Импульсный блок питания теория. Принцип работы импульсного блока питания: теория и устройство — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроен импульсный блок питания. Чем отличается от трансформаторного. Какие бывают виды ИБП. Как работает ШИМ-контроллер в импульсном БП. Схема и основные узлы импульсного источника питания.

Содержание

Как работает импульсный блок питания: основные принципы

Импульсный блок питания (ИБП) преобразует переменное сетевое напряжение в стабилизированное постоянное напряжение. В отличие от трансформаторных БП, в импульсных используется высокочастотное преобразование.

Основные этапы работы импульсного БП:

Выпрямление сетевого напряжения
Преобразование постоянного напряжения в переменное высокой частоты
Трансформация высокочастотного напряжения
Выпрямление и фильтрация выходного напряжения
Стабилизация выходного напряжения с помощью ШИМ

Благодаря высокой частоте преобразования (десятки-сотни кГц) габариты и вес трансформатора значительно меньше, чем в обычных БП на 50 Гц.

Преимущества и недостатки импульсных блоков питания

Основные преимущества ИБП по сравнению с трансформаторными:

Меньшие габариты и вес
Более высокий КПД (до 90% и выше)
Возможность получения нескольких выходных напряжений
Широкий диапазон входных напряжений

К недостаткам можно отнести:

Более сложная схемотехника
Высокочастотные помехи
Необходимость применения специальных компонентов

Каковы основные отличия импульсного БП от трансформаторного. Как это влияет на характеристики.

Структурная схема импульсного блока питания

Типовая структурная схема ИБП включает следующие основные узлы:

Входные цепи (фильтр, защита)
Выпрямитель и фильтр
Инвертор (преобразователь постоянного напряжения в переменное)
Высокочастотный трансформатор
Выходной выпрямитель и фильтр
Цепи обратной связи и ШИМ-контроллер

Рассмотрим подробнее назначение и работу каждого из этих узлов импульсного БП.

Входные цепи импульсного источника питания

Входные цепи ИБП выполняют следующие функции:

Защита от перегрузки и короткого замыкания (предохранитель)
Подавление импульсных помех из сети (варистор, LC-фильтр)
Ограничение пускового тока (термистор с отрицательным ТКС)

Как устроены входные цепи ИБП. Какие компоненты используются для защиты и фильтрации.

Выпрямитель и фильтр в импульсном БП

После входных цепей сетевое напряжение выпрямляется с помощью диодного моста. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсаторами большой емкости.

Особенности высоковольтного выпрямителя ИБП:

Применение быстродействующих диодов
Использование двух последовательных конденсаторов для формирования средней точки
Параллельные резисторы для разряда конденсаторов

Какие схемы выпрямления используются в ИБП. Как выбрать конденсаторы фильтра.

Принцип работы инвертора импульсного блока питания

Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное высокой частоты. Основные схемы инверторов:

Однотактная (прямоходовая)
Двухтактная со средней точкой (пушпульная)
Полумостовая
Мостовая

В качестве ключей используются MOSFET или IGBT транзисторы. Частота преобразования обычно составляет 20-200 кГц.

Как работают разные схемы инверторов. Какие у них преимущества и недостатки.

Высокочастотный трансформатор в ИБП

Трансформатор в импульсном БП работает на высокой частоте, что позволяет значительно уменьшить его габариты. Особенности ВЧ трансформаторов:

Применение ферритовых сердечников
Использование литцендрата для обмоток
Специальная изоляция между обмотками
Наличие воздушного зазора для предотвращения насыщения

Как рассчитать и изготовить трансформатор для ИБП. Какие материалы лучше использовать.

Выходной выпрямитель и фильтр импульсного источника

Для выпрямления высокочастотного напряжения со вторичной обмотки трансформатора используются быстродействующие диоды Шоттки. Применяются следующие схемы выпрямления:

Однополупериодная
Двухполупериодная со средней точкой
Мостовая

Для фильтрации выпрямленного напряжения используются LC-фильтры.

Какую схему выпрямления выбрать. Как рассчитать выходной фильтр.

