D2.За счет использования катушки индуктивности фильтра устанавливается необходимое напряжение на диоде D2 и для поддержания ЭДС, необходимой для поддержания непрерывности тока на индуктивном фильтре.

Даже несмотря на то, что ток уменьшается по сравнению с выходным напряжением, приблизительно постоянное выходное напряжение поддерживается благодаря наличию большого емкостного фильтра. Он часто используется для коммутации приложений с мощностью в диапазоне от 100 Вт до 200 Вт.

Существуют различные типы топологий, в которых могут быть реализованы SMPS, такие как понижающий преобразователь, повышающий преобразователь, автоколебательный обратный преобразователь, понижающий преобразователь. -буст-преобразователь, Boost-buck, Cuk, Sepic.Но только некоторые из них обсуждаются в этой статье, а именно преобразователь постоянного тока в постоянный, преобразователь переменного тока в постоянный, обратный преобразователь и прямой преобразователь. Для получения дополнительной информации о типах импульсных источников питания и типах SMPS с их принципами работы, не стесняйтесь писать свои комментарии для улучшения этой статьи технически, чтобы вы могли помочь другим читателям ознакомиться с SMPS.

Анализ принципа импульсного источника питания

Теплые подсказки: слово в этой статье составляет около 4800, а время чтения — около 28 минут.

Сводка

В настоящее время в основном представлены источники питания двух типов: линейные (линейные) и импульсные (коммутационные). Эта статья в основном посвящена анализу принципа импульсного источника питания, такого как линейная мощность, импульсный источник питания; Схема управления трансформатором и ШИМ; Переходный фильтр анализ цепей и т. Д.

Каталог

ⅠLinear Power

В настоящее время в основном используются два типа источников питания: линейное питание (линейное) и импульсное питание (переключение).Принцип линейного источника питания заключается в преобразовании сети 127 В или 220 В в низкое напряжение через трансформатор, скажем 12 В, и преобразованное низкое напряжение остается переменным током. Затем выполните выпрямление с помощью ряда диодов и преобразования переменного тока низкого напряжения в пульсирующее напряжение (с цифрой 3 на рисунках 1 и 2).

Следующим шагом является фильтрация пульсирующего напряжения вместе с конденсаторами, а затем преобразование отфильтрованного переменного тока низкого напряжения в постоянный ток И 2 из 4). В это время результирующий низковольтный постоянный ток все еще недостаточно чистый, будут некоторые колебания (такие колебания напряжения — это то, что мы часто называем пульсацией), поэтому вам также необходимо стабилизировать схему диода или выпрямителя напряжения для исправления.Наконец, мы можем получить чистый низковольтный выход постоянного тока (5 на рисунках 1 и 2)

Рисунок 1: Стандартная конструкция линейного источника питания

Рисунок 2: Форма сигнала линейного источника питания

Хотя линейные блоки питания хорошо подходят для питания маломощных устройств, таких как беспроводные телефоны, игровые консоли, такие как PlayStation / Wii / Xbox и т. Д. Линейные блоки питания могут потреблять много энергии для мощных устройств.

Для линейного источника питания его внутренняя емкость и размер трансформатора обратно пропорциональны частоте сети переменного тока: то есть, чем ниже частота входной сети, тем больше линейный источник питания потребуется для конденсаторов и трансформаторов, и наоборот. Из-за текущей частоты переменного тока 60 Гц (в некоторых странах 50 Гц), которая является относительно низкой частотой, трансформаторы и конденсаторы, как правило, относительно высокие. Кроме того, чем больше скачок напряжения в сети переменного тока, тем больше напор линейного силового трансформатора.

Мы видим, что создание линейного блока питания для сегмента персональных компьютеров было бы безумным шагом из-за его размера и веса. Так что пользователи персональных ПК не подходят для линейного питания.

Ⅱ Импульсный источник питания

Импульсный источник питания может быть хорошим решением этой проблемы за счет высокочастотного режима переключения. Для высокочастотных импульсных источников питания входное напряжение переменного тока может быть увеличено перед входом в трансформатор (обычно 50-60 кГц перед повышением).По мере увеличения входной мощности головные части таких компонентов, как трансформаторы и конденсаторы, не должны быть такими большими, как линейные источники питания. Этот высокочастотный импульсный источник питания — именно то, что требуется для нашего персонального компьютера и такого оборудования, как видеомагнитофоны. Следует отметить, что то, что мы часто называем «импульсным источником питания», на самом деле является аббревиатурой от «высокочастотного импульсного источника питания» и не имеет ничего общего с самим включенным и выключенным источником питания.

Фактически, источник питания ПК конечного пользователя представляет собой более оптимизированное решение: система с обратной связью (система с обратной связью) — отвечает за управление схемой переключения для получения сигнала обратной связи от выходной мощности, а затем за увеличение энергопотребления ПК Для увеличения или уменьшения частоты напряжения в течение определенного периода, чтобы иметь возможность адаптироваться к силовому трансформатору (этот метод называется ШИМ, широтно-импульсной модуляцией).Следовательно, импульсный источник питания можно регулировать в соответствии с потребляемой мощностью подключенных силовых устройств, чтобы трансформаторы и другие компоненты потребляли меньше энергии и уменьшали тепловыделение.

С другой стороны, линейный источник питания, его философия проектирования выше мощности, даже если цепь нагрузки не требует больших токов. Следствием этого является то, что все компоненты работают на полную мощность, даже когда в этом нет необходимости, что приводит к гораздо более высокому нагреву.

• Удвоитель напряжения и цепь выпрямителя первичной стороны

Как уже упоминалось выше, импульсный источник питания в основном включает в себя активный источник питания PFC и пассивный источник питания PFC без схемы PFC, но снабженный удвоителем напряжения (удвоителем напряжения). В удвоителе напряжения используются два огромных электролитических конденсатора, то есть, если вы видите два больших конденсатора внутри блока питания, он может определить, что это удвоитель мощности. Как мы уже упоминали, удвоитель напряжения подходит только для области с напряжением 127 В.

