Что представляет собой источник питания?
Источник питания - это электрическое устройство, которое преобразует ток от источника энергии (например, электросети) в напряжение, необходимое для нагрузки (например, двигателя или электронного устройства).
Существует два основных типа источников питания: линейные и импульсные.
Линейный источник питания: Линейные источники питания используют трансформатор для понижения входного напряжения, затем выпрямляют и преобразуют его в постоянное напряжение, которое затем фильтруется для улучшения качества формы сигнала. Для поддержания постоянного выходного напряжения в линейных источниках питания используются линейные регуляторы. Линейные регуляторы рассеивают избыточную энергию в виде тепла.
Переключаемые источники питания: Импульсные источники питания - это новый подход, который решает многие проблемы, возникающие при проектировании линейных источников питания, включая размеры трансформатора и проблемы регулирования напряжения. В импульсном источнике питания входное напряжение больше не уменьшается, а выпрямляется и фильтруется на входе; затем оно преобразуется в высокочастотную последовательность импульсов с помощью прерывателя; фильтруется и снова выпрямляется, прежде чем напряжение достигнет выхода.
Оглавление
Принцип работы импульсного источника питания
Линейные источники питания AC/DC давно используются для преобразования переменного тока из электросети в постоянный для использования в бытовых приборах или освещении. Но для высокомощных приложений все чаще требуются более компактные источники питания. Линейные источники питания отошли на второй план в промышленности и медицине, где их низкий уровень шума все еще делает их полезными; импульсные источники питания в значительной степени заменили их благодаря небольшим размерам, высокой эффективности и способности работать с большой мощностью. линейный источник питания. На рис. 1 показан общий процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) в импульсном источнике питания.
Рисунок 1: Изолированный импульсный источник питания переменного/постоянного тока
Входное выпрямление
Выпрямление - это процесс преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямление входного сигнала является первым шагом в импульсных источниках питания AC/DC.
Напряжение постоянного тока обычно воспринимается как постоянное прямолинейное напряжение, подобное тому, которое обеспечивает аккумулятор. Но в действительности постоянный ток (DC) определяется как однонаправленный поток заряда. Это означает, что постоянное напряжение течет в одном направлении, но не обязательно постоянно.
Синусоидальный переменный ток (АС) Синусоидальная волна - это наиболее типичная форма напряжения, первая половина цикла которой положительна, а вторая - отрицательна. Если отрицательный полуцикл инвертировать или устранить, ток перестанет быть переменным и станет постоянным. Этого можно добиться путем выпрямления.
Выпрямление достигается за счет использования диодов в пассивном полумостовом выпрямителе для устранения отрицательной половины синусоидальной волны (см. рис. 2). Диод пропускает ток во время положительного полупериода волны и блокирует ток, когда он течет в обратном направлении.
Рисунок 2: Полумостовой выпрямитель
Выпрямленная синусоидальная волна будет иметь низкую среднюю мощность и не сможет эффективно питать устройство. Другой, более эффективный метод - изменить полярность отрицательной полуволны, превратив ее в положительную. Этот метод называется полноволновым выпрямлением, и для него требуется всего четыре диода в полномостовой конфигурации (см. Рисунок 3). Такая конфигурация обеспечивает стабильное направление тока независимо от полярности входного напряжения.
Рисунок 3: Полномостовой выпрямитель
По сравнению с полумостовым выпрямлением среднее выходное напряжение полноволнового выпрямленного сигнала выше, но оно все еще далеко от постоянной формы постоянного тока, необходимой для питания электронного оборудования. Хотя это уже форма постоянного тока, по форме волны напряжения видно, что напряжение меняется очень быстро и часто, и использование такого постоянного тока для питания оборудования будет неэффективным. Это периодическое изменение постоянного напряжения называется пульсацией, и уменьшение или устранение пульсации имеет решающее значение для достижения эффективности источника питания.
Самый простой и распространенный способ уменьшить пульсации - добавить на выход выпрямителя большой конденсатор, называемый накопительным конденсатором или сглаживающим фильтром (см. Рисунок 4).
