Схема простого блока питания. Проектирование блоков питания: от простых к сложным топологиям — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как выбрать оптимальную топологию блока питания для вашего устройства. Какие существуют типы преобразователей напряжения. Чем отличаются изолированные и неизолированные топологии. Как спроектировать эффективный и компактный источник питания.

Содержание

Основные типы блоков питания

При проектировании электронных устройств одним из ключевых компонентов является блок питания. Существует несколько основных типов преобразователей напряжения, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки:

Линейные стабилизаторы (LDO)
Импульсные преобразователи
Изолированные преобразователи
Неизолированные преобразователи

Выбор оптимальной топологии зависит от требований конкретного устройства по входному/выходному напряжению, мощности, КПД, размерам и стоимости.

Линейные стабилизаторы — простейшее решение

Самым простым типом блока питания является линейный стабилизатор с малым падением напряжения (LDO). Его принцип работы основан на использовании переменного резистора между входом и выходом:

Обеспечивает фиксированное выходное напряжение
Прост в реализации
Имеет низкий уровень шумов и пульсаций
Низкий КПД при большой разнице входного и выходного напряжений
Выделяет много тепла при высокой мощности

LDO подходят для маломощных устройств с небольшой разницей напряжений и в качестве постстабилизаторов.

Импульсные преобразователи — эффективное решение

Импульсные преобразователи позволяют избежать недостатков линейных стабилизаторов за счет использования высокочастотного переключения:

Высокий КПД (до 95%)
Компактные размеры
Возможность повышать и понижать напряжение
Генерация электромагнитных помех
Более сложная схемотехника

Современные импульсные преобразователи на МОП-транзисторах работают на частотах до 5 МГц, что позволяет использовать миниатюрные катушки и конденсаторы.

Изолированные и неизолированные топологии

Важным вопросом при проектировании блока питания является необходимость гальванической развязки. Изолированные преобразователи обеспечивают:

Электробезопасность
Возможность работы с «плавающей» землей
Устранение паразитных контуров заземления

Однако они требуют использования трансформатора, что увеличивает размеры и стоимость. Неизолированные топологии проще и компактнее, но не обеспечивают гальваническую развязку.

Понижающий преобразователь — базовая неизолированная топология

Понижающий (Buck) преобразователь является наиболее распространенной неизолированной топологией:

Преобразует более высокое входное напряжение в более низкое выходное
Высокий КПД
Простая схема из 5 компонентов
Непрерывный выходной ток
Импульсный входной ток

Понижающие преобразователи широко применяются в портативной электронике для питания от аккумуляторов.

Повышающий преобразователь — вторая базовая топология

Повышающий (Boost) преобразователь позволяет получить более высокое выходное напряжение из более низкого входного:

Выходное напряжение выше входного
Простая схема из 5 компонентов
Непрерывный входной ток
Импульсный выходной ток
Ограничение по максимальному току ключа

Повышающие преобразователи часто используются в солнечных панелях и LED-драйверах.

Инвертирующий преобразователь — третья базовая топология

Инвертирующий преобразователь (Buck-Boost) позволяет получить отрицательное выходное напряжение из положительного входного:

Выходное напряжение отрицательной полярности
Выходное напряжение может быть выше или ниже входного по модулю
Импульсный ток на входе и выходе
Можно использовать микросхемы понижающих преобразователей

Инвертирующие преобразователи применяются для создания отрицательного напряжения питания в аудиосистемах и измерительном оборудовании.

Специализированные неизолированные топологии

Помимо базовых существуют специализированные неизолированные топологии:

SEPIC — положительное выходное напряжение, которое может быть выше или ниже входного
Zeta — положительное или отрицательное выходное напряжение без RHPZ
Ćuk — инверсия положительного входного напряжения в отрицательное выходное с низким уровнем пульсаций
4-ключевой Buck-Boost — положительное выходное напряжение, которое может быть выше или ниже входного

Эти топологии требуют больше компонентов, но обладают уникальными характеристиками для специфических применений.

Изолированные топологии преобразователей

Для обеспечения гальванической развязки используются изолированные топологии с трансформатором:

Обратноходовой (Flyback) — для мощностей до 100 Вт
Прямоходовой (Forward) — для мощностей 100-500 Вт
Двухтактный (Push-Pull) — для мощностей 500-1000 Вт
Полумостовой и мостовой — для мощностей свыше 1000 Вт

Изолированные преобразователи обеспечивают безопасность и устраняют проблемы с заземлением, но более сложны в реализации.

Выбор оптимальной топологии

При выборе топологии блока питания следует учитывать следующие факторы:

Требуемые входные и выходные напряжения
Необходимая выходная мощность
Требования по КПД
Ограничения по размерам и стоимости
Необходимость гальванической развязки
Уровень генерируемых помех

Правильный выбор топологии позволяет создать оптимальный по характеристикам источник питания для конкретного устройства.

Проектирование источников питания

Проектирование современных импульсных источников питания требует специальных знаний и опыта. Для упрощения этого процесса используются специализированные САПР, такие как:

LTpowerCAD — для расчета и моделирования источников питания
LTspice — для схемотехнического моделирования
Webench Power Designer — онлайн-инструмент для проектирования

Эти инструменты позволяют автоматизировать многие этапы проектирования и оптимизации источников питания.

