Схема мощного импульсного блока питания: расчеты на микросхемах SG3525 и IR2153

Как рассчитать схему импульсного блока питания на 5В, 12В и 24В. Какие микросхемы лучше использовать для управления силовыми ключами. Как выбрать компоненты для надежной работы импульсного преобразователя.

Содержание

Основные компоненты импульсного блока питания

Импульсный блок питания состоит из нескольких ключевых компонентов:

Входной выпрямитель и фильтр
Силовые ключи (транзисторы)
Импульсный трансформатор
Выходной выпрямитель и фильтр
Схема управления силовыми ключами
Цепи обратной связи

Рассмотрим подробнее назначение и выбор каждого из этих компонентов для построения надежного импульсного блока питания.

Выбор микросхемы управления для импульсного блока питания

Для управления силовыми ключами в импульсных блоках питания часто используются специализированные микросхемы. Популярными вариантами являются:

SG3525 — ШИМ-контроллер для прямоходовых и обратноходовых преобразователей
IR2153 — драйвер верхнего и нижнего ключей для полумостовых схем

UC3842/3 — ШИМ-контроллер с токовым управлением для обратноходовых преобразователей

Выбор конкретной микросхемы зависит от топологии преобразователя и требуемой выходной мощности. Для маломощных источников питания (до 100 Вт) часто применяется SG3525. Для более мощных преобразователей подойдет IR2153.

Расчет компонентов импульсного блока питания на 5В, 12В и 24В

При проектировании импульсного блока питания необходимо рассчитать следующие ключевые параметры:

Коэффициент заполнения импульсов
Индуктивность первичной обмотки трансформатора
Сечение магнитопровода трансформатора
Число витков обмоток трансформатора
Токи и напряжения силовых ключей

Рассмотрим пример расчета для блока питания на 12В и 5А (60 Вт):

Входное напряжение: 310В (выпрямленные 220В)
Частота преобразования: 50 кГц
Коэффициент заполнения: 0.3

Индуктивность первичной обмотки: 500 мкГн
Сечение магнитопровода: 1.5 см2
Число витков первичной обмотки: 60
Число витков вторичной обмотки: 5

Подобные расчеты выполняются для каждого требуемого выходного напряжения (5В, 12В, 24В).

Особенности проектирования импульсных блоков питания большой мощности

При разработке мощных импульсных источников питания (свыше 500 Вт) необходимо учитывать ряд дополнительных факторов:

Выбор топологии преобразователя (прямоходовой, мостовой, резонансный)
Синхронное выпрямление на выходе для повышения КПД
Параллельное включение силовых ключей
Эффективное охлаждение силовых компонентов
Снижение коммутационных потерь в ключах
Электромагнитная совместимость и подавление помех

Правильный учет этих факторов позволяет создать надежный и эффективный импульсный блок питания большой мощности.

Защитные цепи в импульсных источниках питания

Для обеспечения надежной и безопасной работы в импульсных блоках питания применяются различные защитные цепи:

Защита от короткого замыкания на выходе
Защита от перегрузки по току
Защита от перенапряжения на выходе
Тепловая защита силовых компонентов
Защита от пониженного входного напряжения

Реализация защитных функций обычно выполняется с помощью специализированных микросхем или дискретных компонентов. Например, для защиты от короткого замыкания часто используется трансформатор тока в первичной цепи.

Фильтрация и подавление помех в импульсных блоках питания

Импульсные преобразователи являются источниками высокочастотных помех, поэтому важную роль играет правильная фильтрация:

Входной фильтр для подавления помех, проникающих в сеть
LC-фильтр на выходе для сглаживания пульсаций
Экранирование импульсного трансформатора
Снабберные цепи для снижения коммутационных выбросов

Применение синфазных дросселей

Правильно спроектированные фильтры позволяют добиться низкого уровня пульсаций на выходе (менее 50 мВ) и электромагнитной совместимости с другими устройствами.

Настройка и тестирование импульсного блока питания

После сборки импульсного блока питания необходимо выполнить его настройку и тестирование:

Проверка работы без нагрузки
Настройка выходных напряжений
Проверка стабильности при изменении нагрузки
Измерение КПД при различных нагрузках
Тестирование защитных цепей
Проверка уровня пульсаций на выходе
Измерение уровня электромагнитных помех

Тщательное тестирование позволяет выявить возможные проблемы и обеспечить надежную работу импульсного блока питания в составе конечного устройства.

Простой мощный импульсный блок питания для питания радио электро-аппаратуры

Часто собирая какую нибудь электронную конструкцию,как то, усилитель звуковой частоты,средства автоматики,устройства на базе микроконтроллеров,и многое другое,мы задаемся вопросом а чем питать аппаратуру? Радиоэлектронные устройства в большинстве своем питаются постоянным напряжением отличным от напряжения сети. В последнее время все чаще импульсная техника вытесняет из повседневного обихода традиционные трансформаторные схемы блоков питания. Выигрыш тут очевиден, во первых это экономия намоточного материала, который стоит не дешево. Во вторых, это габариты и масса приборов,на сегодняшний день при современной миниатюризации аппаратуры различного назначения,этот вопрос очень актуален, большинство схем ИБП довольно сложны в сборке и настройке и не доступны для повторения начинающими радиолюбителями.

