Импульсные блоки питания принцип работы. Принцип работы импульсного блока питания: устройство, преимущества и особенности

Как устроен импульсный блок питания. Какие преимущества у импульсных БП по сравнению с линейными. Из каких основных компонентов состоит импульсный БП. Как работает преобразование напряжения в импульсном блоке питания. На что обратить внимание при выборе импульсного БП.

Устройство и принцип работы импульсного блока питания

Импульсный блок питания (ИБП) — это современное устройство для преобразования сетевого переменного напряжения в стабильное постоянное напряжение, необходимое для питания электронных устройств. В отличие от линейных блоков питания, импульсные БП имеют более сложную схемотехнику, но при этом обладают рядом важных преимуществ.

Основные компоненты импульсного блока питания:

• Входной фильтр и выпрямитель
• Высокочастотный преобразователь
• Импульсный трансформатор
• Выходной выпрямитель и фильтр
• Схема управления и стабилизации

Принцип работы импульсного БП заключается в следующем:

1. Сетевое напряжение выпрямляется и фильтруется
2. Полученное постоянное напряжение преобразуется в высокочастотные импульсы
3. Импульсы трансформируются в нужное напряжение
4. Выходное напряжение выпрямляется и фильтруется
5. Схема управления обеспечивает стабилизацию выходного напряжения

Преимущества импульсных блоков питания

По сравнению с линейными блоками питания, импульсные БП обладают рядом существенных преимуществ:

• Высокий КПД (до 90% и выше)
• Малые габариты и вес
• Широкий диапазон входных напряжений
• Возможность получения нескольких выходных напряжений
• Хорошая стабилизация выходного напряжения
• Защита от перегрузок и короткого замыкания

Благодаря этим преимуществам импульсные блоки питания получили широкое распространение в современной электронике, от бытовой техники до промышленного оборудования.

Входной каскад импульсного блока питания

Входной каскад ИБП выполняет следующие функции:

• Подавление помех из электросети
• Защита от импульсных перенапряжений
• Выпрямление переменного напряжения
• Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения

Типичные компоненты входного каскада:

• Варистор — для защиты от импульсных перенапряжений
• Предохранитель — для защиты от короткого замыкания
• Фильтр электромагнитных помех (ЭМП)
• Диодный мост — для выпрямления напряжения
• Высоковольтный конденсатор — для сглаживания пульсаций

Корректор коэффициента мощности (PFC) часто интегрируется во входной каскад для улучшения качества потребляемой электроэнергии.

Высокочастотный преобразователь импульсного блока питания

Высокочастотный преобразователь является ключевым элементом импульсного БП. Он выполняет следующие функции:

• Преобразование постоянного напряжения в высокочастотные импульсы
• Регулирование скважности импульсов для стабилизации выходного напряжения
• Обеспечение гальванической развязки между входом и выходом

Основные компоненты преобразователя:

• Силовые ключи (обычно MOSFET-транзисторы)
• Драйверы управления ключами
• ШИМ-контроллер
• Импульсный трансформатор

Частота преобразования обычно составляет от десятков до сотен килогерц. Это позволяет существенно уменьшить габариты трансформатора по сравнению с сетевыми трансформаторами на 50/60 Гц.

Выходной каскад импульсного блока питания

Выходной каскад ИБП выполняет следующие функции:

• Выпрямление высокочастотного напряжения с трансформатора
• Фильтрация пульсаций выходного напряжения
• Обеспечение требуемых выходных параметров (напряжение, ток)

Основные компоненты выходного каскада:

• Быстродействующие диоды Шоттки
• LC-фильтры
• Электролитические и керамические конденсаторы

В современных ИБП часто применяются синхронные выпрямители на MOSFET-транзисторах для повышения КПД.

Схема управления и стабилизации импульсного блока питания

Схема управления обеспечивает стабильность выходного напряжения и защиту БП. Ее основные функции:

• Формирование управляющих сигналов для силовых ключей
• Регулирование скважности импульсов
• Мониторинг выходных параметров
• Защита от перегрузки и короткого замыкания
• Плавный запуск БП

Ключевые компоненты схемы управления:

• ШИМ-контроллер или специализированная микросхема управления
• Цепи обратной связи
• Супервизор питания

Современные ИБП часто имеют цифровое управление на базе микроконтроллеров, что позволяет реализовать дополнительные функции и повысить надежность.

Топологии импульсных блоков питания

Существует несколько основных топологий импульсных БП, каждая из которых имеет свои особенности:

• Обратноходовой преобразователь (Flyback) — простая схема для маломощных БП
• Прямоходовой преобразователь (Forward) — эффективен для средних мощностей
• Полумостовой преобразователь — универсальная топология
• Мостовой преобразователь — для мощных БП
• Резонансные преобразователи — высокий КПД, малые помехи

Выбор топологии зависит от требуемой мощности, входного напряжения, количества выходов и других параметров.

Особенности выбора импульсного блока питания

При выборе импульсного БП следует обратить внимание на следующие параметры:

• Выходная мощность и токи по каждому каналу
• Стабильность выходного напряжения
• Уровень пульсаций и шумов
• КПД при различных нагрузках
• Диапазон входных напряжений
• Наличие корректора коэффициента мощности
• Типы и количество защит
• Температурный диапазон работы
• Габариты и способ охлаждения

Важно также учитывать требования по электромагнитной совместимости и безопасности для конкретного применения.

