Простой блок питания схема импульсный: Простой импульсный блок питания на 15 Вт

Трансформаторный блок питания схема

Трансформаторный блок питания на 12В используется для преобразования сетевого напряжения до уровня необходимого для работы определенного устройства. Сегодня в данной разновидности блоков питания устанавливаются системы предохранения от резких скачков напряжения, коротких замыканий и для нормализации высокочастотных помех. Конструкция обладает надежностью при сравнительной простоте и низкой стоимости. Блок питания с трансформаторным типа можно самостоятельно сконструировать и собрать в домашних условиях.

Устройство и принцип работы

От обычного блока питания трансформаторный отличается наличием понижающего устройства, который позволяет снизить подаваемое в сети напряжение с 220В до 12В. Также в этих устройствах используется выпрямитель, который изготавливают из 1, 2 или 4 диодов полупроводникового типа – в зависимости от разновидности схемы.

В блоках питания этой категории используются трансформаторы в которых используется три основных компонента:

• Сердечник специального сплава металлов или из ферромагнетика;
• Сетевая первичная обмотка которая питается от 220В;
• Вторичную обмотку применяют с понижающим действием – к ней подключается выпрямитель.

В остальном данный блок совпадает по принципу работы, строению и устройству с обычным блоком питания. Благодаря этому есть возможность подключать устройства различных категорий.

Применяемый выпрямитель определяется схематическим устройством, которое зависит от того, до каких значений нужно довести уровень напряжения. Например, в случае удвоения напряжения, используется два полупроводника. После проводника необходимо в устройстве конструкции использовать электролитический конденсатор.

Общая структура

Структурная схема блока питания с трансформаторным действием имеет следующий тип:

При этом в некоторых зарядных устройствах трансформаторного типа не используются последние два элемента. По сути основными являются трансформатор и выпрямитель, именно они отвечают за снижение напряжения, но фильтр и стабилизатор обеспечивают дополнительную защиту и регулировку значений в подаваемом на устройство напряжении.

На рынке электроники сегодня наиболее популярными являются однополярные трансформаторные блоки питания. Схема данного устройства выглядит следующим образом:

О конструкции самого трансформатора и принципах его работы поговорим далее. Двухполюсный блок питания данной категории имеет следующую схему:

В отличии от первой схемы, в этой применяется трансформатор с одинаковыми парными вторичными обмотками, которые последовательно соединяются.

Трансформатор

Один из основных элементов конструкции трансформатора – сердечник. В блоках питания он может быть Ш-образный либо U-образный, в редких случаях применяются тороидальные сердечники. На них располагаются трансформаторные обмотки из двух слоев: вторичная поверх первичной.

Конструкция

При сборке конструкции используется специальная формула, которая позволяет вычислить необходимые габариты трансформатора:

В этой формуле используются следующие значения:

• N – число витков на 1 вольт;
• F – уровень частоты в переменном напряжении;
• S – сечение магнитопровода;
• B – индукция магнитного поля в магнитопроводе.

Таким образом можно вычислить конструктивные особенности трансформатора. В трансформаторных блоках питания применяются тороидальные, стержневые и броневые виды обмоток.

Их внешний вид представлен на картинке ниже:

Для расчета вторичной обмотки можно использовать следующий прием. Наматывается 10 витков, собирается трансформатор и с соблюдением техники безопасности, стандартным методом первичная обмотка подключается к электросети. Затем производятся замеры уровня напряжения на выводе из вторичной обмотки. Полученные значения делятся на 10, после этого 12 делится на 10. Так определяется число витков необходимое для выработки напряжения в 12В.

Принцип работы

Трансформатор на этой разновидности блока питания позволяет преобразовывать напряжение в 220В получаемое из обычной электросети до необходимого уровня напряжения для определенного устройства.

Генератором электромагнитных полей выступает проводник через который проходит переменный ток, а благодаря тому, что на трансформаторе он смотан в катушку его действие производится более плотно. Согласно закону электромагнитной индукции переменное поле наводится во вторичной обмотке.

Выбор напряжения

Необходимое напряжение определяется устройством, для питания которого будет использоваться блок питания. Можно использовать напряжение в 12В, 3.3В, 5В и 9В. Это самые популярные значения напряжения на выходе, при этом оно может иметь и другие значения. Все зависит от конструкции трансформатора, количества обмоток и размер сечения, используемого магнитопровода.

Блок питания с напряжением на выходе в 12В широко используются в быту с конца прошлого столетия. Их применяют для питания котлов отопления, светодиодных лент, игровых устройств, сварочных аппаратов, телевизионных приставок и различных бытовых приборов.

Блоки с напряжением этого уровня используются преимущественно в персональных компьютерах, но могут использоваться и для подзарядки других устройств, например, в сварочных аппаратах.

Данный вид трансформаторных блоков питания также используется для обеспечения питания компьютеров и серверов.

Эта разновидность блоков для питания устройств широко применяется для работы со строительной техникой и различных бытовых устройств. Например, им подпитывается дрель, болгарка или перфоратор.

Выпрямитель

В трансформаторном блоке питания используется обычно мостовой выпрямитель с одним, двумя или четырьмя диодами.

Используем мостовую схему выпрямления

Использование мостового выпрямителя показано на данной схеме:

Как работает

Принцип работы у выпрямителя мостового типа следующий: во время течения в полупериоде, электрический ток идет через два диода, которые включены в прямом направлении. Это позволяет конденсатору получать напряжение с пульсацией в два раза большей частотой от питания.

Выше представлена схема как использовать выпрямитель мостового типа в конструкции. Чтобы понять, как работает выпрямитель с постоянным и переменным напряжением мостового типа можно использовать для ознакомления данную схему:

Треугольники на схеме – это диоды, которые позволяют работать мостовому выпрямителю.

Как спаять

Для спайки мостового выпрямителя следует использовать следующую схему:

Фильтр

В блоках трансформаторного типа фильтрация и отсечение переменных, составляющих являются обязательными. С этой целью в данных устройствах используются электролитические конденсаторы с большой емкостью.

Назначение

Электролитический конденсатор, выполняющий роль фильтра в этих устройствах используется как при работе блока с постоянным, так и переменным напряжением. Но в некоторых случаях выбор конденсатора может быть другим.

Выбор конденсатора

Для трансформаторных блоков питания подбирается конденсатор согласно уровню напряжения, с которым он работает. При постоянном напряжении вместо электролитного конденсатора можно использовать постоянный резистор, а при переменном напряжении обычной перемычкой, так как конденсатор становится проводником.

Как правильно подключать

Чтобы при самостоятельной сборке трансформаторного блока питания на 12В конденсаторы правильно работали, на выходе устройство укомплектовывается резистором с сопротивлением от 3 до 5 Мом.

Стабилизатор напряжения или тока

Источник питания стандартного типа собирается с использованием электролитического конденсатора с емкостью не более 10000 мкФ, двухполупериодного выпрямителя мостового типа из диодов с обратным напряжением в 50 вольт и прямым током 3А, а также с предохранителем 0,5А. В роли интегрального стабилизатора напряжения на 12В используется конденсатор 7912, либо 7812.

Стабилитрон

Для постоянства напряжения при выходе из блока питания рекомендуется использовать стабилитрон.

Интегральный стабилизатор напряжения

Без использования стабилизатора напряжения блок питания не сможет правильно функционировать. В роли этих компонентов используются конденсаторы серий LM 78xx и LM 79xx. Стабилитроны подбираются по подходящей величине параметров тока и напряжения, на рынке их большое множество, но самым продвинутым считается элемент типа КР142ЕН12.

Чем больше емкость конденсатора, тем лучше уровень сигнала на выходе, он имеет правильную форму и стремится к прямой линии.

Серия LM 78xx

Данные регуляторы напряжения имеют выходной ток до 1А, и выходное напряжение: 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18, 24. Кроме того в этих конденсаторах есть тепловая защита от перегрузок и защита от коротких замыканий.

Серия LM 79xx

Эти регуляторы напряжения имеют значения схожие с серией 78xx. В них также реализована тепловая защита от больших перегрузок и защита от замыканий.

Вспомогательные узлы

В конструкции можно реализовать вспомогательные узлы, например, индикаторы или переключатели напряжения. Главное не переусердствовать и делать устройство согласно всем нормам и рекомендациям.

Индикаторные светодиоды

В конструкции можно продумать светодиодные индикаторы, которые применяются в заводских блоках и подзарядных устройствах. Светодиоды служат сигнализатором о том, что полезная работа трансформатора производится и напряжение соответствует требуемому значению.

Амперметр и вольтметр

Для произведения расчетов и подбора элементов, а также для правильной сборки блока питания необходимо использовать амперметр и вольтметр.

Схема самодельного источника питания

Схемы как собрать самодельный блок питания трансформаторного типа представлены были выше, но для удобства предлагаем для ознакомления еще одну схему, с понятными обозначениями.

На данной схеме изображен понижающий трансформатор с двумя обмотками и диодный мост для выпрямления.

Это простая схема, которая позволяет собрать самодельный источник питания с трансформатором любому начинающему электрику.

Как паять

Для сборки используется печатная плата из фольгированного диэлектрика. Сначала рисуется схема, затем на заготовку платы наносится рисунок и производится протравка. После этого засверливаются отверстия для крепления каждого элемента схемы блока.

Правила выбора комплектующих

Чтобы сделать своими руками блок питания с трансформатором необходимо правильно подобрать комплектующие. В данной статье мы разобрались как подсчитать значения необходимых элементов устройства, какие трансформаторы, выпрямители и фильтры можно использовать в блока питания этой разновидности. Для удобства предлагаю таблицу ниже, она поможет при выборе комплектующих:

В данной таблице приведены оптимальные значения и соотношения мощности устройства и технических характеристик всех компонентов, используемых в конструкции. Емкость конденсаторов должна обеспечивать заданную пульсацию в расчете 1мкФ на 1Вт в показателях мощности на выходе. Электролитический конденсатор должен выбираться для напряжения от 350В.

Делал тут намедни презентацию на тему «Однополярные и двуполярные трансформаторные блоки питания», решил заодно и здесь продублировать. Наверное, будет полезно для начинающих.

Блок питания радиоэлектронной аппаратуры является вторичным источником питания, то есть он служит для преобразования электроэнергии (первичные — для ее производства). Как правило, происходит преобразование переменного тока напряжением 220 В в постоянный с напряжением, необходимым для нормальной работы устройства. Из этих функций вытекает структурная схема трансформаторного блока питания: трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор.

Последние две части могут отсутствовать, как, например, в трансформаторных зарядных устройствах ACP-7E телефонов Nokia .

В последнее время трансформаторные блоки активно вытесняются импульсными (легкими, компактными, способными переварить любую дрянь из розетки: 110-240 вольт, 50-60 Гц — трансформатор такого не потерпит), однако все еще есть ниши, где они актуальны: например, устройства высококачественного воспроизведения звука или радиоприемники, которые подвержены действию помех, излучаемых импульсными БП (да-да, некоторые экземпляры можно использовать как маленькие глушилки длинных, средних и коротких волн).

Рассмотрим наиболее простой и наиболее часто встречающийся подвид:

однополярный трансформаторный блок питания

Сразу оговорюсь, что однополупериодная схема выпрямителя (один диод, как в детекторном приемнике) в трансформаторной схемотехнике не снискала популярности ввиду низкого КПД и высокого уровня пульсаций.

В разрывы первичной и вторичной обмотки включены предохранители (у современных трансформаторов по первичной обмотке включен термопредохранитель, срабатывающий при перегреве магнитопровода). По «вторичке» предохранителя может и не быть, но по «первичке» он обязателен — это электро- и пожаробезопасность.

Вторичных обмоток может быть несколько (на разные напряжения), у одной обмотки могут быть несколько отводов от разных витков… Все это можно узнать из паспорта на трансформатор.

Диодный мост выпрямляет напряжение, а конденсаторный фильтр сглаживает его пульсации (минимально рекомендуемая емкость — 100 мкФ, максимальная ограничивается экономическими соображениями, размерами корпуса устройства, максимально возможным током через диоды и здравым смыслом). Не стоит забывать о физике: на диодном мосту неизбежно потеряется 1 — 2 вольта, но после конденсатора то, что останется, увеличится в корень из двух (1,41) раз (конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения). Например, с трансформатора идут 12 вольт «переменки» (действующее значение). 1,4 вольта отдадим диодам — итого уже 10,6. А на конденсаторе будет 14,94 вольта (амплитудное значение). Поэтому рабочее напряжение конденсатора должно быть с запасом — 25 вольт вполне хватит, а вот 16 — это уже пороховая бочка. Может, и не долбанет, но ресурс быстрее выработается.

Выходное напряжение снимается с конденсатора и может питать устройство как напрямую, так и через стабилизатор: в этом случае рекомендуется, чтобы выходное напряжение БП было на 3 — 5 вольт выше номинального выходного напряжения стабилизатора. Используя интегральные стабилизаторы серии L78XX и компоненты из примера выше, можно сделать шикарный блок питания на девять вольт. Или на двенадцать, если падение напряжения на самом стабилизаторе 2-3 вольта (эта информация находится в даташите микросхемы). Или на пять, но 14,94 — 5 = 9,94 вольта, которые надо куда-то девать. А куда? Только в тепло. Поэтому стабилизаторы на малое напряжение, подключенные к большому входному, очень сильно греются.

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Примеры устройств с таким БП: радиоприемник VEF 216 (встроенный) , радиотелефоны (внешний), магнитофон «Весна 306» (встроенный).

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Принцип работы мостового выпрямителя незатейлив: в течение каждого полупериода ток идет через два диода, включенные в прямом направлении (на одном кремниевом диоде в среднем падает 0,7 вольт — отсюда и берется число потерь 1,4). Таким образом, на конденсатор будет приходить напряжение, пульсирующее с удвоенной частотой питающей сети. Если за эти полпериода конденсатор не будет успевать разрядиться, то можно рассчитывать на то, что уровень пульсаций выходного напряжения будет низок (здесь, например, это хорошо показано: красное напряжение — с конденсатора, серое — с моста).

Следующие схемотехнические решения можно заметить в звуковоспроизводящей аппаратуре высокого класса: это пленочные конденсаторы, шунтирующие первичную и вторичную обмотки трансформатора (высоковольтный C1, C2), керамические конденсаторы, шунтирующие диоды моста (C3—C6), и керамический или пленочный конденсатор емкостью 10 — 100 нФ, шунтирующий выходной электролитический (C7).

Конденсаторы на обмотках трансформатора предназначены для гашения высокочастотных помех от близких грозовых разрядов, щеточно-коллекторных узлов работающих электродвигателей и пр.

Шунтирование диодов помогает бороться с мультипликативной помехой радиоприему: она проявляется как фон в приемнике с частотой 100 Гц при настройке на мощную станцию в АМ-диапазоне.

Шунтирование выходного электролитического конденсатора помогает продлить срок его службы, так как «электролиты» склонны быстрее деградировать под действием высокочастотных помех. При наличии керамического или пленочного шунта малой емкости эти помехи через него закорачиваются на «землю».

Преимущества однополярных трансформаторных БП:

-Просты в изготовлении.
-Относительно легкие и маленькие.
-Легко обеспечить батарейное питание, что актуально для переносной техники (нужно всего лишь напыжевать достаточно батареек «в послед»).

К недостаткам можно отнести:

-Повышенное падение напряжение на выпрямителе (полтора вольта теряются, и при выпрямлении малого напряжения, например, трех вольт, это уже будет ощутимо — после конденсатора останется только 2,1 В).
-Мощные диоды в металлическом корпусе должны устанавливаться на радиатор через электроизолирующие прокладки, что в ряде случаев может быть затруднительно.

Следующий на очереди —

двуполярный трансформаторный блок питания

Здесь используется трансформатор с двумя одинаковыми вторичными обмотками, соединенными последовательно (или это может быть одна обмотка со средней точкой). В этом случае средняя точка объявляется «землей», а с фильтров снимается напряжение как положительной, так и отрицательной полярности (измерения, разумеется, относительно «земли». И логично, что между «плюсом» и «минусом» 2Uвых).

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Примеры устройств с таким БП: магнитофон «Вильма М-212С», усилитель «Радиотехника У-101», осциллограф «С1-94».

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Диодный мост работает точно так же, как и в случае однополярного блока питания. Попеременно открываясь, то одна, то другая пара диодов пропускает переменное напряжение к конденсаторам фильтра.

К достоинствам двуполярного БП можно отнести:

-Значительное упрощение схем с операционными усилителями (исключаются цепочки, создающие «искусственный ноль» на входе — достаточно сравнить первую и вторую схемы отсюда).
-Уменьшение количества межкаскадных емкостей, так как в большинстве случаев постоянная составляющая сигнала отсутствует. А все мы знаем, что «электролиты» имеют свойство пересыхать.
-Акустика, подключенная к выходу исправного и настроенного усилителя с двуполярным питанием, не будет хлопать при включении, так как на выходе нет постоянной составляющей и конденсатора, блокирующего ее.

Однако есть и определенные недостатки:

-Снова повышенное падение напряжение на выпрямителе.
-Трансформатор со средней точкой сложен в изготовлении; он большой, тяжелый и совсем не портативный.
-Устройство чувствительно к перекосу плеч питания — например, если в звуковоспроизводящей технике при номинальных +/-14 вольт де-факто будут +12 и -16, форма выходного сигнала может сильно исказиться относительно нуля.
-«Исправный и настроенный усилитель», став вдруг неисправным, может выжечь акустику постоянным напряжением на выходе: нужна схема ее защиты при аварии.

Как следствие, такие блоки питания прижились в стационарной аппаратуре, где нет нужды в батарейном питании.

Необычная схема:

однополярный БП с выпрямителем Миткевича

Этот блок питания также основывается на трансформаторе со средней точкой, но в качестве выпрямителя применяются два четвертьмоста, соединенные параллельно (выпрямитель Миткевича). Это двухполупериодный выпрямитель, и ток на фильтрующий конденсатор течет то с одной половины обмотки, то с другой через диод, находящийся в этот момент в прямом включении. Это было достаточно типичное решение для тех времен, когда диоды стоили дороже меди.

Пример устройства с таким БП: радиоприемник «Ишим».

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Первым делом в глаза бросается то, что выпрямитель и фильтр включены по схеме с общим «плюсом», и с конденсатора снимается напряжение отрицательной полярности. Это обычная схемотехника 60-70-х гг.: тогда применялись германиевые транзисторы в основном p-n- p -структуры (ограничение технологии), у которых эмиттер подключается к «плюсу», а база и коллектор — к «минусу» питания.

В течение каждого полупериода ток протекает через один диод.

Положительными сторонами таких блоков питания можно считать:

-Экономию на диодах.
-Потери в выпрямители в два раза меньше, чем в мостовой схеме (ток в каждом полупериоде течет только через один диод).

Однако недостатки загнали этот вид блока питания в «Красную книгу РЭА»:

-Трансформатор со средней точкой сложен в изготовлении; он большой, тяжелый и совсем не портативный.
-В каждом полупериоде одна половина обмотки простаивает. Меди много, но работает она не вся.

Как быстро отличить импульсный блок питания от трансформаторного (имеются в виду те, что вставляются в розетку)?

