Jaké je napájení?
Napájecí zdroj je elektrické zařízení, které převádí proud ze zdroje energie (například z elektrické sítě) na napětí požadované zátěží (například motorem nebo elektronickým zařízením).
Existují dvě hlavní konstrukce napájecích zdrojů: lineární napájecí zdroje a spínané napájecí zdroje.
Lineární napájecí zdroj: Lineární napájecí zdroje používají transformátor ke snížení vstupního napětí, poté usměrňují a převádějí napětí na stejnosměrné napětí, které je následně filtrováno pro zlepšení kvality průběhu. Lineární napájecí zdroje používají lineární regulátory k udržení konstantního výstupního napětí. Lineární regulátory odvádějí přebytečnou energii ve formě tepla.
Spínaný zdroj napájení: Spínaný napájecí zdroj je novější přístup, který řeší mnoho problémů vyskytujících se při návrhu lineárního napájecího zdroje, včetně velikosti transformátoru a problémů s regulací napětí. V konstrukci spínaného zdroje se vstupní napětí již nesnižuje, ale usměrňuje a filtruje na vstupu; poté se pomocí sekačky převádí na sekvenci vysokofrekvenčních pulzů; než se napětí dostane na výstup, opět se filtruje a usměrňuje.
Obsah
Princip činnosti spínaného zdroje
Lineární zdroje střídavého/stejnosměrného proudu se již dlouho používají k převodu střídavého proudu z rozvodné sítě na stejnosměrný proud pro použití v domácích spotřebičích nebo osvětlení. Aplikace s vysokým výkonem však stále častěji vyžadují menší napájecí zdroje. Lineární napájecí zdroje byly odsunuty do specifických průmyslových a lékařských aplikací, kde jsou díky nízké hlučnosti stále užitečné; spínané napájecí zdroje je z velké části nahradily díky svým malým rozměrům, vysoké účinnosti a schopnosti zpracovat vysoký výkon. lineární napájecí zdroj. Obrázek 1 znázorňuje obecný proces přeměny střídavého proudu (AC) na stejnosměrný proud (DC) ve spínaném napájecím zdroji.
Obrázek 1: Izolovaný spínaný zdroj AC/DC
rektifikace vstupu
Usměrňování je proces přeměny střídavého napětí na stejnosměrné. Usměrnění vstupního signálu je prvním krokem ve spínaných zdrojích střídavého/stejnosměrného proudu.
Stejnosměrné napětí se obvykle chápe jako konstantní přímočaré napětí, jaké poskytuje baterie. Ve skutečnosti je však stejnosměrný proud (DC) definován jako jednosměrný tok náboje. To znamená, že stejnosměrné napětí proudí stejným směrem, ale nemusí být nutně konstantní.
Sinusový průběh střídavého proudu (AC) Sinusový průběh je nejtypičtějším průběhem napětí, jehož první polovina cyklu je kladná a druhá polovina cyklu záporná. Pokud zápornou polovinu cyklu obrátíme nebo odstraníme, proud přestane být střídavý a stane se stejnosměrným. Tohoto procesu přeměny lze dosáhnout usměrněním.
Usměrnění se dosáhne pomocí diod v pasivním polomůstkovém usměrňovači, který eliminuje zápornou polovinu sinusovky (viz obrázek 2). Dioda propouští proud během kladné poloviny vlny a blokuje proud, když teče v opačném směru.
Obrázek 2: Polomůstkový usměrňovač
Usměrněná sinusovka bude mít nízký průměrný výkon a nebude schopna efektivně napájet zařízení. Další, účinnější metodou je změna polarity záporné půlvlny a její přeměna na kladnou vlnu. Tato metoda se nazývá usměrnění v plné vlně a vyžaduje pouze čtyři diody v konfiguraci plného můstku (viz obrázek 3). Tato konfigurace zajišťuje stabilní směr proudu bez ohledu na polaritu vstupního napětí.
Obrázek 3: Usměrňovač s plným můstkem
V porovnání s usměrněním pomocí polovičního můstku je průměrné výstupní napětí usměrněného průběhu vyšší, ale stále má daleko ke konstantnímu stejnosměrnému průběhu, který je potřebný pro napájení elektronických zařízení. Ačkoli se již jedná o stejnosměrný průběh, z tvaru napěťové vlny je patrné, že se napětí mění velmi rychle a často, a použití takového stejnosměrného proudu k napájení zařízení bude neefektivní. Toto periodické kolísání stejnosměrného napětí se nazývá zvlnění a snížení nebo odstranění zvlnění je rozhodující pro dosažení účinného napájení.
