Работа импульсного блока питания для начинающих. Импульсный блок питания: принцип работы, устройство и ремонт

Как устроен импульсный блок питания. Какие основные элементы входят в его состав. Как происходит преобразование напряжения в импульсном БП. Какие бывают типы импульсных блоков питания. Как правильно диагностировать и ремонтировать импульсные БП.

Что такое импульсный блок питания и зачем он нужен

Импульсный блок питания (ИБП) — это устройство, которое преобразует переменное сетевое напряжение в постоянное напряжение нужной величины с помощью высокочастотного преобразования. В отличие от линейных блоков питания, ИБП имеет меньшие габариты, вес и более высокий КПД. Основная задача импульсного блока питания — обеспечить стабильное питание электронных устройств при изменении входного напряжения и нагрузки.

Принцип работы импульсного блока питания

Как работает импульсный блок питания? Принцип его работы основан на высокочастотном преобразовании напряжения. Вот основные этапы:

1. Входное переменное напряжение выпрямляется и сглаживается
2. Полученное постоянное напряжение «нарезается» на импульсы высокой частоты (десятки-сотни кГц)
3. Импульсы подаются на высокочастотный трансформатор
4. На вторичной обмотке трансформатора формируется нужное напряжение
5. Выходное напряжение выпрямляется и фильтруется

За счет высокой частоты преобразования удается существенно уменьшить габариты трансформатора и других элементов.

Основные элементы импульсного блока питания

Из каких основных функциональных блоков состоит импульсный источник питания? Типовая структура включает следующие элементы:

• Входной фильтр и выпрямитель
• Высокочастотный преобразователь (инвертор)
• Силовой высокочастотный трансформатор
• Выходной выпрямитель и фильтр
• Схема управления и обратной связи
• Дополнительные цепи защиты и индикации

Каждый из этих блоков выполняет свою функцию в процессе преобразования напряжения. Рассмотрим их подробнее.

Входной фильтр и выпрямитель

Входной фильтр подавляет высокочастотные помехи, поступающие из сети. Выпрямитель преобразует переменное сетевое напряжение в пульсирующее постоянное. Обычно используется диодный мост. Далее напряжение сглаживается конденсатором большой емкости.

Высокочастотный преобразователь

Преобразователь (инвертор) формирует из постоянного напряжения высокочастотные импульсы прямоугольной формы. В качестве ключевых элементов используются силовые транзисторы (MOSFET или IGBT). Частота преобразования обычно составляет десятки-сотни кГц.

Высокочастотный трансформатор

Трансформатор понижает или повышает напряжение до нужной величины. За счет высокой частоты его габариты существенно меньше, чем у обычного трансформатора на 50 Гц. Также обеспечивается гальваническая развязка первичных и вторичных цепей.

Выходной выпрямитель и фильтр

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора выпрямляется с помощью диодов Шоттки и сглаживается LC-фильтром. На выходе получается постоянное напряжение требуемой величины.

Схема управления

Контроллер (обычно ШИМ-контроллер) управляет работой силовых ключей преобразователя. Цепь обратной связи обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении нагрузки и входного напряжения.

Типы импульсных блоков питания

Существует несколько основных топологий импульсных источников питания. Наиболее распространенные из них:

• Обратноходовой (Flyback)
• Прямоходовой (Forward)
• Двухтактный (Push-Pull)
• Полумостовой (Half-Bridge)
• Мостовой (Full-Bridge)

Выбор топологии зависит от требуемой мощности, входного напряжения, количества выходных напряжений и других факторов. Рассмотрим особенности каждого типа.

Обратноходовой преобразователь (Flyback)

Это наиболее простая и дешевая топология, используемая в маломощных источниках питания (до 100-150 Вт). Принцип работы основан на накоплении энергии в магнитном поле трансформатора при открытом ключе и передаче ее в нагрузку при закрытом.

Прямоходовой преобразователь (Forward)

Передача энергии в нагрузку происходит при открытом ключе. Применяется в источниках питания мощностью до 200-300 Вт. Требует меньшей индуктивности трансформатора по сравнению с обратноходовым.

Двухтактный преобразователь (Push-Pull)

Использует два ключа, работающих поочередно. Позволяет получить большую мощность (до 500-1000 Вт). Недостаток — необходимость точного подбора параметров ключей.

Полумостовой преобразователь (Half-Bridge)

Популярная топология для источников питания средней и большой мощности. Использует два ключа и два конденсатора, образующих делитель напряжения. Обеспечивает хорошее использование трансформатора.

Мостовой преобразователь (Full-Bridge)

Наиболее мощная топология, использующая четыре ключа. Применяется в высокомощных источниках питания (киловатты и выше). Обеспечивает максимальную эффективность использования силового трансформатора.

Диагностика неисправностей импульсных блоков питания

При выходе из строя импульсного блока питания важно правильно диагностировать неисправность. Основные этапы диагностики:

1. Внешний осмотр на предмет видимых повреждений
2. Проверка входных и выходных напряжений
3. Прозвонка силовых элементов (диодов, транзисторов)
4. Проверка работы схемы управления
5. Осциллографирование сигналов в контрольных точках

Чаще всего выходят из строя следующие элементы:

• Входной выпрямитель
• Силовые ключи (транзисторы)
• Высокочастотный трансформатор
• Выходные диоды
• Контроллер ШИМ

При диагностике важно соблюдать меры безопасности, так как в блоке питания присутствуют высокие напряжения.

Ремонт импульсных блоков питания

Ремонт импульсного блока питания — достаточно сложная задача, требующая определенных навыков и оборудования. Основные этапы ремонта:

1. Точная локализация неисправности
2. Замена вышедших из строя компонентов
3. Проверка работоспособности после ремонта
4. Настройка и регулировка (при необходимости)

При ремонте важно использовать качественные комплектующие с соответствующими параметрами. Некоторые рекомендации по ремонту:

• Всегда проверяйте исправность защитных цепей
• При замене силовых элементов используйте теплопроводящую пасту
• Обращайте внимание на полярность электролитических конденсаторов
• После ремонта проверьте блок питания под нагрузкой

В сложных случаях может потребоваться замена всей платы блока питания.

Преимущества и недостатки импульсных блоков питания

Импульсные блоки питания имеют ряд преимуществ по сравнению с линейными источниками:

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

Однако есть и некоторые недостатки:

• Более сложная схемотехника
• Генерация высокочастотных помех
• Сложность ремонта
• Более высокая стоимость (для маломощных источников)

Тем не менее, преимущества импульсных блоков питания обусловили их широкое распространение в современной электронике.

Работа импульсного блока питания для начинающих

By Олег Шарпаков , April 20, in Начинающим. Всем привет! Пересмотрел кучу видео в ютубе и прочитал не мало статей по ИПБ, но все не то! Хотелось бы что бы кто то объяснил по конкретней или наоборот по проще как все работает! Интересуют такие моменты как дежурка, драйвера,ШИМ-ки,ключи!

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Устройство компьютерных блоков питания и методика их тестирования
• Как сделать импульсный блок питания своими руками – 3 лучшие схемы
• Диагностирование и ремонт импульсного блока питания
• Всё об импульсном блоке питания
• Блок питания ATX, устройство и принцип работы. Часть 1.
• ИМПУЛЬСНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ
• Импульсные блоки питания – устройство и ремонт
• Ремонт импульсных блоков питания своими руками
• Импульсные блоки питания – устройство и ремонт
• Как работает простой и мощный импульсный блок питания

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Импульсный блок питания для чайников — часть 1

Устройство компьютерных блоков питания и методика их тестирования

Портал QRZ. RU существует только за счет рекламы, поэтому мы были бы Вам благодарны если Вы внесете сайт в список исключений. Мы стараемся размещать только релевантную рекламу, которая будет интересна не только рекламодателям, но и нашим читателям.

Отключив Adblock, вы поможете не только нам, но и себе. Импульсный блок питания на 5… 20 Ватт вы сможете изготовить менее чем за час.

На изготовление ваттного блока питания понадобится несколько часов. Построить блок питания будет ненамного сложнее, чем прочитать эту статью.

И уж точно, это будет проще, чем найти низкочастотный трансформатор подходящей мощности и перемотать его вторичные обмотки под свои нужды. Оглавление статьи. Для уменьшения размеров балластного дросселя в них используется схема высокочастотного преобразователя напряжения, которая позволяет значительно снизить размер дросселя.

В случае выхода из строя электронного балласта, его можно легко отремонтировать. Но, когда выходит из строя сама колба, то лампочку обычно выбрасывают. Единственное, чем схема электронного балласта отличается от настоящего импульсного БП, это отсутствием разделительного трансформатора и выпрямителя, если он необходим.

В то же время, современные радиолюбители испытывают большие трудности при поиске силовых трансформаторов для питания своих самоделок.

Если даже трансформатор найден, то его перемотка требует использования большого количества медного провода, да и массо-габаритные параметры изделий, собранных на основе силовых трансформаторов не радуют.

А ведь в подавляющем большинстве случаев силовой трансформатор можно заменить импульсным блоком питания. Если же для этих целей использовать балласт от неисправных КЛЛ, то экономия составит значительную сумму, особенно, если речь идёт о трансформаторах на Ватт и больше. Вернуться наверх к меню.

Это одна из самых распространённых электрических схем энергосберегающих ламп. Красным цветом отмечены элементы, которые можно удалить. А это уже законченная схема импульсного блока питания, собранная на основе КЛЛ с использованием дополнительного импульсного трансформатора. Для упрощения, удалена люминесцентная лампа и несколько деталей, которые были заменены перемычкой.