Ипульсный: компактный, почти невесомый, часто бывает вытянут в осевом направлении. Жрет что угодно: чудовищный разброс по напряжению 110-240 вольт и частоте сети его не пугает (обычно эти параметры написаны на наклейке). Выходной ток при высоких напряжениях как правило, тоже достаточно большой — до 2 ампер. На секундочку: 2 А * 12 В = 24 Вт!

Трансформаторный: тяжелый, сбитый «кубик«. На наклейке обычно указано входное напряжение 230 вольт, иногда с маленькими зазорами (плюс-минус десять вольт). Частота — строго 50 Гц для постсоветского пространства. Ток обычно скромный: тот, что на картинке — девятивольтовый с полуамперным выходом (0,5 А * 9 В = 4,5 Вт). А ведь уже и такой блок достаточно громоздкий.

Для питания радиоприемников и другой старой техники, конечно, лучше выбрать трансформаторный.

Как известно, блок питания едва ли не самое распространенное электронное устройство. Простой блок питания сделать под силу даже начинающим. Но какую схему выбрать? Их столько, что многие теряются. В данной статье коротко рассказано об основных четырех типах схем и даны рекомендации их использования.

Перед тем, ка вы решили изготовить или подобрать готовый блок питания необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Какое напряжение должен выдавать блок питания? Это можно определить по характеристикам того устройства, которое будет подключаться к блоку питания.
2. Какой ток должен обеспечивать блок питания? Это так же указано на устройстве, которое будет подключено. Если указана потребляемая мощность, то ток можно определить, разделив мощность на напряжение.

Учитывая сказанное, перейдем к рассмотрению основных типов схем.

1. Бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором.

Применяется при небольших токах, десятки миллиампер, редко сотни миллиампер. На практике используется для зарядки аккумуляторов небольших фонарей, питания светодиодов и т.д. Схема такого блока питания:

Величина емкости С1 при активной нагрузке определяется по формуле:

С1 – емкость, Ф

Iэфф – эффективное значение тока нагрузки, А

Uc — напряжение сети, В

Uн – напряжение на нагрузке, В

f -частота сети, 50 Гц

Если нагрузка не всегда подключена, или ее ток меняется, то схема должна содержать стабилитрон, который не позволит напряжению на конденсаторе С2 и нагрузке превысить допустимое значение:

Величина емкости С1 рассчитывается с учетом максимального тока стабилитрона и тока нагрузки.

В этой формуле: 3,5 — коэффициент, Iстmin — минимальный ток стабилитрона, Iнmax — ток нагрузки максимальный, Ucmin — напряжение сети минимальное, Uвых — напряжение выхода блока питания.

Тип емкости С1 К73-17 или подобные, рабочее напряжение не ниже 400 В. Можно С1 зашунтировать резистором несколько сотен кОм, для разряда конденсатора в выключенном состоянии.

Подробнее о расчетах таких схем рассказано в журнале Радио №5 за 1997 год (стр. 48-50).

Понятно, что при отключенной нагрузке блок питания будет потреблять мощность на работу стабилитрона, соизмеримую с мощностью нагрузки. КПД поэтому низкий. Это одна из причин использования таких схем только для малых токов. Работая с такими блоками питания важно помнить, что их детали имеют гальваническую связь с сетью и опасность поражения током велика.

1. Второй тип схем, трансформаторные блоки питания. Вот основная схема.

По такой схеме можно делать блоки питания практически на любые напряжения и токи. На практике они представлены от маломощных, например, блок питания антенного усилителя собранный в сетевой вилке, до сварочника, вес которого десятки килограмм.

Приблизительный расчет трансформатора можно посмотреть здесь, более подробный и точный здесь.

Если токи нагрузки большие, емкость фильтра С1 нужна большая, тысячи микрофарад. В этом случае после диодного моста нужно ставить сопротивление, несколько Ом, чтобы в момент включения, когда С1 разряжен, бросок зарядного тока не вывел из строя диодный мост.

Если токи несколько ампер, то на диодах будет рассеиваться большая мощность. Для ее снижения применяют диоды Шоттки, на них падает меньшее напряжение (до 0,5 В), в отличие от кремниевых диодов на которых при больших токах может падать больше 1 В.

Чтобы еще снизить потери, применяют двухполупериодный выпрямитель с двумя диодами и двумя обмотками. Вот его схема:

В данном случае вторичных обмотки две. Они соединены последовательно. Мотаются проводом в половину тоньше, чем для схемы с четырьмя диодами. Так, что количество меди то же самое. Потери ниже вдвое, так как диода два. Допустим на каждом падает 1 В, при токе 10 А, это мощность потерь 10 Вт на каждом диоде. Если диода два вместо четырех, в тепло идет не 40 Вт, а 20. Польза очевидна.

Вышеприведенные схемы имеют существенный недостаток. Напряжение на выходе меняется при изменении напряжения сети. Как известно, допустимые изменения напряжения сети ±5%, от 220 В это составит (209-231) В, предельные изменения ±10%, (198-242) В. В процентном отношении так же будет изменяться и выходное напряжение.

Для устранения этого недостатка применяют стабилизаторы, от простейших на стабилитроне, иногда с транзистором, до стабилизаторов на микросхемах.

Здесь 7812 (LM7812 или аналог) распространенная микросхема стабилизатор на 12 В. Основные правила применения таких микросхем:

— напряжение на входе от 14 В до 35 В, (при минимальном напряжении сети не менее 14 В при максимальном не более 35 В)

— максимальный ток, при длительной работе 1,5 А

— мощность, рассеиваемая без теплоотвода 1,5 Вт, с теплоотводом до 15 Вт (в некоторых справочниках пишут даже 9 Вт).

Главная ошибка, которую допускают при применении таких микросхем заключается в том, что в основном смотрят на ток и забывают про мощность. Например, от микросхемы хотят запитать нагрузку на напряжение 12 В потребляющую ток 1 А. Кажется, что это можно сделать без проблем, ведь максимальный ток этой микросхемы 1,5 А.

Но, допустим, в сети максимальное напряжение 242 В и на входе микросхемы 35 В. Эта микросхема компенсационного типа, т.е. все лишнее напряжение 35 – 12 = 23 В упадет на микросхеме. При этом мощность, которая будет рассеиваться на микросхеме будет равна 23В х 1А= 23Вт. А допустимая мощность, с радиатором, всего 15 Вт. Микросхема перегреется и сгорит. Для такого случая ее допустимый ток 15 Вт : 23 В = 0,65 А, и это с радиатором.

1. Импульсные стабилизаторы в трансформаторных блоках питания.

Эти стабилизаторы имеют значительно меньшие потери, чем выше рассмотренные. В них регулирующий элемент работает в ключевом режиме. У него два состояния полностью открыт или полностью закрыт. Падение напряжения на нем при этом минимально и рассеиваемая мощность также. Величина выходного напряжения пропорциональна длительности выходных импульсов.

Uвых = tоткр/T × Uвх

Uвых — напряжение на выходе стабилизатора

tоткр – время открытого состояния ключа

Т — период импульсов

Uвх – входное напряжение стабилизатора

Схема, поясняющая принцип работы:

Как видим, здесь присутствует индуктивность L, в которой накапливается энергия и импульсный диод VD. Именно с помощью этих двух элементов, ну и конечно конденсатора С, установленного за индуктивностью, импульсы после ключа VT превращаются в постоянное напряжение.

Пример такой схемы на транзисторах:

И на микросхеме:

1. Импульсные блоки питания.

Это самые эффективные и малогабаритные блоки. У них нет большого понижающего трансформатора, даже при больших токах и мощностях. Пример наиболее мощного импульсного блока питания — сварочный инвертор, который при сварочных токах 250 А весит всего несколько килограмм.

Напряжение сети 220 В поступает на диодный мост и затем на фильтр (конденсатор). Напряжение приобретает значение 310 В (при напряжении сети 220 В). Это напряжение питает выходной трансформаторный каскад и генератор. Вся схема работает на частотах до 100 кГц и даже выше. На таких частотах трансформаторы делают из феррита и их габариты в десятки раз меньше, чем у трансформаторов, работающих на частоте сети 50 Гц. Как правило, сама схема импульсного блока питания является стабилизатором и напряжение на выходе не зависит от изменения напряжения сети. Современные импульсные блоки питания, как правило работают при изменении напряжения сети от 110 В до 240 В.

Пример схемы импульсного блока питания, поясняющий принцип работы, на наиболее распространенной микросхеме UC3842.

Напряжение сети 220В через плату фильтра (ППФ) поступает на сетевой выпрямитель (СВ), конденсатор фильтра (Сф) и через обмотку трансформатора на ключ VT. Через сопротивление R3 уменьшенное напряжение поступает на вывод 7 для запуска микросхемы. После начала работы на вывод 7 дополнительно, через диод VD1, с обмотки трансформатора поступает питание в установившемся режиме.

Внутри микросхемы мы видим генератор (ГЕН), ШИМ (широтно-импульсный модулятор) для управления мощным ключом, выполненном на полевом транзисторе VT. На вывод 3 поступает сигнал обратной связи.

Практическая схема импульсного блока питания на микросхеме UC3842:

Пример изготовления схемы блока питания для ноутбука можно посмотреть здесь.

Есть микросхемы импульсных блоков питания, совмещенные с мощным выходным ключом. Но их принцип работы аналогичен рассмотренному.

Вывод.

Если нужны токи десятки миллиампер блок питания можно сделать по схеме первого типа.

Дешевый блок питания, габариты которого не так важны можно собрать по схеме второго типа. Компенсационные стабилизаторы целесообразно применять на токах до 1 А.

Так же недорогой блок питания, даже со стабилизатором выходного напряжения, на токи до 3 А можно собрать по схеме третьего типа.

Ну а если нужен малогабаритный блок питания, с защитой от перегрузок, на токи больше 3 А, с малым уровнем пульсаций, устойчивый к изменениям напряжения сети — конечно нужно собирать по схеме четвертого типа.

Материал статьи продублирован на видео:

Как прозвонить импульсный блок питания

Неисправности современных импульсных блоков питания

Часто причины отказов импульсных источником напряжения кроется в некачественном сетевом напряжении. Понижение и повышение напряжения сети, скачки напряжения, отключение сети, негативно сказываются на надежности электронных компонентов схем питания.

Импульсный блок питания

Особенно болезненно переносят такие скачки и отключения сети — это силовые диоды, мощные транзисторы, ШИМ контроллеры, конденсаторы. Хорошо, когда у вас преобразователь напряжения выполнен без заливки компаундом. Ремонт таких импульсных блоков питания можно сделать своими руками.

Все чаще появляются источники напряжения, залитые компаундом. Их не берут на ремонт даже в специализированных мастерских. Для них только один вариант ремонта — это замена новым. Неправильная эксплуатация этих источников, подключение более мощных нагрузок, также могут быть причиной их выхода из строя.

Не нужно эти преобразователи сразу отдавать в ремонт, причины их отказа могут быть довольно простыми, и вы с легкостью с ними справитесь. Для более сложных неисправностей нужны некоторые познания в электронике. Опыт в ремонте приходит со временем, чем вы больше будете им заниматься, тем больше обретете знаний.

Диагностика неисправностей импульсных блоков питания

Самое главное в ремонте — это найти неисправность, а устранить ее дело техники. Схемотехнику импульсных источников питания можно разделить на входную и выходную части. К входной части относится высоковольтная схема, а к выходной низковольтная.

Простой импульсный блок питания

В высоковольтной ее части платы все элементы работают под высоким напряжением, поэтому они чаще выходят из строя, чем элементы низковольтной части. Высоковольтная схема имеет сетевой фильтр, диодные мосты для выпрямления переменного напряжения сети, ключи на транзисторах и импульсный трансформатор.

Используются ещё и небольшие развязывающие трансформаторы, которые управляются ШИМ контроллерами и подают импульсы на затворы полевых транзисторов. Таким образом, происходит гальваническая развязка сетевых и вторичных напряжений. Для такой развязки часто в современных схемах используются оптроны.

Схема импульсного блока питания на транзисторах

Выходные напряжения также имеют гальваническую развязку с сетью через силовой трансформатор. В простых схемах преобразования вместо ШИМ контроллеров используют автогенераторы на транзисторах. Эти дешевые источники напряжения применяются для питания галогенных ламп, светодиодных ламп и т. д.

Особенностью таких схем является простота и минимум элементов. Однако простые и дешевые источники напряжения без нагрузки не запускается, выходное напряжение нестабильно и имеют повышенные пульсации. Хотя на освещение галогенных ламп эти параметры влияния не оказывают.

Диодный мост импульсного блока питания АТХ

Ремонт такого устройства очень прост из-за небольшого количества элементов. Наиболее часто возникают неисправности в высоковольтной части схемы, когда пробивается один или несколько диодов, вспучиваются электролитические конденсаторы, отказывают силовые транзисторы. Также выходят из строя диоды низковольтной схемы, перегорают дросселя выходного фильтра и предохранитель.

Неисправность этих элементов можно обнаружить мультиметром. Другие же неисправности импульсных блоков требуют применения осциллографа, цифрового мультиметра. В этом случае лучше отдать блок на ремонт в мастерскую. Предохранитель можно легко прозвонить мультиметром на наличие напряжения после предохранителя.

Предохранитель импульсного блока питания

Если перегорел предохранитель нужно внимательно визуально проверить всю схему платы, дорожки, нарушение паек, потемнение элементов схемы и участков дорожек, вспучивание конденсаторов. Если диоды плохо прозваниваются мультиметром на плате, их выпаивают, и проверяет каждый в отдельности.

Проверяются все элементы платы, неисправный меняют и только тогда включается блок в сеть для проверки. При диагностике конденсаторы тоже выпаиваются и проверяются тестером. Сгоревший дроссель можно перемотать, определив количество витков, сечение провода. Найти необходимый дроссель в продаже будет нелегко, лучше его восстановить самому.

Ремонт блоков ИБП компьютеров и телевизоров

Для ремонта источника импульсного напряжения понадобится такие инструменты как паяльник с регулировкой температуры, набор отвёрток, кусачки, пинцет, монтажный нож, обычная лампа на 100 Вт. Из материала понадобится припой, флюс, спирт для удаления канифоли кисточкой с паек платы. Из приборов нужен будет мультиметр.

Так как импульсные блоки питания (ИБП) телевизоров и компьютеров имеют стандартные схемы, то и методика обнаружения неисправностей в них будет одинакова. Нарушение работы преобразователя напряжения телевизора можно определить по отсутствию подсветки светодиода.

Блок питания компьютера АТХ

Начинают ремонт с проверки сетевого шнура, снятия блока питания с телевизора, внимательного осмотра элементов и дорожек платы. Ищут вздутые конденсаторы, потемнение дорожек, треснутый корпус алиментов, обугливание сопротивлений, нарушение целостности паек, особенно у выводов импульсного трансформатора.

Если внешних повреждений не найдено мультиметром, проверяют предохранитель, диоды, силовые транзисторы ключей, работоспособность конденсаторов. Когда вы уверены в исправности всех элементов, а устройство не работает, нужно менять микросхему генератора импульсов.

В преобразователе телевизора основные неисправности возникают в балластных резисторах, электролитических конденсаторах низкого напряжения, диодах. Прозвонить их можно не снимая с плат (кроме диодов). После устранения неисправностей припаивают лампу 100 Вт взамен предохранителя и включают.

1. Лампа загорается и гаснет, появляется свечение светодиода спящего режима. Светится экран телевизора. Тогда проверяют напряжение строчной развертки, если оно, выше нормы меняют конденсаторы.
2. Лампа загорается и тухнет, а светодиод не светится, нет растра. Причина, скорее всего в генераторе импульсов. Меряют напряжение на конденсаторе, которое должно находиться в пределах 280 — 300В. Если напряжение ниже, неисправность ищут в диодах или в утечке конденсатора. При отсутствии напряжения на конденсаторе, снова проверяют все цепи высоковольтных источников питания.
3. Лампа горит ярко при неисправности некоторых элементов. Источник напряжения проверяют заново.

С помощью лампы накаливания можно находить вероятные неисправности источника. Для ремонта источника АТХ компьютера, нужно собрать схему нагрузки как на рисунке ниже или подключить к компьютеру. Однако, если неисправность блока АТХ на устранена можно спалить материнскую плату.

Вариант нагрузки для БП компьютера

Внешнее проявление отказа блока ATX может быть, когда не включается материнская плата, вентиляторы не работают или блок пытается многократно включиться. Перед поиском неисправностей устройства нужно пылесосом и кисточкой очистить его от пыли. Также проводится визуальный осмотр элементов, дорожек платы и только после этого включается нагрузка.

Если перегорает предохранитель, тогда подключают лампу накаливания 100 Вт, как при проверке источника напряжения в телевизоре. Когда лампа загорается, но не гаснет, неисправность ищут в конденсаторе, трансформаторе и диодах моста. При целом предохранителе неисправность могла возникнуть в ШИМ контроллере, тогда необходимо заменить устройство. Также многократный запуск источника указывает на неисправность стабилизатора опорного напряжения.

Техника безопасности при ремонте импульсного блока питания

Высокая сторона устройства не имеет гальванической развязки с сетью, поэтому нельзя прикасаться к элементам этой части двумя руками. При касании одной рукой вы получите ощутимый удар током, но это не смертельно. Нельзя проверять элементы, находящиеся под напряжением отверткой, пинцетом.

Высоковольтная схема устройства обозначается широкой полосой, а внутренняя часть мелкими штрихами краски. Устройство имеет высоковольтный конденсатор, который после выключения блока держит опасное напряжение до 3 минут. Поэтому после выключения нужно ждать пока конденсаторы не разрядятся или их разрядить через резистор 3 — 5 Ком. Повысить безопасность при ремонте устройства можно с помощью трансформатора безопасности.

Схема трансформатора безопасности

Этот трансформатор имеет две обмотки на 220 В мощностью до 200 Вт (зависит от мощности ИБП). Такой трансформатор имеет гальваническую развязку с сетью. Первичная обмотка трансформатора включается в сеть, а вторичная с лампой подсоединяется к ИБП. В этом случае вы можете прикасаться к элементам высокой части устройства одной рукой, вы не получите удар током.

Введение.

Мы уже рассматривали классический вариант диагностики импульсного блока питания некоторые моменты мы сознательно опустили, для более простой подачи материала. Практика показала, что у части специалистов возникают вопросы даже после ознакомления с публикацией, постараемся исправить этот пробел. Материал является самостоятельным и строго ориентирован на ремонт блока питания с ШИМ UC3843 (3842,3844,3845). В качестве примера будем рассматривать уже рассмотренный блок питания D-Link JTA0302D-E (5В*2А) выполненного на ШИМ 3843 в виду его классического исполнения.

Схемотехника.

Хотя часть ремонтируемых блоков питания не имеют родных схем, большинство ремонтов блоков питания на ШИМ 3843 (3842,3844,3845) мы выполняем по нижеприведенной принципиальной электрической схеме.

Схема блока питания D-Link JTA0302D-E (5В*2А), такая схемотехника характерна для канонических вариантов схем.

