Импульсные преобразователи напряжения: принцип работы, выбор

Преобразователи напряжения используются везде и всюду. Будь то огромные многотонные трансформаторы на электроподстанциях, обычные 50-герцовые трансформаторы в домашней аппаратуре или сложные импульсные схемы с умными микроконтроллерами.

Любой электроприбор имеет собственные требования к питанию, да и отдельные узлы в этом приборе тоже привередливы к значениям напряжений.

Вопрос — почему? Из статьи вы узнаете, зачем вообще нужны преобразователи и как работает DC-DC регулятор напряжения на материнской плате компьютера.

В розетке 220 вольт, у блока питания 12 вольт, у зарядки телефона 5 вольт… Может сложиться впечатление, что инженерам нравится играть с напряжением, сначала повышая его до миллионов вольт на линиях электропередач, а потом до единиц вольт для питания центрального процессора. Почему люди не придумали какое-то единое значение напряжения и не используют его везде?

Определенно, центральный процессор — да и вообще любой другой микрочип — питать высоким напряжением прямо из розетки нельзя. Двенадцать вольт после блока питания тоже не подойдут.

Во-первых, на микроскопическом уровне даже лишние пара десятых вольта могут привести к утечкам тока и повлиять на стабильность схемы. Во-вторых, чем выше напряжение, тем большее энергии расходуется на работу процессора. Поэтому с уменьшением техпроцесса разработчики стараются снизить и рабочий вольтаж.

Когда-то процессоры, например, древний Intel 8086 выпуска 70-х годов, питались от 5 вольт, а современные работают всего от 1-1,4 вольта.

Блоки питания с напряжением 1 вольт на выходе — тоже не вариант, так как сила тока будет чрезмерно высокой — от нескольких десятков до сотен ампер. Ведь, снижая напряжение, растет сила тока при той же мощности. Вычислить силу тока можно, поделив мощность на напряжение.

 Большая сила тока вставляет палки в колеса при подборе проводников из-за их сопротивления. Сопротивление — эффект, когда структура проводника мешает беспрепятственному протеканию тока по нему. Заряженные частицы врезаются на полной скорости в атомы проводника, чем и вызывают сопутствующий нагрев, а сами частицы теряют энергию. Это как бег с препятствиями. Вы тоже потеряете энергию, если во время бега по густому лесу будете влетать в деревья.

Сопротивление любого провода не нулевое, причем оно увеличивается с ростом его длины. Толщина провода также влияет на сопротивление. Поэтому, чтобы передать большую мощность при низком значении напряжения и высокой силе тока, придется использовать довольно толстые провода.

К примеру, напряжение на ЛЭП специально увеличивают до сотен тысяч вольт после электростанции, чтобы передавать мегаватты электрической мощности на значительные расстояния с помощью относительно тонких проводов.

И последнее. У любой электроники свое значение рабочего напряжения, а у процессора оно еще и регулируется в зависимости от нагрузки и условий работы. Так что договориться и сделать единую энергосистему с одинаковым значением напряжения попросту нереально.

Нет, без преобразователей ну никак не обойтись.

Для питания микроэлектроники от постоянного напряжения используются DC-DC преобразователи, основанные на принципах широтно-импульсной модуляции — ШИМ. Их еще называют регуляторами напряжения — VRM.

Как это работает? Возьмите обычный вентилятор. Что будет, если вы его включите? Правильно, он будет дуть с одинаковой силой.

Что произойдет, если с равной периодичностью дергать рубильник — включать вентилятор всего на полсекунды, а на следующие полсекунды выключать? Двигатель вентилятора не может мгновенно набрать максимальную скорость вращения, поэтому за такой небольшой промежуток времени он как следует не разгонится. Но и остановиться за то же время он не успеет, так как продолжит крутиться по инерции. Так что вентилятор продолжит дуть, но с гораздо меньшей мощностью. Попробуйте поэкспериментировать со своим домашним вентилятором.

Выходит, если включать и выключать питание вентилятора, то вместо постоянного напряжения мы получим прерывистые импульсы той же амплитуды.

Так и работает простейший ШИМ-регулятор. Но вместо человека с выключателем используется транзистор — он то открывается на некоторое время (ВКЛ), то закрывается (ВЫКЛ). Только делает это с частотой не два раза в секунду (2 Гц), а десятки тысяч раз (10 кГц). Вы так точно не сможете. Такой транзистор называется «ключевым».

Кто-то может возмутиться: «Но, погодите, нам нужно получить напряжение в 1 вольт, а тут хоть и прерывистые, но те же 12 вольт, что и на входе! Кажется, нас обманывают!»

Действительно, таким образом питать процессор по-прежнему нельзя. Так что к ключевому транзистору (VT1) понадобятся еще несколько элементов: катушка индуктивности (L), конденсатор (C) и синхронный транзистор (VT2).

Катушка и конденсатор образуют LC-фильтр.

Технически можно разделить цикл преобразования на две стадии: накачка энергии в катушку с конденсатором и стадию разряда.

Когда транзистор VT1 открыт, его собрат — синхронный транзистор VT2 — закрыт. В катушке L накапливается энергия, плавно нарастает ток и заряжается конденсатор C.

Транзистор VT1 закрывается, открывается синхронный VT2 — он нужен, чтобы соединить вход катушки с отрицательным выводом нагрузки, создавая замкнутую цепь питания.

Пусть мы и разорвали на этот краткий миг связь с источником питания, но катушка никуда не делась.

Накопленная в катушке энергия теперь играет роль источника питания и поддерживает силу и направление тока, а конденсатор разряжается и питает нагрузку.

Затем транзистор VT1 снова открывается, а VT2 закрывается, и цикл начинается заново. Причем для наибольшей эффективности циклы повторяются с довольно высокой частотой — у современных компьютерных комплектующих миллионы раз в секунду (измеряется в мегагерцах, МГц).

Благодаря этому процессу мы получаем постоянное напряжение на нагрузке ниже, чем входное до ключевого транзистора. Импульсы как бы сглаживаются, образую близкую к прямой линию напряжения.

