Принципиальная схема этого типа приборов

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой источников питания постоянного тока, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Импульсный источник питания

Линейные регуляторы напряжения на интегральных схемах на протяжении многих лет были основой конструкций источников питания, поскольку они очень хорошо обеспечивают постоянное фиксированное выходное напряжение.

Для специального импульсного источника питания линейные стабилизаторы напряжения, как правило, намного более эффективны и просты в использовании, чем эквивалентные схемы стабилизатора напряжения, состоящие из дискретных компонентов, таких как стабилитрон и резистор, или транзисторов и даже операционных усилителей.

Наиболее популярными типами линейных и фиксированных регуляторов выходного напряжения на сегодняшний день являются серии 78… с положительным выходным напряжением и серии 79… с отрицательным выходным напряжением. Эти два типа дополняющих друг друга стабилизаторов напряжения обеспечивают точное и стабильное выходное напряжение в диапазоне от примерно 5 до 24 вольт для использования во многих электронных схемах.

Существует широкий ассортимент этих трехконтактных стабилизаторов напряжения с фиксированным напряжением, каждый из которых имеет собственные встроенные схемы регулирования напряжения и ограничения тока. Это позволяет нам создавать целый ряд различных шин и выходов питания, как с одинарным, так и с двойным питанием, подходящих для большинства электронных схем и приложений.

Доступны даже линейные регуляторы переменного напряжения, обеспечивающие выходное напряжение, которое постоянно меняется от чуть выше нуля до нескольких вольт ниже максимального выходного напряжения.

Большинство источников питания постоянного тока состоят из большого и тяжелого понижающего сетевого трансформатора, диодного выпрямления, двухполупериодного или полуволнового, и схемы фильтра для удаления любых пульсаций из выпрямленного постоянного тока для получения достаточно плавного выходного напряжения постоянного тока.

Кроме того, для обеспечения правильного регулирования выходного напряжения источника питания в различных условиях нагрузки можно использовать схему стабилизатора или стабилизатора напряжения той или иной формы, как линейную, так и переключающую. Тогда типичный источник питания постоянного тока будет выглядеть примерно так:

Типичный источник питания постоянного тока 

Эти типичные конструкции блоков питания содержат большой сетевой трансформатор (который также обеспечивает изоляцию между входом и выходом) и схему последовательного стабилизатора. Схема регулятора может состоять из одного стабилитрона или трехвыводного линейного последовательного стабилизатора для создания требуемого выходного напряжения. Преимущество линейного стабилизатора заключается в том, что для установки выходного напряжения в цепи питания требуются только входной конденсатор, выходной конденсатор и несколько резисторов обратной связи.

Линейные регуляторы напряжения создают регулируемый выход постоянного тока, помещая постоянно проводящий транзистор последовательно между входом и выходом, управляя им в линейной области (отсюда и название) его вольт-амперных (i-v) характеристик.

Таким образом, транзистор действует скорее как переменное сопротивление, которое постоянно подстраивается под любое значение, необходимое для поддержания правильного выходного напряжения. Рассмотрим эту простую схему стабилизатора последовательного транзистора ниже:

Схема последовательного транзисторного регулятора

Здесь эта простая схема стабилизатора эмиттер-повторитель состоит из одного NPN-транзистора и напряжения смещения постоянного тока для установки требуемого выходного напряжения. Поскольку схема эмиттерного повторителя имеет единичный коэффициент усиления по напряжению, при подаче подходящего напряжения смещения на базу транзистора на выводе эмиттера получается стабилизированный выходной сигнал.

Поскольку транзистор обеспечивает усиление по току, выходной ток нагрузки будет намного выше, чем ток базы, и еще выше, если используется транзисторная схема Дарлингтона.

Кроме того, при условии, что входное напряжение достаточно велико для получения желаемого выходного напряжения, выходное напряжение контролируется напряжением базы транзистора и в этом примере задается как 5,7 В, чтобы обеспечить выходное напряжение 5 В на нагрузке, равное примерно 0,7 В. падает на транзистор между выводами базы и эмиттера. Тогда в зависимости от значения напряжения базы можно получить любое значение выходного напряжения эмиттера.

