Блок питания с обратной связью по напряжению: Обратная связь в импульсных блоках питания

Обратная связь в импульсных блоках питания

Импульсные источники питания (ИИП) обычно являются достаточно сложными устройствами, из-за чего начинающие радиолюбители стремятся их избегать. Тем не менее, благодаря распространению специализированных интегральных ШИМ-контроллеров, есть возможность конструировать достаточно простые для понимания и повторения конструкции, обладающие высокими показателями мощности и КПД. Предлагаемый блок питания имеет пиковую мощность около 100 Вт и построен по топологии flyback (обратноходовой преобразователь), а управляющим элементом является микросхема CR6842S (совместимые по выводам аналоги: SG6842J, LD7552 и OB2269).

Внимание! В некоторых случаях для отладки схемы может понадобится осциллограф!

Технические характеристики

Размеры блока: 107х57х30 мм (размеры готового блока с Алиэкспресс, возможны отклонения).
Выходное напряжение: версии на 24 В (3-4 А) и на 12 В (6-8 А).
Мощность: 100 Вт.

Уровень пульсаций: не более 200 мВ.

На Али легко найти множество вариантов готовых блоков по этой схеме, например, по запросам вида «Artillery power supply 24V 3A», «Блок питания XK-2412-24», «Eyewink 24V switching power supply» и тому подобным. На радиолюбительских порталах данную модель уже окрестили «народной», ввиду простоты и надёжности. Схемотехнически варианты 12В и 24В различаются незначительно и имеют идентичную топологию.

Обратите внимание! В данной модели БП у китайцев весьма высок процент брака, поэтому при покупке готового изделия перед включением желательно тщательно проверять целостность и полярность всех элементов. В моём случае, например, диод VD2 имел неверную полряность, из-за чего уже после трёх включений блок сгорел и мне пришлось менять контроллер и ключевой транзистор.

Подробно методология проектирования ИИП вообще, и конкретно этой топологии в частности, тут рассматриваться не будет, ввиду слишком большого объёма информации – см.

отдельные статьи.

Далее подробно разберём назначение элементов в схеме.

Импульсный блок питания мощностью 100Вт на контроллере CR6842S.

Назначение элементов входной цепи

Рассматривать схему блока будем слева-направо:

F1	Обычный плавкий предохранитель.
5D-9	Терморезистор, ограничивает бросок тока при включении блока питания в сеть. При комнатной температуре имеет небольшое сопротивление, ограничивающее броски тока, при протекании тока разогревается, что вызывает снижение сопротивления, поэтому в дальнейшем не влияет на работу устройства.
C1	Входной конденсатор, для подавления несимметричной помехи. Ёмкость допустимо немного увеличить, желательно чтобы он был помехоподавляющим конденсатором типа X2 или имел большой (10-20 раз) запас по рабочему напряжению. Для надёжного подавления помех должен иметь низкие ESR И ESL.
L1	Синфазный фильтр, для подавления симметричной помехи. Состоит из двух катушек индуктивности с одинаковым числом витков, намотанных на общем сердечнике и включенных синфазно.
KBP307	Выпрямительный диодный мост.
R5, R9	Цепочка, необходимая для запуска CR6842. Через неё осуществляется первичный заряд конденсатора C4 до 16.5В. Цепь должна обеспечивать ток запуска не менее 30 мкА (максимум, согласно даташиту) во всём диапазоне входных напряжений. Также, в процессе работы посредством этой цепочки осуществляется контроль входного напряжения и компенсация напряжения при котором закрывается ключ – увеличение тока, втекающего в третий пин, вызывает понижение порогового напряжения закрытия ключа.
R10	Времязадающий резистор для ШИМ. Увеличение номинала данного резистора уменьшит частоту переключения. Номинал должен лежать в пределах 16-36 кОм.
C2	Сглаживающий конденсатор.
R3, C7, VD2	Снабберная цепь, защищающая ключевой транзистор от обратных выбросов с первичной обмотки трансформатора. R3 желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C3	Конденсатор, шунтирующий межобмоточную ёмкость. В идеале должен быть Y-типа, либо же должен иметь большой запас (15-20 раз) по рабочему напряжению. Служит для уменьшения помех. Номинал зависит от параметров трансформатора, делать слишком большим нежелательно.
R6, VD1, C4	Данная цепь, запитываясь от вспомогательной обмотки трансформатора образует цепь питания контроллера. Также данная цепь влияет на цикл работы ключа. Работает это следующим образом: для корректной работы напряжение на седьмом выводе контроллера должно находиться в пределах 12.5 – 16.5 В. Напряжение 16.5В на этом выводе является порогом, при котором происходит открытие ключевого транзистора и энергия начинает запасаться в сердечнике трансформатора (в это время микросхема питается от C 4). При понижении ниже 12.5В микросхема отключается, таким образом конденсатор C4 должен обеспечивать питание контроллера пока из вспомогательной обмотки не поступает энергии, поэтому его номинала должно быть достаточно чтобы удерживать напряжение выше 12.5В пока ключ открыт. Нижний предел номинала C4 следует рассчитывать исходя из потребления контроллера около 5 мА. От времени заряда данного конденсатора до 16.5В зависит время закрытого ключа и определяется оно током, который может отдать вспомогательная обмотка, при этом ток ограничивается резистором R6. Кроме всего прочего, посредством данной цепи в контроллере предусмотрена защита от перенапряжения в случае выхода из строя цепей обратной связи – при превышении напряжения выше 25В контроллер отключится и не начнёт работать пока питание с седьмого пина не будет снято.
R13	Ограничивает ток заряда затвора ключевого транзистора, а также обеспечивает его плавное открытие.
VD3	Защита затвора транзистора.
R8	Подтяжка затвора к земле, выполняет несколько функций. Например, в случае отключения контроллера и повреждения внутренней подтяжки данный резистор обеспечит быстрый разряд затвора транзистора. Также, при корректной разводке платы обеспечит более короткий путь тока разряда затвора на землю, что должно положительно сказаться на помехозащищённости.
BT1	Ключевой транзистор. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R7, C6	Цепь служит для сглаживания колебаний напряжения на токоизмерительном резисторе.
R1	Токоизмерительный резистор. Когда напряжение на нём превышает 0.8В контроллер закрывает ключевой транзистор, таким образом регулируется время открытого ключа. Кроме того, как уже говорилось выше, напряжение при котором будет закрыт транзистор также зависит от входного напряжения.
C8	Фильтрующий конденсатор оптопары обратной связи. Допустимо немного увеличить номинал.
PC817	Опторазвязка цепи обратной связи. Если транзистор оптопары закроется это вызовет повышение напряжения на втором выводе контроллера. Если напряжение на втором выводе будет превышать 5.2В дольше 56 мс, это вызовет закрытие ключевого транзистора. Таким образом реализована защита от перегрузки и короткого замыкания.

В данной схеме 5-й вывод контроллера не используется. Однако, согласно даташиту на контроллер, на него можно повесить NTC-термистор, который обеспечит отключение контроллера в случае перегрева. Стабилизированный выходной ток данного вывода – 70 мкА. Напряжение срабатывания температурной защиты 1.05В (защита включится при достижении сопротивления 15 кОм). Рекомендуемый номинал термистора 26 кОм (при 27°C).

Параметры импульсного трансформатора

Поскольку импульсный трансформатор это один из самых сложных в проектировании элементов импульсного блока, расчёт трансформатора для каждой конкретной топологии блока требует отдельной статьи, поэтому подробного описания методологии тут не будет, тем не менее для повторения описываемой конструкции следует указать основные параметры используемого трансформатора.

Следует помнить, что одно из важнейших правил при проектировании – соответствие габаритной мощности трансформатора и выходной мощности блока питания, поэтому первым делом, в любом случае, выбирайте подходящие вашей задаче сердечники.

Чаще всего данная конструкция поставляется с трансформаторами, выполненными на сердечниках типа EE25 или EE16, либо аналогичных. Собрать достаточно информации по количеству витков в данной модели ИИП не удалось, поскольку в разных модификациях, несмотря на схожие схемы, используются различные сердечники.

Увеличение разницы в количестве витков ведёт к уменьшению потерь на переключение ключевого транзистора, но повышает требования к его нагрузочной способности по максимальному напряжению сток-исток (VDS).

Для примера, будем ориентироваться на стандартные сердечники типа EE25 и значение максимальной индукции Bmax = 300 мТ. В этом случае соотношение витков первой-второй-третьей обмотки будет равно 90:15:12.

Следует помнить, что указанное соотношение витков не является оптимальным и возможно потребуется корректировка соотношений по результатам испытаний.

Первичную обмотку следует наматывать проводником не тоньше 0.3мм в диаметре. Вторичную обмотку желательно выполнять сдвоенным проводом диаметром 1мм. Через вспомогательную третью обмотку течёт малый ток, поэтому провода диаметром 0.2мм будет вполне достаточно.

Описание элементов выходной цепи

Далее кратко рассмотрим выходную цепь источника питания. Она, в общем-то, совершенно стандартна, от сотен других отличается минимально. Интересна может быть лишь цепочка обратной связи на TL431, но её мы тут подробно рассматривать не будем, потому что про цепи обратной связи есть отдельная статья.

VD4	Сдвоенный выпрямительный диод. В идеале подбирать с запасом по напряжениютоку и с минимальным падением. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R2, C12	Снабберная цепь для облегчения режима работы диода. R2 желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C13, L2, C14	Выходной фильтр.
C20	Керамический конденсатор, шунтирующий выходной конденсатор C14 по ВЧ.
R17	Нагрузочный резистор, обеспечивающий нагрузку для холостого хода. Также через него разряжаются выходные конденсаторы в случае запуска и последующего отключения без нагрузки.
R16	Токоограничивающий резистор для светодиода.
C9, R20, R18, R19, TLE431, PC817	Цепь обратной связи на прецизионном источнике питания. Резисторы задают режим работы TLE431, а PC817 обеспечивает гальваническую развязку.

Что можно улучшить

Вышеописанная схема обычно поставляется в готовом виде, но, если собирать схему самому, ничто не мешает немного улучшить конструкцию. Модифицировать можно как входные, так и выходные цепи.

Если в ваших розетках земляной провод имеет соединение с качественной землёй (а не просто ни к чему не подключен, как это часто бывает), можно добавить два дополнительных Y-конденсатора, соединённых каждый со своим сетевым проводом и землёй, между L₁ и входным конденсатором C₁. Это обеспечит симметрирование потенциалов сетевых проводов относительно корпуса и лучшее подавление синфазной составляющей помехи. Вместе с входным конденсатором два дополнительных конденсатора образуют т.н. «защитный треугольник».

После L₁ также стоит добавить ещё один конденсатор X-типа, с той же ёмкостью что у C₁.

Для защиты от импульсных бросков напряжения большой амплитуды целесообразно параллельно входу подключать варистор (например 14D471K). Также, если у вас есть земля, для защиты в случае аварии на линии электроснабжения, при которой вместо фазы и нуля фаза попадаётся на оба провода, желательно составить защитный треугольник из таких же варисторов.

Защитный треугольник на варисторах.

При повышении напряжения выше рабочего, варистор снижает своё сопротивление и ток течёт через него. Однако, ввиду относительно низкого быстродействия варисторов, они не способны шунтировать скачки напряжения с быстро нарастающим фронтом, поэтому для дополнительной фильтрации быстрых скачков напряжения желательно параллельно входу подключать также двунаправленный TVS-супрессор (например, 1.5KE400CA).

Опять же, при наличии земляного провода, желательно добавить на выход блока ещё два Y-конденсатора небольшой ёмкости, включенных по схеме «защитного треугольника» параллельно с C₁₄.

Для быстрой разрядки конденсаторов при отключении устройства параллельно входным цепям целесообразно добавить мегаомный резистор.

Каждый электролитический конденсатор желательно зашунтировать по ВЧ керамикой малой ёмкости, расположенной максимально близко к выводам конденсатора.

Ограничительный TVS-диод будет не лишним поставить также и на выход – для защиты нагрузки от возможных перенапряжений в случае проблем с блоком. Для 24В версии подойдёт, например 1.5KE24A.

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.

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.

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.

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

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.

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.

© 2012-2019 г. Все права защищены.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

В последнее время мне задавалось некоторое количество вопросов по теме стабилизации напряжения.Или о том как светодиоды надо запитать.
Хочу изложить свой теоретический взгляд на взаимодействие компонентов в схеме блока питания.
В блоке питания есть микросхема.Она, в сути, является мозгом устройства.Управляет силовым ключом, либо встроенным внутрь нее, либо внешним.Силовой ключ очень быстро открываясь и закрываясь накачивает напряжение в дроссель.На выходе появляется напряжение, это напряжение надо отследить.И если напряжение на выходе достигнет нужного нам значения-надо сообщить об этом управляющей микросхеме.Она, услышав эту новость, уменьшит время открытия силового ключа.Накачка в дроссель уменьшится и на выходе напряжение начнет падать.Но схема, отслеживающая напряжение на выходе, опять сообщит микросхеме, что напряжение падает ниже нам нужного и микросхема снова увеличит время открытия силового ключа.

Схема отслеживающая, что творится на выходе блока питания, будет нами названа ОС(обратной связью).
Обратная связь эта та часть блока питания, играясь с которой, мы можем получить на выходе блока питания нужные нам вольты.
Вариантов ее схемотехники несколько.В низковольтных блоках питания, которые мы покупаем в китае и лепим в авто, обычно обратная связь это делитель напряжение(два резистора в средней точке которых должно получится определенное напряжение при нужных нам вольтах на выходе БП.)
Например микросхема ждет что на ее ножке обратной связи должно быть 1.25 вольта.На выходе БП 5 вольт.В средней точке делителя 1.25.Ура микросхема будет точно держать в узде дроссель, уменьшая или увеличивая скважность на силовом ключе так что бы на ее ножке обратной связи было всегда 1.25.
Блоки питания от сети делают тоже самое.Разница только в том что там микросхема другая.Но суть и смысл остается тот же в принципе.(различие в том что нам надо отделить физически высоковольтную часть блока от низковольтной.Значит и обратную связь надо как-то сделать так, что бы она смотрела, что там у нас на выходе низковольтном и сообщала инфу микросхеме, стоящей в высоковольтной части.
Для этого можно применить оптопару.Зачастую так и сделано.схема обратной связи смотрит на напряжение и через моргули на светодиоде, внутри оптопары, сообщает через фототранзистор, в той же оптопаре, нужные данные на высоковольтную часть БП.А именно на ножку обратной связи микросхемы.
Схема управляющая светиком оптопары сделана несколько иначе чем делитель.Зачастую на TL431.
Вот вам ссылка что нашел в инете с наскока, то и даю vprl.ru/publ/tekhnologii/…_zver_quot_takoj/9-1-0-17
Если разобрались, то думаю поняли, что делитель там тоже есть.Все с него начинается, только делитель сначала сообщает ТЛке данные, а она уже через оптопару дает отчет управляющей микросхеме.
Значит играясь делителем на выходе БП мы опять же можем напряжение опускать или поднимать…
Теперь о силе тока.Описанное мной ранее относилось к контролю напряжения.Но если мы сделаем обратную связь с контролем силы тока-получим токовый драйвер.Управляющей микросхеме важен сигнал на ее ножке, а что там на выходе, в реале, ее мало волнует.Значит отследим силу тока и как только сила тока станет выше чем нам надо-тут же отправим сигнал микросхеме, как будто у нас превышение напряжения.Глупая микросхема решит, что напряжение выше нормы и начнет его сбрасывать.А у нас то ток.Вот мы ее и накололи ха-ха.
Как отследить ток?По падению напряжения на шунте.Например берем резистор в 0.1 Ом и зная сколько было до него и сколько после-мы легко высчитываем нужные нам цифры.Например ОУ (операционный усилитель)
Легко отследит что у нас упало на резисторе и обманет БП.
Вот пример:
e-a.d-cd.net/1c6246as-960.jpg схема стабилизатора напряжения
h-a.d-cd.net/f56246as-960.jpg схема стабилизатора тока.
Тоже нарыл тут.Сдается это поделие Андрея Голубева.
Но нам не поделка важна а сам смысл.Почувствуйте разницу между этими двумя схемами.

Так же можно наколоть и сетевой блок питания.Как мы раньше уже убедились принцип один и тот же.
Не забываем что никто не отменял мощность.А она равна произведению напряжения на силу тока.А значит наш БП может выдать больше напряжение, но уже ниже силу тока.Мы тут с himiks общались и просто цифра от туда в голове засела.Например сетевой импульсный блок питания 12 вольт 2 ампера может выдать и 24 вольта но уже 1 ампер.Потому что он 24 Ватта.И он каким был таким и остался.Главное что бы выходная часть не развалилась от перенапряжения, конденсаторы не бабахнули))Разумеется так сильно поднимать не стоит-но процентов на 50-70 можно.
Ну и так же по падению на шунте его можно наколоть и заставить поработать драйвером.Ха-ха.

А почему же тогда есть микросхемы, которые именно под драйверы используют, а есть под стабилизаторы напряжения?Да просто там в микросхеме драйвера сам шунт и операционник уже встроены в ее потроха, только и всего.
Хотелось бы еще о стабилизаторе напряжения поговорить, особенно большая и больная тема, когда в авто от 10-14 и до 16 вольт, а на выходе нам надо 12 вольт.Что бы 100500 км говноленты светодиодной на авто накрутить и радоваться)))
Сложность в том что там надо и повышать и понижать в одном устройстве.А обычно блоки питания такого плана или повышают или понижают, но не все вместе.
Есть способ выкрутиться.воспользуемся топологией SEPIC (single-ended primary inductor converter)
Что первое нашел то и даю.
meta-kot.livejournal.com/14245.html?thread=15525
Там кстати есть схема стабилизатора и тока и напряжения.

И вот еще что нашел.
Интересный способ обмануть судьбу.Я вот как-то увидел TPS63061 и на ее основе s7v7f5.И подумал, а зачем там столько кондеров, и почему дроссель изолирован от нагрузки.И закралась подозрительная мыслишка, которая мне позволила найти вот этот рисунок.
radiokot.ru/forum/downloa…81ab400c2698604a238ba4be3
(нет что бы даташит изучить))не наш метод)
Разумеется что там сам принцип.Нет делителя на обратной связи.И я бы еще ввел защиту от низкого напряжения на той же TL431.Если внимательно прочитали писанину выше.То сами догадаетесь где делитель и как сделать защиту по просадкам входного напряжения.))

Ну а это так, для общего понимания.Если хочется вникнуть глубже-читаните open.e-voron.dp.ua/stabil…ov-na-mikrosheme-ms34063/ (там примеры для МС34063).Главное что бы крышу не снесло))Но полезное для себя найдете.Тем более, что суть и смысл остаются актуальными для любых микросхем такого плана.
Эх как-то без картинок получилось…
Ладно ща найду для чисто поржать…

Вот так же может начать выглядеть и ваш БП, если вы не зная теории, полезете к нему с практикой.
А если это сетевой БП то все манипуляции производите с выключенным из сети БП.А то и сам мастер, в вашем лице, может принять такой вид.Входная часть такого блока находится под напряжением в 300 вольт.Не прикасайтесь пальцами к компонентам блока питания, находящимся в высоковольтной части.Не буду напирать на проверку отсутствия заряда в питающем конденсаторе, если сетевой БП не исправен и вы лезете к нему с ремонтом, значит вы и так уже все знаете и понимаете.(я предупредил, так что все на ваш страх и риск)

Способы организации обратной связи в источниках на базе микросхем POWER INTEGRATIONS

При проектировании импульсного источника питания, обязательной стадией проектирования является проектирование цепи обратной связи. Эта цепь будет во многом определять многие ключевые характеристики источника. Вот тогда то и возникает вопрос, какой вариант обратной связи использовать? Ситуация с проектированием обратной связи для источников питания на базе микросхем Power Integrations более простая. Для таких источников рекомендованы 4 типа цепей обратной связи, которые отличаются по сложности, цене и соответственно по выходным характеристикам источника.

Это такие схемы (по возрастающей выходных характеристик):
— Базовая цепь.
— Базовая-улучшенная цепь.
— Цепь с оптопарой/диодом Зенера.
— Цепь с оптопарой/TL431.

Производитель рекомендует использовать эти схемы в следующих случаях:
— Базовая/ базовая-улучшенная — для дешевизны схемы источника (при невысокой выходной мощности).
— Цепь с оптопарой/диодом Зенера — для варианта дешевой схемы и хороших выходных характеристик.
— Цепь с оптопарой/TL431 — для получения самых хороших выходных характеристик.

Изображения данных видов цепей обратной связи(для увеличения — кликните на рисунке):

1) Базовая цепь.

2) Базовая-улучшенная цепь.

3) Цепь с оптопарой/диодом Зенера.

4) Цепь с оптопарой/TL431.

Технические характеристики вариантов схем обратной связи для удобства сведены в таблицу. Основываясь на данных вашего технического задания вы можете выбрать вариант подходящий именно вам.

Таблица 1.

Цепь обратной связи	Vb (V)	Разброс параметров самой цепи	Нестабильность выходного напряжения по нагрузке*.	Нестабильность выходного напряжения по сети.	Итоговый разброс параметров
Базовая.	5,8	+/- 10%	+/- 5%	+/- 1,5%	+/- 16,5%
Базовая-улучшенная.	27,8	+/- 5%	+/- 2,5%	+/- 1,5%	+/- 9%
С оптопарой/диодом Зенера.	12	+/- 5%	+/- 1%	+/- 0,5%	+/- 6,5%
С оптопарой/TL431.	12	+/- 1%	+/- 0,2%	+/- 0,2%	+/- 1,4%

* — Изменение нагрузки в пределах 10% — 100%.

Основываясь на таблице 1 вы можете выбрать необходимое вам напряжение смещения Vb.

Кроме этого основываясь на данных таблицы 3 — вы можете выбрать подходящую вам оптопару.

P/N	Коэффициент передачи по току	Напряжение пробоя коллектор-эмиттер	Производитель
4 pin DIP
PC123Y6	80-160	70V	Sharp
PC817X1	80-160	70V	Sharp
SFH615A-2	63-125	70V	Vishay,Isocom
SFH617A-2	63-125	70V	Vishay,Isocom
SFH618A-2	63-125	55V	Vishay,Isocom
ISP817A	80-160	35V	Vishay,Isocom
LTV817A	80-160	35V	Liteon
LTV816A	80-160	80V	Liteon
LTV123A	80-160	70V	Liteon
K1010A	60-160	60V	Cosmo
6 pin DIP
LTV702FB	63-125	70V	Liteon
LTV703FB	63-125	70V	Liteon
LTV713FA	80-160	35V	Liteon
K2010	60-160	60V	Cosmo
PC702V2NSZX	63-125	70V	Sharp
PC703V2NSZX	63-125	70V	Sharp
PC713V1NSZX	80-160	35V	Sharp
PC714V1NSZX	80-160	35V	Sharp
MOC8102	73-117	30V	Vishay, Isocom
MOC8103	108-173	30V	Vishay, Isocom
MOC8105	63-133	30V	Vishay, Isocom
CNY17F-2	63-125	70V	Vishay, Isocom, Liteon

В статье использовались материалы компании Power Integrations.

