Введение в 6 распространенных схем проектирования источников питания

В этой статье вы познакомитесь с 6 распространенными схемами проектирования блоков питания.

Быстрое развитие электронных информационных технологий ускорило прогресс в области технологий электроснабжения, предоставив инженерам и техническим специалистам по энергетике беспрецедентные возможности и задачи, начиная от бытовой техники и заканчивая крупногабаритными приборами и оборудованием, используемыми в энергетике. Электроснабжение для выдачи энергии, что требует привлечения значительного числа инженеров с опытом работы в электроснабжении для завершения проектирования и разработки.

Для дипломированного инженера-энергетика получение опыта работы имеет решающее значение, но вам также следует работать над совершенствованием своих теоретических знаний. Возможно, вы сможете использовать некоторые регулярно используемые силовые цепи, если сохраните их.

Блоки обратноходового питания с ферритовыми усилителями. При использовании обратноходового источника питания с двумя выходами, который обеспечивает реальную мощность на обоих выходах (5 В, 2 А и 12 В, 3 А, оба регулируются с точностью до 5%), когда напряжение превышает 12 В, он переходит в состояние нулевой нагрузки и отключается. больше не может регулироваться в пределах 5%. Хотя линейные регуляторы являются возможным вариантом, они все же не идеальны, поскольку являются дорогостоящими и неэффективными.

Даже в топологии обратного хода мы рекомендуем использовать магнитный усилитель на выходе 12 В. В целях экономии рекомендуется использовать ферритовый магнитный усилитель . Схема управления ферритовым магнитным усилителем . с другой стороны, отличается от традиционного прямоугольного материала петли гистерезиса (материала с высокой проницаемостью). Чтобы поддерживать мощность на выходе, схема управления феррита (D1 и Q1) потребляет ток. Эта схема прошла обширные испытания. Обмотки трансформатора рассчитаны на выходное напряжение 5 и 13 вольт. Даже при входной мощности менее 1 Вт (5 В, 300 мВт и 12 В при нулевой нагрузке) схема может обеспечить регулирование выходного напряжения 12 В с 5%-ным регулированием.

Фигура. 1

Защита от перегрузки по току Использование преимуществ существующих цепей переполнения Рассмотрите вариант обратноходового источника питания с выходами 5 В, 2 А и 12 В, 3 А. Когда на выходе 12 В отсутствует нагрузка или нагрузка очень мала, одной из важных характеристик этого источника питания является обеспечение защиты от перегрузки (OPP) для выхода 5 В. На обоих выходах требуется контроль напряжения 5%.

Использование чувствительного резистора в стандартном подходе ухудшает характеристики перекрестного регулирования, а предохранитель стоит недешево. Для защиты от перенапряжения теперь существуют схемы гашения дуги (OVP). Схема может одновременно соответствовать критериям OPP и регулирования напряжения, и эту функцию можно выполнить с помощью схемы частичного гашения дуги.

R1 и VR1 обеспечивают активную эквивалентную нагрузку на выходе 12 В, как показано на рисунке 2, что позволяет регулировать напряжение 12 В, даже если выход 12 В слабо нагружен. Напряжение на выходе 5 В будет снижаться, когда выход 5 В находится в состоянии перегрузки. Имитационная нагрузка будет потреблять значительный ток. Падение напряжения на резисторе R1 можно использовать для обнаружения такого большого тока. Q1 включается и запускает цепь OPP.

Фигура. 2

Обратноходовой преобразователь является наиболее распространенной топологией в активных шунтирующих стабилизаторах и оборудовании импульсных источников питания от переменного напряжения постоянного тока до низкого напряжения в линии нагрузки. Одной из ключевых причин этого является уникальная экономическая эффективность подачи большого количества выходных напряжений просто за счет добавления дополнительных обмоток во вторичную обмотку трансформатора.

