Принцип работы импульсных источников питания

Время чтения: 12 минут

Блоки или источники питания тоже прошли путь миниатюризации, снижения материалоёмкости и стоимости. Раньше их преимущественно выпускали по линейной трансформаторной схемотехнике, базовый элемент которой — низкочастотный понижающий или повышающий трансформатор с немаленькими массогабаритными показателями и стоимостью сборки (смотри статью «Источники питания. Виды и сферы применения»). Размеры и вес «железных» трансформаторов напрямую зависели от его мощности: к примеру, при небольших 100 ваттах трансформатор уже имел габариты куба со стороной в 10 сантиметров и вес больше 1 килограмма. Их применение ставило крест на портативной носимой технике.

На помощь пришла импульсная схемотехника, обладающая рядом удивительных качеств, главное из которых — отношение мощности к другим эксплуатационным характеристикам, таким как размеры, масса и стоимость. К тому же с развитием микроэлектронной базы ИИП становятся всё эффективнее, проще и дешевле.

Каждый держал в руках зарядное устройство от современной мобильной техники, способное «выдать» 100 ватт, имея габариты штепсельной вилки и вес в десятки грамм. Всё это стало возможным с увеличением частоты работы, позволившей капитально уменьшить габариты трансформатора, а то и вовсе отказаться от него в пользу накопительного дросселя. Но не будем забегать вперёд.

Хоть ИИП есть почти везде и далеко в не единственном числе, но их принцип работы известен даже не каждому любителю электроники. Кроме того, как будет сказано далее, у ИИП много видов, отличающихся друг от друга топологией схемы и, в итоге, мощностью и энергоэффективностью.

Годами в мире создания БП питания наблюдался постепенный переход от линейных трансформаторных источников питания к практичным импульсным. Раньше БП содержали сетевой трансформатор, линейный стабилизатор и регулятор напряжения. Это подразумевало, что они имеют в составе чрезвычайно большой и тяжёлый низкочастотный трансформатор, работающий на частоте 50 или 60 герц, а также малоэффективную схему стабилизации и регулирования выходного напряжения, превращающую его излишки в тепло, снижая таким образом КПД устройства. Типичный КПД линейного источника питания был на уровне 30%, а это означает, что около 70% энергии превращалось в тепло или рассеивалось в виде электромагнитных волн.

Современные ИИП в среднем имеют КПД около 70%, а иногда до 95% и лучше. Кроме того, за счёт высоких частот переключения размеры силового трансформатора и связанных с ним фильтрующих компонентов в ИИП легко делаются миниатюрными. К примеру, ИИП, работающий на частоте 20 кГц, даёт четырёхкратное уменьшение размера силового трансформатора, а увеличение частоты преобразования до 100 кГц даст как минимум восьмикратное снижение массогабаритных показателей.

Это означает, что схемотехника ИИП легко воплощается в небольших габаритах и малой материалоёмкости. В век мобильной техники это — базовое требование для большинства электронных устройств. Источник питания должен «втискиваться» в постоянно сокращающееся пространство, оставленное для него разработчиками электронных устройств.

В основе работы ИИП лежит высокочастотная коммутация импульсного трансформатора, напряжение вторичной обмотки которого выпрямляется и фильтруется. Её частота лежит в пределах от 20 килогерц до нескольких мегагерц.

ИИП имеют много разных топологий, определяющих параметры работы. Конкретная топология определяет расположения трансформатора или накопительного дросселя, фильтрующих конденсаторов и силовых полупроводниковых приборов (биполярных или MOSFET-транзисторов и диодов). В зависимости от конкретной применённой топологии ИИП бывает понижающим, повышающим, инвертирующим, иметь мощность от единиц ватт до десятков киловатт и так далее.

Сейчас существует много разработанных и отлаженных топологий, каждая из которых имеет преимущества и недостатки, что делает каждую из них пригодной для решения определённого круга задач. В следующих статьях будут рассматриваться основные принципы работы, преимущества, недостатки и распространённые области применения часто используемых топологий.