Перевел и дополнил инженер службы технической поддержки Макро-Групп Санкт-Петербург

Автор: Бандура Геннадий

Компания «Макро Групп»

СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ СТАТЬЯ ПОДГОТОВЛЕНА НА ОСНОВЕ КНИГИ А. В. ГОЛОВКОВА и В. Б ЛЮБИЦКОГО «БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT» ИЗДАТЕЛЬСТВА «ЛАД и Н» СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ     Схема стабилизации выходных напряжений в рассматриваемом классе ИБП представляет собой замкнутую петлю автоматического регулирования (рис. 31). Эта петля включает в себя:     • схему управления 8;     • согласующий предусилительный каскад 9;     • управляющий трансформатор DT;     • силовой каскад 2;     • силовой импульсный трансформатор РТ;     • выпрямительный блок 3;     • дроссель межканальной связи 4;     • блок фильтров 5;     • делитель напряжения обратной связи 6;     • делитель опорного напряжения 7.     В составе схемы управления 8 имеются следующие функциональные узлы:     • усилитель сигнала рассогласования 8.1 с цепью коррекции Zk;     • ШИМ-компаратор (модулятор) 8.2;     • генератор пилообразного напряжения (осциллятор) 8.3;     • источник опорного стабилизированного напряжения Uref 8.4.     В процессе работы усилитель сигнала рассогласования 8.1 сравнивает выходной сигнал делителя напряжения б с опорным напряжением делителя 7. Усиленный сигнал рассогласования поступает на широтно-импульсный модулятор 8.2, управляющий предоконечным каскадом усилителя мощности 9, который, в свою очередь, подает модулированный управляющий сигнал на силовой каскад преобразователя 2 через управляющий трансформатор DT. Питание силового каскада производится по бестрансформаторной схеме. Переменное напряжение питающей сети выпрямляется сетевым выпрямителем 1 и подается на силовой каскад, где сглаживается конденсаторами емкостной стойки. Часть выходного напряжения стабилизатора сравнивается с постоянным опорным напряжением и затем осуществляется усиление полученной разности (сигнала рассогласования) с введением соответствующей компенсации. Широтно-импульсный модулятор 8.2 преобразует аналоговый сигнал управления в широтно-модулированный сигнал с переменным коэффициентом заполнения импульса. В рассматриваемом классе ИБП схема модулятора осуществляет сравнение сигнала, поступающего с выхода усилителя сигнала рассогласования с напряжением пилообразной формы, которое получается от специального генератора 8.3.     Рисунок 31. Контур регулирования типового импульсного блока питания на основе управляющей микросхемы TL494.     Основными передаточными функциями ИБП являются функция вход-выход, характеризующая способность схемы подавлять входные шумы и пульсации и не пропускать их на выход, и функция управление-выход, характеризующая степень изменения выходных напряжений при различных коэффициентах заполнения импульсов. В системе с замкнутой обратной связью коэффициент заполнения импульсов определяется усиленным и компенсированным сигналом рассогласования. Поясним это подробнее.     Допустим, некоторое возмущающее воздействие (например, увеличение токопотребления в нагрузке) первоначально вызвало отклонение выходного напряжения на некоторую величину в сторону уменьшения. Поэтому между опорным напряжением и сигналом обратной связи изменяется величина рассогласования. Благодаря этому увеличивается ширина выходных импульсов модулирующей схемы 8-2. Поэтому выходное напряжение увеличивается, но не достигает прежнего значения, а устанавливается на уровне чуть меньшем, чем до воздействия возмущения, и сохраняется на этом новом уровне до тех пор, пока повышенное токопотребление в нагрузке не прекратится. Вновь установившийся уровень выходного напряжения обеспечивает ту величину сигнала рассогласования, которая, будучи усиленной усилителем ошибки 8.1, определяет новую ширину управляющего импульса, поддерживающую этот новый уровень выходного напряжения. Другими словами, система переходит в новое состояние динамического равновесия, но при большем, чем ранее, сигнале рассогласования и другой (большей) ширине управляющих импульсов.     Совершенно очевидно, что чем больше коэффициент усиления усилителя ошибки, тем меньше изменение выходного напряжения, которое обусловит необходимую для поддержания этого напряжения ширину управляющих импульсов. Поэтому, казалось бы, коэффициент усиления усилителя 8.1 желательно иметь максимально большим. Однако величина усиления ограничивается условием устойчивой работы всей петли регулирования в целом. Значение коэффициента усиления по петле обратной связи равно произведению коэффициентов усиления типовых звеньев, входящих в контур обратной связи, а его фазовый сдвиг равен сумме фазовых сдвигов типовых звеньев. Поэтому коэффициент усиления по петле обратной связи и его фаза определяют стабильность работы системы и возможность возникновения в ней генерации.     Для того, чтобы система работала устойчиво, АЧХ и ФЧХ усилителя 8.1 схемотехнически подвергается коррекции с помощью корректирующей цепи Zk, которая включается как звено отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель ошибки 8.1. При этом конфигурация цепочки Zk обеспечивает необходимую зависимость глубины этой ООС от частоты усиливаемого сигнала. Проще говоря, Zk — это цепь, при помощи которой вводится отрицательная частотно-зависимая обратная связь. Поясним подробнее физический смысл включения этой очень важной цепочки. Как известно из теории, для возникновения генерации в замкнутой системе необходимо, чтобы выполнялись два условия. Первое из этих условий называется балансом фаз и заключается в том, чтобы суммарный фазовый сдвиг, вносимый всеми звеньями замкнутой системы на данной частоте, был бы равен 360 градусов. Тогда обратная связь превращается в положительную и появляется возможность для самовозбуждения системы. Второе условие, называемое балансом амплитуд, заключается в том, чтобы коэффициент петлевого усиления на данной частоте был бы больше 1. При выполнении обоих этих условий одновременно в замкнутой петле регулирования возникает генерация.     Применительно к контуру регулирования выходных напряжений ИБП это будет выглядеть примерно таким же образом. Фазовый сдвиг, вносимый каждым из элементов петли регулирования, не является постоянным, а зависит от частоты. Поэтому обязательно имеется некоторая час тота, на которой суммарный фазовый сдвиг петли регулирования становится равным 360 градусов. Именно на этой частоте и возможно возникновение генерации. Эта возможность реализуется, если коэффициент петлевого усиления, который, как было отмечено, определяется произведением коэффициентов усиления всех звеньев петли, будет иметь величину, превышающую 1 на указанной частоте. Из сказанного ясно, что для того, чтобы избежать возникновения такой паразитной генерации, имеется только один путь. Поскольку петлевое усиление определяется в основном усилителем ошибки 8.1, то этот путь заключается в том, чтобы скорректировать АЧХ усилителя ошибки (а значит и АЧХ всей петли регулирования в целом) таким образом, чтобы на частоте, где суммарный фазовый сдвиг в петле становится равным 360 градусов, коэффициент петлевого усиления был бы меньше 1. Функцию такого изменения АЧХ усилителя 8.1 и выполняет цепь коррекции Zk, которая обычно выполняется в виде интегрирующего RC-звена. Несмотря на то, что цепь компенсации Zk является очень малой частью полной схемы ИБП, именно она является «ключом» для устойчивой работы системы.     Поясним все вышесказанное применительно к рассматриваемому классу ИБП на основе управляющей микросхемы TL494.     Стабилизация выходных напряжений осуществляется методом широтно-импульсной модуляции. Суть его заключается в том, что сигнал обратной связи, пропорциональный уровню напряжения в канале +5В, при гальванической подаче его на неинвертирующий вход усилителя ошибки DA3 (вывод 1 микросхемы TL494), определяет ширину выходного импульса микросхемы и изменяет ее в соответствии с отклонениями выходного напряжения канала +5Вот номинального значения.     Рассмотрим динамику процесса стабилизации.     Пусть под воздействием какого-либо дестабилизирующего фактора (например, скачкообразного изменения нагрузки) выходное напряжение в канале +5В уменьшилось. Тогда уменьшится уровень сигнала обратной связи на неинвертирующем входе усилителя ошибки DA3. Следовательно, выходное напряжение усилителя уменьшится. Поэтому увеличится ширина выходных импульсов микросхемы на выводах 8 и 11. Значит увеличится время открытого состояния за период силовых ключевых транзисторов инвертора. Следовательно, большую, чем ранее, часть периода через первичную обмотку силового импульсного трансформатора будет протекать нарастающий ток. Следовательно, большую, чем ранее, часть периода в сердечнике трансформатора будет существовать нарастающий магнитный поток, а значит, дольше, чем ранее, на вторичных обмотках этого трансформатора будут действовать наведенные этим потоком ЭДС Другими словами, импульсы ЭДС на вторичной стороне силового трансформатора станут шире (при неизменном периоде следования). Поэтому увеличивается постоянная составляющая, выделяемая сглаживающим фильтром из импульсной последовательности после выпрямления, т.е. выходное напряжение канала +5В увеличится, возвращаясь к номинальному значению.     При увеличении выходного напряжения +5В процессы в схеме будут обратными.     Стабилизация выходных напряжений остальных каналов может осуществляться по-разному в разных схемах. Традиционным схемотехническим решением является применение метода групповой стабилизации. Для этого в схему блока включается специальный элемент межканальной связи, в качестве которого обычно используется многообмоточный дроссель.     При этом изменение любого выходного напряжения приводит благодаря электромагнитной связи между обмотками дросселя групповой стабилизации к соответствующему изменению выходного напряжения +5В с последующим включением механизма ШИМ. Дроссель групповой стабилизации обычно представляет собой четыре обмотки (по одной обмотке в каждом выходном канале БП), намотанные на одном кольцевом ферритовом сердечнике и включенные синфазно. В этом случае дроссель выполняет в схеме две функции:     • функцию сглаживания пульсации выпрямленного напряжения — при этом каждая обмотка для своего канала представляет сглаживающий дроссель фильтра и работает как обычный дроссель;     • функцию межканальной связи при групповой стабилизации — при этом благодаря электромагнитной связи через общий сердечник дроссель работает как трансформатор, передающий изменения величины токов, протекающих через обмотки каналов +12В, -12В и -5В в обмотку канала +5В.     Поясним это подробнее. Особенностью работы ИБП в персональном компьютере является то, что потребляемый от ИБП ток зависит от выполняемой в данный момент операции, т.е. скачкообразно изменяется. Пусть, например, в данный момент времени скачкообразно возросла токовая нагрузка в канале +12В. Увеличение тока через обмотку дросселя, включенную в канале +12В, вызывает увеличение магнитного потока в сердечнике дросселя. Изменение магнитного потока, в свою очередь, наводит во всех остальных обмотках дросселя ЭДС, полярность которых (благодаря синфазной намотке обмоток дросселя) во всех каналах оказывается включенной встречно по отношению к выходным напряжениям выпрямителей. Поэтому выходные напряжения всех каналов (в том числе и канала +5 В) уменьшаются. Сигнал обратной связи с канала +5 В гальванически передается на схему ШИМ, которая увеличивает длительность выходных управляющих импульсов. Поэтому выходные напряжения всех каналов ИБП увеличиваются, возвращаясь к номинальному значению. При изменении токовой нагрузки в других каналах схема работает аналогично. Однако коэффициент стабилизации выходных напряжений во всех каналах, кроме канала +5В, получается невысоким, т.е. стабилизация напряжений +12В, -12В и -5В будет хуже, чем в канале +5В, за которым производится непосредственное «слежение». Такой способ полной групповой стабилизации используется, например, в ИБП KYP-150W (рис.27).     Существуют варианты импульсных блоков питания с неполной групповой стабилизацией, как например LPS-02-150ХТ. В схеме этого ИБП через дроссель групповой стабилизации «связаны» только три выходных напряжения (+5В, +12В и -12В). Стабилизация напряжения -5В производится другим способом — с помощью линейного интегрального стабилизатора типа 7905 (рис.28). Дроссель связи в этом случае выполнен трехобмоточным. Механизм использования дросселя групповой стабилизации применяется в подавляющем большинстве случаев, однако изредка встречаются ИБП, в которых этот механизм не используется. В таких ИБП на выходе канала выработки -5В и -12В стоят стабилизаторы напряжений типа 7905 и 7912 (гораздо реже — 7805 и 7812), а обратная связь на микросхему IC1 по выводу 1 заведена через рези-стивный делитель-датчик от выходных напряжений +5В и +12В (рис. 32). Сигнал обратной связи в этом случае является суммарным, т.к. уровень его определяется уровнями напряжений на обеих шинах, и поэтому оба выходных напряжения (+5В и +12В) стабилизируются методом ШИМ. И, наконец, встречаются варианты ИБП, в которых напряжение -5В получается из -12В с помощью интегрального стабилизатора, а само напряжение -12В вообще не стабилизируется. В схемах последних двух типов многообмоточный дроссель межканальной связи отсутствует.     Схемы стабилизации могут различаться, кроме того, способом подачи сигнала обратной связи и опорного напряжения на входы усилителя ошибки DA3. При этом в этих цепях могут быть установлены регулировки, позволяющие изменять уровни выходных напряжений ИБП при его настройке. Поскольку усилитель ошибки по напряжению DA3 является дифференциальным усилителем, т.е. усиливает разность подаваемых на его входы 1 и 2 сигналов, то регулировка может стоять в цепи как одного, так и другого входа. При этом неинвертирующий вход DA3 (вывод 1 микросхемы) всегда используется для подачи сигнала обратной связи, а инвертирующий вход (вывод 2 микросхемы) — для подачи опорного напряжения. Это объясняется тем, что для нормальной работы петли регулирования выходное напряжение усилителя ошибки DA3 должно изменяться в фазе с сигналом обратной связи.     Регулировка выходных напряжений блока может осуществляться двояко:     • с помощью изменения уровня сигнала обратной связи при неизменном опорном напряжении на выводе 2;     • с помощью изменения уровня опорного напряжения на выводе 2 при неизменном уровне сигнала обратной связи по входу 1.     Первый из этих случаев иллюстрируется рис. 32, а второй — рис. 33. Рисунок 32. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП PS-200B. Рисунок 33. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП LPS-02-150XT. Рисунок 34. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП «Appis». Рисунок 35. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП GT-200W.     Однако наиболее распространенным является случай, когда регулировка, позволяющая воздействовать на выходные напряжения блока, отсутствует. В этом случае напряжение на любом из входов 1 или 2 выбирается произвольным в пределах от +2,5 до +5 В, а напряжение на оставшемся входе подбирается с помощью высокоом-ного шунтирующего резистора таким, чтобы блок выдавал оговоренные в паспорте выходные напряжения в номинальном нагрузочном режиме. Рис. 35 иллюстрирует случай подбора уровня опорного напряжения, рис. 34 — показывает случай подбора уровня сигнала обратной связи. Ранее было отмечено, что значение нестабильности выходного напряжения при воздействии любых дестабилизирующих факторов (изменение тока нагрузки, напряжения питающей сети и температуры окружающей среды) можно было бы уменьшить, увеличивая коэффициент усиления цепи обратной связи (коэффициент усиления усилителя DA3).     Однако максимальное значение коэффициента усиления DA3 ограничивается условием обеспечения устойчивости. Поскольку как ИБП, так и нагрузка содержат реактивные элементы (индуктивность или емкость), накапливающие энергию, то в переходных режимах происходит перераспределение энергии между этими элементами. Это обстоятельство может привести к тому, что при определенных параметрах элементов переходный процесс установления выходных напряжений ИБП примет характер незатухающие колебаний, или же величина перерегулирования в переходном режиме будет достигать недопустимых значений. Рисунок 36. Переходные процессы (колебательный и апериодический) выходного напряжения ИБП при скачкообразном изменении тока нагрузки (а) и входного напряжения (б).     На рис. 36 изображены переходные процессы выходного напряжения при скачкообразном изменении тока нагрузки и входного напряжения. ИБП работает устойчиво, если выходное напряжение вновь принимает установившееся значение после прекращения действия возмущения, выведшего его из первоначального состояния (рис. 37,а). Рисунок 37. Переходные процессы выходного напряжения ИБП в устойчивой (а) и неустойчивой (б) системах.     Если это условие не соблюдается, то система является неустойчивой (рис.37,6). Обеспечение устойчивости импульсного блока питания является необходимым условием его нормального функционирования. Переходный процесс в зависимости от параметров ИБП носит колебательный или апериодический характер, при этом выходное напряжение ИБП имеет определенное значение перерегулирования и время переходного процесса. Отклонение выходного напряжения от номинального значения выявляется в измерительном элементе цепи обратной связи (в рассматриваемых ИБП в качестве измерительного элемента используется резистивный делитель, подключаемый к шине выходного напряжения +5В). Из-за инерционности петли регулирования номинальное значение выходного напряжения устанавливается с определенным запаздыванием. При этом схема управления по инерции некоторое время еще будет продолжать свое воздействие в том же направлении. В результате этого имеет место перерегулирование, т.е. отклонение выходного напряжения от его номинального значения в направлении, противоположном первоначальному отклонению. Схема управления вновь изменяет выходное напряжение в противоположную сторону и т.д. Для того чтобы обеспечить устойчивость петли регулирования выходных напряжений ИБП при минимальной длительности переходного процесса, амплитудно-частотная характеристика усилителя ошибки DA3 подвергается коррекции. Это делается с помощью RC-цепочек, включаемых как цепи отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель DA3. Примеры таких корректирующих цепочек показаны на рис. 38. Рисунок 38. Примеры конфигурвции корректирующих RC-цепочек для усилителя ошибки по напряжению DA3.     Для уменьшения уровня помехообразования на вторичной стороне импульсного блока питания устанавливаются апериодические RC-цепочки. Остановимся подробнее на принципе их действия.     Переходный процесс тока через диоды выпрямителя в моменты коммутации происходит в виде ударного возбуждения (рис. 39,а). Рисунок 39. Временные диаграммы напряжения на диоде восстановления обратного сопротивления: а) — без RC-цепочки; б) — при наличии RC-цепочки.     Этот процесс создает электромагнитные помехи с частотой десятки мегагерц. Через межобмоточные емкости трансформатора и межвитковые емкости дросселя сглаживающего фильтра эти помехи проникают в первичную сеть и на выход ИБП. Для уменьшения этих помех необходимо изменить характер переходного процесса в области обратного тока диодов выпрямителя так, чтобы он имел апериодический характер. Преимущество апериодического переходного процесса перед колебательным заключается в снижении амплитуды первоначального выброса за счет заряда конденсатора RC-цепочки, а также в более быстром его затухании за счет резистора этой цепочки, который снижает добротность паразитного колебательного контура. Эффективным методом обеспечения апериодического характера переходного процесса и является подключение RC-цепочки параллельно обмоткам трансформатора и диодам выпрямителя, как показано на рис.30. При использовании RC-цепочки переходный процесс изменения тока через диод в режиме восстановления его обратного сопротивления имеет вид, показанный на рис. 39,6.     Адрес администрации сайта: [email protected]

Гальваническая оптронная развязка в цепи обратной связи импульсных стабилизированных ИП на примере продукции National Semiconductor — Компоненты и технологии

Все изолированные импульсные стабилизированные ИП содержат входной и выходной фильтры, трансформатор, силовой ключ во входной цепи, выпрямитель в выходной цепи и контроллер. Управляющий контроллер может быть электрически соединен с общим проводом («землей») на первичной или вторичной стороне преобразователя. Оба варианта включения показаны на рис. 1, 2 соответственно.

При старте ИП питание на контроллер необходимо подать с помощью блока начального запуска до того момента, пока весь преобразователь не выходит на штатный режим работы и питающее напряжение на контроллер начинает поступать от вторичной обмотки основного трансформатора. В случае, когда контроллер соединен с входной общей шиной (рис. 1), такая задача не вызывает затруднений. Но если контроллер «привязан» к выходной общей шине (рис. 2), то питание на него во время старта преобразователя должно быть подано от силовой цепи с противоположной стороны преобразователя. Эта более сложная задача может быть решена двумя способами. Первый — использование отдельного изолированного маломощного преобразователя для питания контроллера, что гарантирует корректный запуск ИП. Второй — разработка вспомогательной схемы, позволяющей силовому ключу преобразователя начать работу немедленно после подачи входного напряжения. При этом вторичная обмотка преобразователя будет сразу же обеспечивать питанием контроллер, который берет на себя дальнейшее управление силовым ключом. Такая технология «слепого старта» может вызывать проблемы с перерегулированием, возникновением бросков тока, появляются также дополнительные требования к холостой нагрузке источника.

Топология построения импульсного стабилизированного ИП с контроллером в выходной цепи имеет ряд преимуществ. Во-первых, не требуется изоляция сигнала ошибки в цепи обратной связи. При этом не будет возникать дополнительная задержка, которая может ограничить быстродействие всей ОС и негативно повлиять на переходную характеристику преобразователя. Во-вторых, большинство современных импульсных преобразователей используют полевые транзисторы (вместо показанных на схеме диодов) для выпрямления выходного напряжения. Эти выпрямительные транзисторы требуют точного и корректного управления переключением по цепи затвора, которое может быть легко осуществлено непосредственно от контроллера во вторичной цепи через специализированные драйверы (например, LM5112). Это приводит к оптимальному по быстродействию управлению. И, наконец, хотя схемы с контроллером во вторичной цепи сложнее в реализации, они могут иметь более высокий КПД, более высокую точность стабилизации выходного напряжения и более быстродействующую переходную характеристику, чем их оппоненты с контроллером в первичной цепи преобразования.

Размещение контроллера в первичной цепи (рис. 1), тем не менее, может существенно снизить сложность построения всего преобразователя при сохранении его хороших эксплуатационных характеристик. В такой конфигурации сигнал ОС с выхода преобразователя передается назад в первичную цепь через изоляционный барьер — оптрон. В большинстве случаев этот сигнал пропорционален разности между выходным напряжением преобразователя и некоторым опорным напряжением: результат сравнения усиливается и через изоляционный барьер подается на управляющий контроллер. Но можно передавать через изоляционный барьер и само выходное напряжение преобразователя, однако в этом случае любая погрешность оптрона будет значительно сильнее влиять на точность стабилизации. Это связано с тем, что оптроны имеют весьма широкие допуски значения коэффициента передачи по току, который к тому же существенно зависит и от температуры, и от старения оптрона.

