Источники питания используются почти во всех электрических / электронных устройствах, чтобы обеспечить достаточный ток при требуемом напряжении. Существует два основных типа источников питания: линейные и импульсные. Оба могут использоваться взаимозаменяемо, но импульсные источники питания становятся все более популярными.
В этой статье давайте посмотрим, что такое импульсные блоки питания, как они работают, а также их преимущества и недостатки по сравнению с традиционным линейным блоком питания.
Что такое импульсный источник питания (SMPS)?
Импульсный источник питания (также известный как импульсный источник питания, SMPS, коммутатор) представляет собой электронный блок питания, который эффективно преобразует электрическую энергию из одного напряжения в другое.
Обычно SMPS используется для передачи мощности от источника постоянного / переменного тока к нагрузке постоянного тока (например, компьютеру, мобильному телефону и т. Д.). Большинство импульсных источников питания преобразуют более высокое напряжение (110 В или 220 В переменного тока) в гораздо более низкое напряжение постоянного тока, например 24 В, 12 В или 5 В.
Мы можем найти эти типы источников питания почти в каждом электроприборе, особенно в компактных. Например, адаптеры для зарядки мобильных телефонов, компьютеры, адаптеры для зарядки ноутбуков можно взять.
История импульсных источников питания
История импульсных источников питания восходит к 1836 году. Есть свидетельства того, что индуктивные катушки использовались для генерации пиков высокого напряжения для экспериментов. Перенесемся почти на десять лет вперед: в 1959 году в Bell Labs Мохамед М. Аталла и Давон Кан изобрели силовой полевой МОП-транзистор. Силовые полевые МОП-транзисторы на сегодняшний день являются наиболее широко используемым переключающим устройством в импульсных источниках питания.
Есть записи о патентах, поданных IBM в 1958 году, где показана конструкция SMPS, основанная на транзисторных колебаниях. Примерно в том же году General Motors Corporation (GM) также подала аналогичные патенты на конструкции SMPS.
Первым коммерческим и широко известным продуктом с импульсным блоком питания был карманный калькулятор Hewlett Packard HP-35. Миниатюрный SMPS использовался для питания светодиодов, ПЗУ и других первичных элементов, таких как часы и регистры. Хотя разработки разрабатывались многими крупными поставщиками, в 1976 году Microchip Technology подала патент на использование термина «импульсный источник питания (SMPS)». Они выпустили первый интегрированный контроллер для импульсных источников питания.
Что означает «режим переключения»?
Термин «режим переключения» или «режим переключения» происходит от работы SMPS. SMPS состоит из сложной схемы, работающей на очень высокой частоте (от 20 кГц до 10 МГц). Это высокоскоростное переключение позволяет импульсному источнику питания преобразовывать электроэнергию более эффективно, чем традиционные линейные источники питания.
Принцип работы импульсного источника питания
Импульсный источник питания состоит из сложной схемы, которая содержит ряд подсхем силовой электроники для эффективного преобразования энергии из одного напряжения в другое.
Типичный SMPS имеет следующую блок-схему с этими ключевыми подразделами:
- Входной этап
- Стадия переключения
- Выходной каскад
- Цепь управления
Этап ввода
Каскад ввода мощности обычно состоит из полный или полумостовой выпрямитель схема, которая принимает мощность переменного тока в качестве входа и выдает отфильтрованный выход постоянного тока с тем же напряжением. Например, этот каскад может преобразовывать 110 В переменного тока в 110 В постоянного тока. Этот каскад также содержит дополнительные LC-фильтры (катушка индуктивности и конденсатор) для дальнейшего устранения любых пульсаций входной мощности.
Высокочастотный переключатель
Это наиболее ответственный этап электроснабжения. Обычно в SMPS в качестве основного коммутирующего устройства используется силовой полевой МОП-транзистор (один или несколько). Сигнал ШИМ быстро включает и выключает полевой МОП-транзистор, действуя как переключатель. Это преобразует сглаженное постоянное напряжение от входного каскада в высокочастотную прямоугольную волну. Коммутационное устройство работает в режим непрерывной проводимости в большинстве расходных материалов для достижения большей эффективности преобразования.
