Изучаем основы: как работает импульсный источник питания?

Предисловие

Импульсный источник питания, также называемый импульсным источником питания (SMPS), - это электронное устройство на основе импульсного регулятора, которое эффективно преобразует электрическую энергию. В отличие от линейных источников питания, которые постоянно регулируют входное напряжение, импульсные источники питания преобразуют переменное напряжение в постоянное с высокой эффективностью и скоростью, и это решает проблему низкой эффективности использования энергии. Этот тип необходим в устройствах от бытовой электроники до промышленных систем и является важнейшим источником питания в современном мире.

Основные компоненты импульсного источника питания

Каждый импульсный источник питания включает в себя несколько ключевых компонентов, которые работают вместе для эффективного преобразования энергии.

Выпрямитель

Выпрямитель осуществляет преобразование переменного тока в постоянный. Мостовой выпрямитель обычно используется в импульсных источниках питания (ИИП), которые состоят из четырех диодов, организованных в конфигурацию моста. Такая схема заставляет ток течь в одном направлении, даже если на входе переменный ток, и таким образом преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный. Выходной сигнал на этом этапе обычно имеет высокочастотные колебания, которые должны быть дополнительно сглажены последующими фильтрами.

Входной фильтр или фильтр электромагнитных помех

Входной фильтр или EMI-фильтр является основным компонентом, подавляющим высокочастотные помехи, генерируемые выпрямителем, а также внешние помехи. Эти фильтры состоят из смеси индукторов и конденсаторов, при этом индукторы блокируют высокочастотные помехи, а конденсаторы помогают сгладить выходной ток. Такая ступень очень важна для поддержания стабильности системы электропитания и предотвращения помех для других электронных устройств.

Входной объемный конденсатор

Входной объемный конденсатор используется для накопления энергии, полученной в процессе выпрямления. Его основная функция - создание стабильного источника постоянного тока для источника питания. В случае колебаний частоты сети или резкого увеличения нагрузки конденсатор может немедленно отдать энергию, чтобы обеспечить непрерывность и стабильность выходной мощности, поэтому провалы напряжения не влияют на работу источника питания.

Переключающий транзистор (или МОП-транзистор)

Переключающий транзистор, который используется в блоке питания, - это MOSFET. Он работает, включая и выключая цепь с очень высокой частотой, которая определяется ШИМ-контроллером. MOSFET уникален своей способностью переключаться очень быстро, за наносекунды, и это быстрое переключение создает высокочастотные импульсные токи, которые обрабатываются трансформатором, что делает его лучшим вариантом для приложений высокой мощности.

ШИМ-контроллер (широтно-импульсная модуляция)

ШИМ-контроллер используется для регулирования частоты и длительности переключения каждого переключателя (ширины импульса) MOSFET, тем самым точно управляя протеканием тока. Величина импульсов определяет величину среднего тока через MOSFET и, как следствие, определяет стабильность выходного напряжения и тока. Технология ШИМ не только повышает эффективность источника питания, но и минимизирует выделение тепла, что очень важно при поддержании требуемого выходного напряжения.

Трансформатор

Высокочастотный ток подается на трансформатор через ШИМ-контроллер и МОП-транзистор согласованным образом. Одной из основных функций трансформатора является преобразование напряжения и электрическая изоляция. Он преобразует высокочастотный импульсный ток в требуемые уровни напряжения, при этом электрически отделяя вход от выхода и повышая безопасность системы. Такая конфигурация преобразователя имеет решающее значение для обеспечения стабильной работы оборудования.

Выход Выпрямитель

Следующий шаг в этом процессе - преобразование переменного тока в постоянный. Это делается выходным выпрямителем после того, как трансформатор выполнил свою работу с током. Выходной выпрямитель часто выполнен в виде моста, чтобы обеспечить протекание тока только в одном направлении, что является условием для получения стабильного постоянного тока на выходе трансформатора, который может быть использован для входного напряжения постоянного тока с различными значениями.

Выход Фильтр

Выпрямитель постоянного тока после выхода может также иметь некоторые высокочастотные импульсы и шумы. Выходной фильтр, состоящий из индукторов и конденсаторов, дополнительно очищает импульсы, которые могли возникнуть ранее, чтобы получить чистое и стабильное выходное напряжение для подключенных устройств, обеспечивая постоянное напряжение для наилучшей работы.

Как работает импульсный источник питания?

Это блок-схема, иллюстрирующая простые шаги в работе импульсного источника питания.

Вступите в стадию ректификации

Этап преобразования AC/DC - это самый первый этап, на котором импульсный источник питания получает переменный ток от внешнего источника, например от розетки. Этот переменный ток имеет переменную природу, поскольку состоит как из положительного, так и из отрицательного напряжения. Задача выпрямителя - преобразовать этот переменный ток в постоянный (DC), с которым могут работать электронные устройства. В большинстве источников питания используется диодный мост, состоящий из четырех диодов, расположенных в конфигурации, которая позволяет пропускать ток только в одном направлении и, таким образом, выравнивать колебания переменного тока в пульсирующий постоянный. Эта стадия выпрямления показана на блок-схеме на рисунке 1, которая характерна для многих источников питания переменного и постоянного тока.

