Структурная схема импульсного блока питания: принципы работы и основные компоненты — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроен импульсный блок питания. Какие основные компоненты входят в его состав. Каковы принципы работы импульсного источника питания. Почему импульсные блоки питания имеют ряд преимуществ перед линейными.

Содержание

Основные компоненты импульсного блока питания

Импульсный блок питания состоит из следующих основных компонентов:

Входной фильтр
Выпрямитель
Высокочастотный преобразователь
Трансформатор
Выходной выпрямитель
Выходной фильтр
Схема управления

Рассмотрим подробнее назначение и принцип работы каждого из этих компонентов.

Принцип работы импульсного блока питания

Принцип работы импульсного блока питания заключается в следующем:

Входное переменное напряжение выпрямляется и сглаживается
Полученное постоянное напряжение преобразуется в переменное высокой частоты (десятки-сотни кГц)
Высокочастотное напряжение трансформируется до нужного уровня
Выходное напряжение снова выпрямляется и фильтруется

Такой принцип позволяет использовать трансформатор и фильтры малых габаритов, что снижает размеры и вес блока питания.

Входной фильтр и выпрямитель

Входной фильтр служит для подавления высокочастотных помех, поступающих из сети. Обычно он содержит дроссели и конденсаторы.

Выпрямитель преобразует переменное сетевое напряжение в пульсирующее постоянное. Чаще всего используется мостовая схема на диодах.

Высокочастотный преобразователь

Это ключевой элемент импульсного блока питания. Он преобразует постоянное напряжение в переменное высокой частоты (обычно 20-200 кГц). В качестве ключевых элементов используются транзисторы, работающие в ключевом режиме.

Какие преимущества дает высокая частота преобразования?

Использование высокой частоты позволяет:

Уменьшить габариты трансформатора и фильтров
Повысить КПД преобразования
Улучшить динамические характеристики

Трансформатор и выходной выпрямитель

Трансформатор преобразует высокочастотное напряжение до требуемого уровня. За счет высокой частоты его размеры значительно меньше, чем у сетевого трансформатора.

Выходной выпрямитель преобразует переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора в постоянное. Обычно используются быстродействующие диоды Шоттки.

Выходной фильтр и схема управления

Выходной фильтр сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Содержит индуктивности и конденсаторы.

Схема управления регулирует работу высокочастотного преобразователя, обеспечивая стабилизацию выходного напряжения. Она изменяет длительность импульсов управления ключами в зависимости от выходного напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания

По сравнению с линейными стабилизаторами импульсные блоки питания имеют ряд преимуществ:

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

Основной недостаток — более высокий уровень электромагнитных помех, требующий тщательного экранирования.

Области применения импульсных блоков питания

Импульсные блоки питания широко применяются в следующих областях:

Компьютерная и офисная техника
Бытовая электроника
Промышленная автоматика
Телекоммуникационное оборудование
Светодиодные источники света

Их использование позволяет создавать компактные и энергоэффективные устройства.

Расчет и проектирование импульсных блоков питания

Расчет импульсного блока питания включает следующие основные этапы:

Выбор топологии преобразователя
Расчет силовой части (трансформатора, ключей, выпрямителя)
Расчет фильтров
Разработка схемы управления
Выбор элементной базы

Для упрощения разработки многие производители предлагают готовые модули и микросхемы импульсных преобразователей.

Заключение

Импульсные блоки питания имеют сложную структуру, но обладают рядом важных преимуществ перед линейными стабилизаторами. Понимание принципов их работы позволяет грамотно применять и обслуживать такие источники питания.

Развитие элементной базы и схемотехники приводит к постоянному совершенствованию импульсных преобразователей, повышению их эффективности и расширению областей применения.

Импульсный блок питания для усилителя

материалы в категории

В последнее время вместо традиционных выпрямителей с сетевыми трансформаторами для питания бытовой радиоаппаратуры все чаще используют так называемые импульсные источники питания. Достоинства таких устройств очевидны — это экономичность (высокий КПД), компактность, малая масса.
о сравнению с традиционными импульсные источники питания мощных усилителей ЗЧ имеют в три-четыре раза меньшие габариты и массу и более высокий КПД. Отметим, что повышенный КПД источника питания выгоден не только из-за экономии электроэнергии, но и с точки зрения облегчения теплового режима усилителя ЗЧ и связанного с ним улучшения его параметров и увеличения срока службы транзисторов.

У радиолюбителей давно уже выработался некий стереотип подхода к проектированию блоков питания бытовой радиоаппаратуры. В большинстве случаев их строят по традиционной структурной схеме: трансформатор питания — выпрямитель — сглаживающий фильтр и (довольно часто) — стабилизатор напряжения.

Однако такая структура блока питания целесообразна только в усилителях ЗЧ с выходной мощностью, не превышающей 30…50 Вт. При большей выходной мощности традиционные блоки питания оказываются слишком громоздкими и тяжелыми.

Возможный выход из положения в подобных случаях — примененить блок питания с преобразователем напряжения. По сравнению с традиционным он имеет значительно меньшие габариты и массу и более высокий КПД, что позволяет не только сэкономить электроэнергию, но и облегчить тепловой режим усилителя.

Структурная схема такого блока питания показана на рис.1. Через включенный на входе фильтр Z1 сетевое напряжение поступает на выпрямители UZ1 и UZ2. Фильтр Z1 исключает попадание высокочастотных помех в сеть переменного тока. Выпрямитель UZ1 преобразует сетевое напряжение в сравнительно высокое (около 310 В) постоянное напряжение, которое поступает далее на транзисторный фильтр Z2, уменьшающий пульсации выпрямленного напряжения. К выходу этого фильтра подключен высокочастотный преобразователь напряжения U1.

Частоту преобразования и форму колебаний задает генератор прямоугольных импульсов G1, питающийся от выпрямителя UZ2 через сглаживающий фильтр Z3 и стабилизатор напряжения U2. С целью уменьшения габаритов и массы устройства частота преобразования выбрана довольно высокой (100 кГц). С выхода преобразователя через понижающий трансформатор прямоугольное напряжение поступает ив выходные выпрямители UZ3, сглаживающие фильтры Z4 и далее на нагрузку.