Стабилизация выходного напряжения в импульсном БП

Стабилизация выходного напряжения осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Основные элементы системы стабилизации:

ШИМ-контроллер
Цепь обратной связи
Опорное напряжение
Усилитель ошибки

ШИМ-контроллер изменяет ширину управляющих импульсов в зависимости от выходного напряжения, поддерживая его на заданном уровне.

Как работает система стабилизации в ИБП. Какие микросхемы ШИМ-контроллеров используются.

Виды импульсных блоков питания

Импульсные БП можно классифицировать по нескольким признакам:

По выходному напряжению:

Однополярные (одно напряжение)
Многоканальные (несколько напряжений)
Двуполярные (положительное и отрицательное напряжение)

По типу стабилизации:

Нестабилизированные
Стабилизированные по напряжению
Стабилизированные по току
Регулируемые

По схемотехнике:

Обратноходовые (flyback)
Прямоходовые (forward)
Полумостовые
Мостовые

Какой тип ИБП выбрать для конкретного применения. Преимущества и недостатки разных схем.

чем отличается от обычного трансформаторного, где применяется

Содержание

Отличия импульсного блока питания от обычного трансформаторного
Какие бывают виды и где применяются
Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП
Входные цепи
Высоковольтный выпрямитель и фильтр
Инвертор
Выпрямитель
Фильтр
Цепи обратной связи
Как устроен ШИМ контроллер

Импульсные источники питания (ИИП) заполонили мир. Кажется, что они применяются везде, полностью вытеснив традиционные. На самом деле, этот вопрос неоднозначный.

В обзоре речь пойдет именно об импульсных блоках питания (ИИП) – преобразователях переменного сетевого напряжения в постоянное. Следует отличать такие устройства от импульсных стабилизаторов (стабилизируют входное постоянное напряжение) и преобразователей DC/AC или AC/AC (например, 12VDC/220 VAC, преобразующих напряжение автомобильной бортсети в 220 вольт), хотя в этих устройствах применяются похожие принципы.

Отличия импульсного блока питания от обычного трансформаторного

Схема трансформаторного стабилизированного источника питания.

Традиционный «трансформаторный» блок питания строится по схеме: трансформатор — выпрямитель с фильтром — стабилизатор выходного напряжения (может отсутствовать). Схема несложна и отработана годами, но у нее есть существенный недостаток – при увеличении мощности опережающими темпами растут габариты и вес.

В первую очередь растут размеры и масса трансформатора. Для повышения тока надо увеличивать сечение обмоток, но главный вклад в массогабаритные характеристики вносит сердечник. Не вдаваясь в физические подробности, можно отметить, что эту проблему можно обойти, увеличив частоту, на которой происходит трансформация. Чем выше частота, тем меньшим сердечником можно обойтись. Не зря в авиации и кораблестроении используются электросети на частоту 400 Гц. Многие элементы получаются гораздо легче и компактнее. Но в быту негде взять повышенную частоту. 50 Гц в розетке – все, что доступно потребителю. Поэтому блоки питания на большие токи строят по другому принципу. В них переменное напряжение сети выпрямляется, а затем из него «нарезаются» импульсы более высокой (до нескольких десятков килогерц) частоты. За счет этого трансформатор получается маленьким и легким без потери мощности. Это главное, чем отличается любой импульсный блок питания от обычного.

Еще один источник повышенных размеров и габаритов – стабилизатор. В традиционных БП применяются линейные стабилизаторы. Они требуют повышенного входного напряжения, а разница между входом и выходом, умноженная на ток нагрузки, бесполезно рассеивается. Это ведет к дополнительному увеличению массы трансформатора, который должен обеспечивать необходимый бесполезный запас по мощности, а также требует больших и тяжелых теплоотводящих радиаторов. В ИИП это делается по другому принципу. Напряжение стабилизируется методом изменения ширины импульсов. Это позволяет повысить КПД и не требует отвода излишнего тепла в таком количестве.

В видео-сравнение линейного и импульсного блоков питания.

К недостаткам импульсников можно отнести усложненную схемотехнику и повышенные требования к надежности элементов. Эти минусы сходят на нет с ростом мощности. Считается, что для выходных токов до 2..3 ампер подходят трансформаторные блоки с линейными стабилизаторами, а чем выше нагрузка, тем ярче начинают проявляться преимущества ИИП. При токах от 10 А обычно о трансформаторных БП речь уже не идет.

Какие бывают виды и где применяются

Разделить импульсники можно по разным признакам. По выходному напряжению они делятся на:

однополярные с одним уровнем напряжения;
ондополярные с несколькими уровнями напряжения;
двухполярные.

Эти типы можно комбинировать как угодно – принципиальных ограничений нет. Можно создать блок питания, например, с несколькими однополярными напряжениями (+5 В, +24 В) и с двуполярным (±12 В), или с двумя двуполярными выходами (±12 В, ±5 В). Все зависит от области применения.

Более интересной является информация о типе стабилизации. Здесь ИИП можно разделить на категории:

Нестабилизированные источники. У них выходное напряжение зависит от нагрузки. Могут быть применены для питания оконечных устройств аудиоаппаратуры (усилители и т.п.).
Стабилизированные источники. У таких устройств от нагрузки могут не зависеть напряжение, ток или и то, и другое. Источники со стабилизированным напряжением используются, например, в качестве БП для компьютеров и серверов, или для заряжания кислотно-свинцовых аккумуляторов. Стабилизированный ток подойдет для зарядных устройств для других типов АКБ.
Регулируемые источники. У них уровень выходного напряжения и тока можно выставлять в определенных пределах в зависимости от потребности. Такие устройства используются в качестве лабораторных источников питания.

Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП

Структурная схема импульсника сложнее, чем у трансформаторного источника. Для понимания принципа работы импульсного блока питания в целом, надо разобрать функционирование каждого узла в отдельности.

Структурная схема импульсного блока питания.

Входные цепи

Входные цепи предназначены для защиты сети от перегрузки при неисправности БП и от импульсных помех, возникающих при работе устройства. В качестве примера можно рассмотреть фильтр и защиту промышленного компьютерного ИИП.

Входные цепи импульсника MAV-300W-P4.

Плавкий 5-амперный предохранитель перегорает при превышении номинального тока при аварийной ситуации в БП. Для защиты от повышения напряжения предусмотрен варистор V1. В штатном режиме он не влияет на работу устройства. При скачке в сети от открывается, его сопротивление резко увеличивается, ток через варистор возрастает. Это вызывает перегорание предохранителя.

Терморезистор с отрицательным коэффициентом сопротивления THR1 сначала имеет большое сопротивление и ограничивает ток, идущий на зарядку конденсаторов фильтра высоковольтного выпрямителя. Потом термистор прогревается проходящим через него током, его сопротивление падает, но к тому моменту емкости уже будут заряжены. Конденсаторы CX1, C11, C12, CY3 и синфазный дроссель FL1 защищают сеть от синфазных и дифференциальных помех.

Высоковольтный выпрямитель и фильтр

Высоковольтный выпрямитель обычно строится по традиционной мостовой двухполупериодной схеме и особенностей не имеет. Если в преобразователе применяется полумостовая схема, то фильтр выполняется из двух емкостей, включенных последовательно – так формируется средняя точка с напряжением, равным половине питания.

Участок схемы импульсника с высоковольтным выпрямителем D1-D4 и с емкостным делителем напряжения C1-C2.

Иногда параллельно конденсаторам ставят резисторы. Они нужны для разряда емкостей после выключения питания.

Инвертор

Преобразование постоянного напряжения в импульсное происходит с помощью инвертора на полупроводниковых ключах (часто на транзисторах). Открываясь и закрываясь, ключи подают в обмотку импульсы напряжения. Таким методом получается своеобразное переменное напряжение (однополярное), которое может быть трансформировано в напряжение другого уровня обычным способом.

Схемы транзисторных инверторов.

Самая простая схема преобразователя постоянного напряжения в импульсное – однотактная. Для ее реализации нужен минимум элементов. Недостаток такого узла – при росте мощности резко растут габариты и масса трансформатора. Связано это с принципом действия такого преобразователя. Он работает в два цикла – во время первого транзистор открыт, энергия запасается в индуктивности первичной обмотки. Во время второго запасенная энергия отдается в нагрузку. Чем больше мощность, тем больше должна быть индуктивность, тем больше должно быть витков в первичной обмотке (соответственно, увеличивается количество витков во вторичных обмотках).