Nejjednodušším a nejběžnějším způsobem, jak snížit zvlnění, je přidat na výstup usměrňovače velký kondenzátor, tzv. akumulační kondenzátor nebo vyhlazovací filtr (viz obrázek 4).
Tento kondenzátor uchovává napětí během špičky vlny a poté dodává proud do zátěže, dokud jeho napětí není menší než stoupající vlna usměrněného napětí. Průběh, který vytvoří, se přiblíží požadovanému tvaru a lze si jej také představit jako stejnosměrné napětí bez střídavé složky. Tento výsledný průběh napětí může napájet stejnosměrná zařízení.
Obrázek 4: Usměrňovač s plným můstkem a vyhlazovacím filtrem
Pasivní usměrňovače používají jako neřízené spínače polovodičové diody, které jsou nejjednodušší metodou usměrňování střídavých vln, ale nejsou nejúčinnější.
Diody jsou poměrně účinné spínače. Rychle se zapínají a vypínají s minimální spotřebou energie. Jediným problémem je však úbytek napětí při předpětí 0,5 V až 1 V, což snižuje účinnost.
Aktivní usměrňovače nahrazují diody řízenými spínači, jako jsou tranzistory MOSFET nebo BJT (viz obrázek 5). Má dvě výhody: zaprvé tranzistorové usměrňovače nemají úbytek napětí 0,5 V až 1 V, který je vlastní polovodičovým diodám, protože jejich odpor může být libovolně malý, a proto je malý i úbytek napětí; zadruhé tranzistor je řízený spínač, což znamená, že spínací frekvenci lze nastavit a optimalizovat.
Nevýhodou je, že aktivní usměrňovače vyžadují k dosažení svých cílů složitější řídicí obvody, které vyžadují další součástky, a proto jsou dražší.
Obrázek 5: Aktivní usměrňovač s plným můstkem
Korekce účiníku (PFC)
Druhým krokem při návrhu spínaného zdroje je korekce účiníku (PFC).
Obvody PFC se na vlastní přeměně střídavého proudu na stejnosměrný podílejí jen málo, ale jsou důležitou součástí většiny komerčních napájecích zdrojů.
Obrázek 6: Průběh napětí a proudu na výstupu usměrňovače
Při pohledu na průběh proudu akumulačního kondenzátoru usměrňovače (viz obr. 6) zjistíte, že nabíjecí proud protéká kondenzátorem ve velmi krátkém časovém úseku; konkrétně od okamžiku, kdy je napětí na vstupu kondenzátoru větší než náboj kondenzátoru, do okamžiku, kdy usměrněný signál mezi vrcholy. To způsobuje řadu krátkých proudových špiček v kondenzátoru, které způsobují vážné problémy nejen pro zdroj, ale i pro celou síť. Protože tyto proudové špičky jsou injektovány do sítě a generují velké množství harmonických. Harmonické vytvářejí zkreslení, které může ovlivnit ostatní zdroje energie a zařízení připojená k síti.
Při návrhu spínaného zdroje je účelem obvodu korekce účiníku odfiltrovat tyto harmonické a minimalizovat je. Existují dva typy obvodů korekce účiníku: aktivní a pasivní.
Pasivní obvody PFC se skládají z pasivních dolnopropustných filtrů, které se snaží eliminovat vysokofrekvenční harmonické. Samotný pasivní PFC však neumožňuje, aby napájecí zdroje, zejména ve vysoce výkonných aplikacích, splňovaly mezinárodní specifikace harmonického šumu. Je třeba použít aktivní korekci účiníku.
Aktivní PFC může měnit tvar průběhu proudu tak, aby sledoval průběh napětí. Harmonické jsou posunuty do vyšších frekvencí, a proto je lze snáze odfiltrovat. V tomto případě se nejčastěji používá zapojení se zesilovacím (nebo zvyšovacím) měničem.
Izolace: Izolované a neizolované spínané zdroje napájení
Bez ohledu na přítomnost obvodu PFC je posledním krokem při konverzi energie snížení usměrněného stejnosměrného napětí na velikost vhodnou pro zamýšlenou aplikaci.
Vzhledem k tomu, že vstupní střídavý průběh je na vstupu usměrněn, je výstupní stejnosměrné napětí velmi vysoké: bez PFC bude výstupní stejnosměrné napětí usměrňovače přibližně 320 V; s přítomností aktivního obvodu PFC bude výstup zesilovacího měniče 400 V nebo více Vysoké stabilní stejnosměrné napětí.
