Большинству электронных систем требуется какое-то преобразование между напряжением питания и напряжением подаваемой цепи. Когда аккумулятор разряжается, напряжение падает. Некоторые преобразования постоянного тока в постоянный могут гарантировать, что для питания схемы будет использоваться больше энергии, накопленной в батарее. Кроме того, если мы используем линии переменного тока 110 В, мы не сможем напрямую подавать питание на полупроводники, такие как микроконтроллеры. Поскольку почти в каждой электронной системе используются преобразователи напряжения (также известные как источники питания), на протяжении многих лет они оптимизировались для различных целей. Конечно, целями оптимизации обычно являются размер решения, эффективность преобразования, EMI и стоимость.

Простой источник питания: LDO

Одной из простых форм источника питания является стабилизатор с малым падением напряжения (LDO). LDO — это линейный регулятор, а не импульсный регулятор. В линейном регуляторе между входным и выходным напряжением размещается регулируемый резистор, а это означает, что независимо от того, как изменяется входное напряжение, какой ток нагрузки проходит через оборудование, выходное напряжение фиксировано. На рис. 1 показан основной принцип работы этого простого преобразователя напряжения.

Рисунок 1. Линейный стабилизатор напряжения преобразует одно напряжение в другое.

В течение многих лет типичный преобразователь мощности состоит из трансформатора частотой 50 или 60 Гц, который подключается к электросети и генерирует нестабильное выходное напряжение с определенным коэффициентом намотки, которое на несколько вольт превышает необходимое напряжение источника питания в система. Затем линейный регулятор используется для преобразования этого напряжения в стабильное регулируемое напряжение, необходимое для электронных продуктов. На рисунке 2 показана блок-схема этой концепции.

2. Сетевой трансформатор, за которым следует линейный стабилизатор напряжения.

Проблема с базовой установкой, показанной на рисунке 2, заключается в том, что трансформатор 50/60 Гц относительно громоздкий и дорогой. Кроме того, линейный регулятор также выделяет много тепла, поэтому общий КПД системы низкий, а выделяемое тепло трудно устранить из-за большой мощности системы.

Чтобы избежать недостатков источника питания, показанного на рис. 2 был изобретен импульсный источник питания. Они не зависят от переменного напряжения частотой 50 или 60 Гц, но используют напряжение постоянного тока, иногда выпрямляют переменное напряжение, генерируют переменное напряжение более высокой частоты для использования трансформатора меньшего размера или используют LC-фильтр для выпрямления напряжения для генерации выходного напряжения постоянного тока в неизолированной системе. . Преимущество заключается в том, что решение имеет небольшой размер и относительно низкую стоимость. Генерируемое переменное напряжение не обязательно должно иметь синусоидальную форму. Простая форма сигнала ШИМ может работать хорошо и может быть легко сгенерирована с помощью генератора ШИМ и переключателя.

До 2000 года в переключателях обычно использовались биполярные транзисторы. Они имеют хорошую производительность, но скорость переключения относительно низкая. КПД невысокий, а частота переключения ограничена 50 кГц или 100 кГц. В настоящее время мы используем переключающий МОП-транзистор вместо биполярного транзистора, и скорость переключения намного выше. С другой стороны, потери на переключение ниже, а частота переключения достигает 5 МГц. Такая высокая частота переключения позволяет силовому каскаду использовать очень малую индуктивность и емкость.

Импульсные регуляторы имеют много преимуществ. Обычно они обеспечивают высокоэффективное преобразование напряжения, позволяют повышать и понижать напряжение, а также обеспечивают относительно компактную и недорогую конструкцию. Недостаток заключается в том, что процесс проектирования и оптимизации сложен, а преобразование переключения и частота переключения также вызывают электромагнитные помехи. Импульсный стабилизатор питания и LTpowerCAD® и LTspice® Наличие инструментов проектирования источников питания значительно упростило этот сложный процесс проектирования. С помощью этих инструментов процесс проектирования схемы импульсного источника питания можно сделать полуавтоматическим.

