Импульсный источник питания

Автономный импульсный источник питания

Регулируемый импульсный источник питания для лабораторного использования.

Импульсный источник питания ( SMPS ), также называемый импульсным источником питания , импульсным источником питания , импульсным источником питания или просто переключателем , представляет собой электронный источник питания , который включает в себя импульсный стабилизатор для эффективного преобразования электрической энергии .

Как и другие источники питания, SMPS передает мощность от источника постоянного или переменного тока (часто от сети , см. адаптер переменного тока ) на нагрузки постоянного тока, такие как персональный компьютер , преобразуя при этом напряжения и тока характеристики . В отличие от линейного источника питания , проходной транзистор Импульсный источник питания постоянно переключается между состояниями с низким рассеиванием , полным включением и полным выключением и тратит очень мало времени на переходы с высоким рассеиванием, что сводит к минимуму потери энергии. Регулирование напряжения достигается за счет изменения соотношения времени включения и выключения (также известного как рабочий цикл ). Напротив, линейный источник питания регулирует выходное напряжение, постоянно рассеивая мощность в проходном транзисторе. импульсного источника питания более высокий электрический КПД Важным преимуществом является .

Импульсные источники питания также могут быть существенно меньше и легче, чем линейные источники питания, поскольку трансформатор может быть намного меньше. Это связано с тем, что он работает на высокой частоте переключения, которая находится в диапазоне от нескольких сотен кГц до нескольких МГц, в отличие от частоты сети 50 или 60 Гц , используемой трансформатором в линейном источнике питания. Несмотря на уменьшенный размер трансформатора, требования к топологии источника питания и электромагнитной совместимости в коммерческих проектах обычно приводят к гораздо большему количеству компонентов и соответствующей сложности схемы.

Импульсные регуляторы используются в качестве замены линейных регуляторов, когда требуется более высокая эффективность, меньшие размеры или меньший вес. Однако они более сложны; коммутационные токи могут вызвать проблемы с электрическими помехами, если их не подавить должным образом, а простые конструкции могут иметь низкий коэффициент мощности .

История

1836

Индукционные катушки используют переключатели для генерации высокого напряжения.

1910

Система зажигания с индуктивным разрядом, изобретенная Чарльзом Ф. Кеттерингом и его компанией Dayton Engineering Laboratories Company (Delco), запускается в производство для Cadillac. Система зажигания Кеттеринга представляет собой версию обратноходового повышающего преобразователя с механическим переключением; Трансформатор - катушка зажигания. Вариации этой системы зажигания использовались во всех недизельных двигателях внутреннего сгорания до 1960-х годов, когда ее начали заменять сначала твердотельными версиями с электронным переключением, а затем емкостными системами зажигания .

1926

23 июня британский изобретатель Филип Рэй Курси подал заявку на получение патента в своей стране и США на свой «Электрический конденсатор». В патенте упоминается высокочастотная сварка. и печи, среди прочего.

в. 1932 год

Электромеханические реле используются для стабилизации выходного напряжения генераторов. См. Регулятор напряжения#Электромеханические регуляторы .

в. 1936 год

В автомобильных радиоприемниках использовались электромеханические вибраторы для преобразования напряжения аккумулятора 6 В в подходящее напряжение B+ для электронных ламп.

1959

MOSFET Мохамедом (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) изобретен М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs . Позже силовой МОП-транзистор стал наиболее широко используемым силовым устройством для переключения источников питания.

1959

транзисторных Система питания генераторов и выпрямительных преобразователей. Патент США № 3 040 271 подан Джозефом Э. Мерфи и Фрэнсисом Дж. Старзеком из компании General Motors.

1960-е годы

Компьютер управления Аполлоном , разработанный в начале 1960-х годов Лабораторией приборов Массачусетского технологического института для амбициозных миссий НАСА на Луну (1966-1972 годы), включал в себя ранние импульсные источники питания.

в. 1967 год

Боб Видлар из Fairchild Semiconductor разрабатывает микросхемный стабилизатор напряжения μA723. Одно из его применений — в качестве переключаемого регулятора режима.

1970

Tektronix начинает использовать высокоэффективный источник питания в своих осциллографах серии 7000, выпускавшихся примерно с 1970 по 1995 год.

1970

Роберт Бошерт разрабатывает более простые и недорогие схемы. К 1977 году Boschert Inc. выросла до компании со штатом в 650 человек. После серии слияний, поглощений и выделений (Computer Products, Zytec, Artesyn, Emerson Electric) компания теперь является частью Advanced Energy .

1972

HP-35 , первый карманный калькулятор Hewlett-Packard , представлен с транзисторным импульсным источником питания для светодиодов , часов, синхронизации, ПЗУ и регистров.

1973

Xerox использует импульсные источники питания в Alto миникомпьютере

1976

Роберт Маммано, соучредитель Silicon General Semiconductors, разрабатывает первую интегральную схему для управления импульсным источником питания, модель SG1524. После серии слияний и поглощений (Linfinity, Symetricom, Microsemi ) компания теперь является частью Microchip Technology .

1977

Apple II разработан с импульсным блоком питания. « Род Холт … создал импульсный источник питания, который позволил нам сделать очень легкий компьютер».

1980

HP8662A с частотой 10 кГц – 1,28 ГГц Генератор синтезированных сигналов комплектовался импульсным источником питания.

Объяснение

Линейный источник питания (не SMPS) использует линейный стабилизатор для обеспечения желаемого выходного напряжения путем рассеивания мощности в омических потерях (например, в резисторе или в области коллектор-эмиттер проходного транзистора в его активном режиме). Линейный регулятор регулирует либо выходное напряжение, либо ток, рассеивая электроэнергию в виде тепла , и, следовательно, его максимальная энергоэффективность равна выходному напряжению/входящему напряжению, поскольку разница вольт теряется.

