Источник питания схема. Проектирование источников питания: обзор топологий и ключевых аспектов

Как выбрать оптимальную топологию источника питания для вашего устройства. Какие существуют изолированные и неизолированные схемы преобразователей. Как решить проблемы с электромагнитными помехами в импульсных источниках питания.

Основные типы источников питания

Существует три основных типа источников питания:

• Линейные стабилизаторы (LDO)
• Импульсные преобразователи
• Преобразователи на переключаемых конденсаторах

Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. Линейные стабилизаторы просты, но неэффективны. Импульсные преобразователи обеспечивают высокий КПД, но создают электромагнитные помехи. Преобразователи на переключаемых конденсаторах компактны, но ограничены по мощности.

Неизолированные топологии импульсных источников питания

Наиболее распространенными неизолированными топологиями являются:

• Понижающий преобразователь (buck)
• Повышающий преобразователь (boost)
• Инвертирующий повышающе-понижающий преобразователь (buck-boost)

Понижающий преобразователь генерирует выходное напряжение ниже входного. Повышающий — выше входного. Инвертирующий повышающе-понижающий преобразует положительное входное напряжение в отрицательное выходное.

Изолированные топологии импульсных источников питания

Основные изолированные топологии включают:

• Обратноходовой преобразователь (flyback)
• Прямоходовой преобразователь (forward)
• Двухтактная топология (push-pull)
• Полумостовая и мостовая топологии

Обратноходовые преобразователи используются для мощностей до 60 Вт. Прямоходовые более эффективны при больших мощностях. Двухтактные, полумостовые и мостовые топологии применяются для высоких мощностей от сотен ватт до киловатт.

Проблемы электромагнитной совместимости

Импульсные источники питания создают электромагнитные помехи из-за быстрого переключения больших токов. Основные способы снижения помех:

• Оптимизация топологии печатной платы
• Использование технологий типа Silent Switcher
• Применение экранирования
• Дополнительная фильтрация

Правильное проектирование фильтров с учетом паразитных эффектов позволяет значительно снизить уровень кондуктивных помех.

Цифровые источники питания

Цифровые источники питания имеют два ключевых отличия от аналоговых:

1. Цифровой интерфейс для связи с системой управления
2. Цифровой контур управления вместо аналогового

Цифровой интерфейс позволяет динамически оптимизировать параметры источника питания. Цифровой контур управления дает больше возможностей по настройке, но зачастую оптимальным является гибридный подход с аналоговым контуром и цифровым управлением отдельными параметрами.

Выбор оптимальной топологии источника питания

При выборе топологии источника питания необходимо учитывать следующие факторы:

• Требуемая выходная мощность
• Входное и выходное напряжение
• Необходимость гальванической развязки
• Требования по КПД
• Ограничения по габаритам и стоимости
• Уровень электромагнитных помех

Для маломощных устройств часто оптимальны линейные стабилизаторы или преобразователи на переключаемых конденсаторах. Для средних и высоких мощностей лучше подходят импульсные преобразователи различных топологий.

Особенности проектирования импульсных источников питания

При разработке импульсных источников питания важно обратить внимание на следующие аспекты:

1. Выбор силовых компонентов (ключей, диодов, дросселей)
2. Расчет и выбор конденсаторов фильтра
3. Проектирование цепей обратной связи и компенсации
4. Оптимизация топологии печатной платы
5. Проектирование входных и выходных фильтров
6. Тепловой расчет и проектирование системы охлаждения

Использование специализированных САПР, таких как LTspice и LTpowerCAD, значительно упрощает процесс проектирования и оптимизации импульсных источников питания.

Современные тенденции в проектировании источников питания

Основные тенденции развития источников питания включают:

• Повышение рабочих частот для уменьшения габаритов
• Применение GaN и SiC транзисторов
• Развитие цифровых источников питания
• Внедрение технологий снижения ЭМП (Silent Switcher и др.)
• Повышение энергоэффективности
• Развитие беспроводных технологий передачи энергии

Эти тенденции позволяют создавать все более компактные, эффективные и интеллектуальные источники питания для современной электроники.

Проектирование источников питания: мини-руководство

Ф. Досталь, ведущий инженер технической поддержки компания Analog Devices,

Проектирование источников питания: мини-руководство

Статья опубликована в журнале Электроника НТБ № 9 2021

Источник питания — ключевой элемент любой электронной системы, от характеристик которого зависят такие важные характеристики готового изделия, как энергоэффективность, срок службы, электромагнитная совместимость, габариты, стоимость. В статье представлен обзор возможностей для проектирования источников питания, рассмотрены основные и широко применяемые топологии изолированных и неизолированных источников питания, их преимущества и недостатки, а также вопросы, связанные с фильтрацией и электромагнитными помехами. Цель мини-руководства — дать общее представление о принципах проектирования современных источников питания.

Введение
В большинстве электронных систем требуется преобразование напряжения источника питания в напряжение схемы, для питания которой он предназначен. Напряжение на батарее снижается по мере ее разрядки, а использование DC / DC-преобразователя гарантирует, что большая часть энергии, накопленной в аккумуляторе, будет использоваться для питания схемы. Также, от сети переменного тока невозможно запитать электронные схемы напрямую. Источники питания и преобразователи напряжения используются во всех электронных системах и за прошедшие годы они подвергались оптимизации для решения конкретных задач. Как правило, целями такой оптимизации являются минимальные габариты устройства, высокий КПД, электромагнитная совместимость и низкая стоимость решения.

Простейший источник питания: LDO-стабилизатор
Один из простейших типов источника питания — линейный регулятор или стабилизатор с малым падением напряжения (LDO). Линейный стабилизатор можно представить как регулируемый резистор, установленный между входом и выходом, таким образом выходное напряжение остается постоянным, вне зависимости от входного напряжения и тока нагрузки (рис. 1).

Рис. 1. Принцип работы линейного стабилизатора

В течение многих лет схема типового силового преобразователя строилась на основе подключенного к сети 50 / 60-Гц трансформатора с определенным соотношением обмоток для генерирования нестабилизированного выходного напряжения, которое на несколько вольт выше, чем напряжение питания, необходимое в системе. После трансформатора включен линейный стабилизатор для преобразования этого промежуточного напряжения в стабилизированное напряжение для питания схемы (рис. 2).

Рис. 2. Типовая схема силового преобразователя на основе сетевого трансформатора и линейного стабилизатора

Недостаток схемы, показанной на рис. 2, заключается в том, что 50 / 60-Гц трансформатор имеет большие габариты, вес и стоимость. Кроме того, линейный стабилизатор рассеивает много тепла, снижая общую эффективность системы, а при высокой мощности системы отвод тепла становится затруднительным.

