Структурная схема импульсного источника питания: 1.1. Структурные схемы импульсных источников питания. Импульсные блоки питания для IBM PC

1.1. Структурные схемы импульсных источников питания. Импульсные блоки питания для IBM PC

1.1. Структурные схемы импульсных источников питания. Импульсные блоки питания для IBM PC

ВикиЧтение

Импульсные блоки питания для IBM PC
Куличков Александр Васильевич

Содержание

1.1. Структурные схемы импульсных источников питания

Переход на использование преимущественно импульсных источников питания обусловлен рядом технических и экономических факторов, наиболее важными из которых являются следующие:

• источники бестрансформаторного питания (ИБП) мощностью до 500 Вт имеют существенно более высокие массогабаритные характеристики по сравнению с аналогами, изготовленными на основе сетевых трансформаторов;

• обмотки трансформаторов ВЧ колебаний ИБП имеют более высокую плотность тока, при их изготовлении используется гораздо меньше цветного металла, что приводит к снижению затрат на производство и на исходные материалы;

• высокая индукция насыщения и малые удельные потери материалов сердечников ВЧ трансформаторов позволяют создавать ИБП с общим КПД, превышающим 80 %, что в обычных источниках недостижимо;

• широкие возможности по автоматической регулировке номиналов выходных вторичных напряжений посредством воздействия на первичные цепи ВЧ преобразователя.

Рассмотрим несколько примеров структурных схем построения ИБП с напряжением первичной сети 220 В, 50 Гц.

На рис. 1.1 представлена структурная схема импульсного источника питания, выполненного по достаточно традиционной схеме.

Рис. 1.1. Структурная схема нерегулируемого импульсного источника питания

Выпрямитель, фильтр и стабилизатор, имеющиеся во вторичной цепи данного источника питания, построены на основе узлов, встречающихся в обычных источниках электропитания. Названия этих узлов раскрывает их назначение и не нуждается в пояснении. Способ реализации стабилизатора (линейный или импульсный) в данном случае не так важен по сравнению с его присутствием в качестве отдельного функционального узла. Вторичная цепь электропитания в различных вариантах исполнения источника может быть дополнена еще одним фильтром, который устанавливается между стабилизатором и нагрузкой. Основными узлами первичной цепи являются: входной фильтр, выпрямитель сетевого напряжения и ВЧ преобразователь выпрямленного питающего напряжения с трансформатором TV.

Необходимость использования входного фильтра обусловлена тем, что, во-первых, этот фильтр должен устранять резкие кратковременные скачки питающего напряжения и импульсные помехи, вызванные работой расположенных поблизости импульсных устройств (ВЧ помехи) или возникающие в момент подключения или отключения от сети смежных нагрузок. Во-вторых, фильтр должен эффективно устранять помехи, проникающие в сеть непосредственно от используемого источника питания.

ВЧ трансформаторы, применяемые в ИБП, являются преобразователями импульсных колебаний с полосой частот до нескольких (если не выше) мегагерц. Передача энергии трансформатором имеет двухсторонний характер. В направлении сеть – нагрузка происходит передача колебаний ВЧ преобразователя. В обратном же направлении, то есть нагрузка – преобразователь – сеть, могут передаваться помехи, возникающие при работе нагрузочных цепей. Если, например, ИБП установлен в вычислительной системе, то эти помехи могут содержать элементы информационных составляющих обрабатываемых данных. Причем, как правило, в направлении сеть – нагрузка трансформатор действует как понижающий, и, следовательно, в обратном направлении он работает как повышающий. Если входной фильтр не установлен, то помехи, возникающие непосредственно в устройстве, будут эффективно транслироваться в сеть с частью информационной составляющей. Таким образом, входной фильтр применяется не только для устранения паразитного эффекта обратной трансформации, но и для защиты от утечки информации.

В импульсном источнике питания (см. рис. 1.1) используется каскад ВЧ преобразователя автогенераторного типа, режим автоколебаний которого определяется только значением номиналов его собственных элементов и не регулируется.

Источник питания, выполненный по схеме, приведенной на рис. 1.1, может дополнительно включать в себя датчик перегрузки, который воздействует либо на стабилизатор, либо на ВЧ преобразователь, блокируя его работу до момента устранения причины неисправности.

При правильном подборе элементной базы источник, изготовленный по данной схеме, прост в реализации – в этом его главное преимущество, однако из-за сравнительно низкого КПД используется редко.

Падение КПД будет происходить при увеличении числа вторичных каналов различных напряжений, так как для каждого из них потребуется отдельный стабилизатор напряжения. Существенным недостатком схемы может быть и очень высокая чувствительность автогенераторов, совмещенных с силовым каскадом ИБП, к величине нагрузки. Ее изменение может привести к срыву ВЧ колебаний и нестабильности работы источника питания подобного рода.

Структурная схема сетевого источника питания, построенного с учетом оптимальных принципов регулирования выходного напряжения, представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Структурная схема регулируемого импульсного источника питания

Принципиальное отличие данной структурной схемы от предыдущей заключается в отсутствии стабилизатора вторичного напряжения. Кроме того, в нее добавлены измерительная цепь, задающий генератор, схема управления, а также изменены функции каскада ВЧ преобразователя. Силовой каскад работает в режиме усилителя мощности колебаний, поступающих со схемы управления.

Его нагрузкой является ВЧ трансформатор. Здесь ВЧ преобразователем можно назвать совокупность следующих узлов: задающий генератор, схема управления, ВЧ усилитель мощности, ВЧ трансформатор (TV). Источник, выполненный в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 1.2, одновременно осуществляет две функции – преобразование и стабилизацию напряжения. Схема управления включает в себя широтно-импульсный модулятор и полностью определяет режим работы УМ. Выходное напряжение схемы управления имеет форму прямоугольных импульсов. Изменение длительности паузы между этими импульсами регулирует поступление энергии во вторичную цепь. Исходные параметры для работы схемы управления – это сигналы ошибки, поступающие от измерительной цепи, в которой производится сравнение эталонного значения напряжения с реальным, присутствующим в данный момент на нагрузке. По сигналу ошибки схема управления изменяет длительность паузы между импульсами в сторону ее увеличения или уменьшения, в зависимости от величины отклонения реального значения напряжения от номинального.

В частности, в схему управления может входить узел защиты каскада УМ от перегрузки и короткого замыкания.

Наличие ШИМ передаваемого напряжения предъявляет определенные требования к параметрам и построению сглаживающего фильтра выпрямленного вторичного напряжения. Первым элементом данного фильтра после выпрямителя должна быть катушка индуктивности в каждом канале вторичного напряжения.

На схеме, показанной на рис. 1.2, представлена структура одноканальной системы питания, реальные же источники имеют, как правило, несколько вторичных каналов с различной нагрузочной способностью. Измерительная цепь в таких случаях подключается к каналу с самым большим потреблением. Стабилизация остальных каналов производится с помощью отдельных стабилизаторов или методов регулирования, основанных на взаимодействии магнитных потоков. В других случаях применяются схемы выходных фильтров, выполненных на общем для всех выходных каналов магнитопроводе. Подстройка напряжения по не основным каналам может производиться в небольшом диапазоне и при относительно малых изменениях нагрузки. При описании практических схем реализации БП вопросы стабилизации вторичных напряжений одновременно по нескольким каналам будут рассмотрены более подробно.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Приложение 2 Перечень источников, использованных автором

Приложение 2 Перечень источников, использованных автором 1. Продольные аэродинамические нагрузки, действующие на корпус дирижабля (статья инж. К. К. Федяевского, Центральный аэрогидродинамический институт) Журнал «Техника воздушного флота» № 3, 1931 г. 2. Ричмонд,

Список использованной литературы и некоторых источников

Список использованной литературы и некоторых источников 1. В. Д. Мостовенко, «Танки» (Очерк из истории зарождения и развития бронетанковой техники), Военное издательство Министерства Обороны СССР, Москва, 1955 г. 2. М. Барятинский, М.Коломиеи «БронеавтомобилиРусской армии»3.

3.4. Универсальные светодиодные индикаторы токовой перегрузки для источников питания

3.4. Универсальные светодиодные индикаторы токовой перегрузки для источников питания Превышение выходного тока в источниках питания свидетельствует об увеличении потребляемой мощности в устройстве нагрузки. Иногда потребляемый ток в нагрузке (из-за неисправности

5.15. Подготовка совещания. Кривые пути электронов и тупики источников направленного РЧЭМИ

5.15. Подготовка совещания. Кривые пути электронов и тупики источников направленного РЧЭМИ 14 июня 1991 года в ЦНИИХМ предстояло провести совещание по проблемам разработки электромагнитного оружия. Такой шанс не следовало упускать. За несколько недель перед совещанием,

Список источников

Список источников Сборники опубликованных документовАтомный проект СССР. Документы и материалы. В 3 т.Т. 1.1938-1945. В 2 ч. Ч. 1. М.( 1998.Атомный проект СССР. Документы и материалы. В 3 т.Т. 1.1938-1945: в 2 ч. Ч. 2. М., 2002.Смит Г.Д. Атомная энергия для военных целей. М., 1946. Тесла Н. Статьи. Самара.

2.13. Структурные и функциональные схемы

2.13. Структурные и функциональные схемы На структурной схеме кибернетической системы указывается, из каких подсистем состоит данная система. Часто указывается также, как направлены потоки информации между подсистемами. Тогда структурная схема превращается в граф. В

Перечень использованных источников РГА ВМФ

Перечень использованных источников РГА ВМФ 1. ф. 90,оп.5,д. 2101,2109, 2203,2327,23,77.2. ф. 410, оп. 2, д. 5109,5859, 6328,6359,6457.3. ф. 417, оп. 1,д. 134,766, 1208, 1436, 1474, 1595,1657.4. ф. 421, on. 1, д. 5, 747, 765, 913,995, 1036, 1050, 1190. 1446, 1743, оп. 2, д. 489, 533, 551, 583,584, 637, 679, 1072, 1535, 1613, оп. 3, д. 83,125,136, 153, 352, 353, 365, 361, 584, 639, 745, 874, оп. 4, д. 701, 802, 928, оп. 5, д. 2101,

Глава 2 К вопросу о теории источников энергии, не требующих топлива

Глава 2 К вопросу о теории источников энергии, не требующих топлива Использование ископаемого топлива основано только на нашем незнании. К.Э. Циолковский Начнем с того, что мы находимся на позициях здравого смысла, то есть, понимаем, что «нечто» не может возникнуть из

Глава 1 Введение в схемотехнику импульсных источников питания

Глава 1 Введение в схемотехнику импульсных источников питания Каждое электронное устройство оснащено источником вторичного электропитания. Специфика исполнения источника и его технические параметры определяются общесистемными требованиями к устройству в целом и

1.

2. Принципы построения бестрансформаторных источников питания

1.2. Принципы построения бестрансформаторных источников питания Прежде чем перейти к обсуждению практических схем источников питания рассмотрим несколько возможных вариантов построения отдельных функциональных узлов импульсных источников питания. Это позволит

Ил-18 Схемы

Ил-18 Схемы Прототип Ил-18 «Москва» (СССР-Л5811) с двигателями НК-4Отличительные особенности: длина фюзеляжа 35,7 м, симметричное расположение иллюминаторов левого и правого бортов, отсутствие защитной пластины на фюзеляже в зоне винтов. Первые серийные Ил-18А с двигателями

СХЕМЫ Бе-103

СХЕМЫ Бе-103 М 1:48Андрей Сальников, Дмитрий Кусачев Длина (с РЛС), м 10,65 (10,863)Высота, м 3,757Размах крыла, м 12,72Площадь крыла, м? 25,1Максимальный взлетный вес, кг 2270Вес пустого снаряженного, кг 1760Максимальный запас топлива, кг 245Максимальная полезная нагрузка, кг 385Силовая

СХЕМЫ

СХЕМЫ Микоян Гуревич МиГ25 Первый прототип перехватчика Е-155П-1 Второй прототип перехватчика Е-155П-2 Пятый прототип перехватчика Е-155П-5 МиГ-25П первой серии (1970) МиГ-25П (1975) МиГ-25М с двигателями Р-15БФ2-300 МиГ-25 с двигателями Д-30Ф МиГ-25ПД (1981) МиГ-25ПДС (1980) МиГ-25ПДЗ с системой

10.

КУЛЬТУРА ПИТАНИЯ ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА. РЕЖИМ ПИТАНИЯ

10. КУЛЬТУРА ПИТАНИЯ ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА. РЕЖИМ ПИТАНИЯ Цель: ознакомиться с основными понятиями культуры и режима питанияКультура питания – это знание:• основ правильного питания;• свойств продуктов и их воздействия на организм, умение их правильно выбирать и

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Дамодаран, Ш. Химия пищевых продуктов / Ш. Дамодаран, К. ЛПаркин, О. Р. Феннема (ред. – сост.). – Перев. с англ. – СПб.: ИД «Профессия», 2012 – 1040 с.2. Дроздова, Т. М. Физиология питания: Учебник / Т. М. Дроздова, П. Е. Влощинский, В. М.

Схемотехника современных мощных источников питания

Введение

В последние годы на российском рынке силовой электроники появилось большое количество модульных вторичных источников питания как зарубежного, так и отечественного производства, которые позиционируются для применения в высоконадежных системах, таких как телекоммуникационное оборудование и аппаратура промышленной автоматики. Однако на практике зачастую оказывается, что эти изделия не отвечают современным требованиям надежности, а уровень схемотехнических решений находится на рубеже конца 80-х годов прошлого века. Это во многом объясняется спецификой нашего рынка: потребителю часто трудно понять, почему казалось бы похожие по электрическим характеристикам изделия разных фирм отличаются по цене в 2-4 раза. Ответ на это вопрос он получает в первый год эксплуатации, когда появляется первая статистика отказов оборудования. В данной статье мы рассмотрим основные схемотехнические решения и сравним их эффективность с точки зрения минимизации потерь и увеличения надежности.

 

Структурная схема вторичных источников питания

Обобщенная структурная схема вторичных источников питания мощностью 500-2500 Вт, включающая в себя стандартный набор функциональных узлов, приведена на рис. 1. Каждый из этих узлов может быть реализован на основе различных схемных решений, что в итоге и будет определять как эффективность устройства, так и его надежность.

Рис. 1.

Вторичный источник питания содержит следующие основные узлы: входной сетевой фильтр, корректор коэффициента мощности (ККМ), инвертор, преобразующий постоянное напряжение с выхода ККМ в переменное на частоте преобразования, силовой трансформатор, выпрямитель, выходной фильтр, схему управления и дежурный источник питания, вырабатывающий ряд напряжений для питания остальных элементов схемы. Некоторые производители с целью экономии не используют отдельный источник для питания внутренних цепей, вместо этого реализуют схему питания от дополнительных обмоток дросселя ККМ или силового трансформатора. Несмотря на кажущееся усложнение вторичных источников питания при питании его узлов от дополнительного источника, такое решение повышает надежность, поскольку система сохраняет управляемость в случае аварийных ситуаций в нагрузке или ККМ.

Хотя каждый из узлов вторичных источников питания, приведенных на рис. 1, вносит свой вклад в общие потери мощности, схемотехническое повышение эффективности возможно лишь в трех из них: ККМ, инвертор, выпрямитель. Снижение потерь в фильтрах и силовом трансформаторе относится больше к конструктивным решениям.

Рассмотрим варианты построения указанных узлов вторичных источников питания и проанализируем их эффективность с точки зрения потерь, стоимости и габаритов. В расчетах для примера будем рассматривать устройство со следующими параметрами:

• мощность нагрузки 1000 Вт;
• выходное напряжение 50 В;
• ток нагрузки до 20 А;
• первичное питание — однофазная сеть 220 В ±20%.

Корректор коэффициента мощности

Современные требования к уровню электромагнитных помех и гармоническому составу тока первичной сети требуют использования активной коррекции коэффициента мощности в источниках питания с преобразованием частоты.

Наибольшее распространение получили ККМ по схеме повышающего ШИМ-преобразователя (рис. 2) благодаря относительно низким потерям и простоте обеспечения постоянного потребления тока. Управление широтноимпульсным модулятором осуществляется сигналом, формируемым схемой управления таким образом, чтобы потребляемый ток по форме совпадал с выпрямленным напряжением.

Рис. 2.

Различают три основных метода управления ККМ: метод разрывных токов и его разновидность — «граничное» управление; метод управления по пиковому значению тока и управление по среднему значению тока [1]. Первые два метода применяются в ККМ малой и средней мощности (до 300 Вт) из-за большой амплитуды пульсаций тока, значительных электромагнитных помех, необходимости установки громоздких сетевых фильтров и невысокой точности коррекции [2]. Корректоры коэффициента мощности с управлением по среднему току свободны от указанных недостатков. Как правило, пиковое значение пульсаций тока дросселя выбирают в пределах 20% от среднего значения, а схема обратной связи по току имеет низкое усиление на частоте преобразования, что значительно повышает помехоустойчивость ККМ и точность отслеживания формы сигнала.

Существует три принципиальных подхода к реализации ККМ с управлением по среднему току: использование классической схемы, использование схемы с переключением транзистора при нулевом напряжении (квазирезонансный ККМ, рис. 3) и применение карбид-кремниевого или арсенид-галлиевого диода Шоттки в классической схеме. Методика расчета потерь в каждом из вариантов схем ККМ приведена в одной из предыдущих публикаций автора [3]. На рис. 4 показана типовая диаграмма распределения потерь в активных компонентах схемы. Как видно из рисунка, наибольшая рассеиваемая мощность приходится на ключевой транзистор и диод. Потери в сетевом мостовом выпрямителе трудно поддаются снижению, уменьшение их за счет применения более мощных диодов не всегда оправдано, так как влечет за собой неадекватное увеличение габаритов и стоимости.

Рис. 3.

Рис. 4.

В классической схеме ККМ от 70 до 90% мощности рассеивания на ключевом транзисторе и кремниевом бустерном диоде приходится на динамические потери, из них почти 50% обусловлены эффектом обратного восстановления диода [3].

В отличие от кремниевых p-n диодов, выключение p-i-n диодов Шоттки не сопровождается процессом рассасывания заряда в n-области и ток обратного восстановления отсутствует. Существует лишь незначительный ток заряда емкости перехода, который не зависит от температуры и di/dt [3].

На рис. 5 показаны диаграммы распределения полной мощности потерь в диодах и ключевом транзисторе для трех типов полупроводников. Как следует из рисунка, простая замена кремниевого Ultra Fast диода на SiC-диод Шоттки Zero Recovery (Cree) позволяет снизить тепловую нагрузку почти вдвое. Применение GaAs диодов Шоттки дает выигрыш менее 20%. Это обусловлено тем, что GaAs не является полупроводником с большой шириной энергетической запрещенной зоны, поэтому максимальное напряжение, на которое может быть рассчитан диод, не превышает 300 В. Для получения 600-вольтовых приборов производители соединяют внутри корпуса последовательно два кристалла, что является причиной чрезвычайно большого прямого падения напряжения. Вследствие этого динамические потери снижаются, а статические резко возрастают.

Рис. 5.

Рис. 6.

Альтернативным решением является применение схемы с переключением транзистора при нулевом напряжении, упрощенная структурная схема которой показана на рис. 3. Управление такой схемой может быть реализовано на базе стандартного контроллера, например, UC2855A. У схемы имеется ряд существенных недостатков, один из которых — возникновение переходного процесса с удвоенной амплитудой отрицательной полярности, что приводит к трехкратному перенапряжению на VD3. Для устранения выбросов применяют одну из снабберных цепей — либо последовательную VD4-Rсн, как показано на рис. 3, либо последовательно с L2 включают насыщающийся дроссель. В последнем случае в сердечнике дросселя выделяется значительная мощность, что заставляет либо отводить от него тепло, либо использовать сердечник больших размеров. Это значительно снижает эффективность такой схемы.

На рис. 6 приведена диаграмма суммарных потерь и ориентировочная стоимость основных активных компонентов для трех рассмотренных вариантов ККМ. Наименьшие потери обеспечивает классическая схема корректора с SiC-диодом Шоттки Zero Recovery (Cree). Квазирезонансная схема имеет на 30% больше потерь, при этом содержит в три раза больше активных компонентов, является наиболее дорогой и наименее надежной.

Таким образом, использование качественных стандартных контроллеров с управлением по среднему току в сочетании с SiC-диодом Шоттки и современным MOSFET с малым Rds on позволяет строить недорогие надежные и эффективные ККМ для рассматриваемого класса вторичных источников питания.

2.2. Преобразователь напряжения

Как и в случае с ККМ, существует три принципиальных подхода к реализации преобразователя напряжения: классический ШИМ с жестким переключением, квазирезонансный с фазовым управлением и резонансный с частотным регулированием.

Классический ШИМ-преобразователь (рис. 7) является наиболее простым и наименее эффективным. Транзисторы переключаются в жестком режиме, а при емкостном характере нагрузки выпрямителя — еще и при максимальном токе. Поскольку в схеме всегда присутствует паразитная последовательная индуктивность, включающая в себя индуктивность рассеивания силового трансформатора и монтажа, заряд выходной емкости транзисторов сопровождается выбросами напряжения, что требует установки снабберных цепей и приводит к дополнительным потерям. Если энергия, запасаемая в паразитных реактивностях, достаточно велика, существует опасность отпирания встроенных антипараллельных диодов ключевых MOSFET, что приводит к дополнительным потерям при их обратном восстановлении [4]. В общем случае, суммарные потери в ключах определяются выражением:

где I_sw — ток, протекающий через транзистор, R_on — сопротивление MOSFET в открытом состоянии, t_r, t_f— время нарастания и спада тока через транзистор, f_s — частота преобразования, C₂₂ — выходная емкость транзистора, V₀ — напряжение питания, Q_rr— заряд обратного восстановления антипараллельного диода.

Рис. 7.

Использование схемотехники квазирезонансного (рис. 8) или резонансного (рис. 9) переключения направлено на устранение в формуле (1) всех слагаемых, начиная со второго. Это достигается за счет уменьшения напряжения на ключевом транзисторе до нуля к моменту его открывания. Принципиальная разница состоит в том, что в квазирезонансном инверторе контур, формирующий траекторию переключения транзисторов, напрямую не участвует в процессе передачи энергии в нагрузку. В резонансном преобразователе формирующий контур является аккумулятором энергии, часть которой передается в нагрузку, а часть свободно циркулирует. Необходимым условием реализации режима резонансного переключения является наличие достаточной энергии, запасаемой в индуктивности формирующего контура к моменту переключения транзисторов инвертора:

Рис. 8.

Рис. 9.

Ток i_sw в квазирезонансном преобразователе прямо пропорционален току нагрузки вторичного источника питания, поэтому, начиная с некоторого минимального значения тока, условие (2) перестает выполняться и преобразователь переходит в режим жесткого переключения. В резонансном преобразователе ток i_sw равен контурному току и практически не зависит от величины нагрузки, что позволяет сохранить режим «мягкого» переключения даже на холостом ходу [5].

Принципиально отличаются и способы регулировки выходного напряжения вторичных источников питания. В квазирезонансном источнике питания применимо фазовое управление ключами [6], что позволяет осуществить регулировку методом ШИМ. В резонансном инверторе возможна только частотная регулировка. На рис. 10, 11 показаны графики типовых АЧХ и ФЧХ резонансного преобразователя. Из графиков можно сделать два принципиальных вывода: во-первых, для реализации резонансного переключения необходима работа на частоте выше резонансной, поскольку формирующий контур должен иметь индуктивное сопротивление; во-вторых, минимальная частота должна быть ограничена точкой максимума АЧХ (точка A рис. 10), поскольку ниже этой частоты теряется управляемость инвертором. На практике рабочую точку выбирают ниже максимума АЧХ, исходя из фиксированного коэффициента передачи контура (пунктирная линия, точка B).

Рис. 10.

Рис. 11.

Недостатком резонансного метода является снижение КПД при уменьшении нагрузки, поскольку потери в инверторе обусловлены контурным током, который практически не зависит от нагрузки. В квазирезонансном преобразователе КПД на холостом ходу тоже уменьшается, но из-за перехода инвертора в жесткий режим переключения. Поэтому по величине потерь оба варианта почти эквивалентны, однако по надежности, управляемости, простоте реализации и уровню электромагнитных помех резонансный преобразователь оказывается значительно эффективнее, чем ШИМ-ZVS. На рис. 12 показана диаграмма потерь в ключах при максимальной нагрузке для трех рассмотренных вариантов построения инверторов. Резонансный метод имеет несколько большие статические потери, чем ШИМ-ZVS. Они обусловлены большей величиной контурного тока, протекающего через транзисторы. В то же время оба метода позволяют снизить потери в ключах по сравнению с традиционным ШИМ почти на порядок.

Рис. 12.

Для реализации всех рассмотренных методов производятся стандартные контроллеры, обеспечивающие все необходимые функции управления.

Выходной выпрямитель

При разработке этой части схемы можно рассматривать два варианта: стандартный двухполупериодный выпрямитель на диодах Шоттки и синхронный выпрямитель на MOSFET с малым Rds on. В рассматриваемых вторичных источниках питания с относительно низкими выходными напряжениями (до 80 В) и большими токами определяющую роль играют статические потери. В таблице приведены типовые характеристики прямой проводимости современных диодов Шоттки и низковольтных MOSFET, а также максимальное выходное напряжение источника питания при использовании схемы выпрямления со средней точкой. На рис. 13 приведены зависимости прямых потерь в выпрямителях на диодах Шоттки и низковольтных MOSFET от тока нагрузки для различных выходных напряжений вторичных источников питания. Как следует из рисунка, при выходном напряжении 80 В выигрыш от применения синхронного выпрямления наблюдается при токе до 30 А, а при выходном напряжении до 16 В — более 100 А.

Рис. 13.

Таблица.

Реализация схем синхронного выпрямления зависит от типа инвертора. В случае инверторов ШИМ и ШИМ-ZVS достаточно обеспечить подачу импульсов управления на затворы транзисторов выпрямителя, по длительности и фазе синхронизированных с импульсами на затворах соответствующих транзисторов инвертора. Такой принцип реализован в стандартных контроллерах, совмещающих в себе ШИМ-ZVS и схему управления синхронным выпрямителем, например ISL6752 (Intersil).

Синхронное выпрямление в источниках питания с резонансным преобразователем реализуется несколько сложнее. Это связано с тем, что между моментами переключения транзисторов инвертора и синусоидальным выходным напряжением существует значительный фазовый сдвиг (рис. 11), который зависит от нагрузки (точнее, от частоты преобразования, которая изменяется при изменении нагрузки или при регулировке напряжения). Поэтому требуется синхронизировать схему выпрямления непосредственно от выходного напряжения вторичной обмотки силового трансформатора. Один из вариантов принципиальной схемы такого синхронного выпрямителя показан на рис. 14. Поскольку схема питается от собственного выхода, она может быть использована в источниках питания с выходным напряжением более 15 В, что обусловлено необходимостью обеспечения требуемого уровня сигнала на затворах силовых транзисторов VT4, VT5. Напряжения питания обеспечивают линейные стабилизаторы на элементах VT1, VD1, R1, C1 (+15 В) и микросхеме DA1 (+5 В). На компараторах DA2, DA3 выполнены формирователи сигналов управления ключами. Для устранения гистерезиса в момент перехода напряжения через ноль в качестве опорного используется сигнал, отличный от нуля. Он формируется цепью R4, VD6, VD7. Величина опорного напряжения должна быть ниже прямого падения на встроенных диодах транзисторов VT4, VT5, чтобы не допускать их отпирания. На транзисторах VT2, VT3 собрана схема блокировки, предотвращающая одновременное открывание силовых транзисторов. Управление затворами VT4, VT5 осуществляется с помощью драйверов DA4, DA5. В источниках питания с выходным напряжением 60 В и током 20 А схема обеспечивает снижение потерь почти в 4 раза по сравнению с выпрямителем на диодах Шоттки, при этом занимает на печатной плате менее 9 см² (рис. 15, транзисторы VT4, VT5 расположены на другой стороне платы под схемой управления).

Рис. 14.

 

Рис. 15.

 

Результаты

У читателя возникает резонный вопрос: «Что же можно в итоге получить от схемотехнических «ухищрений», и на сколько возрастет стоимость конечного изделия?». Попробуем на него ответить.

Корректор коэффициента мощности

Как следует из рис. 6, оптимальным вариантом можно считать классическую схему с SiC-диодом Шоттки Zero Recovery (Cree). Во-первых, можно использовать стандартный контроллер с управлением по среднему току. Во-вторых, значительное снижение тепловой нагрузки на силовые компоненты повышает надежность ККМ, что особенно важно в необслуживаемой аппаратуре. Следовательно, увеличение стоимости в основном определяется SiC-диодом Шоттки. Например, если вместо 15ETH06 (IR, ~$1) использовать CSD10060A (Cree, ~$9), то разница в стоимости составит всего $8.

Преобразователь

Возможность использования стандартного контроллера с частотным управлением для реализации резонансного преобразователя позволяет утверждать, что его стоимость практически эквивалентна стоимости классического ШИМ, также выполненного на базе стандартного контроллера. Дополнительные компоненты формирующего контура компенсируются отсутствием элементов снабберных цепей. При этом радикальное снижение тепловой нагрузки и отсутствие стрессовых коммутационных переходных процессов значительно повышают надежность этого узла вторичного источника питания.

Выпрямитель

Выбор схемы выпрямления в первую очередь определяется выходными параметрами вторичных источников питания. Если при требуемых напряжении и токе возможен значительный выигрыш при использовании синхронного выпрямления (рис. 13), то следует отдать предпочтение ему.

Стоимость компонентов схемы, приведенной на рис. 14, составляет около $20, диода Шоттки — около $3, а соотношение потерь — 1:4.

Рис. 16.

В заключение приведем графики зависимости КПД от мощности вторичного источника питания с выходным напряжением 60 В (рис. 16), построенных с использованием различных схемотехнических решений (без учета потерь в силовом трансформаторе и дросселе ККМ). Как видно из рисунка, хорошая схемотехника дает выигрыш 7-10%, а это около 80 Вт тепла на 1 кВт полезной мощности. Воспользоваться им можно по-разному: уменьшить габариты, отказаться от принудительного охлаждения, снизить тепловую нагрузку на силовые приборы для увеличения надежности и т. п. Цена такого увеличения эффективности ничтожна по сравнению с преимуществами, которые оно дает.

Литература

1. Васильев А., Худяков В., Хабузов В. Анализ современных методов и технических средств коррекции коэффициента мощности у импульсных устройств // Силовая электроника. 2004. № 2.
2. Полищук А. Методы измерения тока в активных корректорах коэффициента мощности // Силовая электроника. 2005. № 1.
3. Полищук А. Высоковольтные диоды Шоттки из карбида кремния в источниках питания с преобразованием частоты // Компоненты и технологии. 2004. № 5.
4. Полищук А. Проблемы выбора ключевых транзисторов для преобразователей с жестким переключением // Силовая электроника. 2004. № 2.
5. Полищук А. Высокоэффективные источники питания высокого напряжения для радиопередающих устройств СВЧ // Силовая электроника. 2004. № 2.
6. Andreycak B. Phase Shifted, Zero Voltage Transition Design Considerations and the UC3875 PWM Controller. Application Note U-136A, Texas Instruments Inc. 1999.

SMPS (импульсный источник питания): обзор Расходные материалы ( 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:

·         Преобразователь постоянного тока в постоянный:

 

·         Прямой преобразователь: 9000 3

 

·         Обратноходовой преобразователь:

·         Автоколебательный обратноходовой преобразователь:

 

 

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 области 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: Принципиальная схема прямого преобразователя SMPS

Рис. 6: График, показывающий формы тока и напряжения прямого преобразователя

Тип 3: Fly Обратные преобразователи

Обратноходовой преобразователь:

            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. Принципиальная схема обратноходового преобразователя SMPS.

 

.

 

 Тип 4: автоколебательный

автоколебательный 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 благодаря малому рассеиванию тепла

·         Малый размер трансформатора, следовательно блок компактен

·         Защита от чрезмерного выходного напряжения с помощью быстродействующих защитных цепей

·         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 SMPS и линейной подачи инструментальная промышленность

·         Системы безопасности, такие как камеры видеонаблюдения

·         AV-оборудование

·         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. Основное внимание разработчиков в повышении эффективности SMPS включает:

·         Повышение выходной мощности

·         Достижение более высокого выходного тока и низкого напряжения

·         Повышение удельной мощности

·         Использование переключающего устройства, такого как Sch отткий диод

 

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

 

Преимущества высоких частот переключения: сверхбыстрый диод.

·         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
 

---

---

---

Импульсный источник питания: SMPS Design & Applications

СтатьиСиловая электроника

Даман ШахПоследнее обновление: 2 октября 2022 г.

0 19 549 Прочитано 4 минуты

В этой статье мы узнаем об импульсном источнике питания , также известном как SMPS , его конструкции, работе и применении.

---

Содержание

Что такое импульсный источник питания (SMPS)?

SMPS означает импульсный источник питания. Он известен под разными названиями, такими как источник питания , блок питания, регулятор или переключатель в электронном блоке питания. Он включает в себя импульсный стабилизатор для эффективного преобразования электроэнергии. Он в основном используется для получения управляемого источника питания постоянного тока в качестве выхода.

Применяется для преобразования мощности (напряжения) с помощью переключающих устройств, которые попеременно включаются и выключаются на высоких частотах. Он использует компоненты хранения, такие как 9Катушки индуктивности 0009 или конденсаторы для подачи питания, когда коммутационное устройство находится в непроводящем состоянии (отключенном состоянии). SMPS обладает высокой эффективностью и широко используется в различном электронном оборудовании, таком как компьютеры, зарядные устройства и другое чувствительное оборудование, требующее стабильного и эффективного источника питания .

---

Проектирование и работа

Рабочий и дизайн SMPS разделен на различные секции и этапы.

1: Входной каскад

Входной источник переменного тока частотой (50-60) Гц подается непосредственно на выпрямитель и фильтр в цепь . Его выход содержит множество вариаций, и значение емкости конденсатора должно быть достаточно большим, чтобы справиться с входными колебаниями. Наконец, нерегулируемый постоянный ток отдается в центральную коммутационную секцию SMPS для его регулирования. Этот раздел не содержит преобразователя для понижения в подача входного напряжения .

2: Коммутационная секция

Состоит из устройств быстрого переключения , таких как силовой транзистор или полевой МОП-транзистор , которые включаются и выключаются в зависимости от изменений напряжения. Полученный выход подается на первичную обмотку трансформатора , который присутствует в этой секции.

Используемый здесь трансформатор намного меньше, легче и очень эффективен, понижает напряжение. Они намного эффективнее по сравнению с другими понижающими методами. Следовательно, 9Коэффициент преобразования мощности 0009 выше.

3: Выходной каскад

Выходной сигнал секции переключения снова выпрямляется и фильтруется. Он использует схему выпрямления и фильтра для получения желаемого напряжения постоянного тока. Полученное регулируемое выходное напряжение затем подается на схему управления .

4: Блок управления

Этот блок представляет собой блок обратной связи , который содержит множество разделов. Давайте посмотрим краткую информацию об этом разделе.

Внутренний блок управления состоит из генератора , усилителя, датчика и т. д. Датчик воспринимает выходной сигнал и обратную связь с блоком управления. Все сигналы изолированы друг от друга, поэтому любые внезапные всплески не должны влиять на схему. Опорное напряжение подается как один вход вместе с сигналом на усилитель ошибки . Усилитель представляет собой компаратор , сравнивающий сигнал с требуемым уровнем сигнала.

Следующий этап Управление частотой прерывания . Конечный уровень напряжения контролируется путем сравнения входных сигналов, подаваемых на усилитель ошибки, выходной сигнал которого помогает решить, следует ли увеличить или уменьшить частоту прерывания. Генератор генерирует стандартную волну ШИМ с фиксированной частотой.

SMPS в основном используется там, где переключение напряжения не является проблемой, но где действительно важна эффективность системы. Конструкция и работа SMPS основаны на той же концепции.

---

Типы ИИП

---

1: Неизолированные

Неизолированные преобразователи в основном используются при изменении напряжение сравнительно небольшое. Неизолированные SMPS — это те, чьи входные и выходные схемы не изолированы друг от друга. Основным недостатком является то, что он не может обеспечить защиту от высокого электрического напряжения и создает больше шума. Они бывают 3 видов.

I: Понижающий преобразователь
В типовом неизолированном понижающем (понижающем) преобразователе выходное напряжение VOUT зависит от входного напряжения VIN и рабочего цикла силового ключа.

II: Повышение напряжения
Он используется для повышения напряжения и использует такое же количество пассивных компонентов, но предназначен для повышения входного напряжения, так что выходное напряжение выше, чем входное.

III: Buck-Boost
Этот преобразователь позволяет повышать или понижать входное напряжение в зависимости от рабочего цикла. Выходное напряжение определяется соотношением
VOUT = -VIN *D/ (1-D)

---

2: Изолированный

Изолированный SMPS — это те, в которых поддерживается изоляция между входной и выходной схемой. В источниках питания используется трансформатор для отделения переключения от выхода. Вторичная обмотка трансформатора играет роль накопителя энергии.

I: Обратноходовой преобразователь:
Работа этого преобразователя аналогична повышающе-понижающему преобразователю неизолирующей категории. Единственное отличие состоит в том, что он использует трансформатор для хранения энергии вместо катушки индуктивности в цепи.

II: Прямой преобразователь
В работе этого преобразователя используется преобразователь для передачи энергии между входом и выходом за один шаг.