В данной статье приводится схема простого ИБП, при разработке которого ставилась задача простоты конструкции, хорошей повторяемости, использование подручного материала, несложности в сборке и настройке. Несмотря на простоту, ИБП имеет довольно неплохие характеристики.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРА

Питающее напряжение сети: 220В/50Гц.
Номинальная выходная мощность: 300Вт.
Максимальная выходная мощность: до 500Вт.
Частота преобразования напряжения: 30кГц.
Вторичное выпрямленное напряжение варьируется по необходимости.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ИПБ

Принцип работы ИБП заключается в следующем: импульсы для управления ключами генерирует задающий генератор, построенный на специальном драйвере TL494, частота импульсов управления 30кГц. Импульсы управления с выходов микросхемы подаются поочередно на транзисторные ключи VT1,VT2 предварительного формирователя импульсов для выходных силовых ключей. Ключи VT1,VT2 нагружены трансформатором управления TR1, который и формирует импульсы управления мощными выходными ключами VT3,VT4 ,формирователь необходим для гальванической развязки затворных цепей выходного каскада. ИБП построен по полумостовой схеме, средняя точка для полумоста создается конденсаторами С3,С4, которые одновременно служат сглаживающим фильтром выпрямленного диодным мостом VDS1 питающего напряжения сети. Цепь R7,C8 обеспечивает кратковременно питание на задающий генератор и формирователь импульсов управления,для первичного запуска ИБП, после полного заряда конденсатора С8 питание формирователя осуществляется непосредственно обмоткой 3 трансформатора TR2 c которой снимается переменное напряжение 12В. Цепочка VD2 ,C6 служит для выпрямления и сглаживания питающего формирователь напряжения. Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение первичного запуска до 12В.Вторичное напряжение питания для РЭА снимается с обмотки 3 трансформатора TR2, выпрямляется диодами шотки VD3,VD4 и подается на сглаживающий фильтр С9,С10. Если необходимое напряжение питания превышает 35В, включаются по два диода последовательно.

Несколько слов о конструкции ИБП: большинство компонентов взяты из неисправного компьютерного БП АТХ. А именно это микросхема TL494, конденсаторы С9,С10, диодный мост VDS1, конденсаторы С1,С2, С5,С6,С7, диод VD2, диоды Шоттки VD3,VD4, и ферритовые сердечники с каркасами TR1,TR2.

Сам ИБП конструктивно был собран в корпусе того же разобранного БП АТХ. Транзисторы VT3,VT4 установлены на радиаторы площадью 50 см².

Данные перемотки трансформаторов TR1,TR2:
TR1, все четыре обмотки содержат по 50 витков провода 0.5 мм
TR2, Обмотка 1 наматывается проводом 0.8мм 110 витков. Обмотка 3 содержит 12 витков проводом 0.8мм. Обмотка 2 наматывается в зависимости от необходимого вторичного напряжения питания и рассчитывается из соотношения 1 виток на 2 вольта. Так как на выходе стоит удвоитель напряжения.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	ШИМ контроллер	TL494	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT1, VT2	MOSFET-транзистор	IRFZ34	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT3, VT4	MOSFET-транзистор	IRFP460	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VD1	Стабилитрон	Д815Д	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VD2	Диод		1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VD3, VD4	Диод Шоттки	MBR4045PT	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VDS1	Диодный мост		1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С1	Конденсатор	4. 7 нФ	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С2	Электролитический конденсатор	100 мкФ 16 В	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С3, С4	Электролитический конденсатор	330 мкФ 200 В	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С5	Конденсатор	1 мкФ 250 В	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С6	Электролитический конденсатор	100 мкФ 25 В	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С7	Конденсатор	100 нФ	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С8	Электролитический конденсатор	100 мкФ 450 В	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С9, С10	Электролитический конденсатор	1000 мкФ 100 В	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R1, R2	Резистор	68 Ом	2	0. 5 Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R3	Резистор	10 кОм	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R4, R5	Резистор	36 Ом	2	0.5 Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R6, R7	Резистор	1 Ом	2	2 Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
	Предохранитель	2 А	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
TR1	Трансформатор		1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
TR2	Трансформатор		1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
						Добавить все

^{Скачать список элементов (PDF)}

Импульсный сетевой блок питания УМЗЧ 2х25В, 20В, 10В

Принципиальная схема мощного импульсного блока питания для усилителя мощности низкой частоты, выходные напряжения ±25В, 20В и 10В.

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

Принципиальная схема

Функции сетевого фильтра выполняют элементы С2, Т1, C3. Выпрямитель преобразователя напряжения — двухполупери-одный мостовой на диодах VD1…VD4, транзисторный фильтр образован элементами R3, С5, R4, VT1, С7. Он уменьшает пульсации выпрямленного напряжения частотой 100 Гц, что необходимо для предотвращения модуляции ими прямоугольного напряжения высокочастотного преобразователя.