Заключение

Проектирование эффективных и компактных источников питания является важной задачей при разработке современной электроники. Правильный выбор топологии и компонентов позволяет создать оптимальный блок питания с требуемыми характеристиками. Использование специализированных инструментов существенно упрощает процесс проектирования даже сложных импульсных преобразователей.

Схема простого трансформаторного блока питания с регулировкой напряжения 0—12 вольт. « ЭлектроХобби

Человек, у которого электрика и электроника является хобби, увлечение, делами, что позволяют получать удовольствие или иметь дополнительный заработок, просто обязан иметь у себя в наличии блок питания с плавной регулировкой напряжения! Ведь работая с различной электрической и электронной техникой постоянно приходится сталкиваться с её питанием, а оно, как известно, не всегда одинаково. Постоянно искать источники питания с подходящим напряжением, тоже не выход. Именно в данном случае наиболее рациональным и правильным решением будет создание простого (или сложного, если есть в этом особая необходимость) блока питания, имеющего плавное регулирование напряжения питания. Простая, но надёжная схема представлена на рисунке, давайте её разберём.

Схема простого, регулируемого плавно, блока питания представляет собой две основные части, это сам блок питания и небольшая транзисторная схема параметрического регулятора напряжения. Первая часть содержит понижающий трансформатор, выпрямитель (диодный мост) и конденсатор (сглаживающий фильтр). По большей части именно от выбора этих частей зависит мощность всего блока питания. Что бы не делать слишком большим блок питания ограничимся электрической мощностью в 30 Вт. Хотя для увеличения этой мощности достаточно будет поменять трансформатор, мост и выходной транзистор, имеющие соответствующие величины токов и напряжений.

Итак, находим трансформатор, который рассчитан на входное напряжение 220 вольт и выходное 12-15 вольт, вторичная обмотка должна иметь сечение, обеспечивающее номинальную силу тока в 2-3 ампера. Далее, спаиваем диодный мостик, элементы которого должны быть рассчитаны на ток не меньше 5 ампер (лучше брать с небольшим запасом). И к выходу моста припаяем фильтрующий конденсатор с ёмкостью от 1000 микрофарад и более. Схема плавно регулируемого параметрического стабилизатора после её сборки (спайки) должна сразу начать нормально работать, хотя если есть желание донастройки и точной регулировки внутренних параметров, можете сами по изменять имеющиеся электронные компоненты, поставив туда наиболее подходящие на Ваш взгляд.

Теперь расскажу о самой работе данной схемы плавно регулируемого блока питания. Трансформатор — его задача заключается в преобразовании электрической энергии, то есть он сетевое напряжение 220 вольт понижает до нужных 12 вольт. Заметим, что как был у нас переменный ток, так и остался, хотя и понизилась амплитуда. Диодный мостик занимается тем, что переводит все колебания в один полупериод, а именно значение тока после мостика уже меняется только от нуля и до 12 вольт, не меняя своего полюса. Но волнообразный ток подходит не для всех случаев питания электрооборудования, для многих устройств нужен именно постоянный ток, допускающий минимальные колебания. Для этого и нужен конденсатор, который сглаживает скачки напряжения.

Схема регулятора является параметрической, то есть в схеме создаётся некое опорное напряжение, уже от которого путём деления напряжения и усиления силы тока создаются необходимые выходные величины электрических параметров. С выхода мостика, на котором уже сглажены скачки (фильтрующим конденсатором), напряжение подаётся на цепь параметрического стабилизатора, состоящего из резистора R1 и стабилитрона VD2. Тут напряжение делиться, причём на стабилитроне образуется некоторое постоянная его величина с малыми отклонениями. Если напряжение будет меняться, по причине внешних обстоятельств, то эти изменения только будут заметны на R1.

Параллельно стабилитрону, на котором образовалось опорное напряжение постоянной величины, включён переменный резистор R2, что, собственно, и осуществляет плавное изменение выходного напряжения на нашем регулируемом блоке питания. Когда мы его крутим, то получаем определённую величину постоянного напряжения, что далее делится между база-эмиттерными переходами транзисторов, включённых по схеме эмиттерных повторителей. А, как известно, включение по этой схеме заставляет транзисторы работать в режиме усиления только тока, при том, что напряжение остаётся как бы неизменным. То есть, напряжение снятое с переменного резистора передаётся на выход через транзисторы, которые понижают его только на величину своего насыщения (примерно от 0.4 до 0.7 вольт).

Проще говоря — выставили мы на переменном резисторе значение 5 вольт, оно передалось через транзисторы на выход (минус примерно 1. 2 вольта, что осели на транзисторных переходах база-эмиттер), а в силу усиления тока, мы получили повышение мощности, срезанной от основной, которая имеется на выходе диодного мостика. Транзисторы тут являются некими электрическими краниками, которыми мы управляем при помощи изменения напряжения на база-эмиттерных переходах. Чем больше мы подадим на них напряжения с переменного резистора, тем сильнее откроются транзисторы (понизится их внутреннее сопротивление) и больше электрической мощности передастся на выход регулируемого блока питания.