Изоляция в источнике питания

При проектировании источника питания первый вопрос, на который необходимо ответить, — требуется ли электрическая изоляция. Электрическая изоляция используется по ряду причин. Это может повысить безопасность цепи, обеспечить работу плавающей системы и предотвратить распространение шумового тока заземления через различные электронные устройства в цепи. Двумя распространенными топологиями изоляции являются обратноходовой преобразователь и прямой преобразователь. Однако для более высокой мощности используются другие топологии изоляции, такие как двухтактная, полумостовая и полномостовая.

Если электрическая изоляция не требуется, в большинстве случаев будет использоваться неизолированная топология. Топология всегда требует трансформатора, а такое оборудование часто бывает дорогим и громоздким, а готовое оборудование, отвечающее точным требованиям индивидуального источника питания, обычно трудно достать.

Наиболее распространенные топологии, когда изоляция не требуется

Распространенной топологией неизолированного импульсного источника питания является понижающий преобразователь, также известный как понижающий преобразователь, который получает положительное входное напряжение и генерирует выходное напряжение ниже входного напряжения. Это одна из трех основных топологий импульсного источника питания, для которой требуется всего два переключателя, одна катушка индуктивности и два конденсатора. На рисунке 3 показан основной принцип этой топологии. Высококачественный переключатель посылает импульсный ток с входной клеммы и генерирует напряжение режима переключения, которое чередуется между входным напряжением и напряжением земли. LC-фильтр получает импульсное напряжение в узле переключателя и генерирует выходное напряжение постоянного тока. В зависимости от коэффициента заполнения сигнала ШИМ высококлассного переключателя генерируются различные уровни выходного напряжения постоянного тока. Этот понижающий преобразователь постоянного тока имеет высокий КПД, относительно прост в сборке и требует мало компонентов.

Рисунок 3. Концепция простого понижающего преобразователя.

Понижающий преобразователь излучает импульсный ток на входе, а на выходе — непрерывный ток от дросселя. Именно поэтому шум понижающего преобразователя очень громкий на входе, но не такой громкий на выходе. Это важно знать при проектировании малошумной системы.

Помимо понижающей топологии, второй базовой топологией является повышающая топология. В повышающей топологии используются те же пять основных силовых элементов, что и в понижающей топологии, но после перестановки дроссель размещается на входе, а переключатель высокого плеча — на выходе. Топология повышения используется для повышения входного напряжения до выходного напряжения, превышающего входное напряжение.

Рисунок 4. Концепция простого повышающего преобразователя.

При выборе повышающего преобразователя важно учитывать, что в паспорте повышающего преобразователя всегда указывается максимальный номинальный ток переключения, а не максимальный выходной ток. В понижающем преобразователе максимальный ток переключения напрямую связан с максимально достижимым выходным током и не имеет ничего общего с соотношением напряжений между входным и выходным напряжением. В повышающем стабилизаторе коэффициент напряжения напрямую влияет на возможный максимальный выходной ток, основанный на фиксированном максимальном токе переключения. При выборе подходящей микросхемы повышающего стабилизатора вы должны знать не только требуемый выходной ток, но также входные и выходные напряжения, предусмотренные при разработке.

Шум повышающего преобразователя на входе очень низкий, поскольку индуктивность, соответствующая входному соединению, может предотвратить быстрое изменение тока. Однако на выходе шум этой топологии очень велик. Мы видим только импульсный ток, протекающий через внешний переключатель, поэтому уделяем больше внимания выходным пульсациям, чем понижающей топологии.

Третья базовая топология — инвертирующий повышающе-понижающий преобразователь, который состоит всего из пяти основных компонентов. Этот преобразователь принимает положительное входное напряжение и преобразует его в отрицательное выходное напряжение, отсюда и его название. Кроме того, входное напряжение может быть выше или ниже абсолютного значения инвертированного выходного напряжения. Например, выходное напряжение –-12 В может генерироваться из входного напряжения 5 В или 24 В. Это может произойти без какой-либо специальной модификации схемы. На рисунке 5 показана принципиальная схема инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя.

Рисунок 5. Концепция простого инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя.

