Wat is de voeding?
Een voeding is een elektrisch apparaat dat stroom van een energiebron (zoals een elektriciteitsnet) omzet in de spanning die een belasting (zoals een motor of elektronisch apparaat) nodig heeft.
Er zijn twee hoofdontwerpen van voedingen: lineaire voedingen en schakelende voedingen.
Lineaire voeding: Ontwerpen voor lineaire voedingen gebruiken een transformator om de ingangsspanning te verlagen, en gelijkrichten en converteren de spanning naar een gelijkspanning, die vervolgens wordt gefilterd om de kwaliteit van de golfvorm te verbeteren. Lineaire voedingen gebruiken lineaire regelaars om de uitgangsspanning constant te houden. Lineaire regelaars voeren overtollige energie af in de vorm van warmte.
Schakelende voeding: Het ontwerp van schakelende voedingen is een nieuwere benadering die veel van de problemen oplost die aanwezig zijn bij het ontwerp van lineaire voedingen, inclusief transformatorafmetingen en spanningsregelingsproblemen. Bij een schakelende voeding wordt de ingangsspanning niet langer gereduceerd, maar gelijkgericht en gefilterd aan de ingang; vervolgens wordt deze door een chopper omgezet in een hoogfrequente pulssequentie; deze wordt opnieuw gefilterd en gelijkgericht voordat de spanning de uitgang bereikt.
Inhoudsopgave
Werkingsprincipe van schakelende voeding
Lineaire AC/DC voedingen zijn lang gebruikt om wisselstroom van het elektriciteitsnet om te zetten naar gelijkstroom voor gebruik in huishoudelijke apparaten of verlichting. Maar toepassingen met een hoog vermogen vereisen steeds vaker kleinere voedingen. Lineaire voedingen zijn gedegradeerd tot specifieke industriële en medische toepassingen, waar ze dankzij hun lage ruis nog steeds nuttig zijn; schakelende voedingen hebben ze grotendeels vervangen vanwege hun kleine formaat, hoge efficiëntie en vermogen. lineaire voeding. Figuur 1 illustreert het algemene conversieproces van wisselstroom (AC) naar gelijkstroom (DC) in een schakelende voeding.
Afbeelding 1: Geïsoleerde AC/DC schakelende voeding
Ingangsgelijkrichting
Gelijkrichting is het proces waarbij wisselspanning wordt omgezet in gelijkspanning. Gelijkrichting van het ingangssignaal is de eerste stap in schakelende AC/DC-voedingen.
Gelijkspanning wordt meestal gezien als een constante spanning in rechte lijn, zoals die van een batterij. Maar in werkelijkheid wordt gelijkstroom (DC) gedefinieerd als een eenrichtingsstroom van lading. Dit betekent dat de gelijkspanning in dezelfde richting stroomt, maar niet noodzakelijk constant is.
Sinusgolf wisselstroom (AC) De sinusgolf is de meest typische spanningsgolfvorm, waarbij de eerste helft van de cyclus positief is en de tweede helft van de cyclus negatief. Als de negatieve halve cyclus wordt omgekeerd of geëlimineerd, zal de stroom niet meer wisselvallig zijn en gelijkstroom worden. Dit conversieproces kan worden bereikt door gelijkrichting.
Gelijkrichting wordt bereikt door diodes te gebruiken in een passieve halfbruggelijkrichter om de negatieve helft van de sinusgolf te elimineren (zie figuur 2). De diode laat stroom door tijdens de positieve halve cyclus van de golf en blokkeert de stroom in de tegenovergestelde richting.
Afbeelding 2: Halfbruggelijkrichter
Een gelijkgerichte sinusgolf heeft een laag gemiddeld vermogen en kan een apparaat niet effectief voeden. Een andere, effectievere methode is om de polariteit van de negatieve halve golf om te zetten in een positieve golf. Deze methode heet volledige-golfgelijkrichting en vereist slechts vier diodes in een volledige-brugconfiguratie (zie afbeelding 3). Deze configuratie zorgt voor een stabiele stroomrichting, ongeacht de polariteit van de ingangsspanning.