Видео по этой теме:

P.S. Эту электрическую схему простого регулируемого блока питания я когда-то давно (когда сам начинал заниматься электроникой) собрал для себя. Он меня не разу не подводил, я им проверял устройства, запитывал самодельные схемы, заряжал различные аккумуляторы и т.д. При желании этот блок питания можно доработать и снабдить дополнительными функциональными элементами, такими как внутренний вольтметр, амперметр, защиты от перегрузки и т. д.

Схема простого блока питания на 5В и 0.5 А

RADIODETECTOR

Радиоэлектроника, схемы, статьи
и программы для радиолюбителей.

Стать автором

Вход Регистрация

Вопрос/Ответ
Литература
Радиотовары с Aliexpress
Объявления
Пользователи

Схема простого блок питания на 5 В предназначен для питания стабилизированным напряжением различных цифровых устройств с током потребления до 500 мА.

Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе ШЛ20Х32.

Вообще же для блока питания можно использовать любой трансформатор мощностью 7 Вт, который выдает во вторичной обмотке напряжение 8…10 В и ток не менее 500 мА.

Регулирующий транзистор VT2 укрепляется на Г-образной дюралюминиевой пластине размерами 50х50 и толщиной 2 мм.

Схема блока питания на 5В

Список радиодеталей

№	Обозначание	Наименование	Номинал	Количество
1	FU 1	Предохранитель	0,5 А	1
2	T1	Транисформатор	трансформатор на напряжение 8.. .10 В и ток не менее 500 мА.	1
3	VD3	Диодный мост	КЦ405Е	1
4	C9	Электролитический конденсатор	1000 мкФ 15В	1
5	C10	Конденсатор	200 мкФ 10 В	1
6	C11	Конденсатор	0.047 мкФ	1
7	R15	Резистор	100 Ом	1
8	R16	Резистор	1 кОм	1
9	Q1	Выключатель		1

Полезные ссылки по проекту

Оригинал статьи

Как опытный инженер по аппаратному обеспечению может легко проектировать источники питания: мини-учебник

по Фредерик Досталь

В этом небольшом учебном пособии представлен обзор возможностей проектирования блоков питания. В нем будут рассмотрены основные и часто используемые изолированные и неизолированные топологии источников питания, а также их преимущества и недостатки. Мы также рассмотрим электромагнитные помехи (EMI) и вопросы фильтрации. Этот мини-учебник призван обеспечить упрощенное понимание и новую оценку искусства проектирования источников питания.

Большинство электронных систем требуют определенного преобразования напряжения между напряжением источника питания и напряжением схемы, которая должна быть запитана. Когда батареи разряжаются, напряжение падает. Некоторое преобразование постоянного тока в постоянный может гарантировать, что гораздо больше энергии, хранящейся в батарее, будет использоваться для питания схемы. Также, например, с линией 110 В переменного тока мы не можем напрямую питать полупроводник, такой как микроконтроллер. Поскольку преобразователи напряжения, также называемые источниками питания, используются почти в каждой электронной системе, с годами они оптимизировались для различных целей. Конечно, некоторые из обычных целей для оптимизации — это размер решения, эффективность преобразования, EMI и стоимость.

Одной из самых простых форм блока питания является регулятор с малым падением напряжения (LDO). LDO — это линейные регуляторы, а не импульсные регуляторы. Линейные регуляторы помещают перестраиваемый резистор между входным напряжением и выходным напряжением, что означает, что выходное напряжение фиксируется независимо от того, как изменяется входное напряжение и какой ток нагрузки проходит через устройство. На рис. 1 показан основной принцип работы этого простого преобразователя напряжения.

В течение многих лет типичный силовой преобразователь состоял из трансформатора с частотой 50 или 60 Гц, подключенного к электросети, с определенным соотношением обмоток для создания нерегулируемого выходного напряжения, на несколько вольт превышающего необходимое напряжение питания в системе. Затем с помощью линейного регулятора это напряжение преобразовывалось в хорошо отрегулированное по мере необходимости для электроники. На рис. 2 показана блок-схема этой концепции.

Проблема с базовой установкой на рис. 2 заключается в том, что трансформатор 50 Гц/60 Гц относительно громоздкий и дорогой. Кроме того, линейный регулятор рассеивает довольно много тепла, поэтому общий КПД системы низок и избавиться от выделяемого тепла сложно при высокой мощности системы.

Чтобы избежать недостатков блока питания, как показано на рис. 2, были изобретены импульсные блоки питания. Они не зависят от переменного напряжения 50 Гц или 60 Гц. Они принимают постоянное напряжение, иногда выпрямленное переменное напряжение, и генерируют переменное напряжение гораздо более высокой частоты для использования трансформатора гораздо меньшего размера или, в неизолированных системах, для выпрямления напряжения с помощью LC-фильтра для создания выходного постоянного напряжения. Преимуществами являются небольшой размер решения и относительно низкая стоимость. Генерируемое переменное напряжение не обязательно должно быть синусоидальным. Простая форма сигнала ШИМ будет работать очень хорошо, и ее легко сгенерировать с помощью генератора ШИМ и переключателя.