Подобная схема хоть и не соответствует стандартам, но максимально приближена к каноническому варианту исполнения принципиальных электрических схем. Некоторые признаки указывают, что схема была срисована с уже готового блока питания, а значит так ее видит автор. Если бы эту схему рисовали мы, то получился бы несколько другой вариант, по которому проще ремонтировать, схема от немного другого блока питания, несколько сумбурно прорисованы цепи обратной связи, холодная и горячая земля, но все же по ней проще делать диагностику.

Схема блока питания D-Link 5В*2А, такая схемотехника характерна для наглядных пособий по ремонту.

Отличие этих двух схем в элементной базе небольшие, но есть серьёзные различия в исполнении, если первая схема ориентирована на ГОСТ, то вторая схема нарисована специалистом ранее ремонтировавшим подобный блок питания.

Терминология.

Так как материал рассчитан на специалиста, редко занимающегося ремонтом импульсных блоков питания, то поиск по сопутствующим ресурсам или ответы от более опытных коллег, иногда ставят в тупик, вместо того чтобы помочь в решении проблемы. Такое происходит от специфики терминологии используемой в среде специалистов при ремонте блоков питания. Стоит отметить терминология может меняться от региона к региону, например грифлик может называться снаббером, а пусковой конденсатор – конденсатором первого удара.

Схема блока питания D-Link 5В*2А, с небольшими корректировками, для удобства чтения.

Структурная блок схема блока питания D-Link 5В*2А

Что бы не было неоднозначности, конкретно пропишем каждые элементы блок схемы, функционал и особенности диагностики рассмотрим позже.

1.Входной фильтр

Предохранитель F1 (2.25А) тут возможно опечатка или неудачное сокращение, скорее всего имеется ввиду 2А*250В, по функционалу – не занимается фильтрацией, но мы его отнесли к цепям входного фильтра
Терморезистор TR(5 Ом) необходим для «мягкого пуска» блока питания в момент включения и хотя по функционалу – не занимается фильтрацией, мы его отнесли к цепям входного фильтра.
Х-конденсатор XC1 (100 pF*250B), тут стоит обратить внимание – это X конденсатор.
Дроссель L1 – как правило это проволочный дроссель на феррите (не пермаллой), выполненный в виде трансформатора.

2.Входной выпрямитель

Диодный мост DB1-DB4(1N4007)
Конденсатор входного выпрямителя С1(33мкф*400В)

3.Высокочастотный трансформатор

T1.1 Высоковольтная (первичная) обмотка
T1.2 Обмотка для питания ШИМ
T1.3 Низковольтная (вторичная) обмотка

4. Грифлик.

Резистор R1(39кОм) редко бывает в планарном исполнении, так как на нем рассеивается значительная мощность
Конденсатор С2(4700 пФ*2кВ) использование низковольтного конденсатора в этой цепи недопустимо.
Быстродействующий диод VD1(PS1010R) – не смотря на рабочее напряжение конденсатора 2кВ, рабочее напряжение этого диода обычно 1кВ, при хорошем токе в 1А.

5. Выходной выпрямитель.

Диод Шотки VD5-VD6 (SB340) использование диодов Шотки позволяет на малых мощностях обойтись без дополнительных элементов охлаждения.
Конденсаторы LowESR C9, C10 (680 мкФ*10В) использование обычных конденсаторов допустимо, но резко снижает ресурс блока питания, так как эти конденсаторы работают в очень жестком режиме.
Дроссель L2 выполняет двойную функцию является накопителем для конденсатора С20, а так же является элементом фильтра.
Конденсатор С20 (220мкФ*10В) – благодаря дросселю L2 работает в нормальном режиме и особых требований, кроме массогабаритных показателей, к этому конденсатору не предъявляется.
Резистор R21(220 Ом) – формально не является элементом выходного выпрямителя, а служит для быстрого разряда С9,С10, С20, L2.

6. Силовой ключ.

МОП транзистор с n-каналом VT1(P4NK60Z), полевой транзистор на работу с которым рассчитан ШИМ UC3843

7. Токовый датчик.

Резистор R2(1.5 Ом) не смотря на то, что рассеивает значительную мощность, встречается как в планарном так и проволочном исполнении. В случае планарного исполнения набирается путем параллельного соединения нескольких планарных резисторов.

Резистор R8 (300 Ом), R3(750кОм) и С4 (10нФ) мы не хотели добавлять эти элементы в раздел токовый датчик, так как они создают некоторую путаницу в терминологии, ведь под понятием токовый датчик подразумевается именно резистор R2(1.5 Ом) и только он, но слово из песни не выкинешь, так как формально эти элементы так же являются цепями токового датчика, мы вынуждены их упомянуть, тем самым создав некоторую путаницу в терминологии токового датчика.

8. Цепь запуска.

Резистор R4 (300кОм) не смотря на простоту один из самых сложных элементов блока питания, так именно он определяет возможные замены ШИМ на аналоги, именно он выглядит как неисправный элемент, так как он рассеивает значительные мощности, именно при замене этого резистора забывают посмотреть рабочее напряжение резистора, а ведь оно должно быть не менее 400 В, для примера, планарный резистор типоразмера 1206 имеет максимальное рабочее напряжение 250В.

9. Рабочее питание

T1.2 Обмотка для питания ШИМ
Резистор R9 (5.1 Ом) элемент интегрирующей цепи для гашения паразитных выбросов трансформатора, очень неоднозначный элемент – именно неудачный выбор (слишком большой номинал) этого элемента заставляет срываться блок питания на холостом ходу.
Выпрямительный диод VD2 (1N4148) – обыкновенный диод без всяких изысков.
ZD1 (BZX55C20) еще один неоднозначный элемент схемы, о нем мы поговорим попозже и рассмотрим подробнее, на данном этапе лишь укажем его характеристики 20В, 5 мА. Отметим только тот факт, что он доставляет много проблем начинающим ремонтникам.

10.Пусковой конденсатор.

Конденсатор С6 (47мкФ*25В) – без преувеличения можно назвать основным элементом импульсного блока питания. Косвенно, как только механик начинает видеть этот конденсатор только посмотрев на блок питания, можно говорить о квалификации этого ремонтника. Отметим – этот элемент всегда подлежит замене при любом ремонте импульсного блока питания, пренебрежение этой рекомендацией превращает ремонт в борьбу с ветряными мельницами.

11. ШИМ.

U2(UC3843) – не нуждается представлении, отметим только это самый простой в реализации и надежный в эксплуатации ШИМ для своего времени.

12. Драйвер силового ключа.

Резистор R5(150 Ом), рассматриваемая схема самый неудачный пример для рассматривания драйвера силового ключа, так как большинстве своем, драйвер имеет радикальное отличие от рассматриваемого, обычно это резистор номиналом 15-30 Ом.

13. Внешние цепи генератора.

Резистор R11(3кОм) и конденсатор С5(10нФ) задают частоту генерации.

14. Обратная связь.

Делитель на резисторах R22(5.25кОм) и R23(4.87 кОм)
Токоограничивающий резистор R17(470 Ом)
Оптопара гальванической развязки U1.1, U1.2
Регулируемый стабилитрон U3(KA431AZ)
Элементы коррекции цепи обратной связи конденсаторы С12 (1мкФ*50В), С3(10нФ)

Отдельно стоит отметить помехоподавляющий Y конденсатор YC2(2200пФ), но не столько из за его функционала, сколько благодаря ему можно (и нужно) отличать «горячую» и «холодную» землю.

В зависимости от причин и видов возникших поломок, могут потребоваться различные виды инструментов, обязательно необходимо иметь:

• набор отверток с различными типами рабочих наконечников и размерами;
• изоляционная лента;
• пассатижи;
• нож с острым лезвием;
• паяльный аппарат, припой и флюс;
• оплетка, предназначенная для удаления ненужного припоя;
• тестер или мультиметр;
• пинцет;
• кусачки;

В наиболее сложных случаях, когда не удается установить точную причину неполадок, может понадобиться осциллограф.

Ремонт основных неисправностей

После осуществления диагностики, и выявления причин некорректной работы импульсного блока питания, можно приступать к его ремонту:

1. Скопившуюся внутри блока питания пыль можно просто устранить при помощи обычного бытового пылесоса.
2. Если причина была в неисправном предохранителе, то необходимо приобрести новую деталь, которая имеется во всех соответствующих в магазинах. После этого, осуществляется удаление старого элемента и пайка нового предохранителя. Если эта последовательность действий не помогла, и блок питания так и не заработал, то остается отдать его в мастерскую для диагностики при помощи профессиональных видов оборудования, либо просто приобрести новое устройство.
3. Если проблема была в конденсаторах или диодах, то неисправность исправляется по такому же алгоритму: приобретаются новые детали и впаиваются в схему вместо старых элементов.
4. Если проблема неисправности заключалась в дросселе, то его заменять необязательно, поскольку этот элемент можно починить по довольно легкой методике. Дроссель извлекается из блока питания, после чего его потребуется разобрать и начать сматывать обгоревший провод, при этом, важно внимательно считать сматываемые витки. Затем необходимо подобрать аналогичный провод с равным диаметром и намотать его вместо испорченного проводника, осуществляя такое же количество витков, которое было смотано. После осуществления этих действий, дроссель устанавливается обратно на свое место и, если все было сделано правильно, устройство должно функционировать.
5. Термисторы ремонту не подлежат, их просто меняют на новые элементы, чаще всего это осуществляется вместе с предохранителями.
6. Для профилактики, во время ремонта можно извлечь из устройства кулер и смазать машинным маслом, после чего установить его на место.
7. Если на поверхности платы были обнаружены трещины, которые повредили соединение контактов, то их необходимо закрыть при помощи пайки. Таким же образом исправляется любое нарушение контактов в резисторе, индукторе или трансформаторе.

Устройство

Блоки питания подобного типа являются по своей сути разновидностью стабилизаторов напряжения, устройство которых выглядит следующим образом:

1. Сетевой выпрямитель является одним из основных элементов, который необходим для сглаживания возникающих пульсаций. Также, он требуется для поддержания заряда фильтрующих конденсаторов во включенном режиме и непрекращающейся передаче электроэнергии в нагрузку, если напряжение в главной питающей сети упало ниже допустимых для работы параметров. В его конструкцию входят особые разновидности фильтров, позволяющие подавлять большинство возникающих помех.
2. Преобразователь напряжения, основными составными частями которого являются конвертор и контроллер управляющего устройства.
3. Конвертор также имеет сложную структуру, в которую входит трансформатор импульсного типа, инвертор, ряд выпрямителей и стабилизаторов, которые обеспечивают вторичную подпитку и снабжение нагрузки напряжением. Инвертор необходим для изменения формы постоянного выходного напряжения, которое после процесса преобразования становится переменным напряжением с прямоугольной формой. Наличие трансформатора, функционирующего на высоких частотах со значением выше 20 кГц, обусловлено необходимостью поддержания рабочего состояния инвертора в автогенераторном режиме, а также получения напряжения, которое используется для подпитки контроллера, нагрузочных цепей и ряда защитных схем.
4. Контроллер выполняет функции по управлению транзисторным ключом, который входит в состав инвертора. Помимо этого, он стабилизирует параметры напряжения, подаваемого на нагрузку, и защищает устройство в целом от возможных перегрузок и нежелательных перегревов. Если в блоке питания имеется дополнительная функция, обеспечивающая дистанционное управление устройством, то за ее реализацию также отвечает контроллер.
5. Контроллер блоков питания подобного типа состоит из целого ряда функциональных узлов, таких как источник, обеспечивающий его бесперебойным питанием; защитная система; модулятор длительности импульсов; логическая схема для обработки сигналов и формирователь особого вида напряжения, предназначенного для поступления на транзисторы, располагающие в конверторе.
6. В большинстве современных моделей, присутствуют оптроны, используемые в качестве развязки. Они постепенно заменяют собой трансформаторные разновидности развязки, это происходит благодаря тому, что они занимают меньше свободного пространства и обладают возможностью передачи сигналов в гораздо более широком частотном спектре, но при этом требуют значительного количества промежуточных усилителей.

Основные неисправности и их диагностика

Иногда импульсные блоки питания ломаются и их неисправности могут носить самый разный характер, но существует ряд схожих случаев, на основе которых был составлен список наиболее часто встречающихся видов неисправностей:

1. Нежелательное попадание внутрь устройства пыли, особенно строительной.
2. Выход из строя предохранителя, чаще всего эта проблема вызывается другой неисправностью – выгоранием диодного моста.
3. Отсутствие выходного напряжения при работоспособном и исправном предохранителе. Данная проблема может быть вызвана различными причинами, наиболее часто ими является поломка выпрямительного диода, либо перегорание фильтрационного дросселя в низковольтной области схемы.
4. Выход из строя конденсаторов, чаще всего это случается по следующим причинам: потеря емкости, приводящая к плохому качеству фильтрации напряжения на выходе и повышению уровня рабочих шумов; чрезмерное увеличение параметров последовательного сопротивления; короткое замыкание внутри устройства или разрыв внутренних выводов.
5. Нарушение соединений контактов, которое чаще всего вызывается трещинами в плате.

В зависимости от разных ситуаций, эта процедура имеет свои особенности:

1. Осмотреть блок питанияв целом на наличие скопившейся в нем пыли, которая может быть причиной его некорректной работы.
2. Проверить главную плату на наличие на ее поверхности трещин.
3. Проведение визуального осмотра основной платы блока питания позволяет определить состояние предохранителей. Заметить поломку будет достаточно просто, этот элемент устройства вздуется или полностью разрушится в случае пробоя. Также рекомендуется сразу провести комплексную проверку силового моста, конденсатора фильтра и всех силовых ключей.
4. Если предохранитель находится в исправном состоянии, то необходимо проверить дроссель и электролитные конденсаторы, неисправности также элементарно выявляются визуальным методом по возникшим деформациям либо вздутиям. Сложнее осуществляется диагностика диодного моста или отдельных диодов, их потребуется выпаять из схемы и отдельно проверить при помощи тестера или мультиметра.
5. Проверка конденсатором также осуществляется визуальным методом, поскольку возникшие перегревы могли расплавить электролит и разрушить их корпусы, или при помощи специального прибора, предназначенного для измерения уровня их емкости, если внешних неисправностей выявлено не было.
6. Провести осмотр термистора, который подвержен частым поломкам из-за скачков напряжения или перегревов. Если его поверхность стала черной, а сам он разрушается от легких прикосновений, значит, причина неполадок именно в нем.
7. Проверить контакты всех оставшихся элементов (резистора, трансформатора, индуктора) на возможные нарушения соединения.

Советы

Дополнительно при осуществлении диагностики или ремонта импульсных блоков питания рекомендуется следовать следующим советам:

1. Осуществление самостоятельного ремонта подобных устройств является довольно сложным процессом, который требует определенных навыков и знаний, даже если в наличии имеются подробные инструкции. Поэтому, если отсутствует уверенность в своих силах, лучше обратиться к квалифицированному мастеру, чтобы не нанести блоку питания еще более серьезные поломки.
2. Перед началом осуществления любых действий с импульсным блоком питания, его необходимо отключить от электросети. При этом, нажатие соответствующей клавиши на самом устройстве не гарантирует полной безопасности во время ремонта, поэтому необходимо осуществить отключение силового шнура.
3. После того, как блок питания был полностью обесточен, необходимо выждать около 10-15 минут перед началом каких-либо работ. Это время требуется для полной разрядки конденсаторов на плате.
4. Если требуется проведение паяльных работ, то их необходимо осуществлять крайне осторожно, поскольку перегрев места пайки может вызвать отслоение дорожек, а также существует риск их замыкания припоем. Лучше всего, для этих целей подходят паяльные аппараты с параметром мощности, находящимся в диапазоне 40-50Вт.
5. Сбор блока питания после окончания ремонта, допускается производить только после внимательного осмотра мест пайки, в частности, требуется проверка замыкание припоем между дорожками.
6. Рекомендуется обеспечить импульсному блоку питания качественную вентиляцию и охлаждение, которые защитят его загрязнений и перегревов, что минимизирует возможные поломки. Также, не допускается перекрытие вентиляционных отверстий на устройстве.

Как сделать импульсные блоки питания своими руками

Как отремонтировать и доработать импульсный блок питания китайского производства на 12 вольт

Хочу начать с того, что ко мне в руки попали несколько сгоревших и кем-то уже «поремонтированных» блоков питания 220/12 В. Все блоки были однотипными – HF55W-S-12, поэтому, забив в поисковике название, я надеялся найти схему. Но кроме фотографий внешнего вида, параметров и цен на них, ничего не нашел. Поэтому пришлось схему рисовать самому с платы. Схема рисовалась не для изучения принципа работы БП, а исключительно в ремонтных целях. Поэтому сетевой выпрямитель не нарисован, так-же я не распиливал импульсный трансформатор и не знаю в каком месте сделан отвод (начало-конец) на 2 обмотке трансформатора. Так же не надо считать опечаткой С14 -62 Ома, – на плате маркировка и разметка под электролитический конденсатор (+ показан на схеме), но везде на его месте стояли резисторы номиналом 62 Ома.

При ремонте подобных устройств их нужно подключать через лампочку (лампа накаливания 100-200 Вт, последовательно с нагрузкой), что-бы в случае КЗ в нагрузке, не вышел из строя выходной транзистор и не погорели дорожки на плате. Да и вашим домочадцам спокойнее, если вдруг внезапно не погаснет свет в квартире.
Основной неисправностью является пробой Q1 (FJP5027 – 3 А,800 В, 15 мГц) и как следствие – обрыв резисторов R9, R8 и выход из строя Q2 (2SC2655 50 В\2 А 100 мГц). На схеме они выделены цветом. Q1 можно заменить любым подходящим по току и напряжению транзистором. Я ставил BUT11, BU508. Если мощность нагрузки не будет превышать 20 Вт можно ставить даже J1003, которые можно найти на плате от перегоревшей энергосберегающей лампы. В одном блоке совсем отсутствовал VD-01 (диод шоттки STPR1020CT -140 В\2х10 А) я поставил вместо него MBR2545CT (45 В\30 А), что характерно, он вообще не греется на нагрузке 1,8 А (использовалась лампа автомобильная 21 Вт\12 В). А родной диод за минуту работы (без радиатора) разогревается так, что рукой невозможно дотронуться. Проверил потребляемый устройством (с лампой 21 Вт) ток с родным диодом и с MBR2545CT – ток (потребляемый из сети, у меня напряжение 230 В) понизился с 0,115 А до 0,11 А. Мощность снизилась на 1,15 Вт, я считаю, что именно столько рассеивалось на родном диоде.
Заменить Q2 было нечем, под рукой нашелся транзистор С945. Пришлось “умощнить” его схемой с транзистором КТ837 (рис 2) . Ток остался под контролем и при сравнении тока с родной схемой на 2SC2655, получилось ещё снижение потребляемой мощности c той же нагрузкой на 1 Вт.

В результате, при нагрузке 21 Вт и при работе в течении 5 мин, выходной транзистор и выпрямительный диод (без радиатора) нагреваются градусов до 40 (чуть тёплые). В первоначальном варианте, через минуту работы без радиатора, до них нельзя было дотронуться. Следующим шагом к повышению надёжности блоков сделанных по этой схеме – это замена электролитического конденсатора С12 (склонного к высыханию электролита со временем) на обычный неполярный -неэлектролитический. Таким же номиналом 0,47 мкФ и напряжением не ниже 50 В.
С такими характеристиками БП, теперь можно смело подключать светодиодные ленты, не боясь что КПД блока питания ухудшит эффект экономичности светодиодного освещения.