Импульсные источники питания
Чтобы избежать недостатков схемы, показанной на рис.  2, были изобретены импульсные источники питания. На вход этих устройств подается не сетевое напряжение переменного тока с частотой 50 или 60 Гц, а постоянное напряжение (или выпрямленное переменное напряжение). Затем генерируется напряжение гораздо более высокой частоты для того, чтобы использовать трансформатор намного меньшего размера, а в неизолированных системах используется LC-фильтр для формирования постоянного напряжения на выходе. Преимущества такого решения — небольшие размеры и относительно невысокая стоимость. Генерируемое промежуточное переменное напряжение не обязательно должно быть синусоидальным. Простой прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией будет также работать хорошо, его легко сформировать с помощью ШИМ-генератора и силового ключа.
Вплоть до 2000 года в качестве ключей наиболее часто использовали биполярные транзисторы. Они работают хорошо, но имеют относительно низкую скорость переключения. Кроме того, биполярные транзисторы не очень энергоэффективны, что ограничивает их частоту переключения 50 или 100 кГц. На сегодняшний день вместо биполярных транзисторов используются быстрые полевые МОП-транзисторы, имеющие меньшие потери переключения, что позволяет им работать на скоростях до 5 МГц. Такие высокие частоты переключения позволяют применять в силовом каскаде катушки индуктивности и конденсаторы небольшого размера.
Импульсные стабилизаторы обладают массой преимуществ. Как првило, они обеспечивают преобразование напряжения с высоким КПД, позволяют повышать и понижать напряжение, они довольно компактные и недорогие. Недостатки заключаются в том, что их не так просто спроектировать и оптимизировать, кроме того, они генерируют электромагнитные помехи из-за коммутационных и переходных процессов. Доступность микросхем импульсных стабилизаторов, а также инструментов проектирования источников питания, таких как LTpowerCAD и LTspice, значительно упростили сложный процесс проектирования. С помощью таких инструментов проектирование схемы импульсного источника питания можно выполнить в полуавтоматическом режиме.

Развязка в источниках питания
При проектировании источника питания в первую очередь необходимо прояснить вопрос, требуется ли гальваническая развязка. Гальваническая развязка используется по нескольким причинам. Она делает цепи более безопасными, обеспечивает работу системы в плавающем режиме и предотвращает распространение зашумленных токов заземления через различные электронные устройства в одной схеме. Наиболее распространенные изолированные топологии — обратноходовой и прямоходовой преобразователи. Однако в более высокомощных системах используются другие изолированные топологии, такие как двухтактная, полумостовая и мостовая.
Если гальваническая развязка не нужна, в большинстве случаев используется неизолированная топология. Изолированные топологии всегда содержат трансформатор, само устройство становится крупнее и дороже, а найти готовый трансформатор, отвечающий требованиям конкретного источника питания, довольно проблематично.

Рис. 3. Схема простого понижающего преобразователя

Наиболее распространенные топологии, когда развязка не требуется
Наиболее распространенной неизолированной топологией импульсного источника питания является понижающий преобразователь (buck converter, step-down converter). На его вход подается положительное напряжение, а на выходе генерируется выходное напряжение ниже входного. Это одна из трех основных топологий импульсных источников питания, для которых требуются только два ключа, катушка индуктивности и два конденсатора (рис. 3). Ключ верхнего плеча передает импульс тока со входа и генерирует напряжение узла, амплитуда которого меняется в диапазоне от входного напряжения до напряжения земли. LC-фильтр сглаживает импульсное напряжение на коммутационном узле и генерирует выходное напряжение постоянного тока. В зависимости от скважности ШИМ-сигнала, управляющего ключом верхнего плеча, генерируются разные уровни выходного напряжения. Понижающий DC / DC-преобразователь относительно прост в проектировании, имеет высокий КПД и требует минимального количества компонентов.
Импульсы тока присутствуют на входе понижающего преобразователя, тогда как на выходе присутствует непрерывный ток катушки индуктивности. По этой причине понижающий стабилизатор характеризуется высоким уровнем шума на входе и низким на выходе. Это важно учитывать при проектировании систем с низким уровнем шума.
Помимо понижающей топологии, второй базовой топологией является повышающая топология (boost, step-up). В ней используются те же пять базовых силовых компонентов, что и в понижающем преобразователе, но в измененной конфигурации: катушка индуктивности включена в первичной цепи, а ключ верхнего плеча — на выходе (рис. 4). Повышающая топология используется для увеличения выходного напряжения относительно входа.

Рис. 4. Схема простого повышающего преобразователя

При выборе повышающего преобразователя важно учитывать, что в технической документации на эти устройства всегда указывают максимальный номинальный ток ключа, а не максимальный выходной ток. В понижающем преобразователе максимальный ток ключа напрямую связан с максимально достижимым выходным током, независимо от соотношения между входным и выходным напряжением. В повышающем стабилизаторе соотношение напряжений напрямую влияет на максимальный выходной ток с учетом фиксированного максимального тока ключа. При выборе подходящей ИС повышающего преобразователя необходимо знать не только необходимый выходной ток, но также входное и выходное напряжение разрабатываемой системы.
Повышающий преобразователь имеет очень низкий уровень шума на входе, поскольку катушка индуктивности, установленная на входе, предотвращает быстрые изменения тока. Однако на выходе такая топология довольно шумная. Через внешний ключ протекает только импульсный ток, что вызывает пульсации на выходе.
Третья базовая топология, содержащая всего пять базовых компонентов, — это инвертирующий повышающе-понижающий (buck-boost) преобразователь, то есть он преобразует положительное входное напряжение в отрицательное выходное напряжение. Входное напряжение может быть выше или ниже абсолютного значения инвертированного выходного напряжения. Например, выходное напряжение -12 В может генерироваться из 5 или 24 В на входе. Это возможно без каких-либо специальных модификаций схемы.
В инвертирующей повышающе-понижающей топологии катушка индуктивности включена между коммутирующим узлом и землей (рис. 5). Как на входе, так и на выходе преобразователя присутствует импульсный ток, что делает эту топологию относительно шумной как на стороне входа, так и на стороне выхода. В приложениях с низким уровнем шума эта особенность компенсируется дополнительной фильтрацией на входе и выходе.

Рис. 5. Схема простого инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя

Весьма положительный аспект инвертирующей повышающе-понижающей топологии заключается в том, что для такого преобразователя можно использовать любую ИС понижающего импульсного стабилизатора. Это так же просто, как подсоединить выходное напряжение понижающей цепи к системной земле. Земляная шина ИС понижающего преобразователя становится регулируемым отрицательным напряжением. Это свойство
обеспечивает очень широкий выбор ИС импульсных стабилизаторов на рынке.

Специализированные топологии
Помимо трех основных неизолированных топологий импульсных источников питания, рассмотренных ранее, существует еще несколько доступных топологий. Однако все они требуют дополнительных силовых компонентов. Обычно это увеличивает их стоимость при более низкой эффективности преобразования энергии. Как правило, включение дополнительных компонентов в силовой тракт увеличивает потери, хотя есть определенные исключения. Некоторые из наиболее популярных топологий — SEPIC, Zeta, Ćuk и повышающе-понижающаяс четырьмя ключами. В каждой из них реализованы функции, которых нет в трех основных топологиях. Ниже приведены особенности каждой из них.