То, что линия напряжения не совсем прямая — это нормально. В реальных условиях идеальных LC-фильтров не бывает, и всегда присутствуют небольшие пульсации напряжения. И главное, подобрать параметры катушки и конденсатора таким образом, чтобы они не успевали разрядиться полностью к концу цикла. Тогда ток становится неразрывным.

К слову, ток на всей цепи примерно равен. А так как синхронный транзистор VT2 открыт несоизмеримо дольше — работать ему приходиться, что называется, за троих.

Уровень напряжения на нагрузке будет зависеть от длительности первой и второй стадий в рамках одного цикла. Ведь чем дольше открыт транзистор VT1, тем больше энергии успевает накопить катушка и тем выше будет по итогу напряжение после LC-фильтра.

А чтобы узнать коэффициент заполнения, делим U out на U in. Простой пример: чтобы получить типичное для центрального процессора напряжение в 1,2 вольта, то, поделив на входные 12 вольт (напряжение на выходе блока питания), получим D=0,1. Это значит, что первая стадия (накачки энергии) займет всего 10 % времени от общей длительности цикла, а оставшиеся 90 % времени уйдут на стадию разряда.

• В мощных преобразователях часто используется не один канал с парой транзисторов, одной катушкой и одним конденсатором, а несколько параллельно подключенных каналов.

Как мы уже выяснили, любой проводник имеет ненулевое сопротивление и нагревается. Транзистор в ключевом режиме — тоже проводник, как обычный выключатель.

И сопротивление (Rds) между его входом и выходом (сток-исток) не равно нулю. Значит, чем выше ток, тем сложнее будет электронам пробиться через него, что приведет к потерям энергии и нагреву.

Чтобы минимизировать этот эффект и применяются несколько фаз — нагрузка распределяется между ними поровну.

Еще один интересный способ повысить эффективность: синхронный транзистор VT2 открыт примерно в семь-восемь раз дольше чем VT1, поэтому VT2 часто дублируют и стараются подобрать более продвинутую и дорогую модель с низким Rds.

Но это еще не все. Такие каналы не просто так называют «фазами». Процесс переключения транзисторов в разных каналах происходит не одновременно, а с небольшим сдвигом по фазе.

1. На выходе после LC-фильтров все фазы объединяются в одну, и амплитуда пульсаций становится значительно ниже, чем было бы у каждой фазы в отдельности.

Так что даже несколько десятков каналов в преобразователе на материнской плате неправильно называть «избытком». Ведь это не только меньшие потери, но и лучшее качество напряжения. Меньше пульсаций напряжения — меньше выбросов во внутренние узлы процессора — выше стабильность всей схемы, особенно при разгоне.

Те же принципы справедливы и для графического чипа видеокарты, процессора смартфона и любой другой «тонкой» электроники.

Но в этом случае разработчики уже за нас рассчитали потребляемую мощность и количество необходимых узлов.

Источник: https://club.dns-shop.ru/blog/t-102-materinskie-platyi/21337-kak-rabotaet-dc-dc-preobrazovatel-napryajeniya/

Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку. Часть 2

• Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2017
• Александр Русу, Одесса
• Часть 1

Режим холостого хода

В соответствии с (7) и (9), поддержку режима легкой нагрузки можно обеспечить путем уменьшения среднего значения магнитного потока ФСР, желательно без изменения t1 и, соответственно, ΔФ. Согласно (5), переменная составляющая ΔФ определяется с учетом знака магнитного потока, поэтому, если принять ФНАЧ = –ФКОН, то, по формуле (8), получим ФСР = 0 при произвольных значениях ФНАЧ, ФКОН.

Что нам это дает? Переменная составляющая магнитного потока ΔФ зависит от соотношения напряжений на входе и выходе преобразователя; от UВХ/UВЫХ, согласно (9), зависит t1, а от него, согласно (4), ΔФ. Поэтому ΔФ во время работы преобразователя фактически определяется контуром стабилизации напряжения.

Если при 100% мощности преобразователь работает в безразрывном режиме (ФНАЧ > 0), то по мере уменьшения тока нагрузки значения ФНАЧ и ФКОН уменьшаются на одинаковую величину без изменения ΔФ. Эти процессы происходят до тех пор, пока ФНАЧ не достигнет нулевого значения (Рисунок 6).

С этого момента преобразователь переходит в режим легкой нагрузки, и его дальнейшая работа уже зависит от элементной базы силовой части.

Рисунок 6.	Магнитный поток дросселя при уменьшении тока нагрузки.

Если ключ S2 сделан на основе неуправляемого полупроводникового диода, то преобразователь перейдет в разрывный режим, при котором ΔФ и ФСР уменьшаются одновременно за счет уменьшения t1.

Но если ключи S1 и S2 способны пропускать ток в обоих направлениях, например, при реализации их на основе MOSFET, то преобразователь перейдет в режим принудительной непрерывной проводимости, при котором знаки ФНАЧ и ФКОН будут отличаться.

В этом режиме переменная составляющая ΔФ не изменяется, а уменьшение преобразуемой мощности происходит только за счет уменьшения ФСР.

Рисунок 7.	Работа преобразователя в режиме холостого хода.

Дальнейшее уменьшение тока нагрузки приведет к еще большему смещению магнитного потока дросселя в отрицательную область. При полном отключении нагрузки преобразователь перейдет в режим холостого хода, особенностью которого является соблюдение равенства ФНАЧ = –ФКОН. В этом режиме между конденсаторами С1 и С2 происходит обмен энергией величиной WХХ (Рисунок 7):

(10)

При замыкании ключа S1 энергия WХХ из дросселя L1 вначале передается в конденсатор С1 до тех пор, пока магнитный поток не достигнет нулевого значения, и дроссель L1 не разрядится. После этого под действием напряжения на конденсаторе С1 энергия снова начнет поступать в дроссель, но уже при другой полярности магнитного потока.

К моменту размыкания ключа S1 в дросселе L1 будет содержаться WХХ энергии, которая после коммутации ключей S1 и S2 начнет передаваться в конденсатор С2.