Последний выполнен на транзисторах VT5, VT6. Через понижающий трансформатор ТЗ его выходное напряжение поступает на двухполупериодные выпрямители VD13…VD16; VD17…VD20. Пульсации выпрямленных напряжений сглаживают конденсаторы С11…С18.

Задающий генератор собран на элементах миросхемы 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.

Рис. 1. Принципиальная схема мощного импульсного блока питания для усилителя мощности (2х25В).

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.

Детали

В данном импульсном блоке питания для УМЗЧ могут быть использованы любые подходящие по габаритам и параметрам резисторы и конденсаторы. Вместо транзисторов КТ812А можно применить КТ809А или КТ704Б.

Статические коэффициенты передачи тока 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 ТЗ и поднять КПД блока питания.

Трансформатор сетевого фильтра Т1 выполнен на кольцевом магнитопроводе типоразмера К20х10х5 из феррита М2000НМЗ, 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 ТЗ 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 содержит 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 фторопластовой пленкой. Мощные транзисторы VT2, VT5, VT6 размещены на трех теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности 65 см2 каждый.

16 способов разработки питания режима коммутатора

Эта статья является частью Techxchange : Power Supp LY Design

Скачать эту статью в формате PDF.

Проще говоря, разработка блока питания — это серьезная задача. Приняв решение о сборке или покупке, вы столкнетесь с множеством вариантов схем — больше, чем вы, вероятно, думаете. Создание источника питания раньше было относительно простым, но с преобладанием импульсных методов в наши дни это стало сложной специализацией. Если вы не являетесь экспертом по источникам питания и/или это один из ваших первых проектов, вам могут понадобиться некоторые рекомендации. Информация, представленная здесь, должна помочь вам определить ваши варианты и остановиться на одном из них.

Шаг 1: Хорошая спецификация

Все начинается с хорошей спецификации. Крайне важно уделить время изучению ваших потребностей и написанию подробной спецификации. В качестве отправной точки перечислите следующие основные характеристики:

Диапазон входного напряжения (переменного или постоянного тока)

Выходные напряжения (постоянного или переменного тока) и допуски
Требования к выходному току
Максимальная пульсация
Расчетная общая требуемая мощность
Требования к эффективности, если таковые имеются
Вопросы электромагнитных помех (ЭМП), если таковые имеются

Шаг 2: первое решение

С этими характеристиками вы сможете сделать свой первый важный выбор: линейная или импульсная конструкция. Да, линейные источники питания по-прежнему доступны даже в нынешней среде, где преобладает импульсный режим. Если ваша конструкция допускает более низкий КПД линейного источника питания, вы можете оценить его преимущества. Основными преимуществами линейного источника питания являются простота конструкции, более низкая стоимость, обилие соответствующих компонентов, проверенные технологии и низкий уровень электромагнитных помех.

С другой стороны, импульсные конструкции по своей природе шумны, и цепи, которые вы питаете, могут быть восприимчивы к этому шуму. Например, для генератора, тактового генератора, синтезатора или другой критической схемы может потребоваться низкий фазовый шум или джиттер. Линейный источник питания с регулятором с малым падением напряжения (LDO) обеспечит чистый постоянный ток для удовлетворения этой потребности. По крайней мере, имейте в виду линейный вариант, так как он все еще может быть вашим лучшим выбором в некоторых проектах.

Большинство новых конструкций имеют переключаемый режим. Преимущества импульсного источника питания (SMPS) слишком велики, чтобы их игнорировать. Эффективность является основным преимуществом, с эффективностью более 90% для многих дизайнов. Небольшой размер и разумная стоимость являются другими преимуществами. Недостатком является сложный и хитрый дизайн с множеством альтернативных подходов. Однако вы можете сделать более осознанный выбор дизайна, если расширите список спецификаций.

Шаг 3: Расширенные спецификации

В дополнение к базовым спецификациям, составленным ранее, они также должны быть определены для вашего проекта:

Требование к электрической изоляции между входом и выходом
Температурный диапазон работы
Ожидаемый пусковой ток
Пиковый и средний выходной ток
Кратковременное воздействие и необходимость реагирования
Требования к нагрузке и регулированию сети
Частота переключения
В дополнение к требованиям EMI, включите необходимость коррекции коэффициента мощности (PFC), Underwriters Laboratories (UL) или другие сертификаты

Шаг 4. Выберите топологию

Наиболее популярные топологии постоянного тока SMPS: понижающий (a), повышающий (b), инвертирующий повышающий (c), SEPIC (d) и Zeta (e). . МОП-транзистор выполняет переключение, катушки индуктивности и конденсаторы накапливают энергию, а диод управляет направлением тока.

Возможно, вы уже знаете, что доступно несколько различных конструкций импульсных схем. Но знаете ли вы, что на самом деле существует 16 топологий, о которых вам следует знать? Один из них обязательно подойдет вам:

Buck
Синхронный бак
Повышение
Инвертирующий повышающе-понижающий
СЕПИК
Кук
Зета
Летучая мышь
Обратный ход
Обратный ход с двумя переключателями
Активный зажим вперед
Одинарный переключатель вперед
Два переключателя вперед
Полумост
Полный мост
Полный мост с фазовым сдвигом

Недостаток места здесь не позволяет обеспечить полное покрытие. Тем не менее, есть два замечательных источника, которые вы можете изучить, чтобы оценить выбор топологии:

Краткое справочное руководство по топологиям электропитания. На этих девяти страницах содержится краткий обзор наиболее распространенных топологий импульсных источников питания. Он заполнен соответствующими волновыми формами и уравнениями.

