1.3. Классификация импульсных источников электропитания

На рис. 2 приведена условная классификация импульсных источни-ков вторичного электропитания, которая должна в известной мере облегчить понимание изложенного в дальнейшем материала [13].

Рис. 2

Обратноходовой преобразователь. Основная схема, по которой выполнены многие маломощные импульсные источники питания – это обратноходовый преобразователь, показана на рис. 3.

Рис. 3

Эта схема прео-бразует одно постоян-ое напряжение в дру-гое, регулируя выхо-дное напряжение пос-редством либо широ-тноимпульсной мод-уляции (ШИМ), либо частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). Модуляция ширины импульса – это метод управления, основанный на изменении отношения длительности включенного состояния ключа к выключенному при постоянной частоте. В обратноходовом преобразователе длительность включенного состояния ключа больше длительности выключенного состояния для того, чтобы большее количество энергии было запасено в трансформаторе и передано в нагрузку.

Обратноходовый преобразователь работает следующим образом. Ключевой транзистор VT1 управляется схемой ШИМ-модулятора (рис. 4). Когда VT1 открыт, ток в первичной обмотке трансформатора линейно увеличивается. Этот трансформатор фактически является дросселем со вторичной обмоткой, и, в отличие от нормального трансформатора, накапливает в себе существенную энергию. Когда транзистор VT1 закрывается, магнитный поток в сердечнике трансформатора начинает уменьшаться, и это вызывает ток, текущий в цепи вторичной обмотки.

Ток I₂, протекающий во вторичной цепи, заряжает конденсатор С и также течет в нагрузку. На рис. 5 показаны импульсы токов I₁ (протекающий в первичной цепи) и I₂ во время включенного и выключенного состояния ключевого транзистора. Ток I₁ течет во время включенного состояния, а ток I₂ во время выключенного состояния и поддерживает постоянное напряжение на конденсаторе С.

Рис. 4 Рис. 5

Если выходная нагрузка увеличивается, необходимо увеличить только длительность включенного состояния транзистора VT1, во время которого ток I₁ достигнет более высокого значения, что создаст в результате более высокий ток I₂ во вторичной обмотке во время включенного состояния. И наоборот, при уменьшении нагрузки, ток I₂ уменьшает свое значение.

Если выходное напряжение сравнить с опорным напряжением, и полученной разностью управлять ШИМ-модулятором, получается замкнутая петля обратной связи, а схема автоматически сохраняет постоянное значение выходного напряжения.

Идеальная схема обратноходового преобразователя не имеет потерь, так как в любое время переключающий элемент имеет или нулевое напряжение или нулевой ток. На практике, однако, имеются некоторые потери при переключении транзистора VT1, а также потери в трансформаторе, диоде и конденсаторах. Но эти потери невелики по сравнению со схемой линейного преобразователя.

Обратноходовой преобразователь напряжения сети. Более полная схема обратноходового преобразователя, непосредственно подключенного к сети переменного тока, основанная на схеме типового обратноходового преобразователя, показана на рис. 6.

Рис. 6

Необходимо обратить внимание на то, что преобразователь питается напряжением, полученным выпрямлением напряжения сети переменного тока без использования трансформатора.

На этой схеме также показана петля обратной связи, по которой сигнал от выхода передается назад, на ключевой транзистор. Эта петля обратной связи должна иметь изоляцию для того, чтобы выходная линия постоянного тока была гальванически развязана от сети переменного тока, что обычно выполняется с помощью маломощного трансформатора или оптоизолятора.

Прямоходовой преобразователь. Другая популярная конфигурация импульсного источника питания известна как схема прямоходового преобразователя и показана на рис. 7.

Рис. 7

Хотя эта схема очень напоминает обратноходовую схему, имеются и некоторые фундаментальные различия. Прямоходовый преобразователь на-капливает энергию не в трансформаторе, а в выходной катушке индуктив-ности (дросселе). Точки, обозначающие начало обмоток на трансформаторе, показывают, что когда ключевой транзистор открыт, во вторичной обмотке появляется напряжение, и ток течет через диод VD1 в катушку индуктивнос-ти. У этой схемы большая продолжительность включенного состояния ключа относительно выключенного состояния, более высокое среднее напряжение во вторичной обмотке и более высокий выходной ток нагрузки.

Когда транзистор VT1 закрывается, ток в катушке индуктивности не может измениться мгновенно и продолжает течь через диод VD2. Таким образом, в отличие от обратноходовой схемы, ток от элемента, сохраняю-щего энергию, течет во время обеих половин цикла переключения. Поэтому прямоходовой конвертор имеет более низкое напряжение выходных пуль-саций, чем обратноходовая схема при тех же самых выходных параметрах.