В середине второго этапа преобразования, после полного разряда дросселя, под действием напряжения на конденсаторе С2 магнитный поток снова изменит знак, и дроссель начнет потреблять энергию из конденсатора С2.

Очевидным достоинством принудительной непрерывной проводимости при легкой нагрузке является полная управляемость преобразователя.

В этом режиме длительности t1 и t2 не зависят от тока нагрузки, что обеспечивает максимально эффективную регулировку выходного напряжения, в отличие от разрывного режима и режима пропуска импульсов.

К недостаткам следует отнести повышенные потери из-за вынужденного преобразования энергии WХХ, что для некоторых приложений может быть серьезной проблемой.

(11)

Из доступной элементной базы пропускать ток в обоих направлениях могут только MOSFET, поэтому режим принудительной непрерывной проводимости возможен лишь в синхронных преобразователях на основе этого типа полупроводниковых приборов (Рисунок 8).

Если хоть один из ключей S1 и S2 выполнен на основе биполярных транзисторов, IGBT, диодов или других элементов, в которых ток может протекать только в одном направлении, для реализации режима принудительной непрерывной проводимости необходимо принимать дополнительные меры.

Рисунок 8.	Синхронный и несинхронный преобразователи.

Также становится очевидной и роль конденсаторов С1 и С2, которые выступают не только в качестве фильтров, но еще и в качестве накопителей энергии, принципиально необходимых для работы при легкой нагрузке.

Режим рекуперации

А что произойдет, если среднее значение магнитного потока дросселя ФСР будет иметь знак, противоположный ΔФ, например, если ФНАЧ < 0 и ФКОН < 0, при соблюдении условия ФНАЧ < ФКОН? В этом случае, согласно (7), WИМП < 0, и энергия через преобразователь пойдет в обратном направлении – с выхода на вход (Рисунок 9).

Рисунок 9.	Режим рекуперации.

Когда такой режим необходим? Например, если вход преобразователя подключен к системной питающей шине, а выход – к аккумуляторной батарее, содержащей аварийный запас энергии (Рисунок 10).

В нормальном режиме система питается от основного источника, а преобразователь выполняет функцию зарядного устройства, при этом энергия передается с входа на выход преобразователя, что соответствует режиму передачи. Если аккумулятор заряжен, то энергия никуда не передается, и преобразователь работает в режиме холостого хода.

При аварии основного источника энергия из аккумулятора через преобразователь, работающий в режиме рекуперации, поступает на шину питания, обеспечивая питанием нагрузку.

Рисунок 10.	Пример работы преобразователя в трех режимах.

Необходимо отметить, что переход из одного режима в другой происходит автоматически, без какого-либо участия со стороны контроллера, основной задачей которого в этом случае является только поддержание нужного соотношения t1/t2 так, чтобы, согласно (9), обеспечить или требуемое значение UВХ/UВЫХ, или требуемый ток нагрузки.

Заключение

Для того чтобы режим легкой нагрузки не создавал проблем, магнитный поток дросселя должен иметь возможность изменять свою полярность. Если это условие не выполняется, то чем «легче» нагрузка, тем сложнее обеспечить стабильное напряжение на выходе, поскольку при однополярном магнитном потоке дросселя импульсный преобразователь без нагрузки работать не может в принципе.

При DC/DC преобразовании это проще всего обеспечить при помощи синхронных преобразователей на основе MOSFET.

Также это автоматически выполняется в AC/AC преобразователях, поскольку в них протекание переменного тока через силовые ключи, впрочем, как и работа на реактивную нагрузку, является обязательным условием.

В остальных случаях необходимо внимательно прорабатывать режим легкой нагрузки, для обеспечения требуемых точности, надежности, КПД и прочих характеристик преобразователя.

Список источников

1. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ принципов построения и режимов работы импульсных преобразователей электрической энергии // Практическая силовая электроника. – 2016. – №2(62). – С.10 – 24.
2. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ электрических и магнитных процессов в дросселях импульсных преобразователей электрической энергии // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (ТКЭА) – 2016. – №6. – С.17 – 29.
3. Русу А.П. Импульсное преобразование переменного тока // РадиоЛоцман – 2017. – №6. – С.24 – 32.
4. Русу А.П. Откуда появились базовые схемы преобразователей. Часть 1 // РадиоЛоцман – 2017. – №9. – С.28 – 31.
5. Русу А.П. Откуда появились базовые схемы преобразователей. Часть 2 // РадиоЛоцман – 2017. – №10. – С. 32 – 38.

Источник: https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=484457

Особенности применения трансформаторов в импульсных преобразователях электрической энергии. Часть 2

Часть 1

Но есть еще одна особенность. Если использовать стабилизатор, построенный по понижающей схеме, и увеличить его рабочую частоту в два раза по сравнению с рабочей частотой трансформатора, то, изменив необходимым образом алгоритм управления ключами S1 – S4, ключи S5 и S6 можно исключить.

В этом случае алгоритм работы преобразователя разбивается на четыре этапа (Рисунок 6). На первом этапе ключи S1 и S3 замкнуты, а S2 и S4 – разомкнуты. При такой коммутации через замкнутый ключ S1 на первичную обмотку W1.

1 трансформатора T1 подается напряжение, равное напряжению на входе преобразователя UВХ. Это приводит к появлению на вторичной обмотке W2.1 напряжения, отличающегося от величины UВХ на величину коэффициента трансформации трансформатора КТР = N2.1/N1.1 (где N1.1 и N2.

Точно такое же напряжение было бы в точках 1 и 1' схемы на Рисунке 5 при тех же параметрах трансформатора и замкнутом ключе S5.

Рисунок 6.	Принцип работы стабилизированного импульсного преобразователяна основе трансформатора.