Напротив, ИИП изменяет выходное напряжение и ток, в идеале переключая элементы хранения без потерь, такие как катушки индуктивности и конденсаторы , между различными электрическими конфигурациями. Идеальные переключающие элементы (аппроксимируемые транзисторами, работающими вне активного режима) не имеют сопротивления во включенном состоянии и не проводят ток в выключенном состоянии, поэтому преобразователи с идеальными компонентами будут работать со 100% эффективностью (т. е. вся входная мощность передается в нагрузку; мощность не теряется в виде рассеиваемого тепла). В действительности таких идеальных компонентов не существует, поэтому импульсный источник питания не может быть эффективным на 100%, но все же это значительное улучшение эффективности по сравнению с линейным стабилизатором.

Базовая схема повышающего преобразователя

Например, если источник постоянного тока, индуктор, переключатель и соответствующее электрическое заземление включены последовательно, а переключатель управляется прямоугольной волной , размах напряжения сигнала, измеренного на переключателе, может превысить входное напряжение от источника постоянного тока. Это связано с тем, что индуктор реагирует на изменения тока, индуцируя собственное напряжение, противодействующее изменению тока, и это напряжение добавляется к напряжению источника, пока ключ разомкнут. Если комбинация диода и конденсатора размещена параллельно переключателю, пиковое напряжение может сохраняться в конденсаторе, и конденсатор можно использовать в качестве источника постоянного тока с выходным напряжением, превышающим напряжение постоянного тока, управляющее цепью. Этот повышающий преобразователь действует как повышающий трансформатор для сигналов постоянного тока. работает Повышающий преобразователь аналогичным образом, но выдает выходное напряжение, полярность которого противоположна входному напряжению. Существуют и другие понижающие схемы для увеличения среднего выходного тока при уменьшении напряжения.

В SMPS поток выходного тока зависит от входного сигнала мощности, используемых элементов хранения и топологии схемы, а также от используемой схемы (например, широтно-импульсной модуляции с регулируемым рабочим циклом ) для управления переключающими элементами. Спектральная плотность этих сигналов переключения имеет энергию, сконцентрированную на относительно высоких частотах. Таким образом, коммутационные переходные процессы и пульсации, вносимые в выходные сигналы, можно фильтровать с помощью небольшого LC-фильтра .

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом импульсного источника питания является больший КПД (до 98–99 %). ) и меньшее тепловыделение, чем у линейных регуляторов, поскольку переключающий транзистор рассеивает небольшую мощность, действуя как переключатель.

Другие преимущества включают меньший размер и меньший вес за счет отсутствия тяжелых и дорогих трансформаторов линейной частоты. Потери мощности в режиме ожидания часто намного меньше, чем у трансформаторов.

К недостаткам относятся большая сложность, генерация высокоамплитудной и высокочастотной энергии, которую фильтр нижних частот должен блокировать , чтобы избежать электромагнитных помех (ЭМП), пульсации напряжения на частоте переключения и частотах его гармоник .

Очень дешевые SMPS могут передавать электрический шум переключения обратно в линию электропитания, вызывая помехи в устройствах, подключенных к той же фазе, например в аудио/видео оборудовании. Импульсы без коррекции коэффициента мощности также вызывают гармонические искажения.

Сравнение SMPS и линейного источника питания

Доступны два основных типа регулируемых источников питания: SMPS и линейные. В следующей таблице сравниваются линейные и импульсные источники питания в целом:

Сравнение линейного блока питания и импульсного блока питания

	Линейный источник питания	Импульсный источник питания	Примечания
Размер и вес	0,12 Вт/см 3 , 88 Вт/кг	Меньше, чем линейный источник питания. По сравнению с линейным, ИИП с частотой 20 кГц составляет 1/4, 100–200 кГц — 1/8, а типы 200 кГц–1 МГц могут быть даже меньше.	Мощность трансформатора заданного размера и веса увеличивается с частотой при условии, что потери на гистерезис можно минимизировать. Следовательно, более высокая рабочая частота означает либо большую мощность, либо меньший по размеру трансформатор.
Выходное напряжение	При использовании трансформатора доступны любые напряжения; если он бестрансформаторный, то ограничивается тем, чего можно достичь с помощью удвоителя напряжения . В случае, если диапазон входного напряжения трансформатора ограничен допустимым рассеянием регулятора на высоком входе и коэффициентом витков на низком входе, это ограничивает входной диапазон.	Доступные напряжения любые, ограниченные только напряжениями пробоя транзисторов во многих схемах. Напряжение мало меняется в зависимости от нагрузки.	SMPS обычно может справиться с более широкими изменениями входного напряжения до изменения выходного напряжения. Распространены универсальные или «широкие входные» источники питания, работающие с сетевым напряжением от 90 до 250 В. Более специализированные конструкции могут поддерживать еще более широкий диапазон входного напряжения.
КПД , тепло и мощность рассеиваемая	КПД во многом зависит от разницы напряжений между входом и выходом; выходное напряжение регулируется путем рассеивания избыточной мощности в виде тепла, в результате чего типичный КПД составляет 30–40%.	КПД 70-85%, но может достигать 90%.	Их можно использовать вместе для формирования составного регулятора с линейным регулятором, размещенным после ИИП, для достижения эффективности 60–65%.
Сложность	Линейная схема стабилизации напряжения и обычно конденсаторы фильтрации помех; обычно это более простая схема (и более простые критерии устойчивости контура обратной связи), чем схемы с переключаемым режимом.	Состоит из микросхемы контроллера, одного или нескольких силовых транзисторов и диодов, а также силового трансформатора, катушек индуктивности и конденсаторов фильтра . Присутствуют некоторые конструктивные сложности (снижение шума/помех; дополнительные ограничения на максимальные номиналы транзисторов при высоких скоростях переключения), которых нет в схемах линейных стабилизаторов.	В источниках питания с переключаемым режимом (переменный ток в постоянный) один сердечник трансформатора может генерировать несколько напряжений, но это может привести к усложнению конструкции/использования: например, это может привести к наложению ограничений минимального выходного тока на один выход. Для этого в ИИП необходимо использовать управление рабочим циклом. Один из выходов должен быть выбран для питания контура обратной связи регулирования напряжения (обычно нагрузки 3,3 В или 5 В более требовательны к напряжению питания, чем нагрузки 12 В , поэтому от этого зависит решение о том, какой из них питает контур обратной связи. другие выходы обычно довольно хорошо отслеживают регулируемый). Оба требуют тщательного выбора трансформаторов. Из-за высоких рабочих частот в SMPS паразитная индуктивность и емкость дорожек печатной платы становятся важными.
Радиочастотные помехи	Умеренные высокочастотные помехи могут создаваться выпрямительными диодами переменного тока при большой токовой нагрузке, в то время как большинство других типов источников питания не создают высокочастотных помех. Некоторые сетевые помехи попадают в неэкранированные кабели, что проблематично для аудиосигналов низкого уровня.	ЭМП/РЧП возникают из-за резкого включения и выключения тока. Поэтому фильтры электромагнитных помех и радиочастотное экранирование . для уменьшения разрушительных помех необходимы	Длинные провода между компонентами могут снизить эффективность высокочастотного фильтра, обеспечиваемую конденсаторами на входе и выходе. Стабильная частота переключения может иметь важное значение.
Электронный шум на выходных клеммах	Линейные регуляторы обычно превосходно подавляют пульсации сети переменного тока и, как правило, имеют меньший уровень шума, чем импульсные преобразователи.	Шумнее из-за частоты переключения ИИП. Нефильтрованный выходной сигнал может вызвать сбои в цифровых схемах или шум в аудиосхемах.	Это можно подавить с помощью конденсаторов и других схем фильтрации в выходном каскаде. При использовании блока питания с переключаемым режимом частоту переключения можно выбрать так, чтобы шум не попадал в рабочий диапазон частот схемы (например, для аудиосистем, находящихся выше диапазона человеческого слуха).
Электронный шум на входных клеммах	Вызывает гармонические искажения входного переменного тока, но относительно мало или вообще не вызывает высокочастотных шумов.	Очень дешевый SMPS может передавать электрический шум переключения обратно в линию электропитания, вызывая помехи в аудио/видео оборудовании, подключенном к той же фазе. Импульсы без коррекции коэффициента мощности также вызывают гармонические искажения.	Этого можно избежать, если между входными клеммами и мостовым выпрямителем подключить (правильно заземленный) фильтр электромагнитных/радиочастотных помех.
Акустический шум	Слабый, обычно неслышимый шум сети, обычно из-за вибрации обмоток трансформатора или магнитострикции .	Обычно не слышно для большинства людей , если только у них нет вентилятора, или они не разгружены/неисправны, или используют частоту переключения в звуковом диапазоне, или пластины катушки вибрируют на субгармонике рабочей частоты.	Рабочая частота ненагруженного ИИП иногда находится в слышимом человеком диапазоне и субъективно может звучать довольно громко для людей, чей слух очень чувствителен к соответствующему диапазону частот.
Коэффициент мощности	напряжения Низкий, поскольку ток берется из сети на пиках синусоиды , если только за выпрямителем не следует цепь дроссельного входа или резисторного входа (сейчас это редкость).	Около 0,5–0,6 без коррекции. 0,7–0,75 при пассивной коррекции и может превышать 0,99 при активной коррекции.	Активная/пассивная коррекция коэффициента мощности в ИИП может решить эту проблему и даже требуется некоторыми органами регулирования электроэнергетики, особенно в ЕС. Внутреннее сопротивление маломощных трансформаторов в линейных источниках питания обычно ограничивает пиковый ток в каждом цикле и, таким образом, обеспечивает лучший коэффициент мощности, чем многие импульсные источники питания, которые напрямую выпрямляют сеть с небольшим последовательным сопротивлением.
Пусковой ток	Большой ток при включении оборудования линейного электропитания с питанием от сети до тех пор, пока магнитный поток трансформатора не стабилизируется и конденсаторы не зарядятся полностью, если не используется схема медленного пуска.	Чрезвычайно большой пиковый импульсный ток, ограниченный только импедансом входного источника питания и любым последовательным сопротивлением конденсаторов фильтра.	Пустые конденсаторы фильтра изначально потребляют большое количество тока во время зарядки, а конденсаторы большего размера потребляют больший пиковый ток. Будучи во много раз превышающим нормальный рабочий ток, он сильно нагружает компоненты, подверженные скачкам напряжения, усложняет выбор предохранителя, чтобы избежать нежелательного перегорания, и может вызвать проблемы с оборудованием, использующим защиту от перегрузки по току, например источниками бесперебойного питания . Смягчается за счет использования подходящей схемы плавного пуска или последовательного резистора.
Риск поражения электрическим током	Источники питания с трансформаторами изолируют входной источник питания от питаемого устройства и, таким образом, позволяют безопасно заземлить металлические конструкции корпуса. Опасно, если первичная/вторичная изоляция выйдет из строя, что маловероятно при разумной конструкции. Бестрансформаторные источники питания не изолированы и поэтому опасны при воздействии на них. Как в линейном, так и в импульсном режиме сетевое и, возможно, выходное напряжение опасны и должны быть хорошо изолированы.	На общую шину оборудования (включая корпус) подается напряжение, равное половине напряжения сети, но с высоким импедансом, если только оборудование не заземлено или не имеет фильтрации электромагнитных/радиочастотных помех на входных клеммах.	В соответствии с правилами, касающимися излучения электромагнитных и радиопомех, многие SMPS содержат фильтрацию электромагнитных и радиочастотных помех на входном каскаде, состоящую из конденсаторов и катушек индуктивности перед мостовым выпрямителем. Два конденсатора подключены последовательно к фазным и нейтральным шинам с заземлением между двумя конденсаторами. Это образует емкостный делитель, который подает питание на общую шину при половинном сетевом напряжении. Его источник тока с высоким импедансом может вызвать покалывание или «укус» оператора или может быть использован для включения светодиода замыкания на землю. Однако этот ток может вызвать нежелательное отключение наиболее чувствительных устройств защитного отключения . В источниках питания без контакта заземления (например, в зарядном устройстве USB) между первичной и вторичной обмотками расположен конденсатор EMI/RFI. Он также может вызывать легкое покалывание, но безопасен для пользователя.
Риск повреждения оборудования	Очень низкий, если только не произойдет короткое замыкание между первичной и вторичной обмотками или регулятор не выйдет из строя из-за внутреннего короткого замыкания.	Может выйти из строя, что приведет к очень высокому выходному напряжению. . Напряжение на конденсаторах может привести к их взрыву. В некоторых случаях может вывести из строя входные каскады усилителей, если плавающее напряжение превышает напряжение пробоя база-эмиттер транзистора, что приводит к падению коэффициента усиления транзистора и увеличению уровня шума. Смягчается хорошей отказоустойчивой конструкцией. Выход из строя компонента самого SMPS может привести к дальнейшему повреждению других компонентов блока питания; может быть сложно устранить неполадки.	Плавающее напряжение вызвано конденсаторами, соединяющими первичную и вторичную стороны источника питания. Подключение к заземленному оборудованию вызовет кратковременный (и потенциально разрушительный) всплеск тока в разъеме, поскольку напряжение на вторичной стороне конденсатора уравнивается с потенциалом земли.