Заключение

Импульсные блоки питания представляют собой сложные, но эффективные устройства для преобразования электроэнергии. Их преимущества — высокий КПД, малые габариты и вес, широкие функциональные возможности — обеспечили им доминирующее положение на рынке источников питания.

Понимание принципов работы и особенностей импульсных БП позволяет грамотно подойти к их выбору и эксплуатации, обеспечивая надежное и эффективное электропитание различной аппаратуры.

Как выбрать импульсный блок питания

19.09.2022

Для работы многих современных электроприборов необходимы импульсные блоки питания. Развитию таких источников питания способствовало изобретение в 70-х годах 20 века транзисторов, обладающих большой мощностью. Они во многом заменили традиционные линейные источники питания, которые обладают более простой и надежной системой, но требуют намного больше места и имеют меньший КПД.

 

Принцип работы и применение ИБП

По сути импульсные источники питания являются инверторной системой. Их принцип работы базируется на выпрямлении входного напряжения. Далее происходит его преобразование в импульсы с увеличенной частотой и требуемыми для оборудования параметрами скважности.

ИБП используются как для бытовой техники, так и для промышленных устройств. Источники вторичного напряжения инверторного типа применяются для создания:

• компьютерной и кухонной техники,
• аппаратуры для видеонаблюдения,
• устройств сигнализации,
• источников бесперебойного питания и т. д.

По внешнему исполнению устройства легко определить его назначение:

• бескорпусные ИБП предназначаются для установки в общую или отдельную плату внутри техники;
• автономные блоки с кабелем и штекером позволяют подключать к ним различные устройства, например, смартфоны, ноутбуки, системы пожарной и охранной безопасности и т. п.

К преимуществам импульсных источников питания относят малый вес и небольшой размер устройств. Высокий коэффициент полезного действия достигается благодаря низкому выделению тепла и устойчивому положению транзисторов, которое меняется только при коммутациях каскадов силовых ключей. Малогабаритные полупроводниковые модули позволяют устанавливать защитные элементы, срабатывающие при коротком замыкании и других аварийных ситуациях.

 

Особенности подбора устройства

 

Перед покупкой импульсных блоков питания прежде всего необходимо определить, для чего требуется устройство.

Если нужен бескорпусный ИБП, то основными критериями подбора являются:

• рабочее напряжение техники,
• ее суммарная мощность,
• необходимая степень защиты устройства с учетом места эксплуатации прибора,
• подходящие габариты — изделие должно легко устанавливаться в устройство, для питания которого его используют.

Технические показатели каждой модели и предельные отклонения от нормы производитель указывает на этикетке.

При подборе автономных изделий габариты не так важны, как тип разъема. Он должен подходить к гнезду электроприбора, для питания которого предназначен. Также стоит учитывать номинальное напряжение, максимальные показатели тока и мощности нагрузки.

Для поиска подходящих источников питания воспользуйтесь нашим каталогом. Поставляем оптом аккумуляторные батареи, импульсные блоки питания и другие зарядные устройства на выгодных условиях.

Что такое блок питания компьютера, устройство, виды, схемы, принцип работы, компоненты — Железо на DTF

Анимированная версия статьи (видео)

5443 просмотров

Компьютерный блок питания (БП) это устройство, которое преобразовывает сетевое переменное напряжение в несколько постоянных напряжений, номиналом 12, 5 и 3. 3 Вольта, которые и потребляют различные компоненты компьютера.

Напряжения на входе и выходе блока питания

Есть два типа блоков питания: Импульсные (инверторные) и трансформаторные (линейные).

Плюсы и минусы Импульсных и Линейных БП

Отличаются они способом преобразования электричества, размером и КПД.

Схема линейного БП

Трансформаторный блок состоит из понижающего трансформатора и выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный. После него устанавливается фильтр (конденсатор), сглаживающий пульсации и ряд элементов обеспечивающие стабилизацию выходных напряжений и ряд защит.

Схема импульсного БП

Импульсный блок питания имеет более сложную схемотехнику, но при этом имеет меньшие габариты и большой КПД, поэтому в современных системах используют именно его.

Блок питания без крышки

Чтобы понять как в нём происходит преобразование, нужно начать с самого начала, с разъёма через который поступает высокое, переменное напряжение

Разъем серии IEC 320. (Распиновка)

Два верхних контакта, это фаза и ноль, средний контакт это заземление.
(Разъемы серии IEC 320 (вилка (папа) – в маркировке обозначается IEC C14; или розетка (мама) – обозначается IEC C13)

Если посмотреть на разъём с обратной стороны, то видно что к среднему контакту припаян проводник с металлическим лепестком на конце, который механически соединён с ближайшим винтом.

Заземляющий проводник, назначение

Так выполняется подключение корпуса к контуру заземления.

Навесные элементы на разъёме, это первый блок входного помехопадавляющего фильтра. (ПП-фильтр, ЭМП-фильтр).

Входной фильтр, навесные элементы

Фильтр состоит из двух блоков, первый ставят как можно ближе к разъёму, к источнику помех, так фильтр будет эффективней. Обычно он состоит из нескольких конденсаторов, припаянных к контактам разъёма, для защиты от кондуктивных помех.

Второй блок находится рядом на плате и выполняет более сложную фильтрацию. В минимальном варианте представляет собой дроссель и несколько конденсаторов, включенных параллельно входу и нагрузке.