Обратная связь обычно обеспечивается выходом с самыми строгими требованиями к допускам выходного сигнала. Затем этот выходной сигнал определяет количество витков на вольт для всех остальных вторичных обмоток. Требуемая перекрестная регулировка выходного напряжения не всегда достигается на выходах из-за эффектов индуктивности рассеяния, особенно если данный выход не нагружен или нагружен очень слабо, в то время как другие выходы загружены полностью.

В таких обстоятельствах для предотвращения роста выходного напряжения можно использовать пострегулятор или эквивалентную нагрузку. Однако из-за своей более высокой стоимости и снижения эффективности пострегуляторы или фиктивные нагрузки уже не так привлекательны, как раньше, особенно в последние годы с точки зрения энергопотребления на холостом ходу и/или в режиме ожидания в ряде потребительских приложений. Поскольку ограничения становятся более строгими, дизайн начинает терять популярность. На рисунке 3 показан активный шунтирующий регулятор, который не только решает проблему регулирования, но также снижает затраты и повышает эффективность.

Фигура. 3 Активный шунтирующий стабилизатор для обратноходового преобразователя с несколькими выходами

Схема работает следующим образом: Резисторные делители R14 и R13, транзистор смещения Q5, который удерживает Q4 и Q1 выключенными, когда оба выхода регулируются. В этих рабочих условиях ток, протекающий через Q5, действует как умеренная эквивалентная нагрузка на выходе 5 В.

Разница между выходами 5 В и 3,3 В обычно составляет 1,7 В. Когда нагрузке требуется больший ток от выхода 3,3 В, а ток нагрузки от выхода 5 В не увеличивается на ту же величину, выходное напряжение выхода 5 В возрастает по сравнению с напряжением выхода 3,3 В. Q5 будет смещен, поскольку разница напряжений превышает 100 мВ, включив Q4 и Q1 и позволяя току течь от выхода 5 В к выходу 3,3 В. В результате этого тока напряжение на выходе 5 В уменьшится, что уменьшит разницу напряжений между двумя выходами.

Разница в напряжении между двумя выходами определяет величину тока в Q1. В результате даже в наихудшем сценарии полной нагрузки на выходе 3,3 В и отсутствии нагрузки на выходе 5 В схема сохраняет оба выхода в стабилизированном состоянии. Поскольку колебания температуры VBE в каждом транзисторе могут компенсировать друг друга, Q5 и Q4 в конструкции обеспечивают температурную компенсацию. Диоды D8 и D9 являются дополнительными, хотя их можно использовать для уменьшения рассеиваемой мощности в Q1 и устранения необходимости в радиаторе.

В условиях полной и небольшой нагрузки схема в основном неэффективна, поскольку она просто реагирует на относительную разницу между двумя напряжениями. Активное рассеяние этой схемы может быть снижено на 66 процентов по сравнению с заземленным шунтирующим стабилизатором, поскольку шунтирующий стабилизатор подключается от выхода 5 В к выходу 3,3 В. В результате эффективность высока при полной нагрузке, а энергопотребление низкое как при легкой нагрузке, так и при отсутствии нагрузки.

Импульсные источники питания с высоковольтным входом StackFET представляют собой тип транзистора, который можно использовать в различных приложениях. Вспомогательный силовой каскад, который может подавать постоянный ток низкого напряжения в аналоговые и цифровые схемы, часто требуется в промышленном оборудовании, работающем от трех -фаза переменного тока. Промышленные приводы, системы ИБП и счетчики энергии являются примерами такого использования.

Требования к такому источнику питания гораздо более жесткие, чем к обычным коммутаторам, купленным в продаже. В этих приложениях не только входное напряжение выше, но и оборудование, созданное для трехфазных приложений в промышленных условиях, должно быть способным выдерживать широкий диапазон изменений, таких как длительные провалы напряжения, скачки напряжения и потеря одного или нескольких фазы иногда. Кроме того, диапазон входного напряжения таких вспомогательных источников питания может составлять от 57 до 580 В переменного тока.