Теория работы

Внутренний вид ATX импульсного компьютерного блока питания :
А: Мостовой выпрямитель;
B: конденсаторы входного фильтра;
Между B и C: радиатор для переключения активных составляющих первичного напряжения;
С: трансформатор:
Между C и D: радиатор для переключения активных компонентов не менее пяти вторичных напряжений согласно спецификации ATX;
D: катушка выходного фильтра для вторичной обмотки с наибольшей номинальной мощностью. В непосредственной близости расположены катушки фильтров для других вторичных цепей;
E: конденсаторы выходного фильтра.
Катушка и большой прямоугольный желтый конденсатор под мостовым выпрямителем образуют фильтр электромагнитных помех и не являются частью основной платы.

Блок-схема ИИП переменного/постоянного тока с питанием от сети и регулировкой выходного напряжения

Входной выпрямительный каскад

Переменный ток, полуволновые и двухполупериодные выпрямленные сигналы

Если ИИП имеет вход переменного тока, то первым этапом является преобразование входа в постоянный ток. Это называется « исправление ». Для SMPS с входом постоянного тока этот этап не требуется. В некоторых источниках питания (в основном компьютерных блоках питания ATX ) схема выпрямителя может быть сконфигурирована как удвоитель напряжения путем добавления переключателя, управляемого вручную или автоматически. Эта функция позволяет работать от источников питания, которые обычно имеют напряжение 115 В переменного тока или 230 В переменного тока. Выпрямитель вырабатывает нерегулируемое постоянное напряжение, которое затем подается на большой конденсатор фильтра. Ток, потребляемый этой схемой выпрямителя из сети питания, возникает в виде коротких импульсов вблизи пиков переменного напряжения. Эти импульсы имеют значительную высокочастотную энергию, что снижает коэффициент мощности. Чтобы исправить это, во многих новых SMPS используется специальная схема коррекции коэффициента мощности (PFC), которая заставляет входной ток следовать синусоидальной форме входного переменного напряжения, корректируя коэффициент мощности. Источники питания, использующие активную коррекцию коэффициента мощности , обычно имеют автоматический диапазон и поддерживают входное напряжение от ~100–250 В переменного тока , без переключателя входного напряжения.

ИИП, предназначенный для входа переменного тока, обычно может работать от источника постоянного тока, поскольку постоянный ток будет проходить через выпрямитель без изменений. Если источник питания рассчитан на напряжение 115 В переменного тока и не имеет переключателя напряжения, требуемое напряжение постоянного тока составит 163 В постоянного тока (115 × √2). Однако такое использование может быть вредным для каскада выпрямителя, поскольку при полной нагрузке будет использоваться только половина диодов в выпрямителе. Это может привести к перегреву этих компонентов, что приведет к их преждевременному выходу из строя. С другой стороны, если блок питания имеет переключатель напряжения на основе схемы Делона на 115/230 В (компьютерные блоки питания ATX обычно относятся к этой категории), то переключатель придется поставить на напряжение 230 В. положение, а необходимое напряжение будет 325 В постоянного тока (230 × √2). Диоды в источниках питания этого типа прекрасно справляются с постоянным током, поскольку они рассчитаны на удвоение номинального входного тока при работе в режиме 115 В из-за работы удвоителя напряжения. Это связано с тем, что удвоитель в работе использует только половину мощности мостового выпрямителя и пропускает через него вдвое больший ток.

Инверторный каскад

Этот раздел относится к блоку, обозначенному как прерыватель . на схеме

Инверторный каскад преобразует постоянный ток, либо непосредственно со входа, либо с вышеописанного выпрямительного каскада, в переменный ток, пропуская его через силовой генератор, выходной трансформатор которого очень мал и имеет мало обмоток, с частотой в десятки или сотни килогерц . Частоту обычно выбирают выше 20 кГц, чтобы она была не слышна человеку. Коммутация реализована в виде многокаскадного (для достижения высокого коэффициента усиления) усилителя MOSFET . МОП-транзисторы представляют собой тип транзистора с низким сопротивлением в открытом состоянии и высокой способностью выдерживать ток.

Преобразователь напряжения и выходной выпрямитель

Если требуется изолировать выход от входа, как это обычно бывает в сетевых источниках питания, инвертированный переменный ток используется для возбуждения первичной обмотки высокочастотного трансформатора . Это преобразует напряжение вверх или вниз до необходимого выходного уровня на вторичной обмотке. Этой цели служит выходной трансформатор на блок-схеме.