От этого недостатка свободна двухтактная схема со средней точкой (пушпульная). Первичная обмотка трансформатора разделена на две секции, которые через ключи поочередно подключаются к минусовой шине. На рисунке красной стрелкой показано направление тока для одного цикла, а красной – для другого. Минусом является необходимость иметь удвоенное количество витков в первичке, а также наличие выбросов в момент коммутации. Их амплитуда может достигать двойного значения от напряжения питания, поэтому надо применять транзисторы с соответствующими параметрами. Сфера применения такой схемы – низковольтные преобразователи.

Выбросы отсутствуют, если инвертор выполнен по мостовой схеме. Из четырех транзисторов составлен мост, в диагональ которого включена первичная обмотка трансформатора. Транзисторы открываются попарно:

первый цикл – верхний левый и нижний правый;
второй цикл – нижний левый и верхний правый.

Обмотка подключается к плюсу питания то одним выводом, то другим. Минусом является применение 4 транзисторов вместо двух.

Компромиссным вариантом считается применение полумостовой схемы. Здесь коммутируется один конец первичной обмотки, а второй подключен к делителю из двух емкостей. В этой схеме также отсутствуют выбросы напряжения, но применено всего два транзистора. Недостаток такого решения – к первичной обмотке прикладывается только половина питающего напряжения. Вторая проблема – при создании мощных источников емкость конденсаторов делителя растет, и их стоимость становится нецелесообразной.

Фрагмент схемы промышленного импульсного источника – полумостовой инвертор на транзисторах Q1, Q2 управляется через промежуточный узел на транзисторах Q8, Q9 и трансформаторе T1.

В схемах всех преобразователей используются как полевые, так и биполярные транзисторы, а также IGBT, сочетающие свойства обоих типов.

Выпрямитель

Трансформированное во вторичные обмотки напряжение надо выпрямить. Если требуется выходное напряжение выше +12 вольт, можно применять обычные мостовые схемы (как и в высоковольтной части).

Схема импульсного блока питания с выходным напряжением до 30 вольт и мостовым двухполупериодным выпрямителем.

Если напряжение низкое, то выгодно применять двухполупериодные схемы со средней точкой. Их преимущество в том, что падение напряжение происходит только на одном диоде для каждого полупериода. Это позволяет сократить количество витков в обмотке. Для этой же цели используют диоды Шоттки и сборки на них. Недостаток такого решения – более сложная конструкция вторичной обмотки.

Схема выпрямителя со средней точкой и прохождение по ней тока.

Фильтр

Выпрямленное напряжение надо отфильтровать. Для этой цели применяются как традиционные емкости, так и индуктивности. Для используемых частот преобразования дроссели получаются небольшими, легкими, но работают эффективно.

Схема выходных фильтрующих цепей каналов импульсного компьютерного блока питания.

Цепи обратной связи

Цепи обратной связи служат для стабилизации и регулировки выходного напряжения, а также для ограничения тока. Если источник нестабилизированный, у него эти цепи отсутствуют. У устройств со стабилизацией тока или напряжения эти цепи выполняются на постоянных элементах (иногда с возможностью подстройки). У регулируемых источников (лабораторных и т.п.) в обратную связь включены органы управления для оперативной регулировки параметров.

Как устроен ШИМ контроллер

В стабилизированных и регулируемых источниках питания напряжение на выходе поддерживается методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Суть метода в том, что первичная обмотка питается импульсами неизменной амплитуды и частоты. Для регулировки напряжения в зависимости от нагрузки или выбранного уровня изменяется ширина импульса. Трансформированные во вторичную обмотку импульсы затем выпрямляются и усредняются на выходном конденсаторе фильтра. Чем больше ширина импульса, тем выше усредненное напряжение. Если в результате увеличения тока нагрузки напряжение на выходе просело, ШИМ-контроллер сравнивает выходное напряжение с заданным и дает команду увеличить ширину импульсов. Если напряжение увеличилось, ширина импульсов уменьшается. Среднее напряжение также уменьшается.