Выпрямительный мост можно увидеть на стороне удвоителя напряжения. Выпрямительный мост может состоять из четырех диодов или одного компонента, как показано ниже. Выпрямительные мосты высокого класса обычно помещаются в специальный радиатор.

Обычно на первичной стороне находится термистор NTC — резистор, который меняет сопротивление в зависимости от температуры. Термисторы NTC — это сокращение от отрицательного температурного коэффициента. Его роль в основном используется для повторного согласования источника питания при низкой или высокой температуре, а емкость керамического диска более похожа.

Ⅲ Активная схема PFC

Нет сомнений в том, что эту схему можно увидеть только в блоке питания с активной схемой PFC. На рисунке 16 изображена типичная схема коррекции коэффициента мощности:

В схеме

Active PFC обычно используются два силовых МОП-транзистора. Эти трубки обычно размещают сбоку от радиатора. Для простоты понимания мы использовали буквы для обозначения включения каждого полевого МОП-транзистора: S для источника, D для стока и G для затвора.

Диод PFC представляет собой силовой диод и обычно упаковывается в силовой блок, аналогичный силовому транзистору.Оба они длинные и похожи друг на друга, а также установлены на первичном радиаторе, хотя диод PFC имеет только два контакта.

Индуктивность в цепи PFC — самая большая индуктивность в источнике питания. Конденсатор фильтра первичной стороны является самым большим электролитическим конденсатором на первичной стороне активного источника питания PFC. Резистор на рисунке 16 представляет собой термистор NTC, который изменяет сопротивление при изменении, более зависимом от температуры, и действует как второй термистор EMI NTC.

Активная схема управления PFC обычно основана на интегральной схеме IC, и иногда эта интегральная схема также отвечает за управление схемой PWM (используемой для управления закрытой открытой трубкой).Этот тип интегральной схемы обычно называют «комбинацией PFC / PWM».

Как обычно, рассмотрим несколько примеров. На рисунке 17 мы лучше видим компоненты после снятия радиатора с первичной стороны. Левая сторона — это схема защиты от электромагнитных помех схемы переходного фильтра, которая уже была подробно описана выше. На левой стороне все компоненты активной цепи коррекции коэффициента мощности. Поскольку мы сняли радиатор, транзистор PFC и диод PFC на рисунке не видны.Также обратите внимание на наличие конденсатора X (коричневый элемент в нижней части радиатора выпрямительного моста) между выпрямительным мостом и активной схемой коррекции коэффициента мощности. Часто термисторы оливковой формы, напоминающие керамические дисковые конденсаторы, имеют резиновую оболочку.

На рисунке 18 показаны компоненты первичного радиатора. Этот источник питания оснащен двумя силовыми MOSFET-транзисторами и активным силовым диодом схемы PFC:

Ⅳ Световая трубка

Импульсный источник питания переключающий инверторный уровень может иметь множество режимов, мы резюмируем несколько ситуаций:

режим	количество открытых пробирок	Номер диода	Емкость количество	Выводы трансформатора
Однотранзисторный прямой	1	1	1	4
Двухтранзисторный прямой	2	2	0	2
Полумост	2	0	2	2
Полный мост	4	0	0	2
Двухтактный	2	0	0	3

Конечно, мы только анализируем, сколько компонентов необходимо в данной модели.Фактически, инженеры сталкиваются с множеством ограничений при выборе модели.

В настоящее время наиболее популярны два режима: двухтранзисторный прямой и двухтактный, оба из которых используют два сплиттера. Они расположены сбоку от радиатора на открытой трубке, которую мы представили на предыдущей странице, чтобы не вдаваться в подробности здесь.

Ниже представлена конструкция этих пяти режимов:

Ⅴ Схема управления трансформатором и ШИМ

Ранее мы уже упоминали, что блок питания ПК обычно оснащен тремя трансформаторами: самый большой из них — это главный трансформатор, обозначенный на рис. 3, 4 и 19-23, первичная сторона которого подключена к переключателю, а вторая.Вторичная сторона подключена к схеме выпрямителя и цепи фильтра для питания низковольтного выхода постоянного тока источника питания (+12 В, + 5 В, + 3.3В, -12В, -5В).

Самая маленькая нагрузка трансформатора + 5VSB выход, обычно также становится резервным трансформатором, готов в любое время, потому что эта часть выхода всегда включена, даже если ПК выключен.

Третий изолятор помещения трансформатора, цепь управления ШИМ и открытая трубка подключены. Не все блоки питания оснащены этим трансформатором, так как некоторые блоки питания, как правило, имеют оптронные интегральные схемы с такими же функциями.

В этом источнике питания используется интегральная схема оптрона, а не трансформатор

Схема управления ШИМ основана на интегральной схеме. В нормальных условиях без активного источника питания PFC будет использоваться интегральная схема TL494 (на рисунке 26 используется совместимая интегральная микросхема DBL494). В источниках питания с активными схемами PFC иногда используется микросхема, заменяющая схемы управления PWM и PFC.Микросхема CM6800 является хорошим примером того, насколько хорошо она объединяет все функции микросхемы PWM и схемы управления PFC.

Ⅵ Вторичная сторона

6.1 Вторичная сторона (1)

Последней будет представлена вторичная сторона. На вторичной стороне выход главного трансформатора будет выпрямляться и фильтроваться, а затем выводиться напряжение, необходимое для ПК. Выпрямители на -5 В и -12 В сделаны с обычными диодами, потому что они не требуют большой мощности и большого тока.Но +3,3 В, +5 В и +12 В и другие задачи выпрямителя положительного давления должны выполняться мощным выпрямительным мостом Шоттки. У Шоттки три контакта, форма и мощность диодов аналогичны, но они интегрированы в два мощных диода. Работа по вторичному выпрямлению может быть завершена структурой схемы источника питания, как правило, может быть структура схемы с двумя выпрямителями, как показано на рисунке 27:

Mode A будет больше использоваться в источниках питания начального уровня начального уровня, для которых требуется три контакта от трансформатора.Режим B больше используется в источниках питания высокого класса, эта модель обычно требует только двух трансформаторов, но ферритовый индуктор должен быть достаточно большим, поэтому высокая стоимость этой модели является основной причиной, по которой мощность низкого уровня Supply не использует этот режим.