Afbeelding 3: Volbruggelijkrichter
Vergeleken met halfbruggelijkrichting is de gemiddelde uitgangsspanning van de volledige-golfvorm hoger, maar deze is nog steeds ver verwijderd van de constante DC-golfvorm die nodig is om elektronische apparatuur van stroom te voorzien. Hoewel het al een DC-golfvorm is, is aan de vorm van de spanningsgolf te zien dat de spanning zeer snel en frequent verandert, en het gebruik van een dergelijke DC voor het voeden van apparatuur zal inefficiënt zijn. Deze periodieke variatie in de gelijkspanning wordt rimpel genoemd en het reduceren of elimineren van rimpel is cruciaal voor het bereiken van een efficiënte voeding.
De eenvoudigste en meest gebruikelijke manier om rimpel te verminderen is het toevoegen van een grote condensator, een opslagcondensator of afvlakfilter genoemd, aan de uitgang van de gelijkrichter (zie Afbeelding 4).
Deze condensator slaat de spanning op tijdens de piek van de golf en levert dan stroom aan de belasting totdat zijn spanning lager is dan de stijgende gelijkgerichte spanningsgolf. De golfvorm die deze produceert zal dichter bij de gewenste vorm liggen en kan ook worden beschouwd als een gelijkspanning zonder AC-component. Deze uiteindelijke spanningsgolfvorm kan gelijkstroomapparatuur voeden.
Afbeelding 4: Volbruggelijkrichter met afvlakfilter
Passieve gelijkrichters gebruiken halfgeleiderdioden als ongecontroleerde schakelaars. Dit is de eenvoudigste methode om wisselstroomgolven te gelijkrichten, maar niet de meest efficiënte.
Diodes zijn relatief efficiënte schakelaars. Ze schakelen snel in en uit met een minimaal stroomverbruik. Maar het enige probleem is dat er een spanningsval is van 0,5V tot 1V, wat de efficiëntie vermindert.
Actieve gelijkrichters vervangen diodes door regelbare schakelaars, zoals MOSFET's of BJT-transistors (zie Figuur 5). Dit heeft twee voordelen: ten eerste hebben transistorgelijkrichters niet de spanningsval van 0,5V tot 1V die inherent is aan halfgeleiderdiodes omdat hun weerstand willekeurig klein kan zijn en de spanningsval dus ook klein is; ten tweede is de transistor een gestuurde schakelaar, wat betekent dat de schakelfrequentie kan worden aangepast en geoptimaliseerd.
Het nadeel is dat actieve gelijkrichters complexere regelcircuits nodig hebben om hun doelen te bereiken, die extra componenten vereisen en daarom duurder zijn.
Afbeelding 5: Volledig-brug actieve gelijkrichter
Compensatie vermogensfactor (PFC)
De tweede stap in het ontwerp van schakelende voedingen is de correctie van de arbeidsfactor (PFC).
PFC-circuits dragen weinig bij aan de eigenlijke omzetting van AC naar DC, maar ze zijn een belangrijk onderdeel van de meeste commerciële voedingen.
Afbeelding 6: Spannings- en stroomgolfvormen aan de uitgang van de gelijkrichter
Als je kijkt naar de stroomgolfvorm van de gelijkrichter-opslagcondensator (zie Afbeelding 6), zie je dat de laadstroom in een zeer korte tijdspanne door de condensator vloeit; meer bepaald vanaf het punt waarop de spanning aan de ingang van de condensator groter is dan de lading van de condensator, tot het punt waarop het gelijkgerichte signaal tussen pieken komt. Dit veroorzaakt een reeks korte stroompieken in de condensator, wat niet alleen ernstige problemen veroorzaakt voor de voeding, maar ook voor het hele elektriciteitsnet. Want deze stroompieken worden in het net geïnjecteerd en genereren een groot aantal harmonischen. Harmonischen creëren vervorming die van invloed kan zijn op andere stroombronnen en apparatuur die op het net is aangesloten.