Вплоть до 2000 года биполярные транзисторы были наиболее часто используемыми переключателями. Они будут работать хорошо, но будут иметь относительно низкую скорость переключения. Они были не очень энергоэффективными, ограничивая частоту переключения до 50 кГц или, может быть, до 100 кГц. Сегодня мы используем переключающие МОП-транзисторы вместо биполярных транзисторов, что обеспечивает гораздо более быстрое переключение. Это, в свою очередь, снижает потери при переключении, позволяя использовать частоты переключения до 5 МГц. Такие высокие частоты переключения позволяют использовать очень маленькие катушки индуктивности и конденсаторы в силовом каскаде.

Импульсные регуляторы
имеют много преимуществ. Как правило, они обеспечивают энергоэффективное преобразование напряжения, позволяют повышать и понижать напряжение и предлагают относительно компактные и недорогие конструкции. Недостатки заключаются в том, что их не так просто спроектировать и оптимизировать, и они генерируют электромагнитные помехи от переходов переключения и частоты переключения. Наличие импульсных стабилизаторов питания, а также средств проектирования источников питания, таких как LTpowerCAD ^® и LTspice 9.0034 ® значительно упростили этот сложный процесс проектирования. С помощью таких инструментов процесс проектирования схемы импульсного источника питания может быть полуавтоматизирован.
Изоляция в источниках питания
При проектировании источника питания в первую очередь необходимо ответить на вопрос, требуется ли гальваническая развязка. Гальваническая развязка используется по нескольким причинам. Это может сделать цепи более безопасными, позволяет работать с плавающей системой и предотвращает распространение шумовых токов заземления через различные электронные устройства в одной цепи. Двумя наиболее распространенными изолированными топологиями являются обратноходовой и прямой преобразователи. Однако для более высокой мощности используются другие изолированные топологии, такие как двухтактная, полумостовая и полная мостовая.
Если гальваническая развязка не требуется, в большинстве случаев используется неизолированная топология. Для изолированных топологий всегда требуется трансформатор, а такое устройство, как правило, дорогое, громоздкое и часто труднодоступное в готовом виде с точными требованиями, предъявляемыми к заказному блоку питания.
Наиболее распространенные топологии, когда изоляция не требуется
Наиболее распространенной топологией неизолированного импульсного источника питания является понижающий преобразователь. Он также известен как понижающий преобразователь. Он принимает положительное входное напряжение и генерирует выходное напряжение ниже входного. Это одна из трех основных топологий импульсного источника питания, для которой требуется всего два ключа, катушка индуктивности и два конденсатора. На рис. 3 показан основной принцип этой топологии. Переключатель верхней стороны подает импульс тока со входа и генерирует напряжение узла переключателя, чередующееся между входным напряжением и напряжением земли. LC-фильтр принимает это импульсное напряжение на коммутационном узле и генерирует выходное напряжение постоянного тока. В зависимости от рабочего цикла ШИМ-сигнала, управляющего переключателем верхнего плеча, генерируется различный уровень выходного напряжения постоянного тока. Этот понижающий преобразователь постоянного тока очень энергоэффективен, относительно прост в сборке и требует небольшого количества компонентов.
Рис. 3. Концепция простого понижающего преобразователя.
Понижающий преобразователь подает импульсный ток на вход, а на выход подается непрерывный ток, поступающий от катушки индуктивности. По этой причине понижающий регулятор очень шумит на входе и не так шумит на выходе. Понимание этого важно при разработке систем с низким уровнем шума.
Помимо топологии buck, второй базовой топологией является повышающая или повышающая топология. В нем используются те же пять основных силовых компонентов, что и в понижающем преобразователе, но они переставлены таким образом, что индуктор расположен на стороне входа, а переключатель верхнего плеча — на стороне выхода. Топология форсирования используется для повышения определенного входного напряжения до выходного напряжения, которое выше, чем входное напряжение.
Рисунок 4. Концепция простого повышающего преобразователя.
При выборе повышающего преобразователя важно помнить, что повышающие преобразователи всегда указывают в своих технических характеристиках максимальный номинальный ток переключения, а не максимальный выходной ток. В понижающем преобразователе максимальный ток переключения напрямую связан с максимально достижимым выходным током, не зависящим от отношения напряжений между входным напряжением и выходным напряжением. В повышающем стабилизаторе коэффициент напряжения напрямую влияет на возможный максимальный выходной ток, основанный на фиксированном максимальном токе ключа. При выборе подходящей микросхемы повышающего стабилизатора вам необходимо знать не только требуемый выходной ток, но также входное и выходное напряжение разрабатываемой конструкции.
Повышающий преобразователь имеет очень низкий уровень шума на входе, поскольку индуктор на линии с входным соединением предотвращает быстрые изменения тока. Однако на стороне выхода эта топология довольно зашумлена. Мы видим только импульсный ток, протекающий через внешний переключатель, и, таким образом, выходная пульсация вызывает больше беспокойства по сравнению с топологией buck.