Таким образом, этот этап соответствует первому этапу работы «дроссельных» преобразователей, на протяжении которого дроссель L1 обменивается энергией с конденсатором С1 [3] (в действительности, из-за того, что вход импульсного регулятора в понижающей схеме включен последовательно с выходом преобразователя, дроссель обменивается энергией с обоими конденсаторами С1 и С2, но это уже специфика понижающей схемы). Это очевидно в схеме Рисунка 5, а вот в схеме Рисунка 6 из-за особенностей последующих этапов работы конденсатор С1 пришлось переместить на вход преобразователя. Но, несмотря на такое расположение, обмен энергией между дросселем L1 и конденсатором C1 при использовании в качестве силовых ключей S1 и S3 приборов, обеспечивающих двунаправленное протекание тока, возможен в любом направлении.

Кроме того, на первом этапе преобразования, под действием напряжений UВХ и UВЫХ, присутствующих на конденсаторах С1 и С2, происходит изменение магнитного потока трансформатора фТР(t) на величину 2ФМАХ, а магнитного потока дросселя фДР(t) – на величину ФМАХ (где ФМАХ – максимальное значение магнитного потока для выбранного магнитопровода) [6], а токи силовых ключей, находящихся в проводящем состоянии, без учета тока намагничивания магнитопровода трансформатора, определяются величиной тока дросселя:

На втором этапе преобразования в замкнутом состоянии находятся ключи S3 и S4, а ключи S1 и S2 разомкнуты. При такой коммутации конденсатор C1 отключен и токи ключей iS1(t) и iS2(t) равны нулю.

Самое интересное на этом этапе происходит на вторичной стороне трансформатора. Ток дросселя iДР(t) через замкнутые ключи S3 и S4 начинает протекать через обмотки W2.1 и W2.

2, причем, согласно первому закону Кирхгофа:

Поскольку количество витков обмоток W2.1 и W2.2 одинаково (N2.1 = N2.2), то при такой схеме включения и равенстве токов iS3(t) и iS4(t) их намагничивающие силы взаимно компенсируются и не оказывают влияния на магнитный поток трансформатора фТР(t).

Помимо этого, замкнутые ключи S3 и S4 обеспечивают путь для протекания тока намагничивания, связанного с магнитным потоком трансформатора фТР(t). При этом короткое замыкание вторичных обмоток W2.1 и W2.

2 ключами S3 и S4 приводит к тому, что напряжения на первичной фТР1(t) и вторичной uТР2(t) обмотках трансформатора становятся равными нулю, поэтому величина его магнитного потока фТР(t) на данном этапе, согласно закону Фарадея, не изменяется.

Таким образом, одновременное замыкание ключей S3 и S4 в схеме Рисунка 6 полностью эквивалентно замыканию ключа S6 в схеме Рисунка 5 (замыканию точек 1 и 1').

Этот этап соответствует второму этапу преобразования «дроссельных» преобразователей, на протяжении которого дроссель L1 обменивается энергией c конденсатором C2.

Также как и на первом этапе, при использовании ключей, обеспечивающих двунаправленное протекание тока, обмен энергией между дросселем L1 и конденсатором C2 может проходить в любом направлении.

Третий и четвертый этапы преобразования практически полностью соответствуют первому и второму, за исключением того, что на третьем этапе замыкаются ключи S2 и S4. Кроме того, при одинаковом количестве витков обмоток W1.1 и W1.

2 длительность третьего этапа должна быть равна длительности первого – только в этом случае магнитопровод трансформатора T1 будет намагничиваться по симметричному циклу, что является необходимым условием для передачи максимальной мощности.

Таким образом, за один цикл перемагничивания магнитопровода трансформатора происходят два цикла перемагничивания магнитопровода дросселя, то есть дроссель работает на удвоенной частоте. Напряжение на входе понижающего стабилизатора (если бы он был отдельным узлом) отличается от напряжения UВХ на величину КТР = N2.1/N1.1 = N2.2/N1.2, а коэффициент передачи схемы в целом равен [2]:

где t1 – длительность первого (третьего), а t2 – длительность второго (четвертого) этапа преобразования (Рисунок 6). То есть, регулировка (и стабилизация) выходного напряжения, также как и в «дроссельных» преобразователях, осуществляется путем изменения длительностей открытого состояния ключей S1 – S4, теоретически, с какой угодно точностью.

Сравнение габаритов индуктивных элементов

Что это нам дает в итоге? Сравним две схемы преобразователей (Рисунок 7) одинаковой мощности: обратноходовую и на основе трансформатора, работающих при одинаковых напряжениях на входе UВХ и выходе UВЫХ.

Пусть магнитопроводы всех индуктивных элементов работают в оптимальном режиме [6], обеспечивающем наименьшее значение произведения площади поперечного сечения сердечника SC и окна SO магнитопровода.

Примем произведение SCSO магнитопровода дросселя L1 обратноходового преобразователя за базовое значение (100%).

Рисунок 7.	Сравнение двух преобразователей одинаковой мощности.

Из [2] нам известно, что через магнитное поле дросселя понижающей схемы проходит лишь часть энергии, но сколько именно? Выберем коэффициент трансформации трансформатора КТР таким образом, чтобы при минимальном входном напряжении напряжение на вторичных обмотках было приблизительно равно выходному напряжению. В этом случае длительность t1 будет максимальна, а t2 будет стремиться к нулю. Это означает, что через магнитное поле дросселя энергия проходить практически не будет, и этот узел теоретически не нужен.

Совершенно другое дело при максимальном входном напряжении. Поскольку значение КТР не меняется и выбирается для худшего случая, увеличение входного напряжения приведет и к увеличению напряжения на его вторичных обмотках.

При максимальном отклонении входного напряжения ±20% максимальное напряжение на вторичных обмотках трансформатора будет на 40% больше напряжения UВЫХ, чему соответствует UВЫХ/UВХ ≈ 0.72. По графику на Рисунке 4 или формулам, полученным в [2], определим, что в этом случае через магнитопровод дросселя L1 будет проходить всего 28% мощности нагрузки.

А поскольку в «трансформаторной» схеме дроссель L1 работает на удвоенной частоте, то произведение SCSO его магнитопровода фактически составит всего 14% от значения SCSO магнитопровода дроселя обратноходового преобразователя той же мощности.

