Понимание основ схемы импульсного блока питания

Предисловие

Микросхемы SMPS (Switch Mode Power Supply) являются важным элементом современных электронных устройств, они используются для преобразования электрической энергии от источника питания в наиболее эффективную форму. В отличие от постоянных линейных источников питания, схемы SMPS управляют выходным напряжением путем быстрого включения и выключения серии силовых транзисторов. Благодаря таким механизмам быстрого переключения схемы SMPS обладают высокой эффективностью, малыми размерами и низким тепловыделением, что делает их пригодными для использования во многих приложениях, например, в мобильных телефонах и промышленном оборудовании.

Основные компоненты SMPS

Основными частями схемы SMPS являются выпрямитель, фильтрующий конденсатор, переключающий транзистор, индуктор и схема управления. Выпрямитель преобразует входное переменное напряжение от сети или трансформатора в постоянное. Фильтрующий конденсатор сглаживает пульсации напряжения. Коммутирующий транзистор (MOSFET) является основным элементом схемы, который управляет током, а индуктор накапливает и отдает энергию в процессе коммутации. Чоппер, который также называют высокочастотным преобразователем, представляет собой электронную схему, которая включает и выключает переключающий транзистор с частотой несколько кГц. Схема управления регулирует частоту переключения и рабочий цикл, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение.

Как работает SMPS?

Схемы SMPS работают за счет быстрого переключения транзистора, которое осуществляется на высокой частоте, обычно в диапазоне кГц. Во включенном состоянии энергия сохраняется в индукторе, а в выключенном - передается на выходную нагрузку. Рабочий цикл сигнала переключения можно регулировать, что, в свою очередь, позволяет регулировать выходное напряжение. Этот процесс позволяет схемам SMPS достичь высокоэффективного преобразования входной мощности (PIN) в требуемое выходное напряжение с минимально возможными потерями мощности и токовыми характеристиками.

Преимущества использования Переключатель Режим БЛОК ПИТАНИЯ

Переключатель Режим БЛОК ПИТАНИЯ Цепь

Рабочий процесс

Процесс работы схемы SMPS включает в себя несколько ключевых этапов. Будет представлена подробная схема, иллюстрирующая эти этапы.

1. Вход Фильтрация и ректификация

• Напряжение сети переменного тока и EMI Фильтрация: На первом этапе работы схемы импульсного источника питания (SMPS) основное напряжение переменного тока (110 В или 230 В) фильтруется фильтром электромагнитных помех (EMI). Этот фильтр состоит из индукторов (катушек) и конденсаторов, которые удаляют высокочастотные шумы из сети переменного тока, тем самым предотвращая обратную передачу SMPS электрических помех в сеть.
• МостВыпрямитель и сглаживающий конденсатор: Затем отфильтрованное переменное напряжение проходит через мостовой выпрямитель, который представляет собой четырехдиодную конфигурацию, преобразующую переменное напряжение в пульсирующее постоянное напряжение. Например, входное переменное напряжение 230 В после выпрямления будет находиться в диапазоне 325 В постоянного тока. Основная функция большой электролитической емкости заключается в обеспечении стабильного постоянного напряжения путем сглаживания пульсирующего постоянного напряжения, которое используется для питания следующего этапа схемы SMPS.

2. Коммутация и изоляция трансформаторов

• ШИМ Контроллер: ИС ШИМ-контроллера, например TL494, генерирует высокочастотные ШИМ-сигналы, обычно в диапазоне от 20 до 100 кГц, которые подаются на затвор переключающего транзистора, чаще всего MOSFET.
• Переключающий транзистор (MOSFET): Затем MOSFET используется для переключения постоянного напряжения, которое было выпрямлено, тем самым создавая импульсы переменного тока высокой частоты. Частота и длительность включения/выключения регулируются ШИМ от контроллера, который определяет подачу энергии на выход.
• Высокочастотный трансформатор: На первичную обмотку высокочастотного трансформатора подаются высокочастотные импульсы переменного тока, которые выполняют две важнейшие функции: изоляцию между высоковольтной входной и низковольтной выходной сторонами и преобразование напряжения вверх или вниз для соответствия требуемому уровню выходного сигнала.

3. Выход Ректификация и фильтрация

• ВторичныйВыпрямитель Диоды: На вторичной обмотке трансформатора высокочастотные выпрямительные диоды отвечают за преобразование высокочастотных импульсов переменного тока обратно в постоянное напряжение. Для эффективной работы на высоких частотах эти диоды должны выдерживать высокое обратное напряжение и иметь быстрое время восстановления.
• Фильтр Индуктор и конденсатор: Выпрямительные диоды обеспечивают постоянное напряжение, которое затем сглаживается с помощью фильтрующего индуктора и конденсатора. Во включенном состоянии MOSFET индуктор накапливает энергию и разряжает ее в выключенном состоянии, позволяя току непрерывно течь к нагрузке. Затем конденсатор фильтра сглаживает постоянное напряжение, что приводит к стабильному выходу.
• Выходное напряжение постоянного тока: Конечное выходное напряжение - это просто произведение коэффициента трансформации трансформатора и рабочего цикла ШИМ-сигнала. Для примера, если необходимое выходное напряжение составляет 12 DC V, то цепь обратной связи гарантирует, что это напряжение будет максимально стабильным при различных условиях нагрузки.