Этот конденсатор накапливает напряжение во время пика волны, а затем подает ток на нагрузку до тех пор, пока его напряжение не станет меньше нарастающей волны выпрямленного напряжения. Форма волны, которую он создает, будет ближе к желаемой форме, и ее можно рассматривать как постоянное напряжение без переменного компонента. Эта конечная форма напряжения может питать оборудование постоянного тока.
Рисунок 4: Полномостовой выпрямитель со сглаживающим фильтром
В пассивных выпрямителях в качестве неуправляемых переключателей используются полупроводниковые диоды, которые являются самым простым методом выпрямления переменного тока, но не самым эффективным.
Диоды - относительно эффективные переключатели. Они быстро включаются и выключаются при минимальном потреблении энергии. Но единственная проблема заключается в том, что падение напряжения прямого смещения составляет от 0,5 до 1 В, что снижает эффективность.
В активных выпрямителях диоды заменяются управляемыми переключателями, такими как MOSFET или BJT-транзисторы (см. Рисунок 5). У них есть два преимущества: во-первых, транзисторные выпрямители не имеют падения напряжения от 0,5 до 1 В, присущего полупроводниковым диодам, поскольку их сопротивление может быть произвольно малым, а значит, падение напряжения также невелико; во-вторых, транзистор является управляемым переключателем, а это значит, что частоту переключения можно регулировать и оптимизировать.
Недостатком является то, что для достижения поставленных целей активные выпрямители требуют более сложных схем управления, которые требуют дополнительных компонентов и, следовательно, стоят дороже.
Рисунок 5: Полномостовой активный выпрямитель
Коррекция коэффициента мощности (PFC)
Вторым шагом в разработке импульсного источника питания является коррекция коэффициента мощности (ККМ).
Схемы PFC вносят незначительный вклад в фактическое преобразование переменного тока в постоянный, но они являются важной частью большинства коммерческих источников питания.
Рисунок 6: Осциллограммы напряжения и тока на выходе выпрямителя
Если посмотреть на форму тока накопительного конденсатора выпрямителя (см. Рисунок 6), то можно увидеть, что зарядный ток проходит через конденсатор за очень короткий промежуток времени, а именно: от момента, когда напряжение на входе конденсатора больше, чем заряд конденсатора, до момента, когда выпрямленный сигнал между пиками. Это вызывает серию коротких скачков тока в конденсаторе, создавая серьезные проблемы не только для источника питания, но и для всей сети. Ведь эти скачки тока попадают в сеть и генерируют большое количество гармоник. Гармоники создают искажения, которые могут повлиять на другие источники питания и оборудование, подключенное к сети.
При проектировании импульсного источника питания задача схемы коррекции коэффициента мощности состоит в том, чтобы отфильтровать и минимизировать эти гармоники. Существует два типа цепей коррекции коэффициента мощности: активные и пассивные.
Пассивные схемы КРМ состоят из пассивных фильтров нижних частот, которые пытаются устранить высокочастотные гармоники. Однако сам по себе пассивный КРМ не позволяет источникам питания, особенно в мощных приложениях, соответствовать международным спецификациям по гармоническому шуму. Необходимо использовать активную коррекцию коэффициента мощности.
Активный КРМ может изменить форму волны тока таким образом, чтобы она повторяла форму волны напряжения. Гармоники смещаются на более высокие частоты, поэтому их легче отфильтровать. В этом случае чаще всего используется повышающий (или ступенчатый) преобразователь.
Изоляция: Изолированные и неизолированные импульсные источники питания
Независимо от наличия схемы КРМ, последним этапом преобразования энергии является уменьшение выпрямленного постоянного напряжения до величины, подходящей для конкретного применения.
Поскольку входящий сигнал переменного тока выпрямляется на входе, выходное постоянное напряжение очень высокое: без КРМ выходное постоянное напряжение выпрямителя будет примерно 320 В; при наличии активной схемы КРМ выходное напряжение повышающего преобразователя будет 400 В или более Высокое стабильное постоянное напряжение.
