Импульсные источники питания схемы. Импульсные источники питания: принцип работы, схемы и расчеты для различных напряжений

Как работают импульсные источники питания. Какие бывают схемы импульсных блоков питания. Как рассчитать импульсный источник питания на 5В, 12В и 24В. Какие микросхемы используются в импульсных БП.

Принцип работы импульсного источника питания

Импульсный источник питания (ИИП) работает по принципу преобразования входного напряжения в последовательность высокочастотных импульсов. Основные этапы работы ИИП:

1. Выпрямление входного переменного напряжения
2. Преобразование выпрямленного напряжения в высокочастотные импульсы
3. Трансформация импульсов с помощью импульсного трансформатора
4. Выпрямление и фильтрация выходного напряжения
5. Стабилизация выходного напряжения с помощью обратной связи

Ключевым элементом ИИП является силовой ключ (транзистор), который коммутирует ток в первичной обмотке импульсного трансформатора. Управление ключом осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Преимущества импульсных источников питания

По сравнению с линейными источниками питания, импульсные БП имеют ряд существенных преимуществ:

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

Благодаря этим преимуществам импульсные БП получили широкое распространение в современной электронной аппаратуре.

Основные схемы импульсных источников питания

Существует несколько базовых топологий импульсных преобразователей:

Обратноходовой преобразователь (Flyback)

Самая простая и распространенная схема для маломощных БП (до 150 Вт). Энергия запасается в магнитном поле трансформатора при открытом ключе и передается в нагрузку при закрытом.

Прямоходовой преобразователь (Forward)

Энергия передается в нагрузку при открытом ключе. Требуется размагничивающая обмотка. Применяется для мощностей до 300 Вт.

Двухтактный преобразователь (Push-Pull)

Использует два ключа, работающих поочередно. Обеспечивает лучшее использование сердечника трансформатора. Применяется для мощностей 300-1000 Вт.

Полумостовой преобразователь (Half-Bridge)

Два ключа образуют полумост. Эффективен для мощностей 500-1500 Вт.

Мостовой преобразователь (Full-Bridge)

Четыре ключа образуют полный мост. Применяется для мощных БП от 1 кВт и выше.

Расчет импульсного источника питания на 5В

Рассмотрим пример расчета обратноходового преобразователя на 5В 2А с использованием микросхемы UC3842:

1. Выбор частоты преобразования: 100 кГц
2. Расчет трансформатора:
   • Коэффициент трансформации: n = (Vin_min * D_max) / (Vout + Vf) ≈ 0.2
   • Индуктивность первичной обмотки: Lp = (Vin_min^2 * D_max^2) / (2 * Pout * f) ≈ 330 мкГн
3. Выбор силового ключа: MOSFET с Vds > 400В, Id > 2А
4. Расчет выходного выпрямителя: диод Шоттки на Vr > 40В, If > 4А
5. Расчет выходного фильтра: C = (Iout * D) / (f * ΔV) ≈ 470 мкФ

Для точного расчета рекомендуется использовать специализированное ПО от производителей микросхем управления.

Расчет импульсного источника питания на 12В

Для БП на 12В 5А можно использовать прямоходовую топологию на микросхеме UC3845:

1. Частота преобразования: 200 кГц
2. Расчет трансформатора:
   • Коэффициент трансформации: n = Vout / (Vin_min * D_max) ≈ 0.1
   • Индуктивность первичной обмотки: Lp = (Vin_min * D_max) / (ΔIp * f) ≈ 150 мкГн
3. Силовой ключ: MOSFET с Vds > 600В, Id > 5А
4. Выходной выпрямитель: диод Шоттки на Vr > 60В, If > 10А
5. Выходной фильтр: LC-фильтр с L ≈ 22 мкГн, C ≈ 2200 мкФ

Расчет импульсного источника питания на 24В

Для мощного БП на 24В 10А оптимально использовать полумостовую топологию на микросхеме UC3879:

1. Частота преобразования: 100 кГц
2. Расчет трансформатора:
   • Коэффициент трансформации: n = 2 * Vout / Vin_min ≈ 0.2
   • Индуктивность первичной обмотки: Lp = (Vin_min^2 * D_max) / (4 * Pout * f) ≈ 100 мкГн
3. Силовые ключи: 2 MOSFET с Vds > 600В, Id > 10А
4. Выходной выпрямитель: синхронный выпрямитель на MOSFET
5. Выходной фильтр: LC-фильтр с L ≈ 10 мкГн, C ≈ 4700 мкФ

Микросхемы для импульсных источников питания

Современные ИИП строятся на специализированных микросхемах управления. Наиболее популярные серии:

• UC3842/3/4/5 — классические ШИМ-контроллеры для обратноходовых и прямоходовых преобразователей
• TL494 — ШИМ-контроллер с двумя выходами для двухтактных схем
• IR2153 — драйвер полумоста с встроенным генератором
• UCC28C4x — современные ШИМ-контроллеры с расширенными функциями
• NCP1200 — контроллеры для квазирезонансных преобразователей

Выбор конкретной микросхемы зависит от требуемой мощности, топологии и функциональности источника питания.