Третья базовая топология, состоящая только из пяти основных компонентов, представляет собой инвертирующий повышающе-понижающий преобразователь. Название происходит от того факта, что этот преобразователь принимает положительное входное напряжение и преобразует его в отрицательное выходное напряжение. Кроме того, входное напряжение может быть выше или ниже абсолютного инвертированного выходного напряжения. Например, выходное напряжение –12 В может быть сгенерировано из 5 В или 24 В на входе. Это возможно без каких-либо специальных модификаций схемы. На рис. 5 показана принципиальная схема инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя.
Рис. 5. Концепция простого инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя.
В инвертирующей повышающе-понижающей топологии катушка индуктивности подключается от коммутационного узла к земле. Как на входе, так и на выходе преобразователя протекает импульсный ток, что делает эту топологию относительно шумной как на входе, так и на выходе. В приложениях с низким уровнем шума эта природа компенсируется добавлением дополнительной входной и выходной фильтрации.
Одним из весьма положительных аспектов инвертирующей повышающе-понижающей топологии является тот факт, что для такого преобразователя можно использовать любую микросхему импульсного понижающего стабилизатора. Это так же просто, как подключить выходное напряжение понижающей цепи к заземлению системы. Заземление цепи понижающего преобразователя станет скорректированным отрицательным напряжением. Эта особенность обеспечивает очень большой выбор ИС импульсных регуляторов на рынке.
Специализированные топологии
Помимо трех основных топологий неизолированных импульсных источников питания, рассмотренных ранее, существует множество других доступных топологий. Однако все они требуют дополнительных силовых компонентов. Это обычно делает их более дорогими с более низкой эффективностью преобразования энергии. Хотя есть определенные исключения, как правило, добавление дополнительных компонентов на пути питания увеличивает потери. Одними из самых популярных топологий являются SEPIC, Zeta, Ćuk и 4-переключатель buck-boost. Каждая из них предлагает функции, которых нет в трех основных топологиях. Ниже приведен список наиболее важных функций каждой топологии:
XSEPIC SEPIC может генерировать положительное выходное напряжение из положительного входного напряжения, которое может быть выше или ниже выходного напряжения. ИС повышающего регулятора могут использоваться для разработки источника питания SEPIC. Недостатком этой топологии является необходимость использования второй катушки индуктивности или одной связанной катушки индуктивности, а также конденсатора SEPIC. XZeta Преобразователь Zeta подобен SEPIC, но он способен генерировать положительное или отрицательное выходное напряжение. Кроме того, он не имеет нуля правой полуплоскости (RHPZ), что упрощает контур регулирования. Для такой топологии можно использовать ИС понижающего преобразователя. XĆukПреобразователь Ćuk обеспечивает инверсию положительного входного напряжения в отрицательное выходное напряжение. В нем используются две катушки индуктивности, одна на входе и одна на выходе, что обеспечивает довольно низкий уровень шума на входе и выходе. Недостаток заключается в том, что существует не очень много импульсных преобразователей мощности, поддерживающих эту топологию, поскольку для контура регулирования требуется вывод отрицательной обратной связи по напряжению. X4-Switch Buck-Boost Этот тип преобразователя стал довольно популярным в последние годы. Он предлагает положительное выходное напряжение от положительного входного напряжения. Входное напряжение может быть выше или ниже отрегулированного выходного напряжения. Этот преобразователь заменяет многие конструкции SEPIC, поскольку он обеспечивает более высокую эффективность преобразования энергии и требует только одного индуктора.
Наиболее распространенные изолированные топологии
Помимо неизолированных топологий, в некоторых приложениях требуются преобразователи мощности с гальванической развязкой. Причинами могут быть соображения безопасности, необходимость иметь плавающее заземление в более крупных системах, где различные цепи соединены между собой, или предотвращение образования контуров заземления в чувствительных к шуму приложениях. Наиболее распространенными топологиями изолированных преобразователей являются обратноходовые и прямоходовые преобразователи.
Обратноходовой преобразователь обычно используется для уровней мощности до 60 Вт. Схема работает таким образом, что во время работы энергия накапливается в трансформаторе. В нерабочее время эта энергия высвобождается на вторичной стороне преобразователя, питая выход. Этот преобразователь прост в изготовлении, но требует относительно больших трансформаторов для накопления всей энергии, необходимой для правильной работы. Этот аспект ограничивает топологию более низкими уровнями мощности. На рис. 6 вверху показан обратноходовой преобразователь, а внизу — прямой преобразователь.
Рис. 6. Обратноходовой преобразователь (вверху) и прямоходовой преобразователь (внизу).
Помимо обратноходового преобразователя, также очень популярен прямоходовой преобразователь. Он использует трансформатор иначе, чем обратноходовой. Во время включения ток протекает через первичную боковую обмотку, а также через вторичную обмотку. Энергия не должна накапливаться в сердечнике трансформатора. После каждого цикла переключения мы должны убедиться, что вся намагниченность сердечника сбрасывается до нуля, чтобы трансформатор не насыщался после ряда циклов переключения. Высвобождение энергии из ядра может быть достигнуто с помощью нескольких различных технологий. Одним из популярных способов является использование активных клещей с небольшим дополнительным переключателем и конденсатором.
