Импульсные блоки питания

• Введение
• Основная часть
• Строение импульсного блока питания
• Принципы построения импульсных блоков питания
• Заключение

Введение

Импульсный блок питания (ИБП) предназначен для преобразования входного напряжения в другое, имеющее одну или несколько величин. Важные компоненты, включая силовые элементы, функционируют в режиме ключа. Инвертор представляет собой источник энергии, который использует метод двойного преобразования переменного напряжения. Размеры выходных параметров ИБП настраиваются путем изменения продолжительности импульсов, а в некоторых случаях и их частоты. Этот процесс называется широтно-импульсной модуляцией. 

Если входное напряжение переменное, например, от электроэнергетической сети, его сначала необходимо выпрямить, затем сгладить с помощью фильтра, после чего преобразовать с помощью инвертора в последовательность высокочастотных импульсов. Это свойство отличает импульсный блок питания от линейного блока питания. Входное и выходное напряжение регулируются с помощью сигнала отрицательной обратной связи, что позволяет контролировать параметры импульсов, подаваемых на силовые транзисторы. Современные ИБП не имеют понижающего сетевого трансформатора, что делает их более компактными и эффективными.

Основная часть

В электрических сетях напряжение имеет синусоидальную форму порядка 50 Гц или 60 Гц. Некоторые устройства требуют именно такой формы, в то время как другим необходимо постоянное напряжения. Здесь и проявляется функция импульсных блоков питания (ИБП). Название "импульсный блок питания" связано не с формой выходного напряжения, а с этапами преобразования, которые создают импульсы, подлежащие выпрямлению и сглаживанию.

Существуют два типа импульсных блоков питания: с гальванической развязкой и без гальванической развязки.

Блоки питания с гальванической развязкой используют высокочастотные импульсы, которые направляются на трансформатор, обеспечивающий изоляцию электрических цепей. Устройства этого типа имеют относительно малые размеры ферритового сердечника, который характеризуется высокой мощностью на рабочих частотах. Обычно сердечники трансформаторов изготавливаются из различных марок ферритов, а не из электротехнической стали, что позволяет создавать более компактные элементы блока питания.

Импульсный источник питания, подключенный к электросети, включает в себя выпрямитель сетевого напряжения, фильтр для сглаживания, генератор импульсов и формирователь импульсов с регулируемой продолжительностью, а также двухкаскадный или однокаскадный усилитель мощности, выпрямители на выходе и схему стабилизации выходного напряжения. В импульсных источниках питания, созданных по алгоритмам без использования гальванической развязки, нет высокочастотного трансформатора, и сигнал направляется прямо на фильтр низких частот. Сигналы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) поступают на управляющие транзисторы, которые обычно соединены в мостовой или полумостовой конфигурации. В качестве управляющих элементов в основном применяются IGBT или MOSFET транзисторы, отличающиеся невысоким напряжением на открытых переходах и высокой скоростью переключения. Эти транзисторы эффективнее рассеивают мощность при переключениях, чем биполярные транзисторы при аналогичных размерах и характеристиках. Классические и выходные импульсные трансформаторы функционируют по одному и тому же принципу, но при работе на более высоких частотах имеют меньшие габариты.

Напряжение, поступающее с вторичных обмоток, направляется к выходным выпрямителям. Эти диоды должны поддерживать более высокие частоты работы по сравнению с входным выпрямителем. В данном случае диоды Шоттки являются наилучшим выбором из-за их высокой рабочей частоты, низкого падения напряжения и небольшой ёмкости p-n перехода. Чаще всего импульсные преобразователи напряжения используются вместо традиционных трансформаторов с полупроводниковыми стабилизаторами. Они обладают малым весом и габаритами, высокой надежностью и эффективностью, а также способны функционировать в широком диапазоне входного напряжения. Для увеличения эффективности импульсного блока питания необходимо минимизировать влияние паразитных элементов. Невозможность достижения близкого к 100% коэффициента полезного действия часто обусловлена наличием этих нежелательных элементов и характеристиками отдельных компонентов. В процессе проектирования важно найти правильный баланс между эффективностью и стоимостью блока питания.

Инверторные преобразователи находят применение в компьютерной технике, системах сигнализации, источниках бесперебойного питания, бытовой электронике и видеонаблюдении. Важно учитывать, что паразитные элементы могут не только снижать эффективность, но и выполнять полезные функции в схеме. Например, при коротком замыкании на выходе инвертора, паразитный элемент может сдерживать ток короткого замыкания. Таким образом, влияние паразитных компонентов может варьироваться от положительного до отрицательного, и одна и та же деталь может вести себя по-разному в различных условиях.