Особенности проектирования импульсных источников питания

При разработке ИИП необходимо учитывать ряд важных аспектов:

• Правильный выбор топологии и элементной базы
• Расчет и оптимизация магнитных компонентов
• Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС)
• Тепловой расчет и охлаждение силовых элементов
• Реализация защит от перегрузки, КЗ и перенапряжения
• Обеспечение высокого КПД во всем диапазоне нагрузок

Современные САПР позволяют автоматизировать многие этапы проектирования ИИП и оптимизировать их характеристики.

Заключение

Импульсные источники питания стали стандартом де-факто в современной электронике благодаря высокой эффективности и компактности. Правильный выбор топологии и элементной базы позволяет создавать надежные и экономичные блоки питания для широкого спектра применений — от маломощных устройств до промышленного оборудования.

ИМПУЛЬСНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ SMPS

В последние годы происходит повсеместная замена обычных трансформаторных источников питания современными импульсными блоками питания (далее именуемые SMPS – Switching Mode Power Supply).

При проектировании импульсных трансформаторов использовались следующие требования:

• высокая производительность
• небольшие размеры
• минимальное рабочее напряжение
• низкая частота сбоев
• низкий ток холостого хода

Теория импульсных блоков питания

В обычных источниках питания изменение напряжения и гальваническая развязка выполнялись на трансформаторе со стальным сердечником, работающим на частоте 50 Гц, полупроводниковым выпрямителем и линейным стабилизатором напряжения.

Однако КПД этой схемы очень низкий (не превышает 50%), большая часть мощности преобразуется в тепло в трансформаторе, диоде и аналоговом стабилизаторе. Большая номинальная выходная мощность требует наличия сетевого трансформатора повышенного размера и большой потери тепла.

Этого неудобства можно избежать, увеличив рабочую частоту до нескольких сотен кГц и заменив регулятор напряжения электронным ключом с интеллектуальным управлением. Их задача – преобразовать сетевое напряжение в постоянное, а затем в выпрямленное напряжение, выполняемое быстрым переключением транзисторов. В результате получается высокочастотное прямоугольное напряжение, которое преобразуется импульсным трансформатором и выпрямителем.

Стабилизация выходной мощности достигается изменением ширины импульса при постоянной частоте или включением переключения в определенные периоды времени в зависимости от нагрузки схемы. Наиболее важные преимущества SMPS, сравнимые с обычными блоками питания:

• малый вес, уменьшенный объем, повышенная эффективность
• малая емкость фильтрующих конденсаторов для высоких частот переключения
• отсутствие слышимых помех из-за того, что частота переключения находится за пределами слышимого диапазона
• простое управление различными выходными напряжениями
• легко снижать высокое сетевое напряжение

С развитием мощных транзисторов с быстрой коммутацией для высоких частот, стало возможным использовать ИИП, работающие на частотах до 1 МГц. С помощью этого типа резонансных трансформаторов рабочие частоты могут быть увеличены даже до 3 МГц. Тем не менее, эти преимущества уменьшаются из-за нежелательного высокочастотного излучения, а также из-за более низкой скорости реакции на возможные изменения нагрузки.

Правда доступность новых магнитных материалов для трансформаторов, работающих в диапазоне частот примерно до 1 МГц, а также достижения в области источников питания стимулировали разработку новых высокочастотных сердечников трансформаторов.

Эта тенденция привела к разработке новых ферритов Mn-Zn с очень мелкой структурой зерен и материалов с уменьшенными гистерезисными потерями, что позволяет передавать мощность в диапазоне от 1 до 3 МГц. Высокие рабочие частоты приводят к дальнейшему уменьшению размеров ядер и, следовательно, всего блока питания. Новый принцип конструкции в планарной технологии позволяет изготавливать высокочастотные трансформаторы с кардинально уменьшенными размерами (плоские трансформаторы, низкопрофильные трансформаторы).

Эта технология оказывает сильное влияние на разработку преобразователей постоянного и переменного тока, а также на производство гибридных импульсных источников питания.