SEPIC
SEPIC-преобразователь генерирует положительное выходное напряжение из положительного входного напряжения, которое может быть выше или ниже выходного напряжения. Для проектирования SEPIC-источника питания могут быть использованы ИС повышающего стабилизатора. Недостаток этой топологии — необходимость во второй катушке индуктивности или одном связанном индукторе, а также SEPIC-конденсаторе.

Zeta
Zeta-преобразователь подобен SEPIC, но способен генерировать как положительное, так и отрицательное выходное напряжение. Кроме того, он не имеет нулевой точки в правой полуплоскости (RHPZ), что упрощает контур управления. Для такой топологии можно использовать ИС понижающего преобразователя.

Ćuk
Ćuk-преобразователь инвертирует положительное входное напряжение в отрицательное выходное напряжение. В нем используются две катушки индуктивности: одна — на входной, другая — на выходной стороне, что делает устройство довольно малошумящим как на входе, так и на выходе. Недостатком является то, что существует не очень много ИС импульсных преобразователей, поддерживающих эту топологию, поскольку для контура управления требуется вывод отрицательной обратной связи по напряжению.

Повышающе-понижающая топология с четырьма ключами
Этот тип преобразователя стал довольно популярным в последние годы. Он генерирует положительное выходное напряжение из положительного входного напряжения. Входное напряжение может быть выше или ниже регулируемого выходного напряжения. Этот преобразователь может заменить схемы на основе SEPIC-топологии, поскольку обеспечивает более высокую эффективность преобразования и требует только одну катушку индуктивности.

Рис. 6. Обратноходовой преобразователь (вверху) и прямоходовой преобразователь (внизу)

Наиболее распространенные изолированные топологии
Помимо неизолированной топологии, для некоторых приложений требуются силовые преобразователи с гальванической развязкой. Причины могут заключаться в соображениях безопасности, необходимости иметь плавающее заземление в разветвленных системах, в которых различные схемы соединены между собой, или предотвращении протекания земляных токов в чувствительных к помехам приложениях. Наиболее распространенные изолированные топологии — обратноходовые и прямоходовые преобразователи.
Обратноходовой преобразователь обычно используется для уровней мощности до 60 Вт. Схема работает таким образом, что во включенном состоянии энергия накапливается в трансформаторе (рис. 6). Во время паузы эта энергия передается во вторичную обмотку и выход. Этот преобразователь прост в проектировании, но для него требуются относительно большие трансформаторы для накопления энергии, необходимой для корректной работы. Этот фактор ограничивает применение топологии для небольших уровней мощности.
Помимо обратноходового преобразователя, большой популярностью пользуется прямоходовой преобразователь. В нем трансформатор используется иначе, чем в обратноходовой топологии.
Во включенном состоянии, пока есть ток через первичную обмотку, есть также ток через вторичную обмотку. Энергия не должна накапливаться в сердечнике трансформатора. После каждого цикла переключения мы должны убедиться, что намагничивание сердечника отсутствует, чтобы трансформатор не перешел в режим насыщения после нескольких циклов переключения. Размагничивание сердечника может быть достигнуто с помощью нескольких
приемов. Один из популярных способов — использование активного ограничителя, состоящего из конденсатора и дополнительного ключа.

Рис. 7. Созданная в LTspice схема прямоходового преобразователя с активной схемой ограничения на основе ADP1074 для формирования изолированного выходного напряжения

На рис.  7 показана созданная в среде моделирования LTspice схема прямоходового преобразователя с активной схемой ограничения намагничивания трансформатора на базе микросхемы ADP1074. Как показано на рис. 6, в прямоходовом преобразователе есть дополнительная катушка индуктивности в выходном тракте, в отличие от обратноходового преобразователя. Хотя это еще один дополнительный компонент, требующий пространства на плате и повышающий стоимость системы, он помогает снизить выходной шум по сравнению с обратноходовым преобразователем. Кроме того, габариты трансформатора для прямоходового преобразователя намного меньше при том же уровне мощности, чем для обратноходового преобразователя.

Усовершенствованные изолированные топологии
Помимо обратноходовой и прямоходовой топологий, существует много различных видов трансформаторных гальванически развязанных преобразователей. Ниже представлены сведения о наиболее распространенных топологиях.

Двухтактная топология
Двухтактная топология аналогична прямоходовому преобразователю. Однако вместо одного ключа нижнего плеча для нее требуются два активных ключа нижнего плеча. Также нужна первичная обмотка трансформатора с центральным отводом. Преимущество двухтактного преобразователя заключается в том, что он работает с меньшим уровнем шума по сравнению с прямоходовым преобразователем, а также для него требуется трансформатор меньшего размера. Гистерезис кривой намагничивания трансформатора используется в двух квадрантах, а не в одном.

Полумостовая и мостовая топологии
Эти две топологии обычно используются для систем с более высокой мощностью, от нескольких сотен Вт до нескольких кВт. Для них, помимо ключей нижнего плеча, требуются ключи верхнего плеча, но схема обеспечивает передачу очень высокой мощности при относительно небольших габаритах трансформаторов.

ZVS
Этот термин, который означает «переключение при нулевом напряжении» (zero voltage switching), часто используют для изолированных преобразователей большой мощности. Еще одно название такой топологии — LLC-преобразователи (индуктор — индуктор — конденсатор). Эти архитектуры ориентированы на преобразование с очень высокой эффективностью. Они генерируют резонансный контур и переключают силовые ключи, когда напряжение или ток на ключах близки к нулю. Таким образом, потери на переключение сводятся к минимуму. Однако такие решения могут быть трудными в проектировании, а частота переключения не фиксирована, что иногда приводит к проблемам с электромагнитными помехами.

Преобразователи на переключаемых конденсаторах
Помимо линейных стабилизаторов и импульсных источников питания, существует третья группа преобразователей мощности — преобразователи на переключаемых конденсаторах. Их также называют преобразователями с накачкой заряда. В данных преобразователях для умножения или инвертирования напряжения используются ключи и конденсаторы. Преимущество таких схем заключается в том, что они не нуждаются в катушке индуктивности. Обычно такие преобразователи используются для низких уровней мощности, менее 5 Вт. Однако, недавно были проведены значительные усовершенствования данных конверторов, позволяющие создавать преобразователи на переключаемых конденсаторах гораздо большей мощности. На рис. 8 показана схема преобразователя мощностью 120 Вт на основе контроллера LTC7820, который обеспечивает преобразование 48 в 24 В с КПД = 98,5%.

Рис. 8. Преобразователь с накачкой заряда высокой мощности на основе контроллера LTC7820

Цифровые источники питания
Все источники питания, обсуждаемые в статье, могут быть реализованы как аналоговые или цифровые блоки питания. Что такое цифровой источник питания на самом деле? Энергия всегда должна передаваться через аналоговый силовой каскад с ключами, катушками индуктивности, трансформаторами и конденсаторами. Цифровая часть представлена двумя функциональными блоками. Первый — это цифровой интерфейс, который позволяет электронной системе «общаться» с источником питания. Для оптимиза ции источника питания в различных условиях эксплуатации можно оперативно задавать различные параметры. Кроме того, источник питания может связываться с главным процессором и сигнализировать об аварии или неисправности. Например, система может отслеживать превышение заданного тока нагрузки или чрезмерную температуру источника питания.
Еще одно цифровое решение — замена аналогового контура управления на цифровой. Такой подход может работать вполне корректно, но для большинства приложений оптимальным вариантом является обычная аналоговая обратная связь с элементами цифрового управления некоторыми параметрами, например оперативная регулировка коэффициента усиления усилителя ошибки или динамическая установка параметров компенсации контура для реализации стабильной и быстрой обратной связи. Примером устройства с чисто цифровым контуром управления является контроллер ADP1046A от Analog Devices. Еще одна микросхема, LTC3883, — один из примеров понижающего стабилизатора с цифровым интерфейсом и оптимизированным аналоговым контуром управления.