Как видите, схема КЛЛ не требует больших изменений. Красным цветом отмечены дополнительные элементы, привнесённые в схему. Мощность блока питания ограничивается габаритной мощностью импульсного трансформатора, максимально допустимым током ключевых транзисторов и величиной радиатора охлаждения, если он используется. Блок питания небольшой мощности можно построить, намотав вторичную обмотку прямо на каркас уже имеющегося дросселя.

В случае если окно дросселя не позволяет намотать вторичную обмотку или если требуется построить блок питания мощностью, значительно превышающей мощность КЛЛ, то понадобится дополнительный импульсный трансформатор. Если требуется получить блок питания мощностью свыше Ватт, а используется балласт от лампы на Ватт, то, скорее всего, придётся внести небольшие изменения и в схему электронного балласта.

В частности, может понадобиться установить более мощные диоды VD1-VD4 во входной мостовой выпрямитель и перемотать входной дроссель L0 более толстым проводом. Если коэффициент усиления транзисторов по току окажется недостаточным, то придётся увеличить базовый ток транзисторов, уменьшив номиналы резисторов R5, R6. Кроме этого придётся увеличить мощность резисторов в базовых и эмиттерных цепях.

Если частота генерации окажется не очень высокой, то возможно придётся увеличить емкость разделительных конденсаторов C4, C6. Особенностью полумостовых импульсных блоков питания с самовозбуждением является способность адаптироваться к параметрам используемого трансформатора. А тот факт, что цепь обратной связи не будет проходить через наш самодельный трансформатор и вовсе упрощает задачу расчёта трансформатора и наладки блока.

Не пугайтесь! Намотать импульсный трансформатор можно в течение просмотра одного фильма или даже быстрее, если Вы собираетесь выполнять эту монотонную работу сосредоточенно. Во входных фильтрах электронных балластов, из-за экономии места, используются конденсаторы небольшой ёмкости, от которых зависит величина пульсаций напряжения с частотой Hz. Чтобы снизить уровень пульсаций напряжения на выходе БП, нужно увеличить ёмкость конденсатора входного фильтра.

Желательно, чтобы на каждый Ватт мощности БП приходилось по одной микрофараде или около того. Увеличение ёмкости С0 повлечёт за собой рост пикового тока, протекающего через диоды выпрямителя в момент включения БП. Чтобы ограничить этот ток, необходим резистор R0.

Но, мощность исходного резистора КЛЛ мала для таких токов и его следует заменить на более мощный. Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор. Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.

На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода. Я использовал провод МГТФ многожильный провод во фторопластовой изоляции. Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.

Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!

Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена. Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу. Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное. Количество витков подбирается экспериментальным путём, благо их будет немного.

Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода. Мощность, подводимая к нагрузке — 20 Ватт. Частота автоколебаний без нагрузки — 26 кГц. Для увеличения мощности блока питания пришлось намотать импульсный трансформатор TV2. Мне не повезло, в моём электроном балласте были установлены транзисторы поз.

Эти транзисторы не нуждаются в прокладках, так как не снабжены металлической площадкой, но и тепло отдают намного хуже. Я их заменил транзисторами поз. Если пожелаете, можете смело прикручивать оба транзистора на один радиатор. Я проверил, это работает. Только, корпуса обоих транзисторов должны быть изолированы от корпуса радиатора, даже если радиатор находится внутри корпуса электронного устройства.

Крепление удобно осуществлять винтами М2,5, на которые нужно предварительно надеть изоляционные шайбы и отрезки изоляционной трубки кембрика. Допускается использование теплопроводной пасты КПТ-8, так как она не проводит ток. Транзисторы находятся под напряжением сети, поэтому изоляционные прокладки должны обеспечивать условия электробезопасности!

Все вторичные выпрямители полумостового импульсного блока питания должны быть обязательно двухполупериодным. Если не соблюсти это условие, то магинтопровод может войти в насыщение. Мостовая схема позволяет сэкономить метр провода, но рассеивает в два раза больше энергии на диодах. Схема с нулевой точкой более экономична, но требует наличия двух совершенно симметричных вторичных обмоток.

Асимметрия по количеству витков или расположению может привести к насыщению магнитопровода. Однако именно схемы с нулевой точкой используются, когда требуется получить большие токи при малом выходном напряжении.

Тогда, для дополнительной минимизации потерь, вместо обычных кремниевых диодов, используют диоды Шоттки, на которых падение напряжения в два-три раза меньше. Выпрямители компьютерных блоков питания выполнены по схеме с нулевой точкой.

При отдаваемой в нагрузку мощности Ватт и напряжении 5 Вольт даже на диодах Шоттки может рассеяться 8 Ватт. Если же применить мостовой выпрямитель, да ещё и обычные диоды, то рассеиваемая на диодах мощность может достигнуть 32 Ватт или даже больше. Обратите внимание на это, когда будете проектировать блок питания, чтобы потом не искать, куда исчезла половина мощности.

В низковольтных выпрямителях лучше использовать именно схему с нулевой точкой. Тем более что при ручной намотке можно просто намотать обмотку в два провода. Кроме этого, мощные импульсные диоды недёшевы. Для наладки импульсных блоков питания обычно используют вот такую схему включения. Здесь лампа накаливания используется в качестве балласта с нелинейной характеристикой и защищает ИБП от выхода из строя при нештатных ситуациях.

Мощность лампы обычно выбирают близкой к мощности испытываемого импульсного БП. При работе импульсного БП на холостом ходу или при небольшой нагрузке, сопротивление нити какала лампы невелико и оно не влияет на работу блока. Когда же, по каким-либо причинам, ток ключевых транзисторов возрастает, спираль лампы накаливается и её сопротивление увеличивается, что приводит к ограничению тока до безопасной величины.

На этом чертеже изображена схема стенда для тестирования и наладки импульсных БП, отвечающая нормам электробезопасности. Отличие этой схемы от предыдущей в том, что она снабжена разделительным трансформатором, который обеспечивает гальваническую развязку между исследуемым ИБП и осветительной сети.

Выключатель SA2 позволяет блокировать лампу, когда блок питания отдаёт большую мощность. А это уже изображение реального стенда для ремонта и наладки импульсных БП, который я изготовил много лет назад по схеме, расположенной выше. Важной операцией при тестировании БП является испытание на эквиваленте нагрузки.

Красные цифры — рассеиваемая мощность. Из опыта известно, что мощности эквивалента нагрузки почему-то всегда не хватает. Перечисленные же выше резисторы могут ограниченное время рассеивать мощность в два-три раза превышающую номинальную. Когда БП включается на длительное время для проверки теплового режима, а мощность эквивалента нагрузки недостаточна, то резисторы можно просто опустить в воду. Будьте осторожны, берегитесь ожога!

Нагрузочные резисторы этого типа могут нагреться до температуры в несколько сотен градусов без каких-либо внешних проявлений!

Как сделать импульсный блок питания своими руками – 3 лучшие схемы

Электрика и электрооборудование, электротехника и электроника — информация! Практически в каждом электронном приборе есть блок питания — важный элемент монтажной схемы. Блоки применяются в устройствах, требующих пониженного питания. Базовой задачей блока питания считается уменьшение сетевого напряжения. Первые импульсные блоки питания сконструированы после изобретения катушки, которая работала с переменным током. Применение трансформаторов дало толчок развития блоков питания.

DIY или Сделай сам,; Электроника для начинающих . Не пугайтесь — любой импульсный блок питания их выдает, поэтому в 90% . выключения самого блока питания в работе осталась дежурка и индикация.

Диагностирование и ремонт импульсного блока питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые трансформаторные блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:. Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из В получаем 15 В. Следующий блок — выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный гармоника показана над условным изображением. Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы диоды , подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Всё об импульсном блоке питания

Технический прогресс не стоит на месте и уже сегодня на смену блокам питания трансформаторного типа пришли импульсные блоки. Причин тому огромное множество, но самые главные — это:. Ознакомиться с руководством как выбрать детектор скрытой проводки и как им пользоваться можно здесь. На снимке представлен импульсный блок питания. С технической точки зрения импульсный блок питания — это устройство, которое занимается выпрямлением сетевого напряжения и после этого формирует из него импульс с частотной характеристикой в 10 кГц.

В любой электронной системе, работающей от импульсного блока питания, наступает неприятный момент, когда приходится сталкиваться с проблемным выходом его из строя. К сожалению, импульсные радиоэлементы или блоки, как показывает практика, не столь долговечны, как того хотелось бы, поэтому требуют к себе более пристального внимания, а зачастую просто замены или ремонта.

Блок питания ATX, устройство и принцип работы. Часть 1.

Лабораторный блок питания представляет собой востребованное среди профессионалов оборудование, которое активно используется инженерами, занимающимися разработкой и ремонтом различных электронных устройств. В настоящий момент существует огромное количество лабораторных источников питания. Число самых разных вариаций столь велико, что новичку будет непросто сориентироваться в таком многообразии оборудование. Чтобы выбрать оптимальный источник питания для определенных целей, рекомендуется разобраться в особенностях различных типов блоков, а уже после принимать решение о покупке. Лабораторные источники питания можно классифицировать по самым разным параметрам.

ИМПУЛЬСНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ

Первоначальное распространение импульсные блоки питания ИПБ получили преимущественно в телевизорах, в дальнейшем — в видеомагнитофонах, видеоаппаратуре и другой бытовой технике, что объясняется в основном двумя причинами. Во первых, чувствительность телевизоров и видеомагнитофонов к создаваемым импульсным БП помехам значительно ниже, чем например, аппаратуры звуковоспроизведения, особенно высококачественного. Во вторых, телевизионные приемники и видеомагнитофоны отличаются относительным постоянством и сравнительно небольшой величиной Для видеомагнитофонов колебания мощности, потребляемой в нагрузке возникают, в основном, только при переключении режимов работы лентопротяжного механизма ЛПМ и составляют не более нескольких единиц Ватт. Поэтому для этого класса радиоаппаратуры ИБП получаются более дорогостоящими из-за необходимости использования мощных двухтактных схем преобразователей конверторов , более сложных стабилизаторов, фильтров и т. В связи с этим, конструкторы как более ранних, так и современных моделей телевизоров, видеоаппаратуры и другой бытовой техники, как правило, придерживаются хорошо зарекомендовавших себя сточки зрения надежности, экономичности и простоты принципов построения импульсных блоков питания. Основные усилия направляются, в первую очередь, на совершенствование и микроминиатюризацию элементной базы, повышение надежности ИБП в том числе путем введения различных защит и расширение рабочего диапазона питающего их напряжения сети.

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

Импульсные блоки питания – устройство и ремонт

Блог new. Технические обзоры. Опубликовано: , Версия для печати.

Ремонт импульсных блоков питания своими руками

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Импульсные блоки питания / Устройство, принцип работы, неисправности, ремонт. Часть 1

Теория и практика. Кейсы, схемы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.

Основной центр м. Южная, Пражская: Варшавское ш.

Импульсные блоки питания – устройство и ремонт

Введите цифры и буквы. Войти Регистрация Восстановление пароля Войти Запомнить меня. Введите цифры и буквы Зарегистрироваться. Получить ссылку на изменение пароля. Все Коллективные Персональные Найти. Так как блок питания есть неотъемлемой частью ПК, то знать подробнее про него будет интересно каждому человеку связанным с электроникой и не только. От качества БП напрямую зависит работа ПК в целом.

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

Подробно рассмотрим, как работает импульсный блок питания ИБП любого типа. Сегодня такие компоненты являются основными источниками электрической энергии любой электронной аппаратуры. Аудио аппаратуру мы в счет не берем.

Советы по ремонту импульсных блоков питания | remontka.com

Немного о применении и устройстве ИБП

На сайте уже была опубликована статья «Что такое импульсный блок питания и чем он отличается от обычного аналогового» , в которой рассказано об устройстве ИБП. Эту тему можно несколько дополнить небольшим рассказом о ремонте. Под аббревиатурой ИБП достаточно часто упоминается источник бесперебойного питания . Чтобы не было разночтений, условимся, что в данной статье это Импульсный Блок Питания.

Практически все импульсные блоки питания, применяющиеся в электронной аппаратуре построены по двум функциональным схемам.

Рис.1. Функциональные схемы импульсных блоков питания

По полумостовой схеме выполняются, как правило, достаточно мощные блоки питания, например компьютерные. По двухтактной схеме изготавливаются также блоки питания мощных эстрадных УМЗЧ и сварочных аппаратов.

Кому доводилось ремонтировать усилители мощностью 400 и более ватт, прекрасно знает, какой у них вес. Речь идет, естественно, об УМЗЧ с традиционным трансформаторным блоком питания. ИБП телевизоров, мониторов, DVD-проигрывателей чаще всего делаются по схеме с однотактным выходным каскадом.

Хотя реально существуют и другие разновидности выходных каскадов, которые показаны на рисунке 2.

Рис.2. Выходные каскады импульсных блоков питания

Здесь показаны только силовые ключи и первичная обмотка силового трансформатора.

Если внимательно посмотреть на рисунок 1, нетрудно заметить, что всю схему можно разделить на две части — первичную и вторичную. Первичная часть содержит сетевой фильтр, выпрямитель напряжения сети, силовые ключи и силовой трансформатор. Эта часть гальванически связана с сетью переменного тока.

Кроме силового трансформатора в импульсных блоках питания применяются еще развязывающие трансформаторы, через которые управляющие импульсы ШИМ – контроллера подаются на затворы (базы) силовых транзисторов. Таким способом обеспечивается гальваническая развязка от сети вторичных цепей. В более современных схемах эта развязка осуществляется при помощи оптронов.

Вторичные цепи гальванически отвязаны от сети при помощи силового трансформатора: напряжение с вторичных обмоток подается на выпрямитель, и далее в нагрузку. От вторичных цепей питаются также схемы стабилизации напряжения и защиты.

Очень простые импульсные блоки питания

Выполняются на базе автогенератора, когда задающий ШИМ контроллер отсутствует. В качестве примера такого ИБП можно привести схему электронного трансформатора Taschibra.

Рис.3. Электронный трансформатор Taschibra

Подобные электронные трансформаторы выпускаются и другими фирмами. Их основное назначение — питание галогенных ламп . Отличительная особенность подобной схемы — простота и малое количество деталей. Недостатком можно считать то, что без нагрузки эта схема просто не запускается, выходное напряжение нестабильно и имеет высокий уровень пульсаций. Но лампочки все-таки светят! При этом вторичная цепь полностью отвязана от питающей сети.

Совершенно очевидно, что ремонт такого блока питания сводится к замене транзисторов, резисторов R4, R5, иногда диодного моста VDS1 и резистора R1, выполняющего роль предохранителя. Просто нечему больше в этой схеме сгореть. При небольшой цене электронных трансформаторов чаще просто покупается новый, а ремонт делается, что называется, «из любви к искусству».

Сначала техника безопасности

Коль скоро имеется такое весьма неприятное соседство первичной и вторичной цепей, которые в процессе ремонта обязательно, пусть, даже случайно, придется пощупать руками, то следует напомнить некоторые правила техники безопасности.

Прикасаться к включенному источнику можно только одной рукой, ни в коем случае не сразу обеими. Это известно каждому, кто работает с электрическими установками. Но лучше не касаться вовсе, или, только после отключения от сети путем выдергивания вилки из розетки. Также не следует на включенном источнике что-то паять или просто крутить отверткой.

В целях обеспечения электробезопасности на платах блоков питания «опасная» первичная сторона платы обводится достаточно широкой полосой или заштриховывается тонкими полосками краски, чаще белого цвета. Это предупреждение о том, что трогать руками эту часть платы опасно.

Даже выключенный импульсный блок питания можно касаться руками только через некоторое время, не менее 2…3 минут после выключения: на высоковольтных конденсаторах заряд сохраняется достаточно долго, хотя в любом нормальном блоке питания параллельно конденсаторам установлены разрядные резисторы. Помните, как в школе предлагали друг другу заряженный конденсатор! Убить, конечно, не убьет, но удар получается достаточно чувствительный.

Но самое страшное даже не в этом: ну, подумаешь, чуть щипнуло. Если сразу после выключения прозвонить электролитический конденсатор мультиметром, то вполне возможно пойти в магазин за новым.

Когда такое измерение предвидится, конденсатор нужно разрядить, хотя бы пинцетом. Но лучше это сделать с помощью резистора сопротивлением в несколько десятков КОм. В противном случае разряд сопровождается кучей искр и достаточно громким щелчком, да и для конденсатора такое КЗ не очень полезно.

И все же, при ремонте приходится касаться включенного импульсного блока питания, хотя бы для проведения каких-то измерений. В этом случае максимально обезопасить себя любимого от поражения электричеством поможет развязывающий трансформатор, часто его называют трансформатор безопасности. Как его изготовить, можно прочитать в статье «Как изготовить трансформатор безопасности» .

Если же в двух словах, то это трансформатор с двумя обмотками на 220В, мощностью 100…200Вт (зависит от мощности ремонтируемого ИБП), электрическая схема показана на рисунке 4.

Рис.4. Трансформатор безопасности

Левая по схеме обмотка включается в сеть, к правой обмотке через лампочку подключается неисправный импульсный блок питания. Самое главное при таком включении это то, что ОДНОЙ рукой прикасаться к любому концу вторичной обмотки можно безбоязненно, равно как и ко всем элементом первичной цепи блока питания.

О роли лампочки и ее мощности

Чаще всего ремонт импульсного блока питания выполняется без развязывающего трансформатора, но в качестве дополнительной меры безопасности включение блока производится через лампочку мощностью 60…150Вт. По поведению лампочки можно, в общем, судить о состоянии блока питания. Конечно, такое включение не обеспечит гальванической развязки от сети, трогать руками не рекомендуется, но от дыма и взрывов вполне может защитить.

Если при включении в сеть лампочка зажигается в полный накал, то следует искать неисправность в первичной цепи. Как правило, это пробитый силовой транзистор или выпрямительный мост. При нормальной работе блока питания лампочка сначала вспыхивает достаточно ярко ( заряд конденсаторов ), а потом нить накала продолжает слабо светиться.

Насчет этой лампочки существует несколько мнений. Кто-то говорит, что она не помогает избавиться от непредвиденных ситуаций, а кто-то считает, что намного снижается риск спалить только что запаянный транзистор. Будем придерживаться этой точки зрения, и лампочку для ремонта использовать.

О разборных и неразборных корпусах

Чаще всего импульсные блоки питания выполняются в корпусах. Достаточно вспомнить компьютерные блоки питания, различные адаптеры, включаемые в розетку, зарядные устройства для ноутбуков, мобильных телефонов и т.п.

В случае компьютерных блоков питания все достаточно просто. Из металлического корпуса выкручиваются несколько винтиков, снимается металлическая же крышка и, пожалуйста, вся плата с деталями уже в руках.