Но вернёмся к теории. Импульсный источник питания работает контролируя среднее напряжение, подаваемое на нагрузку. Это делается путем размыкания и замыкания переключателя (обычно мощного полевого транзистора) на высокой частоте. Система более известна как широтно-импульсная модуляция – ШИМ. Схема ШИМ – самая важная, которая отличает этот тип блока питания, поэтому стоит вспомнить хотя бы само название.

На приведенной диаграмме показаны идеи, лежащие в основе работы ШИМ, и ее довольно просто понять: V = напряжение, T = период, t (вкл.) = длительность импульса. Среднее напряжение приложенное к нагрузке, можно объяснить следующей формулой:

Vo (av) = (t (on) / T) x Vi

Импульсы следуют друг за другом быстро (это порядка многих кГц, то есть тысячи раз в секунду), и для того, чтобы нагрузка не видела внезапных импульсов, необходимы конденсаторы, обеспечивающие относительно постоянный уровень напряжения. Уменьшение времени t (on) вызывает уменьшение среднего значения выходного напряжения Vo (av) и наоборот – увеличение длительности высокого вольтажного состояния t (on) увеличивает выходное напряжение Vo (av).

Предположим, что импульсный блок питания подает напряжение +12 В на нагрузку 6 А. Теперь, когда ток нагрузки внезапно повышается до 8 А, напряжение автоматически снижается до + 10,6 В. За доли секунды обратная связь, отправленная в схему ШИМ, заметит падение напряжения и включит полевой МОП-транзистор на более длительный период времени t (on). Благодаря этому схема может передавать больше мощности и восстанавливать выходное значение напряжения до +12 В.

Частота, с которой работает ШИМ, обычно находится в диапазоне от 30 кГц до 150 кГц, но может быть намного выше.

Схемотехника источников питания SMPS

Вот мы и дошли до практики. В зависимости от требуемой выходной мощности используются разные типы источников питания. Рассмотрим типы трансформаторных схем

Обратноходовый преобразователь

На приведенной схеме показаны основные формы сигналов тока и напряжения для обратноходового трансформатора.

Базовая схема flyback с трансформатором

В первой фазе цикла переключатель подключает дроссель L непосредственно к входному напряжению. Из-за постоянного входного напряжения Ue через дроссель протекает линейно возрастающий ток.

В этой фазе диод D заблокирован. Когда кнопка S открывается, полярность на дросселе меняется на обратную, так что диод проводит и энергия, накопленная в дросселе, передается нагрузочному конденсатору CLi R1. Дроссель действует как источник энергии. Таким образом, регулируя время зарядки на заданной частоте, можно менять энергию запасенную в дросселе.

Чтобы получить гальваническую развязку между входом и выходом схемы, дроссель заменяется трансформатором. Этот элемент действует как промежуточный накопитель энергии, так что цепь нагрузки может использовать энергию запасенную в трансформаторе, и тогда отсутствует прямая нагрузка на источник питания.

Условием сохранения энергии будет наличие в сердечнике трансформатора воздушного зазора или изолирующей прокладки между обеими половинами сердечника (которая имеет тот же эффект, что и воздушный зазор в средней части сердечника), но использование воздушного зазора в средней части сердечника обеспечивает лучшую обратную связь между обмотками.

Преобразователи прямоходового типа

На рисунке показана базовая схема преобразователя прямоходового типа. Когда ключ S замкнут, то линейно возрастающий ток течет через катушку непосредственно к конденсатору Ca и к нагрузке R1. На этом этапе энергия одновременно передается на дроссель и нагрузку. Диод D заблокирован.

Базовая схема прямоходового электропитания

Когда ключ открывается, магнитное поле дросселя прерывается. Полярность дросселя меняется, открывая диод. Энергия от дросселя через диод поступает на конденсатор и на нагрузку. Поскольку передача энергии в выходную схему также происходит при замкнутом ключе, тип этого трансформатора называется прямоходовым. Как и в случае трансформаторов обратного хода, энергия, запасенная в индуктивности в этом типе блока питания, может быть изменена за счет различного времени переключения.

Прямоходовое электропитание с трансформатором

На этой схеме показан источник питания прямого типа с трансформатором для разделения и преобразования сетевого напряжения. При использовании сердечника без воздушного зазора между первичной и вторичной обмотками поддерживается постоянный магнитный контакт. Но сбор и сглаживание выходного тока необходимо реализовать в отдельном дросселе Ls, для каждого выходного напряжения отдельно. Энергия, запасенная трансформатором во время фазы проводимости, передается на L1, Dl, Ce в фазе блокировки. Диод открывается при изменении полярности дросселя накопителя энергии.

Двухтактные преобразователи

Фактически, двухтактные трансформаторы состоят из двух соединенных между собой одиночных трансформаторов.