Таким образом, общая масса и габариты индуктивных элементов «трансформаторной» схемы составят всего лишь около 32% от соответствующих параметров обратноходового преобразователя той же мощности и работающего на той же частоте. Согласитесь, ради уменьшения в три раза массы и габаритов самых громоздких и дорогих компонентов преобразователя есть смысл пойти на усложнение схемы.

Сделанные выше расчеты справедливы для любых схем, в которых трансформаторы работают с симметричной петлей перемагничивания. К таким схемам относятся: схема с выводом средней точки трансформатора (рассмотренная в статье), полумостовая и мостовая.

В схемах с нессиметричным перемагничиванием магнитопровода трансформатора (прямоходовая, двухтранзисторная) из-за уменьшения размаха магнитной индукции габариты трансформатора будут больше. Кроме того, в данном сравнении подразумевалось, что магнитопроводы дросселей и трансформаторов выполнены из одинакового материала.

Если для магнитопроводов дросселей использовать другие магнитные материалы, например, более дешевое распыленное железо с большей индукцией насыщения, то их относительные размеры и масса могут измениться.

Но в любом случае, использование трансформатора позволяет значительно уменьшить общие объем и массу магнитных материалов, а также потери на перемагничивание (за счет уменьшения общей массы магнитопроводов), что при мощности более 100 Вт позволит ощутимо улучшить массогабаритные показатели преобразователя в целом. А вот для маломощных схем такое решение может привести к обратному результату, ведь индуктивные элементы, особенно с высокой электрической прочностью изоляции, очень сложно сделать малогабаритными, да и увеличение общего количества компонентов потребует использования печатной платы большей площади.

Заключение

Зачем так сложно? Почему, как делают некоторые авторы, не представить звено L1C2 в виде фильтра нижних частот (которым оно также является), предназначенного для сглаживания высокочастотных пульсаций демодулированного (выпрямленного) напряжения, снимаемого с вторичных обмоток трансформатора? Конечно, можно сказать, что фактически величину напряжения преобразует трансформатор, тем более что в преобразователях постоянного напряжения в качестве ключей S3 и S4 используются неуправляемые полупроводниковые диоды, а контроллер управляет только ключами S1 и S2. Это тоже не будет ошибкой, ведь если проинтегрировать выпрямленное напряжение вторичных обмоток трансформатора (что, собственно, и делает фильтр нижних частот L1C2), то при правильной работе контроллера оно всегда будет равно UВЫХ.

Можно использовать и такой подход, однако при этом теряется суть энергетических процессов, происходящих в схеме. На практике это приводит к тому, что некоторые разработчики не до конца понимают роль дросселя на вторичной стороне.

А ведь именно его режим работы определяет напряжения и токи всей силовой части схемы.

Вот только силовая часть такого преобразователя при работе на емкостную нагрузку, скорее всего, выйдет из строя меньше, чем за секунду. Так же плачевно может закончиться переход магнитопровода дросселя в режим насыщения при перегрузке (увеличении мощности) преобразователя.

Поэтому лучше все-таки один раз, но основательно, разобраться в процессах, происходящих в схеме, и самое главное – понять, почему эти схемы приобрели именно такой вид. Только так можно стать настоящим профессионалом в области импульсного преобразования электрической энергии, ведь его возможности на сегодняшний день не только не исчерпаны, но еще и до конца не изучены.

Список источников

Источник: https://simple-devices.ru/articles/10-electr/296-osobennosti-primeneniya-transformatorov-v-impulsnykh-preobrazovatelyakh-elektricheskoj-energii-chast-2

Импульсный стабилизатор напряжения — принцип действия

Линейные стабилизаторы имеют общий недостаток – это малый КПД и высокое выделение тепла. Мощные приборы, создающие нагрузочный ток в широких пределах имеют значительные габариты и вес. Чтобы компенсировать эти недостатки, разработаны и используются импульсные стабилизаторы.

Устройство, поддерживающее в постоянном виде напряжение на потребителе тока с помощью регулировки электронным элементом, действующим в режиме ключа. Импульсный стабилизатор напряжения, так же как и линейный существует последовательного и параллельного вида. Роль ключа в таких моделях исполняют транзисторы.

Так как действующая точка стабилизирующего устройства практически постоянно расположена в области отсечки или насыщения, проходя активную область, то в транзисторе выделяется немного тепла, следовательно, импульсный стабилизатор имеет высокий КПД.

Стабилизация осуществляется с помощью изменения продолжительности импульсов, а также управления их частотой. Вследствие этого различают частотно-импульсное, а другими словами широтное регулирование. Импульсные стабилизаторы функционируют в комбинированном импульсном режиме.

В устройствах стабилизации с регулированием широтно-импульсным частота импульсов имеет постоянную величину, а продолжительность действия импульсов является непостоянным значением. В приборах с регулированием частотно-импульсным продолжительность импульсов не изменяется, меняют только частоту.

На выходе устройства напряжение представлено в виде пульсаций, соответственно оно не годится для питания потребителя. Перед подачей питания на нагрузку потребителя, его нужно выровнять. Для этого на выходе импульсных стабилизаторов монтируют выравнивающие емкостные фильтры. Они бывают многозвенчатыми, Г-образными и другими.

Средняя величина напряжения, поданная на нагрузку, вычисляется по формуле:

• Ти – продолжительность периода.
• tи – продолжительность импульса.
• Rн – значение сопротивления потребителя, Ом.
• I(t) – значение тока, проходящего по нагрузке, ампер.

Ток может перестать протекать по фильтру к началу следующего импульса, в зависимости от индуктивности. В этом случае идет речь о режиме действия с переменным током. Ток также может дальше протекать, тогда имеют ввиду функционирование с постоянным током.

При повышенной чувствительности нагрузки к импульсам питания, выполняют режим постоянного тока, не смотря со значительными потерями в обмотке дросселя и проводах. Если размер импульсов на выходе прибора незначителен, то рекомендуется функционирование при переменном токе.