Если требуется выход постоянного тока, выход переменного тока трансформатора выпрямляется. Для выходных напряжений выше десяти вольт или около того обычно используются обычные кремниевые диоды. Для более низких напряжений диоды Шоттки в качестве выпрямительных элементов обычно используются ; их преимущества заключаются в более быстром времени восстановления, чем у кремниевых диодов (что позволяет работать с низкими потерями на более высоких частотах) и более низком падении напряжения при проведении. можно использовать МОП-транзисторы Для еще более низких выходных напряжений в качестве синхронных выпрямителей ; по сравнению с диодами Шоттки, они имеют еще меньшее падение напряжения в проводящем состоянии.

Выпрямленный выходной сигнал затем сглаживается фильтром, состоящим из катушек индуктивности и конденсаторов . Для более высоких частот переключения необходимы компоненты с меньшей емкостью и индуктивностью.

Более простые неизолированные источники питания содержат дроссель вместо трансформатора. К этому типу относятся повышающие преобразователи , понижающие преобразователи и повышающе-понижающие преобразователи . Они относятся к простейшему классу преобразователей с одним входом и одним выходом, в которых используется один индуктор и один активный ключ. Понижающий преобразователь снижает входное напряжение прямо пропорционально отношению времени проводимости к общему периоду переключения, называемому рабочим циклом. Например, идеальный понижающий преобразователь с входным напряжением 10 В, работающий при рабочем цикле 50 %, будет производить среднее выходное напряжение 5 В. Для регулирования выходного напряжения используется контур управления с обратной связью путем изменения рабочего цикла для компенсации изменений в входное напряжение. Выходное напряжение повышающего преобразователя всегда больше входного напряжения, а выходное понижающе-повышающее напряжение инвертируется, но может быть больше, равно или меньше величины его входного напряжения. Существует множество разновидностей и расширений этого класса преобразователей, но эти три составляют основу почти всех изолированных и неизолированных преобразователей постоянного тока. Добавив второй индуктор, Ćuk и SEPIC Могут быть реализованы преобразователи , или, путем добавления дополнительных активных переключателей, могут быть реализованы различные мостовые преобразователи.

В других типах SMPS используется конденсаторно - диодный умножитель напряжения вместо катушек индуктивности и трансформаторов . Они в основном используются для генерации высокого напряжения при малых токах ( генератор Кокрофта-Уолтона ). Вариант с низким напряжением называется зарядным насосом .

Регулирование

Данное зарядное устройство для небольшого устройства, такого как мобильный телефон, представляет собой автономный импульсный источник питания с европейской вилкой, в основном состоящий из оптопары , выпрямителя и двух активных компонентов .

Схема обратной связи контролирует выходное напряжение и сравнивает его с опорным напряжением. В зависимости от конструкции и требований безопасности контроллер может содержать механизм изоляции (например, оптрон ) для изоляции его от выхода постоянного тока. Импульсные источники питания в компьютерах, телевизорах и видеомагнитофонах оснащены оптопарами для точного контроля выходного напряжения.

Регуляторы с разомкнутым контуром не имеют цепи обратной связи. Вместо этого они полагаются на подачу постоянного напряжения на вход трансформатора или индуктора и предполагают, что выходное напряжение будет правильным. Регулируемые конструкции компенсируют сопротивление трансформатора или катушки. Монополярные конструкции также компенсируют магнитный гистерезис сердечника.

Для работы цепи обратной связи требуется питание, прежде чем она сможет генерировать энергию, поэтому добавляется дополнительный непереключаемый источник питания для режима ожидания.

Конструкция трансформатора

Любой импульсный источник питания, который получает питание от сети переменного тока (так называемый «автономный» преобразователь). ) требуется трансформатор для гальванической развязки . Некоторые преобразователи постоянного тока в постоянный могут также включать в себя трансформатор, хотя в этих случаях изоляция может не иметь решающего значения. Трансформаторы SMPS работают на высоких частотах. Большая часть экономии средств (и экономии места) при использовании автономных источников питания обусловлена ​​меньшим размером высокочастотного трансформатора по сравнению с использовавшимися ранее трансформаторами 50/60 Гц. Есть дополнительные компромиссы в дизайне.

Напряжение на клеммах трансформатора пропорционально произведению площади сердечника, магнитного потока и частоты. Используя гораздо более высокую частоту, площадь ядра (и, следовательно, массу ядра) можно значительно уменьшить. Однако потери в сердечнике увеличиваются на более высоких частотах. В сердечниках обычно используется ферритовый материал, который имеет низкие потери на высоких частотах и ​​высокую плотность потока. Ламинированные железные сердечники низкочастотных (<400 Гц) трансформаторов будут иметь неприемлемые потери на частотах переключения в несколько килогерц. Кроме того, больше энергии теряется при переходах переключающегося полупроводника на более высокие частоты. больше внимания к физическому расположению печатной платы, Кроме того, требуется поскольку паразиты становятся более значительными, а количество электромагнитных помех становится более выраженным.

Потери меди

Основная статья: Потеря меди

На низких частотах (например, частота сети 50 или 60 Гц) дизайнеры обычно могут игнорировать скин-эффект . Для этих частот скин-эффект значителен только в том случае, если проводники большие, диаметром более 0,3 дюйма (7,6 мм).

Импульсные источники питания должны уделять больше внимания скин-эффекту, поскольку он является источником потерь мощности. При частоте 500 кГц глубина скин-слоя меди составляет около 0,003 дюйма (0,076 мм) – размер меньше, чем у типичных проводов, используемых в источнике питания. Эффективное сопротивление проводников увеличивается, поскольку ток концентрируется вблизи поверхности проводника, а по внутренней части протекает меньший ток, чем на низких частотах.

Скин-эффект усугубляется гармониками, присутствующими в сигналах переключения высокоскоростной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Подходящая глубина скин-слоя — это не только глубина основного тона, но и глубина скин-слоя гармоник.