Кроме того, для высокопроизводительных источников питания, чтобы улучшить максимальный выходной ток, в этих источниках питания, как правило, используются два последовательно включенных диода, чтобы удвоить максимальный выходной ток выпрямительной цепи.

Источники питания как высокого, так и низкого уровня оснащены полной схемой выпрямителя и фильтра для выходов как +12 В, так и +5 В, поэтому для всех источников питания требуется не менее двух наборов схем выпрямителя, показанных на рисунке 27. .

Для выхода 3,3 В можно выбрать один из трех вариантов:

Выход +5 В в увеличении регулятора напряжения 3,3 В, в этой конструкции используется источник питания более низкого уровня. Добавьте полный выпрямитель и фильтр, как показано на Рисунке 27 для 3.Выход 3 В, но общий трансформатор с выпрямителем 5 В. Это более распространенная конструкция источников питания высокого класса.
Принять полную независимую схему выпрямителя 3,3 В и схему фильтра. Эта программа очень редкая, только в нескольких топовых лихорадках может возникнуть мощность, например, в Anti-US Galaxy 1000W.
Выход 3,3 В часто ограничивается выходом 5 В, потому что выход 3,3 В обычно является полностью общедоступной схемой выпрямителя 5 В (обычно используется в источниках питания низкого уровня) или частично совместно используется (обычно в источниках питания высокого уровня).Вот почему многие источники питания известны на паспортной табличке «Комбинированный выход 3,3 В и 5 В».

На рисунке 28 ниже показана вторичная сторона блока питания низкого уровня. Здесь мы видим интегральную схему, отвечающую за генерацию сигнала PG. В нормальных условиях в младшем блоке питания будет использоваться интегральная схема LM339.

Кроме того, мы также можем увидеть некоторые электролитические конденсаторы (головка этих конденсаторов намного меньше, чем конденсатор удвоителя напряжения или активной схемы PFC) и индуктор.Эти компоненты в основном отвечают за функцию фильтрации.

Чтобы более четко наблюдать за питанием, мы удалим шлейф и катушку фильтра на источнике питания, как показано на рисунке 29. Здесь мы можем увидеть несколько небольших диодов, в основном для выпрямления -12 В и -5 В, через ток очень мал (у этого блока питания пока 0,5А). Другое напряжение на выходе, ток не менее 1А, для которого требуется силовой диодный выпрямитель.

6.2 Вторичная сторона (2)

На рисунке 30 ниже показаны компоненты вторичного радиатора блока питания нижнего уровня:

Слева направо:

Микросхема регулятора
IC — хотя она имеет три контакта и очень похожа на транзистор, это микросхема IC.В этом блоке питания используется регулятор 7805 (регулятор 5V), отвечающий за регулятор + 5VSB. Как мы уже упоминали ранее, + 5VSB использует отдельную схему вывода, потому что он по-прежнему требует вывода +5 В на + 5VSB, даже когда компьютер выключен. Вот почему выход + 5VSB также обычно называют «резервным выходом». Микросхема 7805 обеспечивает выходной ток до 1 А.
силовой MOSFET-транзистор, в основном отвечающий за выход 3,3 В. Модель силового полевого МОП-транзистора — PHP45N03LT, пропускающая ток до 45 А.Как мы уже упоминали, только источник питания нижнего уровня будет использовать стабилизатор 3,3 В, который используется совместно с 5 В.
Силовой выпрямитель Шоттки, состоящий из двух диодов. Источником питания Шоттки для этой модели является STPR1620CT, который обеспечивает ток до 8 А на диод (всего 16 А). Этот силовой выпрямитель Шоттки обычно используется для выхода 12 В.
еще один силовой выпрямитель Шоттки. Модель блока питания E83-004, максимально допустимый ток 60A.Этот выпрямитель мощности часто используется для вывода +5 В и + 3,3 В. Поскольку на выходах +5 В и + 3,3 В используется один и тот же выпрямитель, их сумма не может превышать предельный ток выпрямителя. Это то, что мы часто называем концепцией объединенного вывода. Другими словами, выход 3,3 В поступает от выхода 5 В. А другой выход другой, у трансформатора нет выхода 3,3 В. Эта конструкция обычно используется в источниках питания низкого уровня. Источники питания высокого класса обычно используют отдельные выходы +3,3 В и +5 В.

Давайте посмотрим на вторичную сторону основных компонентов high-end блока питания:

Мы видим, что

Два параллельных выхода питания выпрямителя Шоттки на 12 В. Младшая мощность часто имеет только один такой выпрямитель. Такая конструкция, естественно, позволяет удвоить максимальный выходной ток выпрямителя. В этом источнике питания используются два выпрямителя Шоттки STPS6045CW, каждый из которых может работать с током до 60 А.

Выпрямитель Шоттки отвечает за выход 5 В.В этом источнике питания используется выпрямитель STPS60L30CW, максимально допустимый ток 60 А.
Выпрямитель Шоттки отвечает за выход 3,3 В, что является основным различием между источниками питания высокого и низкого напряжения (питание низкого уровня часто не имеет отдельного выхода 3,3 В). В этом источнике питания используется STPS30L30CT Schottky, максимально допустимый ток 30А.
регулятор цепи защиты мощности. Это также символ высококачественного блока питания.
Суть в том, что вышеупомянутый максимальный выходной ток относится только к одному компоненту. Максимальный выходной ток источника питания фактически зависит от качества многих подключенных к нему компонентов, таких как индуктивность катушки, толщина трансформатора, провода, ширина печатной платы и т. Д. Мы можем получить максимальную теоретическую мощность блока питания, умножив максимальный ток выпрямителя на выходное напряжение.Например, максимальная выходная мощность 12 В источника питания, показанного на Рисунке 30, должна составлять 16 А * 12 В = 192 Вт.