Рис. 1. Изолированный преобразователь с контроллером во входной цепи

Рис. 2. Изолированный преобразователь с контроллером в выходной цепи

Поясним вышесказанное на простом примере. На рис. 3 показаны блок-схемы двух вариантов цепи ОС импульсного преобразователя, где:

• A_ISO — коэффициент усиления блока гальванической развязки;
• A_amp — коэффициент усиления сигнала ошибки;
• A_pwr — коэффициент усиления блока преобразования мощности.

Рис. 3. а) Изоляция сигнала ошибки; б) изоляция выходного напряжения

Единственное различие между этими вариантами состоит в том, что узлы сравнения с опорным напряжением и усиления получаемого сигнала ошибки расположены в другой части схемы относительно узла гальванической развязки. Но это отличие принципиальное. На рис. 3a усилитель сигнала ошибки расположен в выходной цепи. Относительная погрешность выходного напряжения, если принять источник опорного напряжения (ИОН) и другие компоненты за идеальные, определяется соотношением 1/(A_amp*A_pwr*A_iso). Для конкретного примера расчетная погрешность составит 0,001%. Если, например, коэффициент усиления A_ISO уменьшится в два раза, то погрешность формируемого выходного напряжения возрастет до 0,002%, то есть практически незаметно. А у преобразователя, показанного на рис. 3б, усилитель сигнала ошибки и ИОН расположены во входной цепи. В такой схеме и усилитель, и ИОН уже являются частью цепи обратной связи. При такой конфигурации «начальная» погрешность (с идеальными компонентами) также составит 0,001%. Но теперь, если коэффициент усиления блока гальванической развязки (оптрона) тоже по каким-либо причинам уменьшится в два раза, то погрешность формирования выходного напряжения возрастет на 100%, фактически удваивая его.

Как упоминалось выше, топология импульсного стабилизированного ИП с управляющим контроллером в первичной цепи (рис. 1) позволяет существенно снизить сложность построения всего преобразователя и его стоимость. А при грамотной организации цепи обратной связи через оптрон и при правильном подборе компонентов можно получить хорошие результаты по точности стабилизации выходного напряжения преобразователя. В качестве иллюстрации рассмотрим последовательно три варианта оп-тронной развязки цепи ОС у импульсных стабилизированных ИП.

Самое простое решение — с помощью стабилитрона и оптрона передать в первичную цепь преобразователя сигнал, пропорциональный разности выходного и опорного напряжений (рис. 4). В такой схеме увеличение, например, выходного напряжения приводит к возрастанию тока, протекающего через диод оптрона, что в свою очередь уменьшает сигнал на выходе усилителя сигнала ошибки в контроллере LM5041. Естественно, такая простейшая конфигурация не может обеспечить хорошую стабилизацию выходного напряжения из-за многочисленных погрешностей, вносимых стабилитроном и оптро-ном, и может применяться на практике лишь в ограниченном количестве случаев.

Рис. 4. Простой контур обратной связи на основе стабилитрона

Второй вариант представляет собой модификацию предыдущей схемы. Вместо стабилитрона теперь используется специализированная интегральная микросхема National Semiconductor — параллельный источник опорного напряжения LMV431 (рис. 5), который в данном случае работает как источник тока. Контур коррекции, образованный ИОН и резистивным делителем выходного напряжения (R5, R6), управляет током оптро-на. Когда напряжение на входе FB микросхемы LMV431 становится равным или больше 1,24 В, она начинает проводить ток. Выходное напряжение преобразователя будет определяться выражением Vout (В) = 1,24 (1+R5/R6). Данная схема обеспечивает получение существенно более точных результатов по стабилизации выходного напряжения, потому что погрешность самого точного представителя семейства LMV431B составляет всего 0,5%.

Рис. 5. Контур обратной связи на основе прецизионного ИОН

Тем не менее, в данной задаче остается место для последующей оптимизации. Поскольку выходным параметром LMV431 является ток, то часть напряжения обратной связи может быть снята с вывода катода и использована в дальнейшей схеме. В третьем варианте реализации гальванически развязанной петли ОС с помощью оптрона (рис. 6) в схему добавлены прецизионный температурно-компенсированный ИОН National Semiconductor LM4050, включенный в качестве интегратора, и сдвоенный ОУ LM358. Такая конфигурация усилителя сигнала ошибки обеспечивает большое усиление, высокую точность стабилизации и возможность частотной компенсации петли ОС при сохранении приемлемых переходных характеристик преобразователя. Но здесь появляются свои «подводные камни», связанные со сдвигом фазы при прохождении сигнала ОС.

Рис. 6. Контур обратной связи с термокомпенсированным ИОН и усилителем

Во-первых, теперь во вторичной цепи преобразователя имеются две петли обратной связи, поскольку катод стабилизатора LM4050 представляет собой виртуальную «землю». Через конденсатор, шунтирующий LM4050, высокочастотные пульсации напряжения на аноде светодиода оптрона будут замыкаться на общую шину выходной части преобразователя и трансформироваться в высокочастотные колебания протекающего через оптрон тока. Этот ВЧ-контур существует одновременно с основным НЧ-контуром (через резистив-ный делитель), и его присутствие в схеме обязательно должно приниматься во внимание при расчете фазовой компенсации и в случаях, когда в контур ОС (например, при проведении измерений) вносятся дополнительные сигналы, также приводящие к сдвигу ФЧХ всей цепи. Во-вторых, большее внимание теперь должно уделяться расчету стартовой последовательности преобразователя, когда входное напряжение прикладывается впервые, и на выходе преобразователя нет никакого напряжения. Соответственно, отсутствуют все напряжения смещения на вторичной стороне. Обратная связь должна проектироваться таким образом, чтобы при любых условиях полярность начального сигнала ошибки интерпретировалась как запрос на полную мощность преобразования. Сдвоенный операционный усилитель LM358 на рис. 6 выполняет именно эту задачу. В-третьих, теперь приходится задумываться о скорости нарастания выходного напряжения, то есть рассчитывать оптимальные параметры «мягкого старта» источника питания. Необходимое замедление темпа нарастания выходного напряжения может быть реализовано путем изменения емкости конденсатора, шунтирующего источник опорного напряжения LM4050.

Таким образом, с помощью приведенного абстрактного примера можно сделать следующие выводы. При реализации гальванически развязанной цепи ОС конкретное схемотехническое решение будет варьироваться для каждого источника питания. Все основные факторы (КПД, точность стабилизации, переходная характеристика, сложность построения, стоимость и др.) должны приниматься во внимание. На каждом этапе разработки ИП необходимо решать компромиссы между задачами системы питания в целом и особенностями организации гальванической развязки, а после завершения разработки требуются комплексные испытания ИП при всех возможных комбинациях внешних условий, включая перегрузку, короткое замыкание, условия старта и т. п. Поэтому для быстрой разработки стабилизированного изолированного источника питания рекомендуется применять готовые «кирпичики» — специализированные микросхемы, контроллеры и модули.

Например, на базе продукции National Semiconductor можно достаточно просто подобрать готовое решение с повышенной точностью стабилизации или с более широким диапазоном входных напряжений. Можно пойти и по другому пути: поставить на входе готовый стандартный ИП с гальванической развязкой, а уже к нему подключать неизолированные преобразователи POL, разработка которых не составляет труда.

В дополнение, на рынке присутствует ряд моделирующих систем для проектирования ИП, которые специально ориентированы для оптимального расчета DC/DC источников питания на специализированных контроллерах. Это позволяет сэкономить время разработки. После задания исходных параметров система сначала выдаст список микросхем, соответствующих требованиям поставленной задачи, среди которых можно выбрать наиболее подходящую с учетом дополнительных параметров и топологии построения преобразователя. Далее программа выдаст принципиальную схему, промоделирует ее работу и даже предложит вариант разводки печатной платы со списком вспомогательных компонентов. В качестве примера можно рекомендовать профессиональную систему моделирования WEBENCH компании National Semiconductor, которая ориентирована на широкий класс задач: проектирование многоканальных систем питания, проектирование импульсных источников питания на микросхемах и проектирование источников питания для светодиодов.

Литература

1. www.national.com

Как устроен блок питания, часть 5. Выходной выпрямитель, фильтр и цепь обратной связи импульсных блоков питания

В качестве самой просто схемы я покажу вариант с одним диодом и конденсатором. Такая схема используется в обратноходовых блоках питания, которые составляют сейчас подавляющее большинство.

В готовом блоке питания она выглядит так, как показано на этом фото.
Такие блоки питания чаще всего идут в комплекте с недорогой техникой.

Следующим шагом идет двухполупериодный выпрямитель. Эта схема использовал раньше весьма часто, но в последнее время вытеснена другой, которую я покажу позже.
Такая схемотехника чаще всего встречается в мощных блоках питания, особенно она удобна в нерегулируемых блоках на базе драйвера IR2151-2153, о которых я рассказывал в прошлой части.

Как я тогда сказал, она хорошо подходит для построения первичных источников питания, которые не являются стабилизированными, но которые имеют хороший КПД и могут использовать для питания других устройств, например как этот блок питания лабораторного источника питания.

Особое преимущество данной схемы в том, что ее очень легко переделать в двухполярную и использовать для питания усилителей мощности. В таком варианте добавляется всего пара диодов и конденсатор.

Когда мощности обратноходовой схемотехники не хватает, то используют ее прямоходовый вариант. Здесь энергия при одном такте сначала накапливается в дросселе, а потом через нижний диод поступает в нагрузку. Данная схемотехника очень похожа на схему классического StepDown преобразователя.

Заметить что блок питания собран по такой схемотехнике очень просто, на плате будет большой дроссель. В качестве фильтрующих дроссели с таким габаритом используют крайне редко, потому ошибиться сложно.

Но есть альтернативный вариант этой схемы. Он применяется чаще всего в компьютерных блоках питания и ведет свои истоки от первых БП формата АТ.

Здесь присутствует накопительный дроссель, а первичная обмотка силового трансформатора связана с одной из обмоток трансформатора управления. Если изъять дроссель из этой схемы, то блок питания при нагрузке выше определенной выйдет из строя.
То же самое касается и предыдущей схемы.

Отличить блоки питания последних двух типов очень легко, слева БП построенный по аналогии блока питания АТ формата, у него сразу заметен трансформатор около транзисторов, справа однотактный прямоходовый, трансформатора здесь нет.
Дроссели имеют разные размеры, но это следствие разной рабочей частоты и иногда экономии производителя. Меньший дроссель в работе скорее всего будет перегреваться, да и схема можно работать не очень надежно при максимальной мощности.

Чаще всего в качестве выходных диодов импульсных блоков питания используются диоды Шоттки. Они имеют два важных преимущества перед обычными:
1. Падение напряжения на них в 1.5-2 раза меньше
2. Они быстрее, чем обычные диоды, потому имеют меньше потер при переключении.

В блоках питания рассчитанных на высокое выходное напряжение применяют чаще всего обычные диоды, так как прямое падение у высоковольтных обычных и Шоттки примерно одинаково. Но из-за того что Шоттки быстрее, можно получить уменьшенные потери на снаббере, потому я советую применять их и здесь.

Так как после выпрямления на конденсаторе будут присутствовать заметные пульсации, то после него ставят LC фильтр или говоря простым языком — дроссель и конденсатор

Для примера «народный» блок питания где явно виден как дроссель, так и два конденсатора.

Дроссель необязательно будет большим, а вполне может быть совсем миниатюрным. Работать правда он будет хуже, но это лучше чем ничего.

Иногда дроссель вообще не ставят, хотя место под него есть. Это банальная экономия «на спичках», я всегда рекомендую установить на это место дроссель.

Для примера уровень пульсаций без дросселя и с дросселем. Но стоит учитывать, что после установки дросселя пульсации на первом конденсаторе вырастут, так как на него будет приходится «ударный» ток. Обычно именно он выходит из строя первым.

Улучшить ситуацию можно установив параллельно электролитическим конденсаторам керамические. Данная мера можно существенно облегчить режим работы электролитов. Но стоит иметь в виду, что эффективно они работают только при относительно небольших мощностях БП, а точнее при относительно небольших токах. Можно конечно поставить много таких конденсаторов, но это дорого и габаритно.

При доработке конденсаторы можно напаивать прямо на выводы электролитических конденсаторов.
Я применяю конденсаторы с емкостью 0.1-0.47мкФ.

Чтобы еще немного улучшить качество работы, следует внимательнее отнестись к разводке печатной платы. Если страссировать плату по типу того как я показал на схеме, то пульсации могут еще немного уменьшиться, тем более что это бесплатно.

Ну и последний шаг, установка синфазного дросселя на выходе блока питания. Такое применяется чаще всего в фирменных блоках питания, которым требуется проходить сертификацию на уровень помех излучаемых в эфир. В дешевых практически никогда не встречается.

Теперь об выходных конденсаторах.
Если вы пользуетесь дешевыми блоками питания, то скорее всего на выходе увидите либо вообще безымянные модели.

Либо подделку под фирменные. Например в народном блоке питания применяют подделки под Sanyo или Nichicon, проверить очень просто, по маркировке. Скорее всего вы либо вообще не найдете конденсаторов такой серии, либо в этой серии не будет такого номинала с таким габаритом как у вас, либо внешне они будут отличаться цветом, как в данном случае.
Такие подделки на самом деле не самый худший вариант, но лучше применять фирменные.
Кстати в двухтактных БП конденсаторы обычно живут дольше и требования к их качеству меньше чем у обратноходовых однотактных.

Но все равно, лучше применять именно фирменные конденсаторы, а не суррогаты с их именем. На фото блок питания фирмы Менвелл.

Для облегчения работы конденсаторов есть способ, когда вместо одного двух емких устанавливают много менее емких конденсаторов. В таком варианте нагрузка лучше распределяется и конденсаторы живут дольше.

Схема стабилизации.
Самый простой вариант — стабилизировать напряжение по обратной связи со вспомогательной обмотки трансформатора, правда такое решение и самое плохое в плане стабильности, так как влияет магнитная связь между обмотками и их активное сопротивление, зато дешево.

Следующий вариант сложнее, здесь в качестве порогового элемента применен стабилитрон. В таком варианте выходное напряжение Бп будет равно падению на стабилитроне + напряжению на светодиоде оптрона. Характеристики схемы так себе, но вполне приемлемы для некритичных нагрузок.

Например блок питания с такой стабилизацией. Сверху около оптрона ничего нет.

Снизу расположен стабилитрон и несколько резисторов

Но куда лучшие характеристики показывает схема с регулируемым стабилитроном TL431. Она имеет куда выше качество работы и точность поддержания в том числе лучше держит параметры при изменении температуры.

На плате она обычно выглядит так, как показано на фото.

Выглядит он примерно как обычный транзистор в корпусе ТО-92, отличие только в маркировке. Данный вариант встречается чаще всего. Альтернативный вариант, который вы можете встретить, SMD корпус SOT-23.

Расположение выводов в разных вариантах корпуса.

Например в «народном» блоке питания применен SMD вариант корпуса. На фото видны резисторы делителя обратной связи и вспомогательные, например «подтяжки» к питанию чтобы сформировать минимальный рабочий ток для стабилитрона.

Еще пара фото, сверху платы ничего нет, а стабилитрон TL431 находится снизу.

Иногда в цепи обратной связи ставят подстроечный резистор. Но сначала я скажу пару слов о том, как рассчитывается делитель.
Если применяется стандартный делитель из двух резисторов, то его номиналы подбираются таким образом чтобы при требуемом выходном напряжении в точке соединения было 2.5 Вольта, именно на это напряжение и рассчитана TL431, но стоит учитывать, что есть и более низковольтный вариант этой микросхемы, на 1.25 Вольта, хотя встречается он гораздо реже.
Теперь к подстроечному резистору. Для большего удобства на плате может располагаться подстроечный резистор, позволяющий менять выходное напряжение в небольших пределах, чаще всего +/- 10-20%, больший диапазон не рекомендуется, так как Бп может вести себя нестабильно.
Подстроечный резистор всегда должен стоять последовательно с нижним резистором делителя, тогда в случае выхода его из строя вы получите на выходе Бп минимальное напряжение, а не максимальное, как если бы подстроечный резистор стоял сверху.
Кроме того подстроечные резисторы часто имеют низкую надежность, и если вам не нужна эта функция, то лучше заменить его на постоянный, предварительно подобрав его номинал.

Полностью на плате весь этот узел выглядит следующим образом.

Пару слов о выходном нагрузочном резисторе.
Импульсный блок питания плохо работает без нагрузки, потому параллельно выходу обычно ставят нагрузочный резистор, обеспечивающий минимально необходимую нагрузку при которой БП работает стабильно.
Есть и минус у данного решения, резистор обычно греется, причем иногда заметно. Кроме того этот резистор может греть конденсаторы если они стоят рядом, как на этом фото.

Иногда они греются так, что на плате становятся видны следы перегрева. Но кроме того этот нагрев может плохо сказываться на стабильности БП если он подогревает резисторы делителя обратной связи и они при этом применены обычного типа, а не точные/термостабильные.
Резисторы греются, параметры начинают меняться и меняется выходное напряжение БП, потому рекомендуется располагать резисторы делителя так, чтобы они не были подвержены нагреву, а кроме того лучше применять точные резисторы, на которые нагрев влияет существенно меньше.

Иногда производители неправильно выбирают номинал нагрузочного резистора и он начинает греться сильнее чем допустимо. Например в 24 Вольте версии «народного» блока питания как раз была такая ситуация, пришлось поменять его потом на резистор в два раза большего номинала.

Чтобы ваши блоки питания работали надежно, следует внимательно отнесись к подбору компонентов.
Диоды выбираются из расчета двухкратного запаса для двухтактной схемы и трехкратного для однотактной, например БП 5-7 Ампер, значит диод ставим на 15-20.
Напряжение должно быть не менее чем в четыре раза больше чем выходное у блока питания, если БП на 12 Вольт, то диод на 60, если на 24, то на 100.
Все эти параметры есть в даташите на диоды

Также они указаны на самих диодах.

Конденсаторы следует выбирать низкоимпедансные или LowESR, это также обычно отражено в даташите на компонент.
Емкость выбираем из расчета 0.5-1 тысяч мкФ на 1 Ампер выходного тока. Напряжение — для двухтактной схемы 1.5-2 раза выше чем выходное, для обратноходовой однотактной — не менее чем 2х от выходного.

По фирмам смотрим чтобы были известные бренды, но это я писал и в статье про входной фильтр, здесь рекомендации аналогичны.

С выходным дросселем все гораздо проще, номинальный ток дросселя не менее чем максимальный выходной ток блока питания. Лучше применить дроссель на больший ток, тогда его нагрев будет существенно меньше. Индуктивность 4.7-22мкГн, зависит от выходного тока, так как дроссель на большой ток и индуктивность будет весьма большим.

Обычно дроссели выполняются либо в виде «гантельки», либо в «броневом» исполнении, вторые чаще предназначены для поверхностного монтажа.

В общих чертах на этом все, и конечно видеоверсия данной статьи. Как всегда буду рад вопросам и пожеланиям.

Основные принципы работы импульсного блока питания — Теория начинающим — Каталог статей

Здесь мы поговорим об импульсных блоках питания (ИБП), которые на сегодняшний день получили самое широкое распространение и с успехом используются во всех современных радиоэлектронных устройствах. Прежде всего, эта статья посвящена для начинающих специалистов по ремонту электронной техники, поэтому материал будет изложен в упрощенной форме и поможет понять основные принципы работы ИБП. Основной принцип, положенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Гц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется. Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый –выполняется по схеме импульсного автогенератора (например, такой использовался в ИБП телевизоров 3 – 4 УСЦТ) и второй – с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств). Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 18 до 50 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно компактны, что является немаловажным параметром для современной аппаратуры. Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением приведена на рисунке 1.     Рисунок 1.   Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП. Единственное что для этого необходимо — схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ – широтно – импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью импульса. Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный. В ИБП используются два принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора (рисунок 2). Рисунок 2     Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера. С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится. В заключении хотелось более подробно остановиться на достоинствах ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксально звучит, стоимость ИБП меньше традиционного БП т.к. меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 80%. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи. К недостаткам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5В) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 В. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП.   Виктор Малышев

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:

1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
2. 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.

Подстройка выходного напряжения источника питания

В технических описаниях источников питания постоянного тока могут быть спецификации, касающиеся возможности регулировки выходного напряжения. Это часто вызывает вопросы, связанные с тем, почему необходимо регулировать выходное напряжение, как внешняя цепь регулирует напряжение и почему ограничен диапазон регулировки напряжения? В этом блоге будут обсуждаться некоторые основы конструкции блока питания и их связь с операцией регулировки выходного напряжения и техническими характеристиками.

Что такое обрезка и как она используется?

Подрезка выходного напряжения источника питания означает просто небольшую регулировку напряжения. По соглашению, термин «подстройка» используется для приложений, в которых источник питания имеет заданное номинальное выходное напряжение, и пользователь может изменить выходное напряжение примерно на десять процентов или меньше. Чаще всего пользователи могут регулировать выходное напряжение источника питания, добавляя внешние компоненты, регулируя потенциометр, установленный на печатной плате, или подавая аналоговый или цифровой сигнал.

Источники питания с возможностью регулировки выходного напряжения обычно используются по двум причинам:

1. Performance — Приложения, в которых небольшое изменение выходного напряжения может повысить производительность продукта
2. Нестандартные напряжения — Требуется нестандартное выходное напряжение, и изменение выходного напряжения стандартного источника питания является наиболее эффективным средством для получения требуемого выходного напряжения

Одним из примеров повышения производительности за счет подстройки является падение напряжения вдоль силовых проводов в приложении.В этом случае выходное напряжение на клеммах источника питания может быть увеличено, чтобы компенсировать падение напряжения вдоль проводников. Применение подстройки выходного напряжения в этом приложении позволит напряжению на нагрузке быть на желаемом уровне, даже если в проводниках подачи энергии произошло падение напряжения.

Рисунок 1: Выходное напряжение источника питания подстроено так, что напряжение источника питания
= требуемое напряжение нагрузки + падение напряжения полного сопротивления проводника

Некоторые источники питания доступны с выходным напряжением, указанным в виде диапазона, а не номинального значения, и выходное напряжение может быть изменено. регулируется в соотношении 1: 100.Эти типы источников питания часто обозначаются как регулируемые, регулируемые или лабораторные источники питания. Метод управления выходным напряжением в этих источниках питания обычно представляет собой аналоговый или цифровой сигнал, ручку или клавиатуру, установленную на панели. Этот класс источников питания часто используется, когда пользователь желает иметь один источник питания, который можно использовать во многих различных приложениях, и они не являются предметом внимания этого сообщения в блоге.