Схема помехопадавлющего фильтра.

Они так же подавляют кондуктивные помехи, которые возникают в результате работы самого блока питания и приходящие из сети. В этих цепях используются специальные помехопадавляющие конденсаторы, которые разделяются на классы X и Y.
(Конденсаторы (X и Y), во входных фильтрах, выполняют из специальных негорючих материалов, так как они могут греться до очень высоких температур и могут стать причиной пожара)

Большой плёночный конденсатор подавляет дифференциальные помехи, то есть те помехи которые возникают между двумя проводниками цепи.

Конденсаторы (X и Y)

Синфазные помехи которые протекают через паразитные емкости между силовыми шинами питания и землёй, подавляются небольшими керамическими конденсаторами, они соединяют линии питания в общей точке с землей.

Входной фильтр, схема

Синфазный дроссель также создаёт сопротивление для этих помех.

Дроссель, устройство

Синфазный дроссель состоит из двух одинаковых катушек, изолированных друг от друга и намотанных на одном сердечнике. Помехи на проводниках, подключённых ко входу дросселя, встречают высокое индуктивное сопротивление обеих катушек и подавляются.

Многозвеньевый фильтр

В более сложном варианте фильтра, схемы дублируются и добавляются новые, например высокочастотные и низкочастотные фильтры.
(Для корректной работы фильтра необходимо рабочее заземление)

Это важно, так как без входного фильтра, нарушалась бы работа самого блока питания и другой техники, так как импульсный БП является мощным источником импульсных помех.

Фильтр, как и весь блок питания, на входе защищают предохранителем.

Плавкая вставка (предохранитель)

Он нужен для защиты цепи от короткого замыкания. Его номинал должен зависеть от потребляемой мощности, но в большинство БП ставят 3 или 5-амперные предохранители.
(400 Вт – 2,5 А, 600 Вт-4, 800 Вт – 5 А)

Рядом с предохранителем ставят термистор. Он защищает элементы цепи от бросков тока.

Термистор в БП

При включении импульсного блока питания, происходит резкий скачок тока превышающий рабочие параметры во много раз, для борьбы с броском тока, ставится NTC-термистор, его сопротивление при комнатной температуре велико и импульс при включении гасится об него. В процессе дальнейшего воздействия тока терморезистор нагревается и выходит в рабочий режим, в котором у него низкое сопротивление и дальше на работу цепи он не влияет.

После предохранителя ставят варистор, его устанавливают параллельно нагрузке для защиты цепи от высоковольтных импульсов. При нормальном сетевом напряжении варистор не влияет на работу схемы.

Варистор в БП, нормальное напряжение

При возникновении высоковольтного импульса, варистор резко уменьшает своё сопротивление и ток протекает через него, рассеивая импульс в виде тепла.

Варистор в БП, Высокое напряжение

При длительном перенапряжении, варистор возросшим через него током выжигает плавкий предохранитель, защищая остальные элементы блока питания от повреждения.

(Варисторы обеспечивают защиту высоковольтной части блока питания от всплесков напряжения, а термисторы — от большого тока при включении)

После этого блока отфильтрованное напряжение поступает на высоковольтный выпрямитель (ВВ).

Диодный мост, схема (Высоковольтный выпрямитель)

Выпрямитель делает из переменного напряжения, постоянное. Состоит он обычно из 4 диодов. Диоды пропускают ток только в одном направлении, при подключении их по мостовой схеме, на выходе получается пульсирующий ток одной полярности. Такую схему ещё называют «диодный мост». Иногда 4 диода можно встретить в одном корпусе, как одну микросхему.

С выхода диодного моста, пульсирующее напряжение подается на емкостной фильтр.

Ёмкостной фильтр

Его реализуют на плате как один или два высоковольтных конденсатора, включённых параллельно нагрузке.

Напряжение с выхода ёмкостного фильтра

Конденсатор запасает энергию на вершинах импульсов пульсаций и отдаёт её в нагрузку при провалах выходного напряжения моста, поэтому после фильтра получается стабильное постоянное напряжение.

Массивный дроссель с конденсатором перед фильтром, это PFC — корректор коэффициента мощности.

Корректор коэффициента мощности (PFC)

Он снижает резкую нагрузку на проводку и предотвращает её нагрев и повреждение. Дроссель препятствует заряду конденсатора на пике входной синусоиде и позволяет при спаде. Если этим процессом управляет отдельная схема на плате или контроллер, то это увеличивает эффективность блока питания и такая коррекция называется активной. В некоторых схемах для более высокой эффективности используют, несколько дросселей.
(APFC или Active PFC, Active Power Factor Correction converter)

После фильтра получившееся выпрямленное напряжение поступает на высокочастотный преобразователь.

Преобразователь (Инвертор)

Он делает из выпрямленного постоянного напряжения высокочастотные импульсы прямоугольной формы. Делается это обычно двумя мощными транзисторами, которые по очереди открываются и закрываются, их частоту и скважность, задаёт ШИМ-контроллер, путем подачи сигналов на их затворы.

Чем дольше транзистор будет открыт, тем больше он передаст энергии, на первичную обмотку главного трансформатора.

Импульсный трансформатор, устройство

Принцип работы импульсного трансформатора такой же как и у обычного, но работает он на гораздо более высоких частотах, из за чего увеличивается кпд и меньше энергии уходит в тепло, что позволяет заметно уменьшить массу и размер трансформатора, а значит и блока питания в целом.

