Импульсный блок питания принцип работы для чайников. Принцип работы и устройство импульсного блока питания: подробное руководство

Как устроен импульсный блок питания. Из каких основных блоков состоит ИБП. Как работает каждый блок импульсного источника питания. Какие преимущества у импульсных БП перед линейными. Как диагностировать и ремонтировать импульсные блоки питания.

Принцип работы импульсного блока питания

Импульсный блок питания (ИБП) преобразует входное переменное напряжение сети в стабилизированное постоянное напряжение на выходе. В отличие от линейных блоков питания, ИБП работает на высокой частоте (десятки-сотни кГц), что позволяет значительно уменьшить габариты и вес трансформатора.

Основные этапы работы ИБП:

1. Выпрямление входного переменного напряжения
2. Преобразование выпрямленного напряжения в импульсы высокой частоты
3. Трансформация импульсов высокой частоты
4. Выпрямление высокочастотных импульсов
5. Стабилизация выходного напряжения

Структурная схема импульсного блока питания

Типовой импульсный блок питания состоит из следующих основных узлов:

• Входной выпрямитель и фильтр
• Высокочастотный преобразователь
• Импульсный трансформатор
• Выходной выпрямитель и фильтр
• Схема обратной связи и управления
• Вспомогательный источник питания

Входной выпрямитель и фильтр

Этот блок преобразует входное переменное напряжение сети в пульсирующее постоянное. Обычно используется мостовая схема выпрямления на диодах. Сглаживающий фильтр на электролитических конденсаторах большой емкости уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.

Высокочастотный преобразователь

Ключевой узел ИБП, преобразующий постоянное напряжение в импульсы высокой частоты. Обычно выполняется на MOSFET или IGBT транзисторах, работающих в ключевом режиме. Управляется ШИМ-контроллером, который формирует управляющие импульсы и регулирует их скважность для стабилизации выходного напряжения.

Импульсный трансформатор

Трансформирует высокочастотные импульсы, обеспечивая гальваническую развязку входных и выходных цепей. За счет высокой рабочей частоты (десятки-сотни кГц) имеет малые габариты и вес по сравнению с низкочастотными трансформаторами.

Выходной выпрямитель и фильтр

Выпрямляет высокочастотные импульсы с вторичной обмотки трансформатора и сглаживает пульсации. Обычно используются быстродействующие диоды Шоттки и LC-фильтры. В мощных ИБП применяется синхронное выпрямление на MOSFET-транзисторах.

Схема обратной связи и управления

Контролирует выходное напряжение и управляет работой высокочастотного преобразователя через оптронную развязку. Обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении нагрузки и входного напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания

Основные достоинства ИБП по сравнению с линейными источниками питания:

• Высокий КПД (до 90-95%)
• Малые габариты и вес
• Широкий диапазон входных напряжений
• Возможность получения нескольких выходных напряжений
• Хорошая стабилизация выходного напряжения

Диагностика неисправностей импульсных блоков питания

Основные этапы диагностики ИБП:

1. Внешний осмотр на наличие видимых повреждений
2. Проверка входных цепей и предохранителей
3. Измерение сопротивления первичной цепи
4. Проверка силовых ключей (MOSFET, IGBT)
5. Диагностика ШИМ-контроллера
6. Проверка импульсного трансформатора
7. Тестирование выходных цепей

Типовые неисправности импульсных блоков питания

Наиболее распространенные неисправности ИБП:

• Выход из строя силовых ключей
• Пробой высоковольтных конденсаторов
• Неисправность ШИМ-контроллера
• Обрыв или межвитковое замыкание в трансформаторе
• Пробой выходных диодов
• Выход из строя микросхем стабилизаторов

Ремонт импульсных блоков питания

Основные этапы ремонта ИБП:

1. Точная диагностика неисправности
2. Замена вышедших из строя компонентов
3. Проверка параметров отремонтированного блока
4. Тестирование под нагрузкой
5. Настройка и калибровка (при необходимости)

При ремонте ИБП важно соблюдать меры безопасности, так как в них присутствуют опасные напряжения. Ремонт должен выполняться квалифицированными специалистами с использованием качественных комплектующих.