На рис. 7 показана схема среды моделирования LTspice конструкции прямого активного зажима с использованием ADP1074. В прямоходовом преобразователе на выходном пути имеется дополнительная катушка индуктивности по сравнению с обратноходовым преобразователем, как показано на рис. 6. Хотя это один дополнительный компонент, требующий занимаемого места и стоимости, он помогает генерировать более низкое шумовое выходное напряжение по сравнению с преобразователем. обратноходовой преобразователь. Кроме того, размер трансформатора, необходимый для прямого преобразователя с тем же уровнем мощности, что и для обратноходового преобразователя, может быть намного меньше.
Рис. 7. Схема прямой активной фиксации с использованием ADP1074 для генерирования изолированного выходного напряжения, смоделированная в LTspice.
Расширенные изолированные топологии
Помимо обратноходовой и прямой топологий, существует очень много различных концепций гальванически изолированных преобразователей на основе трансформаторов. В следующем списке приведены некоторые основные пояснения о наиболее распространенных преобразователях:
XPush-Pull Топология двухтактного преобразователя аналогична прямому преобразователю. Однако вместо одного переключателя нижнего плеча эта топология требует двух активных переключателей нижнего плеча. Кроме того, требуется первичная обмотка трансформатора с центральным отводом. Преимуществом двухтактного режима является работа с более низким уровнем шума по сравнению с прямым преобразователем, а также требуется трансформатор меньшего размера. Гистерезис кривой BH трансформатора используется в двух квадрантах, а не только в одном. XПолумостовая/полномостовая схемы Эти две топологии обычно используются для конструкций с более высокой мощностью, начиная с нескольких сотен ватт и заканчивая несколькими киловаттами. Для них требуются переключатели верхнего плеча помимо переключателей нижнего плеча, но они обеспечивают передачу очень высокой мощности с относительно небольшими трансформаторами. XZVS Этот термин часто встречается при обсуждении изолированных преобразователей большой мощности. Это означает переключение при нулевом напряжении. Другой термин для таких преобразователей — преобразователи LLC (индуктор-индуктор-конденсатор). Эти архитектуры нацелены на очень высокую эффективность преобразования. Они создают резонансный контур и переключают силовые ключи, когда напряжение или ток на переключателях близки к нулю. Таким образом, коммутационные потери сведены к минимуму. Однако такие конструкции могут быть сложными в разработке, а частота переключения не является фиксированной, что иногда приводит к проблемам с электромагнитными помехами.
Преобразователи с переключаемыми конденсаторами
Кроме линейных стабилизаторов и импульсных источников питания существует еще третья группа силовых преобразователей: преобразователи с переключаемыми конденсаторами. Их также называют зарядовыми насосами. Они используют переключатели и конденсаторы для умножения или инвертирования напряжения. Они предлагают большое преимущество, заключающееся в том, что им не нужен индуктор. Обычно такие преобразователи используются для низких уровней мощности ниже 5 Вт. Однако в последнее время были достигнуты значительные успехи, позволяющие использовать преобразователи с переключаемыми конденсаторами гораздо большей мощности. На рис. 8 показан LTC7820 в исполнении на 120 Вт при 9КПД 8,5 % при преобразовании 48 В в 24 В.
Рис. 8. Контроллер постоянного тока высокой мощности накачки заряда LTC7820 с постоянным передаточным отношением.
Цифровые блоки питания
Все блоки питания, рассмотренные в этой статье, могут быть реализованы как аналоговые или цифровые блоки питания. Что такое цифровые блоки питания на самом деле? Питание всегда должно проходить через аналоговый силовой каскад с переключателями, катушками индуктивности, трансформаторами и конденсаторами. Цифровой аспект представлен двумя цифровыми строительными блоками. Первый — это цифровой интерфейс, который позволяет электронной системе «разговаривать» и «слушать» источник питания. Различные параметры могут быть установлены на лету, чтобы оптимизировать питание для различных условий работы. Кроме того, источник питания может обмениваться данными с главным процессором и выдавать флаги предупреждения или неисправности. Например, система может легко контролировать ток нагрузки, превышение заданного порога или чрезмерную температуру источника питания.
Второй цифровой строительный блок заменяет аналоговый контур регулирования цифровым контуром. Это может работать успешно, но для большинства приложений оптимальным является стандартный аналоговый контур обратной связи с некоторым цифровым влиянием на некоторые параметры, например регулировка усиления усилителя ошибки «на лету» или динамическая настройка параметров компенсации контура для включения стабильная, но быстрая обратная связь. Примером устройства с чисто цифровым контуром управления является ADP1046A от Analog Devices. Одним из примеров понижающего стабилизатора с цифровым интерфейсом и аналоговым контуром управления, оптимизированным за счет цифровых воздействий, является LTC3883.
Соображения по электромагнитным помехам
