Виды импульсных блоков питания. Импульсные блоки питания: виды, характеристики и применение

Благодаря использованию высоких частот переключения размер магнитных компонентов и связанных с ними фильтрующих компонентов в SMPS значительно уменьшен по сравнению с линейным источником питания. Например, SMPS, работающий на частоте 20 кГц, дает уменьшение размера компонента в 4 раза, а на частоте 100 кГц и выше этот показатель увеличивается примерно до 8 раз. Это означает, что конструкция SMPS может производить очень компактные и легкие источники питания. В настоящее время это обязательное требование для большинства электронных систем.

Обзор SMPS

Импульсные источники питания используют высокочастотные переключающие устройства для высокоэффективной передачи электроэнергии от источника к нагрузке. Действие переключения управляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а регулировка напряжения достигается за счет изменения рабочего цикла ШИМ.

По мере того, как электронное оборудование становится все меньше и меньше, рынок требует, чтобы силовые преобразователи делали то же самое. С момента появления методов переключения режимов это был скорее эволюционный, чем революционный процесс. Глобальный рынок стал реальностью, поэтому источники питания работают в широком диапазоне входных напряжений, чтобы покрыть различные варианты сетевого питания переменного тока по всему миру.

Базовая схема SMPS

• Входной выпрямитель и фильтр: Используется для преобразования входного переменного тока в постоянный. Для SMPS с входом постоянного тока этот каскад не требуется. Выпрямитель вырабатывает нерегулируемый постоянный ток, который затем проходит через схему фильтра.
• Инвертор: Стадия инвертора преобразует постоянный ток (независимо от входа или от каскада выпрямителя) в переменный ток, пропуская его через силовой генератор, выходной трансформатор которого очень мал, имеет несколько обмоток и работает на частоте от 10 до нескольких сотен кГц.
• Переключающий трансформатор: Если требуемый выход должен быть изолирован от входа, SMPS использует высокочастотный трансформатор в качестве изолятора между переключающим элементом и выходом. Это преобразует напряжение вверх или вниз до требуемого выходного уровня на его вторичной обмотке.
• Выходной выпрямитель и фильтр: Преобразует выходной переменный ток в постоянный.
• Регулирование: Цепь обратной связи отслеживает выходное напряжение и ток и сравнивает их с опорным напряжением и током, чтобы поддерживать выходное напряжение регулируемым/постоянным.

Топологии SMPS

Цепи SMPS содержат сети трансформаторов, аккумулирующие и фильтрующие катушки индуктивности, конденсаторы и электронные переключатели и выпрямители для регулирования мощности. Их конкретное расположение называется топологией .

SMPS уменьшает размер и повышает эффективность за счет увеличения частоты операций. Компромиссами являются повышенные пульсации и шумы (как кондуктивные, так и излучаемые электромагнитные помехи) на выходе, которыми необходимо управлять

Факторы, которые следует учитывать при выборе топологии для конкретного приложения:

• Требуется ли диэлектрическая изоляция между входом и выходом?
• Выходное напряжение выше или ниже всего диапазона входного напряжения?
• Требуется несколько выходов?
• Обеспечивает ли будущая топология приемлемую нагрузку напряжения на полупроводники напряжения?
• Обеспечивает ли предполагаемая топология приемлемую токовую нагрузку на полупроводники напряжения?
• Какое максимальное напряжение на первичной обмотке трансформатора и каков максимальный рабочий цикл?
• Какова максимальная номинальная мощность?

Типы SMPS

SMPS можно разделить на два типа в зависимости от топологии схемы: неизолированные преобразователи и изолированные преобразователи .

• Неизолированные преобразователи: входной источник и выходная нагрузка имеют общий путь тока во время работы, и энергия передается через элементы накопления энергии (катушки индуктивности и конденсаторы).
• Изолированные преобразователи: энергия передается через взаимно связанные магнитные компоненты (трансформаторы), при этом связь между источником питания и нагрузкой достигается исключительно посредством электромагнитного поля, что обеспечивает гальваническую развязку между входом и выходом.

В большинстве приложений топология SMPS содержит силовой трансформатор для обеспечения изоляции, масштабирования напряжения посредством коэффициента трансформации и возможности предоставления нескольких выходов. Однако существуют неизолированные топологии, такие как понижающий, повышающий и повышающе-понижающий преобразователи, в которых обработка мощности достигается только за счет индуктивной передачи энергии.

В таблице ниже указаны типичные уровни максимальной выходной мощности для различных топологий.

Методы переключения

Операция переключения может быть «жесткой» или «мягкой».