Заключение

Импульсные блоки питания — сложные электронные устройства, требующие глубоких знаний для диагностики и ремонта. Понимание принципов работы ИБП позволяет эффективно выявлять и устранять неисправности. При соблюдении правил эксплуатации современные импульсные источники питания обеспечивают высокую надежность и длительный срок службы.

Импульсный блок питания на одном транзисторе со стабилизацией. Схема

Главная » Источники питания » Импульсный блок питания на одном транзисторе со стабилизацией. Схема

Данный импульсный блок питания изначально был создан в качестве источника питания для цифровой камеры.

Ток потребления самой камеры в районе 600 мА, а в пиковом режиме до 1300 мА. Разумеется, можно было бы применить обычный линейный блок питания, например, на стабилизаторе LM317, но в этом случае КПД его будет не высоким, да и еще с массивным трансформатором и радиатором для стабилизатора.

Данный же импульсный блок питания является оптимальным решением. Ниже приведена принципиальная схема компактного импульсного блока питания на одном транзисторе и оптопаре. Импульсный блок питания без оптопары с косвенной стабилизацией был бы еще проще, но в этом случае его выходное напряжение будет недостаточно стабильным.

Этот импульсный блок питания функционирует как обратный преобразователь.

Принцип работы его достаточно прост: при подаче напряжения на схему через резистор R3 немного открывания транзистор VT1 (MJE13005). Он обеспечивает на дополнительной обмотке трансформатора (8 вит.) положительное напряжение, которое в свою очередь полностью открывает транзистор.

Когда конденсатор C3 разряжается, транзистор закрывается, а возникшее во вторичной обмотке трансформатора напряжение заряжает конденсатор фильтра (C5). Когда конденсатор C3 заряжается, транзистор открывается, и все повторяется.

Когда желаемое напряжение, заданное делителем на резисторах R7 и R8, включает VD5 (TL431), светодиод в оптопаре VD3 (4N35) начинает светиться, и фототранзистор ограничивает ток на базе транзистора. Это сокращает рабочий цикл ШИМ и снижает энергию, подаваемую на трансформатор. Данный метод стабилизации очень эффективен, напряжение на нагрузке падает не более чем на 0,01 В.

Данный импульсный блок питания не способен работать без нагрузки. Для устранения этой проблемы на выходе установлен резистор R9 имитирующий нагрузку.

Для защиты от перенапряжения, в случае отказа узла стабилизации, на выходе установлен стабилитрон VD6. Его напряжение стабилизации немного больше чем выходное напряжение блока питания.

Резистор R1 уменьшает пусковой ток при включении, а конденсатор C1 подавляет электромагнитные помехи. На рабочую частоту преобразователя влияет изменение емкости конденсатора C3.

Трансформатор выполнен на ферритовом сердечнике EE с эффективным сечением 0,5 см². Вначале наматываем половину витков первичной обмотки (40 витков) эмалированным медным проводом диаметром 0,2…0,3 мм. Далее поверх этой обмотки наматываем хороший слой изоляции (не менее 7 слоев изоленты). После этого наматываем вторичную обмотку (4 витка). Для безопасности можно использовать провод с толстой изоляцией.

Потом снова наматываем не менее 7 слоев изоленты. Далее наматываем вспомогательную обмотку (8 витков) тем же проводом, что и первичная обмотка. После этого наматываем слой изоляции, который может быть не таким плотным.

И в конце наматываем оставшиеся 40 витков первичной обмотки. Затем снова несколько слоев изоляции.

Чтобы предотвратить насыщение сердечника трансформатора, между его половинками помещаем слой изоленты, образующий воздушный зазор.

Инвертор 12 В/ 220 В

Инвертор с чистой синусоидой, может обеспечивать питание переменно…

Подробнее

Конечно же, данную схему импульсного источника питания можно модифицировать для получения другого выходного напряжения. Для этого достаточно изменить количество витков вторичной обмотки (приблизительно 1 виток  = 1 вольт).