Рис. 9. Сигнал на коммутирующем узле импульсного источника питания

Вопросы электромагнитной совместимости
Электромагнитные помехи всегда являются проблемой, на которую следует обращать внимание при разработке импульсных источников питания. Причина в том, что в импульсных источниках питания коммутируются токи большой величины в очень короткие промежутки времени. Чем быстрее происходит переключение, тем выше общая эффективность системы. Время перехода между включенным и выключенным состоянием определяет время в течение которого ключ находится в активном режиме и создает потери переключения. На рис. 9 показан
сигнал на коммутирующем узле импульсного источника питания. Представим себе понижающий стабилизатор. Высокое напряжение определяется наличием тока, протекающего через ключ верхнего плеча, а низкое напряжение — отсутствием тока.
На рис. 9 мы видим, что импульсный источник питания генерирует шум не только из-за основной частоты переключения, но также из-за переходного процесса, шум от которого имеет намного большую частоту. Хотя частота переключения обычно составляет от 500 кГц до 3 МГц, время переключения может составлять несколько нс. Если время переключения составляет 1 нс, то мы увидим в спектре соответствующую частоту 1 ГГц. Обе эти частоты будут восприниматься как излучаемые и кондуктивные помехи. Другие паразитные частоты могут возникать из-за колебаний в контуре управления или взаимовлияния источника питания и фильтра.
Есть две причины, по которым следует уменьшать электромагнитные помехи. Первая причина — обеспечить защиту функциональных свойств электронной системы, питаемой конкретным источником питания. Например, 16‑разрядный АЦП, который используется в сигнальном тракте системы, не должен воспринимать коммутационный шум, исходящий от источника питания. Вторая причина заключается в соблюдении определенных требований по электромагнитной совместимости, которые вводятся правительствами во всем мире для защиты работы различных электронных систем.
Электромагнитные помехи бывают двух видов: излучаемые и кондуктивные. Наиболее эффективные способы снижения излучаемых электромагнитных помех — оптимизация компоновки печатной платы и использование таких технологий, как Silent Switcher от Analog Devices. Конечно, одно из эффективных решений — поместить схему в экранированный корпус. Однако это может быть непрактично и в большинстве случаев очень дорого.
Кондуктивные электромагнитные помехи обычно ослабляют дополнительной фильтрацией. В следующем разделе обсудим этот вопрос.

Фильтрация
RC-фильтр — базовый вариант фильтра нижних частот. Однако в источнике питания используется не что иное, как LC-фильтр. Часто достаточно последовательного включения индуктивности, которая вместе с входными или выходными конденсаторами импульсного источника питания образует LC- или CLC-фильтр. Иногда в качестве фильтров используются только конденсаторы, но, учитывая паразитную индуктивность силовых кабелей и проводников, в результате также получаем LC-фильтр. В качестве индуктивности L может выступать катушка индуктивности с сердечником или ферритовая бусина. LC-фильтр на самом деле работает как фильтр нижних частот, так что питание постоянного тока может проходить через него, а высокочастотные помехи в значительной степени ослабляются. LC-фильтр имеет двойной полюс, поэтому мы получаем затухание высоких частот на уровне 40 дБ на декаду и относительно резкий спад.
Разработка фильтра — не самое сложное занятие, но моделирование фильтра может стать довольно трудоемким, так как необходимо учитывать паразитные эффекты и паразитные компоненты схемы. Многие разработчики, имеющие опыт проектирования фильтров, знают, какие фильтры работали корректно в предыдущих проектах, и могут в итеративном режиме оптимизировать фильтр для нового проекта.
При проектировании любого фильтра необходимо учитывать не только поведение схемы при слабом сигнале, например передаточную функцию фильтра на графике Боде, но и эффекты сильного сигнала. В любом LC-фильтре мощность передается через катушку индуктивности и накапливается в ней. Если на нагрузке больше не требуется мощность вследствие переходного процесса, то катушка индуктивности должна отдать свою мощность куда-либо. Катушка заряжает конденсатор фильтра, если фильтр не рассчитан на такие жесткие условия, произойдет выброс напряжения на выходе и повреждение цепи.

Рис. 10. Проектирование входного фильтра для понижающего стабилизатора с помощью
LTpowerCAD

Наконец, фильтры имеют определенный импеданс. Этот импеданс взаимодействует с импедансом силовых преобразователей, подключенных к фильтру. Их взаимодействие может привести к нестабильности и осцилляциям. Инструменты моделирования, такие как LTspice и LTpowerCAD от Analog Devices, могут оказать большую помощь в поиске таких проблем и в проектировании идеального фильтра. На рис. 10 показан графический пользовательский интерфейс инструмента разработки фильтров в среде проектирования LTpowerCAD. Проектирование фильтров с помощью этого инструмента — очень простая задача.

Технология Sile nt Switcher
Излучаемые помехи трудно блокировать. Требуется специальное металлизированное экранирование, что может стоить очень дорого. На протяжение долгого времени инженеры искали пути снижения электромагнитных помех, создаваемых импульсными источниками питания. Несколько лет назад с развитием технологии Silent Switcher был сделан большой прорыв. За счет уменьшения паразитных индуктивностей в горячих контурах импульсного источника питания, а также благодаря разделению горячих контуров на два и установки их симметричным образом удалось большей частью взаимно скомпенсировать излучаемые помехи. Сегодня доступно множество устройств Silent Switcher с гораздо меньшим уровнем помех, чем у обычных изделий. Снижение уровня излучаемых помех позволяет увеличить скорость переключения без серьезного ухудшения характеристик электромагнитной совместимости. Один з примеров такого инновационного подхода — понижающий стабилизатор LTC3310S (рис. 11), который может работать с частотой коммутации до 5 МГц, что позволяет создавать чрезвычайно компактные системы с недорогими внешними компонентами.

Рис. 11. Проект на основе понижающего стабилизатора LTC3310S Silent Switcher обеспечивает наименьший уровень излучаемых помех

Управление питанием – необходимость, но может доставлять удовольствие
В статье были рассмотрены некоторые аспекты проектирования источников питания, в том числе различные топологии источников питания, их преимущества и недостатки. Для разработчиков источников питания эта информация может показаться довольно простой, однако как экспертам, так и новичкам будет полезно применять в процессе проектирования
программные инструменты, такие как LTpowerCAD и LTspice. С помощью этих инструментов силовые преобразователи можно спроектировать и оптимизировать за очень короткое время.