Если корпус пластмассовый, то следует поискать на обратной стороне, где находится сетевая вилка, маленькие шурупчики. Тогда все просто и понятно, отвернул и снял крышку. В этом случае можно сказать, что просто повезло.

Но в последнее время все идет по пути упрощения и удешевления конструкций, и половинки пластмассового корпуса просто склеиваются, причем достаточно прочно. Один товарищ рассказывал, как возил в какую-то мастерскую подобный блок. На вопрос, как же его разобрать мастера сказали: «Ты, что не русский?». После чего взяли молоток и быстренько раскололи корпус на две половинки.

На самом деле это единственный способ для разборки пластиковых клееных корпусов. Вот только колотить надо аккуратно и не очень фанатично: под действием ударов по корпусу могут оборваться дорожки, ведущие к массивным деталям, например, трансформаторам или дросселям.

Помогает также вставленный в шов нож, и легкое постукивание по нему все тем же молотком. Правда, после сборки остаются следы этого вмешательства. Но пусть уж будут незначительные следы на корпусе, зато не придется покупать новый блок.

Как найти схему

Если в прежние времена практически ко всем устройствам отечественного производства прилагались принципиальные электрические схемы, то современные иностранные производители электроники делиться своими секретами не хотят. Вся электронная техника комплектуется лишь руководством пользователя, где показывается, какие надо нажимать кнопки. Принципиальные схемы к пользовательскому руководству не прилагаются.

Предполагается, что устройство будет работать вечно или ремонт будет производиться в авторизованных сервисных центрах, где имеются руководства по ремонту, именуемые сервис мануалами (service manual). Сервисные центры не имеют права делиться со всеми желающими этой документацией, но, хвала интернету, на многие устройства эти сервис мануалы находить удается. Иногда это может получиться безвозмездно, то есть, даром, а иногда нужные сведения можно получить за незначительную сумму.

Но даже если нужную схему найти не удалось, отчаиваться не стоит, тем более при ремонте блоков питания. Практически все становится понятно при внимательном рассмотрении платы. Вот этот мощный транзистор — не что иное как выходной ключ, а эта микросхема — ШИМ контроллер.

В некоторых контроллерах мощный выходной транзистор «спрятан» внутри микросхемы. Если эти детали достаточно габаритные, то на них имеется полная маркировка, по которой можно найти техническую документацию (data sheet) микросхемы, транзистора, диода или стабилитрона. Именно эти детали составляют основу импульсных блоков питания.

Даташиты содержат весьма полезную информацию. Если это микросхема ШИМ контроллера, то можно определить, где какие выводы, какие на них приходят сигналы. Тут же можно найти внутреннее устройство контроллера и типовую схему включения, что очень помогает разобраться с конкретной схемой.

Несколько сложнее найти даташиты на малогабаритные компоненты SMD. Полная маркировка на маленьком корпусе не помещается, вместо нее на корпусе ставится кодовое обозначение из нескольких (три, четыре) букв и цифр. По этому коду с помощью таблиц или специальных программ, добытых опять-таки в интернете, удается, правда не всегда, найти справочные данные неведомого элемента.

Измерительные приборы и инструмент

Для ремонта импульсных блоков питания потребуется тот инструмент, который должен быть у каждого радиолюбителя. В первую очередь это несколько отверток, кусачки-бокорезы, пинцет, иногда пассатижи и даже упомянутый выше молоток. Это для слесарно-монтажных работ.

Для паяльных работ, конечно же, понадобится паяльник, лучше несколько, различной мощности и габаритов. Вполне подойдет обычный паяльник мощностью 25…40Вт, но лучше, если это будет современный паяльник с терморегулятором и стабилизацией температуры.

Для отпаивания многовыводных деталей хорошо иметь под руками если не супердорогую паяльную станцию , то хотя бы простенький недорогой паяльный фен. Это позволит без особых усилий и разрушения печатных плат выпаивать многовыводные детали.

Для измерения напряжений, сопротивлений и несколько реже токов понадобится цифровой мультиметр, пусть даже не очень дорогой, или старый добрый стрелочный тестер. О том, что стрелочный прибор еще рано списывать со счетов, какие он дает дополнительные возможности, которых нет у современных цифровых мультиметров, можно прочитать в статье «Стрелочные и цифровые мультиметры — достоинства и недостатки» .

Неоценимую помощь в ремонте импульсных блоков питания может оказать осциллограф . Тут тоже вполне возможно воспользоваться стареньким, даже не очень широкополосным электронно-лучевым осциллографом. Если конечно есть возможность приобрести современный цифровой осциллограф, то это еще лучше. Но, как показывает практика, при ремонте импульсных блоков питания можно обойтись и без осциллографа.

Собственно при ремонте возможны два исхода: либо отремонтировать, либо сделать еще хуже. Тут уместно вспомнить закон Хорнера: «Опыт растет прямо пропорционально числу выведенной из строя аппаратуры». И хотя закон этот содержит изрядную долю юмора, в практике ремонта дела обстоят именно таким образом. Особенно в начале пути.

Поиск неисправностей

Импульсные блоки питания выходят из строя намного чаще, чем другие узлы электронной аппаратуры. В первую очередь сказывается то, что присутствует высокое сетевое напряжение, которое после выпрямления и фильтрации становится еще выше. Поэтому силовые ключи и весь инверторный каскад работают в очень тяжелом режиме, как электрическом, так и тепловом. Чаще всего неисправности кроются именно в первичной цепи.

Неисправности можно разделить на два типа. В первом случае отказ импульсного блока питания сопровождается дымом, взрывами, разрушением и обугливанием деталей, иногда дорожек печатной платы.

Казалось бы, что вариант простейший, достаточно только поменять сгоревшие детали, восстановить дорожки, и все заработает. Но при попытке определить тип микросхемы или транзистора выясняется, что вместе с корпусом улетучилась и маркировка детали. Что тут было, без схемы, которой чаще под рукой нет, узнать невозможно. Иногда ремонт на этой стадии и заканчивается.

Второй тип неисправности тихий, как говорил Лёлик, без шума и пыли. Просто бесследно пропали выходные напряжения. Если этот импульсный блок питания представляет собой простой сетевой адаптер вроде зарядника для сотового или ноутбука, то в первую очередь следует проверить исправность выходного шнура.

Чаще всего происходит обрыв либо около выходного разъема, либо у выхода из корпуса. Если блок включается в сеть при помощи шнура с вилкой, то в первую очередь следует убедиться в его исправности.

После проверки этих простейших цепей уже можно лезть в дебри. В качестве этих дебрей возьмем схему блока питания 19-дюймового монитора LG_flatron_L1919s. Собственно неисправность была достаточно простой: вчера включался, а сегодня не включается.

При кажущейся серьезности устройства — как-никак монитор, схема блока питания достаточно проста и наглядна.

Описание схемы и рекомендации по ремонту

После вскрытия монитора было обнаружено несколько вздутых электролитических конденсаторов (C202, C206, C207) на выходе блока питания. В таком случае лучше поменять сразу все конденсаторы, всего шесть штук. Стоимость этих деталей копеечная, поэтому не стоит ждать, когда они тоже вспучатся. После такой замены монитор заработал. Кстати, такая неисправность у мониторов LG достаточно частая.

Вспученные конденсаторы вызывали срабатывание схемы защиты, о работе которой будет рассказано чуть позже. Если после замены конденсаторов блок питания не заработал, придется искать другие причины. Для этого рассмотрим схему более подробно.

Рис 5. Блок питания монитора LG_flatron_L1919s (для увеличения нажмите на рисунок)

Сетевой фильтр и выпрямитель

Сетевое напряжение через входной разъем SC101, предохранитель F101, фильтр LF101 поступает на выпрямительный мост BD101. Выпрямленное напряжение через термистор Th201 поступает на сглаживающий конденсатор C101. На этом конденсаторе получается постоянное напряжение 310В, которое поступает на инвертор.

Если это напряжение отсутствует или намного меньше указанной величины, то следует проверить сетевой предохранитель F101, фильтр LF101, выпрямительный мост BD101, конденсатор C101, и термистор Th201. Все указанные детали легко проверить с помощью мультиметра. Если возникает подозрение на конденсатор C101, то лучше поменять его на заведомо исправный.

Кстати, сетевой предохранитель просто так не сгорает. В большинстве случаев его замена не приводит к восстановлению нормальной работы импульсного блока питания. Поэтому следует искать другие причины, приводящие к перегоранию предохранителя.

Предохранитель следует ставить на тот же ток, который указан на схеме, и ни в коем случае не «умощнять» предохранитель. Это может привести к еще более серьезным неисправностя.

Инвертор

Инвертор выполнен по однотактной схеме. В качестве задающего генератора используется микросхема ШИМ-контроллера U101 к выходу которой подключен силовой транзистор Q101. К стоку этого транзистора через дроссель FB101 подключена первичная обмотка трансформатора T101 (выводы 3-5).

Дополнительная обмотка 1-2 с выпрямителем R111, D102, C103 используется для питания ШИМ контроллера U101 в установившемся режиме работы блока питания. Запуск ШИМ контроллера при включении производится резистором R108.

Выходные напряжения

Блок питания вырабатывает два напряжения: 12В/2А для питания инвертора ламп подсветки и 5В/2А для питания логической части монитора.

От обмотки 10-7 трансформатора T101 через диодную сборку D202 и фильтр C204, L202, C205 получается напряжение 5В/2А.

Последовательно с обмоткой 10-7 соединена обмотка 8-6, от которой с помощью диодной сборки D201 и фильтра C203, L201, C202, C206, C207 получается постоянное напряжение 12В/2А.