Сопротивление резистора R9 подбирается из расчета 10 Ом на каждый 1 В. Выходное напряжение можно получить путем изменения сопротивления резистора R7, так чтобы при требуемом выходном напряжении делитель подавал на вход TL431 напряжение 2,5 В.

Выпрямительный диод VD4 должен иметь обратное напряжение раз в 8 больше чем выходное напряжение блока питания. Поэтому для более высоких напряжений желательно заменить диод Шоттки быстрым диодом, так как диоды Шоттки всегда имеют низкое номинальное обратное напряжение.

Предупреждение! Импульсные источники питания не для новичков, так как большинство его цепей подключено к опасному сетевому напряжению. При плохой конструкции сетевое напряжение может попасть на выход! Конденсаторы могут оставаться заряженными до опасного напряжения даже после отключения от сети. Все, что вы делаете на свой страх и риск, за любой ущерб здоровью или имуществу мы ответственности не несем.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

Categories Источники питания Tags импульсный БП

Отправить сообщение об ошибке.

Ремонт Импульсных Блоков Питания: обучение в Bgacenter

ИБП предназначен для преобразования сетевого напряжения 220V в напряжения необходимые для стабильной работы подключенных к нему потребителей. Также PSU обеспечивает стабилизацию выходных напряжений, осуществляет защиту от коротких замыканий, выдает необходимую мощность, в зависимости от присоединенной нагрузки.

Данный материал подготовлен преподавателями Bgacenter, в рамках курса – ремонт импульсных блоков питания.

Импульсный блок питания

Как работает ИБП

Неисправности ИБП

Диагностика ИБП

Как проверить блок питания

Пайка блоков питания

Оборудование для ремонта ИБП

Выводы:

Импульсный блок питания

Для обеспечения нагрузки майнеров применяются ИБП различной мощности. В данном материале подробно рассматривается БП применяемый для разных моделей асиков.

В конструкцию ИБП APW7 входит:

• корпус – из экранированной металлической коробки
• печатная плата ИБП имеет установленные радиотехнические компоненты
• система охлаждения состоит из принудительного вентилятора
• провода необходимые для подключения нагрузки

Основную функцию выполняет плата с расположенными на ней элементами.

Сторона монтажа APW7

Элементы расположенные на печатной плате ИБП:

1. FUSE предохранитель
2. Варистор
3. Конденсатор сетевого фильтра
4. Дросселя
5. Блокировочные конденсаторы
6. Конденсатор сглаживающий
7. Фильтрующие конденсаторы
8. Силовые транзисторы
9. Разъем для подключения вентилятора
10. Сглаживающие конденсаторы синхронного выпрямителя
11. Выходной трансформатор
12. Диод
13. PFC транзистор
14. Терморезисторы NTC
15. Реле
16. Дроссель схемы PFC
17. Диодный мост

Сторона печати APW7

Как работает ИБП

 

Итак, импульсный блок питания APW7 работает по следующему принципу:

1. Схема защиты от превышения напряжения и короткого замыкания. Схема состоит из варистора и предохранителя в термоусадочной трубке. При превышении напряжения свыше 350 V срабатывает варистор (пробивается), предохранитель перегорает, защищая плату ИБП от повышенного напряжения. В таком случае, ремонт состоит из замены предохранителя.
2. Следующий блок – это схема сетевого фильтра. В нее входит конденсатор два дросселя, еще один конденсатор и ряд блокировочных конденсаторов предназначенных для устранения сетевых помех и выбросов помех от блока питания в сеть. При незначительных скачках напряжения дроссель старается увеличить свое магнитное поле, в результате этого все повышенное напряжение поступающее из сети скачкообразно гасится на нем. Конденсаторы сглаживают выбросы от работы импульсного преобразователя и препятствуют проникновению в сеть.
3. После сетевого фильтра стоят терморезисторы с отрицательным сопротивлением (NTC), которые работают на уменьшение сопротивления при нагреве. Это необходимо для ограничения тока через диодный мост в первоначальный момент зарядки конденсаторов сглаживающего фильтра, стоящих после диодного моста.
4. Затем идет выпрямительный диодный мост, на нем получаем из переменного постоянное напряжение. Это напряжение на начальном этапе сглаживается фильтрующими конденсаторами большой емкости 470 мкФ на 450 V каждый. В этот момент времени на конденсаторах появляется напряжение порядка 315 V. 
5. Так как у ИБП кроме активной мощности существует реактивная, что отрицательно сказывается для работы. Конструктивно это устраняется за счет схемы PFC (Power Factor Correction) – Коррекция фактора мощности. В данном ИБП она сконструирована на задающей микросхеме импульсов и полевого транзистора. Перед транзистором установлен мощный дроссель высокой индуктивности. В результате работы данной схемы, напряжение на конденсаторах фильтра возрастает до 390 Вольт и оно теперь является основным для питания схем преобразователя постоянного тока.
6. Для работы ШИМ контроллера необходимо использовать постоянное напряжение +12 Вольт. Это напряжение формируется на вспомогательном трансформаторе и выпрямляется диодами. Также данное напряжение необходимо для питания системы охлаждения (вентилятора).
7. От 12 Вольт вспомогательного источника питается схема ШИМ-контроллера, которая формирует импульсы для преобразователя постоянного тока, состоящего из силового трансформатора и двух полевых транзисторов. Импульсы подаются от ШИМ контроллера на задающий генератор. А уже с задающего генератора импульсы поступают на затворы транзисторов которые управляют силовым трансформатором.
8. Импульсное напряжение полученное на вторичной обмотке трансформатора , за счет работы однотактного прямого преобразователя, поступает на схему синхронного выпрямителя. Где напряжение сглаживается синхронным фильтром построенным на конденсаторах и поступает на выходные клеммы для питания хешплат. Обратная связь и стабилизация напряжения осуществляется через схему ШИМ контроллера.
9. Синхронный выпрямитель управляется от схемы формирователя постоянного тока.

Неисправности ИБП

Для импульсных блоков питания характерны следующие неисправности:

• выход из строя диодного моста
• поломка PFC транзистора
• пробой силовых транзисторов
• короткозамкнутые витки силового трансформатора или его обрыв
• перегорание синхронного выпрямителя
• изменение номинала емкости фильтра синхронного выпрямителя
• отсутствие запускающих импульсов в ШИМ-контроллерах, вспомогательного источника 12V и основного 
• неисправность реле (слышны щелчки, но ИБП не включается)
• выгорание контактов клемм присоединяемой нагрузки
• не держит нагрузку
• не работает система охлаждения при исправном вспомогательном источнике 12 V
• обрыв SMD резисторов питающих микросхемы ШИМ
• неисправность SMD транзисторов в каскадах согласования

Диагностика ИБП

Ремонт блока питания APW7 начинается с внешнего осмотра. Следует обратить внимание на наличие механических повреждений и ранее выполнявшиеся ремонты. По отсутствию герметика и не отмытому флюсу, можно предположить, что ранее проводился ремонт – плату паяли. Диагностику платы начинаем с нахождения конденсаторов фильтра питания. Как правило они имеют большой размер. Смотрим номиналы его, как видим из надписи на конденсаторе он имеет параметры 450V 470 мкФ каждый.

Фильтрующие конденсаторы диодного моста

Для дальнейшего ремонта необходимо произвести его разряд, независимо от времени его нахождения в нерабочем состоянии. Тестером в режиме измерения постоянного напряжения убеждаемся в отсутствие напряжения на выводах конденсаторов. Для этого подключаем прибор со стороны печатной платы. Если есть напряжение, разряжаем конденсатор при помощи лампы накаливания мощностью 60W и проверяем заново тестером на отсутствие напряжения.

Только после этой процедуры можно выполнять дальнейший ремонт. Для облегчения поиска неисправности убеждаемся косвенно в отсутствие КЗ по цепи основного питания синхронного выпрямителя по основной цепи +12V.  

Для этого черный щуп прикладываем к выводу расположенному внизу, а красный к выводу расположенному вверху, мы должны увидеть исправные полевые транзисторы (показания мультиметра MS-319 (стрелочный), должно быть порядка 20 Ом). 

Замер выходного сопротивления по цепи 12V

Меняем местами щупы, происходит заряд конденсаторов и сопротивление увеличилось, это говорит о исправности выпрямителя.

Разряд конденсаторов выходного выпрямителя

Продолжаем ремонт, приступаем к диагностике силовой части. Тестером от разъема питания сети в режиме прозвонки проверяем вход одного провода до диодного моста (вход переменного обозначения). Тестер должен показывать 0 (или издать своеобразный звуковой сигнал), что сразу говорит о исправности одной цепи фильтра индуктивности и целостности печатного проводника и предохранителя. 

Проверка целостности предохранителя и LC фильтра до входа диодного моста

Аналогично проверяем второй провод, но на другой вывод диодного моста. Это говорит о исправности второго проводника.

Проверка провода и LC фильтра

Ремонт необходим, если мультиметр показал отличные от нуля значения. В таком случае ищем обрыв, устраняем его. В данном случае все исправно.

Далее проверяем сопротивление между двумя сетевыми контрольными точками входа. Оно должно быть высоким (тестер в режиме МОм). Измерение показало в данном случае высокое сопротивление. Это говорит об отсутствии КЗ на входе и исправности варистора. Убедившись в исправности входного блока проверяем диодный мост. 

Проверка варистора на отсутствие КЗ

Методика проверки диодного моста стандартная, режим диодной прозвонки. Убедившись в его исправности исследуем блок PFC и его цепи. Проверяем MOSFET (полевой транзистор). Ставим щупы между затвором и истоком, потом затвором и стоком – сопротивление должно быть высоким и тестер нам ничего не показывает. Это правильно.

Измерение сопротивления между затвором и стоком

Далее проверяем Сток-Исток. При приложении к истоку красного щупа, а к стоку черного, мы увидим падение напряжения на диоде порядка 0. 470 mV. В обратном приложении щупов мы не увидим никаких падений. Делаем вывод о исправности транзистора.

Проверка Сток-Исток полевого транзистора

Для измерения импульсов управления на затворе данного транзистора необходимо применить осциллограф. Если импульсы есть делаем вывод о исправности микросхемы и подачи импульса на затвор полевого транзистора.

Проверка ШИМ PFC

Далее проверяем цепь вспомогательного источника питания +12V, собранного на микросхеме ICE2QR4765 указанной по схеме принципиальной. Для этого в режиме диодной прозвонки ставим один щуп на + высоковольтного конденсатора, а второй на вывод 4 данной микросхемы ШИМ, убеждаемся в целостности обмотки трансформатора вспомогательного источника.

Проверка цепи питания микросхемы ШИМ и целостности обмотки трансформатора вспомогательного источника питания

Ремонт необходимо проводить при разряженном высоковольтном конденсаторе и отключенным ИБП от сети!

После этого проверяем работу основного ШИМ и цепей его питания согласно схемы электрической принципиальной. Далее проверяем полу мостовую схему на транзисторах MOSFET. Проверяются они при помощи мультиметра в режиме диодной прозвонки. Первоначально для каждого транзистора проверяем переход Затвор-Исток, мультиметр должен показать OL, это говорит о исправности перехода (он не пробит).

Измерение Затвор-Сток

Следующий шаг, в режиме измерения сопротивления проверяем Затвор-Исток. Одновременно проверяем сопротивление согласующего драйвера. Сопротивление исправного выхода должно быть от 10 до 20 Ом.

Проверка Затвор-Исток

Как видно из измерений, это косвенно говорит о исправности транзисторов. В случае сомнения в исправности транзисторов, их необходимо выпаять, проверить отдельно. Для проверки транзисторов применяется цифровой измеритель LCR-T4.