В инвертированной повышающе-понижающей топологии дроссель заземляется от коммутационного узла. На входе и выходе преобразователя присутствуют импульсные токи, поэтому шум на входе и выходе данной топологии высок. В приложениях с низким уровнем шума эта характеристика компенсируется добавлением дополнительной входной и выходной фильтрации.

Преимущественным аспектом инвертированной повышающе-понижающей топологии является то, что в этом преобразователе можно использовать любую микросхему переключающего понижающего стабилизатора. Пока выходное напряжение понижающей цепи подключено к заземлению системы. Заземление понижающей цепи IC станет настроенным отрицательным напряжением. Эта особенность делает выбор ИС импульсного регулятора на рынке широким.

Специальная топология

Помимо трех основных неизолированных топологий импульсных источников питания, обсуждавшихся ранее, существует множество доступных топологий. Однако все они требуют дополнительных силовых компонентов. Обычно это увеличивает стоимость и снижает эффективность преобразования энергии. Хотя есть некоторые исключения, добавление дополнительных компонентов в цепь питания обычно увеличивает потери. Некоторые распространенные топологии включают SEPIC, Zeta, UK и повышающе-понижающую топологию с 4 переключателями. Все они имеют функции, которых нет в трех основных топологиях. Ниже приведен список важных особенностей каждой топологии:

01

SEPIC: SEPIC может генерировать положительное выходное напряжение из положительного входного напряжения, которое выше или ниже выходного напряжения. Микросхему повышающего регулятора можно использовать для проектирования источника питания SEPIC. Недостатком этой топологии является то, что для нее требуется второй дроссель или соединительный дроссель и конденсатор SEPIC.

02

Zeta: Этот преобразователь Zeta похож на SEPIC, но может генерировать положительное или отрицательное выходное напряжение. Более того, он не имеет нулевой точки в правой полуплоскости (RHPZ), что упрощает контур регулирования. В этой топологии можно использовать микросхему понижающего преобразователя.

03

Великобритания: преобразователь для Великобритании может преобразовывать положительное входное напряжение в отрицательное выходное напряжение. В нем используются две катушки индуктивности: одна на входе и одна на выходе, поэтому шум на входе и выходе очень низкий. Недостаток заключается в том, что существует не так много микросхем преобразования мощности в импульсном режиме, которые поддерживают эту топологию, поскольку контур регулирования нуждается в выводах отрицательной обратной связи по напряжению.

04

 4. Понижающе-повышающее переключение: этот тип преобразователя стал очень популярным в последние годы. Он обеспечивает положительное выходное напряжение из положительного входного напряжения. Входное напряжение может быть выше или ниже регулируемого выходного напряжения. Этот преобразователь имеет более высокую эффективность преобразования мощности и требует только одного индуктора, поэтому он заменяет многие конструкции SEPIC.Общая топология изоляции

В дополнение к неизолированной топологии для некоторых приложений требуются электрически изолированные преобразователи мощности. Причина может заключаться в том, что по соображениям безопасности плавающее заземление необходимо в больших системах с различными цепями, подключенными друг к другу, или необходимо предотвратить заземляющую токовую петлю в чувствительных к шуму приложениях. Распространенными топологиями изолированных преобразователей являются обратноходовой преобразователь и прямой преобразователь.

Обратноходовые преобразователи обычно используются для уровней мощности до 60 Вт. Режим работы схемы заключается в том, что электрическая энергия сохраняется в трансформаторе в течение времени проводимости. При отключении электрическая энергия передается на вторичную обмотку преобразователя для подачи мощности на выход. Этот преобразователь легко построить, но для хранения всей электрической энергии, необходимой для нормальной работы, требуется относительно большой трансформатор. С одной стороны, эта топология ограничена более низким уровнем мощности. На рис. 6 показан обратный преобразователь вверху и прямой преобразователь внизу.

6. Обратный преобразователь (вверху) и прямой преобразователь (внизу).

