3.2. Импульсные источники питания

 

Сравнение импульсных и линейных источников питания. Хотя линейные источники питания имеют много полезных свойств, таких как: простота, низкие выходные пульсации и шум, превосходные значения нестабильности по напряжению и току и быстрое время восстановления, главным их недостатком является невысокая эффективность (кпд) и габариты.

Импульсные источники питания становятся популярными из-за высокой эффективности и высокой удельной мощности. В табл. 3.1 сравниваются некоторые из основных особенностей линейных и импульсных источников питания. Нестабильность по напряжению и току обычно лучше у линейных источников питания, иногда на порядок величины, но в импульсных источниках питания часто используются линейные выходные стабилизаторы, улучшающие стабильность выходного напряжения.

Таблица 3.1

Сравнение импульсных и линейных источников питания

Параметр	Линейные	Импульсные
Нестабильность по входному напряжению	0,02...0,05 %	0,05...0,1 %
Нестабильность по току нагрузки	0,02...0,1 %	0,1...1,0 %
Выходные пульсации	0,5...2мВ(rmS)	25...100мВ(р-р)
Диапазон входных напряжений	±10 %	± 20 %
кпд	40...55 %	60...80 %
Средняя удельная мощность	30 Вт/дм3	140 Вт/дм3
Время восстановления	50 мкс	300 мкс
Время удержания	2 мс	32 мс

 

Пиковые значения выходных пульсаций импульсных источников питания находятся в диапазоне 25...100 мВ (р-р), что значительно больше чем у линейных источников питания. Необходимо заметить, что для импульсных источников питания значения пульсаций выходного напряжения нормируются от пика до пика (р-р), в то время как для линейных источников – в среднеквадратичных значениях (rms) (рис. 3.2). Импульсные источники питания также имеют большую длительность переходных процессов чем линейные, но имеют намного большее время удержания, что является очень важным в компьютерных применениях.

Рис. 3.2. Форма пульсаций выходного напряжения импульсного ИВП

 

Наконец, импульсные источники питания имеют более широкий диапазон входных напряжений. Диапазон входных напряжений линейных источников питания обычно не превышает ±10 % от номинального значения, что оказывает прямое влияние на кпд.

У импульсных источников питания влияние диапазона входного напряжения на кпд очень незначительное или вообще отсутствует и диапазон входных напряжений ± 20 % обычно выбираемый пользователями дает возможность работать при сильных изменениях напряжения сети.

Обратноходовой преобразователь. Основная схема, по который выполнены многие маломощные импульсные источники питания – это обратноходовой преобразователь, показанный на рис. 3.3. Эта схема преобразует одно постоянное напряжение в другое, регулируя выходное напряжение посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), либо частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). Модуляция ширины импульса это метод управления основанный на изменении отношения длительности включенного состояния ключа к выключенному при постоянной частоте. В обратноходовом преобразователе длительность включенного состояния ключа больше длительности выключенного состояния для того, чтобы большее количество энергии было запасено в трансформаторе и передано в нагрузку.

 

Рис. 3.3. Типовая схема обратноходового преобразователя

 

Обратноходовой преобразователь работает следующим образом. Ключевой транзистор VT1, управляется схемой ШИМ-модулятора.

Когда VT1 открыт, ток в первичной обмотке трансформатора линейно увеличивается. Этот трансформаторфактически является дросселем со вторичной обмоткой и, в отличие от нормального трансформатора, накапливает в себе существенную энергию.

Когда транзистор VT1 закрывается, магнитный поток в сердечнике трансформатора начинает уменьшаться и это вызывает ток  , текущий в цепи вторичной обмотки.

Ток   заряжает конденсатор С и также течет в нагрузку. На рис. 3.4 показаны импульсы токов  и   во время включенного и выключенного состояний ключевого транзистора. Ток   течет во время включенного состояния, а ток  – во время выключенного и поддерживает постоянное напряжение на конденсаторе С.

Рис. 3.4. Формы сигналов для обратноходового преобразователя

 

Если выходная нагрузка увеличивается, необходимо только увеличить длительность включенного состояния транзистора VT1, во время которого ток   достигнет более высокого значения, что создаст в результате более высокий ток   во вторичной обмотке во время выключенного состояния. И, наоборот, при уменьшении нагрузки, ток  уменьшает свое значение.

Если выходное напряжение сравнить с опорным напряжением, и полученной разностью управлять ШИМ-модулятором, получается замкнутая петля обратной связи, и схема автоматически сохраняет постоянное значение выходного напряжения.