Дополнительные сведения см. в 200-страничном Руководстве по топологиям электропитания. Объяснения схемы и рекомендации по проектированию основаны на требованиях.

Шаг 5. Начните проектирование

Типичный подход заключается в сужении выбора топологии до принятия окончательного решения. Наиболее популярными топологиями являются buck, boost, buck-boost (и инвертирующая версия), SEPIC и Zeta. На рис. 1 показаны упрощенные схемы для каждого из них. Понижающий формат понижает входное напряжение, а повышающий повышает. Остальные три тоже могут. Топология Кука хороша, если вам нужно изменить полярность выхода.

Если вам нужна изоляция, можно использовать трансформаторы. Топологии, которые будут включать их в конструкцию, включают обратноходовую, прямоходовую, двухтактную, полумостовую или полномостовую.

Что касается частоты коммутации, она обычно сводится к наилучшей оценке, основанной на вашем приложении. Сегодня типичные частоты переключения находятся в диапазоне примерно от 100 кГц до нескольких мегагерц. Низкие частоты, как правило, лучше подходят для приложений с более высокой мощностью, требующих максимальной эффективности. Более высокие частоты упрощают фильтрацию с меньшими конденсаторами и катушками индуктивности и могут привести к уменьшению размеров и стоимости.

Также обязательно учитывайте влияние основной гармоники и гармоник на другое оборудование поблизости. Одним из возможных решений для ограничения электромагнитных помех при переключении является дизеринг. Это включает в себя случайное изменение частоты переключения для уменьшения любых электромагнитных помех за счет расширения спектра в более широком диапазоне.

Разработка импульсного источника питания может оказаться загадочным предприятием, если вы не знаете, как и с чего начать. Ознакомьтесь с рекомендуемым блогом, чтобы лучше понять, как выбрать наиболее подходящую топологию источника питания для вашего приложения.

Шаг 6. Другие ресурсы

Диоды и интегральные схемы лежат в основе вашей конструкции. Имейте в виду, что у большинства полупроводниковых компаний есть продукты или услуги поддержки, такие как программное обеспечение для онлайн-дизайна, такое как WEBENCH от Texas Instruments. Не забывайте о возможности использования эталонных проектов и оценочных комплектов для дальнейшего ускорения и упрощения проектирования.

Читать больше статей в TechXchange : Power Supp ly Design

Импульсный источник питания (SMPS)

Импульсный режим или источник питания с режимом переключения или просто SMPS — это тип блока питания (PSU), в котором используются какие-то переключающие устройства для передачи электроэнергии от источника к нагрузке. . Обычно источником является переменный или постоянный ток, а нагрузкой является постоянный ток.

[adsense1]

Наиболее распространенное применение SMPS — блок питания компьютера. Импульсный источник питания (SMPS) стал стандартным типом блока питания для электронных устройств из-за их высокой эффективности, низкой стоимости и высокой удельной мощности.

На следующем изображении показан блок SMPS от старого настольного компьютера. Этот конкретный SMPS рассчитан на мощность 90 Вт.

Краткое описание

Линейный регулятор в сравнении с SMPS

Блок питания является важной частью электрической цепи, поскольку он обеспечивает питание цепи для правильной работы. Почти все электронные устройства требуют постоянного напряжения без каких-либо колебаний. Источник питания будет принимать нерегулируемую мощность и преобразовывать ее в стабильную регулируемую мощность. Существуют в основном две категории источников питания: линейные регулируемые источники питания и импульсные источники питания (SMPS).

Линейный регулируемый источник питания — это тип источника питания, который регулирует выходное напряжение с помощью последовательного элемента управления. Основным примером последовательного проходного элемента является резистор. Но часто используемые элементы последовательного прохода — это биполярные транзисторы или полевые МОП-транзисторы в активном или линейном режиме, которые подключаются последовательно с нагрузкой.

В зависимости от изменений на входе или нагрузке ток через транзистор изменяется, чтобы поддерживать постоянный выход. Разница между входным и выходным (нагрузкой) напряжениями падает на транзисторе, и эта избыточная мощность, т. е. разница между входной и выходной (нагрузкой) мощностью, рассеивается транзистором в виде тепла.

[adsense2]

На следующем рисунке показана базовая структура линейного регулируемого источника питания.

На изображении выше источник входного переменного тока подается на выпрямитель и фильтр для преобразования его в постоянный ток. Но этот источник постоянного тока не регулируется, поскольку он подвержен изменениям при изменении входного сигнала. Этот нерегулируемый источник постоянного тока подается на вход линейного регулятора.

SMPS — это тип регулируемого источника питания, в котором используется высокочастотный импульсный стабилизатор для преобразования источника питания, а также для высокоэффективного регулирования выходной мощности.