Трансформатор состоит из нескольких катушек проволоки, намотанных на намагничиваемый сердечник. Высоковольтные импульсы, поступающие в первичную обмотку трансформатора, создают магнитное поле. Сердечник направляет это магнитное поле на другие, вторичные обмотки, создавая в них напряжение, которое зависит от количества витков.

Импульсный трансформатор, напряжения со вторичных обмоток

В разных блоках по-разному реализована элементная база, поэтому пример может отличаться, но в основном, со вторичных обмоток импульсного трансформатора, снимаются 12, 5 и 3,3 вольта.

Трансформированные напряжения с обмоток дальше поступают на выходные выпрямители.

Выходной выпрямитель

В отличии от аналога на входе, здесь ток выпрямляется с помощью силовых диодов Шоотки. В каждом таком корпусе находится по два диода, они имеют высокою рабочую частоту и низкое падение напряжения, поэтому именно их используют в качестве выходных (импульсных) выпрямителей.

После, выпрямленные напряжения с диодов поступают на выходной фильтр где сглаживаются конденсаторами и дросселями.

Выходной фильтр, схема, элементы

Обычно используют Г и П-образные LC-фильтры, так как сглаживаются высокочастотные импульсы, то большая мощность конденсаторов и катушек не нужна. Для напряжений 12В и 5В используют дроссель групповой стабилизации. 3,3 вольтовая линия стабилизируется отдельно, дросселем поменьше. Связанный дроссель, на несколько линий ставят для экономии места и уменьшения скачков напряжения при резком изменении нагрузки.

Вторичная цепь, дополнение

Бывают и другие схемы, например есть блоки питания в которых только одна несущая шина, в таких блоках со вторичной обмотки трансформатора снимается только 12 вольт, а напряжения 5 и 3,3 В получают из 12 В, с помощью DC-DC преобразователей, которые распаиваются на небольшой плате. В таких блоках питания выходные напряжения более стабильны.

Чтобы постоянно поддерживать напряжения на должном уровне, при изменении нагрузки. В импульсных блоках питания есть узел стабилизации, который дополнительно является блоком защиты от перегрузки и короткого замыкания. Выполнен узел в виде микросхемы, которая называется супервизор (supervisor).

Узел стабилизации, ШИМ-контроллер, Супервизор

В современных БП супервизор и ШИМ-контроллер объединены в одну микросхему. Она следит за величиной выходных напряжений. Если напряжение слишком низкое, микросхема увеличивает ширину импульсов (Скважность), пропуская больше мощности через трансформатор и увеличивая напряжение на вторичной обмотке БП. Если хотя бы одно из напряжений выйдет за допустимые пределы, то отключится сигнал Power Good, тем самым материнская плата экстренно остановит систему.

Питается этот узел, от отдельного трансформатора, со своим преобразователем.

Дежурный источник питания +5VSB

Даже когда компьютер «выключен», 5В источник дежурного питания обеспечивает работу: часов реального времени, функции пробуждения, а также подает питание на порты USB.
(Он работает все время, пока БП подключен к сети)

Дежурные 5 вольт поступают на материнскую плату через фиолетовый провод.

Цветовая маркировка проводов блока питания

Сигнал что питание в норме(PW_OK, Power Good), через серый. Через зелёный провод отправляется сигнал включения (PS_ON, Power On). Черный — это общий провод, «земля».

Эти провода вместе с линиями 3,3 оранжевыми проводами, 5 вольтовыми красными и 12 вольтовыми жёлтыми образуют главный 24-контактный разъём для питания материнской платы и устройств, подключённых к ней.

Разъём ATX 24 pin

Раньше на 20 и 14 контакт разъёма выводились отрицательные напряжения −5 В белый провод и −12 В синий провод.

Отрицательные напряжение, разъём ATX 24 pin

Они допускали небольшие токи, в современных материнских платах эти напряжения не используются. Поэтому в новых блоках этих проводов нет, либо они просто декоративные

PS-ON, разъём ATX 24 pin

Замыкание зелёного провода на землю (на чёрный провод), включит блок питания без подключения к материнской плате. Так его можно проверить на работоспособность

Накопители, приводы и прочие маломощные устройства питаются отдельно от разъёмов SATA и MOLEX.

Разъёмы SATA и MOLEX

Центральный процессор и видеокарты получают дополнительное питание от отдельных, разборных разъёмов

Разъёмы дополнительного питания

Основная мощность отдаётся через эти разъёмы по 12 вольтовой линии, поэтому важно чтобы сечение проводов было достаточным чтобы выдержать токовую нагрузку.

Сечение проводов

Обычно используют кабели с сечением — 0.5(20AWG) 0.8(18AWG) и 1.3 кв. мм(16AWG). Более толстые провода обладают меньшим сопротивлением, чем тонкие, поэтому меньше греются при увеличении силы тока, необходимой для нормальной работы видеокарт и процессора под нагрузкой.

Выдаваемая сила тока по всем линиям, указывается на наклейке блока питания. На ней так же указывается общая мощность.

Общая мощность

Обычно производители указывают общую мощность которая отдаётся по всем линиям, но нужно обращать внимание на мощность, которую блок питания может выдать по линии 12В, умножив напряжение на силу тока, ведь линии 5В и 3.3В в современных компьютерах практически не нагружены.

