Основи управління живленням: Основи електропостачання

Які міркування щодо простору при виборі джерела живлення? Ви повинні переконатися, що блок живлення вміщується у відведеному для нього місці. Тому переконайтеся, що потрібний тип упаковки, наприклад, відкритий каркас, закритий, цегляний, інкапсульований тощо, вміщуватиметься у виділеному просторі

Управління живленням відіграє важливу роль практично в кожній електронній системі, оскільки воно контролює, регулює та розподіляє потужність постійного струму по всій системі. Таким чином, підсистема керування живленням постійного струму може впливати на надійність, продуктивність, вартість та час випуску відповідного електронного обладнання.

Підсистеми управління живленням дозволяють електронній системі нормально функціонувати, подаючи та контролюючи свою потужність постійного струму. Аналогія полягає в тому, що підсистема управління енергією функціонує подібним чином до кровоносних судин тіла, які забезпечують належні поживні речовини, щоб підтримувати організм живим. Так само підсистема управління живленням забезпечує та контролює живлення, яке підтримує роботу електронної системи.

Ключовим компонентом системи управління живленням постійного струму є джерело живлення, яке забезпечує живлення постійного струму для відповідної системи. Конкретний тип підсистеми управління постійним струмом залежить від вхідної потужності, яка включає:

• Вхід акумулятора (для портативного обладнання) - Через обмеження розміру та ваги портативного обладнання ця підсистема управління живленням, як правило, інтегрована з іншою електронною системою. Деякі з цих систем також мають адаптер змінного струму, який є невеликим блоком живлення, що підключається до розетки змінного струму та забезпечує вихідну напругу постійного струму. Зазвичай адаптер змінного струму використовується для живлення пристрою, а також може заряджати системний акумулятор.

• Вхід змінного струму - Ця підсистема використовує джерело живлення, яке приймає вхід змінного струму, випрямляє та фільтрує, а потім подає отриману постійну напругу на схему регулятора, яка забезпечує постійну вихідну напругу постійного струму. Існує широкий спектр джерел змінного струму, які можуть мати вихідну напругу менше 1 В до тисяч вольт. У цій системі управління живленням постійного струму зазвичай використовується джерело живлення в режимі перемикання, хоча доступні деякі лінійні джерела живлення.

• Вхід постійного струму - Ця підсистема управління живленням використовує джерело живлення, яке приймає вхідну напругу постійного струму, як правило, 5 В, 12 В, 24 В або 48 В і виробляє вихідну напругу постійного струму. На нижньому рівні джерело живлення цього типу може виробляти менше 1 В постійного струму, тоді як інші джерела постійного і постійного струму можуть виробляти тисячі вольт постійного струму. Ця підсистема управління живленням, як правило, використовує імпульсний джерело живлення.

• Наднизька вхідна напруга (збирання енергії) - Збирання енергії може забезпечити потужність для заряджання, доповнення або заміни акумуляторів. Ключовим компонентом збирання енергії є перетворювач потужності, який може працювати з наднизькими входами напруги. Під час роботи цей перетворювач потужності захоплює мінімальну кількість енергії, накопичує її, зберігає, а потім підтримує накопичену енергію як джерело живлення. Входи низької напруги можуть надходити від сонячної енергії, теплової енергії, енергії вітру або кінетичної енергії.

Ізольований проти Неізольований

З точки зору їх реакції на вхід постійного струму, існує два типи перетворювачів постійного струму: ізольований та неізольований, що залежить від того, чи існує прямий шлях постійного струму від входу до виходу. Ізольований перетворювач забезпечує ізоляцію між вхідною та вихідною напругою (як правило, з трансформатором). У неізольованому перетворювачі існує шлях постійного струму від входу до виходу.

Для деяких застосувань доречні неізольовані перетворювачі. Однак деякі програми вимагають ізоляції між вхідною та вихідною напругами. Перевагою перетворювача ізоляції на основі трансформатора є те, що він має здатність легко виробляти кілька вихідних напруг.