Импульсный регулятор снова представляет собой транзистор (например, силовой полевой МОП-транзистор), как и в линейном регуляторе, но разница в том, что проходной транзистор в импульсном импульсном питании не остается постоянно в состоянии насыщения или полностью включенного состояния, а скорее переключается между полностью включенным и полностью выключенным состояния на очень высокой частоте. Отсюда и название Импульсный источник питания.

Поскольку среднее время, в течение которого переключающий элемент, т. е. транзистор, остается в активном состоянии, меньше, количество энергии, теряемой или рассеиваемой в виде тепла, очень меньше по сравнению с линейными регуляторами. Это, в свою очередь, приводит к высокой эффективности SMPS, поскольку падение напряжения на проходном транзисторе (или переключающем элементе) очень меньше.

Действие переключения транзистора управляется с помощью метода, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а выходное напряжение может регулироваться рабочим циклом ШИМ.

На изображении выше показана базовая структура блока SMPS. При этом нерегулируемый источник постоянного тока подается на схему прерывателя постоянного тока с переключением в режиме постоянного тока, а выход представляет собой регулируемый источник постоянного тока.

Основное различие между показанными здесь структурами линейного регулируемого источника питания и импульсного источника питания заключается в том, что в случае линейного источника питания входной переменный ток понижается, выпрямляется и фильтруется для получения нерегулируемого постоянного тока, а в случае импульсного источника питания, входной переменный ток напрямую выпрямляется и фильтруется, а нерегулируемый постоянный ток высокого напряжения подается на высокочастотный преобразователь постоянного тока в постоянный.

Обычно высокочастотный трансформатор является частью этого преобразователя постоянного тока для масштабирования и изоляции.

*Спецификация*	*Линейный*	*SMPS*
Эффективность	Типичный КПД 30–40 %	Типовой КПД 60-95% может быть достигнут при хорошей конструкции
Выходное напряжение	Всегда меньше ввода	Может быть больше или меньше введенного значения
Метод регулирования	Путем рассеивания избыточной мощности	Путем изменения рабочего цикла ШИМ
Сложность схемы	Менее сложный; состоит из регулятора и фильтра в качестве основных компонентов	Очень сложный; состоит из переключающего элемента, высокочастотного трансформатора, выпрямителей и фильтров, цепи обратной связи
Шум и помехи	Меньше электронного шума на выходе и умеренных высокочастотных помех	Сильные помехи и шумы из-за частого переключения тока
Размер и вес	Громоздкий из-за трансформатора и радиатора	Нет трансформатора на входе, но требуется крошечный высокочастотный трансформатор
Приложения	Маломощные, простые и недорогие системы	Высокая мощность, сложные и стабильные требования к питанию

Несмотря на то, что конструкция импульсного источника питания (SMPS) более сложна, чем у линейного регулируемого источника питания, его высокая эффективность, высокая мощность и стабильность являются основными факторами при выборе SMPS в качестве блока питания для чувствительной электронной устройства.

Каково назначение SMPS?

Большинство электронных нагрузок постоянного тока, таких как микропроцессоры, микроконтроллеры, светодиоды, транзисторы, микросхемы, двигатели и т. д., поставляются со стандартными источниками питания, такими как, например, батареи. К сожалению, основная проблема с батареями заключается в том, что напряжение либо слишком высокое, либо слишком низкое. Следовательно, SMPS обеспечит регулируемый выход постоянного тока.

SMPS — это универсальный источник питания, так как мы можем выбирать из различных топологий, таких как Step-up (Boost), Step-down (Buck), источники питания с изоляцией на входе и выходе в зависимости от типа приложения.

Что касается основного фактора, почему нам нужен SMPS, эффективность хорошей конструкции SMPS может достигать 90% или даже больше. Напротив, эффективность линейного регулируемого источника питания зависит от падения напряжения на проходном транзисторе.

Например, предположим, что у нас есть 3-вольтовый литиевый элемент, который необходимо понизить до нагрузки 1,8 В, потребляющей ток 100 мА. Мощность, теряемая транзистором в виде тепла, составляет 0,12 Вт, и, следовательно, КПД источника питания составляет 40%.

ИС SMPS имеют более или менее все функции дискретной конструкции SMPS, что позволяет инженерам экспериментировать с дизайном для индивидуальных проектов.

Конструкция SMPS

Конструкция импульсного источника питания или SMPS довольно сложна по сравнению с линейным регулируемым источником питания. Но эта сложность в конструкции имеет преимущество, поскольку она приводит к стабильному и регулируемому источнику постоянного тока, способному обеспечить большую мощность эффективным способом для заданных физических характеристик (размера, веса и стоимости).

Упрощенная блок-схема SMPS, которая преобразует входной переменный ток в регулируемый постоянный ток, показана на следующем рисунке.

Несмотря на то, что существует множество типов конструкции источника питания SMPS, все конструкции будут более или менее похожи на структуру, показанную выше. Основными типами конструкции в SMPS являются:

Преобразователь переменного тока в постоянный, где на вход подается сеть переменного тока, а на выходе мы получаем регулируемый постоянный ток,
Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный, в котором входное напряжение постоянного тока повышается, т. е. выходное напряжение больше входного и
Понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный, в котором входное напряжение постоянного тока понижается, т. е. выходное напряжение меньше или равно входному напряжению.