Принцип работы

В общем виде импульсный стабилизатор включает в себя импульсный преобразователь с устройством регулировки, генератор, выравнивающий фильтр, снижающий импульсы напряжения на выходе, сравнивающее устройство, подающее сигнал разности входного и выходного напряжения.

Схема основных частей стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Напряжение на выходе прибора поступает на сравнивающее устройство с базовым напряжением. В результате получают пропорциональный сигнал. Его подают на генератор, предварительно усилив его.

При регулировании в генераторе разностный аналоговый сигнал модифицируют в пульсации с постоянной частотой и переменной продолжительностью. При регулировании частотно-импульсном продолжительность импульсов имеет постоянное значение. Она меняет частоту импульсов генератора в зависимости от свойств сигнала.

Образованные генератором управляющие импульсы проходят на элементы преобразователя. Транзистор регулировки действует в режиме ключа.

Изменяя частоту или интервал импульсов генератора, есть возможность менять нагрузочное напряжение. Преобразователь модифицирует значение напряжения на выходе в зависимости от свойств управляющих импульсов.

По теории в приборах с частотной и широтной регулировкой импульсы напряжения на потребителе могут отсутствовать.

При релейном принципе действия сигнал, который управляется стабилизатором, образуется с помощью триггера.

сравнивающее устройство определяет сигнал разности, который достигнув некоторого верхнего предела, поменяет состояние триггера, и произойдет коммутация регулирующего транзистора на отсечку.

Напряжение на выходе станет уменьшаться. При падении напряжения до нижнего предела сравнивающее устройство определяет сигнал разности, переключающий снова триггер, и транзистор опять войдет в насыщение.

Разность потенциалов на нагрузке прибора станет повышаться. Следовательно, при релейном виде стабилизации напряжение на выходе повышается, тем самым выравнивается.

Предел срабатывания триггера настраивают с помощью корректировки амплитуды значения напряжения на сравнивающем устройстве.

Стабилизаторы релейного типа имеют повышенную скорость реакции, в отличие от приборов с частотным и широтным регулированием. Это является их преимуществом. В теории при релейном виде стабилизации на выходе прибора всегда будут импульсы. Это является их недостатком.

Повышающий стабилизатор

Импульсные повышающие стабилизаторы применяют вместе с нагрузками, разность потенциалов которых выше, чем напряжение на входе приборов. В стабилизаторе нет гальванической изоляции сети питания и нагрузки. Импортные повышающие стабилизаторы называются boost converter. Основные части такого прибора:

Транзистор вступает в насыщение, и ток проходит по цепи от положительного полюса по накопительному дросселю, транзистору. При этом накапливается энергия в магнитном поле дросселя. Нагрузочный ток может создать только разряд емкости С1.

Отключим выключающее напряжение с транзистора. При этом он вступит в положение отсечки, а следовательно на дросселе появится ЭДС самоиндукции. Оно будет коммутировано последовательно с напряжением входа, и подключено по диоду к потребителю. Ток пойдет по цепи от положительного полюса к дросселю, по диоду и нагрузке.

В этот момент магнитное поле индуктивного дросселя выдает энергию, а емкость С1 резервирует энергию для поддержки напряжения на потребителе после вхождения транзистора в режим насыщения. Дроссель является для резерва энергии и не работает в фильтре питания. При повторной подаче напряжения на транзистор, он откроется, и весь процесс пойдет заново.

Стабилизаторы с триггером Шмитта

Такой вид импульсного устройства имеет свои особенности наименьшим набором компонентов. Основную роль в конструкции играет триггер. В его состав входит компаратор. Основной задачей компаратора является сравнивание величины выходной разности потенциалов с наибольшим допустимым.

Принцип действия аппарата с триггером Шмитта состоит в том, что при увеличении наибольшего напряжения осуществляется коммутация триггера в позицию ноля с размыканием электронного ключа. В одно время разряжается дроссель. Когда напряжение доходит до наименьшего значения, то выполняется коммутация на единицу. Это обеспечивает замыкание ключа и прохождение тока на интергратор.

Такие приборы имеют отличия своей упрощенной схемой, но использовать их можно в особых случаях, так как импульсные стабилизаторы бывают только повышающими и понижающими.

Понижающий стабилизатор

Стабилизаторы импульсного типа, функционирующие с понижением напряжения, являются компактными и мощными приборами питания электрическим током. При этом они имеют низкую чувствительность к наводкам потребителя постоянным напряжением одного значения.

Гальваническая изоляция выхода и входа в понижающих устройствах отсутствует. Импортные приборы получили название chopper. Выходное питание в таких устройствах постоянно находится меньше входного напряжения.

Схема импульсного стабилизатора понижающего типа изображена на рисунке.

Подключим напряжение для управления истоком и затвором транзистора, который войдет в положение насыщения. По нему будет проходить ток по цепи от положительного полюса по выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении ток по диоду не протекает.

Отключим управляющее напряжение, которое выключает ключевой транзистор. После этого он будет находиться в положении отсечки. ЭДС индукции выравнивающего дросселя будет преграждать путь для изменения тока, который пойдет по цепи через нагрузку от дросселя, по общему проводнику, диод, и опять придет на дроссель. Емкость С1 будет разряжаться и будет удерживать напряжение на выходе.

При подаче отпирающей разницы потенциалов между истоком и затвором транзистора, он перейдет в режим насыщения и вся цепочка вновь повторится.

Инвертирующий стабилизатор

Импульсные стабилизаторы инвертирующего типа используют для подключения потребителей с постоянным напряжением, полюсность которого имеет противоположное направление полюсности разности потенциалов на выходе устройства.

Его значение  может быть выше сети питания, и ниже сети, в зависимости от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция сети питания и нагрузки отсутствует. Импортные приборы инвертирующего типа называются buck-boost converter.

На выходе таких приборов напряжение всегда ниже.

Подключим управляющую разность потенциалов, которое откроет транзистор между истоком и затвором. Он откроется, и ток пойдет по цепи от плюса по транзистору, дросселю к минусу. При таком процессе дроссель резервирует энергию с помощью своего магнитного поля.