Защита от перегрузок

В исток транзистора Q101 включен резистор R109. Это датчик тока, который через резистор R104 подключен к выводу 2 микросхемы U101.

При перегрузке на выходе ток через транзистор Q101 увеличивается, что приводит к падению напряжения на резисторе R109, которое через резистор R104 подается на вывод 2CS/FB микросхемы U101 и контроллер перестает вырабатывать управляющие импульсы (вывод 6OUT). Поэтому напряжения на выходе блока питания пропадают.

Именно эта защита и срабатывала при вспученных электролитических конденсаторах, о которых было упомянуто выше.

Уровень срабатывания защиты 0,9В. Этот уровень задается источником образцового напряжения внутри микросхемы. Параллельно резистору R109 подключен стабилитрон ZD101 с напряжением стабилизации 3,3В, что обеспечивает защиту входа 2CS/FB от повышенного напряжения.

К выводу 2CS/FB через делитель R117, R118, R107 подается напряжение 310В с конденсатора С101, что обеспечивает срабатывание защиты от повышенного напряжения сети. Допустимый диапазон сетевого напряжения, при котором монитор нормально работает находится в диапазоне 90…240В.

Стабилизация выходных напряжений

Выполнена на регулируемом стабилитроне U201 типа A431. Выходное напряжение 12В/2А через делитель R204, R206 (оба резистора с допуском 1%) подается на управляющий вход R стабилитрона U201. Как только выходное напряжение становится равным 12В, стабилитрон открывается и засвечивается светодиод оптрона PC201.

В результате открывается транзистор оптрона, (выводы 4, 3) и напряжение питания контроллера через резистор R102 подается на вывод 2CS/FB. Импульсы на выводе 6OUT пропадают, и напряжение на выходе 12В/2А начинает падать.

Напряжение на управляющем входе R стабилитрона U201 падает ниже опорного напряжения (2,5В), стабилитрон запирается и выключает оптрон PC201. На выходе 6OUT появляются импульсы, напряжение 12В/2А начинает возрастать и цикл стабилизации повторяется снова. Подобным образом цепь стабилизации построена во многих импульсных блоков питания, например, в компьютерных.

Таким образом, получается, что на вход 2CS/FB контроллера с помощью проводного ИЛИ подключены сразу три сигнала: защита от перегрузок, защита от превышения напряжения сети и выход схемы стабилизатора выходных напряжений.

Вот тут как раз уместно вспомнить, как можно проверить работу этой петли стабилизации. Для этого достаточно при ВЫКЛЮЧЕННОМ!!! из сети блоке питания подать на выход 12В/2А напряжение от регулируемого блока питания.

На выход оптрона PC201 зацепиться лучше стрелочным тестером в режиме измерения сопротивлений. Пока напряжение на выходе регулируемого источника ниже 12В, сопротивление на выходе оптрона будет большим.

Теперь будем увеличивать напряжение. Как только напряжение станет больше 12В, стрелка прибора резко упадет в сторону уменьшения сопротивления. Это говорит о том, что стабилитрон U201 и оптопара PC201 исправны. Следовательно, стабилизация выходных напряжений должна работать нормально.

В точности так же можно проверить работу петли стабилизации у компьютерных импульсных блоков питания. Главное разобраться в том, к какому напряжению подключен стабилитрон.

Если все указанные проверки прошли удачно, а блок питания не запускается, то следует проверить транзистор Q101, выпаяв его из платы. При исправном транзисторе виновата, скорей всего, микросхема U101 или ее обвязка. В первую очередь это электролитический конденсатор C105, который лучше всего проверить заменой на заведомо исправный.

Информация, опубликованная на данном веб-сайте, представлена исключительно в ознакомительных целях, за применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.

Основы импульсного источника питания

Скачать PDF

Abstract

Импульсные источники питания являются популярным и иногда необходимым выбором для преобразования мощности постоянного тока в постоянный. Эти схемы предлагают явные преимущества и компромиссы по сравнению с альтернативными методами преобразования мощности постоянного тока. В этой статье представлен краткий обзор преимуществ и недостатков импульсных источников питания, а также предлагается простой обзор их работы и теории.

Эта статья также была опубликована в журнале Maxim’s Engineering Journal, vol. 61 (PDF, 440 КБ).

Учитывая, что многим электронным устройствам требуется несколько уровней постоянного напряжения, разработчикам нужен способ преобразования стандартных потенциалов источника питания в напряжения, диктуемые нагрузкой. Преобразование напряжения должно быть универсальным, эффективным и надежным процессом. Импульсные источники питания (SMPS) часто используются для обеспечения различных уровней выходной мощности постоянного тока, необходимых для современных приложений, и незаменимы для создания высокоэффективных и надежных систем преобразования мощности постоянного тока в постоянный.

Почему ИИП?

Большинство электронных нагрузок постоянного тока питаются от стандартных источников питания. К сожалению, стандартные напряжения источника могут не соответствовать уровням, требуемым микропроцессорами, двигателями, светодиодами или другими нагрузками, особенно когда напряжение источника не регулируется. Устройства с батарейным питанием являются яркими примерами проблемы: типичное напряжение стандартного элемента Li+ или NiMH-элемента либо слишком высокое/низкое, либо слишком сильно падает во время разряда, чтобы его можно было использовать в обычных приложениях.

Универсальность

К счастью, универсальность SMPS решает проблему преобразования стандартного напряжения источника в пригодное для использования заданное выходное напряжение. Существует множество топологий SMPS, которые классифицируются по основным категориям: эти источники питания повышают, понижают, инвертируют или даже повышают и понижают входное напряжение. В отличие от линейных стабилизаторов, которые могут только понижать входное напряжение, импульсные источники питания привлекательны тем, что можно выбрать топологию, подходящую практически для любого выходного напряжения.

Персонализация

Кроме того, современные ИС SMPS разработаны с различными уровнями интеграции, что позволяет инженеру выбирать среди топологий с более или менее стандартными функциями SMPS, реализованными в ИС. При этом производители упрощают проектирование широко используемых источников питания для конкретных приложений или предлагают инженерам базовые ИС SMPS для индивидуальных проектов, тем самым повышая универсальность этих широко используемых устройств.

Эффективность

Инженеры также сталкиваются с другой распространенной проблемой: как эффективно преобразовывать энергию постоянного тока. Например, часто требуется понизить входное напряжение, чтобы получить более низкое выходное напряжение. В простом решении используется линейный регулятор, так как для этого устройства требуется всего несколько конденсаторов и соответствующее управление температурой. Однако там, где такая простота заканчивается, начинается неэффективность — даже до неприемлемого уровня, если перепад напряжения велик.

Эффективность линейного стабилизатора напрямую связана с мощностью, падающей на его проходной транзистор. Это падение мощности может быть значительным, поскольку рассеиваемая мощность равна I _LDO × (V _IN — V _OUT ). Например, при понижении нагрузки 100 мА от батареи 3,6 В до выходного напряжения 1,8 В на линейном регуляторе падает 0,18 Вт. Это падение мощности приводит к низкому КПД 50%, что снижает срок службы батареи на 50% (при идеальной работе).

Понимая эту потерю эффективности, добросовестный инженер стремится найти улучшенное решение, и именно здесь превосходит SMPS. Хорошо спроектированный SMPS может достигать КПД 90% и более, в зависимости от нагрузки и уровня напряжения. Как и в предыдущем примере, при использовании понижающего ИИП на рис. 1 вместо линейного регулятора наблюдается КПД 90%. Это повышение эффективности на 40% по сравнению с линейным регулятором. Преимущество понижающего SMPS очевидно, и аналогичная или лучшая эффективность наблюдается в других топологиях SMPS.

Рис. 1. MAX8640Y используется в простой схеме импульсного источника питания с понижением напряжения.

Хотя высокая эффективность является основным преимуществом конструкций SMPS, другие преимущества, естественно, возникают как прямой результат минимизации потерь мощности. Например, в SMPS наблюдается уменьшенный тепловой след по сравнению с его менее эффективными аналогами. Это преимущество эквивалентно снижению требований к управлению температурным режимом. Кроме того, что более важно, срок службы увеличивается за счет повышения надежности, поскольку компоненты не подвергаются чрезмерному нагреву, как это было бы в менее эффективной системе.

Топология SMPS и теория преобразования

Как упоминалось в предыдущем разделе, импульсные источники питания могут преобразовывать входное постоянное напряжение в другое выходное постоянное напряжение в зависимости от топологии схемы. Хотя в инженерном мире используется множество топологий SMPS, три из них являются основными и встречаются чаще всего. Эти топологии (показаны на рисунке 2) классифицируются в соответствии с их функцией преобразования: понижающая (понижающая), повышающая (повышающая) и повышающая/понижающая (понижающая-повышающая или инверторная). Пути заряда/разряда катушки индуктивности, представленные на схемах на Рисунке 2, обсуждаются в следующих параграфах.

Рис. 2. Понижение, повышение и понижение-увеличение составляют основные топологии SMPS.

Все три основные топологии включают переключатель MOSFET, диод, выходной конденсатор и катушку индуктивности. МОП-транзистор, который является активно управляемым компонентом в схеме, соединен с контроллером (не показан). Этот контроллер подает прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на затвор полевого МОП-транзистора, тем самым включая и выключая устройство. Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, контроллер определяет выходное напряжение SMPS и изменяет коэффициент заполнения (D) прямоугольного сигнала, определяя, как долго МОП-транзистор остается включенным в течение каждого периода переключения (T _S ). Значение D, представляющее собой отношение времени включения прямоугольного импульса к его периоду переключения (T _ON /T _S ), напрямую влияет на наблюдаемое напряжение на выходе SMPS. Эта взаимосвязь проиллюстрирована уравнениями 4 и 5.