Устанавливаются во многих электроприборах. Основным их элементом принято считать катушку индуктивности. По своим параметрам она может довольно сильно отличаться, и в первую очередь это связано с пороговым напряжением в сети.

Дополнительно следует учитывать мощность самого прибора. Сделать простой блок питания в домашних условиях довольно просто. Однако в данном случае необходимо уметь рассчитывать показатель частотной модуляции. Для этого учитывается вектор прерывания в сети и параметр интеграции.

Как сделать блок для компьютера?

Для того чтобы собирать импульсные блоки питания своими руками для компьютеров, потребуются катушки индуктивности средней мощности. Частотный сдвиг в данном случае будет полностью зависеть от типа используемых конденсаторов. Дополнительно перед началом работы следует рассчитать показатель модуляции. При этом важно учесть пороговое напряжение в системе.

Если параметр модуляции находится в районе 80 %, то конденсаторы можно использовать с емкостью менее 4 пФ. Однако следует позаботиться о наличии мощных транзисторов. Основной проблемой данных блоков принято считать перегрев обмотки катушки. При этом человек может наблюдать небольшую задымленность. Ремонт импульсного блока питания в данном случае следует начинать с отключения в первую очередь всех конденсаторов. После этого контакты необходимо тщательно зачистить. Если в конечном счете проблема будет не устранена, катушку индуктивности придется полностью заменить.

Модель на 3 В

Сделать импульсные блоки питания своими руками на 3 В можно используя обычные катушки индуктивности серии РР202. Показатели проводимости у них находятся на среднем уровне. В данной ситуации параметр модуляции в системе не должен превышать 70 %. В противном случае пользователь может столкнуть с частотным сдвигом, который будет происходить в блоке.

Дополнительно важно подбирать конденсаторы с емкостью не менее 5 пФ. Принцип работы импульсного блока питания данного типа основывается на смене фазы. При этом нередко специалистами дополнительно устанавливаются преобразователи. Все это необходимо для того, чтобы промежуточная частота была как можно меньше. Кулеры на блоки данного типа монтируются крайне редко.

Устройство на 5 В

Чтобы сделать импульсные блоки питания своими руками, необходимо обязательно подобрать выпрямитель, исходя из мощности электроприбора. Конденсаторы в данном случае используются с емкостью до 6 пФ. При этом дополнительно в приборе устанавливаются попарно транзисторы. Это необходимо для того, чтобы показатель модуляции как минимум вывести на уровень 80 %.

Все это позволит повысить также параметр индуктивности. Проблемы данных блоков чаще всего связаны именно с перегревом конденсаторов. При этом на катушку особого напряжения не оказывается. Ремонт импульсного блока питания в данном случае следует начинать стандартно — с зачистки контактов. Только после этого устанавливается более мощный преобразователь.

Что понадобится для блока на 12 В?

Стандартная схема импульсного блока питания данного типа включает в себя катушку индуктивности, конденсаторы, а также выпрямитель вместе с фильтрами. Параметр модуляции в этом случае значительно зависит от показателя предельной частоты. Дополнительно важно учитывать скорость интегрального процессора. Транзисторы для блока данного типа в основном подбираются полевого вида.

Конденсаторы необходимы только с емкостью на уровне 5 пФ. Все это в конечном счете позволит значительно понизить риск термального повышения в системе. Катушки индуктивности устанавливаются, как правило, средней мощности. При этом обмотки для них обязательно должны использоваться медные. Регулируется импульсный блок питания 12В за счет специальных контролеров. Однако многое в данной ситуации зависит от типа электроприбора.

Блоки с фильтрами ММ1

Схема импульсного блока питания с фильтрами данной серии включает в себя, помимо катушки индуктивности, выпрямитель, конденсатор и резистор вместе с преобразователем. Использование фильтров в устройстве позволяет значительно сократить риск термального повышения. При этом чувствительность модели повышается. Коэффициент модуляции в этом случае напрямую зависит от прерывания сигнала.

Для повышения порогового напряжения специалисты резисторы рекомендуют применять только полевого типа. При этом емкость конденсатора минимум должна быть на уровне 4 Ом. Основной проблемой таких устройств принято считать повышение отрицательного сопротивления. В результате все резисторы на плате довольно быстро выгорают. Ремонт блока в такой ситуации необходимо начинать с замены внешней обмотки катушки индуктивности. Дополнительно следует проверить полярность резисторов. В некоторых случаях повышение отрицательного сопротивления в цепи связано с увеличением диапазона частоты. В данном случае целесообразнее поставить более мощный преобразователь.

Как собрать блок с выпрямителем?

Чтобы сделать импульсные блоки питания своими руками с выпрямителем, транзисторы понадобятся закрытого типа. При этом конденсаторов в системе должно быть предусмотрено как минимум четыре единицы. Минимальная их емкость обязана находиться на уровне 5 пФ. Принцип работы импульсного блока питания данного типа основывается на изменении фазы тока. Происходит данный процесс непосредственно за счет преобразователя. Фильтры у таких моделей устанавливаются довольно редко. Связано это в большей степени с тем, что пороговое напряжение вследствие их использования значительно повышается.

Модели со сглаживающими фильтрами

Схема импульсного блока питания 12В со сглаживающими фильтрами конденсаторы предусматривает с емкостью как минимум в 4 пФ. За счет этого показатель модуляции должен находится на уровне 70 %. Для того чтобы стабилизировать процесс преобразования, многие используют резисторы только закрытого типа. Пропускная способность у них довольно малая, однако проблему они решают. Принцип импульсного блока питания основывается на изменении фазы устройства. Фильтры у него чаще всего устанавливаются сразу возле катушки.

Блоки повышенной стабилизации

Сделать блок данного типа можно используя катушку индуктивности только большой мощности. При этом конденсаторов в системе должно быть как минимум пять единиц. Также следует заранее подсчитать количество необходимых резисторов. Если преобразователь используется в блоке низкочастотный, то резисторов необходимо использовать только два. В противном случае они устанавливаются также и на выходе. Фильтры для данных систем применяются самые разнообразные.

В этой ситуации многое зависит от показателя модуляции. Основной проблемой таких систем принято считать перегрев резисторов. Происходит это из-за резкого повышения порогового напряжения. При этом преобразователь также выходит из строя. Ремонт блока в такой ситуации необходимо начинать также с зачистки контактов. Только после этого можно проверить уровень отрицательного сопротивления. Если данный параметр превышает 5 Ом, то необходимо полностью заменить все конденсаторы в устройстве.

Модели с конденсаторами РС

Сделать блоки с конденсаторами данной серии можно довольно просто. Резисторы для них используются только закрытого типа. При этом полевые аналоги значительно снизят параметр модуляции до 50 %. Катушки индуктивности с конденсаторами применяются средней мощности. Прерывание сигнала в данном случае напрямую зависит от скорости возрастания предельного напряжения. Преобразователи в устройствах используются довольно редко. В данном случае интегрирование происходит за счет изменения положения резистора.

Устройства с конденсаторами СХ

Сделать блоки данного типа можно только на резисторах закрытого типа. Катушки индуктивности на них можно устанавливать различной мощности. В данном случае параметр модуляции зависит исключительно от порогового напряжения. Если рассматривать модели для телевизоров, то блок лучше всего делать сразу с системой фильтрации. В данном случае низкочастотные помехи будут отсеиваться сразу на входе. Конденсаторов в устройстве должно быть предусмотрено как минимум пять. Емкость их в среднем обязана составлять 5 пФ.

Если устанавливать их непосредственно возле катушки индуктивности, то лучше всего использовать дополнительно многослойный конденсатор. Контролеры в данном случае устанавливаются только поворотного типа. При этом регулировка импульсного блока питания будет происходить довольно плавно.

Как сделать блок с синазным дросселем?

Схема импульсного блока питания 12В с синазным дросселем включает в себя катушку, конденсатор, а также преобразователь. Последний элемент подбирается исходя из уровня отрицательного сопротивления в цепи. Также важно заранее рассчитать параметр предельной частоты. В среднем он должен быть не ниже 45 Гц. За счет этого стабильность системы значительно повысится. Работа импульсного блока питания данного типа основывается на изменении фазы за счет повышения модуляции.

Блоки с применением керамических конденсаторов

Сделать мощный импульсный блок питания с керамическими конденсаторами довольно сложно из-за высокого сопротивления цепи. В результате встретить такие модификации на сегодняшний день проблематично. Как правило, они изредка применяются на различном аудиоборудовании. Резисторы в данном случае подходят только полевого типа. Также следует заранее подбирать качественный преобразователь. Обмотка на нем должна быть только медная.

При этом витки обязаны быть направлены как сверху вниз, так и снизу вверх. Прерывание сигнала в данном случае напрямую зависит от скорости процесса преобразования. Если температура в системе повышается довольно быстро, в первую очередь страдают именно конденсаторы. При этом дымок над платой появляется довольно часто. В таком случае ремонт блока следует начинать с замены конденсаторов. После этого проверяется пороговое напряжение на внешней обмотке катушки индуктивности. Завершать работы следует с зачистки контактов.

Модели с каплевидными конденсаторами

Принцип работы блоков с каплевидными конденсаторами стандартно заключается в изменении фазы. При этом преобразователь в процессе играет ключевую роль. Для стабильной работы системы параметр отрицательного сопротивления должен находиться на уровне не ниже 5 Ом. В противном случае конденсаторы перегружаются. Катушку индуктивности в данном случае можно использовать любую. При этом параметр модуляции обязан находиться в районе 70 %. Резисторы для таких блоков используются только векторные. Проходимость тока у них довольно высокая. При этом стоят они на рынке дешево.

Применение варисторов

Варисторы в маломощных блоках используются крайне редко. При этом они способны значительно повысить стабильность работы прибора. Устанавливаются данные элементы, как правило, возле катушки индуктивности. Скорость процесса интегрирования в данном случае зависит напрямую от типов конденсаторов. Если использовать их с предельной емкостью на уровне 5 пФ, то коэффициент модуляции будет находиться на уровне 60 %.

Прерывание сигнала в данном случае может происходить из-за сбоев преобразователя. Ремонт блока необходимо начинать с обследования состояния контактов. Только после этого проверяется целостность обмотки катушки индуктивности. Контролеры для таких блоков подходят самые разнообразные. Кнопочные варианты следует рассматривать в последнюю очередь. Регулирование блока при этом будет зависеть во многом от проводимости контактов.

Импульсные блоки питания на 12В сегодня все чаще применяются в быту. С их помощью заряжаются различные виды аккумуляторных батарей, реализуются некоторые виды освещения, даже бесперебойное электрическое питания для компьютерных и других сетей. Конечно, самый простой способ обзавестись необходимым импульсным блоком питания – это купить его в магазине. К примеру, импульсный блок питания на tl494.

Но нас интересует возможность собрать этот прибор своими руками. Итак, импульсный блок питания – схема, детализация и рекомендации по его сборке.

Если рассматривать структурную схему, то состоит она из четырех элементов:

• Сетевой выпрямитель.
• Выпрямитель напряжения.
• Система управления.

Структура блока питания показана на нижнем рисунке.

Итак, какие функции выполняет каждый из этих элементов. Сетевой выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. То есть, происходит сглаживание пульсации напряжения. Высокочастотный преобразователь, наоборот, преобразует постоянное напряжение в переменное. При этом форма импульсов становится, во-первых, прямоугольной, во-вторых, с необходимой амплитудой.

Выпрямитель напряжения частично сглаживает напряжение. Кстати, в некоторых блоках питания этот элемент отсутствует, электрический ток поступает сразу на сглаживающий фильтр, который своим выходом соединяется с нагрузкой. На схеме показано, что система управления связана и с высокочастотным преобразователем, и с выпрямителем напряжения. Все дело в том, что управление ВЧП происходит за счет обратной связи с выпрямителем.

Эта структурная схема простого импульсного блока питания на 12В, кстати, имеет большое количество критиков, которые уверяют, что коэффициент полезного ее действия достаточно мал. В принципе, так оно и есть, но если правильно подойти к подбору всех элементов, если правильно провести расчеты, то импульсные блоки питания этого типа будут обладать КПД не ниже 90%. А это уже кое-что, да и значит.

Принципиальные схемы

Итак, в основе сборки импульсного блока питания лежит не только принципиальная схема, а точнее, ее обоснованный выбор, но и выбор ее основных элементов. В принципе, в данном случае необходимо точно подобрать два элемента:

• Выпрямитель напряжения.

О них и пойдет речь.

По сути, это длинное название можно заменить коротким – инвертор. Он бывает одно- или двухтактным, в котором используется импульсный трансформатор. Вот несколько схем этого элемента:

Схема высокочастотного преобразователя

Самая простая схема, в которой установлен только трансформатор, однотактная (первая позиция). Именно простота создает некоторые недостатки:

• Необходима установка трансформатора большого размера, потому что этот прибор действует по частной петле гистерезиса.
• Чтобы мощность тока на выходе была большой, надо увеличить его импульсную амплитуду.

Поэтому данная схема чаще всего применяется в блоках питания для маломощных приборов, где влияние этих недостатков не будет сказываться на работе самого прибора.

Вторая позиция – это схема двухтактная, которая носит название пушпульная. Здесь нет недостатков однотактной, но и у нее есть свои минусы: повышенные требования к максимальному значению напряжения ключей и более сложная конструкция самого трансформатора.

Третья позиция – двухтактная полумостовая. По сути, это предыдущая модель только с упрощенным трансформатором. Именно этот критерий стал основой импульсных источников питания, которые используются для электрических приборов мощностью не больше 3 кВт.

Четвертая позиция – мостовой импульсный блок питания. В нем увеличено количество силовых ключей в два раза, что дает возможность увеличить мощность. А этой выгодно и с технической точки зрения, и с экономической.

Выбор трансформатора

Импульсный блок питания, а точнее сказать, его мощность, будет зависеть от выбранного вида трансформаторного сердечника. Для источников питания до 1 кВт устанавливается трансформатор с ферритовым сердечником.

Внимание! Необходимо помнить, что в трансформаторах с ферритовым сердечником происходят большие потери напряжения, если его частота будет приближаться к 100 Гц.

Выпрямитель напряжения

Существует три основные схемы выпрямления напряжения номиналом 220 вольт.

• Однополупериодная.
• Двухполупериодная.
• Нулевая или, как и предыдущая, только со средней точкой.

Первая схема самая простая, в которой используется минимальное количество полупроводниковых элементов. Единственный ее минус – это высокая пульсация напряжения на выходе. Хотя можно было бы добавить и небольшой коэффициент выпрямления (0,45), поэтому, используя эту схему, придется устанавливать мощный фильтр.

Нулевая является обладателем высокого коэффициента выпрямления – 0,9. Правда, при этом необходимо увеличить число диодов выпрямления практически в два раза. Недостаток – наличие сетевого трансформатора. То есть, его габаритные размеры мало связаны с понятием малогабаритных приборов, тем более, когда это касается импульсного блока питания.

Третья позиция – это одно и то же, что и вторая, только без трансформатора. Его заменяет емкостной фильтр, который имеет свой недостаток – это высокий импульс выходного тока. Правда, данный недостаток не критичен.

Заключение по теме

Как видите, принципиальная схема для импульсных блоков питания имеет несколько разновидностей. Но чтобы каждая из них работала корректно, необходимо правильно подобрать ее составляющие. Конечно, все это не так просто как может показаться на первый взгляд, но если принять во внимание наши рекомендации, то можно самостоятельно собрать небольшой мощности блок, к примеру, для освещения помещений LED-лампами.

Похожие записи:

Учебное пособие по источникам питания

— SMPS

БЛОК-ДИАГРАММА И ОСНОВНАЯ ТЕОРИЯ РАБОТЫ

<------------------------------------------------- -------------------------------------------------- ------------------->

Источник питания в целом представляет собой устройство, которое передает электрическую энергию от источника к нагрузке с помощью электронных схем. В процессе он изменяет энергетические характеристики в соответствии с конкретными требованиями. Практически каждое электронное оборудование требует преобразования энергии в той или иной форме.Типовой блок питания (БП) выполняет следующие основные функции:

• Изменение вида электроэнергии. Например, электричество из сети передается в виде переменного тока, в то время как электронные схемы нуждаются в постоянном токе низкого уровня;
• Регламент. Номинальное сетевое напряжение варьируется во всем мире от 100 до 240 В переменного тока и обычно плохо регулируется, в то время как для печатных плат обычно требуются хорошо стабилизированные фиксированные напряжения;
• Защитная изоляция. В большинстве случаев низковольтные выходы должны быть изолированы от входа.

Кстати, термин «блок питания» не самый адекватный. Блок питания, конечно, не «подает» питание (за исключением коротких периодов времени, когда он работает от внутренней памяти), он только преобразует его. Его типичное применение — преобразование переменного тока электросети в требуемую регулируемую шину (и) постоянного тока. В зависимости от режима работы полупроводников преобразователи могут быть линейными или переключаемыми.

ЧТО ТАКОЕ ИИП

SMPS расшифровывается как импульсный блок питания. В таком устройстве электронные компоненты управления мощностью непрерывно «включаются» и «выключаются» с высокой частотой, чтобы обеспечить передачу электроэнергии через компоненты накопителя энергии (катушки индуктивности и конденсаторы).Изменяя рабочий цикл, частоту или относительную фазу этих переходов, можно управлять средним значением выходного напряжения или тока. Диапазон рабочих частот коммерческих блоков питания обычно варьируется от 50 кГц до нескольких МГц (см. Подробнее о выборе частоты). На рынке представлено множество стандартных источников питания переменного и постоянного тока, которые подходят практически для любого применения. Существует также множество модулей DC-DC, которые вы можете использовать в качестве строительных блоков для построения архитектуры вашей системы и которые можно рассматривать как компоненты.Поэтому в настоящее время большинство производителей электроники не разрабатывают свои блоки питания самостоятельно — они либо покупают их в готовом виде, либо заказывают услуги по проектированию и производству у ODM.
Ниже представлена ​​принципиальная принципиальная схема типичного автономного ИИП. Это руководство познакомит вас с его основными операциями.

КАК РАБОТАЕТ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ (SMPS)

Электропитание переменного тока сначала проходит через предохранители и сетевой фильтр. Затем он выпрямляется двухполупериодным мостовым выпрямителем. Выпрямленное напряжение затем подается на предварительный регулятор коррекции коэффициента мощности (PFC), за которым следует преобразователь постоянного тока в постоянный ток, расположенный ниже по потоку.Большинство компьютеров и небольших устройств используют входной разъем типа IEC. Что касается выходных разъемов и распиновки, за исключением некоторых отраслей, таких как ПК и CompactPCI, в целом они не стандартизированы и оставляются на усмотрение производителей.

F1 и F2, показанные слева на принципиальной схеме, являются предохранителями. О них знают все, но у некоторых складывается впечатление, что предохранитель срабатывает сразу после того, как приложенный ток превышает его номинал.