Помимо скин-эффекта, существует еще эффект близости , который является еще одним источником потерь мощности.

Коэффициент мощности

См. также: Коэффициент мощности

Простые автономные импульсные источники питания включают в себя простой двухполупериодный выпрямитель, подключенный к большому энергоаккумулирующему конденсатору. Такие SMPS потребляют ток из сети переменного тока короткими импульсами, когда мгновенное напряжение сети превышает напряжение на этом конденсаторе. В течение оставшейся части цикла переменного тока конденсатор обеспечивает энергию для источника питания.

В результате входной ток таких базовых импульсных источников питания имеет высокое содержание гармоник и относительно низкий коэффициент мощности. Это создает дополнительную нагрузку на линии электропередачи, увеличивает нагрев электропроводки здания, сетевых трансформаторов и стандартных электродвигателей переменного тока, а также может вызвать проблемы со стабильностью в некоторых приложениях, например, в системах аварийных генераторов или авиационных генераторах. Гармоники можно удалить фильтрацией, но фильтры дороги. В отличие от коэффициента мощности смещения, создаваемого линейными индуктивными или емкостными нагрузками, это искажение нельзя исправить добавлением одного линейного компонента. Дополнительные схемы необходимы для противодействия воздействию коротких импульсов тока. Установка каскада повышающего прерывателя с регулировкой тока после автономного выпрямителя (для зарядки накопительного конденсатора) может скорректировать коэффициент мощности, но увеличивает сложность и стоимость.

В 2001 году Европейский Союз ввел в действие стандарт IEC 61000-3-2, устанавливающий ограничения на гармоники входного переменного тока до 40-й гармоники для оборудования мощностью выше 75 Вт. Стандарт определяет четыре класса оборудования в зависимости от его типа. и текущая форма сигнала. Наиболее строгие ограничения (класс D) установлены для персональных компьютеров, компьютерных мониторов и ТВ-приемников. Чтобы соответствовать этим требованиям, современные импульсные источники питания обычно включают в себя дополнительный каскад коррекции коэффициента мощности (PFC).

Типы

Импульсные источники питания можно классифицировать по топологии схемы. Самое важное различие между изолированными преобразователями и неизолированными.

Неизолированные топологии

Неизолированные преобразователи являются самыми простыми: в трех основных типах используется один индуктор для хранения энергии. В столбце зависимости напряжения D представляет собой рабочий цикл преобразователя и может изменяться от 0 до 1. Предполагается, что входное напряжение (V ₁ ) больше нуля; если оно отрицательное, для согласованности инвертируйте выходное напряжение (В ₂ ).

Тип	Типичная мощность [ Вт ]	Относительная стоимость	Хранение энергии	Отношение напряжения	Функции
Бак	0–1,000	1.0	Одиночный индуктор	0 ≤ Выход ≤ Вход, $\scriptstyle V_{2}=DV_{1}$	Ток на выходе непрерывен.
Способствовать росту	0–5,000	1.0	Одиночный индуктор	Выход ≥ Вход, $\scriptstyle V_{2}={\frac {1}{1-D}}V_{1}$	Ток на входе непрерывен.
Бак-ускорение	0–150	1.0	Одиночный индуктор	Выход ≤ 0, $\scriptstyle V_{2}=-{\frac {D}{1-D}}V_{1}$	Ток прерывистый как на входе, так и на выходе.
Сплит-пи (или повышение-бакс)	0–4,500	>2,0	Две катушки индуктивности и три конденсатора	Вверх или вниз	Двунаправленное управление мощностью; внутрь или наружу.
Чук			Конденсатор и две катушки индуктивности	Любой перевернутый, $\scriptstyle V_{2}=-{\frac {D}{1-D}}V_{1}$	Ток непрерывен на входе и выходе.
СЭПИК			Конденсатор и две катушки индуктивности	Любой, $\scriptstyle V_{2}={\frac {D}{1-D}}V_{1}$	Ток на входе непрерывен.
Зета			Конденсатор и две катушки индуктивности	Любой, $\scriptstyle V_{2}={\frac {D}{1-D}}V_{1}$	Ток на выходе непрерывен.
Зарядовый насос / переключаемый конденсатор			конденсаторы Только		Для достижения преобразования не требуется накопление магнитной энергии, однако высокоэффективная обработка энергии обычно ограничивается дискретным набором коэффициентов преобразования.

Если оборудование доступно для человека, для сертификации безопасности применяются пределы напряжения ≤ 30 В (среднеквадратичное значение) переменного тока или ≤ 42,4 В пикового значения или ≤ 60 В постоянного тока и пределы мощности 250 ВА ( утверждение UL , CSA , VDE ).

Понижающая, повышающая и повышающе-понижающая топологии тесно связаны между собой. Вход, выход и земля собираются в одной точке. Один из трех по пути проходит через индуктор, а два других проходят через переключатели. Один из двух переключателей должен быть активным (например, транзистор), а другой может быть диодом. Иногда топологию можно изменить, просто перемаркировав соединения. Понижающий преобразователь с входным напряжением 12 В и выходным напряжением 5 В можно преобразовать в понижающе-повышающий преобразователь с входным напряжением 7 В и выходным напряжением −5 В, заземлив выход и сняв выходной сигнал с контакта заземления .

Точно так же конвертеры SEPIC и Zeta представляют собой небольшие модификации конвертера Ćuk.

Топология с фиксированной нейтральной точкой (NPC) используется в источниках питания и активных фильтрах и упоминается здесь для полноты картины.

Переключатели становятся менее эффективными, поскольку рабочие циклы становятся чрезвычайно короткими. При больших изменениях напряжения лучше использовать трансформаторную (изолированную) топологию.