Состояния включения и выключения MOSFET делят схему SMPS на две фазы: фаза заряда и фаза разряда, обе из которых описывают передачу энергии индуктора (см. контуры пути на рисунке 2). Энергия, накопленная в катушке индуктивности во время фазы зарядки, передается на выходную нагрузку и конденсатор во время фазы разрядки. Конденсатор поддерживает нагрузку, пока катушка индуктивности заряжается, и поддерживает выходное напряжение. Эта циклическая передача энергии между элементами схемы поддерживает правильное значение выходного напряжения в соответствии с его топологией.

Индуктор играет центральную роль в передаче энергии от источника к нагрузке во время каждого цикла переключения. Без него SMPS не будет работать при переключении MOSFET. Энергия (E), запасенная в индукторе (L), зависит от его тока (I):

Следовательно, изменение энергии в катушке индуктивности измеряется изменением ее тока (ΔI _L ), которое связано с приложенным к ней напряжением (V _L ) в течение определенного периода времени (ΔT):

(ΔI _L ) представляет собой линейную рампу, поскольку постоянное напряжение прикладывается к индуктору во время каждой фазы переключения (рис. 3). Напряжение катушки индуктивности во время фазы переключения можно определить, выполнив петлю напряжения Кирхгофа, обращая особое внимание на полярность и соотношения V _IN / V _OUT . Например, напряжение катушки индуктивности повышающего преобразователя во время фазы разряда равно -(В _ВЫХ — В _ВХ ). Потому что V _OUT > V _IN , напряжение дросселя отрицательное.

Рис. 3. Подробные характеристики напряжения и тока для катушки индуктивности в установившемся режиме.

Во время фазы заряда МОП-транзистор открыт, диод смещен в обратном направлении, и энергия передается от источника напряжения к дросселю (рис. 2). Ток катушки индуктивности увеличивается, потому что V _L положителен. Кроме того, выходная емкость передает энергию, накопленную в предыдущем цикле, в нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Во время фазы разряда полевой МОП-транзистор выключается, и диод становится смещенным в прямом направлении и, следовательно, проводит. Поскольку источник больше не заряжает катушку индуктивности, клеммы катушки индуктивности меняют полярность по мере того, как она разряжает энергию в нагрузку и пополняет выходной конденсатор (рис. 2). Ток катушки индуктивности снижается по мере передачи энергии в соответствии с тем же соотношением передачи, которое было указано ранее.

Циклы заряда/разряда повторяются и поддерживают установившееся состояние переключения. Во время перехода цепи в устойчивое состояние ток дросселя нарастает до своего конечного уровня, который представляет собой суперпозицию постоянного тока и линейно изменяющегося переменного тока (или пульсирующего тока дросселя), возникающего в течение двух фаз цепи (рис. 3). Уровень постоянного тока связан с выходным током, но зависит от положения катушки индуктивности в цепи SMPS.

Импульсный ток должен отфильтровываться SMPS, чтобы обеспечить подачу истинного постоянного тока на выход. Это фильтрующее действие осуществляется выходным конденсатором, который мало сопротивляется высокочастотному переменному току. Нежелательный выходной пульсирующий ток проходит через выходной конденсатор и поддерживает заряд конденсатора, пока ток проходит на землю. Таким образом, выходной конденсатор также стабилизирует выходное напряжение. Однако в неидеальных приложениях эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора вызывает пульсации выходного напряжения, пропорциональные пульсациям тока, протекающего через него.

Таким образом, энергия перемещается между источником, катушкой индуктивности и выходным конденсатором для поддержания постоянного выходного напряжения и питания нагрузки. Но как передача энергии ИИП определяет его коэффициент преобразования выходного напряжения? Это отношение легко вычислить, если понимать стационарное состояние применительно к периодическим сигналам.

Чтобы быть в устойчивом состоянии, переменная, которая повторяется с периодом T _S , должна быть одинаковой в начале и в конце каждого периода. Поскольку ток катушки индуктивности является периодическим из-за фаз заряда и разряда, описанных ранее, ток катушки индуктивности в начале периода ШИМ должен равняться току катушки индуктивности в конце. Это означает, что изменение тока дросселя во время фазы заряда (ΔI _ЗАРЯД ) должен равняться изменению тока дросселя во время фазы разряда (ΔI _РАЗРЯД ). Приравнивая изменение тока дросселя для фаз заряда и разряда, достигается интересный результат, который также называют правилом вольт-секунды:

Проще говоря, произведение напряжения катушки индуктивности на время в каждой фазе цепи одинаково. Это означает, что, наблюдая за цепями SMPS на рис. 2, можно без особых усилий найти идеальные установившиеся коэффициенты преобразования напряжения/тока. Для понижающей схемы петля напряжения Кирхгофа вокруг цепи фазы заряда показывает, что напряжение катушки индуктивности представляет собой разницу между V _IN и V _OUT . Аналогично, напряжение катушки индуктивности во время цепи фазы разряда равно -V _OUT . Используя правило вольт-секунд из уравнения 3, определяется следующий коэффициент преобразования напряжения:

Кроме того, входная мощность (P _IN ) равна выходной мощности (P _OUT ) в идеальной схеме. Таким образом, коэффициент преобразования тока находится:

Из этих результатов видно, что понижающий преобразователь уменьшает V _IN в D раз, а входной ток D-кратен току нагрузки. В таблице 1 перечислены коэффициенты преобразования для топологий, изображенных на рисунке 2. Как правило, все коэффициенты преобразования SMPS можно найти с помощью метода, используемого для решения уравнений 3 и 5, хотя анализ сложных топологий может быть более сложным.

Таблица 1. Коэффициенты преобразования SMPS

Топология	Коэффициент преобразования напряжения (°С)	Коэффициент преобразования тока (°С)
Понижающий	В ВЫХ /В ВХОД = D	I ВХОД /I ВЫХОД = D
Повышающий	В ВЫХ /В ВХОД = 1/(1 — D)	I IN /I OUT = 1/(1 — D)
Шаг вверх/вниз	В ВЫХ /В В = Д/(1 — Д)	I IN /I OUT = D/(1 — D

Недостатки и недостатки SMPS

Конечно, высокая эффективность, обеспечиваемая SMPS, не лишена недостатков. Возможно, наиболее часто упоминаемой проблемой импульсных преобразователей является их склонность к излучению электромагнитных помех (ЭМП) и проведению шума. Электромагнитное излучение вызвано быстрыми переходами сигналов переключения тока и напряжения, которые существуют в цепях SMPS. Быстро меняющиеся напряжения в узле индуктора вызывают излучаемые электрические поля, в то время как быстро переключаемые токи контуров заряда/разряда создают магнитные поля. Кондуктивный шум, однако, распространяется на входные и выходные цепи, когда входные/выходные емкости импульсных источников питания и паразитные помехи на печатной плате представляют собой более высокие импедансы по отношению к коммутируемым токам. К счастью, правильное размещение компонентов и методы компоновки печатной платы могут успешно бороться с электромагнитными помехами и снижать уровень шума.

SMPS также могут быть довольно сложными и требовать дополнительных внешних компонентов, что может привести к увеличению общей стоимости источника питания. К счастью, большинство производителей ИС ИИП предоставляют подробную литературу не только по работе устройства, но и по правильному выбору внешних компонентов. Кроме того, высокий уровень интеграции современных ИС SMPS может уменьшить количество необходимых внешних компонентов.

Несмотря на эти проблемы, SMPS широко используются во многих приложениях. С недостатками можно справиться, а эффективность и универсальность, получаемые от их использования, очень желательны и часто необходимы.

Импульсные источники питания

для начинающих: введение в эффективность, часть 1

Скачать эту статью в формате .PDF Этот тип файла включает в себя графику и схемы с высоким разрешением, когда это применимо.

Энергоэффективность является фундаментальной характеристикой любого импульсного источника питания (SMPS), и ее измерение обычно определяет качество устройства преобразования. Высокие числа дают право хвастаться успешному инженеру, в то время как низкие числа обычно указывают на необходимость модификации или перепроектирования.

Максимальная эффективность является основным требованием для всех SMPS, но в еще большей степени для тех, которые используются в портативных устройствах, где срок службы батареи должен быть продлен, чтобы предложить потребителям более продолжительное время работы при использовании их любимых гаджетов и игрушек. Высокая эффективность также является обязательным условием для тех конструкций, которые требуют улучшенного управления температурным режимом или где важна стоимость обеспечения электроэнергией.

Чтобы добиться максимальной эффективности преобразования в конструкции SMPS, инженер должен понимать элементарные механизмы потери мощности, присущие этим преобразователям, и то, что можно сделать для смягчения их последствий. Кроме того, знакомство с общими функциями интегральных схем SMPS, которые способствуют повышению эффективности, позволяет инженеру сделать лучший выбор, когда он сталкивается с конструкцией импульсного преобразователя.

В этом обсуждении, состоящем из двух частей, объясняются основные факторы, влияющие на эффективность SMPS, и даются рекомендации о том, как начать новый проект. В этой первой части рассматриваются вводные материалы и потери мощности коммутационных компонентов.

Ожидания эффективности

Потери энергии являются неотъемлемой частью систем преобразования энергии. Неидеальности мира природы мешают нам достичь высшей награды в виде 100% эффективности преобразования. Тем не менее, хорошо спроектированные блоки питания могут обеспечить весьма замечательную эффективность, обычно приближающуюся к процентам от среднего до высокого 9.0 с.