Идеальная схема обратноходового преобразователя не имеет потерь, так как в любое время переключающий элемент имеет или нулевое напряжение или нулевой ток. На практике, однако, имеются некоторые потери переключения и проводимости в транзисторе VT1 и также потери в трансформаторе, диоде и конденсаторах. Но эти потери не велики по сравнению со схемой линейного преобразователя.

Обратноходовой преобразователь напряжения сети. Более полная схема обратноходового преобразователя непосредственно подключенного к сети переменного тока, основанная на схеме типового обратноходового преобразователя, показана на рис. 3.5. Необходимо обратить внимание на то, что преобразователь питается напряжением полученным выпрямлением напряжения сети переменного тока без использования трансформатора.

На этой схеме также показана петля обратной связи, по которой сигнал от выхода подается назад на ключевой транзистор. Эта петля обратной связи должна иметь изоляцию для того, чтобы выходная линия постоянного тока была гальванически развязана от сети переменного тока, что обычно выполняется с помощью маленького трансформатора или оптрона.

 

Рис. 3.5. Обратноходовой преобразователь напряжения сети

 

Прямоходовой преобразователь. Другая популярная конфигурация импульсного источника питания известна как схема прямоходового преобразователя и показана на рис. 3.6. Хотя эта схема очень напоминает обратноходовую схему, имеются и некоторые фундаментальные различия. Прямоходовой преобразователь накапливает энергию не в трансформаторе, а в выходной катушке индуктивности (дросселе). Точки, обозначающие начало обмоток на трансформаторе, показывают, что, когда ключевой транзистор открыт, во вторичной обмотке появляется напряжение, и ток течет через диод VD1 в катушку индуктивности. У этой схемы большая продолжительность включенного состояния ключа относительно выключенного состояния, более высокое среднее напряжение во вторичной обмотке и более высокий выходной ток нагрузки.

 

Рис. 3.6 Прямоходовой преобразователь напряжения сети

 

Когда транзистор VT1 закрывается, ток в катушке индуктивности не может измениться мгновенно и продолжает течь через диод VD2. Таким образом, в отличие от обратноходовой схемы, ток от элемента сохраняющего энергию течет во время обеих половин цикла переключения. Поэтому прямоходовой конвертер имеет более низкое напряжение выходных пульсаций чем обратноходовая схема при тех же самых выходных параметрах.

Импульсный преобразователь с несколькими выводами. Большинство импульсных источников питания имеют больше одного выхода. Например, для большинства источников питания цифровых схем в дополнение к выходному напряжению +5 В могут иметься выходы на напряжения +12, -12, +24 и -5 В. Эти выходы используются в системах для питания всевозможных устройств типа формирователей сигналов для гибких и жестких дисков, принтеров, видеотерминалов, интерфейсов типа RS-232 и различных аналоговых схем. На рис. 3.7 показан обратноходовой преобразователь с несколькими выходами. Напряжение обратной связи снимается с выхода +5 В и подается на ШИМ-модулятор, таким образом стабилизируя всю схему. Это означает, что вспомогательные выходы не стабилизируются в той же мере, как главный выход +5 В. В некоторых применениях типа двигателя дисковода это не важно. В других, более критичных применениях, на вспомогательные выходы устанавливают линейные стабилизаторы, как показано на рис. 3.7, чтобы обеспечить лучшую стабилизацию. Стандартные импульсные источники питания обычно имеют до пяти различных выходов. 

 

Рис. 3.7. Обратноходовой преобразователь с несколькими выходами

3.3. Другие варианты схемотехники

Понижающий стабилизатор. Имеется ряд схемотехнических решений для импульсных источников питания, показанных в упрощенной форме на рис. 3.8–3.12. Для простоты на них не показаны выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Первая схема – это так называемый понижающий стабилизатор или стабилизатор понижающего типа. Понижающий стабилизатор работает подобно прямоходовому преобразователю за исключением того, что в нем не используется трансформатор и не имеется гальванической развязки входа и выхода схемы. Входное напряжение постоянного тока преобразуется в более низкое значение с помощью ключа управляемого ШИМ-модулятором. Эта схема часто выступает в качестве высокоэффективного стабилизатора с тремя выводами.

Рис. 3.8. Схема понижающего стабилизатора

 

Повышающий стабилизатор. Схема повышающего стабилизатора работает подобно схеме понижающего стабилизатора, за исключением того, что выходное напряжение выше чем входное (рис. 3.9). Фактически выходное напряжение равно входному напряжению плюс напряжение, определяемое переключением транзистора.