Входная фильтрация и фильтрация электромагнитных помех

После коррекции пульсирующий постоянный ток, тем не менее, несет в себе высокочастотные колебания и шумы, которые могут нарушить работу электронных блоков. Эту проблему решает входной фильтр, рядом с которым обычно устанавливается EMI-фильтр. Эта ступень состоит из индукторов, блокирующих высокочастотные шумы, и конденсаторов для фильтрации пульсирующего постоянного тока в более устойчивый постоянный выход. Эта фильтрация имеет большое значение для предотвращения шума, который может ухудшить производительность и повлиять на другие электронные устройства.

Переключение

Коммутационный каскад - это сердце источника питания, которое определяет работу импульсного блока питания. Он состоит из переключающего транзистора, обычно MOSFET, который работает очень быстро и управляется контроллером PWM (широтно-импульсной модуляции). Прерывистая схема входного фильтра постоянного тока преобразуется в импульсы более высокой частоты. Количество и длительность этих импульсов тщательно настраиваются, чтобы обеспечить правильное регулирование количества энергии, передаваемой на трансформатор, что позволяет точно контролировать выход преобразователя. Различные конфигурации преобразователей, такие как прямой и обратный преобразователь, требуют различных стратегий управления.

Трансформация и изоляция

После преобразования в высокочастотные импульсы постоянный ток подается на трансформатор. Трансформатор выполняет две основные функции: он изменяет напряжение до нужного уровня, повышая или понижая его в зависимости от потребностей устройства, и обеспечивает электрическую изоляцию между входом и выходом, что повышает безопасность. Высокочастотный трансформатор разработан как более компактный и эффективный по сравнению с теми, которые используются в старых источниках питания, работающих с магнитными полями.

Выход Ректификация

На этом этапе переменный высокочастотный ток выпрямляется трансформатором в постоянный. Это осуществляется с помощью другой группы диодов в выпрямительной схеме, такой же, как и во входном каскаде, но настроенной на уровень напряжения после преобразования. Для этого используется DC-DC-преобразователь, генерирующий на выходе постоянный постоянный ток, необходимый для работы электронных устройств, с требуемым уровнем напряжения. Процесс выпрямления на выходе, также известный как регулирование постоянного напряжения, имеет решающее значение для преобразования высокого напряжения постоянного тока от трансформатора в требуемое низкое напряжение постоянного тока на выходе.

Фильтрация выходного сигнала

Несмотря на то, что даже после выпрямления выходной постоянный ток может иметь незначительные отклонения и остаточные шумы. Этап фильтрации позволяет решить эти проблемы с помощью конденсаторов и индукторов в комбинации. Конденсаторы выполняют сглаживание напряжения, а индукторы - фильтрацию высокочастотных шумов, благодаря чему выходной сигнал постоянного тока получается чистым, с минимальным падением напряжения и стабильным.

Обратная связь и корректировка

Последний этап представляет собой механизм обратной связи и коррекции, который непрерывно контролирует выходное напряжение и производит необходимую настройку для поддержания стабильного выходного сигнала. Обычно контур замыкается, определяя выходное напряжение и посылая сигналы на ШИМ-контроллер, который затем соответствующим образом регулирует рабочий цикл переключающего транзистора. Эта динамическая адаптация является основополагающим элементом для компенсации любых изменений мощности или входного напряжения, поддержания постоянной производительности в различных условиях и надлежащего управления контурами управления и цепями управления.

Эффективность и электромагнитные помехи (EMI)

В источниках питания с коммутируемым режимом (SMPS) эффективность и электромагнитные помехи (EMI) являются существенными факторами, влияющими на производительность и дизайн. Здесь мы подробно рассмотрим каждый из них:

Эффективность SMPS

Эффективность SMPS определяется способностью преобразовывать входную мощность (обычно переменного тока) в выходную мощность (постоянного тока) с минимальными потерями энергии. КПД определяется как отношение выходной мощности к входной, обычно выраженное в процентах:

Эффективность(%) = (Входная мощность / Выходная мощность) × 100

Ключевые факторы, способствующие высокой эффективности SMPS, включают в себя:

EMI в SMPS

ЭМИ - это явление, возникающее, когда электромагнитные поля, генерируемые высокочастотным переключением SMPS, накладываются на нормальную работу электронных устройств. Это явление может привести к помехам в работе других электронных устройств, находящихся поблизости, например, смартфона или стиральной машины, а также к снижению производительности источника питания. Регулирование электромагнитных помех имеет решающее значение для соблюдения нормативных требований и обеспечения нормальной работы.