Принцип регулирования выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции.

Культовой микросхемой для построения импульсных источников считается TL494. На ее примере можно разобрать принцип действия
шим контроллера блока питания.

Распиновка TL494.

Назначение выводов микросхемы указано в таблице.

Назначение	Обозначение	Номер вывода		Номер вывода	Обозначение	Назначение
Прямой вход усилителя ошибки 1	IN1	1		16	IN2	Прямой вход усилителя ошибки 1
Инверсный вход усилителя ошибки 1	IN1	2		15	IN2	Инверсный вход усилителя ошибки 1
Выход обратной связи	FB	3		14	Vref	Выход опорного напряжения
Управление временем задержки	DTC	4		13	ОТС	Выбор режима работы
Частотозадающий конденсатор	C	5		12	VCC	Напряжение питания
Частотозадающий резистор	R	6		11	С2	Коллектор 2-го транзистора
Общий провод	GND	7		10	E1	Эмиттер 1-го транзистора
Коллектор 1-го транзистора	C1	8	9		E2	Эмиттер 2 -го транзистора

На выводы 7 и 12 подается напряжение питания +7. .40 вольт. На выходе микросхемы установлены два транзистора, которые можно использовать для управления внешними ключами. Коллекторы (выводы 8 и 11) и эмиттеры (10 и 9) выходных транзисторов никуда не подключены. Их можно включать по схеме с открытым коллектором или с открытым эмиттером. Микросхема оптимизирована для управления ключами на биполярных транзисторах, но с использованием немного усложненных схемотехнических решений можно переключать и полевые транзисторы.

Структурная схема TL494.

Частоту генератора задают элементы, подключаемые к выводам 5 и 6. Напряжением на выводе 4 ограничивают ширину выходного импульса. Это необходимо для исключения «перехлеста» открытия транзисторов чтобы избежать ситуации, когда оба ключа оказываются открыты. Через этот вывод также можно организовать мягкий пуск БП. Вывод 13 служит для перевода микросхемы в однотактный режим. Если его подключить к общему проводу, импульсы на выводах обоих ключей станут одинаковыми. На выводе 14 постоянно присутствует образцовое напряжение, равное +5 вольтам. Оно может быть использовано в любых схемотехнических целях.

Читайте также: Подборка схем для самостоятельного изготовления импульсного БП

Выводы 1 и 2 служат прямым и инверсным выводами усилителя ошибки. Если напряжение на выводе 1 превышает напряжение на 2 ноге, то ширина выходных импульсов будет уменьшаться пропорционально разнице на этих выводах. Если напряжение на 2 выводе выше, чем на 1, то на выходе импульсы будут отсутствовать. Также работает второй усилитель ошибки (выводы 16 и 15). Выходы обоих усилителей соединены по схеме ИЛИ и подключены к ноге 3. Первый усилитель обычно используют для регулирования напряжения, второй – для регулирования тока.

Схема ИИП на TL494.

В качестве примера можно рассмотреть схему лабораторного источника на данной микросхеме. Здесь применены практически все технические решения, описанные выше. Регулируемая обратная связь, выполненная на операционных усилителях OP1..OP4, позволяет настраивать уровень выходного напряжения и ограничивать ток. Для создания импульсного напряжения используется полумостовой инвертор на биполярных транзисторах, подключенных к микросхеме посредством драйвера.

Для наглядности рекомендуем серию тематических видеороликов.

Также при создании ИИП применяются и другие микросхемы-регуляторы ШИМ. Они могут отличаться от TL494 по функционалу и назначению выводов, но в них используются те же принципы. Разобраться в их работе не составит труда.

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.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

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.

Блок питания 0…30В/3A

Набор для сборки регулируемого блока питания…

Подробнее

Categories Источники питания Tags импульсный БП

Отправить сообщение об ошибке.