	Жесткое переключение	Мягкое переключение
Частота	Фиксированная	Переменная
Количество компонентов. Приложения	Низкое энергопотребление / низкие требования к производительности	Высокая мощность / высокие требования к производительности
Стоимость	Низкая	Высокая
Control	Простой	комплекс
Схема модуляции	Универсальный	Limited

Заключение

, несмотря на сравнительно комплексные, что является сравнительно сложным, покупаемые по капусту. преимущества в весе и эффективности.

В нашей следующей статье мы более подробно рассмотрим неизолированные преобразователи и их применение.

Типы импульсных источников питания — понижающий, повышающий, понижающе-повышающий, обратноходовой и прямоходовой преобразователь

Типы импульсных источников питания или импульсных источников питания Топологии — это способы классификации различных схем импульсных источников питания. В широком смысле импульсный источник питания подразделяется на неизолированные SMPS и изолированные SMPS.

Здесь, в этом содержании, мы подробно разберемся с различными типами SMPS. Прежде чем продолжить, позвольте нам иметь краткое введение

Что такое SMPS?

SMPS, т. е. импульсный источник питания, представляет собой блок питания, который используется для передачи мощности от источника к нагрузке. В отличие от линейных источников питания, он использует технологию полупроводниковой коммутации для подачи выходного сигнала на нагрузку.

Как правило, нагрузкам требуется регулируемая форма сигнала постоянного тока в качестве выходного сигнала. С помощью SMPS нерегулируемый входной сигнал постоянного или переменного тока может быть преобразован в регулируемый сигнал постоянного тока, который фактически требуется нагрузке. Он включает в себя переключающее устройство, которое находится в режиме насыщения, когда включено, и в режиме отсечки, когда выключено. Таким образом, действует как идеальный переключатель.

Приведенное ниже графическое представление показывает, как классифицируются SMPS:

Неизолированные SMPS — это те, чьи входные и выходные схемы не изолированы друг от друга. Хотя существует много неизолированных SMPS, есть три основных типа неизолированных SMPS: Buck, Boost и Buck-Boost SMPS. В этих импульсных источниках питания не используется такое устройство, которое могло бы отделить цепь переключения от цепи выхода. Здесь катушки индуктивности используются как элементы накопления энергии.

В то время как изолированные SMPS — это те, в которых поддерживается изоляция между входной и выходной схемой. Несмотря на существование нескольких изолированных SMPS, наиболее известны два типа: обратноходовой преобразователь и прямоходовой преобразователь. В этих импульсных источниках питания используется трансформатор для отделения переключения от выхода. Вторичная обмотка трансформатора играет роль накопителя энергии.

Здесь следует отметить, что переключающее устройство может быть силовым транзистором или МОП-транзистором.

Давайте теперь разберемся, как работает каждый тип.

Понижающий импульсный регулятор

Понижающий импульсный регулятор создает выходной сигнал постоянного тока со значением, меньшим, чем подаваемый входной сигнал. Отсюда и другое название — понижающий преобразователь.

На рисунке ниже показана схема понижающего импульсного регулятора:

Здесь он образован с использованием двух переключателей, т. е. транзистора Q и диода D, а также элемента накопления энергии, т. е. катушки индуктивности. L. Конденсатор C используется для сглаживания. Два режима работы этой схемы зависят от того, включен или выключен транзистор.

При подаче высокого входного импульса транзистор открывается и D смещается в обратном направлении. Из-за обратного смещения через диод не будет протекать ток, и ток от транзистора достигнет нагрузки через дроссель. По закону Фарадея катушка индуктивности будет препятствовать изменению тока. Таким образом, ток нагрузки показывает постепенный рост с расширением в магнитном поле, в то время как индуктор накапливает энергию. Также этим током будет заряжаться конденсатор С до напряжения питания, включенного параллельно нагрузке.

При подаче низкого входного импульса транзистор отключится и через него не будет протекать ток. В отсутствие внешнего питания магнитное поле вокруг индуктора не будет поддерживаться, что приведет к возникновению напряжения обратной полярности на индукторе. Таким образом, напряжение, существующее на катушке индуктивности, теперь будет смещать диод в прямом направлении, и на этот раз ток протекает через нагрузку через диод. Одновременно заряд внутри конденсатора также поступает в нагрузку. Это будет происходить до тех пор, пока временной транзистор снова не начнет проводить ток.

В закрытом состоянии транзистора катушка индуктивности и конденсатор будут действовать как LC-фильтр, сглаживающий пульсации, вызванные переключением транзистора.

Средняя мощность при нагрузке определяется рабочим циклом, D:

Они используются в компьютерных системах и имеют КПД около 90%.