Базовая схема источника питания двухтактного типа

Переключатели S1 и S2 поочередно подключают первичную обмотку к источнику Ue. По сравнению с трансформатором прямого и обратного хода эта конфигурация обеспечивает возможность полной петли гистерезиса. Благодаря биполярной системе можно получить вдвое большую мощность при том же размере сердечника.

Двухтактный преобразователь

Даже при больших изменениях нагрузки, двухтактный трансформатор генерирует симметричное выходное напряжение, что позволяет напрямую использовать переменное напряжение без предварительного выпрямления, например в галогенном освещении.

Выбор вариантов схем электропитания

Однотранзисторный прямой преобразователь

Преимущества:

• легкое размагничивание сердечника
• дешевый в сборке

Недостатки:

• обратное напряжение на транзисторе Uds> 2Ue
• необходима размагничивающая обмотка
• нужна хорошая магнитная связь между первичной и размагничивающей обмоткой

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Двухтактный преобразователь

Преимущества:

• управляющее напряжение транзисторов имеет одинаковое значение

Недостатки:

• обратное напряжение на транзисторе Uds> 2Ue
• проблемы связанные с симметричностью
• нужна хорошая магнитная связь между первичными обмотками
• опасность одновременной проводимости транзисторов

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Двухтранзисторный прямой преобразователь

Преимущества:

• напряжение на транзисторе Uds = Ue
• легкое размагничивание сердечника
• трансформатор может иметь большую индуктивность рассеяния

Недостатки:

• управляющие напряжения должны быть гальванически развязаны

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Односторонний двухтактный преобразователь

Преимущества:

• напряжение на транзисторе Uds = Ue
• трансформатор может иметь большую индуктивность рассеяния

Недостатки:

• проблемы, связанные с симметризацией
• опасность одновременной проводимости транзисторов
• управляющие напряжения должны быть гальванически развязаны

Twt / T – коэффициент заполнения

a.

форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Мостовой двухтактный преобразователь

Преимущества:

• напряжение на транзисторе Uds = Ue
• трансформатор может иметь большую индуктивность рассеяния

Недостатки:

• проблемы, связанные с симметризацией
• опасность одновременного включения транзисторов на одном плече моста
• управляющие напряжения должны быть гальванически развязаны

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Обратноходовый преобразователь

Преимущества:

• можно регулировать несколько выходных напряжений одновременно
• большой диапазон регулировки при изменении входного напряжения

Недостатки:

• обратное напряжение на транзисторе Uds> 2Ue
• сильная нагрузка на конденсатор и диод на выходе
• необходим сердечник большого поперечного сечения с воздушным зазором
• проблемы связанные с излучением электромагнитным и вихревые токи

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Инвертирующий (Buck-boost) конвертер

Преимущества:

• напряжение на транзисторе Uds = Ue
• простой дроссель
• нет проблем с магнитной обратной связью
• небольшая нагрузка на входной конденсатор

Недостатки:

• нет гальванической развязки между входом и выходом
• управляющее напряжение должно быть «плавающим»

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Повышающий преобразователь

Преимущества:

• простой дроссель
• нет проблем с магнитной обратной связью

Недостатки:

• обратное напряжение на транзисторе Uds = Ua> Ue
• нет гальванической развязки между входом и выходом
• средняя нагрузка на выходной конденсатор

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Понижающе-повышающий преобразователь

Преимущества:

• простой дроссель
• нет проблем с магнитной обратной связью

Недостатки:

• обратное напряжение на транзисторе Uds = Ua + Ue
• нет гальванической развязки между входом и выходом
• сильная нагрузка на выходной конденсатор
• управляющее напряжение должно быть «плавающим»
• выходное напряжение отрицательно по отношению к входному напряжению

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Обратноходовый конвертор

Преимущества:

• увеличивает или снижает напряжение при сохранении гальванической развязки входа и выхода 

Недостатки:

• обратное напряжение на транзисторе Uds> 2Ue
• сильная нагрузка на конденсатор и диод на выходе
• необходим сердечник большого поперечного сечения с воздушным зазором
• проблемы связанные с излучением электромагнитным и вихревые токи

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Какую надо выбирать схему? Зависит от области применения. В любом случае во всех современных приборах используется импульсный источник питания. И несмотря на более сложную структуру, они значительно лучше своих предшественников с точки зрения эффективности и удельной мощности.

   Форум по БП

принцип действия и практические советы по ремонту

Принцип действия импульсного источника питания (ИИП) заключается в преобразовании выпрямленного сетевого напряжения в последовательность прямоугольных импульсов, которые затем преобразуются в постоянное напряжение. Уровень выходного напряжения регулируется изменением скважности импульсов.