В случае систем SMPS постоянного тока входной постоянный ток обычно подается от батареи, и, следовательно, обе схемы преобразователя постоянного тока (повышающий и понижающий) обычно встречаются в системах с батарейным питанием.

Возвращаясь к конструкции SMPS на изображении выше, он представляет собой типичный преобразователь переменного тока в постоянный. Мы увидим основную работу этой конструкции SMPS. Входной источник переменного тока подается на цепи выпрямителя и фильтра. Этот шаг преобразует переменный ток высокого напряжения в постоянный ток высокого напряжения.

Этот постоянный ток высокого напряжения подается на быстродействующий переключающий элемент, такой как силовой МОП-транзистор. Выход этого переключателя, который представляет собой высокочастотный пульсирующий переменный ток высокого напряжения, подается на высокочастотный понижающий трансформатор.

Выход этого трансформатора представляет собой сигнал переменного тока низкого напряжения, который, в свою очередь, подается на выпрямитель и схему фильтра для получения постоянного тока низкого напряжения.

Важные замечания :

Общей чертой любой конструкции SMPS является преобразование входного переменного тока в постоянный ток высокого напряжения и преобразование этого постоянного тока высокого напряжения в высокое напряжение высокочастотной прямоугольной волны (переменного тока). Этот переменный ток высокого напряжения и частоты преобразуется в регулируемый постоянный ток.
и высокоскоростной электронный переключатель (например, полевой МОП-транзистор) отвечают за преобразование постоянного тока в высокочастотный переменный ток. Тот же принцип используется и в инверторах прямоугольных импульсов.
Путем преобразования входного переменного или постоянного тока (после выпрямления и фильтрации переменного тока) в высокочастотный переменный ток можно уменьшить размер и стоимость таких компонентов, как катушки индуктивности, трансформаторы и конденсаторы, т. е. они могут быть меньше и дешевле.
Поскольку высокочастотный сигнал переменного тока, генерируемый коммутатором, представляет собой прямоугольную волну, выходное напряжение можно регулировать с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Существует обратная связь по напряжению через схему изолятора в схему управления (которая управляет ШИМ). С помощью этой обратной связи можно изменять рабочий цикл ШИМ генератора, и, следовательно, выходной сигнал идеально регулируется без каких-либо перенапряжений.
Выборочный ток высокочастотного переменного тока (сигнал после переключения) и опорный ток сравниваются и передаются в схему управления, что обеспечивает защиту от перегрузки по току.
Также обратите внимание, что выход постоянного тока полностью изолирован от входной сети и даже сигнал обратной связи изолирован с помощью оптопары.
Управление импульсным транзистором (MOSFET) прямоугольной формы гарантирует, что рассеиваемая мощность будет намного меньше по сравнению с транзистором, работающим в качестве последовательного транзистора в источниках питания с линейным регулированием.
Поскольку в SMPS присутствует высокочастотный сигнал переменного тока, существует вероятность высокочастотных гармоник, в результате чего SMPS более восприимчив к радиочастотным помехам.

Топологии SMPS

В предыдущем разделе мы рассмотрели базовую конструкцию импульсного источника питания (SMPS). Теперь мы увидим различные типы или топологии SMPS. Импульсные источники питания или SMPS можно разделить на два типа в зависимости от топологии схемы: неизолированные преобразователи и изолированные преобразователи.

Неизолированные преобразователи представляют собой тип топологии SMPS, в которой цепь переключения и выход не изолированы, т. е. имеют общий вывод. Три основных и важных типа неизолированных SMPS:

Понижающий преобразователь или понижающий преобразователь
Повышающий преобразователь или повышающий преобразователь
Понижающий преобразователь

Существуют и другие неизолированные конструкции SMPS, такие как переключаемые конденсаторы, преобразователь Cuk и преобразователь SEPIC, но эти три типа очень важны. Они представляют собой простейшие конструкции SMPS и используют один индуктор в качестве элемента накопления энергии и два переключателя, один из которых является активным переключателем (транзистор — силовой полевой МОП-транзистор), а другой может быть диодом.

Выходное напряжение может быть выше (Boost или Step — вверх) или ниже (Buck или Step — вниз) и может регулироваться рабочим циклом высокочастотного прямоугольного сигнала (подаваемого на переключатель). Одним из основных недостатков неизолированной топологии является то, что эффективность коммутаторов падает по мере уменьшения рабочего цикла. Изолированная топология лучше подходит для больших изменений напряжения.

Изолированная топология в SMPS использует трансформатор в качестве изолятора между переключающим элементом и выходом. В зависимости от коэффициента трансформации трансформатора выходное напряжение может быть выше или ниже входного. Топологии SMPS на основе трансформатора могут быть разработаны для генерирования нескольких выходных напряжений за счет использования нескольких обмоток на трансформаторе.