Помимо обратноходового преобразователя, очень популярен также прямой преобразователь. Он использует трансформатор иначе, чем обратный преобразователь. Во время проводимости, хотя ток течет через первичную обмотку, ток также течет и через вторичную обмотку. Электрическая энергия не должна накапливаться в обмотке трансформатора. После каждого цикла переключения мы должны следить за тем, чтобы вся намагниченность катушки сбрасывалась до нуля, чтобы трансформатор не насыщался после нескольких циклов переключения. Для высвобождения электрической энергии из катушки можно использовать несколько различных технологий. Распространенным способом является использование активного зажима с небольшими дополнительными переключателями и конденсаторами.

На рис. 7 показана принципиальная схема среды моделирования LTspice с прямой схемой активного ограничения с использованием ADP1074. В прямоходовом преобразователе на выходном тракте имеется дополнительная индуктивность, которой нет в обратноходовом преобразователе, как показано на рисунке 6. Хотя этот дополнительный компонент требует соответствующего размера и стоимости, он помогает обеспечить более низкий уровень шума на выходе по сравнению с обратноходовым преобразователем. Кроме того, при том же уровне мощности, что и обратноходовой преобразователь, размер трансформатора, необходимый для прямого преобразователя, может быть намного меньше.

Рисунок 7. Схема прямого ограничения с активным ограничением, использующая ADP1074 для генерации изолированного выходного напряжения, как показано в моделировании в LTspice.

Расширенная топология изоляции

Помимо обратноходовой и прямой топологий, существует множество концепций преобразователей с гальванической развязкой на основе различных трансформаторов. В следующем списке приведены некоторые основные объяснения распространенных преобразователей:

• Двухтактная топология: двухтактная топология аналогична топологии прямого преобразователя. Однако для этой топологии требуется два активных переключателя нижнего плеча вместо одного переключателя нижнего плеча. Также необходим первичный трансформатор с центральным отводом. По сравнению с прямым преобразователем, двухтактный преобразователь имеет преимущества более низкого уровня шума и меньшего размера трансформатора. Гистерезис кривой BH трансформатора используется в двух квадрантах вместо одного.
  

• Полумост/полный мост: эти две топологии обычно используются для конструкций с более высокой мощностью, начиная от нескольких сотен ватт и заканчивая несколькими киловаттами. Помимо переключателей нижнего плеча им также нужны переключатели верхнего плеча, но они могут обеспечить передачу высокой мощности через относительно небольшие трансформаторы.
  

• ЗВС: Этот термин обычно упоминается при обсуждении мощных изолированных преобразователей. Это означает переключение при нулевом напряжении. Другой термин для этого типа преобразователя — преобразователь LLC (Индуктивность-Индуктивность-Емкость). Целью этих архитектур является достижение эффективного преобразования. Они будут создавать резонансные цепи и переключать выключатель питания, когда напряжение или ток на переключателе приближаются к нулю. Таким образом, потери на переключение сводятся к минимуму. Однако такую ​​конструкцию сложно реализовать, а частота переключения не фиксирована, что иногда вызывает проблемы с электромагнитными помехами.

  
  

Преобразователь переключаемого конденсатора

Помимо линейных стабилизаторов и импульсных источников питания, существует третья группа преобразователей мощности: преобразователи с переключаемыми конденсаторами. Также известен как зарядный насос. Они используют переключатели и конденсаторы для умножения или инвертирования напряжения. Большим преимуществом является то, что для этого не требуется никакой индуктивности. Этот тип преобразователя обычно используется для низких уровней мощности ниже 5 Вт. Однако недавний значительный прогресс позволяет создавать более мощные преобразователи с переключаемыми конденсаторами. На рис. 8 показан LTC7820 с эффективностью 98.5 % и мощностью 120 Вт, который преобразует 48 В в 24 В.

Рисунок 8. Контроллер постоянного тока зарядового насоса высокой мощности LTC7820 с фиксированным соотношением.