Для любознательных: эталонные показатели эффективности могут быть получены путем изучения типичных рабочих характеристик, приведенных в спецификациях, предоставляемых производителями ИС источников питания. Например, схема понижающего преобразователя в (рис. 1, ) достигает КПД до 97 % для определенных конфигураций выходного сигнала и дает высокий КПД при очень малых нагрузках.

Как достигаются такие высокие показатели эффективности? Уделение пристального внимания фундаментальным потерям, общим для всех SMPS, является отличным началом. Эти потери в основном обнаруживаются в переключающих компонентах (МОП-транзисторы и диоды) и, в меньшей степени, в катушках индуктивности и конденсаторах общей схемы SMPS. В зависимости от ИС могут быть выбраны специальные функции, которые будут бороться с потерями эффективности, такие как варианты архитектуры управления и интеграция компонентов. Например, схема в Рис. 1 использует несколько методов для борьбы с собственными потерями, включая синхронное выпрямление, встроенные полевые МОП-транзисторы с низким сопротивлением, низкое потребление тока покоя и архитектуру управления с пропуском импульсов, преимущества которых будут обсуждаться в этой статье.

Краткий обзор SMPS Stepdown

Хотя потери, которые будут обсуждаться, применимы ко всем базовым топологиям SMPS, следующий текст поясняется со ссылкой на общий stepdown или buck схема преобразователя в рис. 2 . На рисунке также выделены некоторые сигналы переключения схемы, которые будут упоминаться в расчетах, представленных ниже.

Понижающий преобразователь снижает высокое постоянное входное напряжение до более низкого постоянного выходного напряжения. При этом полевой МОП-транзистор включается и выключается с постоянной частотой модуляции (f _S ) прямоугольным сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Короче говоря, когда МОП-транзистор включен, входной источник питания заряжает катушку индуктивности и конденсатор и подает питание на нагрузку. В течение этого времени величина тока индуктора увеличивается по мере того, как он протекает через контур 1, как показано на рис. 9.0233 Рис. 2 .

Когда МОП-транзистор выключается, входное питание отключается от выхода, а дроссель и выходной конденсатор поддерживают нагрузку. Величина тока катушки индуктивности снижается по мере того, как он протекает через диод в соответствии с направлением, указанным в контуре 2. Доля периода переключения, в течение которого полевой МОП-транзистор открыт, определяется коэффициентом заполнения (D) сигнала ШИМ. D делит каждый период переключения (t _S ) на [D x t _S ] и [(1-D) x t _S ], которые связаны с проводимостью полевого МОП-транзистора (контур 1) и диода (контур 2) соответственно.

Все топологии SMPS используют это разделение периода переключения для достижения преобразования выходного напряжения. Для понижающего преобразователя чем больше рабочий цикл, тем больше энергии поступает в нагрузку, и среднее выходное напряжение увеличивается. И наоборот, по мере уменьшения рабочего цикла среднее выходное напряжение уменьшается.

Благодаря этому соотношению коэффициенты преобразования для понижающего SMPS составляют:
V _ВЫХ = D x V _ВХОД
I _IN = D x I _OUT .

Важно отметить, что чем дольше какой-либо ИИП остается в определенном интервале, тем больше относительные потери, совпадающие с этим интервалом. Для понижающего преобразователя низкий показатель D означает большие относительные потери в контуре 2, поскольку этот контур доминирует в периоде переключения.

Потери в переключающих компонентах

МОП-транзистор и диод, изображенные на Рис. 2 (и в большинстве других основных топологий преобразователя) имеют тенденцию вызывать наибольшее снижение эффективности из-за природы этих полупроводниковых устройств. Оба являются жертвами двух разновидностей потери мощности: потери проводимости и потери переключения.

Легче понять, что это потеря проводимости. Интуитивно понятно, что там, где течет ток, естественным образом возникает сопротивление потоку, и в результате расходуется энергия. И МОП-транзистор, и диод действуют как переключатели, которые направляют ток через цепь, когда какое-либо устройство включено в течение каждого интервала переключения. Следовательно, при включении этого конкретного устройства будут генерироваться потери проводимости из-за сопротивления MOSFET во включенном состоянии (R _DSon ) и прямое напряжение диода.

Поскольку ток МОП-транзистора течет только во включенном состоянии, потери проводимости МОП-транзистора (P _CONDmosfet ) аппроксимируются произведением R _DSon , коэффициента заполнения и квадрата тока в открытом состоянии:

P _CONDmosfet = I _{MOSFETon(avg)} ² x R _DOn x D

где I _{MOSFETon(avg)} — средний ток MOSFET в течение периода включения. Ссылаясь на понижающий преобразователь в Рис. 2 , МОП-транзистор проводит выходной ток (I _OUT ), пока он включен, в результате чего расчетные потери проводимости МОП-транзистора составляют: x (V _OUT / V _IN )

В то время как потери проводимости полевого МОП-транзистора пропорциональны рассеянию на его низком уровне R _DSon , потери проводимости диода зависят от сравнительно большего прямого напряжения (V _F ). Таким образом, диоды обычно имеют большие потери проводимости, чем МОП-транзисторы. Потери проводимости диода пропорциональны прямому току, VF и времени проводимости. Поскольку диод будет проводить ток, когда полевой МОП-транзистор выключен, потеря проводимости диода (P _CONDdiode ) аппроксимируется следующим образом:

P _CONDdiode = I _DIODEon(avg) x V _F x (1-D)

где I _{DIODEon(avg) 9003 на интервале. В рис. 2 средний прямой ток диода равен I OUT в течение интервала его проводимости. Следовательно, P CONDdiode для понижающего преобразователя оценивается как:}

P _CONDdiode = I _OUT x V _F x (1 — V _OUT / V _IN )

Из этих уравнений становится очевидным, что чем дольше какое-либо устройство включено во время каждого интервала переключения, тем больше относительная потеря проводимости этого устройства. Для понижающего преобразователя чем ниже задано выходное напряжение (при неизменном входном напряжении), тем больший вклад в потери мощности вносит диод, так как он проводит больше интервала переключения.

Возможно, немного менее интуитивными являются потери переключения MOSFET и диодов, которые возникают из-за неидеальности их характеристик переключения. Требуется время, чтобы устройства перешли от полностью выключенного к полностью включенному и наоборот, и это приводит к энергопотреблению при изменении состояния устройств.

Упрощенный график напряжения сток-исток (V _DS ) и тока сток-исток (I _DS ) обычно приводится для объяснения коммутационных потерь, встречающихся в полевых МОП-транзисторах. Верхний график на рис. 3 изображает такие формы сигналов, где немгновенные переходы напряжения и тока происходят во время t _SWon и t _SWoff из-за зарядки и разрядки емкостей, обнаруженных в MOSFET.

Как показано на графиках, ток полной нагрузки (I _D ) должен быть передан на МОП-транзистор до того, как его V _DS уменьшится до своего конечного значения в открытом состоянии (= I _D x R _DSon ). И наоборот, переход при выключении требует, чтобы V _DS увеличилось до своего конечного значения в выключенном состоянии, прежде чем ток будет передан от MOSFET. Эти переходы приводят к перекрытию кривых напряжения и тока и приводят к рассеиванию мощности, которое видно на нижнем графике рис. 3 .

Время переключения более или менее постоянно по частоте, что приводит к увеличению коммутационных потерь по мере увеличения частоты SMPS. Это можно понять, заметив, что периоды постоянного перехода потребляют больше доступного периода переключения по мере того, как этот период переключения сокращается.

Переключающий переход, для которого требуется только одна двадцатая часть рабочего цикла, окажет гораздо меньшее влияние на эффективность, чем переход, для которого требуется одна десятая рабочего цикла. Из-за частотной зависимости потери на переключение преобладают над потерями проводимости на высоких частотах.

Потери переключения MOSFET (P _SWmosfet ) оцениваются путем применения треугольной геометрии к Рис. 3 для получения следующего уравнения:

P _SWmosfet 0,5 x V _D x I _D x (t _SWon + t _SWoff ) x f _s

где V _D — напряжение сток-исток MOSFET в выключенном состоянии, I _D — ток канала во включенном состоянии. -время, а t _SWon и t _SWoff — время перехода включения и выключения соответственно. Для понижающего преобразователя сигнал V _IN подается на полевой МОП-транзистор в выключенном состоянии, и он передает I _OUT , когда он включен.

Чтобы продемонстрировать вышеупомянутые уравнения проводимости MOSFET и потерь при переключении, был использован осциллограф для захвата V _DS и I _DS формы сигналов типичного интегрированного полевого МОП-транзистора верхнего плеча в понижающем преобразователе. Условия схемы были следующими: V _IN = 10 В, V _OUT = 3,3 В, I _OUT = 500 мА, R _DOn = 0,1 Ом, f _S = 1 МГц, и переходный процесс переключения (t _ON + t _OFF ) составляет 38 нс.

Как видно на Рис. 4 , переключение не является мгновенным, а наложение сигналов тока и напряжения приводит к потерям мощности, показанным на нижнем графике. Текущая форма сигнала линейно изменяется с I _DS отслеживает ток катушки индуктивности для цикла «включено» ( рис. 2 ), что приводит к большим потерям переключения во время переходного процесса «выключено».