Методы обрезки

В регулируемом источнике питания масштабированное значение выходного напряжения приводится в соответствие с опорным напряжением с помощью контура обратной связи.Выходное напряжение источника питания может быть изменено путем изменения коэффициента масштабирования напряжения обратной связи, подачи сигнала подстройки в узел обратной связи или изменения опорного напряжения. Наиболее распространенные методы подстройки выходного напряжения источников питания — это подача тока (источник напряжения с высоким выходным сопротивлением) в узел обратной связи или изменение значения элемента импеданса в цепи обратной связи. Ниже приведены методы подстройки выходного напряжения в источниках питания.

Прикладное внешнее сопротивление

Группа разработчиков источника питания предоставляет контакт для внутреннего узла обратной связи. Источник напряжения с высоким выходным импедансом может быть сконструирован пользователем, если между выходным напряжением источника питания и землей будет размещена сеть резисторов с высоким импедансом. Затем узел этой сети внешних резисторов подключается к выводу узла внутренней обратной связи и, таким образом, вводит соответствующий ток для подстройки выходного напряжения источника питания

.

Потенциометр

Команда разработчиков источников питания размещает потенциометр, установленный на печатной плате, в цепи обратной связи.«Горшок» доступен пользователю для регулировки выходного напряжения источника питания

Прикладное внешнее напряжение

Группа разработчиков источника питания предоставляет контакт, подключенный к внутренней схеме формирования сигнала, которая управляет внутренним узлом обратной связи. Пользователь подает напряжение подстройки на внешний вывод, и схема преобразования сигнала подает требуемый ток в узел обратной связи для подстройки выходного напряжения.

Цифровой интерфейс

Группа разработчиков источников питания предоставляет пользователю цифровой интерфейс для регулировки выходного напряжения.Внутренний ЦАП и преобразователь сигнала преобразуют код цифровой подстройки в соответствующее аналоговое напряжение или ток для подстройки выходного напряжения.

Рисунок 2: Блок-схема топологии источника питания

Ограничения обрезки

Существует множество возможных причин, по которым диапазон подстройки выходного напряжения может быть ограничен. Некоторые общие причины для ограничения диапазона подстройки включают ограничения выходной мощности, стабильность контура обратной связи и ограничения рабочего цикла. Регулировка выходного напряжения также может повлиять на ограничение тока на выходе блока питания, в зависимости от топологии конструкции блока питания.Изменения выходного напряжения и выходного тока могут повлиять на требуемые характеристики входного конденсатора большой емкости, переключателя первичной стороны, изолирующих магнитов, вторичных выпрямительных полупроводников и компонентов выходного фильтра. Стоимость, размер и сложность этих компонентов в конструкции источника питания могут быть увеличены, если диапазон подстройки выходного сигнала будет больше.

Рисунок 3: Элементы преобразователя, на которые может повлиять изменение выходного напряжения или тока.

Как упоминалось ранее, блоки питания имеют внутренний контур обратной связи.Изменение выходного напряжения источника питания может повлиять на стабильность контура источника питания. Нестабильный контур источника питания может колебаться или фиксироваться, а чрезмерно стабильный контур может иметь медленное время отклика и, таким образом, обеспечивать плохое регулирование выходного напряжения при наличии переходных процессов нагрузки. Почти во всех современных конструкциях источников питания используется топология переключения для снижения стоимости и размера, а также повышения производительности. Во многих архитектурах импульсных источников питания изменение выходного напряжения влияет на рабочий цикл формы сигнала переключения.Как минимальные, так и максимальные пределы рабочего цикла формы сигнала переключения могут быть обнаружены, если выходное напряжение настроено слишком сильно.

Заключение

Выходное напряжение источника питания можно регулировать, чтобы обеспечить преимущества во многих приложениях. В большинстве случаев правильная подстройка выходного напряжения источника питания не является проблемой. Однако, если есть сомнения или вопросы, команда технической поддержки CUI готова помочь нашим клиентам.

Категории: Основы , Выбор продукта

Дополнительные ресурсы

---

У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу powerblog @ cui.ком

Основы поиска и устранения неисправностей источников питания

Когда часть оборудования оказывается полностью мертвой, первое, на что следует обратить внимание, — это источник питания. Если для поиска неисправностей такого рода используется осциллограф, это должен быть портативный прибор с батарейным питанием, изолированный от земли, по крайней мере, вначале. Причина в том, что могут быть внутренние напряжения, на которые ссылаются, но которые плавают над землей, состояние, которое может создавать опасные токи короткого замыкания при подключении к настольному осциллографу.Это особенно верно для импульсных источников питания (SMPS), где обе стороны цепи плавают над землей.

В SMPS возможен ряд конфигураций, в первую очередь понижающая, повышающая и инвертирующая пониженно-повышающая. В каждом из них MOSFET — это главный разум. Он выполняет переключение, в то время как диод определяет направление, в котором текут носители заряда, а катушки индуктивности и конденсаторы накапливают электрическую энергию. SMPS регулирует выход, непрерывно изменяя рабочий цикл, в отличие от линейного источника питания, который регулирует выход, внося необходимые изменения, регулируя количество рассеиваемой мощности.

Понижающий преобразователь SMPS аналогичен линейному источнику питания с понижающим трансформатором. Когда переключатель замкнут, на катушку индуктивности подается напряжение. Когда переключатель разомкнут, ток через катушку индуктивности продолжает течь. Обратная связь регулирует ширину импульса с постоянной частотой повторения или регулирует частоту повторения с постоянной шириной импульса.

Повышающий преобразователь SMPS аналогичен линейному источнику питания с повышающим трансформатором. Когда переключатель замкнут, ток индуктора увеличивается.Когда переключатель выключается, возникают скачки напряжения, поскольку индуктор пытается поддерживать постоянный ток, чего он не может сделать, поскольку индуктор использует всю доступную энергию для создания своего магнитного поля. В этом месте диод проводит, и ток от катушки индуктивности течет в конденсатор. Это объясняет более высокое выходное напряжение по сравнению с входным.

В SMPS транзистор, переведенный в область насыщения, периодически прикладывает нерегулируемый постоянный ток на входе к катушке индуктивности, которая функционирует как запоминающее устройство.Во время каждого импульса его магнитное поле увеличивается до тех пор, пока переключатель не будет выключен. Затем накопленная энергия фильтруется. Опорное напряжение сравнивается с выходным сигналом в контуре обратной связи, изменяя ширину или частоту импульса. SMPS может работать с частотным входом сети переменного тока или с нерегулируемым входом постоянного тока.

В типичном SMPS питание от сети поступает на питание через сетевой фильтр. Затем мощность выпрямляется и сглаживается до высокого постоянного напряжения (несколько сотен вольт). Затем один или несколько транзисторов (или полевых МОП-транзисторов) включают и выключают это высокое постоянное напряжение, чтобы управлять первичной обмоткой трансформатора.(Хотя некоторые топологии SMPS бестрансформаторные.) Напряжение выпрямляется и фильтруется на вторичной стороне трансформатора.

Регулировка выхода осуществляется путем переключения транзисторов через схему управления, которая определяет выходное напряжение (и входной ток) и соответственно регулирует время включения и выключения транзистора. Эта схема управления часто находится на первичной стороне и может получать питание от дополнительной обмотки трансформатора. Образец выходного напряжения обычно возвращается через оптрон.(Опять же, некоторые конструкции SMPS реализуют обратную связь без использования оптопары.) В некоторых случаях схема управления находится на вторичной стороне и управляет переключателем через небольшой дополнительный трансформатор.

Следует отметить, что у ИИП есть стороны высокого и низкого напряжения (первичная и вторичная стороны). Трансформатор изолирует первичную и вторичную стороны. (Опять же, существуют бестрансформаторные ИИП, в которых не реализована изоляция.) Часто, если заземление выхода не подключено к заземлению сети, небольшой высоковольтный конденсатор соединяет эти два заземления на высокой частоте.

Поскольку половина компонентов SMPS напрямую подключается к сетевому напряжению, на первичной стороне источника питания есть опасные напряжения. Накопительный конденсатор большой емкости заряжается при высоком напряжении и может сохранять опасное напряжение даже при отключенном питании от сети. SMPS часто включают в себя истекающие резисторы для рассеивания этого напряжения, но эти резисторы можно сломать, чтобы конденсаторы могли оставаться заряженными. Следовательно, лучше всего разряжать конденсаторы через подходящий резистор (обычно несколько кОм) через изолированные щупы, как на мультиметре.Затем измерьте напряжение, чтобы убедиться, что оно равно нулю, прежде чем продолжить. Также имейте в виду, что радиаторы часто не заземлены и могут находиться под напряжением сети.

Аналогичным образом убедитесь, что все конденсаторы разряжены. Многие неисправные электролитические конденсаторы деформируются или раздуваются. Другие визуальные индикаторы включают сгоревшие черные резисторы и компоненты, которые пахнут горелым, особенно трансформатор. У трансформатора, который пахнет горелым, возможно короткое замыкание. Если это так, часто лучше просто заменить SMPS.

Хотя это может показаться очевидным, поиск неисправности при пропадании питания начинается с проверки сетевого предохранителя. Перегоревший предохранитель обычно означает наличие множества неисправных компонентов; исправный предохранитель может означать, что проблема была вызвана одним компонентом.

Состояние предохранителя тоже полезно. То, что горело медленно, означает, что отказ не был катастрофическим. Аварийный предохранитель подразумевает сильный ток, повредивший множество компонентов. К сожалению, некоторые предохранители заполнены песком и не позволяют понять, что произошло.

Одна уловка для первого испытания источника питания с перегоревшим предохранителем — это временно заменить предохранитель на лампочку. Лампа должна иметь примерно такую ​​же мощность, что и SMPS. Это предотвращает более катастрофические отказы и позволяет избежать неудобств, связанных с многократной заменой предохранителей. Если все в порядке, лампочка должна мигать долю секунды, а затем слегка светиться. Если короткое замыкание все еще есть, лампочка будет ярко светиться — пора искать причину.

Разрыв предохранителя сигнализирует о том, что что-то действительно пошло не так с питанием, возможно, короткое замыкание.Типичные проблемы включают закороченные силовые транзисторы или выпрямительные диоды, особенно в первичной обмотке. Функция диода мультиметра может помочь обнаружить короткие замыкания. Также может быть полезно найти техническое описание микросхемы регулятора в SMPS, если она используется. Многие SMPS имеют схему, близкую к эталонным проектам, указанным в таблице данных.

Если предохранитель исправен, но нет выхода, это может вызывать подозрение на ограничитель пускового тока (NTC). Также следует проверить резисторы большой мощности на первичной стороне.Если номинал резистора не совпадает с его цветовым кодом или схемным значением, распаяйте одну клемму и проведите повторные измерения. Замените новым, если значения не совпадают.

В первую очередь необходимо проверить резисторы, включенные последовательно с силовыми транзисторами. Иногда первичная обмотка включает в себя резистор большой мощности, включенный последовательно со стабилитроном. Проверьте все диодные переходы с помощью функции диода мультиметра. ИС регулятора могут быть неисправными, но обычно это не так.

Неисправный силовой транзистор увеличивает вероятность выхода из строя других компонентов.Часто SMPS включают компоненты защиты, такие как дополнительный резистор или стабилитрон, чтобы ограничить повреждение в случае катастрофического отказа.
Один из приемов проверки микросхемы контроллера — отключить ее от небольшого внешнего источника постоянного тока и проверить наличие импульсов на базе (или затворе) транзистора. Но некоторые ИС не будут работать без высокого напряжения на переключение, и это может быть указано в таблице данных.

Еще одно замечание: мертвые полупроводники следует заменять точно такими же деталями. Альтернативы хороши, только если оригинал недоступен или слишком дорогой.Для диодов также проверьте время переключения — замена диодов должна быть как минимум такой же или более быстрой, чем старые. Аналогичным образом заменяемые транзисторы должны иметь одинаковое усиление и частоту отсечки. Практическое правило состоит в том, что частота среза должна быть как минимум в десять раз выше частоты переключения. Для полевых МОП-транзисторов емкость затвора не должна превышать емкость старого компонента, а пороговое напряжение затвора должно быть близко к таковому у старого устройства.

Иногда SMPS работает только частично.Он может запуститься, а затем выключиться, или он может пульсировать, пытаясь запустить каждые несколько секунд, или может выдавать неправильное выходное напряжение. Скорее всего, силовые полупроводники хороши, но конденсаторы подозрительны. Или может быть проблема с цепью обратной связи.

Один из приемов состоит в том, чтобы подать внешнее регулируемое постоянное напряжение на выход SMPS, предварительно убедившись, что SMPS не подключен к сети. Когда напряжение постоянного тока постепенно увеличивается, цепь обратной связи должна работать, когда постоянное напряжение приближается к номинальному выходному напряжению.Здесь нет опасного линейного напряжения, поэтому осциллограф может помочь в диагностике цепи обратной связи. Другой способ — снабдить ИС контроллера тем же источником низкого напряжения и исследовать, что происходит на другой стороне оптопары.

Электролитические конденсаторы часто вызывают проблемы с ИИП. В менее дорогих конструкциях SMPS они часто работают слишком близко к своим пределам тепловыделения. Их жидкий электролит имеет свойство испаряться и изменять свои рабочие характеристики. Очевидно, что колпачки, которые деформированы физически, — это плохо.Но некоторые могут быть плохими и не иметь проблем с внешним видом. Полезно просто измерить емкость, но простого измерения недостаточно. Лучше измерить эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и сравнить его с сопротивлением заведомо исправного конденсатора. К сожалению, для этого нужен измеритель ESR (или мост RLC). Электролитические конденсаторы бывают версий 85 ° C и 105 ° C. Если есть возможность, разумно выбрать более высокую температуру.

Импульсный источник питания и импульсные регуляторы

Линейные регуляторы напряжения, как правило, намного эффективнее и проще в использовании, чем эквивалентные схемы регуляторов напряжения, сделанные из дискретных компонентов, таких как стабилитрон и резистор, или транзисторы и даже операционные усилители.

Самыми популярными типами линейных и фиксированных регуляторов выходного напряжения на сегодняшний день являются серия 78… положительного выходного напряжения и серия 79… отрицательного выходного напряжения. Эти два типа дополнительных регуляторов напряжения обеспечивают точное и стабильное выходное напряжение в диапазоне от примерно 5 до примерно 24 вольт для использования во многих электронных схемах.

Существует широкий выбор этих трехконтактных стабилизаторов напряжения с фиксированным напряжением, каждый со своими собственными встроенными схемами регулирования напряжения и ограничения тока.Это позволяет нам создавать множество различных шин и выходов для источников питания, как с одним, так и с двумя источниками питания, подходящих для большинства электронных схем и приложений. Доступны даже линейные регуляторы переменного напряжения, которые обеспечивают постоянное выходное напряжение от чуть выше нуля до нескольких вольт ниже максимального выходного напряжения.

Мост постоянного тока Источники питания состоят из большого и тяжелого понижающего сетевого трансформатора, диодного выпрямителя, двухполупериодного или полуволнового, схемы фильтра для удаления любых пульсаций из выпрямленного d.c. создавая достаточно гладкий постоянный ток. напряжения, а также некоторые формы регуляторов или стабилизаторов напряжения, линейные или переключаемые, чтобы обеспечить правильное регулирование выходного напряжения источников питания при различных условиях нагрузки. Затем типичный постоянный ток. блок питания будет выглядеть примерно так:

Типовой источник питания постоянного тока

Эти типовые конструкции блоков питания содержат большой сетевой трансформатор (который также обеспечивает изоляцию между входом и выходом) и схему последовательного регулятора с рассеивающим током.Схема регулятора может состоять из одного стабилитрона или трехконтактного линейного последовательного регулятора для получения необходимого выходного напряжения. Преимущество линейного регулятора заключается в том, что для установки выходного напряжения схеме источника питания требуются только входной конденсатор, выходной конденсатор и некоторые резисторы обратной связи.

Линейные регуляторы напряжения вырабатывают стабилизированный выход постоянного тока, последовательно размещая непрерывно проводящий транзистор между входом и выходом, управляя им в его линейной области (отсюда и название) его вольт-амперных (i-v) характеристик.Таким образом, транзистор действует больше как переменное сопротивление, которое постоянно подстраивается под любое значение, необходимое для поддержания правильного выходного напряжения. Рассмотрим эту простую схему регулятора последовательного транзистора ниже:

Схема транзисторного регулятора серии

Здесь эта простая схема регулятора с эмиттерным повторителем состоит из одного транзистора NPN и напряжения смещения постоянного тока для установки необходимого выходного напряжения. Поскольку схема эмиттерного повторителя имеет единичный коэффициент усиления по напряжению, прикладывая подходящее напряжение смещения к базе транзистора, на выводе эмиттера получается стабилизированный выходной сигнал.

Поскольку транзистор обеспечивает усиление по току, выходной ток нагрузки будет намного выше, чем базовый ток, и еще выше, если используется схема транзистора Дарлингтона.

Кроме того, при условии, что входное напряжение достаточно высокое, чтобы получить желаемое выходное напряжение, выходное напряжение регулируется базовым напряжением транзистора и в этом примере задается как 5,7 В для получения выходного напряжения 5 В на нагрузку как примерно 0,7 напряжение падает на транзисторе между выводами базы и эмиттера.Тогда в зависимости от значения базового напряжения может быть получено любое значение выходного напряжения эмиттера.

Хотя эта простая схема последовательного регулятора будет работать, обратная сторона этого заключается в том, что последовательный транзистор постоянно смещен в своей линейной области, рассеивая мощность в виде тепла в результате его произведения V * I, поскольку весь ток нагрузки должен проходить через последовательный транзистор, что приводит к низкому КПД, потере мощности и непрерывному выделению тепла.

Кроме того, одним из недостатков последовательных регуляторов напряжения является то, что их максимальный номинальный непрерывный выходной ток ограничен всего несколькими амперами или около того, поэтому они обычно используются в приложениях, где требуются выходы малой мощности.Когда требуются источники питания с более высоким выходным напряжением или током, обычной практикой является использование импульсного стабилизатора, обычно известного как импульсный источник питания , для преобразования сетевого напряжения в любую требуемую более высокую выходную мощность.

Импульсные источники питания , или SMPS , становятся обычным явлением и в большинстве случаев заменили традиционные линейные источники питания переменного тока в постоянный как способ сократить энергопотребление, уменьшить тепловыделение, а также размер и масса.Импульсные источники питания теперь можно найти в большинстве ПК, усилителях мощности, телевизорах, приводах двигателей постоянного тока и т. Д. И практически во всем, что требует высокоэффективного источника питания, поскольку импульсные источники питания становятся все более зрелой технологией.

По определению импульсный источник питания (SMPS) — это тип источника питания, в котором для обеспечения необходимого выходного напряжения используются полупроводниковые методы переключения, а не стандартные линейные методы. Базовый импульсный преобразователь состоит из каскада переключения мощности и схемы управления.Этап переключения мощности выполняет преобразование мощности из входного напряжения схемы V _IN в ее выходное напряжение V _OUT , которое включает фильтрацию выходного сигнала.

Основным преимуществом импульсного источника питания является его более высокая эффективность по сравнению со стандартными линейными регуляторами, и это достигается внутренним переключением транзистора (или силового MOSFET) между его состоянием «ВКЛ» (насыщение) и состоянием «ВЫКЛ». (отсечка), оба из которых производят меньшее рассеивание мощности.Это означает, что когда переключающий транзистор полностью «включен» и проводит ток, падение напряжения на нем находится на минимальном значении, а когда транзистор полностью «выключен», ток через него не протекает. Таким образом, транзистор действует как идеальный переключатель.

В результате, в отличие от линейных регуляторов, которые предлагают только понижающее регулирование напряжения, импульсный источник питания может предлагать понижение, повышение и отрицание входного напряжения с использованием одной или нескольких из трех основных топологий схемы переключения. : Buck , Boost и Buck-Boost .Это относится к тому, как транзисторный ключ, катушка индуктивности и сглаживающий конденсатор соединены в основной цепи.

Блок питания с понижающим переключателем

Понижающий импульсный стабилизатор представляет собой схему импульсного источника питания, которая предназначена для эффективного снижения постоянного напряжения с более высокого напряжения до более низкого, то есть вычитает или «понижает» напряжение питания, тем самым уменьшая доступное напряжение. на выходных клеммах без изменения полярности. Другими словами, понижающий импульсный стабилизатор представляет собой схему понижающего регулятора, поэтому, например, понижающий преобразователь может преобразовывать, скажем, +12 вольт в +5 вольт.

Понижающий импульсный стабилизатор — это преобразователь постоянного тока в постоянный и один из самых простых и популярных типов импульсных стабилизаторов. При использовании в конфигурации импульсного источника питания понижающий импульсный стабилизатор использует последовательный транзистор или силовой полевой МОП-транзистор (в идеале биполярный транзистор с изолированным затвором или IGBT) в качестве основного переключающего устройства, как показано ниже.

Понижающий импульсный регулятор

Мы видим, что базовая конфигурация схемы понижающего преобразователя представляет собой последовательный транзисторный переключатель TR ₁ с соответствующей схемой управления, которая поддерживает выходное напряжение как можно ближе к желаемому уровню, диод, D ₁ , индуктор L ₁ и сглаживающий конденсатор C ₁ .Понижающий преобразователь имеет два режима работы в зависимости от того, включен или выключен переключающий транзистор TR ₁ .

Когда транзистор смещен в положение «ВКЛ» (переключатель замкнут), диод D ₁ становится смещенным в обратном направлении, и входное напряжение V _IN заставляет ток течь через катушку индуктивности к подключенной нагрузке на выходе, заряжая конденсатор, С ₁ . Когда изменяющийся ток течет через катушку индуктивности, он создает обратную ЭДС, которая противодействует потоку тока, согласно закону Фарадея, до тех пор, пока он не достигнет устойчивого состояния, создавая магнитное поле вокруг катушки индуктивности, L ₁ .Эта ситуация будет продолжаться бесконечно, пока закрывается TR ₁ .

Когда транзистор TR ₁ переключается в положение «ВЫКЛ» (переключатель разомкнут) схемой управления, входное напряжение мгновенно отключается от цепи эмиттера, вызывая коллапс магнитного поля вокруг катушки индуктивности, вызывая обратное напряжение на катушке индуктивности. Это обратное напряжение заставляет диод смещаться в прямом направлении, поэтому накопленная энергия в магнитном поле индукторов вынуждает ток продолжать течь через нагрузку в том же направлении и возвращаться обратно через диод.