Изолированные топологии

Все изолированные топологии включают в себя трансформатор и, таким образом, могут обеспечивать выходное напряжение более высокого или более низкого напряжения, чем входное, путем регулирования коэффициента трансформации. В некоторых топологиях на трансформаторе можно разместить несколько обмоток для создания нескольких выходных напряжений. Некоторые преобразователи используют трансформатор для хранения энергии, а другие используют отдельный индуктор.

Тип	Власть [ В ]	Относительная стоимость	Диапазон ввода [ V ]	Хранение энергии	Функции
Обратный ход	0–250	1.0	5–600	Взаимные индукторы	Изолированная форма повышающе-понижающего преобразователя 1
Преобразователь звонящего дросселя (RCC)	0–150	1.0	5–600	Трансформатор	Недорогой вариант с автоколебательным обратноходовым ходом.
Полуфорвард	0–250	1.2	5–500	Индуктор
Вперед 2	100–200		60–200	Индуктор	Изолированная форма понижающего преобразователя
Резонансный форвард	0–60	1.0	60–400	Индуктор и конденсатор	Одинарный вход, нерегулируемый выход, высокая эффективность, низкий уровень электромагнитных помех .
Двухтактный	100–1,000	1.75	50–1,000	Индуктор
Полумост	0–2,000	1.9	50–1,000	Индуктор
Полный мост	400–5,000	>2,0	50–1,000	Индуктор	Очень эффективное использование трансформатора, используемого для максимальной мощности.
Резонансный, переключение при нулевом напряжении	>1000	>2,0		Индуктор и конденсатор
Изолированный Чук				Два конденсатора и две катушки индуктивности

Импульсные источники питания с нулевым напряжением требуют только небольших радиаторов, поскольку в виде тепла теряется мало энергии. Это позволяет им быть небольшими. Этот ЗВС может выдать более 1 киловатта. Трансформатор не показан.

• ^ 1 Поведение логарифмического контура управления обратноходовым преобразователем может быть сложнее контролировать, чем другие типы.
• ^ 2 Прямой преобразователь имеет несколько вариантов, различающихся тем, как трансформатор «сбрасывается» до нулевого магнитного потока в каждом цикле.

Контроллер измельчителя: Выходное напряжение связано с входным, поэтому очень жестко контролируется.

Квазирезонансный переключатель нулевого тока/нулевого напряжения

Квазирезонансное переключение переключается при минимальном напряжении и обнаружении его впадины.

В квазирезонансном переключателе с нулевым током/нулевым напряжением (ZCS/ZVS) «каждый цикл переключения доставляет квантованный «пакет» энергии на выход преобразователя, а включение и выключение переключателя происходит при нулевом токе и напряжении. , что приводит к переключению практически без потерь». Квазирезонансное переключение, также известное как переключение впадины , снижает электромагнитные помехи в источнике питания двумя способами:

1. Путем переключения биполярного переключателя, когда напряжение находится на минимальном уровне (в нижней части), чтобы минимизировать эффект жесткого переключения, вызывающий электромагнитные помехи.
2. Переключение при обнаружении впадины, а не при фиксированной частоте, приводит к появлению естественного дрожания частоты, которое расширяет спектр радиочастотных излучений и снижает общие электромагнитные помехи.

Эффективность и электромагнитные помехи

Более высокое входное напряжение и режим синхронного выпрямления делают процесс преобразования более эффективным. Также необходимо учитывать потребляемую мощность контроллера. Более высокая частота переключения позволяет уменьшить размеры компонентов, но может создавать больше радиочастотных помех . Резонансный прямой преобразователь обеспечивает наименьшие электромагнитные помехи среди всех ИИП, поскольку он использует резонансную форму сигнала с мягким переключением по сравнению с традиционным жестким переключением.

Режимы отказа

Информацию о неисправностях коммутационных компонентов, печатной платы и т. д. см. в разделе « Отказ электронных компонентов» .

SMPS, как правило, чувствительны к температуре. На каждые 10–15 °C выше 25 °C частота отказов удваивается. Большинство неисправностей можно объяснить неправильной конструкцией и неправильным выбором компонентов.

Источники питания с конденсаторами, срок службы которых истек или имеют производственные дефекты, такие как конденсаторная чума, в конечном итоге выйдут из строя. Когда емкость уменьшается или ESR увеличивается, регулятор компенсирует это увеличением частоты переключения, тем самым подвергая переключающиеся полупроводники еще большей термической нагрузке. В конечном итоге переключающиеся полупроводники выходят из строя, обычно по проводящему принципу. Для источников питания без отказоустойчивой защиты это может привести к тому, что подключенные нагрузки будут подвергаться воздействию полного входного напряжения и тока, а на выходе могут возникнуть резкие колебания.

Выход из строя переключающего транзистора встречается часто. Из-за больших коммутационных напряжений, которые должен выдерживать этот транзистор (около 325 В для 230 В _{источника питания переменного тока} без коррекции коэффициента мощности, в противном случае обычно около 390 В ), эти транзисторы часто замыкаются, что, в свою очередь, немедленно приводит к перегоранию основного внутреннего источника питания. предохранитель.

Источники питания в потребительских товарах часто повреждаются в результате ударов молнии в линии электропередачи, а также внутренних коротких замыканий, вызванных насекомыми, привлеченными тепловыми и электростатическими полями. Эти события могут привести к повреждению любой части источника питания.

Меры предосторожности

Конденсатор основного фильтра часто сохраняет напряжение до 325 В еще долгое время после отключения входного питания. Не все источники питания содержат небольшой резистор, который медленно разряжает конденсатор. Контакт с этим конденсатором может привести к серьезному поражению электрическим током.

Первичная и вторичная стороны могут быть соединены с конденсатором для уменьшения электромагнитных помех и компенсации различных емкостных связей в схеме преобразователя, где трансформатор один. В некоторых случаях это может привести к поражению электрическим током. Ток, текущий от линии или нейтрали через резистор 2 кОм к любой доступной части, согласно IEC 60950 должен быть менее 250 мкА для ИТ-оборудования.