Ⅶ Импульсный источник питания с графикой

На следующих рисунках 3 и 4 показан механизм обратной связи с ШИМ импульсным источником питания. На рисунке 3 показан недорогой источник питания без схемы коррекции коэффициента мощности (PFC). На рисунке 4 показан источник питания среднего и высокого класса с активной конструкцией коррекции коэффициента мощности.

Рисунок 3: Источник питания без цепи PFC

Рисунок 4: Источник питания со схемой коррекции коэффициента мощности

Сравнивая рисунок 3 и рисунок 4, мы можем увидеть разницу между ними: один с активной схемой коррекции коэффициента мощности, а другой не имеет, первый не является преобразователем 110/220 В, но также не имеет цепи удвоителя напряжения.Ниже мы сосредоточимся на объяснении активной мощности PFC.

Чтобы читатели могли лучше понять мощность принципа работы, приведенное выше является очень простой иллюстрацией, на рисунке не указаны другие дополнительные схемы, такие как защита от короткого замыкания, резервная схема, генератор сигналов PG и т. Д. . Конечно, если вы хотите получить более подробную иллюстрацию, посмотрите на рисунок 5. Если вы не понимаете, это не имеет значения, потому что эта картинка изначально предназначалась для просмотра профессиональным проектировщикам.

Рисунок 5: Типовая конструкция блока питания ATX начального уровня

Вы можете спросить, а почему в конструкции, показанной на рисунке 5, отсутствует схема выпрямителя напряжения? Фактически, схема ШИМ требует работы по выпрямлению напряжения. Входное напряжение будет откалибровано до того, как оно пройдет через открытую трубку, и напряжение в трансформаторе станет прямоугольным. Следовательно, форма волны на выходе трансформатора представляет собой прямоугольную волну, а не синусоидальную волну. Поскольку в это время форма волны уже является прямоугольной, напряжение можно легко преобразовать в напряжение постоянного тока с помощью трансформатора.То есть после повторной калибровки напряжения трансформатором выходное напряжение становится постоянным. Вот почему импульсный источник питания часто называют преобразователем постоянного тока в постоянный.

Контур, питающий схему управления ШИМ, отвечает за все необходимые функции настройки. Если выходное напряжение неправильное, схема управления ШИМ изменит рабочий цикл управляющего сигнала, чтобы адаптироваться к трансформатору, окончательная коррекция выходного напряжения. Эта ситуация часто возникает, когда потребление энергии ПК увеличивается, когда выходное напряжение имеет тенденцию к снижению или когда потребление энергии ПК уменьшается, выходное напряжение имеет тенденцию к увеличению.

Что нам нужно знать

Все цепи и модули перед трансформатором называются «первичными» (первичная сторона), а все цепи и модули за трансформатором называются «вторичными»

Блок питания с активной коррекцией коэффициента мощности не имеет преобразователя 110 В / 220 В, но также не имеет удвоителя напряжения.
Для источника питания без схемы PFC, если 110 В / 220 В установлено на 110 В, ток будет использовать удвоитель напряжения для повышения 110 В до 220 В перед подачей на выпрямительный мост.
Питание ПК
на открытой лампе с помощью пары силовых MOSFET, конечно, есть и другие комбинации, после которых мы подробно объясним.
Форма волны трансформатора требуется для прямоугольной волны, поэтому после формы волны напряжения трансформатора будет прямоугольная волна, а не синусоидальная волна.
Управляющий ток ШИМ часто представляет собой интегральную схему, обычно изолированную от первичной обмотки небольшим трансформатором, а иногда и через соединительную микросхему (небольшую микросхему со светодиодами и фототранзисторами) и изоляцию первичной стороны.
Схема управления
PWM основана на условиях нагрузки выходной мощности для управления закрытой трубкой переключателя мощности. Если выходное напряжение слишком высокое или слишком низкое, схема управления ШИМ изменит форму волны напряжения, чтобы адаптироваться к открытию световой трубки, чтобы достичь цели школьного положительного выходного напряжения.

Далее мы пройдемся по картинке, чтобы изучить мощность каждого модуля и схемы, с помощью физического изображения, чтобы рассказать вам, где в силе их найти.

Когда вы включаете питание в первый раз (убедитесь, что шнур питания не подключен к сети, иначе он будет запитан), вы можете быть сбиты с толку странными компонентами внутри, но есть две вещи, которые вы знаете наверняка: Вентилятор блока питания и радиатор.

Однако вы сможете легко определить, какие компоненты в блоке питания относятся к первичной стороне, а какие — к вторичной. В общем, если вы видите большой конденсатор фильтра (источник питания с активной схемой PFC) или два (источник питания без схемы PFC), эта сторона является первичной стороной.

В нормальных условиях между двумя радиаторами источника питания расположены три трансформатора. Например, как показано на фиг. 7 главный трансформатор — самый большой. среднее «тело» обычно отвечает за выход + 5VSB, а минимальное обычно используется для схем управления ШИМ и используется в основном для изоляции первичной и вторичной сторон (именно поэтому бирка «изолятор» прикреплена к трансформатору. на рисунках 3 и 4 выше).Вместо использования трансформатора в качестве «изолятора» в некоторых источниках питания используется одна или несколько оптопар (которые выглядят как интегральные микросхемы), а это означает, что источник питания, использующий эту конструкцию, имеет только два трансформатора — основной трансформатор и вспомогательный трансформатор.

Блок питания обычно имеет два радиатора внутри, один на первичной стороне, а другой на вторичной стороне. Если это активный блок питания PFC, то на первичной стороне радиатора можно увидеть переключатель, транзисторы PFC и диоды.Это не обязательно, поскольку некоторые поставщики могут выбрать установку активных компонентов PFC на отдельных радиаторах, с двумя радиаторами с одной стороны.

На вторичной стороне радиатора вы найдете выпрямители, они немного похожи на транзистор, но на самом деле это два силовых диода вместе взятых.

Рядом с вторичным радиатором вы также увидите множество конденсаторов и катушек индуктивности, которые вместе составляют модуль фильтра низкого напряжения — найдите их и найдите вторичную сторону.