Отключим разность потенциалов управления от ключа на транзисторе, он закроется. Ток пойдет от дросселя по нагрузке, диоду, и возвратится в первоначальное положение. Резервная энергия на конденсаторе и магнитном поле будет расходоваться для нагрузки. Снова подадим питание на транзистор к истоку и затвору.

Транзистор опять станет насыщаться и процесс повторится.

Преимущества и недостатки

Как и все приборы, модульный импульсный стабилизатор не идеален. Поэтому ему присущи минусы и плюсы. Разберем основные из преимуществ:

• Простое достижение выравнивания.
• Плавное подключение.
• Компактные размеры.
• Устойчивость выходного напряжения.
• Широкий интервал стабилизации.
• Повышенный КПД.

Недостатки прибора:

• Сложная конструкция.
• Много специфических компонентов, снижающих надежность устройства.
• Необходимость в использовании компенсирующих устройств мощности.
• Сложность работ по ремонту.
• Образование большого количества помех частоты.

Допустимая частота

Функционирование импульсного стабилизатора возможно при значительной частоте преобразования. Это является основной отличительной чертой от устройств, имеющих трансформатор сети. Увеличение этого параметра дает возможность получить наименьшие габариты.

Для большинства приборов интервал частот будет равен 20-80 килогерц. Но при выборе ШИМ и ключевых приборов необходимо учесть высокие гармоники токов. Верхняя граница параметра ограничена определенными требованиями, которые предъявляются к радиочастотным приборам.

Простой импульсный стабилизатор напряжения

Источник: https://ostabilizatore.ru/impulsnyj-stabilizator-naprjazhenija.html

Источники питания. Часть 2 — Импульсные преобразователи

Первая часть статьи, посвященная батареям и аккумуляторам.

DC-DC преобразование
Для изменения напряжения постоянного тока с минимальными потерями используются DC-DC преобразователи, работающие по принципу Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ, она же PWM по басурмански). Если не читал мои прошлые статьи, где я подробно разжевал принцип работы ШИМ, то я кратенько тебе напомню. Основной принцип тут в том, что напряжение подается не сплошным потоком, как в линейных стабилизаторах, а краткими импульсами и с большой частотой.

Готовый девайс

То есть у тебя на выходе ШИМ контроллера, например, сначала в течении десяти микросекунд напряжение, к примеру, двенадцать вольт, потом идет пауза. Скажем, те же десять микросекунд, когда на выходе напряжения вообще нет. Затем все повторяется, словно мы быстро-быстро включаем и выключаем рубильник.

Таким образом у нас получаются прямоугольные импульсы. Если вспомнить матан, а конкретно интегрирование, то после интегрирования этих импульсов мы получим площадь под фигурой очерченной импульсами. Таким образом, меняя ширину импульсов и пропуская их через интегратор, можно плавно менять напряжения от нуля до максимума с любым шагом и практически без потерь.

В качестве интегратора служит конденсатор, он заряжается на пике, а на паузах будет отдавать энергию в цепь. Также туда всегда последовательно ставят дроссель, который тоже служит источником энергии, только он запасает и отдает ток.

Поэтому такие преобразователи при небольших габаритах легко питают мощную нагрузку и при этом почти не расходуют энергию на лишний нагрев.

Если не догнал, то я для простоты переложил это в понятное «канализационное русло». Смотри на картинку, где ключевой транзистор ШИМ контроллера похож на вентиль, он открывает и закрывает канал.

Конденсатор это банка, накапливающая энергию. Дроссель это массивная турбина, которая, будучи разогнанной потоком, при открытом вентиле, за счет своей инерции прогоняет воду по трубам и после закрытия вентиля.

Конечно, самостоятельно разработать такой источник питания сложно, требуется неслабое образование в области электроники, но не стоит напрягаться по этому поводу.

Умные дядьки из Motorola, STM, Dallas и прочих Philips’ов придумали все за нас и выпустили уже готовые микросхемы содержащие в себе ШИМ контроллер.

Тебе остается его лишь припаять и добавить обвески, которая задает параметры работы, причем изобретать самому ничего не надо, в datasheet’ах подробно расписано что и как подключать, какие номиналы выбирать, а иногда даже дают готовый рисунок печатной платы. Надо лишь немного знать английский 🙂

Принцип работы импульсного БП

Схема нашего преобразователя

Рисунок печатной платы

А сейчас, в порядке практического задания, под моим чутким руководством, ты построишь себе универсальный зарядник для сотового телефона, который можно будет подключать к любому источнику постоянного или переменного напряжения от 8 до 40 вольт. И неважно, что это будет, хоть бортовая сеть автомобиля, связка батареек или какой-нибудь совершенно левый блок питания от свитча или модема, лишь бы не меньше восьми и не больше сорока вольт.

Анализируем задание
Итак, по техзаданию, у нас на входе напряжение может быть как постоянным, так и переменным. А на входе DC-DC должно быть всегда постоянное. Что делать? Правильно, выпрямлять! Перечитай про выпрямители в первой части статьи и воткни на входе схемы диодный мост.

Можно и без него, но тогда источники переменного тока отпадают как класс, да и тебе придется каждый раз определять полярность питающего источника, а это моветон. Поскольку после моста напряжение все равно будет пульсирующим, то повесь в параллель конденсатор. Он его немного сгладит.

Дальше ШИМ контроллер, я рекомендую широко распространенный и любимый всеми электронщиками МС34063х, где на месте «х» может быть любая буква, обычно «А». Тебе он нужен в DIP-8 корпусе, с длинными выводами который.

Надеюсь, ты уже выучил все популярные типы корпусов и теперь сразу представляешь себе как он выглядит. Дальше открываем с диска даташитину и смотрим схему понижающего преобразователя, зовется она Step-Down. Подключаем ее как есть, не меняя ничего. Общий или земля у нас это традиционно минус, а плюс Vin.