Если бы это было так, ни один блок питания не работал бы из-за кратковременных пусковых токов.На самом деле предохранитель предназначен для физического размыкания цепи, когда ток, протекающий через него, превышает его номинал в течение определенного периода времени . Это время очистки зависит от степени перегрузки и является функцией I ² t . Из-за этой задержки предохранители не всегда защищают электронные компоненты от катастрофического отказа, вызванного некоторыми неисправностями. Их основная цель — защитить входящую линию от перегрузки и перегрева, избежать срабатывания внешнего автоматического выключателя и предотвратить возгорание, которое может быть вызвано компонентами, вышедшими из строя в результате короткого замыкания.
Фильтр нижних частот EMI предназначен для снижения до приемлемого уровня высокочастотных токов, возвращающихся в сеть переменного тока. Это необходимо для предотвращения помех другим устройствам, подключенным к той же электропроводке. Существует ряд стандартов (например, EN55022 для оборудования информационных технологий), которые регулируют максимальный уровень электромагнитных помех.
За фильтром следует выпрямитель, который преобразует биполярные формы сигналов переменного тока в униполярные пульсирующие. Он имеет четыре диода в виде моста для обеспечения одинаковой полярности выхода для обеих полярностей входа.

Предварительный регулятор PFC

. Выпрямленное входное напряжение подается на следующий каскад, основная цель которого — увеличить коэффициент мощности (PF). По определению, коэффициент мощности — это соотношение между ваттами и вольт-амперами. При этом преобразователь PFC обычно повышает напряжение до 370-400 В постоянного тока и обеспечивает регулируемое звено постоянного тока. Существуют также конструкции, в которых «повышающий» выход следует за пиком входного переменного напряжения, а не фиксируется, или где понижающий преобразователь используется вместо повышающего.

Существует два основных типа схем коррекции коэффициента мощности — активные и пассивные.Ниже представлена ​​блок-схема активного каскада PFC. Вот как это работает. Контроллер PFC контролирует как напряжение на измерительном резисторе, так и Vboost . Регулируя «Vboost», он одновременно контролирует форму входного тока, так что он находится в фазе с сетевым переменным током и повторяет свою форму волны. Без этого ток будет подаваться на SMPS короткими импульсами высокого уровня с высоким содержанием гармоник. Гармоники не передают реальной энергии нагрузке, но вызывают дополнительный нагрев в проводке и распределительном оборудовании.Они также снижают максимальную мощность, которую можно получить от стандартной настенной розетки, поскольку автоматические выключатели рассчитываются по электрическому току, а не по ваттам. Существуют различные правила , которые ограничивают содержание входных гармоник, например EN61000-3-2 (для оборудования, подключенного к низковольтным распределительным сетям общего пользования) или DO-160 (для бортового оборудования). Чтобы удовлетворить эти требования, вы должны использовать метод коррекции коэффициента мощности: устройство с высоким коэффициентом мощности потребляет почти синусоидальный ток от источника (на синусоидальном входе).Это автоматически приводит к низкому содержанию гармоник. В настоящее время не существует обязательных международных стандартов, которые конкретно регулируют коэффициент мощности электронного оборудования, но существуют различные национальные и отраслевые стандарты, а также программы добровольного стимулирования. Например, программы 80 PLUS® и Energy Star® требовали, чтобы компьютеры демонстрировали коэффициент мощности> 0,9 при номинальной нагрузке. Вы можете узнать больше об активной коррекции коэффициента мощности в этом руководстве по PFC.
Вышеупомянутые стандарты также определяют минимальную эффективность определенных классов электронных устройств.Эффективность блока питания по определению — это соотношение между значениями выходной и входной мощности: Эффективность = Pout / Pin . Обратите внимание, что поскольку Pin = VA * PF и поскольку у любой реальной активной цепи коэффициент мощности <1, вы не можете просто умножить входные вольты и амперы - для измерения Pin вам понадобится настоящий ваттметр.

Последующий преобразователь постоянного тока в постоянный работает от выхода PFC, генерирует набор шин постоянного тока, необходимых для нагрузки, и обычно также обеспечивает изоляцию входа и выхода. В преобразователях постоянного тока используется ряд топологий.На приведенной выше блок-схеме изображен изолирующий прямой преобразователь. В большинстве низковольтных неизолированных преобразователей используются понижающие стабилизаторы (однофазные или многофазные с чередованием). Также существует большое количество ИС с ШИМ, подходящих для каждой из этих топологий. Выбор правильной топологии питания зависит от конкретных требований к продукту (включая факторы стоимости и времени).

Наконец, вспомогательное питание обеспечивает «смещение» для всех схем управления. Он также может обеспечивать отдельное резервное напряжение (SBV), которое остается активным, когда блок PS выключается по любой причине.В сегодняшних компьютерных источниках питания SBV 5 В постоянного тока является стандартной функцией.

Если вы хотите изучить практическое проектирование блоков питания, вы можете начать с книг для семинаров Unitrode, где вы найдете исчерпывающую коллекцию руководств по источникам питания, практических схематических диаграмм и руководств.

ССЫЛКИ :
Источники питания Spice моделирования и практические разработки;
Справочное руководство по SMPS с указаниями по применению основных регуляторов.
Импульсные источники питания

— обзор

1.1 Тенденция развития систем силовой электроники — влияние на силовые устройства следующего поколения

В последние несколько десятилетий силовые устройства были основной технологией, позволяющей разрабатывать силовые преобразователи. С середины прошлого века до 1980-х годов (как показано на рис. 1.1) выпрямители, тиристоры, GTO и биполярные транзисторы внесли значительный вклад в создание силовых электронных преобразователей для управления потоком электрической энергии от источника к нагрузке. . В последующие два десятилетия, с 1980 по 2000 год, на рынке появились силовые устройства с МОП-управлением с превосходными электрическими характеристиками, которые заменили предыдущее поколение биполярных компонентов во многих приложениях.Их превосходное поведение в открытом состоянии, выдающиеся динамические характеристики, управляемость и характеристики короткого замыкания преобладали в качестве преимуществ при разработке систем силовой электроники. Это новое поколение силовых устройств основано на кремниевом материале, как и биполярные устройства в предыдущие десятилетия. Однако из-за тонко структурированной технологии этих устройств, их размера и высокой плотности ячеек возникла необходимость в производственных линиях, совместимых с ИС. Это был первый технологический прорыв в технологиях производства силовых устройств, и несколько малых и средних производителей полупроводников не смогли покрыть расходы на новые ИС-совместимые объекты.Эти новые типы устройств, такие как Power MOSFET (представленный на рынке в 1979 году) и IGBT (представленный в 1985 году), открыли новую область для разработок преобразователей мощности. В этой первой технологической вехе [1] (как показано на рис. 1.2), инициированной устройствами с МОП-управлением, такими как силовой MOSFET и IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), появилось несколько новых топологий схем, основанных на многоуровневых технологиях или технологиях чередования, а также новые стратегии управления были разработаны с целью реализации высокодинамичных и высокоэффективных преобразователей энергии.

Рис. 1.1. Тенденции в области силовых полупроводниковых технологий: производительность → вывод на рынок → серийное производство; жизненный цикл технологии силовых устройств; возможна замена устройств на базе Si на устройства на базе WB.

Источник: ABB, ECPE (Л. Лоренц).

Рис. 1.2. Упрощенные технологические вехи для преобразователей энергии.

Источник: ETH Zürich (проф. Колар), семинар ECPE.

Однополярный силовой полевой МОП-транзистор с очень коротким временем переключения поднял частоту переключения до 100 кГц и произвел революцию в области импульсных источников питания (SMPS) в потребительских и вычислительных приложениях, а также в информационных и коммуникационных технологиях.Однако сопротивление этих силовых транзисторов в открытом состоянии очень сильно зависит от легирования и толщины дрейфовой области для переноса электронного тока между клеммами нагрузки и ограничивает допустимое эффективное напряжение до номинального напряжения ниже 600 В. В отличие от этого поведения, биполярный транзистор с МОП-управлением (IGBT) с его сильной модуляцией несущей во включенном состоянии практически неограничен по номинальному напряжению и произвел революцию во всех промышленных приложениях, таких как управление двигателями, системы ИБП, тяговые приводы в железные дороги, морские суда, электромобили и т. д.и технологии возобновляемых источников энергии, включая транспортировку и распределение энергии. Их выдающиеся электрические и тепловые характеристики наряду с легко управляемыми характеристиками делают их удобными для использования системными инженерами, так что всего за два-три десятилетия (как показано на рис. 1.1) «старое поколение» биполярных устройств было заменено на большинство областей применения. На основе этих технологических достижений стали очевидны основные движущие факторы будущего развития силовых электронных систем, которые были изложены в [2, 3]:

•

Энергоэффективность → для защиты окружающей среды.

•

Плотность мощности → для уменьшения веса / объема.

•

Надежность → для достижения нулевого дефекта конструкции компонентов и систем.

•

Пассивные устройства → Чтобы использовать преимущества высокой частоты, необходимы новые материалы для магнетиков и электролитов.

•

Трехмерная интеграция → Интеллектуальные технологии упаковки и трехмерная системная интеграция (активные устройства, пассивные устройства и эффективные системы охлаждения) для миниатюризации системы.

Чтобы удовлетворить эти требования (как показано на рис. 1.2), за последнее десятилетие с 2000 по 2010 год устройства с МОП-управлением были усовершенствованы в направлении более высокой частоты переключения, большей прочности даже при повышенной рабочей температуре, а также выдающихся перегрузок и возможности короткого замыкания. Для разработки системы это был начальный период цифровизации для достижения большей гибкости на системном уровне, точного и высокоэффективного управления мощностью для нагрузки, а также значительного сокращения системных компонентов.На уровне устройств было реализовано новое поколение «IGBT-транзисторов с полевым затвором» для дальнейшего сокращения потерь в открытом состоянии и динамических потерь, что повысило надежность устройства даже при более высокой плотности мощности и повышенной частоте коммутации. Униполярные устройства с их выдающимися характеристиками переключения были значительно улучшены за счет разработки принципа компенсации несущей [4]. В области низкого напряжения U _br ≤ 250 В основной принцип, лежащий в основе резкого перехода R _{ds (on)} ⁎ A — это компенсация избыточных носителей в области дрейфа.Для силового полевого МОП-транзистора высокого напряжения 300 В ≤ U _br ≤ 900 В площадь указанного резистора в открытом состоянии может быть значительно уменьшена за счет реализации принципа сверхперехода, основанного на компенсации несущей во всем слое дрейфа. Такая структура позволяла увеличить легирование в дрейфовой области примерно на порядок без потери блокирующей способности [4]. Благодаря внедрению этой совершенно новой технологии устройства частота коммутации может быть увеличена до 1 МГц, что повысит удельную мощность и эффективность.MOSFET с суперпереходом заменил традиционную технологию MOSFET с высокими характеристиками и большим производственным объемом, как показано на рис. 1.1.

В текущем десятилетии (как показано на рис. 1.2) преобладают разработки сверхбыстрых коммутационных устройств на основе материала WB (широкозонная запрещенная зона), которые имеют дополнительное преимущество одновременного повышения рабочей температуры. Это поколение силовых устройств очень близко подходит к идеальному переключателю: нулевые потери в открытом состоянии, нулевые потери при переключении, отсутствие управляющей мощности; теперь видна новая перспектива для реализации сверхвысокой плотности мощности на уровне устройства и системы.

Однако ограничения на частоту коммутации, с которыми мы сталкиваемся сегодня, связаны с пассивными устройствами, в основном с магнитными потерями (включая потери в обмотках катушек индуктивности, трансформаторов и фильтров, а также емкости). Высокие значения di / dt , запускаемые переключающими устройствами, создают всплески перенапряжения во всех индуктивностях рассеяния на уровне упаковки устройства и компоновке системы. Обычные индукторы рассеяния в тракте возбуждения оказывают сильное влияние на характеристики переключения транзистора, скачки перенапряжения на оксидных слоях и на клеммах нагрузки, что может привести к возникновению динамических лавин.Кроме того, мы должны научиться решать проблемы электромагнитных помех, возникающие при быстром переключении.

Еще более критичными являются чрезвычайно высокие значения dv / dt , возникающие из-за короткого времени переключения, поскольку мы создаем протекание тока смещения во всех емкостях (внутренних и распределенных в зависимости от схемы устройства), участвующих в переключении. форма волны. dv / dt оказывает влияние на соединительные кабели с нагрузкой, саму нагрузку и соединители между приводом силовых устройств и микроэлектроникой.Чтобы удовлетворить требования к плотности мощности, эффективности, надежности и компактной 3D-интеграции, в следующий период разработки (как показано на рис. 1.2) особое внимание будет уделяться технологиям упаковки, пассивным устройствам, проблемам электромагнитных помех и способам их устранения. чрезвычайно высокие значения di / dt на уровне устройства и системы [5].

Основная причина, по которой эти сверхбыстрые коммутационные устройства на основе материала с широкой запрещенной зоной, заключаются в значительном увеличении плотности мощности и эффективности на уровне устройства и системы, а также повышении рабочей температуры без снижения прочности и надежности.В настоящее время устройства на основе SiC и GaN являются наиболее многообещающими полупроводниковыми материалами, как подробно объясняется далее в этой главе, для достижения этой цели. Хотя оба этих типа материалов хорошо известны для других электронных устройств (например, радиочастотных устройств и светодиодов) в течение длительного времени, все еще существуют проблемы с качеством материала пластины, с конструкцией устройства (как управлять этим чрезвычайно высоким электрическим полем без создание новых дефектов устройства), и как с этим справиться, используя кристаллы на одну величину меньше, по сравнению с Si-устройствами с эквивалентным номиналом по их электрическим и тепловым характеристикам.Позже в этой главе будут подробно рассмотрены характеристики материалов и характеристики устройства, включая тенденции развития.

Пока вопрос в том, насколько быстро эти отличные устройства заменят Si-компоненты текущего поколения. Необходимо учитывать несколько аспектов. С одной стороны, материалы на основе SiC и GaN более дороги в производстве по сравнению с материалом подложки Si, что приводит к более высокой стоимости устройства. С другой стороны, преобразователи, разработанные с использованием устройств SiC и GaN, достигают значительно более высокой эффективности (более низкие потери с прямым влиянием на меньшую потребность в охлаждении) и высокой плотности мощности (меньшие фильтры и устройства хранения), что напрямую влияет на общую стоимость материала.Одним из предварительных условий для использования преимуществ этого нового типа устройств является использование их выдающихся характеристик: более высокая скорость переключения и более высокая рабочая частота. Основная проблема сейчас заключается в отсутствии пассивных (магнетиков, электролитов) компонентов, передовых технологий упаковки и схемотехники для работы с этими чрезвычайно крошечными матрицами с их характеристиками быстрого переключения на уровне преобразователя. Новые компаунды для технологий склеивания микросхем, включая материалы, соответствующие CTE (коэффициент теплового расширения), с учетом, в частности, полупроводникового материала WB с его температурными характеристиками выше Tj> 300 ° C и меньшей потребностью в охлаждении и / или более высоким запасом надежности .Принимая во внимание все эти аспекты с сегодняшней точки зрения, потребуется много времени для замены Si-устройств текущего поколения, учитывая их высокий потенциал для дальнейшего существенного развития их характеристик (как показано на рис. 1.1). С другой стороны, в некоторых приложениях (например, мобильных приложениях в транспортных системах, источниках питания для ноутбуков и коммуникационных устройствах) существует большое давление, чтобы уменьшить размер и вес преобразователя мощности и повысить эффективность теперь, когда устройства SiC и / или GaN уже используются в этих типах приложений.Кроме того, появляются новые приложения, в которых требуются эти выдающиеся характеристики.

За последние несколько десятилетий, начиная с появления устройств с МОП-управлением в начале 80-х, рынок силовых устройств значительно вырос. Тем временем силовые устройства достигли примерно 10% объема рынка полупроводников. Во многих приложениях силовые устройства являются ключевыми элементами силовых электронных систем, несмотря на то, что их стоимость во многих силовых электронных системах незначительна по сравнению с общей стоимостью системы, например, в системах транспортировки энергии, высокоскоростных поездах и т. Д.Улучшение их характеристик и увеличение функциональности (например, силовые устройства SMART) снижает стоимость системы и открывает возможности для новых областей применения, например, транспортных систем, включая инфраструктуру, технологии возобновляемых источников энергии, фабрики SMART (включая прогнозирующее определение старения и связанные с процессами параметры), энергосбережение в силовых электронных блоках управления и т. д. Основными тенденциями являются высокие частоты переключения, уменьшение или устранение громоздких ферритов и электролитов, а также модульные многоуровневые топологии для достижения высоковольтных возможностей даже с низковольтными силовыми транзисторами, многофазные топологии чтобы рекомендовать более высокие номинальные мощности с низкими паразитными индуктивностями в топологии схемы, а также топологии плавного переключения для более высокого КПД и более низких гармоник.

1.1.1 Тенденции развития силовых устройств на основе Si-материала

Несмотря на то, что силовые устройства с сверхпереходом на полевых МОП-транзисторах и IGBT-транзисторы имеют долгую историю, потенциал для их дальнейшего развития все еще существует, а кремний остается сильным конкурентом широкой запрещенной зоне. устройства, о чем будет сказано подробнее. Для всех устройств на основе Si, помимо разработки элементов меньшего размера для структур транзисторных ячеек, было проведено множество исследований по передовым процессам, таким как технология изготовления сверхтонких пластин 300 мм и их технологичности.

Для низковольтных полевых МОП-транзисторов принцип компенсации заряда с использованием структуры ячеек с полевой пластиной был введен в начале прошлого десятилетия и непрерывно улучшался от поколения к поколению. Основной принцип, лежащий в основе радикального R _{DS (on)} ⁎ A Уменьшение количества полевых МОП-транзисторов по сравнению с обычными силовыми МОП-транзисторами (как показано на рис. 1.3) — это компенсация доноров n-дрейфовой области [6 ]. Изолированный глубокий электрод истока, отделенный от области n-дрейфа толстым оксидным слоем, действует как пластина поля и обеспечивает подвижные заряды, необходимые для уравновешивания доноров области дрейфа в условиях блокировки.Эта геометрия демонстрирует почти постоянное вертикальное распределение поля и допускает повышенное легирование области дрейфа. Это устройство значительно снижает сопротивление в открытом состоянии. Однако для производства таких устройств пришлось преодолеть несколько технических проблем. Поскольку изоляция полевой пластины должна выдерживать полное напряжение блокировки истока и стока устройства на дне траншеи, толщину оксида в микродиапазоне необходимо тщательно регулировать. В процессе производства необходимо учитывать точную глубину и равномерность ширины траншеи, а также отличные параметры устройства и малое отклонение параметров, а также обращение с ультратонкой пластиной, несмотря на глубокие канавки и толстые слои оксида.Принимая во внимание все эти параметры (дизайн чипа, новые этапы процесса и технологичность изготовления тонких пластин), эти устройства демонстрируют чрезвычайно низкое качество резисторов в открытом состоянии, обладая выдающимися показателями качества за их динамические характеристики и простоту управления. По этим электрическим характеристикам новый тип силовых полевых МОП-транзисторов очень близок к GaN-устройствам. С точки зрения надежности (например, легкости вождения, перегрузочной способности, динамической лавины и т. Д.) Этот транзистор превосходит современные GaN-транзисторы.Частота переключения подходит для всех основных приложений. Однако при работе на нескольких МГц (5 МГц ≤ фут ≤ 20 МГц) предпочтительнее полностью интегрированное системное решение (например, преобразователь постоянного тока в постоянный с боковыми устройствами на основе GaN). Принимая во внимание чрезвычайно низкий конденсатор на входе и выходе, другого решения нет.