Bij het ontwerp van schakelende voedingen is het doel van het power-factor correctiecircuit om deze harmonischen uit te filteren en te minimaliseren. Er zijn twee soorten power-factor correctieschakelingen: actieve en passieve.
Passieve PFC-schakelingen bestaan uit passieve laagdoorlaatfilters die hoogfrequente harmonischen proberen te elimineren. Met passieve PFC alleen kunnen voedingen, vooral in toepassingen met een hoog vermogen, echter niet voldoen aan internationale specificaties voor harmonische ruis. Er moet actieve correctie van de arbeidsfactor worden gebruikt.
Actieve PFC kan de vorm van de stroomgolfvorm veranderen zodat deze de spanningsgolfvorm volgt. De harmonischen worden verschoven naar hogere frequenties en zijn daarom gemakkelijker uit te filteren. In dit geval is de meest gebruikte schakeling een boost (of step-up) converter.
Isolatie: Geïsoleerde en niet-geïsoleerde schakelende voedingen
Ongeacht de aanwezigheid van een PFC-circuit is de laatste stap in de vermogensomzetting het verlagen van de gelijkgerichte gelijkspanning naar een geschikte grootte voor de beoogde toepassing.
Aangezien de inkomende AC-golfvorm aan de ingang wordt gelijkgericht, is de uitgangsgelijkspanning erg hoog: zonder PFC zal de uitgangsgelijkspanning van de gelijkrichter ongeveer 320 V zijn; met het actieve PFC-circuit erbij zal de uitgang van de boost converter 400 V of meer zijn Hoge stabiele gelijkspanning.
Hoge spanningen zijn in beide gevallen extreem gevaarlijk en onnodig voor de meeste toepassingen die zeer lage spanningen vereisen. Tabel 1 geeft een overzicht van verschillende aspecten waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van de juiste isolatietopologie, inclusief omvormer en toepassing.
Tabel 1: Geïsoleerde en niet-geïsoleerde AC/DC-voedingen
De keuze voor een bloeddrukverlagende methode heeft vooral te maken met veiligheid.
De ingangszijde van de voeding is aangesloten op het wisselstroomnet, wat betekent dat als er een lek optreedt aan de uitgang, een schok van deze omvang ernstig letsel of zelfs de dood kan veroorzaken en alle apparatuur kan beschadigen die op de uitgang is aangesloten.
De veiligheid wordt gewaarborgd door de AC/DC ingangs- en uitgangscircuits die verbonden zijn met het elektriciteitsnet magnetisch te isoleren. De meest gebruikte schakelingen in geïsoleerde AC/DC-voedingen zijn flybackconverters en resonante LLC-converters omdat ze beide elektrische of magnetische isolatie hebben (zie Afbeelding 7).
Afbeelding 7: Flybackomvormer (links) en LLC-resonantieomvormer (rechts)
Het gebruik van een transformator betekent dat het signaal geen vlakke gelijkspanning kan zijn. In plaats daarvan moet de spanning veranderen, en dus ook de stroom, zodat energie van de ene kant van de transformator naar de andere kan worden overgedragen via inductieve koppeling. Daarom "hakken" zowel flyback- als LLC-converters de ingangsgelijkspanning in een blokgolf, die vervolgens omlaag wordt getrapt door een transformator. Tenslotte wordt de golfvorm weer gelijkgericht voor de uitgang.
Een flyback converter wordt voornamelijk gebruikt in toepassingen met laag vermogen en is ook een geïsoleerde buck-boost converter waarvan de uitgangsspanning hoger of lager kan zijn dan de ingangsspanning, afhankelijk van de verhouding tussen de primaire en secundaire wikkelingen van de transformator. turn ratio.