Лінійне та комутаційне джерела живлення

Існують дві основні конфігурації джерела живлення, що використовуються з підсистемами управління постійним струмом: лінійна та комутаційна. Лінійні джерела живлення завжди проводять струм. Відмінності між цими двома конфігураціями включають розмір та вагу, можливість керування потужністю, EMI та регулювання.

Основними компонентами лінійного регулятора є прохідний транзистор, підсилювач помилок та опорна напруга, як видно з Малюнок 1-1. Лінійний регулятор підтримує постійну вихідну напругу, використовуючи підсилювач помилок для порівняння частини вихідної напруги зі стабільною опорною напругою. Якщо вихідна напруга має тенденцію до збільшення, зворотний зв'язок змушує прохідний транзистор знижувати вихідну напругу і навпаки.

Лінійні витратні матеріали OEM можуть обробляти кілька ампер струму. Зазвичай це громіздкі настільні або стійкові приладдя.

У більшості застосувань лінійні джерела сильного струму замінені джерелами живлення в режимі перемикання. Показано в Малюнок 1-2 є типовим ізольованим перемикачем живлення. Тут вхідна напруга змінного струму випрямляється і фільтрується, щоб отримати напругу постійного струму для інших компонентів джерела живлення. Один широко застосовуваний підхід використовує широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ) для управління вихідною напругою вимикача живлення. Відношення часу включення до періоду перемикання - це робочий цикл. Чим вищий робочий цикл, тим більша вихідна потужність силового напівпровідникового вимикача.

Підсилювач помилок порівнює частину зворотного зв'язку вихідної напруги зі стабільним опорним значенням напруги для отримання приводу для схеми ШІМ. Отриманий привід для ШІМ контролює робочий цикл імпульсного сигналу, що подається на вимикач живлення, який, у свою чергу, управляє вихідною напругою постійного струму джерела живлення. Якщо вихідна напруга має тенденцію до зростання або падіння, ШІМ змінює робочий цикл так, що вихідна напруга постійного струму залишається постійною.

Для підтримки ізоляції між вихідним заземленням та потужністю, що подається на компоненти джерел живлення, необхідна схема ізоляції. Зазвичай оптопара забезпечує ізоляцію, дозволяючи напрузі зворотного зв'язку контролювати вихід подачі.

Вихідний фільтр низької частоти індуктор-конденсатор перетворює комутаційну напругу від комутаційного трансформатора в напругу постійного струму. Фільтр не ідеальний, тому завжди є залишковий вихідний шум, який називається пульсацією. Величина пульсацій залежить від ефективності фільтра низьких частот на частоті комутації. Частоти перемикання джерела живлення можуть коливатися від 100 кГц до понад 1 МГц. Більш високі частоти комутації дозволяють використовувати індуктори та конденсатори нижчого значення у вихідному фільтрі низьких частот. Однак більш високі частоти можуть також збільшити втрати напівпровідників потужності, що знижує ефективність живлення.

Вимикач живлення є ключовим компонентом блоку живлення з точки зору розсіювання потужності. Перемикач, як правило, є силовим MOSFET, який працює лише у двох станах - увімкненому та вимкненому. У вимкненому стані вимикач живлення вживає дуже мало струму і розсіює дуже мало потужності. У включеному стані вимикач живлення подає максимальну кількість струму, але його опір на низькому рівні, тому в більшості випадків його розсіювання потужності мінімальне. При переході з увімкненого стану у вимкнений і вимкнений перемикач живлення проходить через його лінійну область, тому він може споживати помірну кількість енергії. Таким чином, загальні втрати для вимикача живлення є сумою стану включення та виключення плюс перехід через його лінійні області. Фактичні втрати залежать від вимикача живлення та його робочих характеристик. Таблиця 1-1 порівнює характеристики ізольованих лінійних джерел живлення перемінного та постійного струму.

Клацніть тут для вдосконаленої версії цієї статті у форматі PDF.