Хотя эта простая схема последовательного стабилизатора будет работать, ее недостатком является то, что последовательный транзистор постоянно смещается в своей линейной области, рассеивая мощность в виде тепла. Поскольку весь ток нагрузки должен проходить через последовательный транзистор, это приводит к низкой эффективности, потере мощности V*I и постоянному выделению тепла вокруг транзистора.

Кроме того, одним из недостатков последовательных стабилизаторов напряжения является то, что их максимальный непрерывный выходной ток ограничен всего несколькими амперами или около того, поэтому они обычно используются в приложениях, где требуется низкая выходная мощность.

Когда требуется более высокое выходное напряжение или потребляемая мощность, обычной практикой является использование импульсного стабилизатора, обычно известного как импульсный источник питания, для преобразования сетевого напряжения в любую требуемую более высокую выходную мощность.

Импульсные источники питания, или SMPS, становятся обычным явлением и в большинстве случаев заменяют традиционные линейные источники питания переменного тока в постоянный как способ снижения энергопотребления, уменьшения тепловыделения, а также размера и веса.

Импульсные источники питания теперь можно найти в большинстве ПК, усилителях мощности, телевизорах, приводах двигателей постоянного тока и т. д., а также практически во всем, что требует высокоэффективного источника питания, поскольку импульсные источники питания становятся все более зрелой технологией.

По определению, импульсный источник питания (SMPS) — это тип источника питания, в котором для обеспечения требуемого выходного напряжения используются полупроводниковые методы переключения, а не стандартные линейные методы. Базовый импульсный преобразователь состоит из силового переключающего каскада и схемы управления.

Стадия переключения мощности выполняет преобразование мощности из входного напряжения схемы VIN в выходное напряжение VOUT, которое включает выходную фильтрацию.

Основным преимуществом импульсного источника питания является его более высокий КПД по сравнению со стандартными линейными стабилизаторами, и это достигается за счет внутреннего переключения транзистора (или силового МОП-транзистора) между его состоянием «ВКЛ» (насыщенное) и состоянием «ВЫКЛ» ( отсечка), оба из которых обеспечивают меньшую рассеиваемую мощность.

Это означает, что когда переключающий транзистор полностью «ВКЛ» и проводит ток, падение напряжения на нем находится на минимальном значении, а когда транзистор полностью «ВЫКЛ» ток через него не протекает. Таким образом, транзистор действует как идеальный переключатель ВКЛ/ВЫКЛ.

В отличие от линейных стабилизаторов, которые обеспечивают только понижающее регулирование напряжения, импульсный источник питания может обеспечивать понижение, повышение и отрицание входного напряжения, используя одну или несколько из трех основных топологий схемы переключаемого режима: понижающую, повышающую и понижающую. -Способствовать росту. Эти названия относятся к тому, как транзисторный ключ, катушка индуктивности и сглаживающий конденсатор соединены вместе в базовой схеме ИИП.

Источник питания с переключателем понижающего режима

Этот от импульсный стабилизатор представляет собой тип схемы импульсного источника питания, которая предназначена для эффективного снижения напряжения постоянного тока с более высокого напряжения на более низкое, то есть вычитает или «понижает» напряжение питания, тем самым уменьшая напряжение, доступное на выходе. клеммы без изменения полярности. Другими словами, понижающий импульсный стабилизатор представляет собой схему понижающего регулятора, поэтому, например, понижающий преобразователь может преобразовывать, скажем, +12 В в +5 В.

Понижающий импульсный стабилизатор представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный и один из самых простых и популярных типов импульсных стабилизаторов. При использовании в конфигурации импульсного источника питания понижающий импульсный стабилизатор использует последовательный транзистор или силовой МОП-транзистор (в идеале биполярный транзистор с изолированным затвором или IGBT) в качестве основного переключающего устройства, как показано ниже.

Понижающий импульсный регулятор 

Это обратное напряжение вызывает прямое смещение диода, поэтому накопленная энергия в магнитном поле индуктора заставляет ток продолжать течь через нагрузку в том же направлении и возвращаться обратно через диод.