Из-за высокой стоимости высоковольтных МОП-транзисторов и ограничений динамического диапазона стандартных контуров управления ШИМ разработка такого широкодиапазонного импульсного источника питания может оказаться затруднительной. Технология StackFET позволяет использовать недорогие низковольтные МОП-транзисторы с номиналом 600 В со встроенным контроллером питания Power Integrations для создания простых и недорогих импульсных источников питания, которые могут работать в широком диапазоне входного напряжения.

Фигура. 4-х трехфазный импульсный источник питания мощностью 3 Вт с использованием технологии StackFET

Схема работает следующим образом: входной ток схемы может происходить из трехфазной трехпроводной или четырехпроводной системы, а также из однофазной системы. Диоды D1-D8 составляют трехфазный выпрямитель. Пусковой ток ограничивается резисторами R1-R4.

Резисторы R13 и R15 используются для балансировки напряжения на конденсаторах входного фильтра.

Исток Q1 будет переведен в низкий уровень, когда полевой МОП-транзистор внутри встроенного переключателя (U1) включится, R6, R7 и R8 подадут ток затвора, а емкость перехода VR1-VR3 включит Q1. Напряжение затвор-исток, подаваемое на Q1, ограничивается стабилитроном VR4 . Когда полевой МОП-транзистор в U1 выключен, цепь ограничения 450 В, состоящая из VR1, VR2 и VR3, фиксирует максимальное напряжение стока U1. В результате напряжение стока U1 будет ограничено примерно 450 В.

Q1 получает любое дополнительное напряжение на конце подключенной к нему катушки. В этой конфигурации общее выпрямленное входное напряжение постоянного тока и обратное напряжение эффективно распределяются между Q1 и U1.

Цепь зажимов VR5, D9 и R10 используется для ограничения пикового напряжения на первичной обмотке из-за индуктивности рассеяния во время обратного хода, а резистор R9 используется для управления высокочастотными колебаниями во время переключения.

D1 отвечает за исправление выходного сигнала. Выходной фильтр — C2. Чтобы уменьшить пульсации переключения на выходе, L2 и C3 образуют вторичный фильтр.

VR6 включится, когда выходное напряжение превысит общее падение напряжения на диоде оптрона и VR6. Изменения выходного напряжения влияют на ток, протекающий через диод оптопары U2, что изменяет ток, протекающий через транзистор U2B. Следующий цикл останавливается, когда этот ток превышает пороговый ток вывода FB U1. Контроль количества циклов активации и блокировки может помочь регулировать выходную мощность. Когда цикл переключения начинается, ток достигает внутреннего ограничения тока U1, и цикл завершается. R11 используется для управления коэффициентом усиления контура обратной связи и ограничения тока через оптопару во время переходных нагрузок. Стабилитрон VR6 смещен резистором R12.

Схема защищена от потери сигнала обратной связи, короткого замыкания на выходе и перегрузки микросхемой U1 (LNK 304), имеющей встроенные функциональные возможности. Нет необходимости добавлять к трансформатору дополнительную обмотку смещения, поскольку U1 питается непосредственно от контакта DRAIN. C4 используется для отключения внутреннего источника питания.

Схему фильтра электромагнитных помех в преобразователе переменного/постоянного тока можно упростить и снизить ее стоимость за счет использования правильных выпрямительных диодов. Используя эту схему, схему фильтра электромагнитных помех преобразователя переменного/постоянного тока можно упростить и снизить ее стоимость.

Для обеспечения совместимости источника питания переменного/постоянного тока с электромагнитными помехами требуется огромное количество компонентов фильтра электромагнитных помех, таких как конденсаторы X и Y. Мостовой выпрямитель включен во все стандартные входные цепи источников переменного/постоянного тока для выпрямления входного напряжения (обычно 50–60 Гц). Можно использовать стандартные диоды, такие как диоды серии 1N400X , поскольку это низкочастотное входное переменное напряжение, и они также самые дешевые.