Затем индуктор L ₁ возвращает накопленную энергию обратно нагрузке, действующей как источник и подающей ток, пока вся энергия индуктора не вернется в схему или пока транзисторный ключ снова не закроется, в зависимости от того, что наступит раньше. В то же время конденсатор также разряжает ток, подаваемый на нагрузку. Комбинация катушки индуктивности и конденсатора образует LC-фильтр, сглаживающий любые пульсации, создаваемые переключающим действием транзистора.

Следовательно, когда транзисторный полупроводниковый ключ закрыт, ток подается от источника питания, а когда транзисторный ключ открыт, ток подается через катушку индуктивности.Обратите внимание, что ток, протекающий через катушку индуктивности, всегда в одном и том же направлении, либо напрямую от источника питания, либо через диод, но, очевидно, в разное время в цикле переключения.

Поскольку транзисторный ключ постоянно закрывается и открывается, среднее значение выходного напряжения, следовательно, будет связано с рабочим циклом D, который определяется как время проводимости транзисторного ключа в течение одного полного цикла переключения. Если V _IN — это напряжение питания, а время «ВКЛ» и «ВЫКЛ» для транзисторного ключа определяется как: t _ВКЛ и t _ВЫКЛ , то выходное напряжение V _OUT задается как:

Рабочий цикл понижающего преобразователя

Рабочий цикл понижающих преобразователей также можно определить как:

Таким образом, чем больше рабочий цикл, тем выше среднее выходное напряжение постоянного тока от импульсного источника питания.Из этого мы также можем видеть, что выходное напряжение всегда будет ниже, чем входное напряжение, поскольку рабочий цикл D никогда не может достичь единицы (единицы), что приведет к понижающему регулятору напряжения. Регулировка напряжения достигается за счет изменения рабочего цикла, а при высоких скоростях переключения, до 200 кГц, можно использовать более мелкие компоненты, что значительно снижает размер и вес импульсного источника питания.

Еще одно преимущество понижающего преобразователя состоит в том, что схема катушки индуктивности с конденсатором (LC) обеспечивает очень хорошую фильтрацию тока катушки индуктивности.В идеале понижающий преобразователь должен работать в непрерывном режиме переключения, чтобы ток катушки индуктивности никогда не падал до нуля. С идеальными компонентами, то есть нулевым падением напряжения и коммутационными потерями в состоянии «ВКЛ», идеальный понижающий преобразователь мог бы иметь КПД до 100%.

Помимо понижающего импульсного стабилизатора для базовой конструкции импульсного источника питания, существует еще одна операция основного импульсного регулятора, который действует как повышающий регулятор напряжения, называемый повышающим преобразователем.

Блок питания с импульсным режимом ускорения

Импульсный стабилизатор Boost — другой тип схемы импульсного источника питания. Он имеет те же типы компонентов, что и предыдущий понижающий преобразователь, но на этот раз в другом положении. Повышающий преобразователь предназначен для увеличения постоянного напряжения от более низкого до более высокого, то есть он также добавляет или «повышает» напряжение питания, тем самым увеличивая доступное напряжение на выходных клеммах без изменения полярности.Другими словами, импульсный импульсный регулятор представляет собой схему повышающего регулятора, поэтому, например, повышающий преобразователь может преобразовывать, скажем, +5 вольт в +12 вольт.

Ранее мы видели, что понижающий импульсный стабилизатор использует последовательный переключающий транзистор в своей базовой конструкции. Отличие от конструкции повышающего импульсного стабилизатора состоит в том, что он использует параллельно подключенный переключающий транзистор для управления выходным напряжением импульсного источника питания. Поскольку транзисторный ключ эффективно подключен параллельно выходу, электрическая энергия проходит через катушку индуктивности к нагрузке только тогда, когда транзистор смещен в положение «ВЫКЛ» (переключатель разомкнут), как показано.

Регулятор переключения наддува

В цепи повышающего преобразователя , когда транзисторный ключ полностью включен, электрическая энергия от источника питания V _IN проходит через катушку индуктивности и транзисторный переключатель и обратно к источнику питания. В результате ничего из этого не проходит на выход, поскольку насыщенный транзисторный ключ фактически создает короткое замыкание на выходе. Это увеличивает ток, протекающий через индуктор, поскольку он имеет более короткий внутренний путь, чтобы вернуться к источнику питания.Между тем, диод D ₁ становится смещенным в обратном направлении, поскольку его анод подключается к земле через транзисторный ключ, при этом уровень напряжения на выходе остается довольно постоянным, когда конденсатор начинает разряжаться через нагрузку.

Когда транзистор полностью выключен, входной источник подключается к выходу через последовательно соединенные индуктивность и диод. По мере того, как поле индуктора уменьшается, индуцированная энергия, накопленная в катушке индуктивности, подталкивается к выходу через V _IN через смещенный в прямом направлении диод.Результатом всего этого является то, что индуцированное напряжение на катушке индуктивности L ₁ меняется на противоположное и складывается с напряжением входного источника, увеличивая общее выходное напряжение, как теперь, V _IN + V _L .

Ток от сглаживающего конденсатора C ₁ , который использовался для питания нагрузки, когда транзисторный ключ был закрыт, теперь возвращается в конденсатор входным питанием через диод. Тогда ток, подаваемый на конденсатор, является током диода, который всегда будет включаться или отключаться, поскольку диод постоянно переключается между прямым и обратным состоянием посредством переключающих действий транзистора.Тогда сглаживающий конденсатор должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить плавный устойчивый выход.

Поскольку индуцированное напряжение на катушке индуктивности L ₁ отрицательно, оно добавляется к напряжению источника, V _IN , заставляя ток катушки индуктивности поступать в нагрузку. Выходное напряжение в установившемся режиме повышающих преобразователей равно:

Как и в предыдущем понижающем преобразователе, выходное напряжение повышающего преобразователя зависит от входного напряжения и рабочего цикла.Таким образом, регулирование мощности достигается за счет управления рабочим циклом. Не то чтобы это уравнение не зависело от величины индуктивности, тока нагрузки и выходного конденсатора.

Мы видели выше, что для базовой работы неизолированной схемы импульсного источника питания может использоваться либо понижающий преобразователь, либо конфигурация повышающего преобразователя, в зависимости от того, требуется ли нам понижающее (понижающее) или повышающее (повышающее) выходное напряжение. . В то время как понижающие преобразователи могут быть более распространенной конфигурацией переключения SMPS, повышающие преобразователи обычно используются в емкостных схемах, таких как зарядные устройства, фотовспышки, стробоскопические вспышки и т. Д., Потому что конденсатор обеспечивает весь ток нагрузки, когда переключатель замкнут.

Но мы также можем объединить эти две основные коммутационные топологии в единую неизолированную схему переключающего стабилизатора, которая, что неудивительно, называется понижающим-повышающим преобразователем .

Регулятор переключения понижающего и повышающего напряжения

Импульсный стабилизатор Buck-Boost представляет собой комбинацию понижающего преобразователя и повышающего преобразователя, которая вырабатывает инвертированное (отрицательное) выходное напряжение, которое может быть больше или меньше входного напряжения в зависимости от рабочего цикла. Понижающий-повышающий преобразователь представляет собой разновидность схемы повышающего преобразователя, в которой инвертирующий преобразователь передает в нагрузку только энергию, накопленную катушкой индуктивности, L ₁ .Базовая схема импульсного источника питания повышающего и понижающего режимов приведена ниже.

Регулятор переключения понижающего и повышающего давления

Когда транзисторный ключ TR ₁ полностью включен (закрыт), напряжение на катушке индуктивности равно напряжению питания, поэтому в катушке индуктивности накапливается энергия от входного источника питания. На подключенную нагрузку на выходе ток не подается, поскольку диод D ₁ имеет обратное смещение. Когда транзисторный ключ полностью выключен (открыт), диод становится смещенным в прямом направлении, и энергия, ранее накопленная в катушке индуктивности, передается нагрузке.

Другими словами, когда переключатель находится в положении «ON», энергия подается в катушку индуктивности от источника постоянного тока (через переключатель), а не на выход, а когда переключатель находится в положении «OFF», напряжение на катушке индуктивности меняется поскольку катушка индуктивности теперь становится источником энергии, энергия, ранее накопленная в катушке индуктивности, переключается на выход (через диод), и никакая энергия не поступает напрямую от входного источника постоянного тока. Таким образом, падение напряжения на нагрузке, когда переключающий транзистор находится в состоянии «ВЫКЛ», равно напряжению индуктора.

В результате величина инвертированного выходного напряжения может быть больше или меньше (или равна) величине входного напряжения в зависимости от рабочего цикла. Например, повышающий-повышающий преобразователь положительного напряжения в отрицательный может преобразовывать 5 вольт в 12 вольт (повышающий) или 12 вольт в 5 вольт (понижающий).

Выходное напряжение в установившемся режиме повышающего и понижающего импульсных регуляторов, В _OUT задается как:

Затем понижающий-повышающий стабилизатор получил свое название от создания выходного напряжения, которое может быть выше (например, повышающий силовой каскад) или ниже (как понижающий силовой каскад) по величине, чем входное напряжение.Однако полярность выходного напряжения противоположна входному.

Сводка по импульсным источникам питания

Современный импульсный источник питания, или SMPS, использует твердотельные переключатели для преобразования нерегулируемого входного напряжения постоянного тока в регулируемое и плавное выходное напряжение постоянного тока на разных уровнях напряжения. Входной источник питания может быть истинным постоянным напряжением от батареи или солнечной панели или выпрямленным постоянным напряжением от источника переменного тока с использованием диодного моста вместе с некоторой дополнительной емкостной фильтрацией.

Во многих приложениях управления мощностью силовой транзистор, MOSFET или IGFET, работает в режиме переключения, когда он многократно переключается в положение «ВКЛ» и «ВЫКЛ» на высокой скорости. Основным преимуществом этого является то, что энергоэффективность регулятора может быть довольно высокой, потому что транзистор либо полностью открыт и проводит (насыщен), либо полностью отключен (отсечка).

Доступно несколько типов преобразователей постоянного тока в постоянный (в отличие от преобразователя постоянного тока в переменный, который является инвертором), с тремя основными топологиями импульсного источника питания, рассматриваемыми здесь: Buck , Boost и импульсные регуляторы Buck-Boost .Все три эти топологии неизолированы, то есть их входное и выходное напряжения имеют общую линию заземления.

Каждая конструкция импульсного регулятора имеет свои уникальные свойства в отношении рабочих циклов в установившемся режиме, соотношения между входным и выходным током и пульсаций выходного напряжения, создаваемых действием твердотельного переключателя. Еще одним важным свойством этих топологий импульсных источников питания является частотная характеристика переключающего действия на выходное напряжение.

Регулирование выходного напряжения достигается за счет процентного регулирования времени, в течение которого переключающий транзистор находится в состоянии «ВКЛ», по сравнению с общим временем ВКЛ / ВЫКЛ. Это соотношение называется рабочим циклом, и, изменяя рабочий цикл, (D — величина выходного напряжения, V _OUT можно контролировать.

Использование одного индуктора и диода, а также твердотельных переключателей с быстрым переключением, способных работать на частотах переключения в диапазоне килогерц, в конструкции импульсного источника питания позволяет значительно увеличить размер и вес источника питания. уменьшенный.Это связано с тем, что в их конструкции не должно быть больших и тяжелых понижающих (или повышающих) сетевых трансформаторов напряжения. Однако, если требуется изоляция между входными и выходными клеммами, перед преобразователем должен быть установлен трансформатор.

Двумя наиболее популярными неизолированными конфигурациями переключения являются понижающий (вычитающий) и повышающий (аддитивный) преобразователи.

Понижающий преобразователь — это импульсный источник питания, предназначенный для преобразования электрической энергии из одного напряжения в более низкое.Понижающий преобразователь работает с последовательно включенным переключающим транзистором. Поскольку рабочий цикл D <1, выходное напряжение понижающего всегда меньше входного напряжения V _IN .

Повышающий преобразователь — это тип импульсного источника питания, который предназначен для преобразования электрической энергии от одного напряжения к более высокому. Повышающий преобразователь работает с параллельно подключенным переключающим транзистором, что приводит к образованию пути постоянного тока между V _IN и V _OUT через катушку индуктивности L ₁ и диод D ₁ .Это означает, что на выходе нет защиты от короткого замыкания.

Изменяя рабочий цикл (D) повышающего преобразователя, можно управлять выходным напряжением, и при D <1 выход постоянного тока повышающего преобразователя больше, чем входное напряжение V _IN вследствие саморегулирования катушек индуктивности. -индуцированное напряжение.

Также предполагается, что выходные сглаживающие конденсаторы в импульсных источниках питания очень большие, что приводит к постоянному выходному напряжению из импульсного источника питания во время действия переключения транзисторов.

AN-140: Основные понятия линейного регулятора и импульсных источников питания

Аннотация

В этой статье объясняются основные концепции линейных регуляторов и импульсных источников питания (ИИП). Он предназначен для системных инженеров, которые могут не очень хорошо разбираться в конструкции и выборе источников питания. Объясняются основные принципы работы линейных регуляторов и SMPS, а также обсуждаются преимущества и недостатки каждого решения.Понижающий понижающий преобразователь используется в качестве примера для дальнейшего объяснения конструктивных особенностей импульсного регулятора.

Введение

Современные конструкции требуют все большего количества шин питания и решений для источников питания в электронных системах с нагрузками от нескольких мА для резервных источников питания до более 100 А для стабилизаторов напряжения ASIC. Важно выбрать подходящее решение для целевого приложения и удовлетворить указанные требования к производительности, такие как высокая эффективность, ограниченное пространство на печатной плате (PCB), точное регулирование выходной мощности, быстрая переходная характеристика, низкая стоимость решения и т. Д.Проектирование управления питанием становится все более частой и сложной задачей для проектировщиков систем, многие из которых могут не иметь серьезного опыта в области питания.

Преобразователь мощности генерирует выходное напряжение и ток для нагрузки от заданного источника входного питания. Он должен соответствовать требованиям регулирования напряжения или тока нагрузки в установившихся и переходных режимах. Он также должен защищать нагрузку и систему в случае отказа какого-либо компонента. В зависимости от конкретного применения разработчик может выбрать либо линейный регулятор (LR), либо импульсный источник питания (SMPS).Чтобы сделать лучший выбор решения, важно, чтобы дизайнеры были знакомы с достоинствами, недостатками и конструктивными проблемами каждого подхода.

Эта статья посвящена приложениям с неизолированными источниками питания и дает представление об их работе и основах проектирования.

Линейные регуляторы

Как работает линейный регулятор

Начнем с простого примера. Во встроенной системе от внешнего источника питания доступна шина 12 В. На системной плате 3.Напряжение 3 В необходимо для питания операционного усилителя (ОУ). Самый простой способ генерировать 3,3 В — использовать резисторный делитель от шины 12 В, как показано на рисунке 1. Хорошо ли он работает? Обычно ответ отрицательный. Ток на выводах V _CC операционного усилителя может изменяться в зависимости от условий эксплуатации. Если используется делитель с постоянным резистором, напряжение IC V _CC зависит от нагрузки. Кроме того, вход шины 12 В может плохо регулироваться. В той же системе может быть много других нагрузок, использующих шину 12 В.Из-за импеданса шины напряжение на шине 12 В меняется в зависимости от условий нагрузки на шину. В результате резисторный делитель не может подавать стабилизированное напряжение 3,3 В на операционный усилитель, чтобы обеспечить его правильную работу. Следовательно, необходим специальный контур регулирования напряжения. Как показано на рисунке 2, контур обратной связи должен регулировать значение верхнего резистора R1, чтобы динамически регулировать 3,3 В на V _CC .

Рисунок 1. Резисторный делитель вырабатывает 3,3 В _DC от входа шины 12 В

Рисунок 2.Контур обратной связи регулирует значение последовательного резистора R1 для регулирования 3,3 В

Этот тип переменного резистора может быть реализован с помощью линейного регулятора, как показано на рисунке 3. Линейный регулятор управляет биполярным или полевым силовым транзистором (FET) в его линейном режиме. Таким образом, транзистор работает как переменный резистор последовательно с выходной нагрузкой. Концептуально, чтобы установить контур обратной связи, усилитель ошибки измеряет выходное напряжение постоянного тока через цепь резисторов выборки R _A и R _B , а затем сравнивает напряжение обратной связи V _FB с опорным напряжением V _REF .Выходное напряжение усилителя ошибки управляет базой последовательного силового транзистора через усилитель тока. Когда либо входное напряжение V _BUS уменьшается, либо увеличивается ток нагрузки, выходное напряжение V _CC падает. Напряжение обратной связи V _FB также уменьшается. В результате усилитель ошибки обратной связи и усилитель тока генерируют больший ток в базе транзистора Q1. Это уменьшает падение напряжения V _CE и, следовательно, возвращает выходное напряжение V _CC , так что V _FB равно V _REF .С другой стороны, если выходное напряжение V _CC повышается, аналогичным образом цепь отрицательной обратной связи увеличивает V _CE , чтобы обеспечить точное регулирование выхода 3,3 В. Таким образом, любое изменение V _O поглощается напряжением транзистора линейного стабилизатора V _CE . Таким образом, выходное напряжение V _CC всегда постоянно и хорошо регулируется.

Рис. 3. В линейном регуляторе реализован переменный резистор для регулирования выходного напряжения

Зачем нужны линейные регуляторы?

Линейный регулятор уже очень давно широко используется в промышленности.Это было основой для отрасли электроснабжения до тех пор, пока импульсные источники питания не стали преобладать после 1960-х годов. Даже сегодня линейные регуляторы по-прежнему широко используются в широком спектре приложений.

Помимо простоты использования, линейные регуляторы имеют и другие преимущества в производительности. Поставщики систем управления питанием разработали множество интегрированных линейных регуляторов. Типичный интегрированный линейный регулятор требует только V _IN , V _OUT , FB и дополнительные контакты GND. На рисунке 4 показан типичный трехконтактный линейный стабилизатор LT1083, разработанный более 20 лет назад.Для установки выходного напряжения требуется только входной конденсатор, выходной конденсатор и два резистора обратной связи. Практически любой инженер-электрик может спроектировать источник питания с этими простыми линейными регуляторами.

Рис. 4. Пример встроенного линейного регулятора: линейный регулятор 7,5 А только с тремя контактами

Один недостаток — линейный регулятор может сжечь много энергии

Основным недостатком использования линейных регуляторов может быть чрезмерное рассеивание мощности последовательного транзистора Q1, работающего в линейном режиме.Как объяснялось ранее, транзистор линейного регулятора концептуально представляет собой переменный резистор. Поскольку весь ток нагрузки должен проходить через последовательный транзистор, его рассеиваемая мощность равна P _Потери = (V _IN — V _O ) • I _O . В этом случае эффективность линейного регулятора можно быстро оценить по:

Итак, в примере на Рисунке 1, когда на входе 12 В и на выходе 3,3 В, эффективность линейного регулятора составляет всего 27,5%. В этом случае 72,5% входной мощности просто теряется и выделяет тепло в регуляторе.Это означает, что транзистор должен иметь тепловую способность выдерживать рассеивание мощности / тепла в худшем случае при максимальном напряжении V _IN и полной нагрузке. Таким образом, размер линейного регулятора и его радиатора могут быть большими, особенно когда V _O намного меньше, чем V _IN . Рисунок 5 показывает, что максимальная эффективность линейного регулятора пропорциональна соотношению V _O / V _IN .

Рисунок 5. Максимальный КПД линейного регулятора в зависимости от соотношения V _O / V _IN

С другой стороны, линейный регулятор может быть очень эффективным, если V _O близок к V _IN .Однако линейный регулятор (LR) имеет другое ограничение, а именно минимальную разницу напряжений между V _IN и V _O . Транзистор в LR должен работать в линейном режиме. Таким образом, требуется определенное минимальное падение напряжения на коллекторе для эмиттера биполярного транзистора или от стока до истока полевого транзистора. Когда V _O находится слишком близко к V _IN , LR больше не может регулировать выходное напряжение. Линейные регуляторы, которые могут работать с малым запасом мощности (V _IN — V _O ), называются регуляторами с малым падением напряжения (LDO).

Также ясно, что линейный стабилизатор или LDO может обеспечить только понижающее преобразование DC / DC. В приложениях, которые требуют, чтобы напряжение V _O было выше, чем напряжение V _IN , или требуется отрицательное напряжение V _O от положительного напряжения V _IN , линейные регуляторы, очевидно, не работают.

Линейный регулятор с разделением тока для высокой мощности [8]

Для приложений, требующих большей мощности, регулятор должен быть установлен отдельно на радиаторе для отвода тепла.В системах для поверхностного монтажа это не вариант, поэтому ограничение рассеиваемой мощности (например, 1 Вт) ограничивает выходной ток. К сожалению, непросто установить прямое параллельное соединение линейных регуляторов для распределения выделяемого тепла.

Замена источника опорного напряжения, показанного на рис. 3, на прецизионный источник тока, позволяет подключать линейный регулятор напрямую параллельно для распределения токовой нагрузки и, таким образом, распределения рассеиваемого тепла между ИС. Это делает возможным использование линейных регуляторов при высоком выходном токе, в приложениях для поверхностного монтажа, где только ограниченное количество тепла может рассеиваться в любом месте на плате.LT3080 — первый регулируемый линейный стабилизатор, который можно использовать параллельно для увеличения тока. Как показано на рисунке 6, он имеет внутренний источник тока с прецизионным нулевым TC 10 мкА, подключенный к неинвертирующему входу операционного усилителя. С помощью внешнего резистора настройки одиночного напряжения R _SET выходное напряжение линейного регулятора можно регулировать от 0 В до (V _IN — V _DROPOUT ).

Рис. 6. Настройка одиночного резистора LDO LT3080 с прецизионным источником тока Ссылка

На рис. 7 показано, как легко подключить LT3080 к параллельному распределению тока.Просто свяжите контакты SET LT3080 вместе, два регулятора имеют одинаковое опорное напряжение. Поскольку операционные усилители точно настроены, напряжение смещения между регулировочным штифтом и выходом составляет менее 2 мВ. В этом случае требуется только балластное сопротивление 10 мОм, которое может быть суммой небольшого внешнего резистора и сопротивления проводов печатной платы, чтобы сбалансировать ток нагрузки с более чем 80% выравниваемым распределением. Нужна еще больше мощности? Разумно даже параллельное соединение от 5 до 10 устройств.