Мощность 12В линии

Принцип работы и конструкция импульсного источника питания

|

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

Обзор линейного источника питания постоянного и переменного тока

Трансформатор 50/60 Гц

Это может быть шаг вверх или вниз в зависимости от использования. Обычно это понижающая версия, поскольку обычное требуемое выходное напряжение ниже, чем входной уровень.

Выпрямитель

Преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный. Как показано на схеме, наиболее часто используемый выпрямитель представляет собой двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Фильтр

Простой фильтр представляет собой электролитический конденсатор. Это повысит среднеквадратичное значение или уровень постоянного тока выпрямленного сигнала.

Регулятор

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

Общие проблемы

Эффективность и размер являются общей проблемой, связанной с линейным источником питания AC-DC. Он также ограничен только для маломощных приложений. Для работы с большой мощностью трансформатор 50/60 Гц будет очень большим и дорогим. Отфильтрованное вторичное выпрямленное напряжение всегда должно быть значительно выше выходного, чтобы регулятор мог работать правильно. По этой причине избыточное напряжение будет поглощаться регулятором, что приведет к огромным потерям мощности при умножении на ток нагрузки. Вот почему эффективность очень низкая. Линейный источник питания AC-DC также не может обеспечить широкий входной диапазон. Например, трансформатор рассчитан на переменное напряжение от 220 В до 20 В переменного тока, вы больше не можете использовать его для 110 В переменного тока, так как вы больше не можете получить 20 В переменного тока на вторичной обмотке.

Обзор линейного источника питания постоянного тока

Выше приведена схема базового линейного источника постоянного тока постоянного тока. Это просто и очень просто, поскольку компонентов всего несколько. Однако его основным недостатком по-прежнему является эффективность, ограниченная только приложениями с низким энергопотреблением. Чтобы линейный регулятор регулировался должным образом, его входное напряжение должно быть выше его выходного напряжения с запасом. Разница во входном и выходном напряжении, кстати, называется падением напряжения. В настоящее время на рынке уже есть линейные регуляторы с низким падением напряжения. Низкое падение напряжения по-прежнему приведет к огромным потерям мощности при работе с более высоким током.

Блок-схема импульсного источника питания переменного/постоянного тока

Ниже представлена ​​блок-схема двухкаскадного импульсного источника питания переменного/постоянного тока. Первый блок представляет собой мостовой выпрямитель, предназначенный для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный. В отличие от линейного источника питания переменного/постоянного тока, этот мостовой выпрямитель требует высокого номинального напряжения, так как он непосредственно измеряет входное напряжение. Импульсный преобразователь первой ступени в большинстве случаев представляет собой повышающий преобразователь, который работает как схема коррекции коэффициента мощности или PFC. Повышающий преобразователь имеет выход выше, чем его вход. Коррекция коэффициента мощности необходима для коммутации силовых цепей, чтобы скорректировать форму тока и минимизировать гармоники. Повышающий преобразователь является лучшей схемой активной коррекции коэффициента мощности из-за его способности потреблять ток со входа в обоих состояниях Q1 (включено или выключено). Импульсный преобразователь второй ступени обычно называется секцией постоянного тока производителями или разработчиками источников питания. Для DC-DC доступно множество топологий, таких как резонансная (LLC, последовательная, параллельная), прямая (ITTF, TTF, один транзистор), мостовая и полная мостовая, и это лишь некоторые из них. На приведенной ниже схеме секция DC-DC представляет собой резонансный преобразователь LLC. Последний блок — это выходной выпрямитель и фильтр. Для приложений с высокой мощностью вместо диодов используются NMOS.

Приведенная ниже схема обычно используется для маломощных автономных адаптеров и зарядных устройств. В секции DC-DC используется только один импульсный преобразователь, который представляет собой обратноходовой преобразователь. Преобразователь обратного хода эффективен до номинальной мощности 100 Вт. В некоторых случаях Flyback используется до 200 Вт, если выполняются требования, особенно к эффективности. Ступени PFC больше нет, поскольку типичная или номинальная мощность этой конфигурации составляет около 80–120 Вт, а требования к коэффициенту мощности для этого диапазона мощности не такие строгие. Обратноходовой преобразователь очень популярен для маломощных автономных импульсных источников питания из-за его простоты и меньшего количества деталей.

Импульсный источник питания постоянного тока

Существует несколько топологий, которые можно использовать для создания импульсного источника питания постоянного тока. Ниже схема представляет собой понижающий преобразователь постоянного тока или широко известный как понижающий преобразователь. Понижающий преобразователь имеет выходное напряжение, которое ниже его входного.

Другим решением для источника питания с переключением постоянного тока является повышающий преобразователь, схема которого приведена ниже. Повышающий преобразователь имеет выход выше, чем его вход.

Комбинация понижающего и повышающего преобразователя также возможна в повышающе-понижающей топологии. Ниже приведено инвертирующее повышающе-понижающее решение. Его можно настроить на работу, когда его вход ниже, чем выход, или наоборот. Неинвертирующий повышающе-понижающий также является вариантом, но он имеет несколько компонентов, чем инвертирующий повышающе-понижающий.

Как работают импульсные источники питания

Выше мы показываем некоторые разновидности импульсных источников питания как в форме AC-DC, так и DC-DC. Что именно делает SMPS? Чем он отличается от обычного линейного источника питания?