Этот колебательный источник питания подается на силовой трансформатор, который понижает или увеличивает напряжение в соответствии с соотношением первичной и вторичной обмоток. Некоторые источники питания имеют несколько обмоток для обратной связи и получения нескольких выходных напряжений.
Выходной этап
Выходной сигнал силового трансформатора также представляет собой колебательный сигнал, который дополнительно фильтруется выходным каскадом. Этот каскад также содержит фильтры, аналогичные входному каскаду, но может обрабатывать больший ток при более низких напряжениях. Это последний этап схемы, который передает мощность на подключенную нагрузку.
Схема управления
Переключающее устройство (транзистор или полевой МОП-транзистор) должно быстро включаться и выключаться для генерации прямоугольной волны, необходимой для питания силового трансформатора с использованием сигнала ШИМ. Этот сигнал ШИМ имеет как частоту, так и рабочий цикл. Рабочий цикл - это отношение времени включения к общему времени цикла. Выходным напряжением SMPS можно управлять, увеличивая или уменьшая рабочий цикл сигнала ШИМ, подаваемого на транзистор.
Когда нагрузка подключена, она начинает потреблять ток, и выходное напряжение ИИП падает. В этот момент отдельная схема должна быть в состоянии готовности, чтобы контролировать выходное напряжение и, когда оно падает, необходимо увеличивать рабочий цикл сигнала ШИМ. Точно так же, когда нагрузка отключена, цепь обратной связи уменьшает рабочий цикл, чтобы поддерживать желаемое выходное напряжение.
Что такое топологии SMPS
В коммерческих импульсных источниках питания используется множество топологий:
- Доллар
- Понижающая топология представляет собой неизолированную топологию понижения постоянного напряжения постоянного тока. (т.е. от 24 В до 12 В постоянного тока)
- Они потребляют меньший средний ток от входа и обеспечивают более высокий ток на выходе.
- Примером понижающего преобразователя являются компьютерные блоки питания, в которых основной источник питания 12 В понижается для питания контроллеров 5 В USB и 1.8 В DRAM.
- Boost
- Это неизолированная топология повышения напряжения постоянного тока. (От 3.7 до 5 В постоянного тока)
- Повышающие преобразователи потребляют больше тока от входа и меньше тока на выходе при более высоком напряжении на нагрузку.
- В системах с батарейным питанием, таких как портативные осветительные системы для электромобилей, используются высокоэффективные повышающие преобразователи для преобразования более низкого напряжения в более высокое напряжение для включения электроприборов.
- Бак / подталкивание
- Комбинация топологий Buck и Boost. Эти схемы могут повышать или понижать вход в соответствии с желаемым выходом.
- Понижающие / повышающие преобразователи используются там, где входное напряжение может быть выше или ниже желаемого выходного напряжения. Используя такой преобразователь, мы всегда можем гарантировать, что он обеспечит желаемое выходное напряжение независимо от входного напряжения. Однако это обычно имеет ограничения, такие как диапазон входного напряжения (минимальное и максимальное входные напряжения.
Вышеупомянутые топологии являются наиболее простыми топологиями. Однако они не обеспечивают гальванической развязки, как трансформаторы. Следовательно, существуют более продвинутые топологии, в которых используются более сложные трансформаторы для обеспечения необходимых функций безопасности при сохранении той же функциональности.
- Лететь обратно
- Усовершенствованная версия понижающего преобразователя обеспечивает ту же функциональность с гальванической развязкой.
- Прямой конвертер
- Изолированная топология SMPS более эффективна, чем обратная топология.
Цепь импульсного источника питания
Хотя управление SMPS может показаться сложным и более сложным в обращении, существуют специализированные ИС контроллера SMPS, такие как TNY267, TEA173X и VIPER22A, которые имеют встроенный генератор PWM и многие другие расширенные функции, такие как управление обратной связью и защита от короткого замыкания / перенапряжения.
Ниже показано типичное применение TNY267 от Power Integrations, простого автономного контроллера SMPS, который может выдавать 12 В 1 А постоянного тока с использованием источника переменного тока 230 В.