Высокие напряжения в обоих случаях крайне опасны и не нужны для большинства приложений, требующих очень низких напряжений. В таблице 1 перечислены несколько аспектов, которые следует учитывать при выборе правильной топологии изоляции, включая преобразователь и область применения.
Таблица 1: Изолированные и неизолированные источники питания AC/DC
Выбор метода снижения артериального давления в основном связан с безопасностью.
Входная сторона блока питания подключена к сети переменного тока, поэтому при утечке на выходе удар такой силы может привести к серьезным травмам или даже смерти, а также повредить любое оборудование, подключенное к выходу.
Безопасность обеспечивается магнитной изоляцией входных и выходных цепей питания AC/DC, подключенных к сети. Наиболее широко используемыми схемами в изолированных источниках питания AC/DC являются flyback-преобразователи и резонансные LLC-преобразователи, поскольку они оба имеют электрическую или магнитную изоляцию (см. Рисунок 7).
Рисунок 7: Flyback-преобразователь (слева) и резонансный преобразователь LLC (справа)
Использование трансформатора означает, что сигнал не может быть плоским постоянным напряжением. Вместо этого напряжение должно меняться, а значит, должен меняться и ток, чтобы энергия могла передаваться с одной стороны трансформатора на другую через индуктивную связь. Поэтому и flyback, и LLC-преобразователи "измельчают" входное постоянное напряжение в квадратную волну, которая затем понижается через трансформатор. Наконец, перед выходом форма волны снова выпрямляется.
Преобразователь flyback используется в основном в маломощных приложениях и представляет собой изолированный преобразователь типа buck-boost, выходное напряжение которого может быть выше или ниже входного в зависимости от соотношения между первичной и вторичной обмотками трансформатора.
Работа flyback-преобразователя очень похожа на работу повышающего преобразователя.
Когда выключатель замкнут, первичная обмотка заряжается от входного напряжения и образует магнитное поле; когда выключатель разомкнут, заряд в первичном индукторе передается на вторичную обмотку, которая подает ток в цепь, питая тем самым нагрузку.
Обратный преобразователь относительно прост в проектировании и требует меньше компонентов, чем другие преобразователи, но он неэффективен, поскольку заставляет транзистор включаться и выключаться по собственному желанию, а такое жесткое переключение приводит к огромным потерям (см. рис. 8). Особенно в мощных приложениях это сокращает срок службы транзисторов и приводит к огромному рассеиванию мощности. Поэтому flyback-преобразователь больше подходит для маломощных приложений, где мощность обычно не превышает 100 Вт.
Резонансные LLC-преобразователи широко используются в мощных приложениях. Его цепь также магнитно изолирована с помощью трансформатора. LLC-преобразователи основаны на явлении резонанса, которое означает, что когда рабочая частота совпадает с собственной частотой фильтра, эта частота будет усиливаться. В данном случае резонансная частота LLC-преобразователя определяется последовательным соединением индуктора и конденсатора (LC-фильтр), а также подвержена дополнительному влиянию индуктивности первичной обмотки (L) трансформатора, отсюда и название LLC-преобразователь.
Резонансные преобразователи LLC предпочтительны для мощных приложений, поскольку они могут производить переключение с нулевым током, также известное как мягкое переключение (см. рис. 8). Когда ток в цепи близок к нулю, он может включать и выключать переключатель, минимизируя потери на переключение транзистора, тем самым снижая электромагнитные помехи и повышая эффективность. Однако за такое улучшение характеристик приходится платить: Очень сложно разработать резонансный преобразователь LLC, который бы обеспечивал плавное переключение при различных условиях нагрузки. Для этого компания MPS разработала специальный инструмент проектирования LLC, который гарантирует, что преобразователь будет работать в правильном резонансном состоянии, тем самым достигая лучшей эффективности переключения.
Рисунок 8: Потери при жестком переключении (слева) и мягком переключении (справа)
Как упоминалось ранее, одним из ограничений источников питания AC/DC является размер и вес входного трансформатора. Это связано с тем, что низкая рабочая частота входного трансформатора (50 Гц) требует большего индуктора и сердечника, чтобы избежать насыщения.