Самый простой способ различить первичную и вторичную стороны — это проследить за линией электропередачи. Как правило, выходная линия часто подключается к вторичной стороне, в то время как входная линия подключается к первичной стороне (входная линия от сети). Как показано на Рисунке 7.

Выше мы даем общее представление о внутренних модулях блока питания с точки зрения макроса. Ниже мы доработаем, тема перенесена на питание различных компонентов модуля.

Ⅷ Анализ схемы фильтра переходных процессов

При подключении к импульсному источнику питания ПК, электричество поступает в схему переходного фильтра (переходная фильтрация), мы часто говорим, что цепь EMI. На рисунке 8 ниже показана принципиальная схема рекомендуемой схемы фильтра переходных процессов для блока питания ПК.

Почему я подчеркиваю «рекомендуется»? Поскольку большая мощность на рынке, особенно низкопроизводительный источник питания, часто позволяет сэкономить на некоторых компонентах, показанных на рис.8. Таким образом, проверив наличие сокращающейся цепи электромагнитных помех, можно определить плюсы и минусы вашего качества электроэнергии.

Основными компонентами цепей защиты от электромагнитных помех являются MOV (металлооксидные варисторы) или варисторы (обозначенные как RV1 на рисунке 8), отвечающие за подавление всплесков переходных процессов в сети. Элементы MOV также используются в ограничителях перенапряжения. Тем не менее, многие источники питания низкого уровня часто отключают важные компоненты MOV, чтобы сократить расходы. Ограничители перенапряжения больше не важны для источников питания, оборудованных MOV, потому что источник питания уже имеет функцию подавления перенапряжения.

L1 и L2 на рисунке 8 — ферритовые катушки. C1 и C2 — дисковые конденсаторы, обычно синего цвета, эти конденсаторы часто называют конденсаторами Y, . и C3 представляет собой конденсатор из металлизированного полиэфира с типичной емкостью 100 нФ, 470 нФ или 680 нФ, также называемый конденсатором X . Некоторые источники питания оснащены двумя конденсаторами X, подключенными параллельно сети, как показано на RV1 на рисунке 8.

Конденсаторы

X могут быть любыми из параллельных конденсаторов и от сети.Конденсаторы Y обычно представляют собой пары пар, которые необходимо подключить последовательно к огню, нулю и средней точке двух конденсаторов через заземление шасси. Другими словами, они подключаются параллельно к электросети.

Схема фильтра переходных процессов может не только играть роль в фильтрации сети, но также предотвращать помехи, создаваемые открытой трубкой, в сети других электронных устройств.

Давайте рассмотрим несколько практических примеров.Вы видите некоторые странности, показанные на рисунке 9? Эта мощность на самом деле не является схемой переходного фильтра! Это дешевый коттеджный блок питания. Обратите внимание, что, глядя на маркировку на плате, схема переходного фильтра должна была быть талантливой, но она была представлена на рынке пронизанным сознанием JS.

Недорогой коттедж Блок питания без переходного фильтра

Как вы можете видеть на рисунке 10, это источник питания низкого напряжения с переходным фильтром, но, как мы видим, переходный фильтр этого источника питания устраняет необходимость в важном варисторе MOV и только в ферритовой катушке.однако этот источник питания оснащен дополнительным конденсатором X.

Схема фильтра переходных процессов разделена на электромагнитные помехи первого уровня и электромагнитные помехи второго уровня, много электромагнитных помех источника питания часто размещается на отдельной плате печатной платы, рядом с секцией сетевого интерфейса, два EMI помещаются в питание основного Печатная плата Как показано на рисунках 11 и 12 ниже.

Посмотрите на второй уровень этого силового EMI. Здесь мы видим варистор MOV, хотя его расположение несколько странно, за вторым ферритом.В целом следует сказать, что эта схема EMI источника питания очень завершена.

Стоит отметить, что указанный выше источник питания варистора MOV имеет желтый цвет, но на самом деле большая часть MOV темно-синего цвета.

Кроме того, эта схема фильтра переходных процессов питания также оснащена предохранителями (F1 на рисунке 8). Обратите внимание: если вы обнаружите, что предохранители в предохранителе перегорели, вы можете быть уверены, что один или несколько компонентов внутри источника питания неисправны.Если заменить предохранитель в это время бесполезно, когда ваш багажник, скорее всего, снова сгорит.

Видео-сайт измерений и анализа импульсных источников питания

На этом видео показано, что измерения и анализ импульсного источника питания

Рекомендация книги

Эта книга представляет собой наиболее полное исследование теоретических и практических аспектов управления и измерения электромагнитных помех в импульсных источниках питания, включая рассмотрение нестабильности входного фильтра.Новое издание тщательно переработано и включает шесть совершенно новых глав, в то время как существующие главы EMI расширены и включают в себя множество дополнительных пошаговых числовых примеров и ключевых выводов, а также методов снижения электромагнитных помех. Новые темы охватывают весь спектр современных методов импульсного преобразования мощности, понятные, простые, но исчерпывающие, теперь с уникально подробными «настенными справочными таблицами», обеспечивающими легкий доступ даже к сложным темам.

Пошаговый и итерационный подход к расчету высокочастотных потерь в пересылающих преобразовательных трансформаторах, включая потери от близости, основанный на уравнениях Доуэлла
Тщательная, но уникально простая блок-схема построения преобразователей постоянного тока в постоянный и их магнитных компонентов в типичных условиях питания с широким входом
Пошаговые решаемые примеры стабилизации контуров управления всех трех основных топологий с использованием крутизны или обычных операционных усилителей, а также управления в режиме тока или напряжения

— Санджая Маниктала (Автор)

Во втором издании «Проектирование и оптимизация импульсных источников питания», тщательно переработанное, объясняется, как проектировать надежные и высокопроизводительные импульсные источники питания для современной электроники.Книга охватывает современные топологии и преобразователи и содержит новую информацию о проектировании или выборе эталонов ширины запрещенной зоны, конструкции трансформатора с использованием подробных новых проектных диаграмм для эффектов близости, диаграммах снижения эффективности понижения эффективности, методах активного сброса, морфологии топологии и тщательном рассмотрении AC-DC. конец процедуры проектирования.