Основные технические характеристики блока питания следующие: напряжение питания — 200…240 В, выходные напряжения — ±25, 20 и 10 В при токах нагрузки соответственно 3, 1 и 3 А; КПД — 0,75.

Функции сетевого фильтра выполняют элементы С2, Т1, С3. Выпрямитель преобразователя напряжения — двухполупериодный мостовой на диодах VD1-VD4, транзисторный фильтр образован элементами R3, С5, R4, VT1, С7. Он уменьшает пульсации выпрямленного напряжения частотой 100 Гц в 125 раз, что необходимо для предотвращения модуляции ими прямоугольного напряжения высокочастотного преобразователя. Последний выполнен на транзисторах VT5, VT6. Через понижающий трансформатор Т3 его выходное напряжение поступает на двухполупериодные выпрямители VD13-VD16; VD17, VD18 и VD19, VD20. Пульсации выпрямленных напряжений сглаживают конденсаторы С11-С18.

Задающий генератор собран на элементах микросхемы DD1. Подстроечным резистором R1 частоту следования его импульсов можно изменять в пределах от 100 до 200 кГц. Триггер DD2.1 формирует из них импульсы с более крутыми фронтами и вдвое меньшей частотой следования. С преобразователем напряжения генератор связан через комплементарный эмиттерный повторитель на транзисторах VT3, VT4 и трансформатор Т2. Питание на задающий генератор поступает через выпрямитель (VD5-VD8) и стабилизатор напряжения (VT2, R5, VD9, VD10). Избыток сетевого напряжения гасит конденсатор С4.
Конструкция и детали. В блоке питания могут быть использованы любые подходящие по габаритам и параметрам резисторы и конденсаторы. Вместо транзисторов КТ812А можно применить КТ809А или КТ704Б.

Статические коэффициенты передачи тока h31э транзисторов VT5, VT6 должны быть примерно одинаковыми. Заменять микросхемы серии К511 какими-либо другими не рекомендуется, поскольку они менее всего подвержены действию высокочастотных помех и позволяют получить довольно большой (около 13 В) размах импульсов на выходе триггера. В крайнем случае можно воспользоваться микросхемами серии К155, однако это потребует дополнительного усиления импульсов, подаваемых на базы транзисторов VT3, VT4. Не следует заменять и диоды КД213Г и КД212А, так как они имеют довольно высокую граничную частоту (около 100 кГц), позволяющую выбрать такую же частоту преобразования и, как следствие этого, уменьшить габариты выходного трансформатора Т3 и поднять КПД блока питания.

Трансформатор сетевого фильтра Т1 выполнен на кольцевом магнитопроводе типоразмера К20х10х5 из феррита М2000НМ-3, обе его обмотки содержат по 17 витков провода МГТФ 0,5. Магнитопровод трансформатора преобразователя Т2 — К16х8х6 из феррита М2000НН-1, все его обмотки намотаны в три провода (ПЭЛШО 0,12) и содержат по 90 витков.

В выходном трансформаторе Т3 использован магнитопровод К38х24х7 из такого же материала. Его обмотки 1-2, 3-4-5 и 9-10 содержат соответственно 30+5+5; 5+5 и 2 витка провода ПЭВ-2 1,0, обмотка 6-7-8 — 4+4 витка провода ПЭВ-1 0,6. Все обмотки равномерно распределяют по кольцу и тщательно закрепляют, а для исключения межобмоточных замыканий отделяют одну от другой фторолластовой пленкой. Мощные транзисторы VT2, VT5, VT6 размещены на трех теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности 65 см2 каждый.

При сборке нужно стремиться к тому, чтобы все соединения были возможно короче. Сам блок питания необходимо поместить в экран из пермаллоя.
Налаживание устройства начинают с генератора прямоугольных импульсов. Вынув предохранитель FU1 и включив питание, с помощью осциллографа проверяют наличие противофазных прямоугольных импульсов на обмотках 3-4 и 5-6 трансформатора Т2. Затем подстроенным резистором R1 устанавливают частоту импульсов 100 кГц.

После этого вставляют предохранитель на место, проверяют наличие и амплитуду импульсов на вторичных обмотках трансформатора Т3 и измеряют выходные напряжения блока питания.

При необходимости их можно понизить подключением дополнительных секций обмотки 1-2. Следует, однако, иметь в виду, что в этом случае снизится и КПД блока питания.
Габариты описанного устройства — 220х100х37 мм (объем 0,8 дм3), масса — 1 кг. Блок питания такой мощности, построенный по традиционной схеме, имеет в три раза больший объем и в четыре раза большую массу.

Обсудить на форуме

В. ЖУЧКОВ, О. ЗУБОВ, И. РАДУТНЫЙ, г. Москва, Радио №1, 1987 г., стр.35

Компактный настольный источник питания CN-0508 от Analog Devices мощностью 75 Вт

27 октября 2021

управление питаниемлабораторные приборыуниверсальное применениеAnalog Devicesстатьяинтегральные микросхемыисточники питаниясредства разработки и материалыDC-DCCircuit NoteБлок питания

Инженеры компании Analog Devices разработали дизайн компактного одноканального регулируемого блока питания CN-0508 с поддержкой удаленного управления и выпустили отладочный комплект EVAL-CN0508-RPIZ. В статье представлены схема, настройки и результаты тестирования блока питания, а также представлен порядок его запуска.

Стабильное напряжение питания требуемой величины является одним из основных условий успешного создания любого электронного узла. По этой причине источники питания с возможностью регулировки выходного напряжения и тока обоснованно входят в список оборудования любого отдела, занимающегося разработкой электроники, в том числе и научных лабораторий. Сегодня на рынке присутствует достаточно много подобных устройств, однако основная их часть имеет большие габариты и низкий КПД, что негативно отражается на их энергопотреблении.

Разработанный компанией Analog Devices настольный одноканальный регулируемый блок питания мощностью 75 Вт на основе платы EVAL-CN0508-RPIZ (рисунок 1) позволяет сформировать выходное напряжение в диапазоне 0…27,5 В с регулируемым порогом ограничения (стабилизации) выходного тока 0…3 А. Особенностью данного блока питания является поддержка удаленного управления с помощью программного обеспечения, способного работать на одноплатных компьютерах, совместимых с платформой Raspberry Pi. Причем связь между платой источника питания и управляющим компьютером может быть реализована с помощью как проводных, так и беспроводных интерфейсов.

Рис. 1. Внешний вид настольного источника питания CN-0508

Благодаря комбинации импульсных и компенсационных методов регулирования выходного напряжения этот источник имеет низкий уровень пульсаций, отличные динамические характеристики и высокий КПД, позволяющий обойтись без радиаторов для охлаждения силовых компонентов. Такое сочетание преимуществ позволяет позиционировать этот блок питания в качестве недорого компактного решения, которое можно как использовать автономно, так и интегрировать его в существующие измерительные комплексы.

Структурная схема источника питания

Силовая часть платы CN-0508 построена по гибридной технологии и состоит из двух каскадно включенных преобразователей (рисунок 2). Первый каскад, построенный на основе понижающего импульсного стабилизатора LT8612, обеспечивает грубую регулировку входного напряжения V_IN, уменьшая его до уровня, превышающего требуемое значение V_OUT на 1,7 В. Второй каскад, реализованный на двух параллельно соединенных компенсационных стабилизаторах LT3081, обеспечивает точную стабилизацию выходного напряжения и ограничение выходного тока.

Рис. 2. Структурная схема источника питания CN-0508

Такой подход позволяет получить высокий КПД всей системы, характерный для импульсных преобразователей, и высокую точность выходного напряжения, являющуюся отличительной чертой компенсационных стабилизаторов. Кроме этого, использование компенсационных методов регулирования позволяет уменьшить уровень шумов и высокочастотных пульсаций выходного напряжения, что является немаловажным при питании чувствительных аналоговых узлов.

Малый уровень потерь позволил использовать в качестве теплоотводящего элемента силовых компонентов непосредственно печатную плату, не прибегая к применению дополнительных радиаторов. Это позволило сделать данный источник питания намного компактнее, чем традиционные решения на основе только компенсационных стабилизаторов, требующих для охлаждения мощных транзисторов или интегральных микросхем теплоотводы с большой площадью поверхности.

Особенности преобразователя на основе LT8612

Первый каскад преобразования напряжения собран на основе интегрального понижающего синхронного стабилизатора LT8612. На входе этого узла установлен блок конденсаторов с общей емкостью около 32 мкФ, предназначенных для фильтрации входного напряжения и уменьшения уровня высокочастотных пульсаций тока, потребляемого от первичного источника питания. Микросхема LT8612 уменьшает входное напряжение с номинальным значением 30 B до величины, превосходящей требуемое выходное напряжение на 1,7 B, что на 0,2 B больше минимальной разницы входных и выходных напряжений, необходимой для работы компенсационных стабилизаторов LT3081 (1,5 В). Такой подход позволяет понизить основную часть входного напряжения с малыми потерями и обеспечить высокие значения удельной мощности и КПД всей системы.

Анализ зависимостей КПД и мощности потерь (рисунок 3) показывает, что в самом худшем случае уровень выделения тепла на всех элементах силовой части платы не превышает 7 Вт. Это позволяет охлаждать ее с помощью естественной конвенции воздуха, при условии, что данная плата будет использоваться без корпуса. Если же необходимо установить плату в корпус, то следует предусмотреть возможность ее обдува с помощью вентилятора небольшой мощности.

Рис. 3. График зависимости КПД и мощности потерь источника питания CN-0508 при входном напряжении 36 В и различных выходных напряжениях

Обычно в цепях отрицательной обратной связи понижающих преобразователей используют датчики напряжения на основе резистивных делителей. При таком подходе выходное напряжение преобразователя V_OUT определяется формулой 1:

$$V_{OUT}=V_{FB}\times \left(1+\frac{R_{HIGH}}{R_{LOW}} \right),\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где напряжение на входе усилителя ошибки микросхемы LT8612 V_FB= 970 мВ.

Однако в источнике питания CN-0508 этот узел модифицирован для стабилизации не абсолютного выходного напряжения (по отношению к общему проводу), а относительного падения напряжения на регулирующих элементах компенсационных стабилизаторов LT3081, или падения напряжения между выводами V_PRE и V_OUT (рисунок 4).

Рис. 4. Схема контура отрицательной обратной связи по напряжению микросхемы LT8612

Стабилизируемое напряжение (напряжение между выводами V_PRE и V_OUT микросхем LT3081) поступает на делитель напряжения с коэффициентом передачи 0,5, образованный резисторами R8 и R9. Напряжение с выхода делителя (напряжение на резисторе R8) поступает на вход усилителя, собранного на транзисторе Q1. Параметры усилителя подобраны таким образом, что при напряжении на резисторе R8, равном 0,85 В, ток коллектора транзистора Q1 равен 194 мкА. В этом случае падение напряжения на коллекторной нагрузке транзистора Q1 (резистор R6) будет равно 970 мВ. Таким образом, схема управления микросхемы LT8612 будет поддерживать напряжение на регулирующих элементах микросхем LT3081 на уровне 1,7 В, независимо от абсолютной величины выходного напряжения V_OUT.

Особенности преобразователя на основе LT3081

Ключевыми преимуществами компенсационных стабилизаторов являются высокая стабильность выходного напряжения при любых изменениях тока нагрузки и напряжения на входе. Принцип работы компенсационных стабилизаторов аналогичен принципу работы активных сглаживающих фильтров, поэтому подобные схемы очень часто устанавливают после импульсных преобразователей для уменьшения уровня пульсаций выходного напряжения. Особенностью этих схем является значительная зависимость КПД от соотношения напряжений на входе и выходе, поэтому для обеспечения минимального нагрева входное напряжение стабилизаторов этого типа должно быть максимально близким к выходному, однако не меньше, чем минимально допустимое напряжение, необходимое для работы.

Микросхемы LT3081 являются интегральными компенсационными стабилизаторами с малым падением напряжения на регулирующем элементе (Low Dropout, LDO). Ключевой особенностью этих приборов является расширенная область безопасной работы (Safe Operation Area, SOA), позволяющая использовать их в автомобильных и промышленных приложениях, работающих в условиях с высоким уровнем электромагнитного излучения и с большой вероятностью появления на входе импульсов напряжения большой амплитуды. Кроме основных узлов, обеспечивающих стабилизацию выходного напряжения, в микросхемах LT3081 интегрированы узлы защиты от перегрузки по току, переполюсовки входного напряжения, протекания обратного тока при отрицательном напряжении на регулирующем элементе, а также отключения при перегреве кристалла.

Выходное напряжение и порог ограничения тока микросхем LT3081 являются регулируемыми и могут быть установлены, например, с помощью внешних резисторов. Кроме этого, микросхемы LT3081 содержат узлы для измерения выходного тока и температуры кристалла, формирующие на соответствующих выводах сигналы, пропорциональные измеряемым параметрам, что позволяет контролировать текущее состояние микросхемы внешними устройствами. В частности, ток вывода I_MON пропорционален току нагрузки микросхемы I_LOAD (I_MON = I_LOAD/5000), а ток вывода TEMP – температуре кристалла (I_TEMP = 1 мкА/⁰С). Таким образом, после подключения к выводам I_MON и TEMP резисторов с сопротивлением, например, 1 кОм, напряжения на них станут пропорциональны, соответственно, выходному току 200 мВ/А и температуре 1 мВ/⁰С (рисунок 5).

Рис. 5. Структурная схема микросхемы LT3081

Уникальной особенностью микросхем LT3081 является возможность увеличения выходного тока путем простого параллельного соединения нескольких микросхем. Для этого достаточно соединить вместе одноименные выводы микросхем, за исключением выводов OUT, которые объединяются через балластные резисторы сопротивлением 10 мОм, необходимые для равномерного распределения нагрузки между стабилизаторами (рисунок 6).

Рис. 6. Принцип параллельного соединения нескольких микросхем LT3081

Питание дополнительных устройств

Для питания дополнительных узлов платы CN-0508 предназначен отдельный стабилизатор напряжения на основе импульсного понижающего преобразователя LT8609, подключенного непосредственно к разъему V_IN. Этот узел формирует стабильное напряжение 5 В, которое может быть использовано для питания вентилятора и компьютера на основе платформы Raspberry Pi. Максимальный выходной ток микросхемы LT8609 достигает 3 А, что вполне достаточно для питания как платы компьютера, так и его периферийных устройств, в том числе и большинства сенсорных экранов, совместимых с данной платформой. Это позволяет создавать на основе платы CN-0508 измерительные системы, не требующие дополнительных узлов преобразования напряжения, что является несомненным преимуществом данного решения. К выходу этого источника питания также подключен преобразователь напряжения на основе микросхемы LTC1983-5, формирующий отрицательное напряжение -5 В, необходимое для работы некоторых узлов.

Установка порога ограничения тока

Порог ограничения выходного тока платы CN-0508 устанавливается с помощью сдвоенного переменного резистора, одна секция которого подключена по схеме реостата между выводами OUT и I_LIM микросхем LT3081, а вторая, включенная по схеме потенциометра, формирует напряжение, пропорциональное углу поворота ручки, что позволяет компьютеру после оцифровки этого напряжения определить значение данной настройки. Порог ограничения тока может быть установлен только вручную в диапазоне 0…3 А. Возможность программной установки порога ограничения тока отсутствует.

Установка выходного напряжения

Выходное напряжение платы CN-0508 зависит от напряжения на выводах SET микросхем LT3081. Согласно структурной схеме этой микросхемы, изображенной на рисунке 5, данный вывод подключен к неинвертирующему входу усилителя ошибки и фактически является источником опорного напряжения для схемы управления регулирующим элементом.

Ток вывода SET формируется внутренним стабилизатором тока на уровне 50 мкА, что позволяет устанавливать выходное напряжение микросхем LT3081 с помощью единственного постоянного или переменного резистора, подключаемого между выводом SET и общим проводом. Однако напряжение на выводе SET может быть установлено и с помощью внешнего источника, что позволяет рассматривать микросхему LT3081 в качестве мощного прецизионного усилителя тока с единичным коэффициентом передачи по напряжению.

Плата CN-0508 позволяет устанавливать выходное напряжение в диапазоне 0…27,5 В и вручную, и с помощью программного обеспечения. Ручная установка производится с помощью сдвоенного переменного резистора, обе секции которого включены по схеме потенциометра. При этом одна секция подключена ко входу первого операционного усилителя LT6015 (рисунок 7) и используется непосредственно для установки выходного напряжения, а вторая подключена к АЦП и предназначена для определения текущего положения ручки. Программная установка выходного напряжения осуществляется с помощью ЦАП на основе микросхемы AD5683R, выходное напряжение которого подается на второй операционный усилитель LT6015.

Рис. 7. Узел формирования опорного напряжения V_SET

Максимальное напряжение, которое может присутствовать на выходе ЦАП и на подвижном контакте переменного резистора, равно 2,5 В, поэтому оба усилителя на основе LT6015 имеют коэффициенты усиления, равные 11, что позволяет формировать выходное напряжение в диапазоне 0…27,5 В. Выходы ОУ LT6015 соединены вместе с помощью диодов D2 и D3 по схеме монтажного И. При этом как минимум один из этих диодов постоянного находится в проводящем состоянии за счет тока, формируемого стабилизатором LT3092 (2 мА). При таком включении диодов напряжение V_SET будет равно минимальному из напряжений, присутствующих на выходах ОУ LT6015.

Такое решение позволяет организовать эффективную защиту исследуемой схемы от возможного перенапряжения. При программной регулировке выходного напряжения переменным резистором можно ограничить максимально допустимое напряжение, которое может быть подано на питаемую схему, тем самым защищая ее от возможного повреждения из-за ошибки оператора. В то же время при ручной регулировке максимально допустимое выходное напряжение может быть задано программно, что предотвратит подачу повышенного напряжения при ошибочной установке ручки переменного резистора в неправильное положение.

Особенностью микросхем LT6015 является возможность работы с большой разницей напряжений между входами, что обычно нехарактерно для большинства операционных усилителей. Однако операционные усилители LT6015 специально разработаны для работы в этом режиме, поэтому при большой разнице потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами никакого повреждения или значительного увеличения потребляемого тока у этих микросхем не происходит.

Максимальная емкость нагрузки, которая может быть подключена к выходам ОУ LT6015, равна 200 пФ, поэтому для повышения устойчивости к выходам LT6015 подключены специальные демпфирующие цепочки, состоящие из конденсаторов емкостью 0,22 мкФ и резисторов с сопротивлением 150 Ом. Это позволяет подключить данный узел к микросхемам LT3081, содержащим в цепях вывода SET фильтрующие конденсаторы общей емкостью 0,02 мкФ.

Установка нулевых значений напряжения и тока

Микросхема LT3081 способна сформировать нулевое выходное напряжение при выходном токе более 5 мА, поэтому для обеспечения точного нулевого напряжения при отсутствии нагрузки к выходу блока питания подключен специальный узел, формирующий гарантированный выходной ток 8 мА. Этот узел реализован на основе n-p-n-транзистора, эмиттерные цепи которого подключены к отрицательной шине питания с напряжением -5 В, формирующимся с помощью микросхемы LTC1983-5 (рисунок 2). К этой же отрицательной шине подключены и цепи питания операционных усилителей LT6015, позволяя им без проблем формировать нулевое опорное напряжение на выводах SET микросхем LT3081.

В микросхемах LT3081 порог ограничения тока пропорционален падению напряжения на внешнем резисторе, подключаемом между выводами OUT и I_LIM, причем ток вывода I_LIM формируется внутренним стабилизатором тока. Нулевой выходной ток обеспечивается микросхемой LT3081 при сопротивлении внешнего резистора менее 200 Ом. На плате CN-0508 такое сопротивление может быть обеспечено в крайнем положении ручки переменного резистора, который используется для установки порога ограничения тока. Однако при этом произойдет некоторое сужение диапазона регулирования, поскольку подача тока на нагрузку начнется лишь с некоторого минимального угла установки ручки. Чтобы это исключить, последовательно с переменным резистором включен резистор с сопротивлением 100 Ом, сопротивление которого выбрано с таким расчетом, чтобы две микросхемы LT3081 работали параллельно, поэтому ток, протекающий через этот резистор, удваивается.

Система диагностики

Значения напряжения в контрольных точках платы CN-0508, в том числе выходного напряжения и выходного тока, измеряются 24-разрядным дельта-сигма-АЦП AD7124-4. Полный перечень контролируемых параметров приведен в таблице 1.

Таблица 1. Перечень контролируемых параметров

Канал АЦП AD7124-4	Параметр	Коэффициент пересчета
AIN0	Температура кристалла микросхемы LT3081 (U2)	1 мВ/°С
AIN1	Температура кристалла микросхемы LT3081 (U3)	1 мВ/°С
AIN2	Выходной ток	200 мВ/А
AIN3	Напряжение на входе	1:14,33
AIN4	Напряжение на выходе	1:10,52
AIN5	Положение ручки регулятора выходного тока	0…2,5 В = 0%…100%
AIN6	Положение ручки регулятора выходного напряжения	0…2,5 В = 0%…100%
AIN7	Напряжение на входе компенсационного стабилизатора	1:14,33

Основными параметрами, контролируемыми в процессе практической эксплуатации платы CN-0508, являются выходное напряжение и выходной ток. Тем не менее остальные параметры также являются немаловажными. Например, если реальный выходной ток, потребляемый исследуемой схемой, приближается к порогу ограничения тока, установленного с помощью ручного регулятора, программное обеспечение может сгенерировать сигнал, предупреждающий о возможном срабатывании защиты от перегрузки по току. То же самое касается и напряжения. Если реальное напряжение оказывается значительно меньше или больше предустановленного значения, то это может быть признаком наличия проблем с исследуемой схемой, о чем также следует оперативно информировать оператора. В первом случае низкое напряжение может быть результатом неожиданного увеличения тока, потребляемого схемой, а во втором – наличием перетекания энергии из нагрузки в первичный источник питания, что также может быть результатом неправильной работы исследуемого узла.

Не последнюю роль во время эксплуатации платы играет контроль температуры силовой части. Несмотря на то, что мощность тепла, выделяющегося в элементах этого блока питания, не достигает больших значений, неудачная установка платы, например, в месте с плохой циркуляцией воздуха, может привести к срабатыванию защиты от перегрева даже в случаях, когда выходная мощность далека от максимально допустимого значения.

Остальные результаты измерений используются в основном для самодиагностики системы. Например, программное обеспечение может сформировать сигнал о низком входном напряжении, когда оно меньше 28 В, или о возможном повреждении элементов блока питания, если падение напряжения на регулирующих элементах компенсационных стабилизаторов окажется меньше 1,6 В.

Узел контроля вентилятора

Контроль температуры микросхем LT3081 осуществляется с помощью двух компараторов ADCMP392, на неинвертирующих входах которых установлено напряжение 60 мВ (рисунок 8). При таком опорном сигнале выходное напряжение компаратора станет низким, когда температура кристалла контролируемой микросхемы LT3081 превысит 60°C. Выходы компараторов соединены вместе по схеме монтажного ИЛИ, благодаря чему вентилятор будет включен, если температура любой из микросхем LT3081 превысит пороговое значение. Плата CN-0508 позволяет подключить напрямую внешние вентиляторы, рассчитанные на работу при напряжении 5 В, при этом их ток не должен превышать 1 А.

Рис. 8. Узел управления вентиляторами

Результаты тестирования

В идеальном случае выходное напряжение не должно зависеть от величины выходного тока, однако на практике такое бывает крайне редко. Тем не менее результаты измерений (рисунок 8) показывают, что величина отклонения выходного напряжения при изменении нагрузки с 0 А до 2,5 А не превышает 20 мВ (рисунок 9), что соответствует внутреннему сопротивлению, приблизительно равному 8 мОм.

Рис. 9. Внешняя характеристика платы CN-0508

При этом плата CN-0508 имеет очень хорошие динамические характеристики. На рисунке 10 показана реакция платы на короткое замыкание, которое было выполнено во время работы на нагрузку с сопротивлением 25 Ом при выходном напряжении 25 B. Как видно из рисунка, выходное напряжение платы уменьшилось до нуля менее чем за 200 мкс, что обусловлено малой емкостью фильтрующих конденсаторов, установленных на выходе платы (60 мкФ), что как минимум на порядок меньше чем в существующих коммерческих источниках питания. Это значительно уменьшает количество энергии, рассеиваемой в процессе короткого замыкания и, соответственно, минимизирует риск повреждения платы или исследуемой схемы. На осциллограмме также видно, что после разряда выходных конденсаторов приблизительно через 2,5 мс микросхема LT3081 переходит в режим стабилизации тока, установленного в данном случае равным 2,75 А.