Чтобы соответствовать установленным ограничениям по электромагнитным помехам, эти фильтрующие устройства используются для минимизации электромагнитных помех, создаваемых источниками питания. Однако, поскольку испытания на электромагнитные помехи начинаются с частоты 150 кГц, а частота сетевого напряжения переменного тока составляет всего 50 или 60 Гц, время обратного восстановления обычных диодов, используемых в мостовых выпрямителях (см. Рисунок 1), велико и не часто связано с генерацией электромагнитных помех.

Схемы входных фильтров, используемые для размещения конденсаторов на линии с мостовым выпрямителем для подавления любых высокочастотных сигналов, возникающих в результате выпрямления низкочастотного входного сигнала.

Если в мостовом выпрямителе используются диоды быстрого восстановления , эти конденсаторы не требуются. Они быстро восстанавливаются, когда напряжение между этими диодами начинает меняться на противоположное (см. рисунок 2). Уменьшая последующие высокочастотные скачки при выключении и электромагнитные помехи, это минимизирует возбуждение паразитной индуктивности во входной линии переменного тока. Поскольку за полупериод можно включить только два диода, только два из четырех диодов должны быть диодами с быстрым восстановлением. Точно так же только один из двух диодов, проводящих каждый полупериод, должен иметь характеристику быстрого восстановления.

Фигура. 5 Типичный входной каскад ИИП с использованием мостового выпрямителя на входе переменного тока

Фигура. 6 кривых входного напряжения и тока, показывающие щелканье диода в конце обратного восстановления

Плавный пуск, отключение недорогих выходов для контроля скачков тока Некоторые источники питания с мультиплексными выходами предназначены для отключения выходов при активации сигнала режима ожидания, чтобы соответствовать строгим критериям питания в режиме ожидания.

Для этого обычно используется биполярный транзистор с последовательным обходом (BJT) или MOSFET. Если силовой трансформатор спроектирован с учетом дополнительного падения напряжения на транзисторах , BJT могут стать подходящей и менее дорогой альтернативой MOSFET для слаботочных выходов.

Простой байпасный переключатель серии BJT с напряжением 12 В, выходным током 100 мА и конденсатором большой емкости показан на рисунке 10. (CLOAD). Q1 представляет собой последовательный транзистор, переключение которого контролируется Q2 в зависимости от состояния резервного сигнала. Q1 требуется достаточный базовый ток для работы в режиме насыщения при минимальном бета и максимальном выходном токе, поэтому резистор R1 рассчитан на обеспечение этого. Чтобы управлять переходным током при включении, PI советует добавить дополнительный конденсатор (Cnew). Q1 быстро входит в емкостную нагрузку после включения, если Cnew не добавлен, что приводит к сильному скачку тока. Чтобы справиться с этим временным скачком, необходимо увеличить мощность Q1, что приведет к увеличению затрат.

Скачки тока можно устранить, используя Cnew в качестве дополнительного «конденсатора Миллера» для Q1. Значение dv/dt коллектора Q1 ограничено этой дополнительной емкостью. Меньший зарядный ток уходит на Cload по мере уменьшения значения dv/dt. Укажите значение конденсатора для Cnew так, чтобы ток, протекающий через R1, был равен оптимальному выходному значению dv/dt Q1, умноженному на значение Cnew.

Фигура. 7

Фигура. 8 Простая схема плавного пуска может отключить выход источника питания в режиме ожидания, одновременно устраняя скачки тока во время включения. Таким образом, небольшой транзистор (Q1) можно использовать для снижения затрат.

Изучив эти типичные схемы блоков питания, давайте создадим простую схему блока питания с использованием LM317 .

Введение в LM317

Одной из наиболее широко используемых силовых интегральных схем является LM317. Он не только оснащен простейшей фиксированной трехконтактной схемой стабилизатора напряжения, но также имеет регулируемые характеристики выходного напряжения. Он также может похвастаться широким диапазоном регулирования напряжения, отличными характеристиками регулирования напряжения, низким уровнем шума и высоким коэффициентом подавления пульсаций. Ниже приведены его основные показатели эффективности.