По вопросам поставки продукции Analog Devices обращайтесь в компанию ЭЛТЕХ по электронной почте [email protected].

БУФЕРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Работу некоторых устройств, например роутера или блока управления сигнализацией, следует обязательно поддерживать даже после пропадания напряжения сети 220 В. Для этого можно использовать например гелевый аккумулятор, для чего необходимо контролировать напряжение на его выводах и подзаряжать по мере необходимости. Представленная схема позволяет автоматически решить эту проблему.

Роль буферных блоков питания – бесперебойная подача электроэнергии на конкретную нагрузку. Самый популярный тип такого устройства – источник бесперебойного питания UPS, где энергия накапливается в батареях. Но не всегда нужно использовать такие мощные устройства.

Источники питания типа ИБП по своему выходному напряжению соответствуют тому, что можно найти в электрической розетке, то есть синусоидальной переменной с эффективным значением 220 В. Если необходимо сохранить работоспособность холодильника или компьютера, это необходимо. Но есть большая группа устройств, которым это не нужно. Сюда входит широкий спектр сетевых маршрутизаторов, видеорегистраторов, панелей управления сигнализацией, интеллектуальных систем в зданиях и так далее, которые питаются от постоянного напряжения 12 В. Во многих случаях они могут питаться непосредственно от гелевой батареи и все, что нужно сделать, это автоматически переключаться между источником питания и той батареей, а так же правильно обслуживать сам аккумулятор, в том числе предотвращать чрезмерную разрядку. Все эти задачи выполняет предлагаемая схема.

Принципиальная схема буферного БП

Параметры:

• выбор одного из двух источников напряжения 12 В: аккумулятор или сетевой адаптер,
• автоматическая зарядка аккумулятора при наличии сетевого напряжения,
• сигнализация об окончании зарядки,
• отключение выхода при пропадании напряжения ниже 11,2 В,
• зарядный ток около 0,3 А.

На входе обоих источников питания – адаптера переменного тока и аккумуляторной батареи – селектор, который выбирает один из них. Приоритет здесь отдается сети, чтобы как можно меньше использовать энергию, запасенную в АКБ. Выход селектора можно отключить с помощью механического переключателя, что эквивалентно отключению запитанного устройства. Если бы не это, пришлось бы использовать двойной переключатель, с отдельными секциями для батареи и блока питания.

Монитор напряжения проверяет, достаточно ли оно высокое. Если нет, то отсекает выход. Прежде всего это защищает аккумулятор от чрезмерной разрядки. Но его размещение в этом месте на схеме, то есть непосредственно перед выходом, означает, что он также управляет напряжением подаваемым источником питания. Если его значение упадет слишком сильно, например, из-за повреждения, схема с питанием также будет отключена.

Схема отвечающая за зарядку аккумулятора преобразует напряжение от блока питания (при его подключении) в более высокое, а затем заряжает аккумулятор им. Зарядка происходит сначала при постоянном токе, а затем при постоянном напряжении (режим CC / CV). Это наиболее распространенный алгоритм зарядки кислотных аккумуляторов. Зарядный ток составляет примерно 0,3 А, а конечное напряжение 13,8 В. При необходимости параметры можно адаптировать под другое значение, в том числе и для литиевых аккумуляторов.

Светодиод LED1 сигнализирует о том, что аккумулятор заряжен, поскольку напряжение на нем достигло заданного значения. Когда он не горит, зарядка продолжается. Зарядное устройство работает все время и постоянно поддерживает напряжение. Она отключается только тогда, когда пропадает напряжение, идущее от блока питания.

Селектор – обычное электромагнитное реле. Его катушка питается от источника питания. При подаче напряжения на выводы разъема J1 происходит переключение контактов: к выходу подключается блок питания, а к зарядному устройству – аккумулятор. При исчезновении напряжения от источника питания АКБ подключается к выходу через нормально замкнутые контакты. Благодаря этому потребление тока от батареи равно нулю, и около десятка миллиампер для адаптера переменного тока.

Выход схемы через переключатель, подключенный к клеммам разъема J3. Если в этом нет такой необходимости, в эти клеммы можно вкрутить кусок толстого провода, чтобы навсегда их закоротить.

Контроль напряжения, подаваемого батареей или источником питания, осуществляется с помощью простой схемы с компаратором. Чтобы максимально снизить энергопотребление был использован TS391. При напряжении питания 12 В он потребляет около 0,3 мА тока. Это важно, потому что этот ток будет продолжать течь от источника питания, даже если напряжение на нем недостаточно высокое.

Опорное напряжение 2,5 В обеспечивается хорошо известным чипом LM385. В отличие от более дешевого TL431, ему для правильной работы требуется всего 10 мкА тока блокировки. Здесь резистор R3 обеспечивает правильную работу около 90 мкА даже при сильно пониженном напряжении питания. Сравнивая опорное напряжение с напряжением питания, которое снижается с помощью делителя, переключается выходной транзистор. Но к этому переключению нужно добавить небольшой гистерезис. Это делается резисторами R4 и R5.

Включение питаемого устройства возможно после открытия полевого транзистора Т1. Он подключен в общей конфигурации истока, поэтому для его открытия достаточно снизить потенциал затвора до нуля. Это происходит после насыщения транзистора, управляющего выходом компаратора.

Почему не использовалась более простая схема монитора напряжения со схемой TL431 в качестве компаратора со встроенным источником опорного напряжения? Причина очень проста: пороги переключения слишком сильно зависят от тока, потребляемого полевым МОП-транзистором. Чем он выше, тем выше должно быть напряжение затвор-исток, чтобы такой транзистор мог проводить. Это влияет на ширину петли гистерезиса.

Поскольку в данной схеме неизвестна сила тока, потребляемого нагрузкой, пришлось реализовать систему нечувствительную к этому параметру. Использование внешнего компаратора делает изменение его выходного потенциала независимым от напряжения затвор-исток транзистора T1.

В качестве зарядного устройства для кислотного аккумулятора задействован преобразователь повышающий напряжение + схема линейного стабилизатора, понижающая его.

MC34063A используется в качестве повышающего преобразователя в типовом включении. Выходное напряжение составляет 20 В, поскольку оно должно учитывать падение напряжения на элементе управления при почти полностью заряженной батарее.

Источником тока в цепи LM317 является элемент, ограничивающий силу тока на первой фазе зарядки. Последовательно включенные резисторы R12 и R13 определяют зарядный ток. У них напряжение 1,25 В, для самого LM317 требуется падение напряжения примерно 3 В. Напряжение на выводах заряжаемого аккумулятора постоянно контролируется микросхемой TL431. Когда оно становится достаточно высоким, через катод начинает течь ток. Его источником будет узел, содержащий вход ADJ микросхемы LM317. Резистор R14 ограничивает ток светодиода и, следовательно, катода микросхемы TL431.