Этот обновленный ресурс содержит схемы проектирования и числовые примеры для комплексного проектирования контуров обратной связи, включая TL431, а также первую в мире методологию нисходящего упрощенного проектирования для резонансных преобразователей с широким входом (LLC).В это практическое руководство также включена пошаговая процедура сравнительного проектирования преобразователей пересылки и обратного хода.

— Санджая Маниктала (Автор)

Актуальная информация по «Анализ принципа импульсного источника питания»

О статье «Анализ принципа импульсного источника питания», Если у вас есть лучшие идеи, не стесняйтесь писать свои мысли в следующей области комментариев. Вы также можете найти больше статей об электронных полупроводниках через поисковую систему Google или обратиться к следующим статьям по теме.

Основы и принцип работы импульсного источника питания

Импульсные источники питания

(SMPS) используются в различных приложениях в качестве эффективных и действенных источников питания. Это большая часть их эффективности. Для тех, кто все еще работает на настольном компьютере, поищите мощность вентилятора в центральных процессорах (ЦП). Вот где находится SMPS.

SMPS предлагает преимущества с точки зрения размера, веса, стоимости, эффективности и общей производительности.Они стали привычной частью электронных устройств. По сути, это устройство, в котором преобразование и регулирование энергии обеспечивается силовыми полупроводниками, которые постоянно «включаются» и «выключаются» с высокой частотой.

Разные виды

Преобразователь постоянного тока в постоянный

Первичная мощность, получаемая от сети переменного тока, выпрямляется и фильтруется как высоковольтный постоянный ток. Затем он переключается с огромной скоростью и подается на первичную обмотку понижающего трансформатора. Понижающий трансформатор составляет лишь часть размера сопоставимого блока с частотой 50 Гц, что позволяет избежать проблем с размером и весом.

У нас есть отфильтрованный и выпрямленный выход на вторичной обмотке трансформатора. Теперь он отправляется на выход источника питания. Образец этого выходного сигнала отправляется обратно в переключатель для управления выходным напряжением.

Преобразователь прямой

В прямом преобразователе дроссель пропускает ток, когда транзистор является проводящим, а также когда нет. Диод пропускает ток во время периода выключения транзистора. Следовательно, энергия поступает в нагрузку в течение обоих периодов.Дроссель накапливает энергию во время включения, а также передает некоторую энергию выходной нагрузке.

Обратный преобразователь

В обратном преобразователе магнитное поле катушки индуктивности накапливает энергию в течение периода включения переключателя. Когда переключатель находится в разомкнутом состоянии, энергия разряжается в цепь выходного напряжения. Рабочий цикл определяет выходное напряжение.

Самоколебательный обратноходовой преобразователь

Это наиболее простой и базовый преобразователь, основанный на принципе обратного хода.В течение времени проводимости переключающего транзистора ток через первичную обмотку трансформатора начинает линейно нарастать с крутизной, равной Vin / Lp.

Напряжение, индуцированное во вторичной обмотке и обмотке обратной связи, вызывает обратное смещение выпрямителя с быстрым восстановлением и удерживает токопроводящий транзистор включенным. Когда первичный ток достигает пикового значения Ip, когда сердечник начинает насыщаться, ток имеет тенденцию очень резко возрастать. Такое резкое повышение тока не может поддерживаться приводом с фиксированным основанием, обеспечиваемым обмоткой обратной связи.В результате переключение начинает выходить из насыщения.

Импульсный стабилизатор выполняет регулировку в SMPS. Последовательный переключающий элемент включает и выключает подачу тока на сглаживающий конденсатор. Напряжение на конденсаторе определяет время поворота последовательного элемента. Постоянное переключение конденсатора поддерживает напряжение на необходимом уровне.

Основы дизайна

Питание переменного тока сначала проходит через предохранители и сетевой фильтр. Затем он выпрямляется двухполупериодным мостовым выпрямителем.Выпрямленное напряжение затем подается на предварительный регулятор коррекции коэффициента мощности (PFC), за которым следует преобразователь постоянного тока в постоянный ток.

В большинстве компьютеров и небольших устройств используется входной разъем типа Международной электротехнической комиссии (МЭК). Что касается выходных разъемов и распиновки, за исключением некоторых отраслей, таких как ПК и компактные PCI, в целом они не стандартизированы и оставляются на усмотрение производителя.

Почему SMPS

Как и любое электронное устройство, SMPS также включает в себя некоторые активные и некоторые пассивные компоненты.И, как и у каждого из этих гаджетов, у него есть свои преимущества и недостатки.

Давайте начнем с того, почему вам следует выбрать SMPS

Переключение означает, что элемент последовательного регулятора включен или выключен. Очень высокий уровень эффективности достигается за счет того, что мы рассеиваем очень мало энергии в виде тепла.
Благодаря высокой эффективности и низкому тепловыделению импульсные источники питания могут быть компактными.

Технология импульсного источника питания

также обеспечивает высокоэффективное преобразование напряжения в приложениях с повышением или «повышением» и понижением или понижением напряжения.

Тогда есть плохой набор

Переходные пики из-за действия переключения могут мигрировать в другие области схем, если они не отфильтрованы должным образом. Они могут вызывать электромагнитные или радиочастотные помехи, влияющие на другие расположенные поблизости элементы электронного оборудования, особенно если они принимают радиосигналы.
Может быть немного сложно гарантировать, что SMPS работает в соответствии с требуемой спецификацией. Уровни пульсации и помех особенно сложны.
Стоимость импульсного источника питания рассчитывается до его разработки или использования.Дополнительная фильтрация еще больше увеличивает стоимость.

Видео ниже от Джейкоба Дикстры проведет вас через один из них.

Что нас ждет в будущем?