Рис. 2. Структурная схема импульсного источника питания.

Рассмотрим обобщенную схему импульсного источника питания ИИП (см. структурную схему). Переменное напряжение через сетевой шнур 1 и плавкий предохранитель 2 поступает на 3 фильтр, предназначенный для защиты от импульсных помех как со стороны электросети, так и со стороны блока питания. Далее, как правило, через ограничительный резистор 4 напряжение поступает на выпрямитель 5. Для фильтрации полученного напряжения к выпрямителю подключен оксидный конденсатор. Все выше перечисленные элементы (1-5) в целом составляют источник первичного электропитания.

Далее выпрямленное сетевое напряжение амплитудой приблизительно 300 В подается на управляемый преобразователь, представляющий собой ключ на биполярном или полевом транзисторе 6, где оно преобразуется в импульсы высокой (более 20 кГц) частоты, поступающие на импульсный трансформатор 7. Со вторичных обмоток трансформатора снимаются напряжения, необходимые для питания схемы аппарата. Помимо этого в функции импульсного трансформатора входит обеспечение автогенераторного режима преобразователя и гальванической развязки сети с нагрузкой.

Чтобы обеспечить требуемое значение выходного напряжения и его стабилизацию, в импульсных блоках питания имеется схема управления 8 ключом. Управление осуществляется путем изменения скважности импульсов генерации. В целях снижения уровня высокочастотных помех в импульсных источниках питания современной бытовой техники применяются в основном схемы, в которых ключ работает на постоянной частоте повторений импульсов, а скважность регулируется формированием широтно-импульсной модуляции. Для его работы используются источник опорного напряжения и сигнал обратной связи, снимаемый либо с дополнительной обмотки импульсного трансформатора (А-А), либо с выпрямителя одного из выходных напряжений (Б-Б). В последнем случае, чтобы обеспечить гальваническую развязку нагрузки и сети, для передачи сигнала используется оптрон 9. Кроме этого схема управления выполняет функции защиты блока питания от перенапряжения, перегрузок по выходному току, сбросов (просадок) напряжения и перегрева.

Схема управления реализована достаточно просто — иногда всего лишь на нескольких транзисторах. В последнее время часто применяются схемы управления в интегральном исполнении. В ряде случаев микросхемы управления могут включать в себя и импульсный ключ.

Поскольку импульсное напряжение, снимаемое с вторичных обмоток трансформатора, униполярно, для его выпрямления используются однополупериодные выпрямители дополнительной стабилизации выходного напряжения могут применяться обычные линейные стабилизаторы 11, которые часто реализуются на микросхемах — интегральные стабилизаторы напряжения.

Основным проявлением дефектов импульсных источников питания является их полная неработоспособность, или, как пишут в статьях по ремонту бытовой техники, блок питания не включается. Реже встречается неисправность схемы стабилизации, приводящая к повышенному напряжению на выходе источника питания.

Рассмотрим основные неисправности, когда аппарат не включается на примере видеомагнитофонов.

После проверки сетевого шнура проверяют сетевой предохранитель. Он может выйти из строя либо из-за пробоя элементов выпрямителя, что приводит к короткому замыканию по переменному току через конденсатор фильтра, либо из-за пробоя перехода коллектор-эмиттер (сток-исток) ключевого транзистора. В очень редких случаях предохранитель может перегореть из-за сетевой импульсной помехи или вследствие окисления контактов колодки.

Все вышеперечисленное равным образом относится и к токоограничивающему резистору. Причем, в первую очередь выходит из строя токоограничивающий резистор, а предохранитель скорее всего оказывается исправным. Ни в коем случае не следует заменять этот резистор перемычкой или резистором другого номинала!

Исправность конденсатора фильтра проверяют при необходимости путем замены. Но, как правило, неисправный конденсатор обнаруживается уже при внешнем осмотре.

Далее проверяют исправность ключевого транзистора. Если в схеме блока питания ключевой транзистор входит в состав микросборки, то его проверяют исходя из ее принципиальной схемы — смотрите справочник радиолюбителя на сайте Времонт. su.

Тщательно проверяют на обрыв и соответствие номиналу все низко-Омные резисторы в схеме преобразователя.

Особое внимание следует обратить на оксидные конденсаторы, в первую очередь на те из них, которые размещены вблизи радиатора ключевого транзистора. В ряде моделей видеомагнитофонов (например, «Panasonic NV-G50, J35») импульсы запуска подаются на базу ключа через разделительный конденсатор. При выходе его из строя импульсный источник питания не запускается.