Рис. 1.3. Тенденция развития низковольтных силовых полевых МОП-транзисторов: от горизонтальной ячеистой структуры к концепции полевой пластины.

Источник: Infineon Technologies.

Сегодня высоковольтные силовые полевые МОП-транзисторы в диапазоне напряжений 500 В ≤ В _br ≤ 900 В и частот коммутации до 1 МГц реализованы в технологии суперпереходов [7,8].В устройствах с суперпереходом с вертикальным течением тока используется (как показано на рис. 1.4) дополнительный p-столбец, проходящий почти полностью вниз через область блокировки напряжения. Эта структура позволяет увеличить легирование в n-столбце примерно на один порядок без потери блокирующей способности; дополнительный заряд в n-столбце полностью компенсируется встречным зарядом в p-столбце. Следовательно, удельное сопротивление в открытом состоянии зависит только от способности достаточно точно компенсировать эти заряды и изготавливать структуру сверхперехода с еще меньшим шагом столбцов.Помимо этих сложных требований, у приложения есть дополнительные потребности, такие как лавинная способность и контроль скорости переключения, что привело к ряду новых решений, таких как p-образная конструкция и вертикальная структура. Полевые МОП-транзисторы с суперпереходом требуют более сложного технологического процесса. Экономический успех возможен только за счет значительного улучшения резистора в открытом состоянии, характеристик переключения и надежности устройства. Помимо уменьшенного резистора в открытом состоянии, еще одним преимуществом является меньшая входная и выходная емкость, что обеспечивает более быстрое переключение и более низкие динамические потери.

Рис. 1.4. Тенденции развития высоковольтных силовых полевых МОП-транзисторов от традиционной структуры ячеек (угол рисунка слева) до структуры сверхмощного устройства (рисунок внизу справа). Уменьшение площади резистора в открытом состоянии SJ Device Development.

Источник: Infineon Technologies (Г. Дебой).

Непрерывное дальнейшее совершенствование в течение последних нескольких лет было направлено на снижение сопротивления в открытом состоянии для конкретных участков (как показано на рис. 1.4 в центральной части). Эти положительные результаты были достигнуты с использованием передовой полупроводниковой технологии для реализации большего числа n столбцов на площадь кристалла, а также меньшего шага ячеек.Конечно, при увеличении амплитуды тока вдоль n-столбцов создается область пространственного заряда, которая влияет на эффекты защемления тока с последствием высокого падения напряжения в n-столбце. Однако здесь мы не обсуждаем «жесткий» физический предел; это просто вопрос дизайна микросхемы и достижений в развитии технологий. Физические пределы, приведенные в публикациях [9], не являются окончательными для дальнейшего развития устройств сверхперехода. Скорее вопрос в том, насколько точно контролируются возможности производства полупроводников.

Наконец, для технологии суперпереходов все еще существует большой потенциал для дальнейших инноваций и возможностей [10]. Принимая во внимание новые разработки для устройств с суперпереходом, все еще может наблюдаться дальнейшее видимое уменьшение резистора в открытом состоянии, а также улучшение коммутационных характеристик вместе с отличной лавинной способностью. Следовательно, эти технологии демонстрируют потенциал конкуренции с устройствами с широкой запрещенной зоной при тех же номинальных напряжениях.

1.1.1.1 МОП-управляемые устройства с модулированной несущей — например, IGBT

В дополнение к униполярным устройствам (например, силовым МОП-транзисторам с полевой пластиной, сверхпереходным транзисторам) во многих приложениях большой мощности выгодны устройства с биполярным режимом, управляемые МОП-схемами, поскольку к возможности создания электронно-дырочной плазмы в открытом состоянии, что приводит к чрезвычайно низким потерям в открытом состоянии. Сегодня IGBT покрывают диапазон напряжений от 600 В ≤ В _до ≤ 6,5 кВ, номинальную мощность до 10 МВт и частоту коммутации до 100 кГц.БТИЗ имеют вертикальный ток, но биполярную проводимость, как показано на рис. 1.5. Эти устройства имеют вертикальный pn-переход и толстый слой n-легирования под ним. Если к этому pn-переходу приложить обратное смещение, образуется обедненный слой и сильное электрическое поле. Достижимая способность блокирующего напряжения зависит от толщины и концентрации легирования n-легированного слоя. Чтобы избежать этой толстой и дорогостоящей, но определяющей производительность эпитаксии n-слоя 60–120 мкм на подложке Si, в середине 1980-х годов была представлена ​​подходящая легированная кремниевая подложка, служащая в качестве необходимого n-слоя.После полной обработки устройства, в конечном итоге, необходимый тыловой эмиттер формируется только путем реализации и низкотемпературного отжига. Это было прорывом в создании очень стабильных (без какого-либо процесса уничтожения срока службы) устройств с высокой стойкостью к току короткого замыкания [11–13].

Рис. 1.5. Тенденции развития IGBT от обычных пробивных до непробитых и непроходных до TRENCHSTOP и микропроцессорных канавок (три структуры ячеек справа).

Источник: Infineon Technologies.

Основной проблемой, стоящей перед новым типом IGBT, является обработка очень тонких пластин. Для низковольтных IGBT ( В, , _и ≤ 400 В) толщина пластины уменьшается почти до 50 мкм. Эти меры приводят к чрезвычайно низким потерям в открытом состоянии и коммутации. Важными препятствиями на пути к успеху разработки этого устройства были коммутационные потери и явление звона.

Улучшенные профили легирования и оптимизированные упаковочные решения помогли преодолеть эти препятствия.Наряду с передовыми технологиями обработки наблюдалось постоянное увеличение плотности клеток, как показано на рис. 1.6. Меньшие элементы мезы позволяют реализовать очень высокую плотность ячеек траншеи. Основным преимуществом такой высокой плотности ячеек канавки является накопление высокой концентрации носителей непосредственно под ячейками канавки, что приводит к низкому напряжению в открытом состоянии для IGBT. С помощью этой тонко структурированной конструкции траншейного элемента также можно оптимизировать конденсатор обратной связи и соотношение между емкостями коллекторного затвора и коллектора-эмиттера, которые отвечают за динамические характеристики.Реализация небольших мезаплощадок является выгодной, поскольку электронная / дырочная плазма уже отклоняется при малых номинальных значениях обратного напряжения, что существенно для снижения потерь при выключении. Другие тенденции развития IGBT смещаются в сторону устройств с обратной проводимостью, которые сегодня используются для резонансных приложений. Для приложений обратной проводки и переключения все еще ведутся разработки. Другая область исследований нацелена на обратную блокировку IGBT, что дает преимущества в многоуровневых технологиях.

Рис. 1.6. Наличие диаметров полупроводниковых пластин для изготовления устройств из кремния, карбида кремния и нитрида галлия.

Сегодня IGBT охватывают широкую область применения, такую ​​как силовые электронные преобразователи для управления двигателями, системы ИБП, FACTS, транспортные системы, технологии возобновляемых источников энергии и т. Д.

1.1.2 Обзор и перспективы

Что касается силовых полупроводниковых устройств на основе кремниевого материала (например, силовых полевых МОП-транзисторов, сверхпереходных транзисторов, IGBT, быстрых выпрямителей и т. д.), есть еще огромный потенциал для дальнейшего развития. Реализуя все идеи различных групп НИОКР в реальных продуктах во многих приложениях, устройства Si станут сильным конкурентом на рынке компонентов с широкой запрещенной зоной и будут оставаться таковыми в течение долгого времени. Общей тенденцией развития является уменьшение размера кристалла в пользу более низких потерь в открытом состоянии и динамических потерь, повышение рабочей температуры, интеграция функций датчиков для достижения высоких характеристик самозащиты и получения информации о параметрах, связанных со старением, повышение эффективности охлаждения и поддерживать или повышать отличную прочность и надежность этих устройств.Особой задачей будущего является разработка передовых технологий соединения микросхем, новой керамики для изоляции и превосходных тепловых характеристик, соответствующих материалов для покрытия микросхем, а также пластмасс и материалов выводной рамки, соответствующих коэффициенту теплового расширения, особенно для корпусов большой мощности, с целью повышения рабочая температура выше 200 ° C. Настоятельно требуется усовершенствованная конструкция упаковки для устранения паразитных факторов (например, индуктивности рассеяния и распределенных емкостей) для обеспечения высоких значений di / dt и dv / dt и одновременного повышения показателей надежности, в частности числа циклов мощности и температуры. .Для успешного внедрения устройств с широкой запрещенной зоной требуется много новаторских работ в области высоких рабочих температур, высокой надежности и низкого уровня паразитных воздействий.

Чтобы использовать эти сверхбыстрые коммутационные устройства, которые достигают высокого диапазона МГц с чрезвычайно маленьким размером чипа и передовыми концепциями охлаждения, новыми материалами для пассивных компонентов и интеллектуальными концепциями для общей системной интеграции (3D-интеграция), необходимо, чтобы мы считали активными устройства, пассивные компоненты, системы охлаждения и соответствующие технологии схем.

Для приложений с низким энергопотреблением (преобразователи постоянного тока в постоянный) тенденция смещается в сторону работы на частоте МГц с полевыми полевыми полевыми МОП-транзисторами выше 5 МГц с устройствами на основе GaN [14,15]. Необходимо разработать совершенно новый подход к проектированию всей системы. Для преобразователей энергии, работающих от сети 220 В, основными соображениями по технике привода являются плотность мощности и эффективность. В этих приложениях сверхпереходный транзистор (с учетом тенденций их будущего развития) останется привлекательным устройством.

Однако в некоторых схемных технологиях, где требуется мертвое время, поведение диодов в обратном восстановлении, мощность возбуждения или частота переключения выше 1 МГц, устройства SiC или GaN демонстрируют значительные преимущества.

При номинальном напряжении от 110 до 440 В (в основном используется в жилых и офисных помещениях, а также для автоматизации производства) новые перспективы открываются с сетью постоянного тока. Источник питания постоянного тока потенциально имеет несколько преимуществ в повышении эффективности, минимизации оборудования и снижении затрат по сравнению с исторически сложившейся инфраструктурой питания переменного напряжения.Однако есть несколько аспектов, которые необходимо изучить подробно, например, управление сетью, стабильность сети и способы устранения сбоев, возникающих из-за одной проблемы [16].

Очень важной областью в будущем развитии преобразователей мощности являются модульные многоуровневые и многофазные / чередующиеся топологии. Приоритезация топологий чередования для увеличения номинальной мощности работает в сочетании с выгодной способностью модульных многоуровневых топологий расширяться до приложений среднего / высокого напряжения с переключаемыми устройствами питания.Модульные многоуровневые топологии имеют много преимуществ при проектировании систем высокой мощности, таких как устранение больших пассивных фильтров и громоздких трансформаторов, простое устранение неисправностей и т. Д. Анализ тенденций развития силовых полупроводников показывает, что сочетание кремниевых и SiC-устройств открывает потенциальные возможности. для существенных улучшений в следующем десятилетии [17–19].

В сегменте средней и высокой мощности появляется много новых и очень привлекательных приложений (например, технологии возобновляемых источников энергии, включая всю инфраструктуру, железнодорожный транспорт, самолет, электронную мобильность, медицинское оборудование и т. Д.) В этих областях применения требуется дальнейшее развитие IGBT и устройств на основе SiC в качестве ключевых технологий.

Как умный инженер по аппаратному обеспечению может легко разработать блоки питания: мини-учебник

Аннотация

Это мини-руководство дает обзор возможностей проектирования источников питания. В нем будут рассмотрены основные и часто используемые топологии изолированных и неизолированных источников питания, а также их преимущества и недостатки. Мы также рассмотрим электромагнитные помехи (EMI) и вопросы фильтрации.Это мини-руководство призвано обеспечить упрощенное понимание и новое понимание искусства проектирования источников питания.

Введение

Для большинства электронных систем требуется какое-то преобразование напряжения между напряжением источника энергии и напряжением схемы, на которую требуется питание. По мере того, как батареи теряют заряд, напряжение падает. Некоторое преобразование постоянного тока в постоянный может гарантировать, что гораздо больше энергии, накопленной в батарее, будет использоваться для питания схемы. Также, например, с линией 110 В переменного тока мы не можем напрямую запитать полупроводник, такой как микроконтроллер.Поскольку преобразователи напряжения, также называемые источниками питания, используются почти во всех электронных системах, за эти годы они были оптимизированы для различных целей. Конечно, некоторые из обычных целей оптимизации — это размер решения, эффективность преобразования, EMI и стоимость.

Самый простой блок питания: LDO

Одной из простейших форм источника питания является стабилизатор с малым падением напряжения (LDO). LDO — это линейные регуляторы в отличие от импульсных регуляторов. Линейные регуляторы помещают перестраиваемый резистор между входным напряжением и выходным напряжением, что означает, что выходное напряжение фиксируется независимо от того, как изменяется входное напряжение и какой ток нагрузки проходит через устройство.На рисунке 1 показан основной принцип работы этого простого преобразователя напряжения.

Рисунок 1. Линейный регулятор преобразует одно напряжение в другое.

В течение многих лет типичный преобразователь мощности состоял из трансформатора 50 Гц или 60 Гц, подключенного к электросети, с определенным соотношением обмоток для генерирования нерегулируемого выходного напряжения, на несколько вольт выше, чем необходимое напряжение питания в системе. Затем был использован линейный регулятор, чтобы преобразовать это напряжение в хорошо регулируемое по мере необходимости для электроники.На рисунке 2 показана блок-схема этой концепции.

Рис. 2. Сетевой трансформатор, за которым следует линейный регулятор.

Проблема с базовой установкой, показанной на Рисунке 2, заключается в том, что трансформатор 50/60 Гц является относительно громоздким и дорогим. Кроме того, линейный регулятор рассеивает довольно много тепла, поэтому общая эффективность системы низкая, а избавление от выделяемого тепла затруднено при высокой мощности системы.

Импульсные источники питания на помощь

Чтобы избежать недостатков источника питания, показанного на рисунке 2, были изобретены импульсные источники питания.Они не полагаются на напряжение переменного тока 50 или 60 Гц. Они принимают постоянное напряжение, иногда выпрямленное переменное напряжение, и генерируют переменное напряжение гораздо более высокой частоты для использования трансформатора гораздо меньшего размера или, в неизолированных системах, для выпрямления напряжения с помощью LC-фильтра для генерации выходного постоянного напряжения. Преимущества — небольшой размер решения и относительно невысокая стоимость. Генерируемое переменное напряжение не обязательно должно быть синусоидальным. Простая форма сигнала ШИМ будет работать нормально, и ее легко сгенерировать с помощью генератора ШИМ и переключателя.

До 2000 года биполярные транзисторы были наиболее часто используемыми переключателями. Они работали бы хорошо, но имели относительно низкую скорость переключения. Они были не очень энергоэффективны, ограничивая частоту переключения 50 кГц или, может быть, 100 кГц. Сегодня мы используем переключаемые полевые МОП-транзисторы вместо биполярных транзисторов, что обеспечивает гораздо более быструю коммутацию переходов. Это, в свою очередь, снижает потери на переключение, позволяя переключать частоты до 5 МГц. Такие высокие частоты переключения позволяют использовать в силовом каскаде катушки индуктивности и конденсаторы очень небольшого размера.

Импульсные регуляторы имеют много преимуществ. Обычно они обеспечивают энергоэффективное преобразование напряжения, позволяют повышать и понижать напряжение и предлагают относительно компактные и недорогие конструкции. Недостатки в том, что их не так просто спроектировать и оптимизировать, и они создают электромагнитные помехи из-за переходов переключения и частоты переключения. Наличие импульсных регуляторов источников питания, а также инструментов проектирования источников питания, таких как LTpowerCAD ^® и LTspice ^® , значительно упростили этот сложный процесс проектирования.С помощью таких инструментов процесс проектирования схемы импульсного источника питания может быть полуавтоматизирован.

Изоляция в источниках питания

При проектировании источника питания первый вопрос, на который нужно ответить, — требуется ли гальваническая развязка. Гальваническая развязка используется по нескольким причинам. Он может сделать цепи более безопасными, он позволяет работать с плавающей системой и предотвращает распространение зашумленных токов заземления через различные электронные устройства в одной цепи. Две наиболее распространенные изолированные топологии — это обратный и прямой преобразователи.Однако для более высокой мощности используются другие изолированные топологии, такие как двухтактная, полумостовая и полномостовая.

Если гальваническая развязка не требуется, в большинстве случаев используется неизолированная топология. Изолированные топологии всегда требуют трансформатора, и такое устройство, как правило, дорогое, громоздкое, и зачастую его трудно достать в готовом виде с точными требованиями, предъявляемыми к индивидуальному источнику питания.

Наиболее распространенные топологии, когда изоляция не требуется

Наиболее распространенной неизолированной топологией импульсного источника питания является понижающий преобразователь.Он также известен как понижающий преобразователь. Он принимает положительное входное напряжение и генерирует выходное напряжение ниже входного. Это одна из трех основных топологий импульсных источников питания, для которых требуются только два переключателя, катушка индуктивности и два конденсатора. На рисунке 3 показан основной принцип этой топологии. Переключатель верхнего плеча подает импульс тока со входа и генерирует напряжение коммутационного узла, чередующееся между входным напряжением и напряжением заземления. LC-фильтр принимает это импульсное напряжение на коммутационном узле и генерирует выходное напряжение постоянного тока.В зависимости от рабочего цикла сигнала ШИМ, управляющего переключателем верхнего плеча, генерируется другой уровень выходного напряжения постоянного тока. Этот понижающий преобразователь постоянного тока очень энергоэффективен, относительно прост в сборке и требует небольшого количества компонентов.

Рисунок 3. Концепция простого понижающего понижающего преобразователя.

Понижающий преобразователь подает импульсный ток на входной стороне, в то время как на выходной стороне постоянный ток поступает от катушки индуктивности. По этой причине понижающий стабилизатор очень шумит на входе и не так шумит на выходе.Понимание этого важно при проектировании систем с низким уровнем шума.

Помимо понижающей топологии, второй базовой топологией является повышающая или повышающая топология. В нем используются те же пять основных компонентов питания, что и в понижающем преобразователе, но с измененной компоновкой, так что катушка индуктивности размещается на стороне входа, а переключатель высокого уровня — на стороне выхода. Топология повышения используется для повышения определенного входного напряжения до выходного напряжения, которое выше входного напряжения.

Рисунок 4.Концепция простого повышающего преобразователя.

При выборе повышающего преобразователя важно отметить, что повышающие преобразователи всегда указывают в своих технических паспортах максимальный номинальный ток переключения, а не максимальный выходной ток. В понижающем преобразователе максимальный ток переключения напрямую связан с максимально достижимым выходным током, независимо от соотношения напряжений между входным и выходным напряжением. В повышающем стабилизаторе соотношение напряжений напрямую влияет на возможный максимальный выходной ток на основе фиксированного максимального тока переключения.При выборе подходящей ИС повышающего регулятора вам необходимо знать не только желаемый выходной ток, но также входное и выходное напряжение разрабатываемой конструкции.