Электромагнитные помехи (EMI) всегда являются темой, на которую следует обращать внимание при разработке импульсных источников питания. Причина в том, что импульсные источники питания включают и выключают большой ток за очень короткие промежутки времени. Чем быстрее переключение, тем выше общая эффективность системы. Более быстрые переходы переключения сокращают время, в течение которого переключатель частично включен. В течение этого частичного времени включения возникает наибольшее количество коммутационных потерь. Рисунок 9показывает форму сигнала коммутационного узла импульсного источника питания. Давайте представим понижающий регулятор. Высокое напряжение определяется протеканием тока через переключатель верхнего плеча, а низкое напряжение определяется отсутствием протекания тока через переключатель верхнего плеча.
Рис. 9. Скорость переключения и частота переключения импульсного источника питания.
На рис. 9 видно, что импульсный блок питания генерирует шум не только от настроенной частоты переключения, но и от скорости перехода переключения, которая по частоте намного выше. Хотя частота переключения обычно составляет от 500 кГц до 3 МГц, время переключения может составлять несколько наносекунд. При времени переключения 1 нс мы увидим в спектре соответствующую частоту 1 ГГц. По крайней мере, обе эти частоты будут рассматриваться как излучаемое и кондуктивное излучение. Другие частоты также могут проявляться из-за колебаний контура регулирования или взаимодействия между источником питания и фильтрами.
Есть две причины, по которым следует снижать электромагнитные помехи. Первая причина заключается в защите функциональности электронной системы, питаемой от конкретного источника питания. Например, 16-разрядный АЦП, используемый в сигнальном тракте системы, не должен улавливать помехи переключения, исходящие от источника питания. Вторая причина заключается в соблюдении определенных правил EMI, которые вводятся правительствами во всем мире для одновременной защиты надежной работы различных электронных систем.
Электромагнитные помехи
бывают двух видов: излучаемые электромагнитные помехи и кондуктивные электромагнитные помехи. Наиболее эффективным способом уменьшения излучаемых электромагнитных помех является оптимизация компоновки печатной платы и использование таких технологий, как технология Silent Switcher ^® от Analog Devices. Конечно, также эффективно поместить схему в экранированную металлическую коробку. Однако это может быть непрактично и в большинстве случаев очень дорого.
Кондуктивные электромагнитные помехи обычно подавляются дополнительной фильтрацией. В следующем разделе будет обсуждаться дополнительная фильтрация для уменьшения кондуктивных помех.
Фильтрация
Фильтры
RC являются базовыми фильтрами нижних частот. Однако в конструкции источника питания каждый фильтр представляет собой не что иное, как LC-фильтр. Часто достаточно просто последовательно добавить некоторую индуктивность, так как она образует LC- или CLC-фильтр вместе с входными или выходными конденсаторами импульсного источника питания. Иногда в качестве фильтров используются только конденсаторы, но, учитывая паразитную индуктивность на силовых кабелях или трассах, вместе с конденсатором образуем еще и LC-фильтр. Катушка индуктивности L может быть катушкой индуктивности с сердечником или ферритовым кольцом. Целью LC-фильтра на самом деле является эффект нижних частот, так что мощность постоянного тока может проходить через него, и высокочастотные помехи в значительной степени ослабляются. LC-фильтр имеет двойной полюс, поэтому мы получаем затухание высоких частот в 40 дБ за декаду. Этот фильтр имеет относительно резкий спад. Разработка фильтра — это не ракетостроение; однако, поскольку паразитные компоненты схемы, такие как индуктивность дорожки, оказывают влияние, моделирование фильтра также требует моделирования основных паразитных эффектов. Это может сделать моделирование фильтра довольно трудоемким. Многие дизайнеры, имеющие опыт проектирования фильтров, знают, какие фильтры работали раньше, и могут итеративно оптимизировать определенный фильтр для нового дизайна.
При разработке любого фильтра необходимо учитывать не только поведение слабого сигнала, например, передаточную функцию фильтра на графике Боде, но также необходимо учитывать эффект сильного сигнала. В любом LC-фильтре мощность проходит через катушку индуктивности. Если эта мощность больше не нужна на выходе из-за внезапного скачка нагрузки, энергия, хранящаяся в катушке индуктивности, должна куда-то уйти. Он заряжает емкость фильтра. Если фильтр не предназначен для таких наихудших условий, эта накопленная мощность может вызвать выбросы напряжения, которые могут повредить схему.
Наконец, фильтры имеют определенный импеданс. Этот импеданс взаимодействует с импедансами силовых преобразователей, подключенных к фильтру. Это взаимодействие может привести к нестабильности и колебаниям. Инструменты моделирования, такие как LTspice и LTpowerCAD от Analog Devices, могут оказать большую помощь в ответах на все эти вопросы и разработке идеального фильтра. На рис. 10 показан графический интерфейс пользователя конструктора фильтров в среде проектирования LTpowerCAD. С помощью этого инструмента дизайн фильтра очень прост.
Рис. 10. Проектирование входного фильтра для понижающего регулятора с помощью LTpowerCAD.
Бесшумные переключатели