Преимущества ИБП:

• компактные размеры;
• лёгкий вес;
• высокая эффективность, поскольку основные потери энергии происходят на силовых ключах;
• широкий диапазон входного напряжения;
• низкая стоимость благодаря универсальным компонентам и автоматизированному производству, что снижает затраты из-за менее мощных полупроводников;
• КПД ИБП достигает около 97%.

Недостатки ИБП:

• ограничение по мощности, что затрудняет работу при определенных нагрузках;
• высокочастотные помехи, возникающие в процессе работы;
• необходимость в фильтрации помех.

Строение Импульсного Блока Питания

Рассмотрим, как устроен не самый сложный импульсный блок питания в наиболее распространённой конфигурации:

• элементы защиты;
• помехоподавляющий фильтр;
• диодный выпрямитель;
• сглаживающий фильтр;
• ШИМ (Широтно-Импульсный модулятор);
• блок силовых ключевых транзисторов;
• высокочастотный трансформатор;
• обратная связь;
• выпрямители;
• групповые/индивидуальные фильтры.

Задачей помехоподавляющего фильтра является устранение помех, возникающих от самого блока питания. Частое использование мощных полупроводниковых элементов может приводить к образованию кратковременных импульсов, которые наблюдаются в широком диапазоне частот. Для минимизации их воздействия на выходной сигнал используют специальные цепочки проходных конденсаторов, которые функционируют как фильтры для этих импульсов.

Главной функцией диодного выпрямителя является преобразование входного переменного напряжения в выходное постоянное. Паразитные колебания, которые могут возникать, сглаживаются фильтром, установленным в схеме.

Если импульсный блок питания включает в себя преобразователь постоянного напряжения, то использование цепочки из выпрямителя и фильтра будет избыточным, поскольку входной сигнал будет уже сглажен на этапе помехоподавляющего фильтра.

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) представляет собой наиболее сложный элемент в устройстве. Он выполняет ряд функций:создает импульсы высокой частоты, варьирующие от килогерц до нескольких сотен килогерц;
на основе данных сигнала обратной связи адаптирует параметры выходной импульсной последовательности;
обеспечивает защиту схемы от перегрузок.

Импульсы ШИМ подаются на мощные ключевые транзисторы, обычно реализуемые на мостовых или полумостовых схемах. Выходы этих транзисторов соединяются с первичной обмоткой трансформатора. В качестве компонентов применяются транзисторы MOSFET или IGBT, которые отличаются от биполярных аналогов менее значительным снижением напряжения на переходе и более высоким быстродействием. Это позволяет уменьшить параметры рассеиваемой мощности без изменения габаритов устройства.

Принцип работы импульсного трансформатора аналогичен тому, как функционируют традиционные трансформаторы в блоках питания. Однако, ключевое отличие заключается в том, что импульсный трансформатор оперирует на значительно более высоких частотах. Это позволяет уменьшить как вес, так и габариты устройства при том же уровне выходной мощности.

Импульс, получаемый с вторичной обмотки трансформатора (учтите, что их может быть несколько), поступает на выходные выпрямители. В отличие от аналогичных элементов на входе блока, здесь диоды должны быть рассчитаны на работу с высокими частотами. Оптимально с этой задачей справляются диоды Шоттки, благодаря их конструкции, которая обеспечивает низкую ёмкость p-n перехода и минимальное падение напряжения даже при высоких частотах.

Выходной фильтр — предназначен для сглаживания пульсаций после выпрямления напряжения. В условиях высокочастотных импульсов отпадает необходимость в использовании мощных конденсаторов и катушек.

Принципы построения импульсных блоков питания

1. Схема простейшего и очень распространённого понижающего преобразователя (стабилизатор напряжения с ШИМ). Используется для понижения напряжения. На практике используются понижающие преобразователи напряжения с 24 вольт до 12 вольт например в транспортных средствах, где бортовая сеть не 12 вольт как в легковых автомобилях, а нужно подключить стандартную магнитолу, зарядное устройство, навигатор и т.п. Ключ управляется импульсами с изменяемой длительностью. энергия импульса копится в дросселе, а затем после закрытия ключа плавно заряжает конденсатор. Напряжение на конденсаторе отслеживается обратной связью. Напряжение на выходе поддерживается на заданном уровне, изменением длительности импульсов отпирания ключа. Схема применяется в компьютерных материнских платах. В различных платах расширения, например в видеокартах. Минимум потерь, максимум тока.
2. Схема простейшего повышающего преобразователя аналогично 1 схеме, только принцип работы основывается на повышении напряжения. Используется в некоторых баластниках для инициализации разряда в газовой среде.
3. Схема простейшего понижающего преобразователя аналогично 1 схеме, но позволяет получить отрицательное напряжение из положительного.
4. Схема однотактного обратноходового преобразователя. В прошлом чаще всего применялся в маломощных источниках питания, например в  зарядных устройствах для телефонов. Сейчас вытеснен специализированными микросхемами. 