Цифровой блок питания

Все источники питания, обсуждаемые в этой статье, могут быть реализованы как аналоговые или цифровые источники питания. Что такое цифровой источник питания? Источник питания всегда должен проходить через аналоговые уровни мощности переключателей, катушек индуктивности, трансформаторов и конденсаторов. Цифровые аспекты представлены двумя цифровыми составными блоками:

• Первый — цифровой интерфейс, посредством которого электронная система может взаимодействовать с источником питания. Различные параметры могут быть установлены мгновенно, чтобы оптимизировать источник питания для различных условий работы. Кроме того, источник питания может также взаимодействовать с главным процессором и вызывать предупреждение или знак неисправности. Например, система может легко отслеживать ток нагрузки, превышение заданного порога или слишком высокую температуру аккумулятора.
  

• Второй модуль цифрового здания использует цифровой контур вместо аналогового контура регулирования. Это работает хорошо, но для большинства приложений лучше всего использовать стандартную аналоговую петлю обратной связи, которая оказывает определенное цифровое влияние на некоторые параметры, например, немедленную регулировку усиления усилителя ошибки или динамическую настройку параметров компенсации петли для реализации стабильного, но быстрого Обратная связь.

Примером устройства с чисто цифровым контуром управления является ADP1046A компании ADI. Примером понижающего стабилизатора с цифровым интерфейсом, оптимизированным под цифровое воздействие и с аналоговым контуром управления, является LTC3883.

Соображения EMI

Электромагнитные помехи (ЭМП) всегда были проблемой, на которую следует обращать внимание при проектировании импульсного источника питания. Причина в том, что импульсный источник питания переключает большой ток за короткое время. Чем выше скорость переключения, тем выше общая эффективность системы. Более высокая скорость переключения может сократить время частичного включения выключателя. В течение этой части времени включения происходит большая часть потерь при переключении. На рисунке 9 показана форма сигнала импульсного источника питания в коммутационном узле. Возьмем, к примеру, понижающий регулятор. Высокое напряжение определяется током через переключатель верхнего плеча, а низкое напряжение определяется отсутствием тока через переключатель верхнего плеча.

Рисунок 9. Скорость переключения и частота переключения импульсного источника питания.

Как видно на рис. 9, шум, создаваемый импульсным источником питания, возникает не только из-за настроенной частоты переключения, но также из-за скорости переключения, которая намного выше частоты. Хотя частота переключения обычно находится в диапазоне от 500 кГц до 3 МГц, время переключения может составлять несколько наносекунд. За время переключения 1 нс соответствующая частота в спектре составит 1 ГГц. По крайней мере, эти две частоты будут рассматриваться как электромагнитное излучение помех и кондуктивное излучение. Колебания регулирующего контура или взаимодействие между источником питания и фильтром также могут приносить другие частоты.

Есть две причины сократить EMI. Первая причина – защита функционирования электронной системы, питаемой от определенного источника питания. Например, 16-разрядный АЦП, используемый в тракте системного сигнала, не должен улавливать шум переключения источника питания; Вторая причина заключается в соблюдении некоторых правил EMI, сформулированных правительствами всего мира для одновременной защиты надежных функций различных электронных систем.

Существует две формы электромагнитных помех: излучаемые электромагнитные помехи и кондуктивные электромагнитные помехи. Эффективный способ уменьшить излучаемые электромагнитные помехи — оптимизировать компоновку печатной платы и использовать такие технологии, как Silent Switcher® от ADI. Такая технология. Конечно, также эффективно поместить схему в экранированный металлический ящик. Однако это может оказаться непрактичным и в большинстве случаев дорогостоящим.

Кондуктивные электромагнитные помехи обычно подавляются дополнительной фильтрацией. Далее будет обсуждаться дополнительная фильтрация для уменьшения кондуктивного излучения.