Типовая функциональная схема импульсного сетевого БП показана на рисунке выше (эта конфигурация предполагает использование входного сетевого питания с частотой 50 или 60 герц). Сначала переменный ток выпрямляется, а затем фильтруется входным электролитическим конденсатором для получения высокого напряжения постоянного тока. Уровень сильно меняется из-за колебаний в питающей электрической сети. Кроме того, нужна большая ёмкость входного фильтрующего конденсатора, чтобы обеспечить бесперебойную работу источника питания из-за колебаний или кратковременного пропадания напряжения электросети.

Примечание: функциональный блок, состоящий из входного выпрямителя и фильтра, иногда отсутствует. ИП в таком случае получает питание непосредственно постоянным током от батареи, аккумулятора или от другого источника.

Нестабилизированное напряжение постоянного тока далее поступает в высокочастотный коммутирующий узел. Быстродействующие силовые полупроводниковые приборы, такие как биполярные или MOSFET-транзисторы, работая в энергоэффективном ключевом режиме, включаются и выключаются и коммутируют выпрямленное напряжение на первичную обмотку импульсного трансформатора или накопительного дросселя (смотри статью «Транзисторы: принцип работы, схема включения, чем отличаются биполярные и полевые»). Импульсы управления обычно имеют фиксированную частоту (от 20 килогерц до нескольких мегагерц), но регулируемую скважность (соотношение времени «высокого» уровня ко времени «низкого» уровня напряжения импульса), реализуя таким образом классическое управление с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Следовательно, на вторичных обмотках трансформатора появляются импульсы напряжения с величиной, определяемой коэффициентом трансформации импульсного трансформатора. Они соответствующим образом выпрямляются, а затем сглаживается выходным фильтром: либо электролитическим конденсатором, либо LC-фильтром, в зависимости от топологии ИИП (смотри статью «Фильтры в электронике. Часть 1», «Часть 2»).

Чтобы сделать БП высокоэффективным, тщательно проектируют моточные изделия. Используют силовые ключи с низким сопротивлением открытого канала, возможность работать на высокой частоте, с низким эквивалентным последовательным сопротивлением сглаживающих конденсаторов (ЭПС, смотри статью «Как выбрать конденсатор?»), а также при быстродействии и тепловой стабильности выпрямительных диодов.

Выходное напряжение и его стабилизация регулируются за счёт обратной связи. Как правило, большинство ИИП (за исключением откровенно примитивных) работают на основе ШИМ-управления с фиксированной частотой, но переменной скважность импульсов. Это позволяет компенсировать изменение входного питания и сопротивления нагрузки. Выходное напряжение ИИП сравнивается с точным опорным, а ошибка, равная разности между двумя сравниваемыми напряжениями и вырабатываемое компаратором или операционным усилителем (смотри статью «Что такое операционный усилитель?»), поступает в блок выработки импульсов управления (ШИМ-драйвер), скважность которого, в свою очередь, будет зависеть от напряжения ошибки.

Грамотно спроектированный ИИП имеет мегастабильные выходные параметры. Важно, чтобы задержки в контуре управления по обратной связи были сведены к минимуму, в противном случае возникнут проблемы со стабильностью. Следовательно, для контура управления должны быть выбраны быстродействующие электронные компоненты.

В ИИП с гальванической развязкой, чтобы сохранить изоляцию входного и выходного узлов, в цепи обратной связи требуются электронные компоненты, её обеспечивающие. Обычно это достигается применением небольшого импульсного трансформатора или оптрона.

В большинстве топологий ИИП содержит силовой трансформатор. Это даёт гальваническую развязку, повышает или понижает напряжение в зависимости от коэффициента трансформации и помогает реализовать несколько выходных напряжений при нескольких вторичных обмотках или одной, но с несколькими отводами. Однако существуют топологии без гальванической развязки, как понижающие, так и повышающие, в качестве силового элемента использующие одно-, двух- или многообмоточный накопительный дроссель.

Два распространённых силовых полупроводниковых ключа, используемых в ИИП — это биполярный транзистор и MOSFET-транзистор (смотри статью «Что такое полупроводник?»). Биполярный транзистор обычно ограничен максимальной частотой переключения около 30 килогерц из-за возникающих весомых потерь при переключении. Однако он имеет очень низкие потери в открытом состоянии, но это недорогой электронный прибор, что делает его наиболее подходящим для работы в качестве ключевого элемента в относительно низкочастотных ИИП.