De werking van een flybackconverter lijkt erg op die van een boostconverter.
Wanneer de schakelaar gesloten is, wordt de primaire spoel opgeladen door de ingang en vormt hij een magnetisch veld; wanneer de schakelaar geopend wordt, wordt de lading in de primaire spoel overgedragen naar de secundaire wikkeling, die stroom in het circuit injecteert en zo de belasting voedt.
De flyback converter is relatief eenvoudig te ontwerpen en vereist minder componenten dan andere converters, maar hij is niet efficiënt omdat hij de transistor dwingt naar believen aan en uit te schakelen, en dit harde schakelen veroorzaakt enorme verliezen (zie afbeelding 8). Vooral in toepassingen met een hoog vermogen verkort dit de levensduur van de transistor en zorgt het voor een enorme vermogensdissipatie. Daarom is de flyback converter meer geschikt voor toepassingen met een laag vermogen waarbij het vermogen meestal maximaal 100 W is.
Resonante LLC converters worden vaak gebruikt in toepassingen met een hoog vermogen. Het circuit is ook magnetisch geïsoleerd via een transformator. LLC omzetters zijn gebaseerd op het fenomeen resonantie, wat betekent dat wanneer de werkfrequentie overeenkomt met de natuurlijke frequentie van het filter, deze frequentie wordt versterkt. In dit geval wordt de resonantiefrequentie van de LLC converter bepaald door de serie inductor en condensator (LC filter) en wordt ook beïnvloed door het extra effect van de primaire inductantie (L) van de transformator, vandaar de naam LLC converter.
LLC resonante omzetters genieten de voorkeur voor toepassingen met hoog vermogen omdat ze kunnen schakelen met nulstroom, ook wel bekend als zacht schakelen (zie afbeelding 8). Wanneer de stroom in de schakeling bijna nul is, kan deze de schakelaar in- en uitschakelen, waardoor de schakelverliezen van de transistor worden geminimaliseerd, de EMI wordt verminderd en de efficiëntie wordt verbeterd. Deze prestatieverbetering heeft echter een prijs: Het is erg moeilijk om een LLC resonantieomvormer te ontwerpen die zacht kan schakelen onder verschillende belastingscondities. Daarom heeft MPS een speciale LLC ontwerptool ontwikkeld die ervoor zorgt dat de converter in de juiste resonantietoestand werkt, waardoor een betere schakelefficiëntie wordt bereikt.
Afbeelding 8: Hard schakelen (links) en zacht schakelen (rechts) verliezen
Zoals eerder vermeld is een van de beperkingen van AC/DC voedingen de grootte en het gewicht van de ingangstransformator. Dit komt omdat de lage werkfrequentie van de ingangstransformator (50Hz) een grotere spoel en kern vereist om verzadiging te voorkomen.
In schakelende voedingen is de oscillatiefrequentie van de spanning aanzienlijk hoger (minstens boven 20 kHz). Dit betekent dat de step-down transformator kleiner kan zijn omdat hoogfrequente signalen minder magnetische verliezen veroorzaken in de lineaire transformator. Naarmate de ingangstransformator kleiner wordt, kan het systeem worden geminiaturiseerd, waardoor het mogelijk wordt om de hele voeding in een oplader voor een mobiele telefoon te stoppen, zoals we nu gebruiken.
Sommige gelijkstroomapparatuur heeft geen transformator nodig om te isoleren. Dit komt vaak voor bij apparaten die niet direct door de gebruiker aangeraakt hoeven te worden (bijv. lampen, sensoren, IoT, enz.) omdat de verwerking van apparaatparameters op een apart apparaat gebeurt (bijv. telefoon, tablet of computer).