Импульсный источник питания — это тип источника питания, в котором в качестве силовой части используется импульсный преобразователь. Это может быть несколько переключающих преобразователей в каскадной или параллельной работе или один. Импульсные преобразователи являются сердцем импульсных источников питания.

Переключающий преобразователь работает по принципу непрерывного включения и выключения полупроводникового переключателя. Включение означает работу полупроводникового переключателя, такого как MOSFET, в режиме насыщения, а выключение означает работу MOSFET в режиме отсечки. При насыщении не будет падения напряжения (в идеале) на канале MOSFET, поэтому потери мощности не будет. С другой стороны, при отключении ток не течет, поэтому потери мощности нет. Благодаря этому принципу достигается очень высокая эффективность.

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

Приведение полупроводникового переключателя в состояние насыщения и отсечки возможно с помощью ШИМ-контроллера. ШИМ-контроллер может быть аналоговой специализированной ИС (ASIC) или цифровым решением, таким как MCU, DSC и DSP. Контроллер также является тем, кто устанавливает регулирование и другие защиты цепи.

Как выход получает регулирование

Чтобы обсудить это хорошо, давайте рассмотрим понижающий преобразователь, как показано ниже. Принцип одинаков для всех импульсных преобразователей.

Возможно, вы уже слышали о системах с открытым и замкнутым контуром. Система с разомкнутым контуром не имеет возможности регулировки в зависимости от выходного поведения, а система с замкнутым контуром имеет. Например, в приведенной выше схеме (понижающий преобразователь) регулирование без обратной связи возможно за счет обеспечения фиксированного входного напряжения, фиксированной нагрузки и фиксированного рабочего цикла. Для понижающего преобразователя идеальное соотношение входного и выходного напряжения определяется рабочим циклом. Для понижающего преобразователя уравнение рабочего цикла равно 9.0003

Для получения подробной информации о расчете коэффициента заполнения понижающего преобразователя см. статью «Расчет рабочего цикла понижающего преобразователя».

Например, входное напряжение составляет 20 В, а желаемое выходное напряжение составляет 10 В, рабочий цикл можно установить на фиксированное значение 50%. Таким образом, сигнал ШИМ в приведенной выше схеме должен иметь 50% времени. Это может быть хорошо, пока вход фиксирован, а нагрузка также постоянна. Однако, когда есть небольшое возмущение, выход легко становится сумасшедшим, поэтому рекомендуется иметь замкнутый контур управления.

Для управления с обратной связью нужен хороший контроллер (стандартный контроллер), или, если вы очень хорошо разбираетесь в системе управления, вы можете разработать собственное аналоговое или цифровое управление.

Замкнутый цикл для получения нормативных требований

Ниже приведена схема понижающего преобразователя постоянного тока, который может работать от входного напряжения 30–60 В с выходной мощностью 24 В, 75 Вт. Силовая часть включает NMOS Si7852, диод SS3H9 и дроссель 47мкГн. Резистор делителя 93,1 кОм и 4,99 кОм составляют цепь обратной связи для управления по замкнутому контуру. Напряжение на 4,9Резистор 9k сравнивается с внутренним эталоном на выводе V _FB контроллера.

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

Для быстрой реакции контура необходима компенсационная сеть. В приведенной выше схеме компоненты, подключенные к V 9Вывод 0119 C составляют компенсационную сеть.

Подробнее об эксплуатации SMPS

Схемы, из которых состоят импульсные источники питания, представляют собой импульсные преобразователи. Понимание работы импульсного преобразователя также прояснит работу импульсного источника питания. Позвольте мне рассмотреть схему повышающего преобразователя ниже. Когда ШИМ имеет высокий уровень (MOSFET Q1 насыщается), переключатель Q1 включится, и на этот раз катушка индуктивности L1 будет заряжаться. Диод D1 будет смещен в обратном направлении, и нагрузка будет зависеть только от заряда конденсатора C1.

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

Импульсный источник питания Эффективность

Основной причиной популярности этого типа источника питания является способность обеспечивать более высокую эффективность. Ниже приведена таблица эффективности, достижимой для импульсного источника питания, согласно стандарту 80 plus.

 Присвойте это 80 Plus 

Эффективность рассчитывается как

Ploss – это общие потери источника питания. Ранее я упомянул нулевое рассеивание мощности, когда переключатель находится в состоянии насыщения или отсечки. В идеале, но такой идеальной системы не существует. Потери питания в импульсном режиме происходят из-за RDSon полевого МОП-транзистора, потерь при переключении, потерь на диодах, потерь смещения и потерь, связанных с катушкой индуктивности.

Руководство по проектированию SMPS

1.Знание приложения

Определите приложение. Например. для какого приложения используется источник питания, каковы окружающие условия, рабочие температуры и определить, является ли принудительное воздушное охлаждение или естественная конвекция. Принудительный воздух и естественная конвекция имеют разный подход к проектированию.

2. Определение мощности

Если вашему приложению требуется 100 Вт, не проектируйте блок питания мощностью 100 Вт. Всегда включайте запас не менее 40 % на случай внезапных перегрузок. Если позволяет бюджет, вы можете спроектировать блок питания мощностью 200 Вт, чтобы ваша нагрузка всегда составляла половину мощности блока питания. По результатам испытаний импульсный блок питания имеет наибольшую эффективность при нагрузке 50-60%.