Приложения

Переключаемое зарядное устройство для мобильного телефона

Импульсный источник питания мощностью 450 Вт для использования в персональных компьютерах с видимыми входом питания, вентилятором и выходными шнурами.

Импульсные блоки питания (БП) в бытовых продуктах, таких как персональные компьютеры , часто имеют универсальные входы, что означает, что они могут принимать питание от источников питания по всему миру, хотя может потребоваться ручной переключатель диапазона напряжения. Импульсные источники питания могут работать в широком диапазоне частот и напряжений сети.

Из-за больших объемов зарядные устройства для мобильных телефонов всегда были особенно чувствительны к затратам. Первые зарядные устройства представляли собой линейные источники питания , но они быстро перешли на экономичную топологию SMPS с преобразователем вызывного дросселя (RCC), когда потребовались новые уровни эффективности. В последнее время потребность в еще более низких требованиях к мощности холостого хода в приложениях привела к более широкому использованию обратноходовой топологии; Обратноходовые контроллеры с датчиками первичной стороны также помогают сократить спецификацию материалов за счет удаления компонентов датчиков вторичной стороны, таких как оптопары .

Импульсные источники питания также используются для преобразования постоянного тока в постоянный. В тяжелых транспортных средствах, использующих номинальное напряжение 24 В _{постоянного тока} для запуска двигателя, 12 В для аксессуаров можно подавать через импульсный источник постоянного/постоянного тока. Это имеет преимущество перед подключением батареи к положению 12 В (с использованием половины ячеек), заключающееся в том, что вся нагрузка 12 В равномерно распределяется между всеми ячейками батареи 24 В. В промышленных условиях, таких как телекоммуникационные стойки, основная мощность может распределяться при низком напряжении постоянного тока (например, от системы резервного питания), а отдельные элементы оборудования будут иметь переключаемые преобразователи постоянного тока в постоянный для подачи необходимого напряжения.

Импульсные источники питания обычно используются в качестве источника сверхнизкого напряжения для освещения. В этом случае их часто называют «электронными трансформаторами».

Примеры импульсных источников питания для освещения сверхнизкого напряжения, называемых электронными трансформаторами.

Терминология

Термин «режим переключения» широко использовался до тех пор, пока Motorola не заявила о своем праве на товарный знак SWITCHMODE для продуктов, предназначенных для рынка импульсных источников питания, и не начала защищать права своего товарного знака. Импульсный источник питания , импульсный источник питания и импульсный регулятор относятся к этому типу источника питания.

См. также

• Автотрансформер
• Повышающий преобразователь
• Понижающий преобразователь
• Кондуктивные электромагнитные помехи
• Преобразователь постоянного тока в постоянный
• Пусковой ток
• Джоуль вор
• Индуктивность утечки
• Резонансный преобразователь
• Импульсный усилитель
• Трансформатор
• Вибратор (электронный)
• 80 Плюс

Ссылки

• Прессман, Абрахам И. (1998), Проектирование импульсного источника питания (2-е изд.), McGraw-Hill, ISBN  0-07-052236-7

Дальнейшее чтение

• Бассо, Кристоф (2008), Импульсные источники питания: моделирование SPICE и практические разработки , McGraw-Hill, ISBN  978-0-07-150858-2
• Бассо, Кристоф (2012), Проектирование контуров управления для линейных и импульсных источников питания: учебное руководство , Artech House, ISBN  978-1608075577
• Браун, Марти (2001), Поваренная книга по источникам питания (2-е изд.), Newnes, ISBN  0-7506-7329-Х
• Эриксон, Роберт В.; Максимович, Драган (2001), Основы силовой электроники (второе изд.), Springer, ISBN  0-7923-7270-0
• Лю, Минлян (2006), Демистификация схем с переключаемыми конденсаторами , Elsevier, ISBN  0-7506-7907-7
• Ло, Фан Линь; Йе, Хонг (2004), Усовершенствованные преобразователи постоянного тока в постоянный , CRC Press, ISBN  0-8493-1956-0
• Ло, Фан Линь; Йе, Хонг; Рашид, Мухаммед Х. (2005), Силовая цифровая силовая электроника и приложения , Elsevier, ISBN  0-12-088757-6
• Маниктала, Санджая (2004), Проектирование и оптимизация импульсных источников питания , McGraw-Hill, ISBN  0-07-143483-6
• Маниктала, Санджая (2006), Импульсные источники питания от А до Я , Newnes/Elsevier, ISBN  0-7506-7970-0
• Маниктала, Санджая (2007), Устранение неполадок импульсных преобразователей мощности: практическое руководство , Newnes/Elsevier, ISBN  978-0-7506-8421-7
• Мохан, Нед; Унделанд, Торе М.; Роббинс, Уильям П. (2002), Силовая электроника: преобразователи, приложения и дизайн , Wiley, ISBN  0-471-22693-9
• Нельсон, Карл (1986), Руководство по проектированию LT1070 , том. AN19, Рекомендации по применению линейных технологий, дающие подробное представление о приложениях понижающего, повышающего, CUK и инверторного преобразователей. (загрузить в формате PDF с http://www.linear.com/designtools/app_notes.php )
• Прессман, Авраам И.; Биллингс, Кейт; Мори, Тейлор (2009), Проектирование импульсного источника питания (Третье изд.), McGraw-Hill, ISBN  978-0-07-148272-1
• Рашид, Мухаммед Х. (2003), Силовая электроника: схемы, устройства и приложения , Прентис Холл, ISBN  0-13-122815-3

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с импульсными источниками питания, на Викискладе?
• Плакат о топологиях импульсного источника питания - Texas Instruments
• Источники питания нагрузки для максимальной эффективности, Джеймс Колотти, опубликовано в EDN, 5 октября 1979 г.
• Заметки по поиску и устранению неисправностей и ремонту небольших импульсных источников питания, автор Сэмюэл М. Голдвассер, как часть часто задаваемых вопросов по Sci.Electronics.Repair