Dit heeft aanzienlijke voordelen voor het gewicht, de afmetingen en de prestaties van het apparaat. Deze converters verlagen het uitgangsspanningsniveau met behulp van een hoogspannings-buck converter. Het circuit kan worden beschouwd als het inverterende circuit van de eerder genoemde boost converter. In dit geval creëert de stroom die door de spoel vloeit, wanneer de transistorschakelaar gesloten is, een spanning over de spoel, die de spanning van de voeding opheft en zo de spanning aan de uitgang verlaagt. Wanneer de schakelaar wordt geopend, levert de spoel stroom aan de belasting, waardoor de spanning over de belasting gehandhaafd blijft wanneer het circuit wordt losgekoppeld van de voedingsbron.
AC/DC schakelende voedingen gebruiken hoogspannings buck converters omdat de MOSFET-transistors die als schakelaar fungeren grote spanningsveranderingen moeten kunnen weerstaan (zie Figuur 9). Als de schakelaar gesloten is, ligt de spanning over de MOSFET dicht bij 0 V; maar als de schakelaar open is, stijgt deze spanning tot 400 V in een enkelfasige toepassing en tot 800 V in een driefasige omvormer. Deze plotselinge hoge spanningsveranderingen kunnen gewone transistors gemakkelijk beschadigen, dus worden er speciale hoogspannings-MOSFET's gebruikt.
Afbeelding 9: Niet-geïsoleerde AC/DC schakelende voeding met actieve PFC
Een buck converter is eenvoudiger te integreren dan een transformator omdat er maar één spoel nodig is. Het spanningsreducerend rendement is ook hoger, met een rendement tot 95% onder normale omstandigheden. Dit hoge rendement wordt bereikt doordat de transistors en diodes bijna geen schakelvermogen verbruiken en de enige verliezen afkomstig zijn van de spoel.
Samenvatten
AC/DC schakelende voedingen zijn momenteel de meest efficiënte methode om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom. De stroomomzetting is verdeeld in drie fasen:
1. Ingangsgelijkrichting: De ingangswisselspanning wordt via een diodebrug omgezet in een gelijkgerichte gelijkgerichte golf. Het toevoegen van een condensator aan de uitgang van de brug kan de rimpelspanning verminderen.
2. Compensatie van de vermogensfactor (PFC): Door de aanwezigheid van niet-lineaire stroom in de gelijkrichter is de harmonische inhoud van de stroom erg groot. Er zijn twee manieren om dit probleem op te lossen: de eerste is het gebruik van passieve PFC, waarbij filters worden gebruikt om harmonische effecten te onderdrukken, maar deze methode is niet efficiënt; de tweede methode heet actieve PFC, waarbij schakelaars worden gebruikt om de spanningsomvormer zo te maken dat de stroomgolfvorm de ingangsspanningsgolfvorm volgt. Actieve PFC is de enige manier om stroomomzetters te laten voldoen aan de huidige normen voor grootte en efficiëntie.
3. Isolatie: Schakelende voedingen kunnen geïsoleerd of niet-geïsoleerd zijn. Een apparaat is geïsoleerd als de ingang en uitgang van een voeding niet fysiek met elkaar verbonden zijn. Isolatie kan worden bereikt door een transformator, die de twee helften van het circuit elektrisch isoleert. Maar transformatoren kunnen alleen vermogen overbrengen als de stroom verandert, dus de gelijkgerichte gelijkspanning wordt in een hoogfrequente blokgolf gehakt en dan naar het secundaire circuit gestuurd; deze wordt dan opnieuw gelijkgericht en uiteindelijk doorgegeven aan de uitgang.
Bij het ontwerpen van een schakelende voeding moet rekening worden gehouden met alle aspecten, vooral veiligheid, prestaties, afmetingen en gewicht. Het besturingscircuit van schakelende voedingen is ook complexer dan dat van lineaire voedingen en veel ontwerpers vinden het nuttig om geïntegreerde modules in de voeding te gebruiken.