В будущем мы могли бы иметь более эффективный SMPS, нацеленный на лучший преобразователь, выполняющий наиболее эффективный процесс преобразования. Основными направлениями для разработчиков в повышении эффективности SMPS будут:

Повышенная выходная мощность
Достижение более высокого выходного тока и низкого напряжения
Увеличение удельной мощности
Использование переключающего устройства, такого как диод Шоттки

SiC диод Шоттки, испытанный на рабочем диапазоне 300-600 В, может использоваться в качестве активного устройства вместо транзистора с высокой частотой переключения.Почему бы тебе не попробовать? В лаборатории. Может быть, под руководством специалиста…

Эта статья была впервые опубликована 25 августа 2017 г. и обновлена 29 апреля 2020 г.

Как работает блок питания — Kitronik Ltd

Внешние источники питания, используемые с электронными изделиями

Отделители аккумуляторных батарей

Устройство для удаления батарей или регулируемый источник питания — это устройство, которое можно использовать вместо батарей. Он принимает сетевое питание переменного тока и преобразует его в 3 В, 4,5 В, 6 В, 9 В или 12 В постоянного тока, позволяя подавать эквивалентное напряжение для различного количества батарей.Выбор напряжения обычно осуществляется поворотом небольшого регулятора на корпусе блока питания. Регулируемые блоки питания обычно продаются с рядом адаптеров, позволяющих подключать их к большинству электронного оборудования (при условии, что они имеют подключение к источнику питания).

Внешние блоки питания

Когда электронный продукт продается с источником питания, этот источник питания будет иметь одно напряжение и один разъем. Это сделает его немного дешевле, чем регулируемая альтернатива.

Маркировка

Когда вы посмотрите на источник питания, он расскажет вам, каковы входное напряжение и ток, а также выходное напряжение и ток, он также может указать, какой контакт на выходном разъеме является заземлением и питанием.Вы также увидите некоторые символы; Значение этих символов описано ниже:

Как работают блоки питания

Источник питания используется для снижения напряжения в сети при 240 вольт переменного тока до чего-то более полезного, например, 12 вольт постоянного тока. Есть два типа питания: линейный и импульсный. В линейном блоке питания используется трансформатор для снижения напряжения. Отношение первичных обмоток (подключенных к сети) к количеству вторичных обмоток (подключенных к выходу) даст отношение того, насколько снижается напряжение, в этом случае соотношение 20: 1 снижает входное напряжение переменного тока 240 вольт. до 12 В переменного тока на вторичных обмотках.Импульсный источник питания работает путем очень быстрого включения и выключения электросети для снижения напряжения. В этом случае снижение напряжения зависит от соотношения времени включения и времени выключения. Переключение происходит очень быстро, 10 000 раз в секунду или быстрее. Используя эту технику, можно заменить громоздкий трансформатор в линейном источнике питания на меньший. Ниже представлена блок-схема импульсного источника питания. Сигнал переменного тока выпрямляется и регулируется для получения высокого постоянного напряжения. Затем он быстро включается и выключается полевым транзистором.Затем коммутируемый сигнал проходит через трансформатор, хотя это может снизить напряжение, он изолирует выход от электросети (по соображениям безопасности). Затем обратная связь выхода используется для управления отношением промежутка между метками переключения, чтобы выход оставался при требуемом напряжении. Трансформатор, используемый в импульсном источнике питания, намного меньше и дешевле, чем трансформатор, используемый в линейном источнике питания, но он должен выдерживать более высокие частоты переключения.

Трансформаторы

Мы уже упоминали, что существует два типа трансформаторов: те, которые используются на низких частотах (50 Гц) в линейных источниках питания, и высокоскоростные (> 10 кГц) версии, используемые в импульсных источниках питания.Трансформатор линейного источника питания обычно использует стальной сердечник. Поскольку вихревые токи могут возникать в твердом стальном сердечнике и снижать эффективность, сердечник сделан из изолированных стальных пластин, уложенных друг рядом с другом, с намотанными вокруг них обмотками.

Линейный и режим переключения

Поскольку для импульсного источника питания не нужен большой трансформатор, он меньше, легче и дешевле. Импульсный источник питания более эффективен, чем линейный, поэтому выделяет меньше тепла. Источники импульсного режима могут быть разработаны для работы с различными входными напряжениями (240 В или 115 В), поэтому их можно использовать по всему миру.Все вышеперечисленные причины означают, что импульсный источник питания гораздо более распространен, чем линейный источник питания. К сожалению, очень быстрое переключение импульсного источника питания вызывает электрические помехи или скачки напряжения в источнике каждый раз, когда он переключается. Если необходима чистая подача, она должна быть линейной.

Ферритовые тороидальные (кольцевые) сердечники намного лучше работают с более высокими частотами и используются в импульсных источниках питания.

Регулируемые поставки

В блок-схеме импульсного источника питания заключительным этапом было сглаживание импульсов путем добавления конденсатора большой емкости.В зависимости от того, насколько точной должна быть поставка, этого решения может быть достаточно. В этой конструкции на выходе будет некоторая рябь; оно будет отличаться от требуемого напряжения на небольшую величину, может быть, на несколько процентов. В регулируемом источнике питания используется ИС, где ИС контролирует выходное напряжение относительно опорного напряжения и соответствующим образом регулирует выход. Регуляторы имеют гораздо меньшую пульсацию и часто включают защиту от перегрузки по току и перегрева, в результате чего они автоматически отключаются, делая их и остальную часть источника питания неразрушаемыми.Деталь, показанная справа, представляет собой обычный регулятор на 5 вольт 7805.

Типы корпусов

Самый распространенный тип корпуса — пластиковый. Это связано с тем, что его можно легко изготовить с использованием процесса литья под давлением, а такие элементы, как монтажные отверстия или зажимы для печатной платы, отверстия для ввода кабеля и т. Д., Могут быть включены в конструкцию практически без дополнительных затрат на детали. Более дорогая альтернатива — металлический корпус; однако они должны быть заземлены по соображениям безопасности. Скачать pdf-версию этой страницы здесь. Узнать больше об авторе подробнее »

Импульсные источники питания

Введение

Импульсные источники питания

(часто сокращенно SMPS) значительно сложнее, чем линейные регулируемые источники питания, описанные в модуле 2 источников питания. Основное преимущество этой дополнительной сложности состоит в том, что работа в коммутируемом режиме дает регулируемые источники постоянного тока, которые могут обеспечивать большую мощность. для заданных габаритов, стоимости и веса силового агрегата.