Vysoké napětí je v obou případech velmi nebezpečné a pro většinu aplikací, které vyžadují velmi nízké napětí, zbytečné. V tabulce 1 je uvedeno několik aspektů, které je třeba vzít v úvahu při výběru správné topologie izolace, včetně měniče a aplikace.
Tabulka 1: Izolované a neizolované zdroje střídavého/stejnosměrného napájení
Volba metody snižování krevního tlaku souvisí především s bezpečností.
Vstupní strana napájecího zdroje je připojena k síti střídavého proudu, což znamená, že pokud dojde k úniku na výstupu, může úraz takového rozsahu způsobit vážné zranění nebo dokonce smrt a může poškodit jakékoli zařízení připojené k výstupu.
Bezpečnost je zajištěna magnetickým oddělením vstupních a výstupních obvodů AC/DC připojených k elektrické síti. Nejpoužívanějšími obvody v izolovaných zdrojích střídavého/stejnosměrného napájení jsou flyback měniče a rezonanční LLC měniče, protože oba mají elektrickou nebo magnetickou izolaci (viz obrázek 7).
Obrázek 7: Flyback měnič (vlevo) a LLC rezonanční měnič (vpravo)
Použití transformátoru znamená, že signál nemůže být stejnosměrné napětí. Místo toho se musí napětí měnit, a tedy i proud, aby se energie mohla přenášet z jedné strany transformátoru na druhou prostřednictvím indukční vazby. Proto jak flyback, tak LLC měniče "sekají" vstupní stejnosměrné napětí na čtvercovou vlnu, která se pak stupňuje přes transformátor. Nakonec se průběh před výstupem opět usměrní.
Měnič flyback, který se primárně používá v aplikacích s nízkým výkonem, je také izolovaný měnič typu buck-boost, jehož výstupní napětí může být vyšší nebo nižší než vstupní napětí v závislosti na vztahu mezi primárním a sekundárním vinutím transformátoru. turns ratio.
Činnost flyback měniče je velmi podobná činnosti boost měniče.
Když je spínač zavřený, primární cívka se nabíjí vstupem a vytváří magnetické pole; když je spínač otevřený, náboj v primární cívce se přenáší do sekundárního vinutí, které dodává proud do obvodu, a tím napájí zátěž.
Zpětnovazební měnič je poměrně snadný na konstrukci a vyžaduje méně součástek než jiné měniče, ale není účinný, protože nutí tranzistor zapínat a vypínat podle libosti a toto tvrdé spínání způsobuje velké ztráty (viz obrázek 8). Zejména v aplikacích s velkým výkonem se tím zkracuje životnost tranzistoru a vzniká obrovský ztrátový výkon. Proto je flyback měnič vhodnější pro aplikace s nízkým výkonem, kde je výkon obvykle do 100 W.
Rezonanční LLC měniče se běžně používají v aplikacích s vysokým výkonem. Jeho obvod je také magneticky izolován pomocí transformátoru. LLC měniče jsou založeny na jevu rezonance, což znamená, že pokud se pracovní frekvence shoduje s vlastní frekvencí filtru, dojde k jejímu zesílení. V tomto případě je rezonanční kmitočet LLC měniče definován sériovým induktorem a kondenzátorem (LC filtrem) a je také ovlivněn dodatečným účinkem primární indukčnosti (L) transformátoru, odtud název LLC měnič.
Rezonanční měniče LLC jsou výhodné pro aplikace s vysokým výkonem, protože mohou vytvářet spínání s nulovým proudem, známé také jako měkké spínání (viz obrázek 8). Když se proud v obvodu blíží nule, může spínač zapínat a vypínat, čímž se minimalizují spínací ztráty tranzistoru, a tím se snižuje elektromagnetické rušení a zvyšuje účinnost. Toto zlepšení výkonu má však svou cenu: Je velmi obtížné navrhnout rezonanční měnič LLC, který by dokázal dosáhnout měkkého spínání za různých zátěžových podmínek. Za tímto účelem vyvinula společnost MPS speciální nástroj pro návrh LLC, který zajišťuje, že měnič pracuje ve správném rezonančním stavu, čímž dosahuje lepší účinnosti spínání.
Obrázek 8: Ztráty při tvrdém spínání (vlevo) a měkkém spínání (vpravo)
Jak již bylo zmíněno, jedním z omezení zdrojů AC/DC je velikost a hmotnost vstupního transformátoru. Je to proto, že nízká pracovní frekvence vstupního transformátoru (50 Hz) vyžaduje větší cívku a jádro, aby nedocházelo k saturaci.