Следует убедиться в исправности вторичных выпрямителей и стабилизаторов, проверить цепи нагрузки. При нахождении дефектов в этих узлах необходимо заменить оптрон обратной связи. То же самое следует сказать при выходе из строя активных элементов в схеме управления ключом.

Если схема управления ключом реализована на микросхеме и все выше перечисленные элементы исправны, а блок питания не запускается, то микросхему следует заменить.

В случае повышенного выходного напряжения неисправность следует искать в схеме стабилизации. Проверке подлежат оптрон обратной связи, активные элементы схемы управления ключом, а также оксидные конденсаторы в их цепях. Например, подобный дефект в видеомагнитофоне «Samsung УК-350» вызывает высыхание конденсатора С110 (согласно принципиальной схемы видеомагнитофона), расположенного, кстати, рядом с сильно греющимся в процессе работы активным элементом блока питания.

По окончании проверки приступают к испытаниям импульсного источника питания отключенным от аппарата. В качестве эквивалента нагрузки можно рекомендовать использовать лампу накаливания соответствующей мощности, рассчитанную на напряжение напряжение нагрузки (например, 40 Вт, 12 В). Убедившись в работоспособности блока питания, можно подключать его к остальной схеме аппарата.

После подключения источника питания к аппарата следует в обязательном порядке проверить соответствие выходных напряжений требуемым по схеме. Для проверки рекомендуется применять цифровой вольтметр, т.е. приборы с высоким входным сопротивлением. Из-за того, что схема преобразователя не имеет гальванической развязки с питающей сетью, измерения в нем должны проводиться с особой осторожностью. Далее с помощью осциллографа следует убедиться, что уровень пульсаций выходных напряжений находится в допустимых пределах, так как многие элементы видеомагнитофона, такие как, например, схема управления, блок обработки сигнала цветности, схема управления двигателями ленто-протяжного механизма, очень чувствительны к нестабильности питающего напряжения.

Далее необходимо проверить все функциональные возможности видеомагнитофона, после чего ремонт можно считать законченным.

В дополнение к изложенному отметим следующее: в перечне элементов, подлежащих проверке, намеренно не упоминается импульсный трансформатор. Дело в том, что его поломка — событие крайне маловероятное, что нельзя сказать про импульсные трансформаторы для вспышек, но это уже другая тема.

Как работают импульсные блоки питания, блок за блоком

Введение

Хотя вы указываете и используете блоки питания в своих проектах, они могут быть «черным ящиком» с неизвестным внутренним устройством. Хотя вам не нужно быть экспертом по проектированию блоков питания, есть преимущества в понимании основных внутренних блоков блоков питания. В этой статье мы представим топологию источника питания и обсудим каждый из внутренних функциональных блоков, чтобы дать общее представление об основных цепях, внутренних для источников питания.

Внутри блоков питания

Блок-схема на рис. 1 представляет многие блоки питания переменного/постоянного или постоянного/постоянного тока. Разница в блок-схеме между входными источниками переменного и постоянного тока по сравнению с источниками постоянного тока заключается в выпрямителе с диодным мостом. Схема выпрямителя (диоды D1, D2, D3, D4) требуется в источниках питания переменного и постоянного тока и не требуется для источников питания постоянного и постоянного тока, в противном случае топологии источников питания могут быть идентичными.

Рис. 1: Упрощенная блок-схема импульсного источника питания переменного/постоянного тока

Фильтр EMI/EMC

Блок фильтра EMI/EMC может быть либо компонентом, размещенным внутри источника питания разработчиком источника питания, либо добавленным в качестве внешнего компонента пользователем источника питания. Компоненты EMI/EMC могут потребоваться для выполнения следующих функций:

• Минимизация излучаемых и кондуктивных помех на входе источника питания
• Свести к минимуму влияние переходных процессов напряжения от источника входного напряжения
• Минимизировать входной импульсный ток при первой подаче напряжения на вход источника питания
• Защита входного источника питания и проводников в случае отказа источника питания

Если компоненты EMI/EMC являются внутренними для источника питания, группа разработчиков источника питания выбирает компоненты на основе максимального номинального выходного тока при резистивной нагрузке. Ваше приложение, вероятно, не будет работать в тех условиях, в которых оценивалась команда разработчиков. Таким образом, может возникнуть потребность в дополнительных внешних компонентах, чтобы ваша система соответствовала нормативным требованиям EMI/EMC, даже если в комплект поставки уже входят внутренние компоненты EMI/EMC.