Элементом накопления энергии может быть вторичная обмотка трансформатора или отдельный индуктор. Два важных преобразователя SMPS на основе изолированной топологии:

Обратноходовой преобразователь
Передний преобразователь

Некоторые из других часто используемых изолированных топологий SMPS: полумост, полный мост, двухтактный, полупрямой, изолированный Cuk и т. д.

Понижающий преобразователь или понижающий преобразователь тип цепи SMPS и преобразователь постоянного тока в постоянный, где выходное напряжение меньше входного напряжения. Следовательно, понижающий преобразователь также известен как понижающий преобразователь.
Это один из самых простых методов преобразователя мощности SMPS, который часто используется в ОЗУ, ЦП, USB и т. Д. Входным постоянным током в понижающем преобразователе может быть выпрямленный переменный ток или батарея. На изображении ниже показан простой понижающий преобразователь, использующий два переключателя (один транзистор и один диод) и элемент накопления энергии (катушка индуктивности).

Работа понижающего преобразователя
На изображении выше показан простой понижающий преобразователь или понижающий преобразователь, который состоит из переключающего транзистора, диода, катушки индуктивности и конденсатора. Комбинация индуктора, диода и конденсатора называется цепью маховика.
Работа понижающего преобразователя объясняется применительно к прямоугольным импульсам. На следующем рисунке показана работа понижающего преобразователя, когда входной импульс ВЫСОКИЙ, т. е. переключающий транзистор включен.
Когда импульсный вход на клемму Gate полевого МОП-транзистора имеет ВЫСОКИЙ уровень, транзистор включается. В результате транзистор будет подавать ток на нагрузку. В это время диод D смещен в обратном направлении и не будет частью схемы в течение этого периода.
Первоначально индуктор сопротивляется изменению тока и, следовательно, ток нагрузки будет постепенно увеличиваться с расширением магнитного поля. Также заряд на конденсаторе нарастает постепенно вплоть до напряжения питания. Следующее изображение относится к состоянию, когда импульс становится НИЗКИМ, т. е. транзистор выключен.

Когда импульс становится НИЗКИМ, переключающий транзистор выключается. Магнитное поле, которое создается во время включения транзистора, начинает разрушаться и высвобождает энергию обратно в цепь. Полярность напряжения на индукторе, т. е. его противоэдс, теперь обратная. Энергия катушки индуктивности начинает уменьшаться и поддерживает ток в цепи, протекающий через нагрузку и диод, так как диод D смещен в прямом направлении.
Как только энергия катушки индуктивности полностью израсходована, конденсатор начинает разряжаться и действует как основной источник питания до тех пор, пока транзистор не будет включен. Когда транзистор включается, он снова подает ток на катушку индуктивности, конденсатор и нагрузку, и процесс продолжается.
Выходное напряжение зависит от времени включения и выключения, т. е. рабочего цикла прямоугольного импульса, а формула для выходного напряжения:
VOUT = D x VIN, где D = TON/(TON+TOFF)
С помощью понижающих преобразователей мы можем достичь КПД более 90%, и в результате они часто используются в компьютерных системах, где они преобразуют питание 12 В в типичное 1,8 В (для ОЗУ, ЦП и USB).
Повышающий преобразователь или повышающий преобразователь
В предыдущем разделе мы видели импульсный импульсный преобразователь типа понижающего преобразователя. Теперь мы увидим другой тип SMPS, называемый повышающим преобразователем или повышающим преобразователем. Повышающий преобразователь, как следует из названия, представляет собой импульсный источник питания, который повышает или увеличивает выходное напряжение по отношению к входному напряжению. Повышающие преобразователи также известны как повышающие преобразователи, поскольку выходное напряжение выше, чем входное напряжение.
Одно из самых известных применений повышающих преобразователей — электромобили. Питание от аккумуляторов электромобилей будет недостаточным для его работы, так как им требуется напряжение, которое намного выше (обычно в районе 500 В), чем напряжение, выдаваемое батареями. Еще одним важным применением повышающих преобразователей являются зарядные устройства для ноутбуков в автомобилях.
Типичные автомобильные аккумуляторы обеспечивают 12 В, а ноутбуки требуют от 18 до 22 В. На следующем изображении показан простой повышающий преобразователь.
Работа повышающего преобразователя
Этот простой повышающий преобразователь состоит из переключающего транзистора (можно использовать BJT или MOSFET), элемента накопления энергии, т. е. катушки индуктивности, другого переключателя (диода или другого транзистора), конденсатора и высокочастотного генератора прямоугольных импульсов с контролируемый рабочий цикл.
На вход этого повышающего преобразователя подается нерегулируемый постоянный ток, который может подаваться от выпрямленного переменного тока, аккумуляторов, солнечных батарей, генераторов постоянного тока и т. д. Мы увидим, как работает этот повышающий преобразователь. Сначала мы увидим период, когда транзистор включается впервые. На следующем изображении показано это состояние.
Когда импульс ВЫСОКИЙ в первый раз, транзистор включается и закрывает часть цепи, состоящую из катушки индуктивности, транзистора и источника питания. Ток течет от входа через катушку индуктивности и транзистор.
Индуктор изначально сопротивляется изменению тока, но магнитное поле будет постепенно увеличиваться, позволяя индуктору накапливать энергию. Импеданс остальной части цепи, то есть диода, конденсатора и нагрузки, намного выше, и, следовательно, в этой части цепи не будет протекать ток.
Когда прямоугольный импульс становится НИЗКИМ, транзистор закрывается. Это действие вызовет падение тока через катушку индуктивности, создавая в цепи обратную ЭДС из-за коллапса магнитного поля. Кроме того, полярность напряжения на катушке индуктивности теперь обратная и будет соответствовать входному напряжению.
Комбинация входного напряжения и противоэ.д.с. индуктора не может проходить через индуктор, поскольку он выключен. Следовательно, диод смещен в прямом направлении и заряжает конденсатор, а также подает ток на нагрузку.
Здесь важно отметить, что напряжение, подаваемое на конденсатор и нагрузку в выключенном состоянии транзистора, представляет собой комбинацию входного напряжения и противоэдс индуктивности, которая выше, чем входное напряжение.
Когда транзистор снова включается, ток снова течет через катушку индуктивности и транзистор. Поскольку диод смещен в обратном направлении, конденсатор разряжает свой потенциал, представляющий собой сумму входного напряжения и напряжения на катушке индуктивности, через нагрузку, действующую в течение этого периода в качестве его источника. Выходное напряжение находится по формуле
VOUT= VIN x 1/(1-D), где D = TON/(TON+TOFF)
Обратноходовой преобразователь
Обратноходовой преобразователь — это тип импульсного источника питания, который обычно используется в устройствах с низким энергопотреблением. Обратноходовой преобразователь — это ИИП изолированного типа, в котором вход и выход изолированы трансформатором. Ниже приведена схема простого обратноходового преобразователя.