Повышающий преобразователь имеет очень низкий уровень шума на входе, поскольку катушка индуктивности, установленная на входе, предотвращает быстрые изменения тока. Однако на выходе такая топология довольно шумная. Мы видим только импульсный ток, протекающий через внешний переключатель, и, таким образом, пульсации на выходе вызывают большую озабоченность по сравнению с топологией понижающего преобразователя.

Третья базовая топология, состоящая только из пяти основных компонентов, — это повышающий инвертирующий преобразователь. Название происходит от того факта, что этот преобразователь принимает положительное входное напряжение и преобразует его в отрицательное выходное напряжение. Кроме того, входное напряжение может быть выше или ниже абсолютного значения инвертированного выходного напряжения. Например, выходное напряжение –12 В может генерироваться из 5 В или 24 В на входе. Это возможно без каких-либо специальных модификаций схемы.На рисунке 5 показана принципиальная схема инвертирующего повышающего преобразователя.

Рис. 5. Концепция простого инвертирующего повышающего преобразователя.

В инвертирующей повышающе-понижающей топологии катушка индуктивности подключается от коммутирующего узла к земле. Как на входе, так и на выходе преобразователя наблюдается импульсный ток, что делает эту топологию относительно шумной как на стороне входа, так и на стороне выхода. В приложениях с низким уровнем шума этот характер компенсируется добавлением дополнительной входной и выходной фильтрации.

Одним из весьма положительных аспектов топологии инвертирующего повышающего-понижающего преобразователя является тот факт, что для такого преобразователя можно использовать любую микросхему понижающего импульсного стабилизатора. Это так же просто, как подключить выходное напряжение понижающей цепи к заземлению системы. Заземление цепи понижающей ИС станет отрегулированным отрицательным напряжением. Эта черта дает очень большой выбор ИС импульсных стабилизаторов на рынке.

Специализированные топологии

Помимо трех основных неизолированных топологий импульсного источника питания, описанных ранее, существует еще много доступных топологий.Однако все они требуют дополнительных компонентов питания. Обычно это увеличивает их стоимость при более низкой эффективности преобразования энергии. Хотя есть определенные исключения, как правило, добавление дополнительных компонентов в тракт питания увеличивает потери. Некоторые из наиболее популярных топологий — это SEPIC, Zeta, uk и повышающий понижающий уровень с 4 переключателями. Каждая из них предлагает функции, которых нет в трех основных топологиях. Ниже приводится список наиболее важных функций каждой топологии:

XSEPIC SEPIC может генерировать положительное выходное напряжение из положительного входного напряжения, которое может быть выше или ниже выходного напряжения.ИС повышающего регулятора могут быть использованы для разработки источника питания SEPIC. Недостатком этой топологии является необходимость во второй катушке индуктивности или одной связанной катушке индуктивности, а также в конденсаторе SEPIC. XZeta Преобразователь Zeta похож на SEPIC, но он способен генерировать положительное или отрицательное выходное напряжение. Кроме того, он не имеет нулевой точки в правой полуплоскости (RHPZ), что упрощает контур регулирования. Для такой топологии может использоваться микросхема понижающего преобразователя. Преобразователь uk обеспечивает преобразование положительного входного напряжения в отрицательное выходное напряжение.В нем используются две катушки индуктивности, одна на входной стороне и одна на выходной стороне, что делает его довольно низким уровнем шума на входной и выходной сторонах. Недостатком является то, что существует не очень много ИС импульсного преобразования мощности, поддерживающих эту топологию, поскольку для контура регулирования требуется вывод отрицательной обратной связи по напряжению. X4-Switch Buck-Boost Этот тип преобразователя стал довольно популярным в последние годы. Он предлагает положительное выходное напряжение от положительного входного напряжения. Входное напряжение может быть выше или ниже установленного выходного напряжения.Этот преобразователь заменяет многие конструкции SEPIC, поскольку он обеспечивает более высокую эффективность преобразования мощности и требует только одного индуктора.

Наиболее распространенные изолированные топологии

Помимо неизолированной топологии, для некоторых приложений требуются преобразователи мощности с гальванической развязкой. Причины могут заключаться в соображениях безопасности, в необходимости иметь плавающие заземления в более крупных системах, в которых различные цепи соединены между собой, или в предотвращении образования контуров тока заземления в чувствительных к шуму приложениях. Наиболее распространенными топологиями изолированных преобразователей являются преобразователи прямого и обратного хода.

Обратный преобразователь обычно используется для уровней мощности до 60 Вт. Схема работает таким образом, что во время включения энергия накапливается в трансформаторе. Во время простоя эта энергия передается вторичной обмотке преобразователя, запитывая выход. Этот преобразователь прост в сборке, но для него требуются относительно большие трансформаторы для хранения всей энергии, необходимой для правильной работы. Этот аспект ограничивает топологию более низкими уровнями мощности. На рисунке 6 показан обратноходовой преобразователь вверху и прямой преобразователь внизу.

Рисунок 6. Обратный преобразователь (вверху) и прямой преобразователь (внизу).

Помимо обратного преобразователя, большой популярностью пользуется прямой преобразователь. Он использует трансформатор иначе, чем обратный ход. Во время включения, пока есть ток через обмотку первичной стороны, также есть ток через вторичную обмотку. Энергия не должна накапливаться в сердечнике трансформатора. После каждого цикла переключения мы должны убедиться, что вся намагниченность сердечника сбрасывается до нуля, чтобы трансформатор не перешел в насыщение после нескольких циклов переключения.Это выделение энергии из ядра может быть достигнуто с помощью нескольких различных технологий. Один из популярных способов — использовать активный зажим с небольшим дополнительным переключателем и конденсатором.

На рисунке 7 показана схема среды моделирования LTspice для конструкции прямого активного зажима с использованием ADP1074. В прямом преобразователе есть дополнительная катушка индуктивности в выходном тракте по сравнению с обратным ходом, как показано на рисунке 6. Хотя это еще один дополнительный компонент, занимающий пространство и требующий затрат, он помогает генерировать более низкое выходное напряжение шума по сравнению с выходным напряжением. обратный преобразователь.Кроме того, размер трансформатора, необходимый для прямого преобразователя на том же уровне мощности, что и обратный преобразователь, может быть намного меньше.

Рис. 7. Схема прямого активного фиксатора, использующая ADP1074 для генерации изолированного выходного напряжения, как смоделировано в LTspice.

Расширенные изолированные топологии

Помимо обратной и прямой топологий, существует очень много различных концепций трансформаторных гальванически развязанных преобразователей. В следующем списке даны очень простые пояснения о наиболее распространенных преобразователях:

XPush-Pull Двухтактная топология аналогична прямому преобразователю.Однако вместо одного переключателя нижнего плеча для этой топологии требуются два активных переключателя нижнего плеча. Также требуется первичная обмотка трансформатора с центральным отводом. Преимущество двухтактного преобразователя заключается в том, что он работает с меньшим шумом по сравнению с прямым преобразователем, а также необходим трансформатор меньшего размера. Гистерезис кривой BH трансформатора используется в двух квадрантах, а не только в одном. X Half-Bridge / Full-Bridge Эти две топологии обычно используются для конструкций с более высокой мощностью, начиная с нескольких сотен ватт и заканчивая несколькими киловаттами.Для них требуются переключатели на верхней стороне, помимо переключателей на нижней стороне, но они позволяют передавать очень большую мощность с относительно небольшими трансформаторами. Этот термин часто используется при обсуждении изолированных преобразователей большой мощности. Это означает переключение при нулевом напряжении. Другой термин для таких преобразователей — это преобразователи LLC (индуктор-индуктор-конденсатор). Эти архитектуры нацелены на преобразование с очень высокой эффективностью. Они генерируют резонансный контур и переключают силовые переключатели, когда напряжение или ток на переключателях близки к нулю.Таким образом, потери переключения сводятся к минимуму. Однако такие конструкции могут быть трудными в разработке, а частота переключения не фиксирована, что иногда приводит к проблемам с электромагнитными помехами.

Преобразователи импульсных конденсаторов

Помимо линейных регуляторов и импульсных источников питания, существует еще третья группа преобразователей мощности: преобразователи импульсных конденсаторов. Их также называют нагнетательными насосами. Они используют переключатели и конденсаторы для умножения или инвертирования напряжений. Они предлагают большое преимущество в том, что они не нуждаются в индукторе.Обычно такие преобразователи используются для низких уровней мощности ниже 5 Вт. Однако в последнее время были сделаны значительные улучшения, позволяющие создавать преобразователи с переключаемыми конденсаторами гораздо большей мощности. На рисунке 8 показан LTC7820 в конструкции мощностью 120 Вт при КПД 98,5%, преобразующем 48 В в 24 В.

Рис. 8. Контроллер постоянного тока высокой мощности с фиксированным коэффициентом заряда LTC7820.

Цифровые блоки питания

Все блоки питания, обсуждаемые в этой статье, могут быть реализованы как аналоговые или цифровые блоки питания.Что такое цифровые блоки питания на самом деле? Питание всегда должно проходить через аналоговый силовой каскад с переключателями, катушками индуктивности, трансформаторами и конденсаторами. Цифровой аспект представлен двумя цифровыми строительными блоками. Первый — это цифровой интерфейс, который позволяет электронной системе «разговаривать» и «слушать» источник питания. Различные параметры могут быть установлены на лету, чтобы оптимизировать источник питания для различных условий эксплуатации. Кроме того, источник питания может связываться с главным процессором и поднимать флажки предупреждения или неисправности.Например, ток нагрузки, превышение заданного порогового значения или чрезмерная температура источника питания могут легко контролироваться системой.

Второй цифровой строительный блок заменяет аналоговый контур регулирования на цифровой. Это может работать успешно, но для большинства приложений оптимальным вариантом является стандартный аналоговый контур обратной связи с некоторым цифровым влиянием на некоторые параметры, например, регулировка усиления усилителя ошибки на лету или динамическая установка параметров компенсации контура для включения стабильная, но быстрая обратная связь.Примером устройства с чисто цифровым контуром управления является ADP1046A от Analog Devices. Одним из примеров понижающего стабилизатора с цифровым интерфейсом и аналоговым контуром управления, оптимизированным за счет цифровых воздействий, является LTC3883.

Соображения по электромагнитным помехам

Электромагнитные помехи (EMI) всегда являются темой, на которую следует обращать внимание при разработке импульсных источников питания. Причина в том, что импульсные источники питания включают и выключают сильный ток за очень короткие промежутки времени.Чем быстрее переключение, тем выше общая эффективность системы. Более быстрые переходы переключения сокращают время, в течение которого переключатель частично включен. Во время этого частичного включения генерируется большинство коммутационных потерь. На рисунке 9 показана форма сигнала коммутирующего узла импульсного источника питания. Представим себе бак-регулятор. Высокое напряжение определяется током, протекающим через переключатель на стороне высокого напряжения, а низкое напряжение определяется отсутствием тока, протекающего через переключатель на стороне высокого давления.

Рисунок 9.Скорость переключения, а также частота переключения импульсного источника питания.

На рисунке 9 мы видим, что импульсный источник питания генерирует шум не только из-за настроенной частоты переключения, но также из-за скорости переключения, которая намного выше по частоте. Хотя частота переключения обычно составляет от 500 кГц до 3 МГц, время переключения может составлять несколько наносекунд. При времени переключения 1 нс мы увидим в спектре соответствующую частоту 1 ГГц.По крайней мере, обе эти частоты будут рассматриваться как излучаемые и кондуктивные излучения. Другие частоты также могут возникать из-за колебаний контура регулирования или взаимодействия между источником питания и фильтрами.

Есть две причины, по которым следует уменьшить электромагнитные помехи. Первая причина — защитить функциональность электронной системы, питаемой конкретным источником питания. Например, 16-разрядный АЦП, который используется на пути прохождения сигнала в системе, не должен улавливать коммутационный шум, исходящий от источника питания.Вторая причина заключается в соблюдении определенных правил EMI, которые вводятся правительствами во всем мире для одновременной защиты надежной работы различных электронных систем.

EMI бывает двух видов: излучаемые электромагнитные помехи и кондуктивные электромагнитные помехи. Наиболее эффективные способы снижения излучаемых электромагнитных помех — это оптимизация компоновки печатной платы и использование таких технологий, как технология Silent Switcher ^® от Analog Devices. Конечно, также эффективно поместить схему в экранированный металлический ящик.Однако это может быть непрактично и в большинстве случаев очень дорого.

Кондуктивные электромагнитные помехи обычно ослабляются дополнительной фильтрацией. В следующем разделе будет обсуждаться дополнительная фильтрация для уменьшения кондуктивных выбросов.

Фильтрация

Фильтры

RC — это базовые фильтры нижних частот. Однако в конструкции источника питания каждый фильтр представляет собой не что иное, как LC-фильтр. Часто достаточно последовательного добавления некоторой индуктивности, так как это сформирует LC- или CLC-фильтр вместе с входными или выходными конденсаторами импульсного источника питания.Иногда в качестве фильтров используются только конденсаторы, но, учитывая паразитную индуктивность силовых кабелей или проводов, вместе с конденсатором мы также формируем LC-фильтр. Индуктор L может быть индуктором с сердечником или ферритовым валиком. Назначение LC-фильтра на самом деле — эффект нижних частот, так что мощность постоянного тока может проходить через него, а высокочастотные помехи в значительной степени ослабляются. LC-фильтр имеет двойной полюс, поэтому мы получаем затухание высоких частот 40 дБ на декаду. Этот фильтр имеет относительно резкий спад.Разработка фильтра — это не ракетостроение; однако, поскольку паразитные компоненты схемы, такие как индуктивность следа, оказывают влияние, моделирование фильтра также требует моделирования основных паразитных эффектов. Это может сделать моделирование фильтра довольно трудоемким. Многие дизайнеры, имеющие опыт проектирования фильтров, знают, какие фильтры работали раньше, и могут итеративно оптимизировать определенный фильтр для нового дизайна.

При проектировании любого фильтра необходимо не только учитывать поведение слабого сигнала, например передаточную функцию фильтра на графике Боде, но также необходимо учитывать эффект сильного сигнала.В любом LC-фильтре мощность проходит через катушку индуктивности. Если эта мощность больше не нужна на выходе из-за внезапного переходного процесса нагрузки, энергия, накопленная в катушке индуктивности, должна куда-то уйти. Он заряжает емкость фильтра. Если фильтр не предназначен для таких наихудших условий, эта накопленная мощность может вызвать выбросы напряжения, которые могут повредить схему.

Наконец, фильтры имеют определенный импеданс. Этот импеданс взаимодействует с импедансами преобразователей мощности, прикрепленных к фильтру.Это взаимодействие может привести к нестабильности и колебаниям. Инструменты моделирования, такие как LTspice и LTpowerCAD от Analog Devices, могут оказать большую помощь в ответах на все эти вопросы и разработке идеального фильтра. На рисунке 10 показан графический пользовательский интерфейс разработчика фильтров в среде проектирования LTpowerCAD. С помощью этого инструмента дизайн фильтра очень прост.

Рис. 10. Проектирование входного фильтра для понижающего стабилизатора с LTpowerCAD.

Бесшумные переключатели

Излучение трудно заблокировать.Требуется специальное экранирование из какого-либо металлического материала. Это может стоить очень дорого. В течение долгого времени инженеры искали способы уменьшить излучение, создаваемое импульсными источниками питания. Несколько лет назад в технологии Silent Switcher был сделан большой прорыв. За счет уменьшения паразитных индуктивностей в контурах нагрева импульсного источника питания, а также путем разделения контуров нагрева на два и установки их очень симметричным образом излучаемые излучения в основном компенсируют друг друга.Сегодня доступно множество устройств Silent Switcher с гораздо меньшим уровнем излучения, чем у традиционных продуктов. Уменьшение излучаемых излучений позволяет увеличить скорость переключения без серьезных потерь EMI. Ускорение коммутационных переходов снижает коммутационные потери и, таким образом, позволяет использовать гораздо более высокие частоты коммутации. Одним из примеров этой инновации является LTC3310S, который может работать с частотой коммутации 5 МГц, что позволяет создавать чрезвычайно компактные конструкции с очень дешевыми внешними компонентами.

Рис. 11. Бесшумный коммутатор LTC3310S с минимальным уровнем излучения.

Управление питанием — необходимость, но может доставлять удовольствие

В этом руководстве мы рассмотрели многие аспекты проектирования источников питания, включая различные топологии источников питания, а также их преимущества и недостатки. Для инженеров по источникам питания эта информация может быть очень простой, но как для экспертов, так и для неспециалистов полезно иметь программные инструменты, такие как LTpowerCAD и LTspice, которые помогут в процессе проектирования.С помощью этих инструментов преобразователи мощности можно проектировать и оптимизировать за очень короткое время. Надеюсь, это руководство вдохновило вас на решение следующей задачи по проектированию источников питания.

Принципы проектирования импульсных источников питания для обеспечения электромагнитной совместимости

В этой статье обсуждаются основы понижающего (понижающего) импульсного источника питания постоянного тока (SMPS). Он должен служить учебным пособием начального уровня и шагом на пути к более продвинутым проектам.

Базовая топология SMPS

Основной функциональной задачей понижающего SMPS является понижение сигнала постоянного тока, В _IN , до более низкого значения постоянного тока, В _OUT , как показано на рисунке 1.

Рисунок 1: Назначение понижающего SMPS

Первый шаг в этом процессе состоит в создании версии входного сигнала постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), как показано на рисунке 2.

Рисунок 2: Сигнал ШИМ

Выходной сигнал, показанный на рисунке 2, далек от желаемого выходного сигнала, описанного в нашей задаче. А именно: 1) это постоянный сигнал, только когда транзистор включен, 2) его уровень, когда транзистор включен, не ниже, чем входной сигнал, и 3) он содержит высокое содержание гармоник во время переходных периодов, [1 ].

Давайте обратимся к третьему аспекту, разместив фильтр нижних частот LC на выходной стороне схемы, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3: Схема SMPS с фильтром нижних частот

Чтобы уменьшить нежелательное рассеивание мощности в цепи, не используются фильтры RC и RL , а в базовых конструкциях используется простой фильтр LC .

Предположим, что транзистор выключен, в LC-фильтре нет энергии, а выходное напряжение равно нулю.Когда транзистор включается, мы имеем схему, показанную на рисунке 4 (а) (предполагается, что транзистор идеален без падения напряжения).

Выходное напряжение постепенно увеличивается. Если предположить, что время включения достаточно велико, это напряжение в конечном итоге достигает установившегося значения В _OUT = В _IN . В установившемся режиме напряжение на катушке индуктивности, v _L , равно нулю, и постоянный ток, I _L , протекает через катушку индуктивности, как показано на рисунке 4 (b).Магнитная энергия хранится в индукторе.

Рисунок 4: Транзистор впервые включается: а) переходное состояние, б) установившееся состояние

Когда переключатель размыкается, на катушке индуктивности, а затем и на переключателе возникает большое отрицательное напряжение. Магнитная энергия, накопленная в катушке индуктивности, рассеивается в дуге на контактах переключателя или излучается [2], как показано на рисунке 5 (а).