Затем индуктор L1 возвращает свою накопленную энергию обратно в нагрузку, действуя как источник и обеспечивая ток до тех пор, пока вся энергия индуктора не вернется в цепь или пока транзисторный ключ снова не закроется, в зависимости от того, что наступит раньше. При этом конденсатор также разряжается, питая ток нагрузки. Комбинация катушки индуктивности и конденсатора образует LC-фильтр, сглаживающий любые пульсации, создаваемые переключением транзистора.

Следовательно, когда транзисторный твердотельный ключ закрыт, ток подается от источника питания, а когда транзисторный ключ открыт, ток подается через дроссель. Обратите внимание, что ток, текущий через дроссель, всегда имеет одно и то же направление, либо непосредственно от источника питания, либо через диод, но, очевидно, в разные моменты цикла переключения.

Поскольку транзисторный ключ постоянно закрывается и размыкается, среднее значение выходного напряжения будет зависеть от рабочего цикла D, который определяется как время проводимости транзисторного ключа в течение одного полного цикла переключения.

Если VIN — напряжение питания, а времена «ВКЛ» и «ВЫКЛ» транзисторного ключа определены как: tON и tOFF, то выходное напряжение VOUT определяется как:

Рабочий цикл понижающего преобразователя 

Рабочий цикл понижающих преобразователей также можно определить как: 

Таким образом, чем больше рабочий цикл, тем выше среднее выходное напряжение постоянного тока импульсного источника питания. Отсюда мы также можем видеть, что выходное напряжение всегда будет ниже входного напряжения, поскольку рабочий цикл D никогда не может достичь единицы (единицы), что приводит к понижающему регулятору напряжения.

Регулирование напряжения достигается за счет изменения рабочего цикла, а при высоких скоростях переключения, до 200 кГц, можно использовать компоненты меньшего размера, что значительно уменьшает размер и вес импульсного источника питания.

Еще одним преимуществом понижающего преобразователя является то, что конструкция дроссель-конденсатор (LC) обеспечивает очень хорошую фильтрацию тока дросселя. В идеале понижающий преобразователь должен работать в режиме непрерывного переключения, чтобы ток дросселя никогда не падал до нуля. С идеальными компонентами, то есть с нулевым падением напряжения и потерями переключения в состоянии «ВКЛ», идеальный понижающий преобразователь может иметь КПД до 100%.

Помимо понижающего импульсного стабилизатора для базовой конструкции импульсного источника питания, существует еще один принцип действия основного импульсного стабилизатора, который действует как повышающий стабилизатор напряжения, называемый повышающим преобразователем.

Блок питания с импульсным режимом Boost

Импульсный стабилизатор Boost — это еще один тип схемы импульсного источника питания. Он имеет те же типы компонентов, что и предыдущий понижающий преобразователь, но на этот раз в другом положении. Повышающий преобразователь предназначен для повышения напряжения постоянного тока от более низкого до более высокого, то есть он также добавляет или «повышает» напряжение питания, тем самым увеличивая доступное напряжение на выходных клеммах без изменения полярности. Другими словами, повышающий импульсный регулятор представляет собой схему повышающего регулятора, поэтому, например, повышающий преобразователь может преобразовывать, скажем, +5 В в +12 В.

Ранее мы видели, что в базовой конструкции понижающего импульсного стабилизатора используется последовательный переключающий транзистор. Отличие от конструкции импульсного стабилизатора повышения состоит в том, что он использует параллельно включенный переключающий транзистор для управления выходным напряжением импульсного источника питания.

Поскольку транзисторный переключатель фактически подключен параллельно выходу, электрическая энергия проходит через дроссель к нагрузке только тогда, когда транзистор смещен в положение «ВЫКЛ» (переключатель разомкнут), как показано на рисунке.

Повышающий импульсный регулятор 

В схеме повышающего преобразователя, когда транзисторный ключ полностью включен, электрическая энергия от источника питания VIN проходит через дроссель и транзисторный ключ и возвращается в источник питания. В результате ничего из этого не поступает на выход, поскольку насыщенный транзисторный ключ фактически создает короткое замыкание на выходе.

Это увеличивает ток, протекающий через индуктор, поскольку он имеет более короткий внутренний путь обратного пути к источнику питания. В то же время диод D1 становится обратносмещенным, поскольку его анод подключается к земле через транзисторный ключ, при этом уровень напряжения на выходе остается практически постоянным, когда конденсатор начинает разряжаться через нагрузку.