Основные источники и решения проблемы ЭМИ в SMPS включают в себя:

• Коммутационные переходные процессы: Быстрое изменение тока в таких элементах, как транзисторы и диоды, приводит к появлению шумов и скачков. Решением этих проблем являются схемы снабберов, которые поглощают такие переходные процессы, и продуманная компоновка, позволяющая избежать областей контуров, в которых такие переходные процессы могут вызвать электромагнитные помехи.
• Вход и ВыходФильтры: Эти фильтры, особенно на входе, обеспечивают защиту от высокочастотных шумов, поступающих от сети, а также предотвращают попадание шумов от SMPS на другие устройства. На выходе фильтры используются для обеспечения чистого и постоянного постоянного тока.
• Экранирование и заземление: Важно убедиться, что блок питания хорошо экранирован, а заземление выполнено должным образом, поскольку эти методы могут значительно снизить излучение электромагнитных волн.
• Выбор и размещение компонентов: Использование деталей с низкой паразитной индуктивностью и емкостью, а также правильное размещение компонентов может стать хорошим методом снижения электромагнитных помех.

Подводя итог, можно сказать, что КПД SMPS - это мера эффективности преобразования мощности, а управление электромагнитными помехами - это минимизация электромагнитных помех, возникающих в процессе работы.

Механизмы безопасности в SMPS

Режимы отказов

Импульсные источники питания оснащены различными механизмами защиты от возможных сбоев. К наиболее важным из них относятся защита от перенапряжения, защита от перегрузки по току и тепловое отключение. Каждый механизм способен справиться с определенными аномальными условиями и, таким образом, предотвращает повреждение источника питания, а также подключенного устройства, защищая от таких проблем, как высокое сопротивление и паразитное сопротивление.

Меры предосторожности

Когда речь идет о мерах безопасности в импульсных источниках питания, также учитываются надлежащее заземление и компоненты, рассчитанные на соответствующие уровни напряжения и тока, такие как диодные мосты и выходные конденсаторы. Рекомендуется регулярно проводить техническое обслуживание и осмотр, чтобы убедиться, что защитные функции по-прежнему работают правильно, и эффективно управлять регулировкой напряжения.

Когда следует использовать импульсный источник питания?

SMPS (импульсные источники питания) являются доминирующей формой преобразователей мощности благодаря их высокой эффективности, которая часто превышает 90%. Они являются оптимальным выбором для приложений, где требуется эффективное, компактное и легкое преобразование энергии с низким уровнем повышения температуры. Они используются во всем - от крупногабаритного промышленного оборудования до небольших портативных устройств, которые сегодня стали обычным явлением, например, в типичном смартфоне с более чем 10 микросхемами SMPS. Выбор импульсного источника питания, а именно микросхемы SMPS, часто зависит от необходимости обеспечения эффективности, ограниченности пространства и способности справляться с различными требованиями к мощности, например, с требованиями к высокой мощности и низкому сопротивлению.

• Промышленные системы (например, станки с ЧПУ, автоматизированные производственные линии)
• Потребительские гаджеты (например, смартфоны, ноутбуки).
• Системы возобновляемых источников энергии (например, солнечные инверторы, ветряные турбины)

Заключение

Импульсные источники питания (SMPS) не только эффективно преобразуют энергию с малыми потерями, но и хорошо адаптируются к различным приложениям. Ведущие производители смп продолжают внедрять инновации, предлагая решения, отвечающие растущим требованиям современных устройств. SMPS используют высокочастотную коммутацию и передовые компоненты для преобразования переменного тока в постоянный с минимальными потерями энергии и выделением тепла, что делает их более совершенными по сравнению с традиционными линейными преобразователями мощности. По мере развития технологий SMPS будут становиться все более эффективными, гибкими и компактными, удовлетворяя растущие потребности в питании таких устройств, как смартфоны и современные автомобили, а также играя важную роль в различных промышленных приложениях.

Вопросы и ответы

Как SMPS обрабатывает входной сигнал переменного тока, чтобы получить стабильный выходной сигнал постоянного тока?

Работа SMPS начинается с выпрямления входного переменного тока, который преобразуется в пульсирующий постоянный ток с помощью выпрямителя. Затем этот постоянный ток фильтруется с помощью фильтров и преобразуется в требуемое выходное напряжение постоянного тока с помощью импульсных регуляторов, например, buck или boost-преобразователей. Этот метод гарантирует эффективное преобразование энергии с небольшими потерями мощности.

Как работает индуктивный преобразователь в SMPS?

Индуктивный преобразователь в SMPS накапливает энергию в магнитном поле, когда выключатель включен. Когда выключатель выключен, энергия направляется на выход. Этот процесс управляет напряжением, регулируя рабочий цикл.

Каковы основные недостатки использования индуктивного преобразователя в конструкции SMPS?

Ответ: Индуктивные преобразователи обычно крупнее и сложнее неиндуктивных, что обусловливает их более высокую стоимость. Кроме того, они могут создавать больше электромагнитных помех (EMI), что может потребовать дополнительной фильтрации. Напротив, они подходят для мощных приложений, где их недостатки компенсируются преимуществами производительности.