Вход Vin представляет собой вход 100–300 В переменного тока (также может быть постоянным током), а вход защищен предохранителем и металлооксидным варистором (MOV) для защиты цепи от скачков перенапряжения. Мостовой выпрямитель D3 и конденсатор C2 вместе выпрямляют входной сигнал переменного тока до 100–300 В постоянного тока. Выходное напряжение этого каскада составляет примерно [входное напряжение * 1.4] из-за значений RMS.
D2 и D4 вместе образуют схему подавления переходных процессов для защиты TNY267 от обратно ЭДС шипы. D1 и C1 выпрямляют вторичный выход трансформатора T1, который является желаемым выходным напряжением.
R1, D5 и R2 образуют цепь обратной связи для регулирования выходного напряжения в соответствии с изменяющимися условиями нагрузки. Это помогает TNY267 поддерживать постоянное выходное напряжение на уровне 12 В.
Преимущества и недостатки импульсных источников питания
Импульсные источники питания имеют множество преимуществ:
- Меньший по размеру, поэтому может поместиться в компактные устройства
- Благодаря компонентам на основе полупроводников, ИИП легче по весу.
- Очень эффективен, чем линейные источники питания (типично 70-95%)
- Поддерживает более широкий диапазон входного и выходного напряжения
- Обеспечивает дополнительные функции, такие как регулируемые выходы и функции безопасности, такие как защита от короткого замыкания, перенапряжения, перегрузки по току и перегрева.
- Низкое тепловыделение, поэтому требуется минимальное активное охлаждение
Однако у SMPS есть и недостатки, которые иногда делают их непригодными для определенных приложений. Например, SMPS представляет собой гораздо более сложную схему, чем традиционная линейная схема. Таким образом, существует множество компонентов, которые могут выйти из строя и снизить производительность источника питания.
Кроме того, SMPS известны своими более высокими EMI (электромагнитными помехами) и электрическими шумами, поскольку они работают на высоких частотах. Плохо спроектированный SMPS может вызвать сбои, а иногда даже необратимо повредить чувствительную электронику, питающуюся от них.
В области энергоснабжения импульсные источники питания также создают гармонические искажения в энергосистеме и иногда могут потребовать дополнительной коррекции коэффициента мощности, если они не встроены в источник питания.
Линейный и импульсный источник питания
Основное отличие ИИП от линейных источников питания - их эффективность. Импульсные источники питания чрезвычайно эффективны по сравнению с линейными источниками питания, которые имеют тенденцию рассеивать больше энергии в виде тепла.
В линейных источниках питания переменного и постоянного тока обычно используются трансформаторы для понижения входного переменного напряжения, а затем его выпрямление с помощью диодов и фильтров с использованием конденсаторов. Это обеспечивает очень низкий уровень пульсаций на выходе, но за счет снижения эффективности (около 30% -60%). Они также имеют тенденцию быть очень громоздкими из-за размера и веса трансформатора. Линейные источники питания не могут работать с переменным входным напряжением, если они не разработаны специально.
С другой стороны, линейные преобразователи постоянного тока в постоянный понижают напряжение, рассеивая падение напряжения в виде тепла. Следовательно, для правильной работы сильноточных линейных регуляторов требуется более сложное активное охлаждение. Однако линейные источники питания просты в бездействии и относительно дешевы в реализации. Также изолированы выходы линейных (трансформаторных) источников питания.
SMPS в этом случае отличается показателями эффективности от 80% и выше с минимальными потерями мощности. Кроме того, они имеют небольшой форм-фактор и имеют гибкие возможности применения, так как схема может быть изменена для получения регулируемых выходов и даже изолированных выходов. Но они намного сложнее по конструкции (большое количество компонентов) и имеют высокочастотный шум на выходе. При неправильном обращении они могут вызвать проблемы в чувствительных участках цепей нагрузки.
Заключение
Импульсные источники питания очень эффективны при преобразовании электроэнергии из одного напряжения в другое. Они подходят для приложений с высоким КПД и большой мощностью и во многих случаях более подходят, чем линейные источники питания. Однако выбор SMPS или линейного источника питания должен выполняться с учетом многих факторов, таких как допустимая пульсация на выходе, нагрузка и регулировка линии, а также стоимость / сложность в желаемом приложении.