Когда транзистор полностью выключен, входной источник питания теперь подключен к выходу через последовательно соединенные дроссель и диод. Когда поле индуктора уменьшается, индуцированная энергия, запасенная в индукторе, передается на выход через VIN через диод, теперь смещенный в прямом направлении.

Результатом всего этого является то, что индуцированное напряжение на дросселе L1 меняется на противоположное и добавляется к напряжению входного источника питания, увеличивая общее выходное напряжение, которое теперь становится VIN + VL.

Ток от сглаживающего конденсатора C1, который использовался для питания нагрузки, когда транзисторный ключ был закрыт, теперь возвращается в конденсатор через входной источник питания через диод. Тогда ток, подаваемый на конденсатор, является током диода, который всегда будет «ВКЛ» или «ВЫКЛ», поскольку диод постоянно переключается между своим прямым и обратным состоянием под действием переключающего действия транзистора. Тогда сглаживающий конденсатор должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить плавный устойчивый выходной сигнал.

Поскольку индуцированное напряжение на дросселе L1 отрицательное, оно добавляется к напряжению источника, VIN заставляет ток дросселя поступать в нагрузку. Стационарное выходное напряжение повышающих преобразователей определяется выражением: 

Как и в случае с предыдущим понижающим преобразователем, выходное напряжение повышающего преобразователя зависит от входного напряжения и рабочего цикла. Таким образом, за счет управления рабочим циклом достигается регулирование выходной мощности. Кроме того, это уравнение не зависит от номинала катушки индуктивности, тока нагрузки и выходного конденсатора.

Выше мы видели, что в базовой работе схемы неизолированного импульсного источника питания может использоваться конфигурация либо понижающего преобразователя, либо повышающего преобразователя, в зависимости от того, требуется ли нам понижающее (понижающее) или повышающее (повышающее) выходное напряжение. В то время как понижающие преобразователи могут быть более распространенной коммутационной конфигурацией SMPS, повышающие преобразователи обычно используются в устройствах с емкостными цепями, таких как зарядные устройства аккумуляторов, фотовспышки, стробоскопы и т. д., поскольку конденсатор подает весь ток нагрузки, пока переключатель замкнут.

Но мы также можем объединить эти две базовые топологии переключения в одну неизолирующую схему импульсного стабилизатора, которая, что неудивительно, называется понижающе-повышающим преобразователем.

Понижающе-повышающий импульсный регулятор

Импульсный стабилизатор Buck-Boost представляет собой комбинацию понижающего и повышающего преобразователей, которая создает инвертированное (отрицательное) выходное напряжение, которое может быть больше или меньше входного напряжения в зависимости от рабочего цикла. Повышающе-понижающий преобразователь представляет собой разновидность схемы повышающего преобразователя, в которой инвертирующий преобразователь передает в нагрузку только энергию, накопленную дросселем L1. Базовая схема импульсного источника питания с повышающе-понижающим режимом приведена ниже.

Повышающе-понижающий импульсный регулятор 

Когда транзисторный ключ TR1 полностью включен (закрыт), напряжение на дросселе равно напряжению питания, поэтому дроссель сохраняет энергию от входного источника питания. На подключенную нагрузку на выходе ток не поступает, поскольку диод D1 смещен в обратном направлении. Когда транзисторный ключ полностью выключен (открыт), диод смещается в прямом направлении, и энергия, ранее накопленная в катушке индуктивности, передается нагрузке.

Другими словами, когда переключатель находится в положении «ВКЛ», энергия подается в индуктор от источника постоянного тока (через переключатель), а на выход не подается, а когда переключатель находится в положении «ВЫКЛ», напряжение на индукторе меняется на противоположное, как теперь индуктор становится источником энергии, поэтому энергия, накопленная ранее в индукторе, переключается на выход (через диод), и ни одна из них не поступает непосредственно от входного источника постоянного тока. Таким образом, напряжение, падающее на нагрузке, когда переключающий транзистор находится в положении «ВЫКЛ», равно напряжению дросселя.

В результате величина инвертированного выходного напряжения может быть больше или меньше (или равна) величине входного напряжения в зависимости от рабочего цикла. Например, повышающе-понижающий преобразователь из положительного в отрицательный может преобразовывать напряжение 5 В в 12 В (повышающее) или 12 В в 5 В (понижающее).