Выходом служит Vout в качестве плюса, а в качестве минуса все тот же общий провод. Вот тут главное не перепутать подключение к мобильнику. Поэтому посмотри тестером полярность подачи напряжения на разъем твоей мобилы.

Точный расчет – главное качество инженера!
Такс, схему мы набросали, осталось только ее сконфигурировать. Это не цифровое устройство, поэтому конфигурация тут задается установкой необходимых номиналов резисторов.

Резистор Rsc я обычно заменяю на перемычку из куска провода. Его величина определяет перегрузочную способность. При перемычке преобразователь выдаст все, на что он способен, но может сгореть если от него потребовать невозможное.

Наличие там резистора на 0.33 ома заставит преобразователь заглохнуть при предельной для него перегрузке, чем выше сопротивление Rsc тем при меньшей нагрузке заглохнет преобразователь.

Иногда полезно, когда тебе надо ограничить максимальный выходной ток со стороны источника.

Дроссель L1 выбирается только исходя из индуктивности и перегрузочного тока. На схеме указан дроссель индуктивностью 220 микроГенри, а ток у него должен быть не меньше 500-600 миллиампер (средний ток зарядки любого современного сотового).

Дроссель можно купить готовый, можно намотать самому. В принципе величина индуктивности может очень сильно варьироваться от 50 до 300 микроГенри, работать будет, но КПД возможно снизится. Главное, чтобы по току проходил, иначе будет сильно греться, а потом и вовсе сгорит.

Диод Шоттки отличается от обычного диода тем, что у него дикое быстродействие. При смене направления напряжения он закрывается в порядке быстрей чем обычный, не допуская даже малейших утечек тока в обратную сторону.

Через него будет замыкаться цепь катушка – конденсатор – нагрузка, когда транзистор в микросхеме закроется.

Теперь надо задать выходное напряжение. Для этого тебе надо взять тестер и померить сколько вольт выдает твой зарядник для сотового. У меня все зарядники выдают примерно по 7 вольт.

Порывшись в даташите нахожу формулу зависимости выходного напряжения от резисторов R1 и R2
Для Step-Down схемы выглядит она так: Vout=1.25(1+R2/R1).

Чтобы получить напряжение в 7 вольт сопротивление R2 должно быть 4.7 кОм, а R1 должен быть равен 1 кОм. Получим 7.

125 вольта, но это не страшно, невелика погрешность и эти излишки все равно упадут где-нибудь на потерях в проводах. Собственно вот и все, вот мы и разработали с тобой универсальный преобразователь для своих девайсов. Теперь осталось только протравить плату и спаять.

Главное НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ СОВАТЬ этот зарядник в РОЗЕТКУ, т.к. там напряжение 220 вольт, а наша схема расчитана на 40 вольт максимум!

Именно два таких преобразователя на 3.3 и на 5 вольт стоят в силовом блоке моего робота.

Кстати, если покопаешься в даташите, то найдешь там и повышающую схему, зовется Step-Up.

Также тебе никто не мешает порыться в инете и найти DC-DC преобразователь, работающий от 1, а то и от 0.5 вольт и сделать на нем повышающий преобразователь.

Полная версия статьи опубликована в журнале «Хакер» за август 2008

Источник: https://easyelectronics.ru/istochniki-pitaniya-chast-2.html

Импульсные и линейные преобразователи

• Для трансформации напряжения из одного уровня в другой применяются импульсные преобразователи постоянного напряжения, в работе которых используются индуктивные накопители. В таких конверторах мощность на выходе регулируются благодаря изменениям временного промежутка воздействия на нагрузку одним из двух способов:
• • частотно-импульсным;
• • широтно-импульсным.

Принцип действия импульсного повышающего преобразователя напряжения состоит в создании такого режима транзистора, во время которого вся цепь подачи мощности в нагрузку будет периодически прерываться.

Таким образом, импульсный преобразователь 24 12 позволяет упорядочить колебания продолжительности выходящих импульсов при их неизменяющемся периоде изменения. Однотактный импульсный преобразователь напряжения может работать в диапазоне мощностей от 0 до 100 Вт. Если же требуется устройство большей мощности, то применяют многотактный импульсный преобразователь напряжения.

Во всех типах импульсных преобразователей dc dc открывание полупроводниковых ключей происходит во время передачи на транзистор специальных импульсов, с последующим запиранием этих транзисторов, в том числе и за счет возникающего напряжения от перезарядки конденсатора. Поэтому коммутирующий блок в таких конверторах отличается от таких же устройств в независимых инверторах.

Как правило, импульсный преобразователь dc dc помогает на нагрузке осуществить контроль за постоянным напряжением во время подключения к электросети постоянного тока за счет регулирования снижения напряжения на открытом полупроводниковом ключе.

В этом случае небольшие показатели тока позволяют установить высокий уровень коэффициента полезного действия (КПД), достигающего 90-95%, импульсного конвертора постоянного напряжения при небольших размерах и весе.

Такие показатели считаются существенными преимуществами, поэтому импульсный преобразователь нашел широкое применение в таких конструкциях, в которых изначально источником тока является контактная сеть, батарейки, аккумуляторы.   

Очень часто возникают ситуации, когда отсутствует источник электропитания, но необходимо запитать бытовые электроприборы, например, от сети автомобиля. В этом случае используют импульсный повышающий преобразователь.

Существует много схематических конструкций, в которых импульсный преобразователь 12 220 работает на повышенной частоте питающего напряжения.

К такому импульсному повышающему преобразователю могут подсоединяться любые бытовые приборы, работающих на частоте 50 Гц, мощность которых не превышает максимальную и имеет защиту от перегрузки в сети по напряжению. Такое решение имеет свои преимущества, среди которых основные:

1. • длительный режим работы даже при максимальной загруженности;
2. • регулирование выходной мощности происходит автоматически;
3. • за счет повышенного КПД достигается высокая надежность и нормальный режим работы устройства.  

Вероятно, это будет любопытно:

Источник: https://www.zapitatel.ru/uniform/impulsnyy-preobrazovatel-napryazheniya/