Работу этой схемы легко объяснить: при низком напряжении светодиод не горит, потому что из вышеупомянутого узла не поступает ток. Падение напряжения на R14 практически равно нулю. Если напряжение поднимается выше порога активации TL431, ток начинает поступать с резистора R14, который «обманывает» LM317, поскольку он должен настроить свой регулирующий элемент так, чтобы меньше тока проходило через R12 и R13. Сумма падений напряжения на R12, R13 и R14 должна составлять 1,25 В, так как это связано с принципом работы микросхемы LM317.

В экстремальной ситуации микросхема TL431 будет потреблять ток около 12 мА. Это произойдет когда почти все 1,25 В будут поданы на R14 и почти такой же ток будет течь через R12 и R13. Тогда аккумулятор не будет заряжаться, потому что весь ток с выхода LM317 будет забираться TL431. Искусственно увеличивая напряжение на R14, ограничиваем выходной ток. Затем происходит переход ко второму этапу зарядки – поддержанию постоянного напряжения.

Значения токов и напряжений на элементах приведены на рисунке. В его левой части показана ситуация зарядки аккумулятора постоянным током (CC), а в правой части – постоянным напряжением. Предполагается, что вход ADJ LM317 принимает ток, близкий к нулю, что верно для остальных токов в этом узле.

Сборка платы буферного БП

Схема собрана на небольшой двусторонней печатной плате размером 65 х 40 мм. На расстоянии 3 мм от края платы расположены монтажные отверстия диаметром 3,2 мм.

Сборку следует начинать с элементов поверхностной пайки (SMD). Они расположены только на верхней стороне платы. Затем можно припаять элементы THT по мере увеличения их высоты. Если схема собрана правильно, то она не потребует каких-либо регулировок или других действий по вводу в эксплуатацию.

• Напряжение отключения выхода составляет около 11,2 В, а включения – 11,8 В – это значения, измеренные в опытном образце. Значит адаптер переменного тока должен выдавать напряжение выше 11,8 В (в том числе под нагрузкой), для правильной работы модуля.
• Напряжение до которого заряжается аккумулятор, теоретически должно составлять 13,8 В. Такие условия не позволяют аккумулировать газ при комнатной температуре или близкой к ней.

Ток, потребляемый от источника питания 12 В, зависит от уровня заряда аккумулятора. На первом этапе зарядки потребление тока должно быть близко к 0,6 А. С другой стороны, при полной зарядке, потребление тока падает до 60 мА. Естественно не учитывая ток, потребляемый питаемым устройством.

О полном заряде аккумулятора будет говорить свечение LED1. Может оказаться что при зарядке аккумулятора повышенным током утечки он не будет светиться на полную яркость. Но разница между током и целевым напряжением составит несколько милливольт, что связано с конечным усилением микросхемы TL431. Это можно рассматривать как полную зарядку аккумулятора.

Рекомендации по использованию гелевых батарей требуют начала зарядки в течение примерно 10 часов с момента разрядки до порогового значения, установленного в этой схеме. В противном случае может произойти сульфатирование свинцовых пластин, что отрицательно скажется на емкости.

Ширина дорожек и параметры используемых элементов позволяют подключить сюда устройства, потребляющие ток до 5 А.

   Форум по БП

Как выбрать блок питания для электронных проектов

Блок питания проекта — это бьющееся сердце, которое позволяет нашим электронным компонентам работать так, как нужно. Даже для опытных производителей выбор подходящего блока питания является важным процессом, который необходимо выполнять тщательно.

Сегодня мы познакомим вас с полным руководством по блокам питания для проектов. Мы расскажем об их различных типах, номинальных мощностях, разъемах и, самое главное, о том, как их выбрать.

Знакомство с источниками питания

Электронные продукты в основном состоят из схем, содержащих различные компоненты. Когда электричество проходит через эти компоненты в соответствии с внутренней схемой, устройство оживает, чтобы предоставить пользователю функцию.

Итак, когда мы говорим об источниках питания, мы ищем компонент, который может подавать электричество в цепи в наших проектах.

Если вы плохо знакомы с электричеством и электрическими цепями, мы настоятельно рекомендуем вам прочитать некоторые из наших вводных статей для лучшего понимания.

• Что происходит в электрической цепи: зависимость напряжения от тока
• Электронная схема: делители напряжения
• Базовая электроника: переменный ток (AC) против постоянного тока (DC)
• Введение в электронные компоненты: что такое конденсатор?
• Интегральные схемы (ИС): обзор, приложения и проекты

Требования к источнику питания

Самый важный вопрос, который следует задать при выборе источника питания: какая мощность нам нужна?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны посмотреть как на напряжение, так и на ток.

Напряжение — Напряжение нашего источника питания создает «давление», чтобы протолкнуть наш ток через цепь. Если у нас нет достаточного напряжения, ток не сможет течь. Это означает, что наш прибор не будет получать электричество и не сможет работать.

Если вы используете макетную плату, такую ​​как Arduino, они часто имеют номинальное напряжение 3,3 В или 5 В. Большинство из них также часто оснащены стабилизаторами напряжения для преобразования более высоких напряжений питания в соответствующие значения.

Ток — Ток — это топливо, питающее нашу электронику. Величина требуемого тока будет зависеть от того, какие компоненты в наших схемах должны работать должным образом. Например, двигателю, который должен работать при более высоких крутящих моментах, потребуется больший ток, чтобы он функционировал должным образом. Без достаточного тока наши компоненты могут работать не так, как ожидалось или предполагалось.

Напряжение и ток неразделимы. В наших проектах мы должны позаботиться о соблюдении обоих требований, чтобы электрические компоненты в наших цепях могли функционировать должным образом.

Для достижения наилучших результатов и безопасной практики проверьте техническое описание используемых компонентов, чтобы узнать, какие напряжения и токи рекомендуются их производителями.

Измерение потребляемой мощности

Используя данные отдельных компонентов, можно оценить напряжение и ток, необходимые для вашей цепи. Однако этот метод не является точным и может быть трудным для начинающих.

Более простой способ измерения напряжения и тока, необходимых для вашей цепи, — это использовать переменный источник питания или просто подключить мультиметр к цепи во время ее работы.

Мультиметр — это устройство, которое может удобно измерять и отображать напряжение и ток, когда мы подключаем его к нашей цепи. Подробнее читайте в статье «Введение в измерительный прибор: что такое мультиметр?».

Опытным пользователям иногда может потребоваться больше информации, чем может предоставить мультиметр. В этом случае лучше всего подойдет осциллограф. Вы также можете прочитать об осциллографе и о том, как им пользоваться, в нашей статье здесь: Что такое осциллограф? — Функции и учебник.

Различные типы источников питания

Существует множество различных типов источников питания для различных целей. К ним относятся регулируемые источники питания, настенные адаптеры переменного тока в постоянный и аккумуляторы.

В конечном счете, блок питания, который вы хотите выбрать, соответствует требованиям вашего проекта.

Переменный источник питания постоянного тока

Переменный источник питания постоянного тока является гибким и важным инструментом, когда речь идет о тестировании наших электронных устройств или выборе источника питания. Переменный источник питания позволяет вам устанавливать различные напряжения и токи для питания вашего устройства.