Основными компонентами обратноходового преобразователя являются переключающий транзистор, схема генератора, трансформатор, переключатель (например, диод) и конденсатор. Трансформатор отличается от обычного трансформатора и называется трансформатором обратного хода. В этом трансформаторе первичка и вторичка не проводят одновременно.
Работа обратноходового преобразователя
Когда транзистор включен, ток протекает через первичную обмотку трансформатора, точка имеет более высокий потенциал. В результате полярность напряжения, индуцируемого во вторичной обмотке, будет обратной полярности первичной. Следовательно, диод D смещается в обратном направлении.
Если конденсатор зарядился в предыдущем цикле, он разрядится через нагрузку. На следующем изображении показан этот период работы обратноходового преобразователя.
Работа обратноходового преобразователя в другой период, т. е. период выключения транзистора, показана на следующем рисунке. Когда импульс становится НИЗКИМ, транзистор закрывается, и первичная обмотка трансформатора не проводит.
Энергия во вторичной обмотке трансформатора будет передана в цепь, а полярность во вторичной обмотке будет изменена на обратную, т. е. станет положительной. Следовательно, диод смещен в прямом направлении, позволяя энергии, запасенной во вторичной катушке, действовать как источник. Он перезаряжает конденсатор, а также подает ток на нагрузку.

Выходное напряжение обратноходового преобразователя может быть выше или ниже входного напряжения и зависит от соотношения витков первичной и вторичной обмотки трансформатора.
Прямой преобразователь
Другим важным импульсным источником питания является прямоточный преобразователь. Это еще один изолированный тип SMPS, который вырабатывает регулируемый и регулируемый постоянный ток из нерегулируемого источника постоянного тока.
Эффективность прямоходового преобразователя немного больше, чем у обратноходового преобразователя, и он часто используется в приложениях, где требования к мощности немного выше (обычно около 200 Вт). Конструкция прямоходовых преобразователей несколько сложнее, чем у обратноходовых преобразователей, и простая структура показана ниже.
Простая схема прямого преобразователя состоит из быстродействующего переключающего транзистора, схемы управления для управления рабочим циклом прямоугольной волны, обычного трансформатора, двух диодов для выпрямления переменного тока, катушки индуктивности и конденсатора для фильтрации.
Работа прямого преобразователя
На следующем рисунке показана работа прямого преобразователя при включенном транзисторе. Когда импульс ВЫСОКИЙ, транзистор открывается, и в результате первичная обмотка трансформатора начинает проводить. В результате во вторичной обмотке трансформатора индуцируется напряжение.
Полярность напряжения, индуцируемого во вторичной обмотке, аналогична полярности первичной обмотки, поэтому диод D1 смещается в прямом направлении. Напряжение со вторичной обмотки начнет протекать через диод D1, катушку индуктивности, конденсатор и, наконец, через нагрузку. В течение этого периода и катушка индуктивности, и конденсатор накапливают энергию в виде магнитного поля и электрического поля соответственно.
Когда импульс становится НИЗКИМ, транзистор закрывается, и в результате первичная катушка перестает проводить ток. Это, в свою очередь, перестанет индуцировать ток во вторичной обмотке. Это внезапное изменение (или падение) тока создаст обратную ЭДС индуктора, и полярность его напряжения изменится на обратную.
Этот период работы прямого преобразователя показан на изображении ниже.