Стационарное выходное напряжение понижающе-повышающих импульсных стабилизаторов VOUT определяется как: 

Тогда повышающе-понижающий стабилизатор получил свое название от создания выходного напряжения, которое может быть выше (как ступень повышающей мощности) или ниже (как ступень понижающей мощности) по величине, чем входное напряжение. Однако выходное напряжение противоположно по полярности входному напряжению.

Сводка по импульсному источнику питания

Современный импульсный источник питания, или SMPS, использует полупроводниковые переключатели для преобразования нестабилизированного входного напряжения постоянного тока в регулируемое и плавное выходное напряжение постоянного тока на разных уровнях напряжения. Входным источником питания может быть истинное постоянное напряжение от батареи или солнечной панели или выпрямленное постоянное напряжение от источника переменного тока с использованием диодного моста вместе с некоторой дополнительной емкостной фильтрацией.

Во многих приложениях управления мощностью силовой транзистор MOSFET или IGFET работает в режиме переключения, когда он неоднократно включается и выключается на высокой скорости. Основным преимуществом этого является то, что энергоэффективность стабилизатора может быть довольно высокой, поскольку транзистор либо полностью открыт и проводит (насыщение), либо полностью закрыт (отсечка).

Существует несколько типов конфигураций преобразователей постоянного тока в постоянный (в отличие от преобразователя постоянного тока в переменный, который является инвертором), при этом здесь рассматриваются три основные топологии импульсных источников питания: понижающая, повышающая и понижающая. -Повышающие импульсные регуляторы. Все три эти топологии неизолированы, то есть их входное и выходное напряжение имеют общую линию заземления.

Каждая конструкция импульсного стабилизатора имеет свои уникальные свойства в отношении рабочих циклов в установившемся режиме, соотношения между входным и выходным током, а также пульсаций выходного напряжения, создаваемых действием полупроводникового переключателя. Еще одним важным свойством этих топологий импульсных источников питания является частотная характеристика коммутационного действия в зависимости от выходного напряжения.

Регулирование выходного напряжения достигается за счет процентного регулирования времени, в течение которого переключающий транзистор находится в состоянии «ВКЛ», по сравнению с общим временем ВКЛ/ВЫКЛ. Это соотношение называется рабочим циклом, и, изменяя рабочий цикл (D, можно контролировать величину выходного напряжения, VOUT.

Использование в конструкции импульсного источника питания одного индуктора и диода, а также быстродействующих полупроводниковых ключей, способных работать на частотах переключения в килогерцовом диапазоне, позволяет значительно уменьшить габариты и массу источника питания. .

Это связано с тем, что в их конструкции не будет больших и тяжелых понижающих (или повышающих) сетевых трансформаторов напряжения. Однако, если требуется электрическая изоляция между входными и выходными клеммами, перед преобразователем должен быть установлен трансформатор.

Двумя наиболее популярными неизолированными конфигурациями переключения являются понижающий (вычитающий) и повышающий (аддитивный) преобразователи.

Понижающий преобразователь — это тип импульсного источника питания, который предназначен для преобразования электрической энергии из одного напряжения в более низкое. Понижающий преобразователь работает на последовательно включенном переключающем транзисторе. Поскольку рабочий цикл D < 1, выходное напряжение понижающего преобразователя всегда меньше входного напряжения VIN.

Повышающий преобразователь – это разновидность импульсного источника питания, который предназначен для преобразования электрической энергии из одного напряжения в более высокое. Повышающий преобразователь работает с параллельно включенным переключающим транзистором, что обеспечивает постоянный ток между VIN и VOUT через дроссель L1 и диод D1. Это означает, что защита от короткого замыкания на выходе отсутствует.

Изменяя рабочий цикл (D) повышающего преобразователя, можно управлять выходным напряжением, а при D < 1 выходной постоянный ток повышающего преобразователя превышает входное напряжение VIN из-за напряжения самоиндукции на катушках индуктивности.

Кроме того, предполагается, что выходные сглаживающие конденсаторы в импульсных источниках питания очень большие, что приводит к постоянному выходному напряжению от импульсного источника питания во время переключения транзисторов.