Рис. 2: Входной фильтр EMI/EMC

Диодный мостовой выпрямитель

Как упоминалось ранее, диодный мостовой выпрямитель используется для преобразования входного переменного напряжения в постоянное напряжение для использования в источнике питания. Схема выпрямителя отсутствует в источнике питания, рассчитанном только на входное напряжение постоянного тока, поскольку постоянное напряжение уже присутствует. Однако многие источники питания, рассчитанные на входное напряжение переменного тока, также питаются от входного напряжения постоянного тока. Если постоянное напряжение подается с диодным мостом на входе источника питания, постоянное напряжение может быть подключено в любой полярности и будет проходить через диоды и появляться на входном объемном конденсаторе.

Рис. 3: Диодный мостовой выпрямитель

Входной конденсатор большой емкости

Входной конденсатор большой емкости фильтрует постоянное напряжение от диодов выпрямителя в источниках питания переменного/постоянного тока и действует как входной фильтр в источниках питания постоянного/постоянного тока. Когда входное напряжение впервые подается на источник питания, напряжение на входном конденсаторе большой емкости будет равно 0 В. Эта разница в напряжении между приложенным напряжением и напряжением на конденсаторе большой емкости может вызвать большой входной импульсный ток во время зарядки конденсатора большой емкости. к входному напряжению. Этот пусковой ток может быть проблемой, так как он может в 100 раз превышать нормальный входной рабочий ток. Часто ограничитель пускового тока, который может представлять собой простой резистор небольшого номинала, подключается последовательно с клеммой входного напряжения для ограничения пускового тока.

При питании постоянным током входной объемный конденсатор может помочь компенсировать импеданс входных проводников и стабилизировать динамический входной импеданс источника питания. Эта веб-страница содержит более подробную информацию о входном сопротивлении источника питания и о том, как это может вызвать колебания источника питания.

Рис. 4: Входной объемный конденсатор

Входной переключатель питания

Электронный переключатель (нарисованный как полевой МОП-транзистор) преобразует входное постоянное напряжение в переменное, чтобы мощность могла проходить через изолирующие магниты (трансформатор или связанные катушки индуктивности). Рабочий цикл входного управляющего сигнала и, следовательно, выходного сигнала от ключа питания зависит от топологии источника питания, входного напряжения, выходного напряжения и выходного тока нагрузки. В источниках переменного/постоянного тока причиной преобразования входного переменного напряжения в постоянное, а затем обратно в переменное является то, что внутренняя частота переменного тока намного выше (от десятков килогерц до десятков мегагерц) и, следовательно, можно использовать меньшие магнитные изоляторы и компоненты выходного фильтра. выбрано. Кроме того, внутренняя форма волны переменного тока может модулироваться как часть топологии преобразования энергии.

Рис. 5: Входной выключатель питания

Магнитная изоляция

Общим элементом, используемым для магнитной изоляции, является либо трансформатор, либо связанные катушки индуктивности. В случае трансформатора или связанных катушек индуктивности имеется одна или несколько обмоток как на первичной, так и на вторичной сторонах изолирующего барьера. В физической конструкции изолирующих магнитов будет паразитная емкость между первичной и вторичной обмотками. Эта паразитная емкость может быть источником проблем EMI/EMC, которые необходимо решить и которые будут обсуждаться в отдельной веб-статье. Диаграмма на рисунке 6 представляет паразитную емкость, связанную с обмотками. Следует отметить, что на практике емкость не является сосредоточенным элементом, как показано на диаграмме, а скорее распределяется по обмоткам и между ними.

Рис. 6: Изолирующие магниты с сосредоточенным конденсатором, представляющим паразитную емкость

Выходной выпрямитель

Выходное напряжение изолирующих магнитов имеет форму волны переменного тока и нуждается в выпрямлении для получения выходного напряжения постоянного тока. Для выпрямления можно использовать либо пассивную схему (диоды), либо активную схему (полевые транзисторы). Схема выпрямления может быть полуволновой, двухполупериодной или другой конфигурации, в зависимости от требований к выходному напряжению и конструкции изолирующего магнита. Диодные выпрямители недороги и просты в конструкции, но рассеиваемая мощность будет больше, чем если бы была реализована активная схема выпрямителя на полевых транзисторах.

Рис. 7: Выходной выпрямитель

Выходной фильтр

Выходной выпрямитель вырабатывает постоянное напряжение, на которое накладывается переменное напряжение. Без выходной фильтрации размах шума переменного тока будет равен напряжению постоянного тока, что неприемлемо для большинства приложений. Базовый выходной фильтр представляет собой один или несколько конденсаторов, помещенных параллельно выходному напряжению. Выходную фильтрацию можно улучшить, добавив последовательную катушку индуктивности для создания фильтра «L» или фильтра «Pi». Выходной фильтр иногда применяется для подавления электромагнитных помех/электромагнитных помех. Выходные фильтры наиболее эффективны, когда компоненты расположены близко к нагрузке источника питания. Размещение компонентов фильтра близко к нагрузке сводит к минимуму падение напряжения на проводниках, вызванное колебаниями тока нагрузки.