4. Обратная связь и регулировка напряжения

• Оптопара с обратной связью: Регулируемое выходное напряжение подается через цепь обратной связи с оптопарой, которая используется для обеспечения требуемой стабильности и точности. Регулирование осуществляется шунтовым регулятором TL431, поскольку выходное напряжение дискретизируется сетью делителя напряжения на выходе и затем сравнивается с опорным напряжением. Оптопара TL431 в схеме регулирует яркость светодиода; если выходное напряжение слишком высокое, светодиод светит ярче, и более сильный сигнал проходит через фототранзистор на первичной стороне.
• ШИМЦикл работы Контроль: ИС ШИМ-контроллера работает с обратной связью оптопары и определяет рабочий цикл сигнала переключения в соответствии с обратной связью, а она, в свою очередь, определяет количество энергии, подаваемой на вторичную обмотку, поддерживая выходное напряжение стабильным.

5. Схемы защиты

• Защита от перегрузки по току: Защита от перегрузки по току обеспечивается токоизмерительным резистором, который устанавливается последовательно со стоком MOSFET, и если ток превышает установленный предел, ШИМ-контроллер отключает MOSFET, чтобы предотвратить дальнейшее повреждение.
• Защита от перенапряжения: Защита от перенапряжения осуществляется с помощью обратной связи, то есть если выходное напряжение превышает желаемый уровень, контроллер уменьшает рабочий цикл, а затем и выходное напряжение.

Резюме рабочего процесса

• Входной каскад: Напряжение сети переменного тока → Фильтр электромагнитных помех → Мостовой выпрямитель → Фильтрующий конденсатор → Напряжение постоянного тока.
• Стадия переключения: ШИМ-контроллер → MOSFET → Трансформатор → Высокочастотные импульсы переменного тока.
• Выходной каскад: Выпрямительные диоды → Фильтрующие конденсаторы → Выходное напряжение постоянного тока.
• Петля обратной связи: Делитель напряжения → Регулятор TL431 → Оптопара → ШИМ-контроллер.

Конструктивные соображения

Проектирование импульсных источников питания (SMPS) включает в себя несколько ключевых аспектов, обеспечивающих их эффективную и стабильную работу:

• Выбор топологии: Тип топологии преобразователя (buck, boost, flyback и т. д.) является наиболее важным выбором, основанным на потребностях в выходном напряжении и мощности. Это приводит к изменению сложности и эффективности схемы.
• Выбор компонента: Выбор таких компонентов, как МОП-транзисторы, диоды, конденсаторы и индукторы, очень важен. Выбор этих элементов должен осуществляться таким образом, чтобы справиться с ожидаемой нагрузкой и минимизировать потери и электромагнитные помехи (EMI).
• Схемы управления и ШИМ: Схемы управления и ШИМ-контроллеры должны быть использованы надлежащим образом, чтобы обеспечить точное регулирование напряжения и частоты. Эти два параметра крайне важны для того, чтобы источник питания мог адаптироваться к изменяющимся нагрузкам.
• Механизмы защиты: Установка защиты от перенапряжения, перегрузки по току и тепловой защиты обеспечивает безопасность SMPS и подключенных устройств от возможных повреждений, что, в свою очередь, повышает надежность источника питания.
• Эффективность и коэффициент мощности: Коэффициент мощности и эффективность преобразования энергии являются решающими факторами для снижения потерь энергии и соответствия нормативным требованиям, особенно при преобразовании из сети переменного тока в стабильный выход постоянного тока.
• EMI Management: Оптимизация конструкции для минимизации электромагнитных помех с помощью правильной компоновки, экранирования и выбора компонентов - это ключ к тому, чтобы избежать помех от других электронных устройств и соответствовать международным стандартам.

Общие проблемы и решения при проектировании SMPS

При проектировании SMPS часто приходится сталкиваться с несколькими общими проблемами. Одной из распространенных проблем является плохое регулирование напряжения, которое обычно вызвано нестабильной цепью обратной связи или неправильным выбором цепей управления. Это можно исправить, используя высококачественные оптопары и прецизионные резисторы в сети обратной связи. Электромагнитные помехи (EMI) - еще одна проблема, которая возникает из-за высокочастотной коммутации, поэтому для ее минимизации необходимы правильные технологии разводки печатной платы, фильтры EMI и экранирование. Кроме того, очень важна терморегуляция, поскольку при высокочастотной коммутации выделяется тепло, которое может привести к отключению. Теплоотводы, термопрокладки и вентиляция - вот способы решения этой проблемы. Наконец, выход из строя компонентов из-за перенапряжения и перегрузки по току можно предотвратить с помощью схем защиты и компонентов с соответствующими номиналами.

Заключение

В будущем при разработке SMPS основное внимание будет уделяться повышению эффективности, компактности и включению новых функций. Появление полупроводников GaN (нитрид галлия) и SiC (карбид кремния) - это большой шаг вперед, который позволяет увеличить скорость переключения и снизить тепловыделение. Это дает основание для производства малогабаритных и высокоэффективных источников питания с низким уровнем электромагнитных помех (EMI).

Вопросы и ответы

Какую роль играет буст-преобразователь в конструкции SMPS?

В SMPS повышающий преобразователь используется для повышения входного напряжения постоянного тока до более высокого выходного напряжения путем накопления энергии в магнитном поле индуктора, когда он включен, и последующей отдачи ее на выход, когда он выключен. Эта схема идеально подходит для приложений, требующих повышенного выходного напряжения, чтобы можно было питать аналоговые устройства и инверторы.

Как работает Buck-преобразователь в схеме SMPS и каковы его преимущества?

Преобразователь типа "buck" в схеме SMPS отвечает за регулирование входного постоянного напряжения до более низкого уровня путем многократного включения и выключения MOSFET, создавая квадратную волну, которая заряжает выходной индуктор и конденсатор. Регулятор обеспечивает стабильное напряжение с высоким КПД. Это очень полезный элемент в силовой электронике благодаря своей простоте и стабильным характеристикам тока.