В импульсных источниках питания частота колебаний напряжения значительно выше (по крайней мере, выше 20 кГц). Это означает, что понижающий трансформатор может быть меньше, поскольку высокочастотные сигналы создают меньшие магнитные потери в линейном трансформаторе. Поскольку размер входного трансформатора становится меньше, система может быть миниатюризирована, что позволяет поместить весь источник питания в зарядное устройство для мобильного телефона, подобное тому, что мы используем сейчас.
Некоторое оборудование постоянного тока не нуждается в трансформаторе для обеспечения изоляции. Это характерно для устройств, не требующих непосредственного прикосновения пользователя (например, светильники, датчики, IoT и т. д.), поскольку любая обработка параметров устройства выполняется на отдельном устройстве (например, телефоне, планшете или компьютере).
Это существенно влияет на вес, размер и производительность устройства. Эти преобразователи снижают уровень выходного напряжения с помощью высоковольтного преобразователя типа buck. Его схему можно рассматривать как инвертирующую схему повышающего преобразователя, о котором говорилось ранее. В этом случае, когда транзисторный переключатель закрыт, ток, протекающий через индуктор, создает напряжение на индукторе, которое гасит напряжение от источника питания, тем самым снижая напряжение на выходе. Когда переключатель разомкнут, индуктор подает ток в нагрузку, поддерживая напряжение на нагрузке при отключении схемы от источника питания.
В импульсных источниках питания AC/DC используются высоковольтные преобразователи типа "buck", поскольку MOSFET-транзисторы, выступающие в качестве переключателей, должны выдерживать большие изменения напряжения (см. рис. 9). Когда переключатель закрыт, напряжение на MOSFET близко к 0 В; но когда он открыт, это напряжение возрастает до 400 В в однофазном приложении и до 800 В в трехфазном преобразователе. Такие резкие изменения напряжения могут легко повредить обычные транзисторы, поэтому используются специальные высоковольтные МОП-транзисторы.
Рисунок 9: Неизолированный импульсный источник питания AC/DC с активным КРМ
Преобразователь типа "buck" проще интегрировать, чем трансформатор, поскольку для него требуется только один индуктор. Его эффективность снижения напряжения также выше: в нормальных условиях КПД достигает 95%. Такой высокий КПД достигается благодаря тому, что транзисторы и диоды практически не потребляют энергии переключения, а единственные потери приходятся на индуктор.
Подведите итоги
Импульсные источники питания AC/DC на сегодняшний день являются наиболее эффективным методом преобразования переменного тока в постоянный. Преобразование энергии в них состоит из трех этапов:
1. Входное выпрямление: Входное переменное напряжение сети преобразуется в выпрямленное постоянное через диодный мост. Добавление конденсатора на выход моста может уменьшить напряжение пульсаций.
2. Коррекция коэффициента мощности (ККМ): из-за наличия нелинейного тока в выпрямителе содержание гармоник в токе очень велико. Существует два способа решения этой проблемы: первый - пассивная КРМ, которая использует фильтры для подавления гармонических эффектов, но этот метод неэффективен; второй метод называется активной КРМ, которая использует переключатели для преобразователя напряжения, чтобы форма тока следовала за формой волны входного напряжения. Активный КРМ - единственный способ обеспечить соответствие преобразователей мощности современным стандартам по размерам и эффективности.
3. Изоляция: Коммутируемые источники питания могут быть изолированными или неизолированными. Устройство является изолированным, когда вход и выход источника питания физически не соединены. Изоляция может быть достигнута с помощью трансформатора, который электрически изолирует две половины цепи. Но трансформаторы могут передавать энергию только при изменении тока, поэтому выпрямленное постоянное напряжение измельчается в высокочастотную квадратную волну и передается во вторичную цепь; затем оно снова выпрямляется и, наконец, передается на выход.
При проектировании импульсного источника питания необходимо учитывать все аспекты, особенно безопасность, производительность, размер и вес. Схемы управления импульсных источников питания также сложнее, чем у линейных, поэтому многие разработчики считают целесообразным использовать в источнике питания интегрированные модули.