Импульсный регулятор

» Примечания по электронике

Импульсный регулятор является ключевым элементом любого импульсного источника питания

Схемы источника питания SMPS Primer & Tutorial Включает:
Импульсный источник питания Как работает СМПС Понижающий преобразователь Повышающий повышающий преобразователь Повышающий конвертер

См. также: Обзор электроники источника питания Линейный источник питания Сглаживание конденсатора Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания

В любом импульсном источнике питания именно импульсный регулятор или импульсный стабилизатор обеспечивает регулирование напряжения. Импульсный регулятор можно использовать отдельно или как часть полного источника питания.

Импульсные регуляторы

бывают разных форм, но каждый из них может обеспечить регулирование напряжения с помощью последовательного переключающего элемента, который заряжает накопительный конденсатор, когда напряжение падает ниже заданного уровня.

Основы импульсного регулятора

В основе импульсного регулятора лежит способность катушек индуктивности и конденсаторов накапливать энергию. Конденсаторы и катушки индуктивности являются неотъемлемыми элементами технологии импульсных регуляторов.

Емкость Если к конденсатору подводится ток, конденсатор постепенно заряжается, а напряжение на нем линейно возрастает со скоростью, равной I/C, где — приложенный ток, а C — емкость. В этом случае напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно.
Основная концепция импульсного источника питания При мгновенном изменении тока напряжение изменяется линейно. [Это предполагает, что используется источник тока с бесконечным напряжением].
I=C dVdt
Катушка индуктивности: &nbsp: Для катушки индуктивности мгновенное изменение тока невозможно. Вместо этого при приложении напряжения ток нарастает линейно с течением времени со скоростью, равной V/L, где V — приложенное напряжение, а L — индуктивность.
Формат индуктора для импульсного источника питания Используя стандартные уравнения, можно определить профили тока и напряжения:
V=L didt
Энергия возрастающего тока сохраняется в магнитном поле, связанном с катушкой индуктивности. Если ток, протекающий через индуктор, внезапно прерывается, магнитное поле реагирует на это и создает очень высокую «противоэдс», чтобы противодействовать изменению.

Увидев фундаментальные или базовые концепции переключения напряжений и токов на конденсаторы и катушки индуктивности, эти основные концепции можно применить к решениям импульсных регуляторов, чтобы обеспечить различные сценарии для цепей повышения и понижения напряжения.

Поскольку в технологии используются методы переключения, когда последовательный элемент включен или выключен, этот подход обеспечивает гораздо более высокий уровень эффективности, чем линейный, где мощность рассеивается.

Конденсаторная коммутационная регулировка режима

Принципиальная схема конденсаторного импульсного регулятора показана на схеме. Когда ключ замкнут, ток может протекать в накопительный конденсатор и обеспечивать заряд. Когда напряжение на конденсаторе достигает требуемого уровня, переключатель размыкается, и нагрузка потребляет ток от конденсатора.

Когда напряжение падает, это будет воспринято схемой управления, и последовательный переключатель снова включится, чтобы довести напряжение конденсатора до требуемого уровня.

Эта схема не так эффективна, как может показаться на первый взгляд. Хотя единственным резистивным элементом в теоретической цепи является нагрузка, это не единственный способ потери энергии, поскольку при зарядке конденсатора непосредственно от источника напряжения или конденсатора рассеивается столько же энергии, сколько передается конденсатору. В результате этого регуляторы режима переключения не могут использовать только методы переключения конденсаторов.

Регулирование режимов переключения на основе индуктора

Катушки индуктивности также можно использовать в качестве элемента импульсных регуляторов.

Индуктор можно использовать для передачи энергии от одного источника напряжения к другому. Хотя простой резистор можно использовать в качестве капельницы для сброса напряжения при переходе от одного источника напряжения с более высоким напряжением к другому с более низким напряжением, это очень расточительно с точки зрения мощности. Если используется индуктор, то передается вся энергия, если предположить, что индуктор идеальный.

Использование катушки индуктивности имеет то преимущество, что энергия может передаваться от одного источника к другому независимо от соответствующих значений напряжения и их полярности. Очевидно, что для этого требуется правильная конфигурация.

Когда переключатели находятся в положениях, показанных выше, напряжение V1 прикладывается к индуктору, и ток i1 нарастает со скоростью, равной V1/L. Поэтому полученное пиковое значение будет пропорционально времени, в течение которого переключатели находятся в этом положении, т. е. (V1/L) x t

Когда переключатели перевернуты, ток будет продолжать течь со скоростью i2, равной -V2/L.