Рис. 10. Реакция платы CN-0508 на короткое замыкание

Реакция платы на резкое изменение тока нагрузки показана на рисунке 11. В этом исследовании к текущему сопротивлению нагрузки, равному 25 Ом, был кратковременно подключен еще один резистор с таким же номиналом, что привело к удвоению потребляемого тока – с 1 А до 2 А. Выходное напряжение платы в начале тестирования было равно 25 В.

Рис. 11. Реакция платы CN-0508 на резкое увеличение тока с 1 А до 2 А

Термограммы платы, питающей током 2,75 А тестовую нагрузку с сопротивлением 4 Ом (рисунок 12), показывают, что максимальная температура корпусов микросхем LT3081 равна приблизительно 92°С, что ниже максимально допустимой температуры 125°С. При этом следует учитывать, что плата располагалась горизонтально на расстоянии 2,5 см от поверхности рабочего стола и работала при температуре воздуха окружающей среды 25°С, то есть условия охлаждения были далеко не идеальными. После установки вентилятора диметром 40 мм и производительностью 0,2 м³/мин, направление обдува которого было направлено параллельно плоскости платы, что аналогично тепловому режиму работы платы внутри корпуса, температура корпусов компенсационных стабилизаторов уменьшилась до 70⁰С.

Рис. 12. Термограммы платы CN-0508, питающей током 2,75 А нагрузку с сопротивлением 4 Ом

Порядок запуска и проверки платы

Подробную информацию о порядке работы с платой CN-0508 можно найти в руководстве пользователя [1], также доступном на официальном сайте Analog Devices. Рассмотрим основные шаги, которые необходимо выполнить во время первого запуска и первичной проверки работоспособности этого блока питания.

Для работы с источником питания CN-0508, помимо самой платы, необходимо следующее оборудование:

первичный источник питания Globtek TR9CR3000T00-IM (R6B);
одноплатный компьютер Raspberry Pi zero W;
HDMI-дисплей;
HDMI-кабель;
SD-карта емкостью не менее 8 Гбайт с образом операционной системы Kuiper Linux, адаптированной для работы с продуктами компании Analog Devices;
набор мощных резисторов, электронная нагрузка или тестовая схема с известной потребляемой мощностью;
мультиметр;
резистор мощностью 50 Ом с сопротивлением 4 Ом.

Перед началом использования платы необходимо вначале скопировать с сайта Analog Devices на SD-карту необходимое программное обеспечение, следуя инструкциям, приведенным в руководстве пользователя, и собрать испытательную схему (рисунок 13).

Рис. 13. Схема для тестирования платы CN-0508

Последовательность действий:

Устанавливаем компьютер Raspberry Pi, подключив его к 40-контактному разъему, расположенному на обратной стороне платы CN-0508.
Настраиваем операционную систему Kuiper Linux на SD-карте для использования с платой CN-0508.
Подготавливаем компьютер Raspberry Pi к запуску, вставив в него SD-карту и подключив клавиатуру и монитор. После этого можно подать питание на плату.
Ждем запуска компьютера. После загрузки операционной системы панель управления платой CN-0508 (рисунок 14) и осциллограф будут запущены автоматически.
Подключаем мультиметр к выходным клеммам платы.
Устанавливаем ручку регулятора ограничения тока в положение, соответствующее максимальному току, повернув ее до упора по часовой стрелке, а ручку регулятора напряжения – в положение, соответствующее нулевому выходному напряжению, повернув ее до упора против часовой стрелки.
Устанавливаем в программном обеспечении желаемое выходное напряжение, не забывая, что в данный момент ручной регулятор его ограничивает на уровне нуля. После этого при вращении ручки регулятора напряжения можно наблюдать пропорциональное увеличение мощности, потребляемой нагрузкой, до тех пор, пока выходное напряжение не достигнет значения, установленного в программном обеспечении.
Подключаем 50-ватный резистор с сопротивлением 4 Ом к выходу платы.
Устанавливаем выходное напряжение, равное 8 В. Выходной ток при этом должен быть равен 2 А.
Вращаем ручку регулятора ограничения тока до тех пор, пока выходной ток не станет равным 1 A. Это будет свидетельствовать о том, что плата перешла в режим ограничения тока, поэтому дальнейшее уменьшение сопротивления нагрузки вплоть до короткого замыкания выхода не должны приводить к изменениям выходного тока.

Рис. 14. Интерфейс программного обеспечения для управления платой CN-0508

Дополнительные материалы

Руководство пользователя платы CN-0508
Техническая документация на микросхему LT3081
Демонстрационная плата микросхемы LT3081
Техническая документация на микросхему LTC1983
Демонстрационная плата микросхемы LTC1983
Техническая документация на микросхему LT6015
Демонстрационная плата микросхемы LT6015
Техническая документация на микросхему AD5683R
Демонстрационная плата микросхемы AD5683R
Техническая документация на микросхему AD7124-4
Демонстрационная плата микросхемы AD7124-4
Техническая документация на микросхему ADCMP392
Демонстрационная плата микросхемы ADCMP392
Демонстрационная плата микросхемы DC2132A

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО КОМПЭЛ

•••

SMPS (импульсный источник питания): обзор

СМПС). Различные типы регуляторов напряжения, используемые в линейных источниках питания (LPS), попадают в категорию диссипативных регуляторов, поскольку они имеют элемент управления напряжением, обычно транзистор или стабилитрон, который рассеивает мощность, равную разности напряжений между нерегулируемым входным напряжением. и фиксированное напряжение питания, умноженное на ток, протекающий через него. Импульсный стабилизатор действует как преобразователь мощности с плавным регулированием, и, следовательно, на его эффективность практически не влияет разность напряжений. Следовательно, импульсный регулятор также известен как «нерассеивающий регулятор». В SMPS активное устройство, обеспечивающее регулирование, всегда работает в режиме отсечки или в режиме насыщения.