Излучаемые излучения трудно заблокировать. Требуется специальное экранирование металлическим материалом. Это может быть очень дорого. Долгое время инженеры искали способы уменьшить излучаемые помехи, создаваемые импульсными источниками питания. Несколько лет назад был сделан большой прорыв благодаря технологии Silent Switcher. Благодаря уменьшению паразитных индуктивностей в горячих контурах импульсного источника питания и разделению горячих контуров на два и размещению их очень симметричным образом излучаемые помехи в основном компенсируют друг друга. Сегодня доступно множество устройств Silent Switcher с гораздо более низким уровнем излучения, чем у традиционных продуктов. Уменьшение излучаемых помех позволяет увеличить скорость переключения без серьезного снижения электромагнитных помех. Ускорение переходов переключения снижает потери при переключении и, таким образом, позволяет использовать гораздо более высокие частоты переключения. Одним из примеров этого новшества является LTC3310S, который может работать на частоте переключения 5 МГц, что позволяет создавать чрезвычайно компактные конструкции с очень дешевыми внешними компонентами.
Рис. 11. Конструкция бесшумного коммутатора LTC3310S для минимального излучения.
Управление питанием необходимо, но может быть и приятным
В этом руководстве мы рассмотрели многие аспекты проектирования блоков питания, включая различные топологии блоков питания, их преимущества и недостатки. Для инженеров по электроснабжению эта информация может быть очень простой, но как для экспертов, так и для неспециалистов полезно иметь такие программные инструменты, как LTpowerCAD и LTspice, помогающие в процессе проектирования. С помощью этих инструментов силовые преобразователи можно спроектировать и оптимизировать за очень короткое время. Надеемся, что это руководство вдохновило вас на то, чтобы с нетерпением ждать следующей задачи по проектированию блока питания.
Автор
Фредерик Досталь
Фредерик Досталь — эксперт по управлению питанием с более чем 20-летним опытом работы в этой отрасли. После изучения микроэлектроники в Университете Эрлангена, Германия, он присоединился к National Semiconductor в 2001 году, где работал инженером по полевым приложениям, приобретая большой опыт внедрения решений по управлению питанием в проекты клиентов. Во время работы в National он также провел четыре года в Фениксе, штат Аризона (США), работая над импульсными источниками питания в качестве инженера по приложениям. В 2009, он присоединился к Analog Devices, где с тех пор занимал различные должности, работая над линейкой продуктов и европейской технической поддержкой, и в настоящее время привносит свои обширные знания в области проектирования и приложений в качестве эксперта по управлению питанием. Фредерик работает в офисе ADI в Мюнхене, Германия.
Цепи питания SMPS
Каждое электронное устройство должно быть либо напрямую подключено к источнику питания, либо работать от источника питания, что делает обязательным наличие в нем определенного уровня цепи питания. В зависимости от применения эти схемы могут быть простыми, Преобразователь переменного тока в постоянный , Преобразователь постоянного тока в постоянный или зарядное устройство . В этом разделе мы разработаем и протестируем различные типы схем источников питания, которые могут подойти для самых разных приложений, включая источники питания SMPS, драйверы светодиодов, зарядные устройства и т. д. Каждая статья включает хорошо иллюстрированные принципиальные схемы и демонстрацию оборудования, чтобы помочь читатели могут создавать и оценивать свои собственные проекты.
1 ноября 2022 г.
Сборка простого зарядного устройства для литиевых батарей 12,6 В CC/CV с использованием микросхемы маломощного первичного коммутатора Viper VP22A
Импульсные источники питания (SMPS) являются одними из наиболее часто используемых преобразователей переменного тока в постоянный на рынке, поскольку они принимают 110 В…
20 мая 2022 г. Ограничения приложений
Импульсный источник питания (SMPS) представляет собой интересный компонент, который использует компактную конструкцию в пределах одного или двух дюймов…
29 декабря 2021 г. Цепи питания (SMPS) чаще всего требуются во многих электронных конструкциях для преобразования сети переменного тока…
11 октября 2021 г.
Проектирование цепи 12 В/27 Вт SMPS с ИС контроллера UC3843
Импульсный источник питания или просто SMPS — это тип блока питания (PSU), в котором используется переключающее устройство (например,…
1 сентября 2021 г.
Простая схема двойного источника питания с переменным напряжением (от -14 В до 14 В)
Для многих аналоговых электронных схем требуется двойная шина питания для правильной сбалансированной работы, одна из которых предназначена для эксплуатации…
22 апреля 2021 г.
Самодельный ИБП Raspberry Pi — источник бесперебойного питания для обеспечения безопасности вашего Pi во время сбоя питания
Raspberry Pi — это небольшой или мини-компьютер, который можно использовать в различных типах небольших и крупных встроенных, IoT, промышленных IoT…
28 сентября 2020 г.
230V AC LED Driver Circuit for Powering LED Light 2,5 Вт
AC LED драйверы слишком популярны из-за развития сильноточных белых светодиодов. Мы уже сделали Бестрансформер…
18 августа 2020 г.
Создайте свой собственный регулируемый SMPS 5 В, 1 А с помощью неисправного блока питания ATX для компьютера
Импульсный источник питания (SMPS) является неотъемлемой частью любой электронной конструкции. Он используется для преобразования высоковольтной сети…
2 июня 2020 г.
Создайте собственную компактную схему 5 В/3,3 В SMPS для встраиваемых систем и проектов Интернета вещей
Грубый способ питания цепей постоянного тока от сети переменного понижающий трансформатор для понижения напряжения сети 230В…
10.