 

Рис. 3.9. Схема понижающего стабилизатора

 

Двухтактный прямоходовой преобразователь. На рис. 3.10 показан двухтактный преобразователь, который является разновидностью прямоходового преобразователя за исключением того, что оба ключа включены в цепь первичной обмотки трансформатора.

Рис. 3.10. Схема двухтактного прямоходового преобразователя

 

На рис. 3.11 и 3.12 показаны еще две разновидности прямоходового преобразователя, называемыесоответственно полномостовым и полумостовым преобразователями. Единственное отличие от предыдущей схемы– способ, которым возбуждается первичная обмотка трансформатора.

Установка входного напряжения. Как правило, многие импульсные источники питания имеют выбираемые диапазоны напряжения сети переменного тока номиналом 110 или 220 В. На рис. 3.13 показано как просто это можно реализовать.

При работе от напряжения сети 220 В или в диапазоне 180...260 В перемычка удалена, и получается схема двухполупериодного выпрямителя с конденсаторным фильтром. Однако, при работе от напряжения 110 В или 90... 130 В, перемычка находится на месте, и оба конденсатора поочередно заряжаются во время каждого полупериода, образуя схему удвоителя напряжения.

Очевидное преимущество этого типа схемы состоит в том, что она позволяет с помощью единственной перемычки выбрать американский или европейский диапазон входного напряжения сети.

 

 

Рис. 3.11. Схема полномостового преобразователя

 

Рис. 3.12. Схема полумостового преобразователя

 

Рис. 3.13. Схема переключения входного напряжения 110/220 В

Резонансные преобразователи. Один из путей, с помощью которого можно избежать увеличения некоторых потерь, связанных с переключением на более высоких частотах, состоит в том, чтобы использовать один из вариантов схемотехники так называемого резонансного преобразователя. Использование резонансной схемы, состоящей из конденсатора и индуктивности, делает напряжение на ключе или ток через ключ равными нулю прежде, чем ключ перейдет в состояние «открыто» или «закрыто». Это устраняет большинство потерь переключения и может устранять потери обусловленные емкостью ключа или потерями индуктивности рассеивания, описанные ранее. Упрощенное схемное решение резонансного конвертера, работающего при нулевом токе переключения, показано на рис. 3.14.

 

Рис. 3.14. Схема для иллюстрации работы резонансного преобразователя

 

Эта схема является измененной версией прямоходового преобразователя, где простой транзисторный ключзаменен резонансным ключом, состоящим из компонентов VT1, VD1, L1 и C2. Заметьте, что индуктивностьрассеивания трансформатора может образовывать или часть или всю резонансную индуктивность.

Первоначально транзистор закрыт. Выходной ток течет через диод VD3 и выходной дроссель L2 в нагрузку.Энергия черпается от магнитного поля в дросселе L2. В некоторый момент времени, оп­ределяемый схемойуправления, ключ VT1 открывается. Ток в индуктивности L1 начинает увеличиваться и, так как этот ток вызывает токво вторичной обмотке трансформатора, ток через диод VD3 начинает сокращаться, а через диод VD2 –увеличиваться. Когда ток в дросселе L2 будет полностью определяться током через диод VD2, напряжение навторичной обмотке трансформатора начинает повышаться. Это повышение и последующее понижение происходятпо синусоидальному закону, потому что L1 и С2 образуют резонансную схему. В это время ток в индуктивности L1увеличивается до максимального значения и уменьшается до нуля, также по синусоидальному закону. В тот момент,когда ключ VT1 закрывается, диод VD1 предотвращает обратный ток через VT1, который был бы иначе вызванпродолжающимся резонансным процессом в L1 и C2.

Когда ток в L1 становится равным нулю, выходной ток течет через дроссель L2, диод VD2 и емкость C2.Емкость C2 быстро разряжается и тогда выходной ток снова начинает протекать через VD3 и L2. На этом одинрезонансный цикл заканчивается и с открывания ключа VT1 начинается следующий цикл. Так как транзистороткрывается при токе, равном нулю, потери на переключение снижаются. В связи с тем, что передача тока от диодаVD2 к VD3 и, наоборот, замедлена присутствием индуктивности L1 и емкости C2, снижение потерь переключениятакже наблюдается и в этих компонентах.

Так как время от момента включения до момента выключения транзистора определяется собственной частотой резонансной схемы, выходное напряжение может управляться только изменением времени нахождениятранзистора в выключенном состоянии и, следовательно, изменением частоты переключения схемы.

Наличие синусоидальных токов в системе означает увеличение пиковых значений токов, которые будутувеличивать потери проводимости, относительно схемы эквивалентного источника питания с прямоугольнымиколебаниями.