Входное питание постоянного тока прерывается на более высокой частоте от 15 до 50 кГц с использованием активного устройства, такого как биполярный транзистор, силовой полевой МОП-транзистор или тринистор и трансформатор преобразователя. Здесь размер ферритового сердечника уменьшается обратно пропорционально частоте. Нижний предел составляет около 5 кГц для бесшумной работы, а верхний предел составляет 50 кГц для ограничения потерь в дросселе и в активных переключающих элементах. Преобразованная форма волны выпрямляется и фильтруется. Образец выходного напряжения используется в качестве сигнала обратной связи для схемы управления переключающим транзистором для обеспечения регулирования.

Рис. 2: Простая блок-схема импульсного источника питания

Генератор на приведенном выше рисунке позволяет включать и выключать элемент управления. Элемент управления обычно состоит из транзисторного ключа, катушки индуктивности и диода. При каждом включении энергия перекачивается в магнитное поле, связанное с катушкой индуктивности, которая на практике является обмоткой трансформатора. Затем эта энергия высвобождается в нагрузку при желаемом уровне напряжения.

Изменяя рабочий цикл или частоту переключения, мы можем изменять накопленную энергию в каждом цикле и, таким образом, контролировать выходное напряжение. Достигается более высокая эффективность, поскольку для поддержания тока нагрузки перекачивается только энергия, необходимая для поддержания тока нагрузки, следовательно, отсутствует рассеивание мощности.

Рис. 3: Простая принципиальная схема импульсного источника питания

Основной особенностью SMPS является устранение физически массивных силовых трансформаторов и других магнитных линий электропередач. Конечным результатом является меньший, более легкий корпус и снижение производственных затрат, в первую очередь за счет исключения компонентов с частотой 50 Гц. Базовая концепция импульсного регулятора в простой форме показана на рисунке ниже.

Типы SMPS:

· D.C. To D.C. Конвертер:

· Прямой конвертер:

· Конвертер лету

Преобразователь постоянного тока в постоянный:

Здесь показана блок-схема преобразователя постоянного тока в постоянный ( SMPS ).

Рис. 4: Блок-схема, показывающая преобразователь постоянного тока SMPS

Здесь первичная мощность, полученная от сети переменного тока, выпрямляется и фильтруется как постоянный ток высокого напряжения. Затем он переключается с огромной скоростью примерно от 15 кГц до 50 кГц и подается на первичную сторону понижающего трансформатора. Понижающий трансформатор представляет собой лишь малую часть размера сопоставимого устройства с частотой 50 Гц, что избавляет от проблем с размером и весом. Выход вторичной обмотки трансформатора выпрямляется и фильтруется. Затем он направляется на выход блока питания. Выборка этого выхода отправляется обратно на коммутатор для управления выходным напряжением.

SMPS используют ШИМ для управления средним значением выходного напряжения. Среднее значение формы повторяющегося импульса зависит от площади под формой волны. При увеличении нагрузки выходное напряжение имеет тенденцию к падению. Большинство импульсных источников питания регулируют свою мощность с помощью метода, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Силовой ключ, питающий первичную обмотку понижающего трансформатора, управляется ШИМ-генератором. Когда рабочий цикл составляет 50%, максимальное количество энергии будет проходить через понижающий трансформатор. По мере уменьшения рабочего цикла передаваемая мощность уменьшается, следовательно, снижается рассеиваемая мощность.

Сигнал ширины импульса, подаваемый на переключатель, обратно пропорционален выходному напряжению. Ширина или время включения генератора управляется обратной связью по напряжению от вторичной обмотки выхода выпрямителя и образует регулятор с обратной связью. Поскольку импульсный регулятор является сложным, вместо дискретных компонентов можно использовать современные пакеты ИС, такие как Motorola MC 3420/3520 или Silicon General SG 1524.

Прямой преобразователь
В прямоходовом преобразователе через дроссель проходит ток как в проводящем, так и в непроводящем состояниях транзистора. Диод проводит ток в течение периода ВЫКЛ транзистора. Следовательно, энергия поступает в нагрузку в течение обоих периодов. Выходное напряжение V _o может быть только меньше, чем V _s в этой схеме. Дроссель накапливает энергию в течение периода включения, а также передает часть энергии на выходную нагрузку. Диод выполняет две функции.
1.   Обеспечивает путь разряда для дросселя, чтобы при открывании транзистора не возникало дугового разряда из-за наведенного высокого напряжения.
2.   Обеспечивает путь для затухания тока в катушке.
Рис. 5: Диаграмма схемы прямого преобразователя SMPS
Рис. 6: График, показывающий ток и сигналы напряжения прямого преобразователя
Тип3: преобразователи лету В обратноходовом преобразователе энергия полностью хранится в магнитном поле катушки индуктивности в течение периода включения переключателя. Энергия сбрасывается в цепь выходного напряжения, когда переключатель находится в разомкнутом состоянии.
Выходное напряжение зависит от рабочего цикла.
Рис. 7: Схема конвертора Flayback SMPS
Рис. 8: График, показывающий ток и сигналы напряжения конвертора Flyback
Type4: Self-Complaiting
9002 9003
Type4: Self-Complaiting
9002
. Обратноходовой преобразователь:
Автоколебательный обратноходовой преобразователь — самый простой и базовый преобразователь, основанный на принципе обратного хода. Переключающий транзистор, трансформатор преобразователя, выпрямитель с быстрым восстановлением и конденсатор выходного фильтра составляют полную схему постоянного тока. к постоянному току преобразователь. Это преобразователь постоянной выходной мощности, как и все остальные преобразователи постоянного тока. к постоянному току преобразователи, работающие по обратноходовому принципу.

В течение времени проводимости переключающего транзистора ток через первичную обмотку трансформатора начинает линейно возрастать с наклоном, равным V _in /L _p . Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке и обмотке обратной связи, вызывает обратное смещение выпрямителя с быстрым восстановлением и удерживает проводящий транзистор во включенном состоянии.