   Во время открытого состояния ключа (прямого хода)энергия запасается в сердечнике трансформатора. Когда ключ закрыт(обратный ход) запасённая энергия передаётся в выходной конденсатор. Именно поэтому и называется "обратноходовый".

   Отрицательным свойством кроме малого КПД является одностороннее подмагничивание сердечника трансформатора. Вынуждает вносить зазор. А так же высоковольтные выбросы напряжения на первичной обмотке трансформатора при отсутствии нагрузки. Требуют высоковольтных транзисторов и гасящих цепей параллельных трансформатору.

5. Схема прямоходового однотактного преобразователя. В отличие от обратноходового, энергия в нём передается в момент открытого состояния ключа (прямого хода). При этом не вся энергия идёт сразу в нагрузку, а часть запасается в выходном дросселе. И заряжает до конца выходной конденсатор во время закрытого состояния ключа, что аналогично схеме 1. 

   На схеме 5 в трансформатор введена третья обмотка (может отсутствовать). Это обмотка рекуперации. Обычно содержит одинаковое с первичной обмоткой количество витков. Позволяет вернуть часть энергии из трансформатора в источник тока. Предотвращая высоковольтный выброс и уберегая ключ от пробоя. Так же размагничивает сердечник, предотвращая насыщение.

   Эту схему можно встретить в сварочном аппарате называемом "фиксатый" и в БП средней мощности для питания например небольших ЖК телевизоров.

6. Схема прямоходового однотактного преобразователя с двумя ключами и без третьей обмотки. 

   Ключи открываются и закрываются синхронно! Такое схемное решение позволило избавится от высоковольтных выбросов и дало возможность применять относительно низковольтные ключи. Эту схему ещё назавают "косой мост" и часто применяют в недорогих сварочных инверторах благодаря простоте и надёжности. А так же значительно меньшей стоимости ключей.

   Также косой мост может быть использован и в обратноходовом преобразователе. Преобразователи будут отличатся только фазировкой подключения вторичной обмотки и принципом накопления энергии. (не в дросселе а трансформаторе)и соответственно другой выходной частью.

7. Схема двухтактного полумостового импульсного преобразователя. Применяется практически во всех компьютерных БП и в сварочных инверторах средней ценовой категории. Очень надёжен и имеет хороший КПД. Принцип работы почти как в обычном сетевом трансформаторе, только импульсы прямоугольные и частота несколько десятков килогерц.
8. Схема полного мостового импульсного преобразователя. Характеризуется максимальным использованием всех возможностей трансформатора. Ключи работают попарно как два объединённых косых моста. Используется в дорогих и мощных сварочных инверторах.

Есть ещё интересное решение. Так называемый сепик:

Как видите в отличии от чёпера в него добавлен разделительный конденсатор и доп. дроссель. Дросселя могут даже быть совмещёнными. Схема не боится КЗ на выходе.

Поменяв местами L2 и D1 можно получить на выходе отрицательное напряжение.

Такая схема ещё носит название преобразователь Чука.

Ну а если совместить обе схемы то получим двухполярный источник!

Всего один ключ и защита от короткого замыкания!

Заключение

Современный мир невозможно представить без использования импульсных блоков питания, и с каждым годом их популярность лишь возрастает. На сегодняшний день становится всё труднее найти прибор или источник питания, использующий старые трансформаторы с сердечником из электрической стали. Импульсные блоки питания превосходят трансформаторные по таким параметрам, как безопасность, размер и возможность регулирования силы тока. Они находят применение в зарядных устройствах для мобильных телефонов, ноутбуков и аккумуляторов, а также в источниках бесперебойного питания, усилителях, радиоприёмниках и мониторах. Импульсные блоки питания можно рассматривать как одно из величайших достижений в области электроники. У нас есть статья про линейные трансформаторные источники питания.