Поскольку идеальный индуктор не рассеивает энергию, в идеальной системе, использующей индуктор таким образом, нет потерь мощности. В результате именно этот способ передачи энергии лежит в основе всех импульсных регуляторов.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
Вернитесь в меню проектирования схем . . .

Схемы и схемы импульсного источника питания

<------------------------- -------------------------------------------------- ------------------>

Если вы хотите узнать, что такое SMPS и как его спроектировать, вы пришли в нужное место. Стремление отрасли к созданию более компактной, легкой и более эффективной электроники привело к разработке технологии импульсного преобразования энергии около четырех десятилетий назад. По определению 9Импульсные источники питания 0088 (SMPS) — это устройства, в работе которых используются электронные компоненты управления питанием, которые постоянно включаются и выключаются с относительно высокой частотой. Эти электронные переключатели эффективно подключают и отключают индуктор(ы) накопления энергии и конденсатор(ы) к входному источнику или выходу и от них.

Затем выходные фильтры «усредняют» скорость передачи энергии и обеспечивают непрерывный поток тока в нагрузку. Изменяя рабочий цикл, частоту или фазовый сдвиг этих коммутаций, желаемый выходной параметр (например, напряжение) управляется. Высокая рабочая частота («F») приводит к меньшему размеру импульсных источников питания, поскольку, как правило, размер силовых трансформаторов, катушек индуктивности и фильтрующих конденсаторов обратно пропорционален частоте. Работа в режиме переключения также снижает потери энергии и повышает эффективность — когда переключатель «выключен», его ток близок к нулю; когда он «включен», напряжение на нем низкое.

Конечно, вы не можете изучить дизайн SMPS с одной веб-страницы — это руководство предназначено только для того, чтобы предоставить вам отправную точку.

Прежде чем приступить к проектированию или выбору SMPS, следует составить список как технических, так и нормативных требований. В настоящее время производители электроники редко разрабатывают собственные блоки питания. Собственные конструкции обычно разрабатываются для военных и авиационных применений или для особых требований. Большинство коммерческих блоков питания и блоков питания для ПК производятся специализированными оффшорными ODM. Выполняя поиск на веб-сайтах производителей блоков питания, вы обычно можете найти стандартный готовый блок, который соответствует вашим потребностям и уже имеет необходимые сертификаты агентства по безопасности. Если вам все еще нужно спроектировать его, первым шагом будет выбор наилучшей экономичной топологии для вашего приложения. В отрасли практически используется около десятка базовых топологий. Очевидно, что наилучшая конфигурация для данного приложения выбирается на основе конкретных требований к блоку питания (включая факторы стоимости и времени). Поскольку в использовании топологии существует много совпадений, на практике этот выбор обычно зависит от личного опыта проектировщика — инженеры любят делать то, что им удобно. Если это ваш первый проект, вы можете начать с этого руководства по выбору топологии. Затем просмотрите руководства для семинаров TI, которые содержат указания по применению и подробные эталонные проекты с практическими схемами и процедурами расчета. Если вы уже знакомы с силовой электроникой и нуждаетесь в быстрой справке и уравнениях, получите всю необходимую информацию по проектированию в моем справочнике по импульсным источникам питания. Если вы ищете источник питания с цифровым управлением, обратите внимание на интеллектуальные решения Microchip для питания.

Баланс вольт-секунд для L в непрерывном режиме:
(Vin-V _Q -Vout)×ton=
(Vout+V _D )×toff
Решение для Vout:
Vout=(Vin -V _Q )D-V _D (1-D) . Если пренебречь V _Q и V _D : Вот≈ВинД , где D=тонна/(тонна+toff)- рабочий цикл

Выбрав топологию, нужно придумать рабочую частоту. Типичный частотный диапазон автономный контур SMPS от 50 кГц до 500 кГц. Модули преобразователя постоянного тока в постоянный для низкого напряжения (

Еще одна важная вещь, которую необходимо изучить, — это передаточная функция преобразователя между выходом и входом.