Когда первичный ток достигает пикового значения I _p,, когда сердечник начинает насыщаться, ток имеет тенденцию к очень резкому возрастанию. Этот резкий рост тока не может поддерживаться приводом с фиксированной базой, обеспечиваемым обмоткой обратной связи. В результате переключение начинает выходить из насыщения.
Рис. 9: Диаграмма, показывающая автоколебательный обратноходовой преобразователь

Это регенеративный процесс с отключением транзистора. Магнитное поле из-за тока, протекающего в первичной обмотке, схлопывается, тем самым меняя полярность индуцированных напряжений. Выпрямитель с быстрым восстановлением смещен в прямом направлении, и накопленная энергия передается на конденсатор и нагрузку через вторичную обмотку. Таким образом, энергия сохраняется во время включения и передается во время отключения.

Выходной конденсатор обеспечивает ток нагрузки во время работы транзистора, когда энергия не передается от первичной обмотки. Это преобразователь постоянной выходной мощности. Выходное напряжение уменьшается по мере увеличения нагрузки и наоборот. Необходимо соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не допустить случайного снятия нагрузки с преобразователя. В этом случае выходное напряжение будет расти неограниченно до тех пор, пока какой-либо из компонентов преобразователя не выйдет из строя. Он подходит для приложений с малой выходной мощностью благодаря своему характеру работы и может с успехом использоваться до выходной мощности до 150 Вт. Он имеет высокие пульсации выходного напряжения.
Преимущества и сравнение
Преимущества SMPS:
· Высокая эффективность из -за низкого тепла
·         Сниженная гармоническая обратная связь в питающую сеть
·         Изоляция от сети без необходимости использования большого сетевого трансформатора
·         Генерация источников питания низкого и среднего напряжения – это просто
·         Хотя радиочастотные помехи могут быть проблемой в SMPS, если они не экранированы должным образом
·         SMPS используются в ПК, видеопроекторах и измерительных приборах.

Таблица 1 Сравнение SMPS и линейного питания

Особенности

СМПС
Линейный блок питания
Эффективность
65-75 %
25-50 %
Повышение температуры
20-40 ^или С
50-100 ^или С
Значение пульсации
Высшее 25-50 мВ
Возможно даже 5 мВ
Общее регулирование
0,3 %
0,1 %
Радиопомехи
Может вызвать проблемы при неправильном экранировании
Нет
Магнитный материал
Ферритовый сердечник
Ядро Stalloy или CRGO
Вес
Около 60 Вт/кг
20-30 недель кг
Надежность
Зависит от переключателей
Более надежный
Переходная характеристика
Медленнее (в мс)
Быстрее (в мкс)
Сложность
Подробнее

Рис. 10: Сравнение SMP и линейного снабжения
Применение и будущее
Применение SMPS:
· Промышленные машины
· Системы безопасности, такие как CCTVS
· Промышленные изделия
· Системы безопасности, такие ·         Вспомогательные материалы для программируемых логических контроллеров (ПЛК)

Будущие тенденции:
Будущее SMPS направлено на то, чтобы сделать его более эффективным, что приведет к лучшему преобразователю, выполняющему наиболее эффективный процесс преобразования.
·         Повышение выходной мощности
·         Достижение более высокого выходного тока и низкого напряжения
·         Повышение плотности мощности
·         Использование коммутационного устройства, такого как диод Шоттки

SiC-диод Шоттки можно использовать в качестве активного устройства вместо транзистора с высокой частотой переключения. Эти SiC-диоды Шоттки являются эталонными в диапазоне рабочих напряжений 300–600 В. Здесь показаны характеристики переключения SiC-диода Шоттки.
Рис. 11: График, показывающий характеристики SiC-диода Шоттки
·         Высокая частота переключения с одинаковой эффективностью: пассивные компоненты меньшего размера и дешевле.
·         Отсутствие обратного восстановления: МОП-транзистор меньшего размера и/или более высокая надежность

Узнайте об SMPS с помощью эксклюзивных изображений разборки обычного SMPS в Insight.

Рубрики: Статьи
С тегами: обратноходовой преобразователь, прямоходовой преобразователь, автоколебательный, импульсный источник питания

Внутренние функции источников питания переменного/постоянного и постоянного/постоянного тока.
Хотя вы указываете и используете источники 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.

Внутренняя часть блоков питания
Блок-схема на рисунке 1 представляет многие источники 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/постоянного тока и не требуется для источников питания постоянного/постоянного тока, в противном случае топологии источников питания могут быть идентичными.
Рис. 1. Упрощенная блок-схема импульсного источника питания переменного/постоянного тока.
Фильтр ЭМП/ЭМС
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
Когда компоненты EMI/EMC являются внутренними для источника питания, команда 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.
Рисунок 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.
Рисунок 3: Диодный мостовой выпрямитель
Входной конденсатор большой емкости
Входной объемный конденсатор 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 быть простым резистором небольшого номинала, подключается последовательно с клеммой входного напряжения для ограничения пускового тока.
При питании постоянным током входной объемный конденсатор может помочь компенсировать полное сопротивление входных проводников и стабилизировать динамическое входное сопротивление источника питания. На этой веб-странице https://www.cui.com/blog/negative-resistance-and-why-your-dc-dc-converter-may-not-working-properly содержится более подробная информация о входном сопротивлении источника питания и как это может привести к колебаниям подачи.
Рис. 4. Входной объемный конденсатор
Входной выключатель питания
Электронный переключатель (нарисованный как МОП-транзистор) преобразует входное постоянное напряжение в переменное напряжение, 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.
Рисунок 5: Переключатель входного питания
Магнитная изоляция
Обычным 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.
Рисунок 6: Магнитная изоляция с сосредоточенным конденсатором, представляющим паразитную емкость.
Выходной выпрямитель
Выходное напряжение изолирующего магнита представляет собой сигнал переменного тока, и его необходимо выпрямить, чтобы получить выходное напряжение 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.
Рисунок 7: Выходной выпрямитель
Выходной фильтр
Выходной выпрямитель будет производить постоянное напряжение с наложенным на него переменным напряжением. 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 блока питания также включены в блоки питания переменного и постоянного тока. Эти схемы управления имеют сложный набор характеристик и обсуждаются в отдельной веб-статье.

В этом обсуждении внутренние функции источников питания переменного/постоянного и постоянного/постоянного тока были рассмотрены на высоком уровне. 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.