Конструкции с переключением режимов

Используется ряд различных типов дизайна.Если на входе используется сеть переменного тока (линия), переменный ток выпрямляется и сглаживается накопительным конденсатором перед обработкой преобразователем постоянного тока в постоянный для получения регулируемого выходного постоянного тока на требуемом уровне. Следовательно, SMPS можно использовать в качестве преобразователя переменного тока в постоянный для использования во многих цепях с питанием от сети или постоянного тока в постоянный, повышая или понижая напряжение постоянного тока по мере необходимости, в системах с батарейным питанием.

Блок-схема переключаемого режима

Рис. 3.0.1 Типовая блок-схема SMPS

Рис.3.0.1 показывает пример блок-схемы типичного SMPS с входом сети переменного тока (линейным) и регулируемым выходом постоянного тока. Выходное выпрямление и фильтр изолированы от секции высокочастотного переключения высокочастотным трансформатором, а обратная связь по управлению напряжением осуществляется через оптоизолятор. Блок схемы управления типичен для специализированных ИС, содержащих высокочастотный генератор, широтно-импульсную модуляцию, управление напряжением и током, а также секции отключения выхода.

Независимо от назначения SMPS, общей особенностью (после преобразования переменного тока в постоянный, если требуется) является использование высокочастотной прямоугольной волны для управления схемой электронного переключения питания.Эта схема используется для преобразования источника постоянного тока в высокочастотный сильноточный переменный ток, который различными способами, в зависимости от конструкции схемы, преобразуется в регулируемый выход постоянного тока. Причина этого процесса двойного преобразования заключается в том, что при изменении постоянного тока или частоты сети переменного тока на высокочастотный переменный ток компоненты, такие как трансформаторы, катушки индуктивности и конденсаторы, необходимые для обратного преобразования в стабилизированный источник постоянного тока, могут быть намного меньше и дешевле, чем те, которые необходимы для выполнения той же работы на сетевой (сетевой) частоте.

Высокочастотный переменный ток, создаваемый в процессе преобразования, представляет собой прямоугольную волну, которая обеспечивает средства управления выходным напряжением посредством широтно-импульсной модуляции. Это позволяет регулировать выходную мощность намного эффективнее, чем это возможно в линейно регулируемых источниках питания.

Комбинация прямоугольного генератора и переключателя, используемая в импульсных источниках питания, также может использоваться для преобразования постоянного тока в переменный. Таким образом, метод переключения режимов также может использоваться в качестве «инвертора» для создания источника переменного тока с потенциалом сети от источников постоянного тока, таких как батареи, солнечные панели и т. Д.

Регулировка напряжения

В большинстве импульсных источников питания обычно обеспечивается регулировка как линии (входное напряжение), так и нагрузки (выходное напряжение). Это достигается путем изменения отношения метки к пространству формы волны генератора перед ее применением к переключателям. Контроль отношения метки к пространству достигается путем сравнения обратной связи по напряжению на выходе источника питания со стабильным опорным напряжением. Используя эту обратную связь для управления отношением метки к пространству генератора, можно управлять рабочим циклом и, следовательно, средним выходным постоянным током схемы.Таким образом может быть обеспечена защита как от перенапряжения, так и от перегрузки по току.

В тех случаях, когда важно поддерживать электрическую изоляцию от сети, это обеспечивается с помощью трансформатора либо на входе переменного тока, где он также может использоваться для изменения напряжения переменного тока перед выпрямлением, либо между секциями управления источником питания. секции питания и выхода, где, помимо обеспечения изоляции, трансформатор с несколькими вторичными обмотками может выдавать несколько различных выходных напряжений.

Для обеспечения хорошо регулируемого выхода образец выходного напряжения постоянного тока обычно подается обратно в схему управления и сравнивается со стабильным опорным напряжением. Любая возникшая ошибка используется для управления выходным напряжением. Для поддержания гальванической развязки между входом и выходом обратная связь обычно осуществляется через такое устройство, как оптоизолятор.

ВЧ переключение

Использование высокой частоты для импульсного привода дает несколько преимуществ:

• Трансформатор будет ВЧ-типа, который намного меньше стандартного сетевого трансформатора.

• Частота пульсаций будет намного выше (например, 100 кГц), чем при линейном питании, поэтому требуется меньшее значение сглаживающего конденсатора.

• Также использование прямоугольной волны для управления переключающими транзисторами (режим переключения) гарантирует, что они рассеивают гораздо меньше энергии, чем обычный транзистор последовательного стабилизатора. Это снова означает, что для заданной выходной мощности могут использоваться меньшие и более дешевые транзисторы, чем в линейных источниках питания аналогичного номинала.

• Использование трансформаторов меньшего размера и сглаживающих конденсаторов делает импульсные источники питания более легкими и менее громоздкими.Дополнительные затраты на сложную схему управления также компенсируются меньшими и, следовательно, более дешевыми трансформаторами и сглаживающими конденсаторами, что делает некоторые конструкции с переключаемым режимом менее дорогими, чем эквивалентные линейные источники питания.

Хотя линейные источники питания могут обеспечить лучшее регулирование и лучшее подавление пульсаций на низких уровнях мощности, чем источники с импульсным режимом, вышеуказанные преимущества делают SMPS наиболее распространенным выбором для блоков питания в любом оборудовании, где требуется стабилизированный источник питания для доставки средних и больших объемов. власти.

Недостатком использования такой высокочастотной прямоугольной волны в мощной цепи, такой как SMPS, является то, что создается много мощных высокочастотных гармоник, так что без очень эффективного RF-экранирования и фильтрации существует опасность того, что SMPS создаст радиочастотные помехи.