MOSFET-транзистор выбирается для работы на более высоких частотах из-за его высочайшей скорости переключения, что приводит к низким (но зависящим от частоты!) потерям при переключении. Управление MOSFET-транзистором также намного проще и менее энергозатратно, чем биполярным транзистором. Однако потери в открытом состоянии у MOSFET-транзистора намного выше (особенно у высоковольтного), чем у биполярного. MOSFET-ы также обычно значительно дороже, чем их биполярные «коллеги». Выбор конкретного электронного прибора для использования обычно является компромиссом между стоимостью и требуемой производительностью.

Максимальное напряжение

Его задают после выбора или биполярного, или MOSFET-транзистора. Для топологий с гальванической развязкой максимальное напряжение, образующееся в схеме, обычно возникает при выключении ключа. Это будет либо половина, либо полное, либо удвоенная величина входного питания в зависимости от используемой топологии. Также бывает значительный выброс напряжения из-за индуктивности рассеяния трансформатора, которую учитывают при проектировании ИИП. Транзистор должен безопасно выдерживать эти наихудшие значения без выхода из строя.

Следовательно, для биполярного транзистора необходимо выбрать достаточно высокое значение Vces_(max), а для полевого MOSFET-а – достаточно высокое значение напряжения V(BR)_DSS. Сейчас максимальное запирающее напряжение для силовых биполярных транзисторов составляет около 1750 вольт, а для MOSFET-транзисторов — не более 1000 вольт. Предположим, что в качестве питания ИИП используются выпрямленные 220 или 110 вольт. Максимальные напряжения постоянного тока составляют 385 и 190 вольт соответственно. Эти значения являются уровнями входного напряжения, используемыми для выбора правильного номинала устройства.

Максимальный ток

Биполярный транзистор имеет очень малое падение напряжения на нём при полном открытии, которое относительно постоянно в пределах номинального диапазона тока. Следовательно, для максимального использования он должен работать близко к его значению Iс_sat. Это даёт хороший компромисс между стоимостью и требованиями к остальным компонентам. Максимальный ток для конкретного значения мощности рассчитывается отдельно для каждой топологии.

MOSFET-транзистор работает иначе, чем биполярный: дело в том, что напряжение, прикладываемое к нему, зависит от протекающего тока и сопротивления транзистора во включённом состоянии, которое может сильно разниться и серьёзно изменяется с температурой. Следовательно, оптимальный MOSFET-транзистор для конкретной схемы может быть выбран, в том числе, и по параметру максимальной мощности транзистора при определённом режиме работы, который указывается в справочной документации.

Для очень низких выходных напряжений (ниже 10 В) необходимо иметь чрезвычайно низкое прямое падение на диоде Vf, чтобы поддерживать высокую эффективность ИИП. Тогда часто выбирают диоды Шоттки, поскольку они имеют очень низкие значения Vf (обычно 0.5 и менее вольт). Диоды Шоттки также имеют незначительные потери переключения и могут эффективно использоваться на очень высоких частотах. К сожалению, такое достоинство как очень низкое Vf диодов Шоттки «тонет» в существенном недостатке, таком как низкое обратное напряжение, обычно не превышающее 100 вольт. Это означает, что диоды Шоттки обычно «зарезервированы» для использования только в низковольтных ИИП. Для других применений нужны быстродействующие (с пометкой fast или ultrafast) выпрямительные диоды с акцентом на максимальный прямой ток и обратное напряжение.

Для надёжности обычно рекомендуется обратное напряжение диода выбирать в 4÷6 раз больше, чем максимальное выходное у ИИП. Для высокочастотных схем рекомендуется использование быстровосстанавливающихся эпитаксиальных диодов (FRED). Эти приборы оптимизированы для работы на высоких частотах. Их характеристики включают низкий Vf (приблизительно 1 вольт) с наибыстрыми и эффективнейшими характеристиками переключения. FRED-диоды умеют работать с обратным напряжением до 800 вольт. Поэтому они подходят для схем с выходом от 10 до 200 вольт.