Используя ранее упомянутые приближения, рассчитывается общая средняя потеря MOSFET:

P _TMOSFET = P _Condmosfet + P _SWMOSFET

= I _OUT ^{2 _{0 x R DSSO VAIN . OUT /V IN ) + 0,5 x V IN x I OUT x (T SWON + T SCFOFF ) x F S}}

= 0,5 ² x 0,1 x 0,33 + 0,5 x 10 x 0,5 x (38 x 10 ^-9 ) x 1 x 10 ^{6 6 (38 x 10 -9 ) x 1 x 10 6 6}

8,3 мВт + 95 мВт

P _Tmosfet = 103,3 мВт

Результат согласуется со средним значением 117,4 мВт для нижней кривой. Обратите внимание, что в этом случае f _S достаточно велико, чтобы P _SWmosfet доминировало над потерями проводимости.

Как и МОП-транзистор, диод также имеет потери при переключении. Однако эти потери в значительной степени зависят от времени обратного восстановления (t _RR ) используемого диода. Потери при переключении диода возникают при переходе диода из состояния прямого смещения в состояние обратного смещения.

Заряд, присутствующий в диоде из-за прямого тока, должен выметаться из перехода, когда к нему прикладывается обратное напряжение, что приводит к всплеску тока (I _RRpeak ), противоположному прямому току. Это действие приводит к потере мощности V × I, поскольку обратное напряжение прикладывается к диоду во время этого обратного восстановления. Рис. 5 представляет собой упрощенный график периода обратного восстановления p-n-диода.

Когда известны характеристики обратного восстановления диода, для оценки потерь мощности при переключении (P _SWdiode ) диода используется следующее уравнение:

P _SWdiode 0,5 x V RRpeak x t _RR2 x f _s

где V _REVERSE — напряжение обратного смещения на МОП-транзисторе, I _RRpeak — пиковый ток обратного восстановления, t _RR2 — это часть времени обратного восстановления после пиков I _RR . Для понижающего преобразователя V _IN смещает диод в обратном направлении после включения МОП-транзистора.

Чтобы продемонстрировать уравнения диода, На рис. 6 показаны формы сигналов напряжения и тока, наблюдаемые для переключающего p-n-диода в типичном понижающем преобразователе. V _IN = 10 В, V _OUT = 3,3 В, измеренное I _RRpeak = 250 мА, I _OUT = 500 мА, f _S = 1 МГц, T _RR2 = 28 нс и V _F = 0,9 В. Используя эти значения:

P _TotalDiode = P _SWDIODE + P _Conddiode

(1 -v _OUT

(1 -v . / V _в ) x I _Out x V _F + 0,5 x V _в x I _RRPeak x T _RR2 x F _S

= (1 — 0,33) x 0,5 x 0,9 + 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5. x 10 x 0,25 x 28 x 10 ^-9 x 1 x 10 ⁶

= 301,5 мВт + 35 мВт

= 336,5 мВт

Этот результат совпадает со средней мощностью потерь 358,7 мВт, указанной на нижнем графике рис. 6 . Из-за большого значения V _F и длительного интервала проводимости диода, а также из-за того, что t _RR является относительно быстрым, в диоде преобладают потери проводимости (P _SWdiode ).

Учитывая предыдущее обсуждение, что можно сделать для уменьшения потерь, связанных с переключающими компонентами источника питания? Ответ простой — выбирайте полевые МОП-транзисторы с низким R9.0030 DOn и быстрые переходные процессы переключения, а также диоды с низким V _F и быстрыми периодами восстановления.

Несколько явлений напрямую влияют на сопротивление полевого МОП-транзистора в открытом состоянии. Естественно, R _DSon увеличивается с увеличением размеров кристалла и напряжения пробоя сток-исток (V _BRdss ) из-за увеличения количества полупроводникового материала в устройстве. Таким образом, слишком большой размер МОП-транзистора может привести к потерям эффективности, которых может не быть у меньшего, правильно выбранного устройства.

Кроме того, из-за положительного температурного коэффициента МОП-транзистора R _DSon увеличивается по мере увеличения температуры кристалла. Таким образом, необходимо соблюдать надлежащие методы управления тепловым режимом, чтобы температура перехода оставалась низкой, а R _DSon не увеличивался чрезмерно.

Сопротивление во включенном состоянии также изменяется обратно пропорционально смещению затвор-исток до определенной точки. Таким образом, максимальное напряжение управления затвором рекомендуется для достижения наименьшего R _DSon , с учетом увеличения потерь управления затвором, возникающих при этом. Однако напряжение затвора часто не регулируется в ИС SMPS. То есть, если опция не позволяет пользователю сделать это, например, самозагрузка питания ИС или когда внешний драйвер затвора используется для конструкции SMPS.

Потери переключения MOSFET зависят от емкостей, имеющихся в устройстве. Большие емкости заряжаются медленнее, в результате чего переходы переключения длятся дольше и рассеивают больше энергии. Емкость Миллера, обычно называемая емкостью обратной передачи (C _RSS ) или емкостью затвор-сток (C _GD ) в спецификациях полевых МОП-транзисторов, является основным фактором, влияющим на время перехода во время переключения.

Заряд, требуемый емкостью Миллера, обозначается Q _GD и, как и емкость Миллера, должен быть минимальным для более быстрого переключения. Поскольку емкость полевого МОП-транзистора также зависит от размера кристалла, обычно рассматривается компромисс между потерями проводимости и потерями переключения, при этом особое внимание уделяется частоте переключения схемы.

Для диода необходимо свести к минимуму прямое напряжение, так как потери из-за него могут быть большими. Прямое напряжение обычно находится в диапазоне от 0,7 В до 1,5 В для небольших диодов с более низким номиналом. Опять же, размеры, технологический процесс и номинальное напряжение влияют на прямое напряжение и время обратного восстановления, причем более высокие номиналы и большие размеры демонстрируют более высокие значения V _F и t _RR , что приводит к большим потерям.

Переключающие диоды, предназначенные для высокоскоростных приложений, часто классифицируются по скорости, а именно диоды с быстрым, сверхбыстрым и сверхбыстрым восстановлением, при этом время обратного восстановления уменьшается по мере увеличения скорости. Быстрые диоды, как правило, имеют t _RR в сотни наносекунд, в то время как сверхбыстрые диоды, как правило, в несколько десятков наносекунд.

Несмотря на то, что p-n-диоды, как правило, имеют большое прямое падение напряжения, они также доступны с большими номиналами напряжения и тока, что делает их подходящими для приложений с более высокой мощностью. Но даже с оптимизированными диодами V _F и t _RR быстродействующий восстанавливающий диод обычно не встретишь в маломощных или портативных устройствах, поскольку потери энергии слишком велики.

В качестве возможной альтернативы диодам с быстрым восстановлением в маломощных приложениях диоды Шоттки предлагают практически отсутствующее время восстановления, а V _F почти вдвое меньше, чем у диодов с быстрым восстановлением (часто от 0,4 В до 1 В), но не доступны с номинальным напряжением, столь же высоким, как у диодов с быстрым восстановлением. Из-за своих преимуществ диоды Шоттки широко используются в маломощных устройствах, чтобы значительно снизить потери мощности, связанные с переключающим диодом, особенно в приложениях с низким рабочим циклом.

Однако даже при малом падении прямого напряжения диод Шоттки может давать неприемлемые потери проводимости в низковольтных устройствах. Рассмотрим понижающий выход 1,5 В, где используется типичный диод Шоттки на 0,5 В. Это 33% выходного напряжения за время работы диода!

Ситуацию с большими потерями можно улучшить, воспользовавшись преимуществом низкого R _DSon полевого МОП-транзистора в методе, называемом синхронным выпрямлением. Здесь MOSFET заменяет диод (сравните рис. 1 и рис. 2 ) и синхронизирован с другим полевым МОП-транзистором, так что оба проводят попеременно в течение соответствующих интервалов переключения. Теперь относительно высокое V _F диода заменено гораздо более низким падением напряжения R _DSon (в зависимости от тока) MOSFET, компенсируя эффективность, потерянную из-за проводимости диода.

Однако у синхронного выпрямления есть свои недостатки, такие как повышенная сложность и стоимость, и оно может не принести существенных преимуществ при очень высоких уровнях тока, поскольку потери проводимости MOSFET увеличиваются пропорционально квадрату его тока. Кроме того, поскольку мощность расходуется при включении затвора синхронного выпрямителя, инженер должен взвесить эффективную потерю дополнительного привода затвора.

Спецификация

До сих пор обсуждались потери мощности, характерные для двух основных компонентов обычного импульсного источника питания, полевого МОП-транзистора и диода. Вспоминая схему понижения в (рис. 1 ), несколько важных аспектов ИС контроллера, которые помогают в его очень эффективной работе, можно связать со ссылкой на его техническое описание.

Во-первых, коммутационные компоненты интегрированы в корпус ИС, что позволяет сэкономить место и уменьшить паразитные потери. Второй, низкий R 9Используются полевые МОП-транзисторы 0030 DSon . Они указаны как 0,27 Ом (типичное) и 0,19 Ом (типичное) для NMOS и PMOS соответственно. В-третьих, используется синхронное выпрямление. Для рабочего цикла 50 % и нагрузки 500 мА это снижает потери на проводимость ключа с 250 мВт при использовании диода 1 В до примерно 34 мВт из-за низкого значения R _DSon синхронного NMOS-транзистора.

Несмотря на то, что коммутация компонентов сильно влияет на эффективность SMPS, существует больше областей, в которых инженер может бороться с инвазивными последствиями потери мощности. Во второй части этой статьи будут рассмотрены потери в пассивных компонентах и ​​важные функции повышения эффективности ИС SMPS.