Імпульсний блок живлення: тестування та використання в додатках

Два основних типи джерел живлення, лінійний і комутаційний режим (SMPS), працюють за абсолютно різними принципами і мають відмінні характеристики. Проектні роботи та технічне обслуговування кожного з них вимагають абсолютно різного мислення.

тестувати
Всередині SMPS.

SMPS зараз широко використовується через більшу ефективність, меншу вартість та кращі вагові та теплові якості. Є деякі недоліки, які, однак, можна пом'якшити шляхом ретельного планування на стадії проектування.

По-перше, в перспективі ми переглянемо старе лінійне джерело живлення. Це була звична частина аналогових ЕЛТ-телевізорів, що сприяло значній вазі через важкий силовий трансформатор. Однак це було плюсом, оскільки кілька вторинних кранів надавали будь-яку кількість напруг, необхідну для зміщення, ниток розжарювання, відхилення трубки зображення тощо.

У лінійних джерелах живлення активні пристрої працюють у лінійній частині своїх кривих відгуку. Це на відміну від SMPS, де спочатку вхідна потужність перетворюється у квадратні хвилі з різним робочим циклом. Активні компоненти працюють в нелінійних режимах. Коли компоненти працюють у лінійних частинах своїх кривих відгуку, вони ефективно діють як змінні резистори, що розсіюють потужність (через I 2 R). Ось чому значна кількість вхідної потужності розсіюється у вигляді тепла, і така ситуація спостерігається в лінійному джерелі живлення.

Лінійне джерело живлення складається з ряду етапів. Лінія змінного струму, яка часто починається із штекера для підключення однофазної однофазної електромережі на 120 В, проходить через гвинтовий отвір у шафі, де в точці входу завжди є запобіжник і вимикач з додатковим індикатором живлення. Він живить первинний силовий трансформатор, який може мати будь-яку кількість вторинних обмоток. Окрім можливості подавати ряд напруг, цей тип трансформатора не має електричного зв'язку між первинною та вторинною обмотками, тому він відомий як ізолюючий трансформатор. (Заземлення не проходить через трансформатор, якщо це не автотрансформатор, де первинна та вторинна є єдиною обмоткою, що відбивається в різних точках.)

У лінійному блоці живлення добре, що за потоком потужності легко стежити. Він надходить до випрямляча, що складається з одного або декількох діодів, до електролітичних фільтруючих конденсаторів, паралельно підключених для видалення пульсацій змінного струму, а іноді і до більш дорогих послідовно з'єднаних індукторів для подальшого очищення постійного струму. Потім йде лінійний регулятор і кінцевий вихід постійного струму. Це все легко спроектувати та діагностувати. Найпоширенішими проблемами є електролітичні конденсатори, які можна візуально перевірити та перевірити за допомогою мультиметра.

Як вже згадувалося раніше, напівпровідники в лінійному живленні можуть ефективно утворювати великий опір, що розсіює тепло, а лінійні джерела включають об'ємні компоненти (наприклад, трансформатор), які роблять запас фізично великим. Для дрібних побутових приладів тепло може не бути проблемою, але можуть бути більші розміри та вага компонентів. Стільникові телефони та ноутбуки, як ми їх знаємо, були б неможливі з лінійними джерелами живлення.

На відміну від цього, SMPS має транзистор, який працює як цифровий комутатор. Вимикач або вимкнений, практично не проводячи струму, або повністю включений, з невеликим опором. Тільки тепло, яке генерується і повинно розсіюватися, - це під час переходів увімкнення/вимкнення. Надзвичайно швидкі часи підйому та падіння квадратної хвилі роблять ці переходи зникаючими короткими. Цей фактор пояснює велику ефективність СМПС. Крім того, як ми побачимо, ізолюючий трансформатор працює на частоті комутації, тому він може бути меншим порівняно з 60-Гц лінійним трансформатором, який є важливою частиною лінійного джерела живлення.

Невеликі розміри компонентів, більша ефективність та менша вартість призвели до широкого використання SMPS майже у всьому електронному обладнанні. Останні інновації дозволили використовувати їх у потужних додатках. Але впровадження SMPS не було повністю позбавленим проблем. Одним з них є генерування електронних шумів, які, якщо їх не пом'якшити, можуть з'являтися як на вході, так і на виході СМПС. Крім того, електронний шум, що утворюється в процесі комутації, може поширюватися як випромінювання від пристрою. Це пояснюється тим, що квадратна хвиля із своїм майже миттєвим часом підйому та падіння нагадує високочастотне джерело енергії, багате на руйнуючі гармоніки.

При включенні SMPS демонструє пусковий струм, який може впливати на сусіднє чутливе обладнання через систему розподілу електроенергії. Ще однією потенційною проблемою, спричиненою гармоніками, є нагрівання нульового провідника в електромережі. Рішення полягає в збільшенні розміру цього дроту. Взагалі кажучи, навіть там, де потрібні уточнення, загальні переваги SMPS є значними незалежно від масштабування.

Регулювання напруги є невід’ємною частиною СМПС. Це працює, змінюючи співвідношення між часом та часом відключення. Цей прийом є вирішальним випередженням у порівнянні з лінійним джерелом живлення, де вихідна напруга повинна розсіюватися в напівпровіднику.

Вихід SMPS є функцією його входу, але не відповідно до співвідношення первинних і вторинних витків силового трансформатора, як у лінійному живленні. На відміну від цього, одна з типових для SMPS конфігурацій - мати постійну напругу постійного струму з індуктором і перемикачем, керовану квадратною хвилею. Якщо виміряти на перемикачі, напруга від піку до піку може перевищувати напругу постійного струму, виміряну на вході. Це одна з причин того, що СМПС працює не для слабодухих.

Більш висока напруга виникає через те, що індуктор створює індуковану напругу у відповідь на зміни струму. Ця напруга додається до напруги джерела постійного струму протягом періоду часу, коли перемикач відкритий. Подальшим вдосконаленням є додавання діода та конденсатора до комутатора. Пікова напруга буде зберігатися в конденсаторі у вигляді електричного заряду. У цей момент конденсатор стає джерелом постійного струму, а загальна вихідна напруга стає більшою, ніж напруга постійного струму на вході. Це boost-перетворювач, який працює на постійному струмі, а не на змінному струмі. Це режим перемикання, еквівалентний підвищувальному трансформатору в лінійному живленні.

Ще однією варіацією перемикання режиму є перетворювач підвищення напруги, який змінює полярність вихідного сигналу щодо вхідного сигналу. Іншим варіантом реалізації є ланцюг зниження, який підвищує середній вихідний струм, платна ціна є меншою вихідною напругою.

У тому, як налаштовано SMPS, є багато змінних. Потік вихідного струму завжди є функцією вхідної потужності. Але з численними топологіями схем та різними методами керування перемикачем, такими як широтно-імпульсна модуляція, існує безліч комбінацій. Таким чином, є набагато крутіша крива навчання порівняно з лінійним джерелом живлення.

Основна складність при проведенні вимірювань SMPS полягає в тому, що часто хвилююча форма сигналу - це пульсація на рівні мілівольт, що сидить поверх сигналу в діапазоні 100 В. Подібним чином компоненти, що живляться, можуть працювати при приблизно 100 В в одному стані і при мілівольтах в іншому. Цей великий динамічний діапазон може створити проблему для восьмирозрядних цифрових областей, поширених в лабораторіях електроніки.

Наприклад, одним із загальних вимірювань SMPS є визначення втрат від перемикання та середніх втрат потужності на комутаційному пристрої. Першим кроком є ​​визначення напруги на комутаційному пристрої під час вимкнення та ввімкнення. Напруга на комутаційному пристрої має високий динамічний діапазон. Напруга на комутаційному пристрої під час увімкненого стану залежить від типу комутаційного пристрою. Вимкнена напруга залежить від робочої вхідної напруги та топології живлення. При максимальній вхідній напрузі для SMPS із входом 120 В напруга у вимкненому стані на комутаційному пристрої може досягати 750 В. Під час увімкненого стану,
напруга на тих самих клемах може коливатися від декількох мілівольт до приблизно одного вольта.

Для захоплення таких сигналів вертикальний діапазон осцилографа встановлюється на рівні 100 В/діл. При цьому налаштуванні багато областей приймають напруги до 1 кВ. Проблема використання цього налаштування полягає в тому, що мінімальна амплітуда сигналу, яку може вирішити восьмирозрядна область, становить 1000/256 або приблизно 4 В.

Деякі сучасні сфери пропонують прикладне програмне забезпечення енергії, яке вирішує проблему, дозволяючи користувачеві вводити значення RDSON або VCEsat для основного напівпровідникового перемикача з паспорта пристрою, а не намагатися виміряти їх безпосередньо. В іншому випадку, якщо виміряна напруга знаходиться в межах чутливості області, прикладне програмне забезпечення може використовувати для своїх розрахунків отримані дані, а не значення, введені вручну.

Ось як Tektronix зображує ефекти затримки розповсюдження на вимірювання напруги та струму SMPS. Tek є одним із виробників сфери застосування, який надає пакети для десквайпінгу та подібні труднощі, які дозволять вирішити проблему з його обладнанням.

Ще одне питання, яке виникає при вимірюванні ДЗЗП, стосується використання датчиків напруги та струму. Необхідно виміряти напругу на та струм через комутаційний пристрій, або MOSFET, або біполярний транзистор (зазвичай IGBT). Для цього потрібні два окремі зонди: високовольтний диференціальний зонд і зонд струму. Кожен із цих зондів має різну затримку розповсюдження. Різниця в цих двох затримках відома
як перекіс, спричиняє неточні вимірювання часу та спотворення відображених форм сигналу.

Затримки поширення зонда можуть вплинути на вимірювання максимальної пікової потужності просто тому, що потужність є продуктом напруги та струму. Якщо дві перемножені змінні не є ідеально вирівняними за часом, результат буде помилковим.

На щастя, існують способи виправлення показань зонда, тому точність вимірювань, таких як втрата від перемикання, не страждає. Деяке програмне забезпечення для вимірювання потужності автоматично скасує зонди. Тут програмне забезпечення бере на себе контроль осцилографа і регулює затримку між каналами напруги та струму за допомогою сигналів струму та напруги під напругою.

Також доступна статична функція зняття перекосу. Ця функція використовує той факт, що певні датчики напруги та струму мають постійні та повторювані затримки розповсюдження. Вбудована таблиця часу розповсюдження для вибраних зондів дозволяє функції статичного зняття перекосу автоматично регулювати затримку між обраними каналами напруги та струму.

Диференціальні та струмові датчики можуть мати незначні зсуви, які слід видалити перед проведенням вимірювань. Деякі зонди мають вбудований автоматизований метод видалення зміщення. Інші зонди вимагають ручного видалення зміщення. Більшість зондів диференціальної напруги мають вбудовані елементи регулювання зміщення постійного струму, що робить відносно простим видалення зміщення.

Подібним чином струмові датчики потребують регулювання перед проведенням вимірювань. Диференціальні та струмові датчики є активними пристроями, і завжди буде присутній низький рівень шуму, навіть у спокійному стані. Цей шум може погіршити вимірювання, що спираються як на дані напруги, так і струму. Отже, деяке програмне забезпечення для вимірювання потужності включає функції кондиціонування сигналу, які мінімізують вплив властивого шуму зонда.

Нарешті, є вся справа в факторі потужності, що є питанням і керівника об'єкта, і комунального господарства. Лінійний блок живлення зазвичай має низький коефіцієнт потужності. SMPS, який не має корекції коефіцієнта потужності, отримує велику кількість струму, що збігається з піками сигналу змінного струму. Цю проблему можна пом'якшити за допомогою продуманої корекції коефіцієнта потужності. Подібним чином, сильний пусковий струм у ДЗЗМ можна пом'якшити за допомогою обладнання плавного пуску.

Підводячи підсумок, в порівнянні з лінійним джерелом живлення, SMPS є ефективним і дешевим. Однак набагато більша складність вимагає знань, які виходять за рамки простої електроніки.