Рисунок 8: Конденсатор выходного фильтра

Контроль напряжения, тока и температуры

Цепи для регулирования выходного напряжения, выходного тока и максимальной температуры источника питания также включены в блоки питания переменного/постоянного и постоянного тока. Эти схемы управления имеют сложный набор характеристик и обсуждаются в отдельной веб-статье.

Заключение

В этом обсуждении на высоком уровне были рассмотрены внутренние функции источников питания переменного/постоянного и постоянного тока. В других статьях мы обсуждаем функции, включенные для регулирования выходной мощности источника питания, методы, используемые для защиты источника питания и нагрузки от аварийной работы, компоненты, необходимые для соответствия нормативным требованиям EMI и EMC, а также влияние модификаций на спецификации источника питания. Если у вас есть вопросы относительно того, как они относятся к источнику питания, выбранному для вашего проекта, обратитесь в отдел продаж и поддержки клиентов CUI для получения дополнительной информации по темам, затронутым в этом обсуждении.

Категории: Основы , Выбор продукта

Вам также может понравиться

Вопросы электромагнитной совместимости для импульсных источников питания

Технический документ

Отрицательное сопротивление и почему ваш преобразователь постоянного тока может работать неправильно —

Блог о мощности

Сравнение изолированных и неизолированных преобразователей мощности

Блог о мощности

---

Есть комментарии по этому посту или темам, которые вы хотели бы видеть в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу powerblog@cui. com

mosfet — переключение между двумя источниками питания

спросил 6 лет, 4 месяца назад

Изменено 4 года, 5 месяцев назад

Просмотрено 28 тысяч раз

\$\начало группы\$

Я разрабатываю схему, которая может использовать либо 5В от USB, либо более высокое напряжение (7-12В) от батареи. Если оба источника питания подключены одновременно, мне нужен какой-то электрический выключатель, который бы отключал аккумулятор и питал схему только от USB 5V. Но схема все равно должна работать, когда присутствует только один из источников. Я попытался разработать переключатель с использованием двух мосфетов, но не смог найти работающую схему.

Можно ли построить такую ​​схему, используя только два полевых МОП-транзистора? Кроме того, не беспокойтесь о регулировке напряжения, о которой позаботятся.

• блок питания
• МОП-транзистор
• переключатели
• двойной

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Вы можете получить специальные микросхемы, которые будут делать это, но использование дискретных частей будет выглядеть примерно так:

^{имитация этой схемы — схема создана с помощью CircuitLab}

Все номера деталей являются номерами по умолчанию, а не рекомендуемыми.

Без отключения USB R1 обеспечивает отключение M3. R5 выключает M2, а R2 включает M1. Конечным результатом является то, что выход подключен к аккумулятору.

При питании от USB M3 включается. Это тянет затвор M2 вниз, включая его, который, в свою очередь, поднимает затвор M1 вверх и выключает его. Затем мощность течет через D1 (который должен быть диодом Шоттки) на выход.

D1 также защищает USB от перенапряжения, когда напряжение на C1 падает до уровня USB. Обратите внимание, что если аккумулятор находится под напряжением USB, то диод корпуса M1 будет подавать питание на аккумулятор. Это выходит за пределы заявленного рабочего диапазона, но если есть возможность, добавьте диод, чтобы предотвратить это.

C1 должен быть достаточно большим, чтобы предотвратить слишком сильное падение выходного напряжения во время переключения.

А теперь я жду, пока все остальные укажут на проблемы с этой схемой (или укажут, как это сделать с половиной частей), так как я уверен, что что-то упустил…

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Самый простой способ, который я могу придумать, состоит из 3 частей. CPC1117N, резистор и диод (например, 1N5819).

^{смоделируйте эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab}

Работа должна быть очевидной — наличие источника USB +5 В отключает источник батареи 9 В, а D2 предотвращает обратное питание USB +5.

Эта схема не имеет защиты от понижения напряжения на входе USB+5 (например, вход 3 В может отключить аккумулятор и оставить на выходе только 2,5 В). Если вам это нужно, добавьте микросхему супервизора питания для переключения SSR. LM431 и два резистора тоже подойдут.

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Это работа мониторов мощности.

Вы можете либо купить готовую схему, которая довольно умна в этом отношении, например, LTC4412, которая обеспечит низкие переходные процессы переключения и т. д.

Или вы можете сделать это сами, как вы сказали, из МОП-транзисторов.