Рис. 7. Параллельное подключение двух линейных регуляторов LT3080 для более высокого выходного тока

Области применения, где предпочтительны линейные регуляторы

Существует множество приложений, в которых линейные регуляторы или LDO обеспечивают превосходные решения для переключения источников питания, в том числе:

1. Простые / недорогие решения. Решения с линейным стабилизатором или LDO просты и удобны в использовании, особенно для приложений с низким энергопотреблением и низким выходным током, где термическое напряжение не критично.Внешний силовой индуктор не требуется.
2. Применения с низким уровнем шума / малой пульсации. Для чувствительных к шуму приложений, таких как устройства связи и радио, минимизация шума источника питания очень важна. Линейные регуляторы имеют очень низкую пульсацию выходного напряжения, потому что нет элементов, которые часто включаются и выключаются, а линейные регуляторы могут иметь очень большую полосу пропускания. Так что есть небольшая проблема с EMI. Некоторые специальные LDO-стабилизаторы, такие как семейство LDO Analog Devices LT1761, имеют на выходе всего 20 мкВ _RMS шумовое напряжение на выходе.Для SMPS практически невозможно достичь такого низкого уровня шума. SMPS обычно имеет пульсации в мВ даже с конденсаторами с очень низким ESR.
3. Быстрые переходные приложения. Контур обратной связи линейного регулятора обычно является внутренним, поэтому никакой внешней компенсации не требуется. Как правило, линейные регуляторы имеют более широкую полосу пропускания контура управления и более быстрый переходный отклик, чем у SMPS.
4. Приложения с низким отсевом. Для приложений, где выходное напряжение близко к входному, LDO могут быть более эффективными, чем SMPS.Существуют LDO с очень низким падением напряжения (VLDO), такие как Analog Devices LTC1844, LT3020 и LTC3025, с выпадающим напряжением от 20 до 90 мВ и током до 150 мА. Минимальное входное напряжение может составлять 0,9 В. Поскольку в LR отсутствуют коммутационные потери переменного тока, эффективность малой нагрузки LR или LDO аналогична его эффективности при полной нагрузке. SMPS обычно имеет более низкую эффективность при малой нагрузке из-за потерь на переключение переменного тока. В приложениях с батарейным питанием, в которых эффективность малой нагрузки также критична, LDO может обеспечить лучшее решение, чем SMPS.

Таким образом, разработчики используют линейные регуляторы или LDO, потому что они просты, имеют низкий уровень шума, низкую стоимость, просты в использовании и обеспечивают быстрый переходный отклик. Если V _O близок к V _IN , LDO может быть более эффективным, чем SMPS.

Основы импульсного источника питания

Зачем нужен импульсный источник питания?

Быстрый ответ — высокая эффективность. В ИИП транзисторы работают в режиме переключения, а не в линейном режиме. Это означает, что когда транзистор включен и проводит ток, падение напряжения на его пути питания минимально.Когда транзистор выключен и блокирует высокое напряжение, через его путь питания почти нет тока. Так что полупроводниковый транзистор похож на идеальный переключатель. Таким образом, потери мощности в транзисторе сводятся к минимуму. Высокая эффективность, низкое рассеивание мощности и высокая плотность мощности (небольшой размер) — основные причины, по которым разработчики используют SMPS вместо линейных регуляторов или LDO, особенно в сильноточных приложениях. Например, в настоящее время синхронный понижающий понижающий источник питания 12 В _IN , 3,3 В _OUT в режиме переключения обычно может достигать КПД> 90% против менее 27.5% от линейного регулятора. Это означает потерю мощности или уменьшение размеров как минимум в восемь раз.

Самый популярный импульсный блок питания — понижающий преобразователь

На рисунке 8 показан простейший и наиболее популярный импульсный стабилизатор — понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный. Он имеет два режима работы, в зависимости от того, включен или выключен транзистор Q1. Чтобы упростить обсуждение, все силовые устройства считаются идеальными. Когда переключатель (транзистор) Q1 включен, напряжение коммутационного узла V _{, SW} = V _IN и ток L индуктивности заряжаются посредством (V _IN — V _O ).На рисунке 8 (а) показана эквивалентная схема в этом режиме зарядки индуктора. Когда переключатель Q1 выключен, ток катушки индуктивности проходит через диод свободного хода D1, как показано на рисунке 8 (b). Напряжение коммутационного узла V _{, SW} = 0 В и ток L индуктивности разряжается нагрузкой V _O . Поскольку идеальная катушка индуктивности не может иметь постоянного напряжения в установившемся состоянии, среднее выходное напряжение V _O может быть задано как:

, где T _ON — временной интервал включения в периоде TS переключения.Если отношение T _ON / T _S определяется как рабочий цикл D, выходное напряжение V _O составляет:

Когда значения катушки индуктивности L фильтра и выходного конденсатора C _O достаточно высоки, выходное напряжение V _O является постоянным напряжением с пульсацией всего в мВ. В этом случае для входного понижающего источника 12 В концептуально рабочий цикл 27,5% обеспечивает выходное напряжение 3,3 В.

Рис. 8. Режимы работы понижающего преобразователя и типичные формы сигналов

Помимо описанного выше подхода к усреднению, существует другой способ вывести уравнение рабочего цикла.Идеальный индуктор не может иметь постоянное напряжение в устойчивом состоянии. Таким образом, он должен поддерживать вольт-секундный баланс катушки индуктивности в течение периода переключения. Согласно форме кривой напряжения индуктора на рисунке 8 для баланса вольт-секунд требуется:

Уравнение (5) совпадает с уравнением (3). Такой же подход балансировки вольт-секунд может использоваться для других топологий постоянного / постоянного тока для получения рабочего цикла по уравнениям V _IN и V _O .

Потери мощности в понижающем преобразователе

Потери проводимости постоянного тока

С идеальными компонентами (нулевое падение напряжения во включенном состоянии и нулевые потери переключения) идеальный понижающий преобразователь имеет 100% КПД.На самом деле рассеивание мощности всегда связано с каждым силовым компонентом. В ИИП есть два типа потерь: потери проводимости постоянного тока и потери переключения переменного тока.

Потери проводимости понижающего преобразователя в основном возникают из-за падений напряжения на транзисторе Q1, диоде D1 и катушке индуктивности L, когда они проводят ток. Чтобы упростить обсуждение, пульсации переменного тока тока индуктора не учитываются в следующем расчете потерь проводимости. Если MOSFET используется в качестве силового транзистора, потери проводимости MOSFET равны I _O ² • R _{DS (ON)} • D, где R _{DS (ON)} — сопротивление MOSFET в открытом состоянии. Q1.Потери мощности проводимости диода равны I _O • V _D • (1 — D), где V _D — прямое падение напряжения на диоде D1. Потери проводимости индуктора равны I _O ² • R _DCR , где R _DCR — сопротивление меди обмотки индуктора. Следовательно, потери проводимости понижающего преобразователя примерно равны:

Например, вход 12 В, 3,3 В / 10 А, выходной понижающий источник питания _MAX может использовать следующие компоненты: полевой МОП-транзистор R _{DS (ON)} = 10 мОм, индуктор R _DCR = 2 мОм, прямое напряжение диода В _D = 0.5В. Следовательно, потеря проводимости при полной нагрузке составляет:

Учитывая только потери проводимости, КПД преобразователя составляет:

Приведенный выше анализ показывает, что диод свободного хода потребляет 3,62 Вт потери мощности, что намного выше, чем потери проводимости полевого МОП-транзистора Q1 и катушки индуктивности L. Для дальнейшего повышения эффективности диод D1 можно заменить полевым МОП-транзистором Q2, как показано на Рисунок 9. Этот преобразователь называется синхронным понижающим преобразователем. Строб Q2 требует сигналов, дополнительных к затвору Q1, т.е.е., Q2 горит только тогда, когда Q1 выключен. Потери проводимости синхронного понижающего преобразователя:

Если полевой МОП-транзистор R _{DS (ON)} 10 мОм также используется для Q2, потери проводимости и эффективность синхронного понижающего преобразователя будут:

Приведенный выше пример показывает, что синхронный понижающий преобразователь более эффективен, чем традиционный понижающий преобразователь, особенно для приложений с низким выходным напряжением, где рабочий цикл невелик, а время проводимости диода D1 велико.

Рисунок 9.Синхронный понижающий преобразователь и его транзисторные сигналы затвора

Потери при переключении переменного тока

В дополнение к потерям проводимости постоянного тока, существуют другие потери мощности, связанные с переменным током / переключением, из-за неидеальных силовых компонентов:

1. Коммутационные потери MOSFET. Настоящему транзистору требуется время для включения или выключения. Таким образом, во время переходных процессов при включении и выключении возникают перекрытия по напряжению и току, что приводит к коммутационным потерям переменного тока. На рисунке 10 показаны типичные формы сигналов переключения полевого МОП-транзистора Q1 в синхронном понижающем преобразователе.Зарядка и разрядка паразитного конденсатора C _GD верхнего полевого транзистора Q1 с зарядом Q _GD определяют большую часть времени переключения Q1 и связанных потерь. В синхронном понижающем преобразователе потери переключения нижнего полевого транзистора Q2 малы, потому что Q2 всегда включается после того, как его основной диод проводит ток, и выключается до того, как его основной диод проводит ток, в то время как падение напряжения на основном диоде невелико. Однако заряд обратного восстановления основного диода Q2 может также увеличить коммутационные потери верхнего полевого транзистора Q1 и может вызвать звон напряжения переключения и шум электромагнитных помех.Уравнение (12) показывает, что потери переключения управляющего полевого транзистора Q1 пропорциональны частоте переключения преобразователя f _S . Точный расчет потерь энергии E _ON и E _OFF для Q1 непрост, но его можно найти в примечаниях к применению поставщиков MOSFET.
   
2. Потери в сердечнике индуктора P _{SW_CORE} . Настоящая катушка индуктивности также имеет потери переменного тока, которые зависят от частоты переключения. Потери переменного тока в индукторе в основном связаны с потерями в магнитном сердечнике. В высокочастотном ИИП материалом сердечника может быть железный порошок или феррит.Обычно сердечники из порошкового железа насыщаются мягко, но имеют высокие потери в сердечнике, тогда как ферритовый материал насыщается более резко, но имеет меньшие потери в сердечнике. Ферриты — это керамические ферромагнитные материалы, которые имеют кристаллическую структуру, состоящую из смесей оксида железа с оксидом марганца или цинка. Потери в сердечнике в основном связаны с потерями на магнитный гистерезис. Производитель сердечника или катушки индуктивности обычно предоставляет данные о потерях в сердечнике разработчикам источников питания для оценки потерь в катушке индуктивности переменного тока.
3. Прочие потери, связанные с кондиционированием воздуха.Другие потери, связанные с переменным током, включают потери драйвера затвора P _{SW_GATE} , что равно V _DRV • Q _G • f _S , и мертвое время (когда оба верхнего полевого транзистора Q1 и нижний полевой транзистор Q2 выключены) основной диод потери проводимости, равные (ΔT _ON + ΔT _OFF ) • V _{D (Q2)} • f _S . Таким образом, потери, связанные с переключением, включают: Расчет потерь, связанных с переключением, обычно непросто. Потери, связанные с переключением, пропорциональны частоте переключения f _S .В синхронном понижающем преобразователе 12 В _IN , 3,3 В _O / 10A _MAX потери переменного тока вызывают потерю эффективности от 2% до 5% при частоте переключения 200–500 кГц. Таким образом, общий КПД составляет около 93% при полной нагрузке, что намного лучше, чем у источников LR или LDO. Нагревание или уменьшение размера могут быть близки к 10x.

Рис. 10. Типичная форма сигнала переключения и потери в верхнем полевом транзисторе Q1 понижающего преобразователя

Конструктивные особенности компонентов коммутируемой мощности

Оптимизация частоты коммутации

Как правило, более высокая частота переключения означает меньшие размеры компонентов L и C выходного фильтра _O .В результате размер и стоимость блока питания могут быть уменьшены. Более широкая полоса пропускания также может улучшить переходные характеристики нагрузки. Однако более высокая частота переключения также означает более высокие потери мощности, связанные с переменным током, что требует большего пространства на плате или радиатора для ограничения теплового напряжения. В настоящее время для приложений с выходным током ≥10A большинство понижающих источников работают в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц ~ 2 МГц. При токе нагрузки <10 А частота переключения может достигать нескольких МГц. Оптимальная частота для каждой конструкции является результатом тщательного компромисса по размеру, стоимости, эффективности и другим параметрам производительности.

Выбор выходного индуктора

В синхронном понижающем преобразователе пиковый ток пульсации катушки индуктивности можно рассчитать как:

При заданной частоте переключения низкая индуктивность дает большие пульсации тока и приводит к большим выходным пульсациям напряжения. Большой ток пульсации также увеличивает среднеквадратичный ток полевого МОП-транзистора и потери проводимости. С другой стороны, высокая индуктивность означает большой размер индуктора и возможные высокие DCR индуктивности и потери проводимости. Обычно при выборе катушки индуктивности выбирается 10% ~ 60% пульсаций размаха пульсаций по отношению к максимальному коэффициенту постоянного тока.Поставщики индукторов обычно указывают номинальные значения DCR, RMS (нагрева) и тока насыщения. Важно рассчитать максимальный постоянный ток и пиковый ток катушки индуктивности в пределах максимальных характеристик производителя.

Выбор силового полевого МОП-транзистора

При выборе полевого МОП-транзистора для понижающего преобразователя сначала убедитесь, что его максимальное значение V _DS выше, чем напряжение питания V _{IN (MAX)} с достаточным запасом. Однако не выбирайте полевой транзистор с чрезмерно высоким номинальным напряжением.Например, для источника питания _{IN (MAX)} 16 В хорошо подойдет полевой транзистор с номинальным напряжением 25 или 30 В. Номинальное напряжение полевого транзистора 60 В может быть чрезмерным, поскольку сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии обычно увеличивается с увеличением номинального напряжения. Далее, два наиболее важных параметра — сопротивление полевого транзистора R _{DS (ON)} в открытом состоянии и заряд затвора Q _G (или Q _GD ). Обычно существует компромисс между зарядом затвора Q _G и сопротивлением в открытом состоянии R _{DS (ON)} . Как правило, полевой транзистор с небольшим кремниевым кристаллом имеет низкий Q _G , но высокое сопротивление в открытом состоянии R _{DS (ON)} , в то время как полевой транзистор с большим кремниевым кристаллом имеет низкий R _{DS (ON)} , но большой Q _{. G} .В понижающем преобразователе верхний полевой МОП-транзистор Q1 принимает как потери проводимости, так и потери переключения переменного тока. Малый полевой транзистор Q _G обычно требуется для Q1, особенно в приложениях с низким выходным напряжением и малым рабочим циклом. Синхронный полевой транзистор Q2 на нижней стороне имеет небольшие потери переменного тока, потому что он обычно включается или выключается, когда его напряжение V _DS близко к нулю. В этом случае низкий уровень R _{DS (ON)} более важен, чем Q _G для синхронного полевого транзистора Q2. Когда один полевой транзистор не может справиться с полной мощностью, несколько полевых МОП-транзисторов могут использоваться параллельно.

Выбор входного и выходного конденсатора

Во-первых, следует выбирать конденсаторы с достаточным снижением номинального напряжения.

Входной конденсатор понижающего преобразователя имеет пульсирующий ток переключения с большой пульсацией. Следовательно, входной конденсатор следует выбирать с достаточным среднеквадратичным значением пульсационного тока, чтобы обеспечить его срок службы. Обычно на входе параллельно используются алюминиевые электролитические конденсаторы и керамические конденсаторы с низким ESR.

Выходной конденсатор определяет не только пульсации выходного напряжения, но и переходные характеристики нагрузки.Пульсации выходного напряжения можно рассчитать по уравнению (15). Для высокопроизводительных приложений важны как ESR, так и общая емкость, чтобы минимизировать пульсации выходного напряжения и оптимизировать переходные характеристики нагрузки. Обычно хорошим выбором являются танталовые конденсаторы с низким ESR, полимерные конденсаторы с низким ESR и многослойные керамические конденсаторы (MLCC).

Закройте контур регулирования обратной связи

Есть еще один важный этап проектирования импульсного источника питания — замыкание контура регулирования с помощью схемы управления с отрицательной обратной связью.Обычно это гораздо более сложная задача, чем использование LR или LDO. Это требует хорошего понимания поведения контура и конструкции компенсации, чтобы оптимизировать динамические характеристики с помощью стабильного контура.

Малосигнальная модель понижающего преобразователя

Как объяснено выше, переключающий преобразователь меняет свой рабочий режим в зависимости от состояния переключателя ON или OFF. Это дискретная и нелинейная система. Для анализа контура обратной связи с помощью метода линейного управления необходимо линейное моделирование малых сигналов [1] [3].Из-за выходного фильтра L-C линейная передаточная функция малого сигнала рабочего цикла D на выход V _O фактически является системой второго порядка с двумя полюсами и одним нулем, как показано в уравнении (16). На резонансной частоте выходной катушки индуктивности и конденсатора расположены двойные полюса. Есть ноль, определяемый выходной емкостью и ESR конденсатора.

Управление в режиме напряжения и управление в режиме тока

Выходное напряжение может регулироваться замкнутой системой, показанной на рисунке 11.Например, когда выходное напряжение увеличивается, напряжение V _FB обратной связи увеличивается, а выходной сигнал усилителя ошибки отрицательной обратной связи уменьшается. Так рабочий цикл уменьшается. В результате выходное напряжение снижается до V _FB = V _REF . Схема компенсации ошибок операционного усилителя может быть схемой усилителя с обратной связью типа I, типа II или типа III [3] [4]. Есть только один контур управления для регулирования выхода. Эта схема называется режимом управления напряжением.Analog Devices LTC3775 и LTC3861 являются типичными понижающими контроллерами в режиме напряжения.

Рис. 11. Блок-схема понижающего преобразователя с управлением по напряжению

На рисунке 12 показан синхронный понижающий источник питания от 5 до 26 В на входе и на выходе 1,2 В / 15 А с использованием понижающего контроллера режима напряжения LTC3775. Благодаря передовой архитектуре ШИМ-модуляции LTC3775 и очень низкому (30 нс) минимальному времени включения, источник питания хорошо работает для приложений, которые преобразуют высоковольтный автомобильный или промышленный источник питания до уровня 1.Низкое напряжение 2 В, необходимое для современных микропроцессоров и программируемых логических микросхем. Для приложений высокой мощности требуются многофазные понижающие преобразователи с разделением тока. При управлении в режиме напряжения требуется дополнительная петля распределения тока для балансировки тока между параллельными понижающими каналами. Типичным методом разделения тока для управления режимом напряжения является метод ведущего ведомого устройства. LTC3861 является таким контроллером режима напряжения PolyPhase ^® . Его очень низкое (± 1,25 мВ) смещение считывания тока делает разделение тока между параллельно включенными фазами очень точным, чтобы уравновесить тепловую нагрузку.[10]

Рис. 12. Синхронный понижающий источник питания LTC3775 в режиме напряжения обеспечивает высокий коэффициент понижения

Управление в режиме тока использует два контура обратной связи: внешний контур напряжения, аналогичный контуру управления преобразователей, управляемых в режиме напряжения, и внутренний контур тока, который возвращает сигнал тока в контур управления. На рисунке 13 показана концептуальная блок-схема понижающего преобразователя с управлением в режиме пикового тока, который непосредственно измеряет выходной ток катушки индуктивности. В режиме управления по току ток катушки индуктивности определяется ошибочным выходным напряжением операционного усилителя.Катушка индуктивности становится источником тока. Следовательно, передаточная функция от выхода операционного усилителя V _C к подаче выходного напряжения V _O становится однополюсной системой. Это значительно упрощает компенсацию петли. Компенсация контура управления меньше зависит от нулевого ESR выходного конденсатора, поэтому можно использовать все керамические выходные конденсаторы.

Рис. 13. Блок-схема понижающего преобразователя с управлением по току

Есть много других преимуществ от текущего управления режимом.Как показано на рисунке 13, поскольку пиковый ток катушки индуктивности ограничивается операционным усилителем V _C по циклу, система, управляемая режимом тока, обеспечивает более точное и быстрое ограничение тока в условиях перегрузки. Пусковой ток индуктора также хорошо контролируется во время запуска. Кроме того, ток катушки индуктивности не изменяется быстро при изменении входного напряжения, поэтому источник питания имеет хорошие характеристики переходных процессов в линии. Когда несколько преобразователей подключены параллельно, с контролем режима тока, также очень легко распределять ток между источниками, что важно для надежных приложений с высоким током, использующих понижающие преобразователи PolyPhase.В общем, преобразователь, управляемый режимом тока, более надежен, чем преобразователь, управляемый режимом напряжения.

Решение схемы управления текущим режимом должно точно определять ток. Сигнал измерения тока обычно представляет собой слабый сигнал с уровнем в несколько десятков милливольт, чувствительный к шуму переключения. Следовательно, необходима правильная и тщательная разводка печатной платы. Токовая петля может быть замкнута путем измерения тока катушки индуктивности через чувствительный резистор, падения напряжения DCR на катушке индуктивности или падения напряжения проводимости полевого МОП-транзистора.Типичные контроллеры текущего режима включают в себя Analog Devices LTC3851A, LTC3855, LTC3774 и LTC3875.

Постоянная частота и постоянное время включения

Типичные схемы режима напряжения и режима тока в разделе «Управление в режиме напряжения по сравнению с управлением в режиме тока» имеют постоянную частоту переключения, генерируемую внутренними тактовыми генераторами контроллера. Эти контроллеры с постоянной частотой коммутации можно легко синхронизировать, что является важной особенностью понижающих контроллеров PolyPhase с высоким током. Однако, если переходный процесс повышения нагрузки происходит сразу после выключения затвора Q1 управляющего полевого транзистора, преобразователь должен ждать все время выключения Q1 до следующего цикла, чтобы отреагировать на переходный процесс.В приложениях с небольшими рабочими циклами задержка в наихудшем случае близка к одному циклу переключения.

В таких приложениях с малым рабочим циклом управление режимом постоянного тока впадины с постоянным включением имеет меньшую задержку, чтобы реагировать на переходные процессы повышения нагрузки. В установившемся режиме частота переключения понижающих преобразователей с постоянным временем включения практически постоянна. В случае переходного процесса частота переключения может быстро измениться, чтобы ускорить переходный процесс. В результате источник питания имеет улучшенные переходные характеристики и выходную емкость, а связанные с этим затраты могут быть снижены.

Однако при постоянном контроле по времени частота коммутации может изменяться в зависимости от линии или нагрузки. LTC3833 — это понижающий контроллер в режиме минимального тока с более сложной архитектурой с контролируемым включением по времени — вариант архитектуры управления с постоянным включением с той разницей, что время включения регулируется таким образом, что частота переключения остается постоянной в течение стабильного этапа. условия в линии и под нагрузкой. С этой архитектурой контроллер LTC3833 имеет минимальное время включения 20 нс и позволяет понижать приложения с 38 В _IN до 0.6В _О . Контроллер можно синхронизировать с внешними часами в диапазоне частот от 200 кГц до 2 МГц. На рисунке 14 показан типичный блок питания LTC3833 с входным напряжением от 4,5 В до 14 В и выходом 1,5 В / 20 А. [11] На рисунке 15 показано, что источник питания может быстро реагировать на внезапные переходные процессы нагрузки с высокой скоростью нарастания напряжения. Во время переходного процесса при повышении нагрузки частота переключения увеличивается, чтобы обеспечить более быстрый переходный процесс. Во время переходного процесса понижения нагрузки рабочий цикл падает до нуля. Поэтому только выходная катушка индуктивности ограничивает скорость нарастания тока.В дополнение к LTC3833, для нескольких выходов или приложений PolyPhase, контроллеры LTC3838 и LTC3839 обеспечивают быстрые переходные многофазные решения.

Рис. 14. Быстродействующий источник питания с контролируемым постоянным током с использованием LTC3833

Рис. 15. Блок питания LTC3833 обеспечивает быстрое реагирование во время переходных процессов с быстрым скачком нагрузки

Пропускная способность и стабильность контура

Хорошо спроектированный SMPS работает бесшумно как в электрическом, так и в акустическом отношении. Это не относится к недокомпенсированной системе, которая обычно нестабильна.Типичные симптомы недокомпенсированного источника питания включают: слышимый шум от магнитных компонентов или керамических конденсаторов, дрожание формы волны переключения, колебания выходного напряжения и т. Д. Сверхкомпенсированная система может быть очень стабильной и тихой, но за счет медленного переходного отклика. Такая система имеет частоту кроссовера контура на очень низких частотах, обычно ниже 10 кГц. Конструкции с медленными переходными процессами требуют чрезмерной выходной емкости для соответствия требованиям регулирования переходных процессов, что увеличивает общую стоимость и размер источника питания.Оптимальная конструкция компенсации контура является стабильной и бесшумной, но без чрезмерной компенсации, поэтому она также имеет быструю реакцию для минимизации выходной емкости. В статье Analog Devices AN149 подробно объясняются концепции и методы моделирования силовых цепей и контуров контуров [3]. Моделирование слабых сигналов и проектирование компенсации контура могут быть трудными для неопытных разработчиков источников питания. Инструмент проектирования LTpowerCAD ^™ компании Analog Devices обрабатывает сложные уравнения и делает проектирование источника питания, особенно компенсации контура, гораздо более простой задачей [5] [6].Инструмент моделирования LTspice ^® объединяет все модели деталей Analog Devices и обеспечивает дополнительное моделирование во временной области для оптимизации конструкции. Однако стендовые испытания / проверка стабильности контура и переходных характеристик обычно необходимы на стадии прототипа.

В общем, производительность замкнутого контура регулирования напряжения оценивается двумя важными значениями: шириной полосы контура и запасом устойчивости контура. Полоса пропускания контура количественно определяется частотой кроссовера f _C , при которой коэффициент усиления контура T (s) равен единице (0 дБ).Запас устойчивости контура обычно количественно определяется запасом по фазе или запасом по усилению. Запас по фазе контура Φ _м определяется как разница между общей фазовой задержкой T (s) и –180 ° на частоте кроссовера. Запас усиления определяется разницей между усилением T (s) и 0 дБ на частоте, где общая фаза T (s) равна –180 °. Для понижающего преобразователя обычно считается достаточным запас по фазе 45 градусов и запас усиления 10 дБ. На рисунке 16 показан типичный график Боде коэффициента усиления контура для трехфазного понижающего преобразователя LTC3829 12V _IN в 1V _O / 60A.В этом примере частота кроссовера составляет 45 кГц, а запас по фазе — 64 градуса. Запас усиления близок к 20 дБ.

Рис. 16. Средство проектирования LTpowerCAD обеспечивает простой способ оптимизации компенсации контура и переходной характеристики нагрузки (трехфазный понижающий преобразователь LTC3829 с одним выходом).

Понижающий преобразователь PolyPhase для сильноточных приложений

По мере того, как системы обработки данных становятся быстрее и крупнее, их процессорам и модулям памяти требуется больше тока при постоянно уменьшающемся напряжении.При таких высоких токах требования к источникам питания увеличиваются. В последние годы синхронные понижающие преобразователи PolyPhase (многофазные) широко используются для источников питания высокого тока и низкого напряжения благодаря их высокой эффективности и равномерному распределению тепла. Кроме того, с чередованием нескольких фаз понижающего преобразователя можно значительно снизить ток пульсаций как на входе, так и на выходе, что приведет к сокращению входных и выходных конденсаторов, а также к уменьшению пространства на плате и стоимости.

В понижающих преобразователях PolyPhase точное определение и разделение тока становятся чрезвычайно важными.Хорошее распределение тока обеспечивает равномерное распределение тепла и высокую надежность системы. Из-за присущей им способности распределения тока в установившемся состоянии и во время переходных процессов обычно предпочтительны баксы с регулируемым режимом тока. Analog Devices LTC3856 и LTC3829 — типичные понижающие контроллеры PolyPhase с точным измерением и распределением тока. Несколько контроллеров могут быть подключены последовательно для 2-, 3-, 4-, 6- и 12-фазных систем с выходным током от 20A до более 200A.

Рисунок 17.Трехфазный, одиночный V _O Сильноточный понижающий преобразователь с использованием LTC3829

Другие требования к высокопроизводительному контроллеру

От высокопроизводительного понижающего контроллера требуется множество других важных функций. Плавный пуск обычно необходим для управления пусковым током во время пуска. Ограничение перегрузки по току и фиксация короткого замыкания могут защитить источник питания, когда выход перегружен или закорочен. Защита от перенапряжения защищает дорогостоящие нагрузочные устройства в системе.Чтобы минимизировать системные электромагнитные помехи, иногда контроллер необходимо синхронизировать с внешним тактовым сигналом. Для приложений с низким напряжением и высоким током дистанционное измерение дифференциального напряжения компенсирует падение напряжения на сопротивлении печатной платы и точно регулирует выходное напряжение на удаленной нагрузке. В сложной системе с множеством шин выходного напряжения также необходимы последовательность и отслеживание различных шин напряжения.

Схема расположения печатной платы

Выбор компонентов и схематическое проектирование — это только половина процесса проектирования поставки.Правильная разводка печатной платы импульсного источника питания всегда имеет решающее значение. На самом деле его важность невозможно переоценить. Хорошая компоновка оптимизирует эффективность питания, снижает тепловую нагрузку и, что наиболее важно, сводит к минимуму шум и взаимодействие между дорожками и компонентами. Чтобы добиться этого, разработчику важно понимать пути прохождения тока и потоки сигналов в импульсном источнике питания. Обычно для получения необходимого опыта требуются значительные усилия. См. Примечания по применению 136 и 139 Analog Devices для подробного обсуждения.[7] [9]

Выбор различных решений — дискретные, монолитные и интегрированные расходные материалы

На уровне интеграции системные инженеры могут решить, выбрать ли дискретное, монолитное или полностью интегрированное решение для модуля питания. На рисунке 18 показаны примеры решений для дискретных модулей и модулей питания для типичных приложений с питанием от точки нагрузки. Дискретное решение использует микросхему контроллера, внешние полевые МОП-транзисторы и пассивные компоненты для создания источника питания на системной плате. Основной причиной выбора дискретного решения является низкая стоимость спецификации компонентов.Однако это требует хороших навыков проектирования источников питания и относительно длительного времени разработки. В монолитном решении используется ИС со встроенными силовыми полевыми МОП-транзисторами, чтобы еще больше уменьшить размер решения и количество компонентов. Это требует аналогичных дизайнерских навыков и времени. Полностью интегрированное решение с силовым модулем может значительно сократить усилия по проектированию, время разработки, размер решения и риски, связанные с проектированием, но обычно с более высокой стоимостью компонентов спецификации.

Рисунок 18. Примеры (а) дискретного входа 12 В _IN — 3.Питание 3V / 10A LTC3778; (b) Полностью интегрированный 16V _IN , двойной 13A или одиночный 26A LTM4620 µModule ^® понижающий регулятор

Другие основные неизолированные топологии ИИП постоянного / постоянного тока

В этой заметке по применению понижающие преобразователи используются в качестве простого примера, демонстрирующего особенности проектирования SMPS. Однако существует как минимум пять других базовых топологий неизолированных преобразователей (повышающие, понижающие / повышающие, преобразователи Cuk, SEPIC и Zeta) и как минимум пять основных топологий изолированных преобразователей (обратноходовой, прямой, двухтактный, полумостовой и полный мост. ), которые не рассматриваются в этом примечании к применению.Каждая топология имеет уникальные свойства, которые делают ее пригодной для конкретных приложений. На рисунке 19 показаны упрощенные схемы для других неизолированных топологий SMPS.

Рисунок 19. Другие основные топологии неизолированных преобразователей постоянного тока в постоянный

Существуют и другие неизолированные топологии SMPS, которые представляют собой комбинации базовых топологий. Например, на рисунке 20 показан высокоэффективный синхронный повышающий / понижающий преобразователь с 4 переключателями на основе контроллера режима тока LTC3789. Он может работать с входными напряжениями ниже, равными или выше выходного напряжения.Например, вход может быть в диапазоне от 5 В до 36 В, а выход может быть регулируемым 12 В. Эта топология представляет собой комбинацию синхронного понижающего преобразователя и синхронного повышающего преобразователя с общей катушкой индуктивности. Когда V _IN > V _OUT , переключатели A и B работают как активный синхронный понижающий преобразователь, в то время как переключатель C всегда выключен, а переключатель D всегда включен. Когда V _IN OUT , переключатели C и D работают как активный синхронный повышающий преобразователь, в то время как переключатель A всегда включен, а переключатель B всегда выключен.Когда V _IN находится рядом с V _OUT , все четыре переключателя работают активно. В результате этот преобразователь может быть очень эффективным, с КПД до 98% для типичного приложения с выходом 12 В. [12] Контроллер LT8705 расширяет диапазон входного напряжения до 80 В. Чтобы упростить конструкцию и увеличить удельную мощность, LTM4605 / 4607/4609 дополнительно интегрируют сложный понижающий / повышающий преобразователь в простой в использовании силовой модуль высокой плотности. [13] Их можно легко использовать параллельно с распределением нагрузки для приложений большой мощности.

Рис. 20. Высокоэффективный понижающий-повышающий преобразователь с 4 переключателями работает при входном напряжении ниже, равном или выше выходного напряжения

Сводка

Таким образом, линейные регуляторы просты и удобны в использовании. Поскольку их транзисторы последовательного регулирования работают в линейном режиме, эффективность питания обычно низкая, когда выходное напряжение намного ниже входного. Как правило, линейные регуляторы (или LDO) имеют низкие пульсации напряжения и быструю переходную характеристику. С другой стороны, SMPS работают с транзистором как с переключателем и поэтому обычно намного эффективнее линейных регуляторов.Однако проектирование и оптимизация SMPS более сложны и требуют больше знаний и опыта. Каждое решение имеет свои преимущества и недостатки для конкретных приложений.

использованная литература

[1] В. Ворпериан, «Упрощенный анализ преобразователей ШИМ с использованием модели переключателя ШИМ: части I и II», IEEE Transactions по аэрокосмическим и электронным системам, март 1990 г., Vol. 26, №2.

[2] Р.Б. Ридли, Б. Х. Чо, Ф. К. Ли, «Анализ и интерпретация коэффициентов усиления контуров коммутационных регуляторов с многоконтурным управлением», IEEE Transactions on Power Electronics, стр. 489-498, октябрь 1988 г.

[3] Х. Чжан, «Моделирование и конструкция с компенсацией контура импульсных источников питания», Примечания по применению линейной технологии AN149, 2015.

[4] Х. Дин Венейбл, «Оптимальная конструкция усилителя обратной связи для систем управления», Технический документ Венейбл.

[5] Х. Чжан, «Проектирование источников питания за пять простых шагов с помощью LTpowerCAD Design Tool», Примечания по применению линейных технологий AN158, 2015.

[6] Инструмент проектирования LTpowerCAD ^™ на сайте www.linear.com/LTpowerCAD.

[7] Х. Чжан, «Рекомендации по компоновке печатной платы для неизолированных импульсных источников питания», Примечание по применению 136, Linear Technology Corp., 2012.

[8] Р. Доббкин, «Регулятор с малым падением напряжения может быть напрямую подключен для распространения тепла», LT Journal of Analog Innovation, октябрь 2007 г.

[9] К. Куек, «Схема источника питания и электромагнитные помехи», Примечания по применению линейной технологии AN139, 2013.

[10] М.Субраманиан, Т. Нгуен и Т. Филлипс, «Измерение тока DCR субмиллиомом с точным распределением многофазного тока для сильноточных источников питания», LT Journal, январь 2013 г.

[11] Б. Абесинга, «Быстрый и точный понижающий DC / DC-контроллер напрямую преобразует 24 В в 1,8 В при 2 МГц», LT Journal, октябрь 2011 г.

[12] Т. Бьорклунд, «Высокоэффективный четырехконтактный понижающий-повышающий контроллер обеспечивает точное ограничение выходного тока», примечания по проектированию линейной технологии 499.

[13] Дж. Сан, С. Янг и Х.Чжан, «Регулятор µModule Regulator подходит (почти) к полному решению Buck-Boost с размерами 15 мм × 15 мм × 2,8 мм для выходного напряжения от 4,5 В-36 В до 0,8 В-34 В», LT Journal, март 2009 г.

Управление блоком питания

— принципы, Проблемы и детали

Введение

Разработчики источников питания используют гибкие схемы контроля, последовательности и настройки питания для управления своими системами. В этой статье рассказывается, почему и как.

Мониторинг и управление растущим числом шин напряжения питания были жизненно важны для безопасности, экономии, долговечности и правильной работы электронных систем в течение многих лет, особенно для систем, использующих микропроцессоры.Определение того, находится ли шина напряжения выше порогового значения или в пределах рабочего окна — и включается или выключается это напряжение в правильной последовательности по отношению к другим шинам — критически важно для эксплуатационной надежности и безопасности.

Существует множество методов для решения различных аспектов этой проблемы. Например, простая схема, использующая прецизионный резистивный делитель, компаратор и эталон, может использоваться для определения того, находится ли напряжение на шине выше или ниже определенного уровня. В генераторах сброса , таких как ADM803, эти элементы объединены с элементом задержки для удержания устройств, таких как микропроцессоры, специализированные ИС (ASIC) и процессоры цифровых сигналов (DSP), в сброс при включении питания .Этот уровень мониторинга подходит для многих приложений.

Там, где необходимо контролировать несколько шин, несколько устройств (или многоканальных компараторов и связанных с ними схем) используются параллельно, но увеличивающиеся возможности требуют мониторинга ИС, которые делают больше, чем простое сравнение пороговых значений.

Например, рассмотрим общее требование для последовательности источников питания: производитель FPGA (программируемой вентильной матрицы) может указать, что напряжение ядра 3,3 В должно подаваться за 20 мс до 5-VI / O (вход / выход). ) напряжения, чтобы избежать возможных повреждений при включении устройства.Выполнение таких требований к последовательности может иметь такое же важное значение для надежности, как и поддержание напряжения питания и температуры устройства в заданных рабочих пределах.

Также резко увеличилось количество шин питания во многих приложениях. Сложные дорогие системы, такие как коммутаторы LAN и базовые станции сотовой связи, обычно имеют линейные карты с 10 или более шинами напряжения; но даже чувствительные к стоимости потребительские системы, такие как плазменные телевизоры, могут иметь до 15 отдельных шин напряжения, многие из которых могут требовать мониторинга и упорядочения.

Многие высокопроизводительные ИС теперь требуют нескольких напряжений. Например, отдельные напряжения ядра и ввода / вывода являются стандартными для многих устройств. В конце концов, DSP может потребовать до четырех отдельных источников питания на устройство. Во многих случаях множество устройств с несколькими источниками питания могут сосуществовать в одной системе, содержащей FPGA, ASIC, DSP, микропроцессоры и микроконтроллеры (а также аналоговые компоненты).

Многие устройства используют стандартные уровни напряжения (например, 3,3 В), в то время как другим может потребоваться напряжение, зависящее от устройства.Кроме того, может потребоваться независимая установка определенного стандартного уровня напряжения во многих местах. Например, могут потребоваться отдельные аналоговые и цифровые источники питания, такие как 3,3 В _ANALOG и 3,3 В _DIGITAL . Многократная генерация одного и того же напряжения может потребоваться для повышения эффективности (например, шины памяти, работающие на сотни ампер) или для удовлетворения требований к последовательности (3,3 В _A и 3,3 В _B , необходимые для отдельных устройств в разное время).Все эти факторы способствуют распространению источников напряжения.

Мониторинг и последовательность напряжения могут стать довольно сложными, особенно если система должна быть спроектирована так, чтобы поддерживать последовательность включения, последовательность отключения питания и множественные реакции на все возможные неисправности на различных шинах питания в разных точках во время работы. Центральный контроллер управления питанием — лучший способ решить эту проблему.

По мере увеличения количества питающих напряжений вероятность того, что что-то пойдет не так, намного выше.Риск увеличивается пропорционально количеству расходных материалов, количеству элементов и сложности системы. Внешние факторы также увеличивают риск. Если, например, основная ASIC не полностью охарактеризована во время первоначального проектирования, разработчик источника питания должен взять на себя обязательство установить пороговые значения для контроля напряжения и временные последовательности, которые могут изменяться по мере разработки спецификаций ASIC. Если требования изменятся, возможно, придется пересмотреть печатную плату — с очевидными последствиями для графика и затрат.Кроме того, спецификации напряжения питания для некоторых устройств могут изменяться в процессе их разработки. В таких обстоятельствах способ быстрой регулировки источников питания был бы полезен любому центральному администратору системы электропитания. Фактически, гибкость для контроля, последовательности и регулировки шин напряжения в таких системах является жизненно необходимой.

Оценка устойчивости выбранной защиты от сбоев и временной последовательности может быть значительной задачей, поэтому устройство, упрощающее этот процесс, ускорит оценку платы и сократит время вывода на рынок.Регистрация неисправностей и оцифрованные данные о напряжении и температуре являются полезными функциями как в полевых условиях, так и на всех этапах проектирования от ранней разработки печатной платы до оценки прототипа.

Базовый мониторинг

На рисунке 1 показан простой метод мониторинга нескольких шин напряжения с использованием компаратора ADCMP354 и эталонной ИС. Для каждой рейки используется индивидуальная схема. Резистивные делители уменьшают напряжение, устанавливая точку срабатывания при пониженном напряжении для каждого источника питания. Все выходы связаны друг с другом для генерации общего сигнала power-good .

Рис. 1. Обнаружение пониженного напряжения на основе компаратора с общим выходом «power-good» для системы с тремя источниками питания.

Базовая последовательность операций

На рисунке 2 показано, как можно реализовать базовую последовательность операций с дискретными компонентами, используя логические пороги вместо компараторов. Шины 12 В и 5 В были созданы в другом месте. Необходимо ввести временную задержку, чтобы гарантировать правильную работу системы. Это достигается за счет использования комбинации резистор-конденсатор (RC) для медленного увеличения напряжения затвора на n-канальном полевом транзисторе последовательно с источником питания 5 В.Значения RC выбираются таким образом, чтобы обеспечить достаточную задержку времени до того, как полевой транзистор достигнет порогового значения напряжения и начнет включаться. Шины 3,3 В и 1,8 В генерируются регуляторами с малым падением напряжения (LDO) ADP3330 и ADP3333. Время включения этих напряжений также определяется RC-цепочками. Никаких серийных полевых транзисторов не требуется, поскольку RC управляет выводом выключения (/ SD) каждого LDO. Значения RC выбраны для обеспечения достаточных временных задержек ( t ₂ , t ₃ ) до того, как напряжение на выводах / SD поднимется выше их пороговых значений.

Рисунок 2. Базовая дискретная последовательность для системы с четырьмя источниками питания.

Этот простой и недорогой подход к упорядочиванию источников питания требует небольшой площади на плате и вполне приемлем во многих приложениях. Он подходит для систем, в которых стоимость является основным фактором, требования к последовательности просты, а точность схемы последовательности не имеет решающего значения.

Но во многих ситуациях требуется более высокая точность, чем это доступно с RC цепями запаздывания. Кроме того, это простое решение не позволяет устранять неисправности структурированным образом (например,g., сбой питания 5 В в конечном итоге приведет к выходу из строя других шин).

Секвенирование с помощью ИС

На рис. 3 показано, как микросхемы упорядочивания питания ADM6820 и ADM1086 могут использоваться для точного и надежного упорядочивания шин питания в аналогичной системе. Внутренние компараторы обнаруживают, когда напряжение на шине превышает точно установленный уровень. Выходы утверждаются после программируемых задержек включения, что позволяет регуляторам ADP3309 и ADP3335 в желаемой последовательности. Пороги устанавливаются соотношениями сопротивлений; задержка устанавливается конденсатором.

Рисунок 3. Последовательность работы системы с четырьмя источниками питания с ИС для мониторинга.

Доступен широкий выбор ИС для упорядочивания источников питания. Некоторые устройства имеют выходы, которые можно использовать для непосредственного включения силовых модулей, и доступны многочисленные конфигурации выходов. Некоторые из них включают в себя встроенные генераторы напряжения с накачкой заряда . Это особенно полезно для низковольтных систем, которым необходимо упорядочить шины, которые генерируются вверх по потоку, но не имеют источника высокого напряжения, такого как шина 12 В, для управления затвором полевого транзистора с каналом n .Многие из этих устройств также имеют разрешающие контакты, позволяющие подавать внешний сигнал — от кнопочного переключателя или контроллера — для перезапуска последовательности или отключения управляемых направляющих, когда это необходимо.

Интегрированное управление энергосистемой

В некоторых системах так много шин питания, что дискретные подходы, использующие большое количество ИС и устанавливающие временные и пороговые уровни с помощью резисторов и конденсаторов, становятся слишком сложными и дорогостоящими и не могут обеспечить адекватную производительность.