LCR-T4

Затем проверяем переход Сток-Исток на предмет короткого замыкания. Для этого устанавливаем красный щуп мультиметра на Исток, а черный подсоединяем к Стоку. Падение напряжения в режиме диодной прозвонки должно быть 0,434 V. Это говорит о исправности полевого транзистора.  

Измерение перехода Сток-Исток

При приложении щупов в обратном направлении мультиметр показывает OL.

Проверка перехода в обратном направлении

Как проверить блок питания

После успешного определения неисправностей и ремонта поврежденных элементов, блок необходимо протестировать. Для этого ИБП подключают через развязывающий трансформатор к питанию сети. Затем к PSU подключают электронную нагрузку необходимой мощности, для проверки на работоспособность. Тестирование выполняется на протяжении 1-2 часа. Для исключения повторного ремонта, не рекомендуется включать ИБП без подключенной нагрузки. 

Пайка блоков питания

Во время ремонта ИБП возникает необходимость проверки элементов. Для этого необходимо выпаять соответствующий элемент с печатной платы. Пайку важно производить аккуратно, используя паяльник требуемой мощности: 

• от 80 Ватт – для ремонта силовых элементов: трансформатор, силовые транзисторы, выходные диоды, диодный мост, сглаживающие конденсаторы; 
• до 60 Ватт (или термовоздушную паяльную станцию) – для ремонта компонентов малой и средней мощности.  

Если ИБП работал с нарушением температурных режимов (перегревался), то при удалении компаунда возможен отрыв SMD компонентов с печатной платы. Важно помнить про это, а при дальнейшем ремонте восстановить обвязку на плату.

При ремонте ИБП используется сплав Розе, для уменьшения температуры заводского припоя и исключения повреждения подводящих проводников. 

При монтаже необходимо припаивать на:

• паяльную пасту с температурой плавления 183 градуса Цельсия – элементы малой мощности
• ПОС 61-63 (Pb 61-63/ Sn 40) – силовые электронные компоненты.

После ремонта, перед проведением измерений на транзисторах, важно понизить температуру ИБП, так как в нагретом состоянии, ключи открыты.

Перед пайкой вновь устанавливаемых компонентов (транзисторов) их выводы нужно зачистить и залудить.

После пайки, необходимо отмыть спиртом или другим очистителем те места где выполнялась пайка.

Оборудование для ремонта ИБП

Используемое во время ремонта ИБП оборудование, расходные материалы:

• набор отверток
• бокорезы 
• пассатижи
• разрядная лампа
• мультиметр
• осциллограф
• LCR-T4
• SMD-tester 3910
• паяльник от 80 Ватт
• фен термовоздушной станции Quick 857DW+
• микроскоп СМ0745
• бор-машинка
• оловоотсос электрический
• пинцет
• зонд стоматологический (зубочистки деревянные)
• флюс паяльный
• паста BGA
• очиститель платы Falcon 530
• зубная щетка
• оплетка медная шириной 1,5 и 3,0 мм
• сплав Розе 
• ацетон для смывания лака

Выводы:

• ИБП – сложное электронное устройство. Ремонт импульсного блока питания в случае возникновения неисправности, необходимо выполнять зная принцип его узлов и элементной базы 
• Для определения неисправности ИБП важно соблюдать технику безопасности, так как имеются опасные напряжения от 300 до 400 V, в зависимости от конструкции блока (без PFC 300V с PFC 390V)
• Ремонт иногда осложняется наличием трудно удаляемого влагозащитного покрытия. В своей конструкции ИБП имеет мощные выводы силового трансформатора. Для его выпаивания требуется паяльник с большей мощностью. При ремонте необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить токопроводящие дорожки
• ИБП для проверки, после выполненного ремонта, обязательно включается под нагрузку. С отключенной нагрузкой могут выйти из строя силовые ключи
• Для того чтобы научиться ремонту импульсных блоков питания для майнеров, приглашаем вас на соответствующий курс в Bgacenter

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 бывает. 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.

Внутренняя структура импульсного источника питания

1. Силовая цепь

Ограничение пускового тока включен.

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.