U spínaných zdrojů je frekvence kmitání napětí výrazně vyšší (minimálně nad 20 kHz). To znamená, že snižovací transformátor může být menší, protože vysokofrekvenční signály vytvářejí v lineárním transformátoru menší magnetické ztráty. Protože se zmenšuje velikost vstupního transformátoru, lze systém miniaturizovat, takže je možné celý zdroj vměstnat do nabíječky mobilního telefonu, jakou používáme nyní.
Některá stejnosměrná zařízení nevyžadují k zajištění izolace transformátor. To je běžné u zařízení, která nevyžadují přímý dotyk uživatele (např. světla, senzory, IoT atd.), protože veškeré zpracování parametrů zařízení se provádí na samostatném zařízení (např. telefonu, tabletu nebo počítači).
To má významné výhody z hlediska hmotnosti, velikosti a výkonu zařízení. Tyto měniče snižují úroveň výstupního napětí pomocí vysokonapěťového buckova měniče. Jeho zapojení lze považovat za invertující obvod dříve uvedeného zvyšovacího měniče. V tomto případě při sepnutí tranzistorového spínače proud protékající cívkou vytváří na cívce napětí, které ruší napětí ze zdroje, a tím snižuje napětí na výstupu. Když je spínač otevřen, induktor dodává proud do zátěže, čímž udržuje napětí na zátěži, když je obvod odpojen od zdroje.
Ve spínaných zdrojích AC/DC se používají vysokonapěťové měniče typu buck, protože tranzistory MOSFET, které slouží jako spínače, musí být schopny odolávat velkým změnám napětí (viz obrázek 9). Když je spínač zavřený, napětí na tranzistoru MOSFET se blíží 0 V; když je však otevřený, toto napětí vzroste na 400 V v jednofázové aplikaci a na 800 V v třífázovém měniči. Tyto náhlé změny vysokého napětí mohou snadno poškodit běžné tranzistory, proto se používají speciální vysokonapěťové tranzistory MOSFET.
Obrázek 9: Neizolovaný spínaný zdroj AC/DC s aktivním PFC
Integrace buckova měniče je jednodušší než integrace transformátoru, protože vyžaduje pouze jednu cívku. Jeho účinnost snižování napětí je také vyšší, s účinností až 95% za normálních podmínek. Této vysoké účinnosti je dosaženo díky tomu, že tranzistory a diody nespotřebovávají téměř žádný spínací výkon a jediné ztráty pocházejí z induktoru.
Shrňte
Spínané zdroje AC/DC jsou v současnosti nejúčinnější metodou převodu střídavého proudu na stejnosměrný. Jeho přeměna energie je rozdělena do tří stupňů:
1. Vstupní rektifikace: Vstupní síťové střídavé napětí se pomocí diodového můstku mění na stejnosměrnou usměrněnou vlnu. Přidáním kondenzátoru na výstup můstku lze snížit zvlnění napětí.
2. Korekce účiníku (PFC): Vzhledem k přítomnosti nelineárního proudu v usměrňovači je obsah harmonických v proudu velmi velký. Existují dva způsoby řešení tohoto problému: jedním je použití pasivního PFC, který k potlačení harmonických vlivů používá filtry, ale tato metoda není účinná; druhý způsob se nazývá aktivní PFC, který používá spínače k měniči napětí tak, aby průběh proudu sledoval průběh vstupního napětí. Aktivní PFC je jediným způsobem, jak umožnit měničům výkonu splnit normy pro velikost proudu a účinnost.
3. Izolace: Spínaný zdroj může být izolovaný nebo neizolovaný. Zařízení je izolované, pokud vstup a výstup napájecího zdroje nejsou fyzicky propojeny. Izolace lze dosáhnout pomocí transformátoru, který elektricky izoluje obě poloviny obvodu. Transformátory však mohou přenášet výkon pouze při změně proudu, takže usměrněné stejnosměrné napětí se rozseká na vysokofrekvenční čtvercovou vlnu a poté se přenese do sekundárního obvodu; poté se opět usměrní a nakonec se předá na výstup.
Návrh spínaného zdroje vyžaduje zvážení všech aspektů, zejména bezpečnosti, výkonu, velikosti a hmotnosti. Řídicí obvody spínaných napájecích zdrojů jsou také složitější než u lineárních napájecích zdrojů a pro mnoho konstruktérů je užitečné použít v napájecím zdroji integrované moduly.