Рассмотрим систему с восемью шинами напряжения, для которой требуется сложная последовательность включения питания.Каждую рейку необходимо контролировать на предмет повреждений при пониженном и повышенном напряжении. В случае неисправности все напряжения могут быть отключены, или может быть инициирована последовательность отключения питания, в зависимости от механизма отказа. Действия должны выполняться в зависимости от состояния сигналов управления, а флаги должны генерироваться в зависимости от состояния источников питания. Реализация схемы такой сложности с дискретными устройствами и простыми ИС может потребовать сотен отдельных компонентов, огромного пространства на плате и значительных совокупных затрат.

В системах с четырьмя или более напряжениями может иметь смысл использовать централизованное устройство для управления источниками питания. Пример этого подхода можно увидеть на рисунке 4.

Рис. 4. Централизованное решение для контроля последовательности и мониторинга для системы с восемью источниками питания.

Централизованный мониторинг и последовательность

Семейство ADM106x Super Sequencer ^{™ продолжает использовать компараторы, но с некоторыми важными отличиями. Для каждого входа выделено два компаратора, поэтому можно реализовать обнаружение пониженного и повышенного напряжения, обеспечивая тем самым оконный мониторинг шин, созданных преобразователями постоянного тока ADP1821 и ADP2105 и LDO ADP1715.Ошибка пониженного напряжения — это нормальное состояние шины перед подачей питания, поэтому эта индикация используется для определения последовательности. Состояние перенапряжения обычно указывает на критическую неисправность — например, короткое замыкание полевого транзистора или катушки индуктивности — и требует немедленных действий.}

Системы с большим количеством расходных материалов обычно имеют большую сложность и, следовательно, имеют более жесткие ограничения по точности. Кроме того, установка точных пороговых значений с помощью резисторов становится сложной задачей при более низких напряжениях, таких как 1,0 В и 0,9 В. Хотя допуск 10% может быть приемлемым для шины 5 В, этот допуск обычно недостаточен для шины 1 В.ADM1066 позволяет устанавливать пороги компаратора входного детектора в пределах 1% наихудшего случая, независимо от напряжения (всего 0,6 В) — и во всем диапазоне температур устройства. Он добавляет к каждому компаратору внутреннюю фильтрацию сбоев и гистерезис. Его логические входы могут использоваться для запуска последовательности включения питания, отключения всех шин или выполнения других функций.

Информация из банка компараторов, поступающая в мощный и гибкий ядро ​​сценической машины, может быть использована для различных целей:

Последовательность: Когда выходное напряжение недавно включенного источника питания попадает в окно, может быть запущена временная задержка для включения следующей шины в последовательности включения питания.Возможна сложная последовательность, с несколькими последовательностями включения и выключения, или совершенно разными последовательностями для включения и выключения питания.

Тайм-аут: Если задействованная шина не включается должным образом, можно предпринять соответствующие действия (например, создание прерывания или выключение системы). Чисто аналоговое решение просто зависло бы в этой точке последовательности.

Мониторинг: Если напряжение на какой-либо шине выходит за пределы заданного окна, можно предпринять соответствующие действия — в зависимости от неисправной шины, типа возникшей неисправности и текущего режима работы.Системы с более чем пятью источниками питания часто дороги, поэтому комплексная защита от сбоев имеет решающее значение.

Встроенная подкачка заряда используется для генерации примерно 12 В возбуждения затвора, даже если максимальное доступное напряжение системы составляет всего 3 В, что позволяет выходам напрямую управлять полевыми транзисторами серии n . Дополнительные выходы включают или отключают преобразователи или регуляторы постоянного тока в постоянный, позволяя выходу внутренне подтягиваться к одному из входов или к регулируемому напряжению на плате.Выходы также могут быть заявлены с открытым стоком. Выходы также могут использоваться как сигналы состояния, такие как power good or power-on reset. При необходимости светодиоды состояния могут управляться напрямую с выходов.

Корректировка предложения

В дополнение к мониторингу нескольких шин напряжения и обеспечению решения для сложной последовательности, интегрированные устройства управления питанием, такие как ADM1066, также предоставляют инструменты для временной или постоянной регулировки напряжения отдельных шин.Выходное напряжение преобразователя или регулятора постоянного тока может быть изменено путем регулировки напряжения в узле подстройки или обратной связи этого устройства. Обычно резистивный делитель между выходом и землей модуля устанавливает номинальное напряжение на выводе подстройки / обратной связи. Это, в свою очередь, устанавливает номинальное выходное напряжение. Простые схемы, включающие переключение дополнительных резисторов или управление переменным сопротивлением в контуре обратной связи, изменят напряжение подстройки / обратной связи и, следовательно, отрегулируют выходное напряжение.

ADM1066 оснащен цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) для прямого управления узлом подстройки / обратной связи.Для максимальной эффективности эти ЦАП не работают между землей и максимальным напряжением; вместо этого они работают через относительно узкое окно с центром на номинальном уровне подстройки / обратной связи. Значение резистора ослабления масштабирует инкрементное изменение на выходе силового модуля с каждым изменением младшего разряда ЦАП. Эта регулировка разомкнутого контура обеспечивает уровни увеличения и уменьшения запаса, эквивалентные тем, которые получаются при цифровом переключении сопротивления в опорной цепи, и будет регулировать выходной сигнал с аналогичной точностью.

ADM1066 также включает в себя 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для измерения напряжения питания, поэтому можно реализовать схему регулировки питания с обратной связью . При заданной настройке выхода ЦАП выходное напряжение силового модуля оцифровывается АЦП и сравнивается с заданным напряжением в программном обеспечении. Затем можно настроить ЦАП для калибровки выходного напряжения как можно ближе к целевому напряжению. Эта схема с обратной связью обеспечивает очень точный метод регулировки подачи.При использовании метода с обратной связью точность внешних резисторов не имеет значения. На рисунке 4 выходное напряжение DC-DC4 регулируется одним из встроенных ЦАП.

Есть два основных применения схемы регулировки подачи. Первый — это концепция , на которой наценены на источники питания, т. Е. Проверка реакции системы на работу своих источников питания на границах указанного диапазона напряжения питания оборудования. Производители оборудования для передачи данных, телекоммуникаций, сотовой инфраструктуры, серверов и сетей хранения данных должны тщательно тестировать свои системы перед отправкой конечным клиентам.Все источники питания в системе должны работать с определенным допуском (например, ± 5%, ± 10%). Маржа позволяет отрегулировать все расходные материалы на борту до верхнего и нижнего пределов допустимого диапазона с проведением тестов для обеспечения правильной работы. Централизованное устройство управления питанием с возможностью регулировки питания можно использовать для выполнения этого испытания на запас, при этом сводя к минимуму потребность в дополнительных компонентах и ​​площади печатной платы, необходимой для выполнения функции, которая требуется только один раз — во время испытания запаса на испытательном полигоне производителя.

Четыре- уголки Тестирование, то есть тестирование в рабочем диапазоне напряжения и температуры оборудования, часто требуется, поэтому ADM1062 объединяет измерение температуры и обратное считывание в дополнение к схеме запаса источника питания с обратной связью.

Второе применение схемы регулировки подачи — это компенсация колебаний подачи системы в полевых условиях. У таких различий много причин. В краткосрочной перспективе довольно часто напряжения незначительно изменяются при изменении температуры.В долгосрочной перспективе значения некоторых компонентов могут незначительно изменяться в течение срока службы продукта, что может привести к дрейфу напряжения. Цепи АЦП и ЦАП можно активировать периодически (например, каждые 10, 30 или 60 секунд) в сочетании с циклом программной калибровки, чтобы поддерживать напряжение там, где оно должно быть.

Гибкость

ADM1066 имеет встроенную энергонезависимую память, что позволяет его перепрограммировать столько раз, сколько необходимо, в то время как потребности системы в последовательности и мониторинге развиваются в процессе разработки.Это означает, что проектирование оборудования может быть завершено на ранней стадии процесса прототипа, а оптимизация мониторинга и последовательности может выполняться по мере выполнения проекта.

Такие функции, как цифровое измерение температуры и напряжения, упрощают и ускоряют процесс оценки. Инструменты маржирования позволят регулировать шины напряжения во время цикла разработки. Таким образом, в ситуации, когда ключевой ASIC, FPGA или процессор также находятся в разработке, а уровни напряжения питания или требования к последовательности находятся в постоянном изменении по мере поставки новых версий кремния, простую настройку можно выполнить через графический интерфейс программного обеспечения. .Таким образом, устройство управления питанием можно перепрограммировать за несколько минут, чтобы учесть изменения, без необходимости физического изменения компонентов на плате или, что еще хуже, перепроектирования оборудования.

Заключение

Растущее количество шин напряжения и появление последовательности источников питания повысили требования к проектировщикам питания во всех видах устройств и систем — от ноутбуков, телевизионных приставок и автомобильных систем до серверов и хранилищ, сотовой связи. базовые станции и системы Интернет-маршрутизации и коммутации.Также представляют интерес более строгие процедуры тестирования, новые уровни сбора информации и быстрое и простое программирование, особенно в системах среднего и высокого уровня. Для повышения устойчивости и надежности, а также для добавления этих жизненно важных новых функций доступно множество новых интегральных схем управления питанием, которые помогают решать эти проблемы безопасно, эффективно и с минимальной площадью платы, сокращая при этом время вывода на рынок.

Напряжение обратной связи — обзор

3.2.1 Операционный усилитель

Наиболее распространенным полупроводниковым компонентом аналоговой схемы является операционный усилитель , который называется операционным усилителем . Этот элемент схемы обычно представляет собой монолитное устройство (интегральную схему), хотя гибридные модули на основе дискретных транзисторов до сих пор используются в специальных приложениях. Операционный усилитель используется как в линейных, так и в нелинейных приложениях, связанных с усилением и преобразованием сигналов.

«Классический» операционный усилитель, о котором мы подробно поговорим здесь, основан на архитектуре с обратной связью по напряжению.Существует более новый класс усилителей, основанный на архитектуре с обратной связью по току, который мы рассмотрим позже в этой главе при обсуждении высокочастотных схем.

Операционный усилитель, показанный на рисунке 3-2, состоит из дифференциального усилителя напряжения, который может работать на частотах от нуля до нескольких мегагерц. Однако существуют специальные высокочастотные усилители, работающие на частотах до нескольких сотен мегагерц. Операционный усилитель имеет два входа, называемых неинвертирующим (+) и инвертирующим (-), и реагирует на разницу напряжений между ними.Часть выходного сигнала, полученного от источника (+), находится в фазе со входом, в то время как часть выходного сигнала (-) источника сдвинута по фазе на 180 °. Если сигнал одинаково подан на оба входа, выход будет нулевым.

Рисунок 3-2. Операционный усилитель (ОУ).

Это свойство называется подавлением синфазного сигнала . Поскольку операционный усилитель может иметь очень высокое усиление на низких частотах (обычно 100000), высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) предотвращает усиление нежелательного шума, такого как повсеместная частота в линии электропередачи 60 Гц.Типичные операционные усилители имеют CMRR в диапазоне 80–100 децибел (дБ).

Большинство операционных усилителей питаются от двойного симметричного напряжения питания: + В, и — В, относительно земли, где В, обычно находится в диапазоне от 3 до 15 В. Некоторые блоки предназначены для работы от однополярных источников питания (только + V ). Существуют низковольтные операционные усилители с очень малой мощностью, предназначенные для использования в оборудовании с батарейным питанием. Операционные усилители имеют очень высокое входное сопротивление на входе + (обычно 1 миллион Ом или более) и низкое выходное сопротивление (в диапазоне от 1 до 100 Ом).Коэффициент усиления операционного усилителя с обратной связью по напряжению уменьшается с увеличением частоты сигнала, как показано на рисунке 3-3. Точка на кривой зависимости коэффициента усиления от частоты, где его коэффициент усиления достигает 1, называется его частотой единичного усиления , , которая равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы частот, — константе над низкими частотами.

Рисунок 3-3. Типичная кривая зависимости коэффициента усиления от частоты для операционного усилителя.

Однако операционный усилитель — это больше, чем дифференциальный усилитель. Его настоящая красота заключается в том, насколько легко его функциональность может быть изменена путем модификации компонентов во внешней цепи.Изменяя элементы в контуре обратной связи (подключенные между выходом и одним или обоими входами), все характеристики цепи изменяются как количественно, так и качественно. Операционный усилитель действует как серво-контур, всегда пытаясь настроить свой выход так, чтобы разница между его двумя входами была равна нулю.

Здесь мы рассмотрим некоторые распространенные применения операционных усилителей. Читателю следует обратиться к библиографии других книг, в которых теория и практика операционных усилителей рассматриваются более глубоко.

Простейшей схемой операционного усилителя является повторитель напряжения , показанный на Рисунке 3-4. Он характеризуется полной обратной связью от выхода к инвертирующему (-) входу, где выход находится в фазе с неинвертирующим (+) входом. Это буфер с очень высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Если операционный усилитель имеет входы JFET (переходного полевого транзистора), его входное сопротивление чрезвычайно велико (до 10 ¹³ Ом).

Рисунок 3-4. Повторитель напряжения на операционном усилителе.

Инвертирующий усилитель , показанный на рисунке 3-5, использует резистор обратной связи R ₂ с входным резистором R ₁ для получения коэффициента усиления по напряжению R ₂ / R ₁ с выходным сигналом, обратным входному. Резистор R ₃ , используемый для баланса постоянного тока, должен быть приблизительно равен комбинации параллельных сопротивлений R ₁ и R ₂ .Здесь входной импеданс в первую очередь определяется значением R ₁ , поскольку вход (-) операционного усилителя действует как виртуальная земля.

Рисунок 3-5. Инвертирующий усилитель операционного усилителя.

В неинвертирующем усилителе , показанном на рис. 3-6, используется резистор обратной связи R ₂ с заземленным резистором R ₁ для получения коэффициента усиления по напряжению ( R ₁ + R ₂ ) / R ₁ с выходом, повторяющим форму входа (следовательно, неинвертирующим).В отличие от инвертирующего усилителя, который может иметь произвольно малое усиление значительно ниже 1, неинвертирующий усилитель имеет минимальное усиление, равное 1 (когда R ₂ = 0). В этом случае входной импеданс очень высок (обычно от 10 ⁷ до 10 ⁹ Ом), что определяется спецификацией операционного усилителя.

Рисунок 3-6. Неинвертирующий усилитель операционного усилителя.

Разностный усилитель , показанный на рисунке 3-7, выдает выходной сигнал, пропорциональный разнице между двумя входными сигналами.Если R ₁ = R ₂ и R ₃ = R ₄ , то выходное напряжение будет ( В _дюйм2 — В _{1 дюйм 1} — В _{1 дюйм 1 ( R 3 / R 1 ).}

Рисунок 3-7. Дифференциальный усилитель на операционном усилителе.

В простом интеграторе , показанном на рисунке 3-8, элементом обратной связи является конденсатор ( C ), производящий нелинейный отклик.Резистор R ₁ и конденсатор C имеют постоянную времени R ₁ C . Изменение выходного напряжения во времени ( dV _out / dt ) = −V _in / ( R ₁ C ). Другими словами, выходное напряжение является интегралом от В _в / ( R ₁ C ) dt. Итак, эта схема интегрирует форму входного сигнала.Например, прямоугольный входной сигнал будет давать треугольный выходной сигнал, если постоянная времени интегратора близка к периоду входного сигнала.

Рисунок 3-8. Интегратор операционного усилителя.

Точно так же на рисунке 3-9 показан простой дифференциатор , , в котором положения резистора и конденсатора противоположны положениям в схеме интегратора. Здесь выходное напряжение составляет R ₁ C ( dV _в / dt ).

Рисунок 3-9. Дифференциатор операционного усилителя.

Более сложные схемы операционных усилителей включают в себя генераторы (генераторы с фиксированной частотой и напряжением, или ГУН), аналоговые умножители и делители (используемые в аналоговых компьютерах и схемах модуляции), активные фильтры, прецизионные диоды, пиковые детекторы и логогенераторы.

При выборе операционного усилителя для конкретного приложения необходимо учитывать множество факторов, таких как частотная характеристика, требуемое усиление, напряжение источника питания и выходной ток.Некоторые другие важные характеристики включают входное напряжение смещения и входной ток смещения.

Напряжение смещения на входе усилителя составляет кажущееся напряжение на входе, даже если приложено нулевое напряжение. Это напряжение ошибки постоянного тока умножается на коэффициент усиления схемы операционного усилителя для получения выходного напряжения ошибки. Например, рассмотрим типичный операционный усилитель с входным напряжением смещения 5 мВ, используемый в схеме с коэффициентом усиления 20. Это приведет к ошибке смещения на выходе 100 мВ. В зависимости от приложения эта ошибка может быть неприемлемой (особенно если вы усиливаете сигнал датчика, выходной сигнал которого сопоставим с входным напряжением смещения).В этом случае следует использовать прецизионный операционный усилитель с очень низким входным напряжением смещения (1 мВ) или обнулить напряжение смещения с помощью дополнительных компонентов, подключенных к выводу настройки нуля ИС.

Входной ток смещения — это постоянный ток, который течет от входа операционного усилителя к компонентам, подключенным к этому входу. Если устройство на входе операционного усилителя имеет очень высокий импеданс (или является устройством с токовым выходом с очень маленьким выходом), эта ошибка может быть значительной. Рассмотрим резистивный датчик с импедансом 100 000 Ом, подключенный к повторителю напряжения операционного усилителя (рис. 3-4).Если операционный усилитель имеет входной ток смещения 1 мкА, он создает напряжение ошибки постоянного тока В _err = I _{i b} x R _in = 1 мкА × 100000 Ом = 0,1 В. В таком случае более подходящим будет ОУ с высоким входным сопротивлением и низким входным током смещения (1 нА или меньше).

Многие другие аналоговые интегральные схемы, помимо операционных усилителей, используются в качестве общих строительных блоков в системах формирования сигналов. Эти ИС включают в себя компараторы напряжения, контуры фазовой автоподстройки частоты и функциональные генераторы.

Как источник питания регулирует выходное напряжение и ток?

Практические инструкции

Резюме

Как источник питания регулирует выходное напряжение и ток?

Описание

CV и CC являются основными режимами работы большинства источников питания. Но что именно происходит внутри блока питания, что дает ему возможность регулировать выходное напряжение или ток в зависимости от нагрузки? Если вы когда-нибудь задумывались об этом, больше не удивляйтесь!

Большинство источников питания регулируют либо свое выходное напряжение, либо выходной ток на постоянном уровне, в зависимости от сопротивления нагрузки относительно выходного напряжения источника питания и настроек тока.Это можно резюмировать следующим образом:

· Если R нагрузка> (V out / I out), то источник питания находится в режиме CV

· Если R нагрузка <(V out / I out), то источник питания находится в режиме CC

Для достижения этой цели все источники питания имеют отдельные контуры управления с обратной связью по напряжению и току для ограничения выходного напряжения или тока в зависимости от нагрузки. Чтобы проиллюстрировать это, на рисунке 1 показана принципиальная схема базового блока питания с последовательным выходом 5 В и 1 А, работающего в режиме постоянного напряжения.

Рисунок 1: Базовая схема источника питания постоянного тока, работа при постоянном напряжении (CV)

Каждый контур / усилитель управления CV и CC имеет опорное входное значение. В этом случае оба эталонных значения составляют 1 вольт. Чтобы регулировать выходное напряжение, усилитель ошибки CV сравнивает свое опорное напряжение 1 вольт с резисторным делителем, который делит выходное напряжение в 5 раз, ограничивая выходное напряжение до 5 вольт. Точно так же усилитель ошибки CC сравнивает свое опорное напряжение 1 В с шунтирующим резистором 1 Ом, расположенным на пути выходного тока, ограничивая выходной ток до 1 А.Для рисунка 1 сопротивление нагрузки составляет 10 Ом.

Поскольку это сопротивление нагрузки больше, чем (V out / I out) = 5 Ом, источник питания работает в режиме CV. Усилитель ошибки CV управляет последовательным транзистором, отводя избыточный базовый ток от последовательного транзистора через диодную схему «ИЛИ». Усилитель CV работает в замкнутом контуре, поддерживая напряжение ошибки на уровне нуля вольт. Для сравнения, поскольку фактический выходной ток составляет всего 0,5 А, усилитель CC пытается включить ток сильнее, но не может, потому что усилитель CV контролирует выход.

Усилитель CC работает без обратной связи. Его выход достигает положительного предела, а напряжение ошибки -0,5 В. Схема I-V на выходе для этой операции с постоянным напряжением показана на рисунке 2.

Рисунок 2: Схема I-V источника питания, работа CV

Теперь предположим, что мы увеличиваем нагрузку, уменьшая выходное сопротивление нагрузки с 10 Ом до 3 Ом. На рисунке 3 показана принципиальная схема нашего базового блока питания с последовательным выходом на 5 В и 1 А, пересмотренного для работы в режиме CC с нагрузочным резистором 3 Ом.

Рисунок 3: Базовая схема источника питания постоянного тока, работа при постоянном токе (CC)

Поскольку сопротивление нагрузки меньше (V out / I out) = 5 Ом, источник питания переключается в режим CC. Усилитель ошибки CC берет на себя управление, когда падение напряжения на токовом шунтирующем резисторе увеличивается, чтобы соответствовать эталонному значению 1 В, соответствующему выходному сигналу 1 А, потребляя избыточный базовый ток из последовательного транзистора через диодную схему «ИЛИ».

Усилитель CC теперь работает с замкнутым контуром, регулируя выходной ток для поддержания входного напряжения ошибки на нуле. Для сравнения, поскольку фактическое выходное напряжение теперь составляет всего 3 вольта, усилитель CV пытается увеличить выходное напряжение, но не может, потому что усилитель CC контролирует выход. Усилитель CV работает без обратной связи. Его выходной сигнал теперь достигает своего положительного предела, в то время как он имеет напряжение ошибки -0,4 В.

Выходная I-V-диаграмма для этой операции с постоянным током показана на рисунке 4.

Рисунок 4: Схема I-V источника питания, работа CC

Как мы уже видели, большинство источников питания имеют отдельные контуры управления током и напряжением для регулирования своих выходов либо в режиме постоянного напряжения (CV), либо в режиме постоянного тока (CC). Один или другой берет на себя управление, в зависимости от того, какое сопротивление нагрузки зависит от выходного напряжения и тока источника питания. Таким образом, нагрузка и источник питания защищены за счет ограничения напряжения и тока, подаваемых источником питания на нагрузку.

Понимая эту теорию, лежащую в основе работы источника питания CV и CC, также легче понять основную причину того, почему различные характеристики источника питания такие, какие они есть, а также увидеть, как можно создать другие возможности источника питания, построив сверху.