Хотя вы определенно можете питать свой проект с помощью регулируемых источников питания постоянного тока, они, как правило, используются больше для прототипирования. Как только требования к мощности схемы определены, вместо нее будет использоваться меньший и более дешевый источник питания.

Рекомендуем: ZKETECH EBD-A20H Переменный источник питания постоянного тока

Если вы ищете регулируемый источник питания постоянного тока, мы рекомендуем ZKETECH EBD-A20H. Поддерживая до 30 В/20 А/200 Вт, ZKETECH EBD-A20H даже поставляется с собственным программным обеспечением EB для визуализации и записи данных.

USB Power

Многие макетные платы могут использовать одно USB-соединение как для питания, так и для передачи данных. В этом случае вам просто понадобится USB-кабель для подключения и питания вашего устройства от любого USB-порта.

Например, Seeeduino Xiao оснащен портом USB Type-C, который можно использовать для питания и загрузки кода. Вы можете использовать кабель USB C-C или кабель USB C-A, в зависимости от того, какие порты доступны на вашем компьютере.

Другие примеры включают кабель USB типа A — Micro USB, который можно использовать с Seeeduino V4.2.

Настенный блок питания переменного тока в постоянный

После того, как мы протестировали и поняли требования к питанию нашей схемы, мы часто переключаемся на настенный блок питания переменного тока в постоянный. Настенные блоки питания переменного тока в постоянный — это легкие и удобные решения, которые можно повторно использовать даже для любого совместимого устройства.

При выборе сетевого адаптера обязательно проверьте совместимость устройства. Некоторые адаптеры поставляются с определенным форм-фактором USB или разъемом типа «бочонок», в то время как другие позволяют использовать сменные кабели USB A.

Примечание. Настенные адаптеры обычно обеспечивают фиксированное выходное напряжение и ток. Если позже ваши требования к электропитанию изменятся, возможно, вам придется приобрести еще один сетевой адаптер!

Вот некоторые рекомендуемые настенные адаптеры переменного тока в постоянный для начала работы:

• Настенный адаптер питания — 5 В постоянного тока, 3 А, тип C
• Настенный адаптер питания — 6,5 В постоянного тока, 2 А – Сертифицировано FCC/UL
• Европейский стандарт Настенный источник питания USB 5 В пост. тока, 2,5 А – Сертифицировано CE

Батарейки

Если мы хотим сделать наш проект портативным, изучение батарей неизбежно. Батареи хранят химическую энергию, которая затем преобразуется в электричество посредством химических реакций при включении в цепь.

Существует множество различных типов аккумуляторов, различающихся также номинальной мощностью, возможностью перезарядки, удержанием заряда и требуемым обслуживанием.

Если вы уже решили использовать аккумуляторы в своем проекте, обязательно ознакомьтесь с нашим подробным Руководством по аккумуляторам для встраиваемых устройств.

Вот также некоторые варианты аккумуляторов, которые вы можете изучить:

• Комплект аккумуляторов — 3,7 В 520 мАч
• Литий-ионный полимерный аккумулятор — 3 А
• Литий-ионный полимерный аккумулятор — 1 А
• Полимерный литий-ионный аккумулятор — 9018 В мАч

Правильная мощность: преобразователи мощности

Нередко существующие варианты источников питания не соответствуют вашим потребностям. Когда это происходит, вы можете просто использовать более мощный источник питания вместе с преобразователем мощности, чтобы понизить напряжение до желаемого значения.

Ниже приведены некоторые рекомендации по преобразователям энергии. Обязательно проверьте диапазоны рабочего напряжения, предлагаемые каждым силовым преобразователем, чтобы вы могли получить тот, который работает с вашим источником питания и для вашего проекта.

• Регулируемый преобразователь мощности постоянного и постоянного тока (1,25 В – 35 В и 3 А)
• Регулируемый преобразователь мощности постоянного и постоянного тока (1 В – 12 В и 1,5 А)
• Преобразователь питания CPT-C5 с 12 В и 24 В на 5 В

В некоторых случаях можно использовать усилитель для увеличения подаваемого напряжения. Одним из примеров является Lipo Rider Plus, который может выдавать до 5 В / 2,4 А от батареи 3,7 В.

Знакомство с разъемами блока питания

Существует множество разъемов, которые можно использовать для подключения блока питания.

Кабели типа «банан» и «крокодил»

Переменные источники питания постоянного тока обычно используют кабели типа «банан» или «крокодил», как показано ниже.

Кабели типа «банан» и «крокодил». Источник: FuelCellStore, ebay

Кабели типа «крокодил» можно легко закрепить на проводах цепи, образуя соединение. Подберите комплект кабелей типа «крокодил» здесь.

Макеты и перемычки Макет с компонентами схемы. Фото Харрисона Бродбента на Unsplash

Макетные платы — отличный способ для начинающих научиться создавать схемы. С полосками из проводящего материала под ними в отверстия можно вставить соединительные кабели для формирования цепей к источнику питания без пайки.

Однако схемы на макетных платах имеют тенденцию быть более грязными и ненадежными, поэтому вы не часто увидите их в окончательных проектах. Вместо этого более широко используются печатные платы или печатные платы. Печатные платы — это в основном электрические схемы, сжатые до компактного форм-фактора.

После того, как вы завершили разработку своей схемы, вы можете удобно заказать собственную печатную плату с помощью Seeed Fusion.

Цилиндрические гнезда

Цилиндрические гнезда или цилиндрические разъемы обычно находятся на готовых печатных платах. Хотя они могут различаться по размеру, они обычно предлагаются как удобный и надежный способ питания различных устройств. С помощью подходящего адаптера вы можете питать устройство с бочкообразным разъемом через USB или настенный адаптер.

Батарейные ящики

Большинство аккумуляторов спроектированы таким образом, чтобы поместиться в корпусе, который затем будет иметь провода для подключения к вашей схеме. Эти провода обычно представляют собой простые положительные и отрицательные соединения с аккумулятором. Однако корпуса аккумуляторов могут поставляться с другими разъемами, такими как бочкообразный разъем.

Примечательно, что в литий-полимерных батареях обычно используется разъем JST, который является удобным способом подключения питания к совместимым платам.

Вот некоторые чехлы для батареек, предлагаемые Seeed:

• Кейс-держатель для батареек AA – 2 слота
• 18650 Корпус держателя батареи — 2 слота с переключателем
• Блок литий-ионной полимерной батареи — 3 А с разъемом JST

Тестирование источника питания

Несмотря на то, что теоретически мы могли выбрать подходящий источник питания, это всегда важно для проверки производительности вашей схемы или устройства в течение определенного периода времени. Это связано с тем, что при различных нагрузках использования вы можете обнаружить, что подаваемой мощности недостаточно для поддержания функции устройства.

Есть и другие факторы, которые следует учитывать. Например, если напряжение вашего источника питания упадет слишком низко, ваш микроконтроллер может перезагрузиться и перестать работать. Если вы используете батареи, помните также о рабочей температуре, поскольку она может существенно повлиять на срок службы батареи и производительность.