Повышающий импульсный регулятор

Повышающий импульсный источник питания создает такой выходной сигнал постоянного тока, значение которого больше, чем подаваемый входной сигнал. Таким образом, иногда его называют повышающим преобразователем. На рисунке ниже показана схема повышающего преобразователя:

В форсированной конфигурации, когда на входе присутствует высокий импульс, транзистор открывается. Здесь ток может течь, начиная с катушки индуктивности через транзистор и обратно на вход питания. В это время ток не достигнет нагрузки из-за конфигурации диода с обратным смещением относительно транзистора, но катушка индуктивности будет накапливать энергию.

При наличии отрицательного импульса на входе транзистор перейдет в непроводящее состояние. Из-за состояния выключенного транзистора диод теперь будет смещен в прямом направлении и начнет проводить. В этом состоянии вход питания будет подаваться на нагрузку через диод с прямым смещением. Кроме того, энергия, запасенная в катушке индуктивности, одновременно будет передаваться в нагрузку.

Таким образом, в этом случае полная энергия, подаваемая в нагрузку, будет суммой подводимой энергии V _в и энергии, накопленной в катушке индуктивности V _L . Этой же энергией заряжается C на нагрузке.

Когда снова включится транзистор, то ранее заряженный конденсатор теперь будет действовать как источник и подавать питание на нагрузку.

Находит применение в зарядных устройствах, фотовспышках и т. д.

Повышающе-понижающий импульсный регулятор

Конфигурация повышающе-понижающего импульсного источника питания обеспечивает выходное значение, значение которого может быть больше или меньше входного напряжения в зависимости от условий. На приведенном ниже рисунке показана схема повышающе-понижающего преобразователя:

Первоначально, когда на входе присутствует высокий импульс, транзистор включается, и в этом состоянии ток течет через дроссель и обратно к источнику, таким образом зарядка индуктора энергией источника. В это время из-за обратного смещения диода входная мощность не будет подаваться на нагрузку.

Но как только на вход подается низкий импульс, транзистор отключается, и диод становится проводящим из-за его прямого смещения. Следовательно, в закрытом состоянии транзистора энергия, ранее накопленная в катушке индуктивности (с противоположной полярностью), теперь будет передаваться в нагрузку через диод, одновременно заряжая конденсатор.

Обеспечивает выходное напряжение обратной полярности, которое может быть больше или меньше входного напряжения в зависимости от рабочего цикла.

Выходное напряжение повышающе-понижающего преобразователя задается как:

Он называется так потому, что может работать в понижающем или повышающем режиме.

Все рассмотренные выше конфигурации не имеют трансформаторов в своих цепях, но трансформаторы являются важной частью изолированных ИП. Давайте посмотрим, как работает изолированный SMPS.

Обратноходовой преобразователь

В этом переключающее устройство полностью изолировано от выходной цепи, представленная ниже схема обратноходового преобразователя ясно показывает то же самое:

Здесь встроен трансформатор обратного хода, в котором одновременно работает только одна из обмоток. Он действует как устройство хранения и передачи энергии. Чтобы показать полярность двух обмоток трансформатора, используются точки на обеих обмотках.

Во время высокого входного импульса транзистор включится, и ток будет протекать через первичную обмотку трансформатора и достигать входа питания. Из-за этого протекания тока во вторичной обмотке будет индуцироваться напряжение, но оно имеет противоположную полярность, поскольку точки на двух обмотках расположены в разных направлениях. Эта обратная полярность вторичной обмотки смещает диод D в обратном направлении. В этом состоянии заряд, хранящийся в конденсаторе, действует как источник, который подает питание на нагрузку.

Однако во время низкого входного импульса транзистор будет закрыт, и через первичную обмотку трансформатора не будет протекать ток. В это время вторичная обмотка выделяет энергию и меняет полярность. Это прямое смещение диода и ток будет течь через него. Следовательно, теперь мощность будет подаваться на нагрузку и одновременно будет заряжаться конденсатор.

Здесь коэффициент трансформации обмоток трансформатора будет определять, будет ли выходной сигнал больше или меньше входного.

Прямой преобразователь

Прямой преобразователь также основан на изолированном типе SMPS, который включает в себя трансформатор. На рисунке ниже представлена ​​схема прямого преобразователя, где две точки соответствуют одинаковой полярности на обеих обмотках трансформатора:

При подаче высокого входного импульса транзистор включается и ток начинает течь через первичную обмотку. обмотка трансформатора. Этот ток, протекающий по первичной обмотке, индуцирует ток во вторичной обмотке. Однако, в отличие от обратноходового преобразователя, здесь полярность на обеих обмотках одинаковая. Это прямое смещение диода D

Но как только подается низкий входной импульс, транзистор отключается и ток через первичную обмотку трансформатора не течет.

Похожие записи

21.11.2024 0

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

19.11.2024 0

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

19.11.2024 0

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика