Принцип та дизайн роботи імпульсного джерела живлення

Режим імпульсного живлення сильно відрізняється від режиму лінійного живлення. Незважаючи на свою складність, більшу вартість матеріалу та більший рахунок деталей, джерело живлення в режимі перемикання все ще залишається найкращою топологією живлення на сьогоднішньому ринку. Основна причина - більша ефективність та вища щільність потужності. Більш висока ефективність просто означає, що витрачається лише невелика частина вхідної потужності, тоді як більша щільність потужності означає, що можлива більша потужність при меншому форм-факторі або розмірі.

Огляд лінійного джерела живлення змінного струму

Трансформатор 50/60 Гц

Це може бути кроком вгору або зниження залежно від використання. Зазвичай це версія зі зниженням, оскільки звичайна потреба вихідної напруги нижче рівня вхідного.

Випрямляч

Це перетворить змінний струм на пульсуючий постійний струм. Найчастіше використовуваний випрямляч - це повно хвильовий міст, як показано на схемі.

Фільтр

Простий фільтр - це електролітичний конденсатор. Це збільшить середньоквадратичний або постійний рівень випрямленого сигналу.

Регулятор

Це дозволить підтримувати чистий постійний струм на виході, що не створюватиме проблем для чутливих навантажень або системи.

Поширені проблеми

Ефективність та розмір є загальною проблемою, пов'язаною з лінійним джерелом живлення змінного та постійного струму. Він також обмежений лише для програм з низькою потужністю. Для роботи з великою потужністю трансформатор 50/60 Гц буде дуже величезним і дорогим. Відфільтрована вторинна випрямлена напруга повинна бути завжди вищою, ніж вихідна, із значним відривом, щоб регулятор міг працювати належним чином. З цієї причини надлишкову напругу буде поглинати регулятор, що призведе до величезних втрат потужності при множенні на струм навантаження. Ось чому ефективність дуже низька. Лінійний блок живлення змінного та постійного струму також не може забезпечити широкий діапазон вхідних даних. Наприклад, трансформатор розрахований на 220 В до 20 В змінного струму, ви більше не можете використовувати його на 110 В змінного струму, оскільки ви більше не можете отримувати 20 В змінного струму на вторинному.

Огляд лінійного джерела живлення постійного струму

Вгорі схема - основне лінійне джерело живлення постійного та постійного струму. Це прямо і дуже легко, оскільки компонентів лише мало. Однак його основним недоліком все ще залишається ефективність і обмежена лише для програм з низькою потужністю. Щоб лінійний регулятор регулював належним чином, його вхідна напруга повинна бути на відстані вище вихідної напруги. Різниця вхідної та вихідної напруги, до речі, називається напругою відключення. На сьогоднішній день на ринку вже існує лінійний регулятор напруги з низьким рівнем відсіву. Низький рівень відсіву все одно призведе до величезних втрат потужності при вищій поточній роботі.

Блок-схема імпульсного джерела живлення змінного струму

Нижче представлена двоступенева блок-схема режиму перемикання змінного та постійного струму. Перший блок - це мостовий випрямляч, метою якого є перетворення змінного струму в пульсуючий постійний струм. На відміну від лінійного джерела живлення змінного та постійного струму, цей мостовий випрямляч вимагає високої напруги, оскільки він безпосередньо бачить вхідну напругу. Перетворювач першого ступеня перемикання в більшості випадків є перетворювачем підсилення, який функціонує як схема корекції коефіцієнта потужності або PFC. Підсилювач перетворювача має вищу потужність, ніж його вхід. Корекція коефіцієнта потужності необхідна для комутації ланцюга живлення для корекції форми струму та мінімізації гармонік. Підсилювальний перетворювач є найкращою схемою корекції коефіцієнта активної потужності завдяки своїй здатності відводити струм від входу в обох станах Q1 (увімкнути або вимкнути). Виробники або дизайнери джерел живлення перетворювач перемикання другого ступеня зазвичай називають секцією постійного струму. Існує безліч топологій для DC-DC, таких як резонанс (LLC, серія, паралель), прямий (ITTF, TTF, одиночний транзистор), міст і повний міст, щоб назвати декілька. На діаграмі нижче розділ постійного струму постійного струму - це резонансний перетворювач LLC. Останній блок - вихідний випрямляч і фільтр. Для додатків великої потужності замість діодів використовуються NMOS.

Нижче наведена схема зазвичай використовується для мережевих адаптерів та зарядних пристроїв низької потужності. Він використовує лише один перетворювач перемикання на ділянці постійного струму, який є перетворювачем Flyback. Перетворювач Flyback ефективний до номінальної потужності до 100 Вт. У деяких випадках Flyback використовується до 200 Вт, доки вимоги виконуються особливо ефективно. Більше немає ступеня PFC, оскільки типова або номінальна потужність цієї конфігурації становить близько 80-120 Вт, а коефіцієнт потужності, необхідний для цього діапазону потужності, не такий суворий. Перетворювач Flyback дуже популярний для автономного перемикання режиму живлення в режимі офлайн завдяки своїй простоті та меншій кількості деталей.

Імпульсний блок живлення постійного струму

Існує декілька топологій, які можна використовувати для створення джерела живлення постійного та постійного струму. Нижче наведено схему понижувального перетворювача постійного струму або загальновідомого перетворювача доларів. Бак-перетворювач має вихідну напругу, меншу за вхідну.

Іншим рішенням живлення в режимі постійного та постійного струму є підсилювальний перетворювач, як показано нижче. Підсилювач перетворювача має вихід, що перевищує його вхід.

Поєднання перетворювача зниження та посилення також можливо в топології підвищення напруги. Нижче наведено інвертуюче рішення для підвищення рівня. Він може бути налаштований на роботу, коли його вхідний показник нижчий, ніж вихідний, або навпаки. Неінвертуючий підсилювач також є варіантом, але він має кілька компонентів, ніж інвертуючий підсилення.

Як працює імпульсний блок живлення

Ми показали вищезазначені деякі з різновидів джерела живлення в режимі перемикання як у змінному, так і в постійному струмі. Що саме робить SMPS? Чим він відрізняється від звичайного лінійного джерела живлення?

Блок живлення в режимі переключення - це різновид джерела живлення, яке використовує перетворювач перемикання як секцію живлення. Це може бути кілька перетворювачів перемикання в каскаді або в паралельній роботі або один. Комутаційні перетворювачі - це серце імпульсних джерел живлення.

Комутаційний перетворювач працює за принципом безперервного ввімкнення та вимкнення напівпровідникового перемикача. Увімкнення засобів, робота напівпровідникового перемикача, як MOSFET, в насиченні, а вимкнення означає роботу MOSFET в режимі відключення. При насиченні не буде падіння напруги (в ідеалі) на каналі MOSFET, отже, втрат потужності не буде. З іншого боку, при відключенні потоку струму не буде, тому втрат потужності все одно немає. За цим принципом досягається дуже висока ефективність.

Насправді є невеликі втрати потужності через опір MOSFET у стані та затримку вимкнення, що спричиняє невелике перетин напруги та струму.

Приведення напівпровідникового перемикача до насичення та відсікання можливо завдяки ШІМ-контролеру. ШІМ-контролер може бути аналоговою специфічною ІС (ASIC) або цифровим рішенням, таким як MCU, DSC та DSP. Контролер також є тим, хто встановлює регулювання та інші захисні схеми.

Як результат отримує регулювання

Щоб добре обговорити це, давайте розглянемо конвертор доларів, як показано нижче. Принцип однаковий для всіх комутаційних перетворювачів.

Можливо, ви вже чули про систему відкритого та закритого циклу. Система з відкритим циклом не має можливості регулювання на основі вихідної поведінки, але закрита петля має. Наприклад, у вищезазначеній схемі (перетворювач перемикання доларів) можливе регулювання розімкнутого контуру, забезпечуючи фіксацію вхідної напруги, навантаження і фіксований робочий цикл. Для перетворювача доларів ідеальне співвідношення вхідної та вихідної напруги визначається робочим циклом. Для доларового перетворювача рівняння робочого циклу дорівнює

Для детального пояснення того, як отримано робочий цикл перетворювача, прочитайте статтю “Виведення робочого циклу перетворювача Бака”.

Наприклад, вхідна напруга становить 20 В, а бажана вихідна напруга - 10 В, робочий цикл може бути встановлений як фіксований на 50%. Отже, ШІМ-сигнал на вищезазначеній схемі повинен мати 50% часу. Це може бути добре, якщо вхідний сигнал фіксований і навантаження також є постійною. Однак, коли відбувається невелике збурення, вихід легко стає божевільним, тому доцільно мати контроль з замкнутим циклом.

Для контролю з замкненим контуром потрібен хороший контролер (контролер поза полицею), або якщо ви дуже добре володієте системою управління, ви можете розробити власний аналоговий або цифровий контроль.

Закрийте цикл для отримання регулювання

Нижче ланцюга знаходиться перетворювач постійного струму постійного струму, який може працювати від входу 30-60 В з потужністю 24 В, 75 Вт. Силова секція включає NMOS Si7852, діод SS3H9 та індуктор 47uH. Розділювальні резистори 93.1k і 4.99k складають мережу зворотного зв'язку для управління по замкнутому контуру. Напруга на резисторі 4.99k порівнюється з внутрішньою опорою на виводі VFB контролера.

Вихід не буде відхилятися від заданого рівня через замкнутий цикл. Вище є пряме рішення і завдяки доступним на сьогоднішній день контролерам. Принцип, який стоїть за контролем за допомогою замкненого циклу, є дуже технічним, але про нього забувають, оскільки на ринку існує безліч безпроблемних рішень.

Щоб реакція циклу була швидкою, потрібна компенсаційна мережа. У наведеній вище схемі компоненти, прикріплені до висновку ВК, складають компенсаційну мережу.

Трохи глибше в операції SMPS

Схеми, що складали імпульсні джерела живлення, є комутаційними перетворювачами. Розуміння роботи комутаційного перетворювача також пояснить роботу джерела живлення в режимі перемикання. Дозвольте мені розглянути схему підсилювального перетворювача нижче. Коли ШІМ високий (MOSFET Q1 насичується), перемикач Q1 увімкнеться, і цього разу індуктор L1 зарядиться. Діод D1 буде змінено навпаки, а навантаження буде покладатися лише на заряд конденсатора С1.

Коли сигнал ШІМ низький, Q1 буде відключений. Індуктор буде протистояти раптовій зміні струму, таким чином він змінить свою полярність, підтримуючи той самий напрям струму. Як результат, D1 буде зміщений вперед, а C1 поповнить свій заряд, а навантаження отримає свою потужність від входу. Змінення полярності індуктора створює рівень напруги вище вхідного (ефект підсилення). Нижче на схемі показано поточні форми сигналів індуктивності, діода та MOSFET щодо стану ШІМ.

Ефективність живлення в режимі перемикання

Основною причиною, через яку цей тип джерела живлення є настільки популярним, є здатність підвищувати ефективність. Нижче наведена таблиця ефективності, досяжної для джерела живлення в режимі перемикання, стандартизованого на 80 плюс.

Ефективність обчислюється як

Ploss - це загальні втрати джерела живлення. Раніше я згадував про нульове розсіювання потужності, коли перемикач перебуває в насиченні або при відключенні. В ідеалі, але такої ідеальної системи не існує. Втрати джерела живлення в режимі перемикання надходять від RDSon MOSFET, втрати від перемикання, втрати діодів, втрати зміщення та втрати, пов'язані з індуктивністю.

Вказівки з проектування СМПС

1. Знайте додаток

Визначте додаток. Наприклад для якого додатка використовується джерело живлення, які умови навколишнього середовища, робочі температури та визначають, чи охолоджується повітряне охолодження чи природна конвекция. Сила повітря та природна конвекція мають різний дизайнерський підхід.

2. Визначте владу

Якщо вам потрібно 100 Вт, не проектуйте джерело живлення потужністю 100 Вт. Завжди включайте мінімум 40% запасу, щоб забезпечити раптові умови перевантаження. Якщо бюджет дозволяє, ви можете спроектувати блок живлення потужністю 200 Вт таким чином, щоб ваше навантаження завжди складало половину можливостей блоку живлення. Згідно з результатами випробувань, імпульсний блок живлення має найвищу ефективність при навантаженні 50-60%.

3. Виберіть Топологія

Отримавши цільову потужність, виберіть топологію для використання. Для потужності нижче 150 Вт Flyback є економічно вигідним рішенням. Однак для вищої вимоги до ефективності Flyback не є хорошим варіантом. Ви можете розглянути резонансне рішення. Для застосувань високої потужності, скажімо, в кіловат-діапазоні, ви можете розглянути повний міст у розділі DC-DC. Для застосування постійного струму постійного струму використовуйте режим зниження, якщо ви прагнете знизити вихідну напругу, режим підсилення для вищої вихідної напруги або підвищення напруги, якщо потрібно поєднати два.

4. Вирішіть, чи потрібно включати схему коефіцієнта потужності

Це залежить від технічних характеристик та застосувань. Для зарядних пристроїв та адаптера з низьким енергоспоживанням немає необхідності в додатковому каскаді PFC. Для високої потужності або якщо ви хочете конкурувати на ринку і мати сертифікат джерела живлення, вам потрібно включити схему PFC, як конвертер підсилення.

5. Ви хочете, щоб продукт був сертифікований органами EMC?

Якщо так, то включіть в конструкцію фільтр EMI.

6. Використовуйте синхронні випрямлячі, паралельні МОП-транзистори

Якщо вам потрібна дуже висока ефективність, то подумайте про використання синхронного випрямляча. Ви також можете паралельно виконувати транзистори MOSFET, щоб ще більше знизити втрати провідності, пов'язані з RDSon.

7. Виберіть Керування

Ви можете використовувати спеціальні аналогові контролери для програм або вибрати цифрове рішення, таке як MCU, DSC або DSP. Аналогові контролери прямі вперед. Ну, якщо ви добре володієте системами управління, чому б не розглянути цифрове рішення. Цифрове рішення є дуже гнучким, оскільки ви можете включати ведення домашнього господарства або моніторинг.

8. Інші речі

Правильний підбір пристроїв, стежте за номіналом напруги, струму, а також номіналу потужності. Остерігайтеся допусків. Враховуйте термін служби конденсаторів, вентиляторів та оптоізоляторів.