Максимальная разница входного и выходного напряжения: 40 В постоянного тока, минимальная разница входного и выходного напряжения: 3 В постоянного тока; Температура окружающей среды использования: -10-+85°C; выходное напряжение: 1,25-37 В постоянного тока; выходной ток: 5 мА-1,5 А; микросхема имеет схемы защиты от перегрева, перегрузки по току и короткого замыкания; максимальная разница входного и выходного напряжения: 40 В постоянного тока, минимальная разница входного и выходного напряжения: 3 В постоянного тока; Температура окружающей среды использования: -10-+85°C

Фигура. 9

На рис. 9 показаны контуры и расположение контактов нескольких часто используемых (различных форм корпусов) LM317.

Поскольку напряжение между выходной клеммой (контакт 2) и входной клеммой регулировки (контакт 3) поддерживается на уровне 1,25 В, выходное напряжение может быть достигнуто путем регулировки резисторов деления напряжения R1 и R2, подключенных между выходной клеммой и землей, для изменения потенциал терминала ADJ. Напряжение служит следующей цели, как показано на рисунке 10:

Постоянное напряжение 1,25 В на R1 генерирует постоянный ток, который проходит через R1 и R2, при этом напряжение, созданное на R2, подается на клемму ADJ. В этот момент выходное напряжение Vo определяется соотношением R1:R2. Когда сопротивление R2 увеличивается, выходное напряжение увеличивается следующим образом:

Vo=1,25[(R1+R2)/R2].

Фигура. 10

Регулируемый источник питания 1,25-37 В.

На рисунке 11 изображена принципиальная схема. Выходное напряжение можно постоянно регулировать в диапазоне от 1,25 до 37 В, изменяя соотношение R1 и R2.

V1 и V2 имеют следующие функции: когда выход закорочен, V2 разряжает напряжение на C2 для обеспечения защиты от обратного смещения. Когда вход закорочен, напряжение, накопленное на таких компонентах, как C3, разряжается через V1, предотвращая обратное смещение внутренней регулировочной трубки. C2 используется для повышения способности подавления пульсаций микросхемы. C3 используется для усиления переходного процесса микросхемы. Для входной выпрямительной фильтрации используется C1. При выдаче большого тока микросхема отключается из-за высокого повышения температуры, и необходимо добавить радиатор соответствующей площади. R2 должен использовать линейный потенциометр.

Фигура. 11

Блок питания для обслуживания и экспериментов 1,25–120 В.

На рисунке 12 изображена принципиальная схема. Схема состоит из четырех LM317, а R2 — единственная переменная, которая управляет выходными потенциалами четырех групп. Отрегулируйте R2, и выходной потенциал IC4 будет постоянно изменяться в диапазоне 1,25–30 В, в то время как выходной потенциал IC1-IC3, соединенных последовательно с ним, также изменится, в результате чего появятся четыре набора стабильных напряжений постоянного тока в диапазоне от 1,25 до 120 В.

Фигура. 12

Блок питания 15 В с медленным запуском

Принципиальная схема показана на рисунке 13. Выходное напряжение Vout заряжает C2 через R1 и V1.

Фигура. 13

V1 насыщен и включен при запуске, а Vout имеет самое низкое напряжение (около 1,5 В). V1 в конечном итоге выходит из насыщения и имеет тенденцию отключаться по мере роста напряжения на C2, а Vout возрастает до номинального значения. Время плавного пуска можно изменить, изменив константы R1 и C2. После выключения D1 используется для быстрого разряда заряда на C2. Значение выходного напряжения Vout можно изменить, регулируя значение R2. Настройки на рисунке имеют выходное напряжение 15В. 9012 можно использовать вместо V1 на схеме.

Источник питания 5 В с контролем уровня TTL

На рисунке 14 изображена принципиальная схема. Выходное напряжение составляет 5 В, когда внешний сигнал управления TTL вызывает отключение V1. Измените значение R2, чтобы получить различные выходные напряжения. Трубку NPN, например 9013, можно использовать для замены V1.