фильтровать волны

RC-фильтр представляет собой базовый фильтр нижних частот. Однако в конструкции блока питания каждый фильтр представляет собой LC-фильтр. Как правило, достаточно добавить несколько индукторов последовательно, поскольку они образуют LC или CLC фильтр вместе с входной или выходной емкостью импульсного источника питания. Иногда в качестве фильтров используются только конденсаторы, но, учитывая паразитную индуктивность линий электропередачи или дорожек, мы объединяем конденсаторы, образуя LC-фильтр. Индуктор l может быть катушкой или ферритовым шариком. Целью LC-фильтра на самом деле является эффект нижних частот, который позволяет проходить постоянному току и в значительной степени ослабляет высокочастотные помехи. LC-фильтр имеет двойной полюс, поэтому он может обеспечить затухание высоких частот до 40 дБ/октава. Фильтр позволяет добиться относительно резкого падения частоты. Проектировать фильтры непросто; Однако, поскольку паразитные компоненты схемы (такие как следовая индуктивность) будут создавать эффекты, при моделировании фильтра также необходимо моделировать основные паразитные эффекты. Это делает аналоговый фильтр довольно трудоемким. Многие проектировщики, имеющие опыт проектирования фильтров, знают, какие фильтры работают хорошо, и могут итеративно оптимизировать фильтр для получения новой конструкции.

При проектировании всех фильтров необходимо учитывать не только поведение малого сигнала, такое как передаточная функция фильтра на диаграмме Портера, но и влияние большого сигнала. В любом LC-фильтре питание будет проходить через дроссель. Если на выходе больше не требуется питание, запасенную в дросселе электрическую энергию необходимо куда-то высвободить из-за внезапного переходного процесса нагрузки. Он зарядит конденсатор фильтра. Если фильтр не рассчитан на этот худший случай, накопленная электрическая энергия может вызвать перенапряжение, что может привести к повреждению цепи.

Наконец, фильтр имеет определенный импеданс. Это сопротивление взаимодействует с сопротивлением преобразователя мощности, подключенного к фильтру. Это взаимодействие может привести к нестабильности и колебаниям. Инструменты моделирования аналоговых устройств, такие как LTspice и LTpowerCAD, помогают ответить на все эти вопросы и разработать отличные фильтры. На рисунке 10 показан графический интерфейс пользователя проектировщиков фильтров в среде проектирования LTpowerCAD. Использовать этот инструмент для разработки фильтров очень просто.

Рисунок 10. Проектирование входного фильтра понижающего стабилизатора с использованием LTpowerCAD.

Бесшумные переключатели

Электромагнитные помехи трудно остановить. Требуется специальный щиток из определенного металлического материала. Цена этого очень высока. В течение долгого времени инженеры искали способы уменьшить помехи от электромагнитного излучения, вызванные импульсным источником питания. Несколько лет назад технология Silent Switcher совершила крупный прорыв. За счет уменьшения паразитной индуктивности в тепловой цепи импульсного источника питания и разделения тепловой цепи на две цепи, расположенные высокосимметрично, помехи электромагнитного излучения в основном нейтрализуют друг друга. Сегодня многие устройства Silent Switcher обеспечивают гораздо меньшие помехи электромагнитного излучения, чем традиционные продукты. Уменьшение помех электромагнитного излучения может улучшить скорость переключения без серьезных электромагнитных помех. Увеличение скорости переключения может уменьшить потери при переключении, тем самым увеличивая частоту переключения. Примером этой инновации является LTC3310S, который имеет частоту переключения 5 МГц и использует недорогие внешние компоненты для достижения очень компактной конструкции.

Управление питанием необходимо, но оно также может доставлять удовольствие.

В этой статье мы обсуждаем многие аспекты проектирования источников питания, включая различные топологии источников питания, их преимущества и недостатки. Эта информация очень проста для энергетиков, но экспертам и непрофессионалам полезно использовать в процессе проектирования такие программные инструменты, как LTpowerCAD и LTspice. С помощью этих инструментов преобразователь мощности можно спроектировать и оптимизировать за короткое время.

Отказ от ответственности: Эта статья воспроизведена из «Power R&D Alliance». Эта статья отражает только личную точку зрения автора и не отражает точку зрения Sacco Micro и отрасли. Он предназначен только для перепечатки и распространения в целях защиты прав интеллектуальной собственности. При перепечатке просьба указывать первоисточник и автора. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить их.

Тел. компании: +86-0755-83044319
Факс/факс:+86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли
QQ: 332496225 Менеджер Цю
Адрес: комната 809, блок C, здание Zhantao Technology Building, проспект Минчжи № 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.