3. Выберите топологию

После получения целевой мощности выберите используемую топологию. Для номинальной мощности менее 150 Вт Flyback является экономичным решением. Однако для более высоких требований к эффективности Flyback не является хорошим вариантом. Вы можете рассмотреть резонансное решение. Для приложений с высокой мощностью, скажем, в киловаттном диапазоне, вы можете рассмотреть полный мост в секции DC-DC. Для приложений DC-DC используйте режим buck, если вы стремитесь к более низкому выходному напряжению, режим повышения для более высокого выходного напряжения или режим buck-boost, если необходимо объединить их.

4. Решите, нужно ли включать цепь коэффициента мощности

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

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

Если да, включите в конструкцию фильтр электромагнитных помех.

6. Используйте синхронные выпрямители, параллельные МОП-транзисторы

Если вам требуется очень высокий КПД, рассмотрите возможность использования синхронного выпрямителя. Вы также можете запараллелить полевые МОП-транзисторы, чтобы еще больше снизить потери проводимости, связанные с RDson.

7. Выберите Control

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

8. Прочее

Правильный выбор устройств, следите за номинальным напряжением, током и мощностью. Будьте осторожны с допусками. Учитывайте срок службы конденсаторов, вентиляторов и оптоизоляторов.

Основы импульсного источника питания — Utmel

Импульсный источник питания (SMPS), также известный как импульсный преобразователь, представляет собой высокочастотное устройство преобразования электрической энергии и тип источника питания. Его функция заключается в преобразовании уровня напряжения в напряжение или ток, необходимые пользователю, посредством различных форм архитектуры.

Каталог

 

Ⅰ Введение

Импульсный источник питания (SMPS) отличается от линейных источников питания. Большинство переключающих транзисторов, используемых в импульсных источниках питания, переключаются между полностью открытым режимом (зона насыщения) и полностью закрытым режимом (зона отсечки). Оба режима имеют низкое рассеивание. Переключение между преобразованием будет иметь более высокое рассеивание, но время очень короткое, поэтому оно экономит энергию и генерирует меньше отработанного тепла. В идеале импульсный блок питания сам по себе не потребляет энергию. Регулировка напряжения достигается регулировкой времени включения и выключения транзистора. Наоборот, в процессе формирования выходного напряжения линейного источника питания транзистор работает в усилительной области, и он потребляет мощность. Высокая эффективность преобразования импульсного источника питания является одним из его основных преимуществ, а поскольку он имеет высокую рабочую частоту, можно использовать небольшой размер и легкий трансформатор, поэтому импульсный источник питания будет меньше по размеру и легче. чем линейный блок питания.

Импульсный источник питания

Если ключевыми факторами являются высокая эффективность, объем и вес источника питания, импульсный источник питания лучше, чем линейный источник питания. Однако импульсный источник питания более сложен, и внутренние транзисторы будут часто переключаться. Если ток переключения не был обработан, могут возникать шумы и электромагнитные помехи, влияющие на другое оборудование, а если источник питания с режимом переключения не разработан специально, его коэффициент мощности может быть невысоким.

Ⅱ Основные компоненты

Импульсный источник питания состоит из четырех частей: основной цепи, цепи управления, цепи обнаружения и вспомогательного источника питания. 1. Главная цепь

Входной фильтр : Его функция состоит в том, чтобы фильтровать помехи, существующие в сетке, и предотвращать попадание помех, создаваемых машиной, обратно в сетку.

Выпрямление и фильтрация : Прямое преобразование переменного тока сети в более плавный постоянный ток.

Инвертор : Преобразование выпрямленной мощности постоянного тока в высокочастотную мощность переменного тока, которая является основной частью высокочастотного импульсного источника питания.

Выпрямление и фильтрация на выходе : Обеспечение стабильного и надежного источника питания постоянного тока в соответствии с потребностями нагрузки.

2. Цепь управления

С одной стороны, выборки берутся с выходной клеммы и сравниваются с установленным значением, а затем инвертор управляет изменением ширины или частоты импульсов для стабилизации выходного сигнала. С другой стороны, согласно данным, предоставленным тестовой схемой, схема управления выполняет различные меры защиты для источника питания.

3. Цепь обнаружения

Обеспечивает различные рабочие параметры и данные различных приборов в цепи защиты.

4. Вспомогательный источник питания

Реализовать программный (дистанционный) запуск источника питания, а также подавать питание для схемы защиты и схемы управления (микросхемы типа ШИМ).

Ⅲ Основная классификация

В области технологии импульсных источников питания люди разрабатывают соответствующие силовые электронные устройства и технологию преобразования частоты переключения. Эти двое продвигают друг друга, продвигая импульсный источник питания в направлении защиты от помех, легкости, компактности, тонкости, малошумности, высокой надежности, с темпом роста более двух цифр каждый год. Импульсные источники питания можно разделить на две категории: AC/DC и DC/DC.

1. Миниатюрный импульсный блок питания малой мощности

Импульсные блоки питания становятся популярными и миниатюрными. Они постепенно заменят все сферы применения трансформаторов в жизни. Применение маломощных источников питания с микропереключателем должно быть сначала отражено в счетчиках с цифровым дисплеем, интеллектуальных счетчиках, зарядных устройствах для мобильных телефонов и т. д. На данном этапе страна активно продвигает строительство интеллектуальных сетей, а требования к электрическим счетчики энергии значительно увеличились. Импульсные источники питания постепенно заменят применение трансформаторов в счетчиках электроэнергии.