Такое поведение часто является деструктивным для переключателя, и требуется какая-то защитная схема.Самое простое решение — обеспечить путь для тока катушки индуктивности во время этого переключения, вставив диод в схему, как показано на рисунке 5 (b). Мы пришли к одному из простейших понижающих ИИП.

Рисунок 5: Транзисторные выключатели: a) нежелательное поведение b) защитный диод

Базовая конструкция этого ИИП заключается в правильном выборе компонентов, L и C , для удовлетворения наложенных проектных требований. Значения компонентов определяются посредством анализа схемы, когда транзистор включен (переключатель замкнут) и когда он выключен (переключатель разомкнут).Соответствующие схемы и выбранные переменные схемы показаны на рисунке 6.

Рисунок 6: Схема понижающего SMPS: a) транзистор включен b) транзистор выключен

Обратите внимание, что в обоих случаях, когда переключатель замкнут и разомкнут, ток индуктора положительный и течет в одном направлении. Если переключатель остается разомкнутым достаточно долго, ток катушки индуктивности падает до нуля, а затем выходное напряжение падает до нуля.

Если переключатель замыкается до того, как ток индуктора (и выходное напряжение) упадет до нуля в цикле переключения, SMPS будет работать в так называемом режиме непрерывной проводимости .Это предпочтительный режим в EMC — он приводит к меньшей пульсации на выходе, меньшим колебаниям тока нагрузки и меньшему излучению EMC.

При последующем размыкании переключателя выходное напряжение возрастает. Когда он достигает желаемого значения, V _OUT < V _IN , переключатель снова размыкается. В непрерывном режиме и в установившемся режиме ток катушки индуктивности и выходное напряжение всегда остаются положительными и никогда не достигают нуля.

ИИП Конструкция

В следующей конструкции SMPS предполагается, что компоненты идеальны — падение напряжения на транзисторах и диодах равно нулю, катушка индуктивности и конденсатор идеальны (без паразитных помех).В схемах нет потерь — мощность, подаваемая источником, равна мощности, подаваемой на нагрузку. Обсуждаемый здесь подход основан на материале, представленном в [1].

SMPS работает в установившемся режиме, в режиме непрерывной проводимости с рабочим циклом D сигнала ШИМ, равным

(1)

, где частота переключения, f _SW , постоянна. Переключатель замкнут на время

(2а)

и открыто на время

(2б)

Когда переключатель замкнут, диод смещен в обратном направлении, и мы имеем схему, показанную на рисунке 7.

Рисунок 7: Цепь с замкнутым переключателем

Напряжение на катушке индуктивности

(3)

Напряжение на диоде равно входному напряжению, В _D = В _IN . Из уравнения. (3) получаем

(4)

Поскольку эта производная положительна, ток индуктора линейно увеличивается в течение времени, когда переключатель замкнут. Чтобы определить (приблизительное) изменение тока катушки индуктивности за это время, мы аппроксимируем производную в формуле.(4) по

(5)

Таким образом, изменение тока индуктора равно

(6)

Когда переключатель разомкнут, диод смещен в прямом направлении ( v _D = 0), и мы имеем схему, показанную на рисунке 8.

Рисунок 8: Цепь с разомкнутым выключателем

Напряжение на катушке индуктивности

(7)

Из уравнения. (7) получаем

(8)

Поскольку эта производная отрицательна, ток индуктора линейно уменьшается в течение времени, когда переключатель разомкнут.(Приблизительное) изменение тока индуктора за это время получается из

(9)

Таким образом, изменение тока индуктора равно

(10)

Изменения напряжения и тока индуктора показаны на Рисунке 9.

Рисунок 9: Изменения напряжения и тока индуктора

Очевидно, (∆ i _L ) _{закрыто} = ∆ i _L ) _{открыто} .Из уравнений. (6) и (10) получаем

(11)

или

(12)

, что приводит к соотношению ввода-вывода для понижающего преобразователя

(13)

Поскольку рабочий цикл меньше 1, выходное напряжение ниже входного. Мы можем контролировать уровень выходного напряжения, просто изменяя рабочий цикл.

Теперь давайте рассчитаем средний, максимальный и минимальный токи индуктивности. В установившемся режиме средний ток конденсатора, I _C = 0, [3].Отсюда следует, что средний ток индуктора, I _L , должен быть таким же, как средний ток нагрузки, I _R . То есть

(14)

Из рисунка 9 минимальное и максимальное значения тока индуктора равны

.

(15а)

(15б)

Используя уравнения. (10) и (14) в уравнениях. (15) получаем

(16а)

(16б)

или

(17а)

(17б)

, где f _SW = 1/ T .

Теперь мы можем вычислить минимальное значение индуктивности, L _MIN , для непрерывного режима работы. На границе между непрерывным и прерывистым режимами I _MIN = 0. Таким образом, из уравнения. (17а) получаем

(18)

или

(19а)

или используя уравнение. (13),

(19б)

Фактическое значение индуктивности, конечно, должно быть больше, чем минимальное значение, данное уравнениями. (19). Разумный выбор —

(20)

Наконец, пульсации выходного напряжения ∆ V _OUT могут быть получены путем анализа рисунка 10, на котором показаны кривые тока конденсатора и выходного напряжения [1].

Изменение заряда конденсатора, ∆ Q , равно площади треугольника под кривой тока конденсатора, когда конденсатор заряжается. То есть

(21)

с

(22а)

следует, что

(22б)

и

(22c)

Из уравнения. (10),

(23)

Используя уравнения. (22c) и (23) в уравнении. (21) получаем

(24)

, что приводит к пульсации выходного напряжения как

(25)

Относительная пульсация выходного напряжения

(26)

, который можно использовать для получения требуемой емкости с точки зрения заданной пульсации напряжения как

(27)

При проектировании ИИП обычно указываются входное и выходное напряжения.Как нагрузка и пульсации выходного напряжения. Как только частота переключения выбрана, минимальное значение индуктивности может быть рассчитано по формуле. (19b), а емкость конденсатора из уравнения. (27).

В этой статье представлены самые основы простейшей (и, вероятно, шумной) конструкции ИИП. Он должен служить учебным пособием начального уровня и шагом на пути к более продвинутому SMPS. Следующим шагом в проектировании должны быть неидеальные модели диодов и транзисторов, паразитные характеристики компонентов и их физические ограничения.Для уменьшения электромагнитных помех, помимо многих других соображений, необходимо также использовать входной фильтр [2] и схему демпфера [3,4].

Список литературы

1. Daniel W. Hart, Power Electronics , McGraw Hill, New York, NY, 2011
2. Богдан Адамчик и Билл Спенс, «Конструкция входного фильтра SMPS: подход с отрицательным сопротивлением», в журнале Compliance Magazine , май 2018 г.
3. Богдан Адамчик и Билл Спенс, «RC Snubber Design for SMPS Protection — Part I», In Compliance Magazine , февраль 2019.
4. Богдан Адамчик и Билл Спенс, «Конструкция демпфера RC для защиты SMPS — Часть II», В журнале Compliance Magazine , март 2019 г.

Улучшение производства за счет решения проблем с импульсными источниками питания 24 В постоянного тока

В этом техническом документе описываются импульсные источники питания и традиционные автоматические выключатели, а также объясняется технология, лежащая в основе новой твердотельной технологии. Позже в нем объясняется, как была решена давняя проблема, влияющая на время безотказной работы производственного оборудования с импульсным управлением мощностью.

Добавление селективной защиты цепи

Если источник питания питает несколько цепей, состояние перегрузки только в одной цепи, которая не удаляется быстро, вызовет отключение источника питания или вызовет падение напряжения на всех других подключенных цепях. Чтобы защитить отдельные цепи от одного источника питания, разработчик системы часто размещает тепловой или термомагнитный прерыватель цепи между каждой отдельной цепью, находящейся под нагрузкой, и источником питания.

Дилемма

Давайте рассмотрим тот же сценарий, но заменим термомагнитный выключатель импульсным источником питания. Как описано выше, максимальный ток, который обеспечивает импульсный источник питания, составляет 11 А (110% от номинального тока). Следовательно, перегрузка в любой цепи, которая увеличивает общий ток до более чем 11 А, приведет к отключению источника питания. в режим выключения или икоты. В том же примере, описанном выше, автоматический выключатель не срабатывает, напряжение падает до нуля, и у инженеров нет простого способа определить, какая цепь неисправна.

Реальное приложение

Инженеры автопроизводителя знали, что у них есть проблема. Каждый раз, когда в одной цепи возникала перегрузка, все другие компоненты управления, подключенные к тому же импульсному источнику питания 24 В постоянного тока, отключались, что приводило к массовым сбоям в производстве.

Автопроизводитель подсчитал, что стоимость простоя сборочной линии составила $ 1000 за минуту . Более того, когда источник питания пытался восстановиться после перегрузки, он часто переходил в режим икоты, быстро включаясь и выключаясь.Икота или остановка оборудования приводит к появлению лома и ставит под угрозу безопасность рабочих.

Чтобы решить эту проблему, заводские инженеры работали с E-T-A Circuit Breakers, ведущим производителем устройств защиты цепей для оборудования. Основная идея заключалась в том, чтобы добавить автоматический выключатель между источником питания и каждой отдельной цепью. В случае перегрузки в одной цепи этот метод исключает отключение питания всех подключенных цепей. Однако вскоре команда обнаружила, что из-за конструкции импульсных источников питания любое решение будет выходить за рамки возможностей традиционной технологии автоматических выключателей.Инженеры E-T-A решили использовать запатентованную электронную технологию для разработки нового класса устройств защиты цепей, которые работают, как описано выше.

E-T-A ESX10-T является первым продуктом, который позволяет избирательно защищать оборудование, подключенное к импульсному источнику питания 24 В постоянного тока, избегая при этом ложных отключений и дорогостоящих отключений источника питания. Состояние неисправности четко отображается с помощью многоцветного светодиода. Все модели ESX10-T имеют вспомогательный контакт, который также может передавать сигнал программируемому логическому контроллеру или программному обеспечению заводского оборудования, поэтому линия или процесс могут безопасно отключиться или оставаться в использовании в случае неисправности.

Автопроизводитель уже несколько лет использует защиту электронных схем от E-T-A. С момента установки нового устройства защиты электронных схем инженеры предприятия заметили значительное сокращение времени простоя оборудования, которое оценивается в 1000 долларов в минуту экономии производительности.

Часто задаваемые вопросы: для чего лучше всего использовать импульсный источник питания?

Устранение шума или электромагнитных помех может стать серьезной проблемой при разработке источников питания для электронных плат.Хотя снижение шума может не быть критической проблемой для конструкции линейного источника питания, собственный шум, создаваемый переключающими устройствами, имеет первостепенное значение при проектировании схем импульсного источника питания. К счастью, эту проблему можно в достаточной степени уменьшить, как описано в следующих часто задаваемых вопросах по импульсным источникам питания.

Что такое импульсный блок питания?

Импульсный источник питания — это один из двух основных типов источников питания, используемых в электронной продукции. Эти источники питания характеризуются использованием точной коммутации, которая позволяет использовать конструкции для преобразования постоянного тока в постоянный, постоянного в переменный, переменного в постоянный и преобразования частоты.

В чем разница между импульсным блоком питания и SMPS?

Исследования и разработка источников питания, в которых использовалось «переключение» для повышения эффективности по сравнению с обычными линейными источниками питания, начались в 1950-х годах с ранних устройств, в которых использовались вакуумные лампы; однако первое запатентованное использование термина «импульсный источник питания» было в 1976 году Говардом Скоттом из RCA. Сегодня термины «импульсный источник питания» и «импульсный источник питания» (SMPS) обычно используются как синонимы.

Какие типы коммутационных компонентов используются в импульсных источниках питания?

В отличие от линейных источников питания, в которых обычно используются диоды, в SMPS используется точное переключение для управления рабочим циклом. Поэтому чаще всего используются транзисторы, позволяющие улучшить управление.

Где используются импульсные блоки питания?

Импульсные источники питания в основном используются в цифровых системах, таких как телекоммуникационные устройства, вычислительное оборудование, звуковое оборудование, зарядные устройства для мобильных телефонов, медицинские испытательные устройства, оборудование для дуговой сварки и автомобильные зарядные устройства.

Что такое импульсный адаптер питания?

Источники питания по сути являются преобразователями. Как правило, они преобразуют один или несколько параметров из подаваемой мощности в тип и уровень параметра, необходимые для нагрузки или подключенной цепи. Адаптер источника питания позволяет использовать источник питания, выход которого не был специально разработан для используемого входа. Конструкции источников питания могут состоять только из схемы преобразования или могут состоять из схемы преобразования и адаптера на одной плате.

Какие бывают типы конструкции импульсных источников питания?

Наиболее распространенные типы конструкций для импульсных источников питания:

• Бак
• Повышение
• Бак-Boost
• Вперед
• Обратный ход
• Толкай-толкай
• Полумост
• Полный мост

Каковы наиболее серьезные проблемы при проектировании плат импульсных источников питания?

Точное управление переключением — критическое требование к импульсным источникам питания.Однако это переключающее действие создает высокую частоту и шум. Для печатных плат более низкие радиочастоты не представляют особой проблемы. Тем не менее, при проектировании высокоскоростной платы необходимо учитывать особые факторы, такие как длина дорожек и выводы, импеданс платы и тип материала.

DFM для печатных плат HDI

Загрузить сейчас

Как снизить уровень шума в импульсных цепях питания?

Полное устранение шума или электромагнитных помех в конструкции источника питания практически невозможно.Вместо этого цель состоит в том, чтобы максимально снизить шум для достижения электромагнитной совместимости. На этом этапе ваша плата блока питания не только является хорошим соседом для ближайших электронных устройств, но и количество электромагнитных помех на вашей плате не влияет отрицательно на функциональность. Некоторые из лучших практик по снижению шума на печатных платах включают следующее: использование согласования импеданса, ограничение длины трассы и соблюдение хороших расстояний утечки и зазоров. Кроме того, одним из наиболее важных факторов, которые также влияют на ваши целевые показатели производительности для подключенных нагрузок, является фильтрация.

Каковы наиболее важные факторы при проектировании и изготовлении печатных плат импульсных источников питания?

SMPS используются в широком спектре приложений. Однако следующие факторы обычно требуют особого внимания при разработке плат импульсных источников питания.

Оптимизация импульсного источника питания Разработка печатной платы

Nipron [Энциклопедия источников питания] Статья 1, импульсный источник питания (1.3)

Как было сказано выше, режим стабилизации питания Подача примерно подразделяется на режим переключения и последовательный режим.В настоящее время под электроснабжением во многих случаях понимается система коммутации. высокой производительности и компактности. Здесь механизм переключения источник питания объяснен.

<< Принцип действия >>
Показана принципиальная схема и состав импульсного источника питания. на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 Принципиальная схема и компоненты импульсный блок питания

— Выпрямительный мост: для выпрямления переменного тока в одном направлении
— Электролитический конденсатор: для накопления электричества и работы, чтобы сохранить напряжение
— Высокочастотный трансформатор: для передачи энергии от первичной к вторичный
— Цепь управления: для управления временем включения / выключения переключающего устройства для стабилизации вторичного напряжения

В этой системе вход (переменный ток: AC) преобразуется в выходной (постоянный ток: DC).Сторона входа называется «Первичный выход». сторона называется «вторичной», на которую передается энергия через высокочастотный трансформатор.

Теперь, обращаясь к диаграмме выше, работает механизм переключения источник питания можно объяснить следующим образом:
(1) Подключите переменный ток (AC) к импульсному источнику питания.
(2) Переменный ток выпрямляется выпрямительным мостом и сглаживается первичной обмоткой. электролитический конденсатор после этого.
(3) Операция переключения (повторная электрическая операция ВКЛ / ВЫКЛ) переключения устройство генерирует переменный ток с высокой частотой.
(4) Энергия (переменный ток) передается через высокочастотный трансформатор на вторичная сторона.
(5) Выпрямление вторичным диодом и сглаживание вторичным электролитом. конденсатор, энергия преобразуется в постоянный ток на выходе.
(6) Для стабилизации выходного напряжения переключение осуществляется через система обратной связи.

Это основной принцип работы импульсного источника питания.

<< Метод схемы >>
Метод схемы в импульсном источнике питания зависит от «DC-DC режим преобразователя, который преобразует постоянный ток в переменный с высокой частотой, и снова преобразовать его обратно в DC ». Кроме того, при определении переключения цикл преобразователя постоянного тока в постоянный, он подразделяется на два режима. Один называется режимом самовозбуждения, блок переключения которого определяет цикл переключения сам по себе.Другой называется раздельным возбуждением. режим (режим ШИМ), в котором есть осциллятор для независимого определения частоты. Особенности режима самовозбуждения: «Низкая стоимость благодаря простоте структура цепи «и» частота изменяется в соответствии с входному напряжению и состоянию нагрузки ». Раздельный режим возбуждения. особенности: «Стоимость обычно высока по сравнению с самовозбуждением. режим, так как в нем используются микросхемы «и» частота постоянна.» Также есть еще два режима, когда энергия передается от от первичного к вторичному. Один называется прямым режимом, когда энергия передается в течение периода ВКЛ, а другой называется обратным ходом режим, при котором энергия передается во время периода выключения.

(1) Одиночный вперед

Рисунок 1.6 Одинарная форвардная

Этот режим используется во многих импульсных источниках питания из-за простой структура и стабильный контроль.(Используется в наших источниках питания Nonstop во многих случаях). Раздельный режим возбуждения чаще всего используется от малых мощность до высокой мощности. Недостаток — плохая простота использования трансформатора.

(2) Обратный ход (называемый RCC)

Рисунок 1.7 Обратный ход

Этот режим требует нескольких компонентов и является самым простым режимом, но не подходит для большой мощности. В основном это применяется для малой мощности, но диапазон входного напряжения широк.

(3) Двухтактный

Рисунок 1.8 Толкающий-толкатель

В этом режиме используются два переключающих устройства и катушки для попеременного включения. Смещение магнетизма трансформатора имеет решающее значение.

(4) Полумост

Рисунок 1.9 Полумост

Операция такая же, как и в двухтактном, но применительно к преобразование составляет половину Vi, можно использовать низковольтные транзисторы.В удобство использования трансформатора лучше, но повышение температуры каждый конденсатор вызван коммутационным током, протекающим в конденсаторах имеет решающее значение.

(5) Полный мост

Рисунок 1.10 Полный мост

Схема сложная, но низковольтные коммутационные аппараты может быть использован. Это обеспечивает высокий КПД и высокую мощность. Удобство использования трансформатора наивысшее из всех.Критические точки магнетизм смещения и ток проникновения между верхним и нижним устройства (полевые транзисторы).

(6) MagAmp (Магнитный усилитель)

Рисунок 1.11 Магнитный усилитель

Этот режим предназначен для управления фазой в импульсе с использованием магнитного насыщения. аморфного сердечника, который имеет свойство прямоугольного гистерезиса для стабилизации выходное напряжение.

(7) Понижающий измельчитель

Рисунок 1.12 Шагающий измельчитель

Это режим неизолированного типа для преобразования в низкое напряжение без трансформатор.

(8) Повышающий прерыватель (также называемый обратным ходом)

Рисунок 1.13 Шаговый измельчитель

Это режим неизолированного типа для преобразования в высокое напряжение без трансформатор.

.

No related posts.