Если вы добавляете или удаляете компоненты или меняете схему, не забывайте, что требования к питанию также могут измениться. Стоит быть осторожным с вашим источником питания, так как ваш проект может быть поврежден, если используется плохой выбор источника питания.

Другие факторы, которые следует учитывать

Прежде чем принять окончательное решение об источнике питания для вашего проекта, вот несколько вопросов, которые вы можете задать себе:

Является ли форм-фактор фактором для источника питания моего проекта?

Если да, то как можно раньше включите в проект соображения по электроснабжению. Громоздкий блок питания вряд ли сделает портативное устройство удобным в использовании!

Потребуется ли мне в будущем больше энергии для большего количества компонентов?

Если да, приобретите более мощный блок питания и дополните его понижающим преобразователем. Это избавит вас от многих проблем, если в будущем вам потребуется больше энергии.

Нужна ли мне микросхема источника питания для моего проекта?

ИС источников питания представляют собой регуляторы для преобразования нестабилизированного входного напряжения в стабильное выходное напряжение. ИС источников питания могут иметь решающее значение для электрических компонентов, чувствительных к входному напряжению, таких как микропроцессоры и память на высоких скоростях.

Если для правильной работы ваших электрических компонентов требуется определенное входное напряжение, вам придется рассмотреть возможность использования микросхемы источника питания. Посетите этот учебник от maxim Integrated для получения дополнительной информации.

Резюме и другие ресурсы

Я надеюсь, что сегодня вы узнали кое-что о том, как повысить эффективность своих проектов! Выбор подходящего источника питания, в конечном счете, является методом проб и ошибок, в значительной степени зависящим от потребностей вашего проекта.

К счастью, если вы работаете с одной из популярных плат разработки, у вас будет обширный набор документации, на которую можно положиться. У Raspberry Pi 4 даже есть официальный блок питания, так что вы определенно будете в безопасности.

Чтобы узнать больше об источниках питания и требованиях к питанию, посетите следующие страницы:

• Что происходит в электрической цепи: напряжение и ток
• Руководство по батареям для встраиваемых устройств
• Что такое сброс напряжения в микроконтроллерах? Как предотвратить ложное отключение питания

Подробное руководство по настройке источников питания для вашего проекта см. в этой статье Evaluation Engineering.

Теги: макет блока питания, Источник питания, Блок питания

Поиск и устранение неисправностей в цепи питания

от редакции

Поиск и устранение неисправностей — это применение логического мышления в сочетании с глубоким знанием схемы или работы системы для выявления и устранения неисправности. Системный подход к устранению неполадок состоит из трех этапов: анализа, планирования и измерения. Неисправная схема или система — это схема с заведомо исправным входом, но без выхода или с неправильным выходом.

Например, на рисунке (а) правильно функционирующий источник питания постоянного тока представлен одним блоком с известным входным напряжением и правильным выходным напряжением. Неисправный источник питания постоянного тока представлен в части (b) в виде блока с входным напряжением и неправильным выходным напряжением.

Анализ

Первым шагом в поиске и устранении неисправности неисправной цепи или системы является анализ проблемы, который включает в себя определение симптома и устранение как можно большего количества причин. В случае источника питания, показанного на рисунке (b), Симптомом является то, что выходное напряжение не является постоянным регулируемым напряжением постоянного тока.

Этот симптом мало что говорит вам о конкретной причине. Однако в других ситуациях конкретный симптом может указывать на определенную область, где неисправность наиболее вероятна.

Первое, что вы должны сделать при анализе проблемы, это попытаться устранить все очевидные причины. Как правило, вы должны начать с того, что убедитесь, что шнур питания подключен к работающей розетке и что предохранитель не перегорел. В случае системы с питанием от батареи убедитесь, что батарея исправна. Такая простая вещь, как это, иногда является причиной проблемы.

Однако в этом случае должно быть питание, потому что есть выходное напряжение. Помимо проверки питания, используйте свои чувства для обнаружения очевидных дефектов, таких как сгоревший резистор, оборванный провод, плохое соединение или перегоревший предохранитель. Поскольку некоторые отказы зависят от температуры, иногда перегретый компонент можно найти на ощупь.

Однако будьте очень осторожны в цепи под напряжением, чтобы избежать возможного ожога или поражения электрическим током. При периодических сбоях цепь может некоторое время работать правильно, а затем выйти из строя из-за накопления тепла. Как правило, вы всегда должны проводить сенсорную проверку на этапе анализа, прежде чем продолжить.

Планирование

На этом этапе вы должны подумать, как вы будете решать проблему. Существует три возможных подхода к устранению неполадок в большинстве цепей или систем.

1. Начните со входа (вторичная обмотка трансформатора в случае источника питания постоянного тока), где есть известное входное напряжение, и продвигайтесь к выходу, пока не получите неправильное измерение. Когда вы не обнаружите напряжение или неправильное напряжение, вы сузили проблему до части цепи между последней контрольной точкой, где напряжение было хорошим, и текущей контрольной точкой. Во всех подходах к устранению неполадок вы должны знать, каким должно быть напряжение в каждой точке, чтобы распознать неправильное измерение, когда вы его увидите.
2. Начните с выхода схемы и продвигайтесь к входу. Проверяйте напряжение в каждой контрольной точке, пока не получите правильное измерение. На этом этапе вы изолировали проблему на части цепи между последней контрольной точкой и текущей контрольной точкой, где напряжение правильное.
3. Используйте метод половинного разделения и начните с середины цепи. Если это измерение показывает правильное напряжение, вы знаете, что цепь работает правильно от входа до этой контрольной точки. Это означает, что неисправность находится между текущей контрольной точкой и выходной точкой, поэтому начните отслеживать напряжение от этой точки к выходу. Если измерение в середине цепи показывает отсутствие напряжения или неправильное напряжение, вы знаете, что неисправность находится между входом и этой контрольной точкой.

Поэтому начните отслеживать напряжение от контрольной точки к входу. Для иллюстрации предположим, что вы решили применить метод половинного разделения с помощью осциллографа.

Измерение

Метод полурасщепления показан на рисунке ниже, где измерения указывают на конкретную неисправность (в данном случае открытый конденсатор фильтра). В контрольной точке 2 (TP2) вы наблюдаете двухполупериодное выпрямленное напряжение, которое указывает на правильную работу трансформатора и выпрямителя.

Это измерение также указывает на то, что конденсатор фильтра открыт, что подтверждается двухполупериодным напряжением на TP3. Если бы фильтр работал правильно, вы бы измерили напряжение постоянного тока как на TP2, так и на TP3. Если бы конденсатор фильтра был закорочен, вы бы не наблюдали напряжения во всех контрольных точках, потому что, скорее всего, перегорел бы предохранитель.

Короткое замыкание в любом месте системы очень трудно локализовать, потому что, если в системе правильно установлены предохранители, предохранитель сработает сразу же при возникновении короткого замыкания на землю.

Рис :  Пример подхода с половинным разделением. Обозначается открытый конденсатор фильтра.

Для случая, показанного на рисунке, методом половинного разделения было проведено два измерения, чтобы локализовать неисправность в открытом конденсаторе фильтра.