2. Реверсивный последовательный импульсный источник питания

Разница между реверсивным последовательным импульсным источником питания и обычным последовательным импульсным источником питания заключается в том, что выходное напряжение этого реверсивного последовательного импульсного источника питания составляет отрицательное напряжение, которое прямо противоположно положительному напряжению на выходе обычного последовательного импульсного источника питания; и из-за накопления энергии индуктора L подает ток на нагрузку только тогда, когда переключатель K выключен. Следовательно, при тех же условиях выходной ток последовательного импульсного источника питания в два раза меньше, чем выходной ток последовательного импульсного источника питания.

Ⅳ Принцип работы

Процесс работы импульсного источника питания понятен. В линейном источнике питания силовой транзистор работает в линейном режиме. Отличие от линейного источника питания заключается в том, что импульсный источник питания с ШИМ позволяет силовому транзистору работать во включенном и выключенном состоянии. В состоянии добавленное к силовому транзистору вольт-амперное произведение очень мало (при его включении напряжение низкое, а ток большой; при выключенном — напряжение высокое, а ток маленький) / произведение вольт-ампер на силовом устройстве — это потери, генерируемые на силовом полупроводниковом устройстве.

Диаграмма Берта импульсного источника питания

По сравнению с линейным источником питания, более эффективный рабочий процесс импульсного источника питания с ШИМ достигается за счет «отсечения», то есть отключения входного постоянного напряжения. в импульсное напряжение, амплитуда которого равна амплитуде входного напряжения. Скважность импульса регулируется контроллером импульсного источника питания. Как только входное напряжение превращается в прямоугольную волну переменного тока, ее амплитуда может быть увеличена или уменьшена трансформатором. Величину выходного напряжения можно увеличить, увеличив количество вторичных обмоток трансформатора. Наконец, эти формы сигналов переменного тока выпрямляются и фильтруются для получения выходного напряжения постоянного тока.

Основной задачей контроллера является поддержание стабильного выходного напряжения, и его рабочий процесс очень похож на линейный контроллер. Другими словами, функциональные блоки, опорное напряжение и усилитель ошибки контроллера могут быть спроектированы так, чтобы они были такими же, как у линейного регулятора. Разница между ними заключается в том, что выходной сигнал усилителя ошибки (напряжение ошибки) проходит через блок преобразования напряжения/длительности импульса перед возбуждением силовой лампы.

Импульсные источники питания имеют два основных режима работы: прямое преобразование и повышающее преобразование. Хотя расположение их частей очень разное, рабочий процесс очень разный, и у каждого есть свои преимущества в конкретных приложениях.

Ⅴ Направление развития

Высокочастотный импульсный источник питания – это направление развития. Высокая частота делает импульсный источник питания миниатюрным и позволяет использовать его в более широком спектре приложений, особенно в высокотехнологичных областях, что способствует развитию импульсного источника питания. Скорость роста более двух цифр развивается в направлении легкости, компактности, тонкости, низкого уровня шума, высокой надежности и защиты от помех. Импульсные источники питания можно разделить на две основные категории: AC/DC и DC/DC. Преобразователи постоянного тока в постоянный имеют модульную структуру, а технология проектирования и производственный процесс отработаны и стандартизированы и получили признание пользователей. Модульность AC/DC, в силу своих особенностей, заставляет сталкиваться с более сложными техническими и технологическими производственными проблемами в процессе модульности. Кроме того, разработка и применение импульсных источников питания имеет большое значение для экономии энергии, экономии ресурсов и защиты окружающей среды.

Силовые электронные устройства, используемые в импульсных источниках питания, в основном представляют собой диоды, IGBT и MOSFET, а также трансформаторы. SCR имеет небольшое количество применений во входных выпрямительных цепях импульсных источников питания и цепях плавного пуска. GTR сложен в управлении и имеет низкую частоту переключений. Его постепенно заменяют IGBT и MOSFET.

Направление развития импульсного источника питания — высокая частота, высокая надежность, низкое энергопотребление, низкий уровень шума, защита от помех и модульность. Поскольку ключевой технологией легких, небольших и тонких импульсных источников питания является высокая частота, основные производители импульсных источников питания стремятся к одновременной разработке новых и высокоинтеллектуальных компонентов, особенно для уменьшения потерь во вторичных выпрямительных устройствах, и улучшить Увеличивающиеся технологические инновации в ферритовых материалах для улучшения высоких магнитных свойств, полученных на высоких частотах и ​​большой плотности магнитного потока (Bs). Применение технологии SMT значительно продвинулось в импульсных источниках питания. Компоненты расположены по обеим сторонам печатной платы, чтобы импульсный блок питания был легким, маленьким и тонким. Высокая частота импульсного источника питания неизбежно изменит традиционную технологию переключения ШИМ. Реализация технологии мягкого переключения ZVS и ZCS стала основной технологией импульсного источника питания и значительно повысила эффективность работы. Для высоких показателей надежности американские производители импульсных блоков питания снижают нагрузку устройства за счет уменьшения рабочего тока и снижения температуры перехода, что значительно повышает надежность изделия.

Модуль импульсного источника питания

Модульность — общая тенденция развития импульсных источников питания. Модульные источники питания могут использоваться для формирования распределенной системы электропитания, которая может быть спроектирована как система резервирования N+1 и реализовать расширение мощности в параллельном режиме.