В прямоходовом преобразователе (рис. 7) развязка «вход-выход» обеспечивается за счет использования импульсного трансформатора. Вид вы-ходного напряжения одно или несколько, положительное или отрицательное, повышенное или пониженное определяется конструкцией трансформатора. Такая схема может обеспечить выходную мощность от 100 до 300 Вт. При этом для каждого выходного напряжения требуются своя вторичная обмотка трансформатора и выпрямительные диоды. Необходима также дополнитель-ная изоляция цепи обратной связи.

Наиболее совершенной является схема обратноходового преобразо-вателя (Flyback Converter), приведенная на рис.6. Подобно прямоходовому преобразователю, Flyback имеет трансформаторную развязку «вход-выход» и может формировать несколько разнополярных напряжений. Основным преи-муществом Flyback по сравнению с прямоходовым является применение ком-бинации трансформатора и дросселя, выполненной в виде единой компонен-ты, которая служит одновременно для накопления энергии, трансформации напряжений и гальванической развязки. Поэтому Flyback содержит меньше деталей и обладает большей чувствительностью регулировки по цепи обрат-ной связи. Flyback-топология сохраняет эти преимущества при уровнях мощности до 100 Вт или выходных токов не свыше 10 А. Таким образом, все рассмотренные схемы могут найти применение в зависимости от специфики решаемой задачи, квалификации или личных пристрастий разработчика.

Импульсный преобразователь с несколькими выходами. Большинство импульсных источников питания имеют больше одного выхода. Например, для большинства источников питания цифровых схем в дополнение к выходному напряжению +5 В необходимо иметь выходы на напряжения +12, -12, +24 и –5 В. Эти выходы используются в системах для питания всевозможных уст-ройств типа формирователей сигналов для гибких и жестких дисков, принте-ров, видеотерминалов, интерфейсов типа RS-232 и различных аналоговых схем.

На рис. 8 показан обратноходовой преобразователь с несколькими выходами. Напряжение обратной связи снимается с выхода +5 В и подается на ШИМ-модулятор, таким образом стабилизируя напряжения всех потреби-телей, однако это не означает, что вспомогательные каналы стабили-зируются в той же мере, как главный канал +5 В. В некоторых применениях, например. двигатель дисковода, это неважно. В других, более критичных применениях, на вспомогательные каналы устанавливают линейные стабили-заторы, как показано на рис. 8, чтобы обеспечить лучшую стабилизацию. Стандартные импульсные источники питания обычно имеют до пяти различных выходов.

Рис. 8

Двухтактный прямоходовой преобразователь.

Рис. 11

На рис. 11 показан двухтактный преобразователь, который является разновидностью прямоходового преобразователя за исключением того, что оба ключа включены в цепь первичной обмотки трансформатора.

Полномостовой и полумостовой преобразователь.

На рис. 12 и рис. 13 показаны еще две разновидности прямоходового преобразователя, называемые, соответственно, полномостовым и полумостовым преобразователями. Единственное отличие от предыдущей схемы – способ, которым возбуждается первичная обмотка трансформатора.

Рис. 12

Рис. 13

Рис. 14

Установка входного напряжения. Как правило, многие импульсные источники питания имеют выбираемые диапазоны напряжения сети переменного тока номиналом 110 или 220 В. На рис. 14 показано, как просто это можно реализовать.

Очевидное преимущество этого типа схемы состоит в том, что она позволяет с помощью единственной перемычки выбрать американский или европейский диапазон входного напряжения сети.

Локальная шина питания. Один из вариантов использования преобразователей постоянного напряжения в постоянное - конверторов для распределения местного питания показан на рис. 15.

Рис. 15

Здесь источник питания системы работает на стабилизированную шину питания напряжением 5 В, которая обычно подводится к ряду отдельных плат. Каждая плата системы, кроме питания логических схем, требует +12 В, +15 В напряжения постоянного тока, или других напряжений для питания операционных усилителей, АЦП, ЦАП, индикаторов и других схем. Поэтому каждая плата системы может иметь один или более конверторов, использующих напряжение пятивольтовой шины питания как входное и производящих требуемые напряжения, необходимое для конкретных устройств на плате.

Трехвыводные импульсные стабилизаторы. Популярный тип конвертора – это трехвыводной импульсный стабилизатор, показанный на рис. 16. Трехвыводная, не изолированная схема, которая обеспечивает высокое входное напряжение постоянного тока в более низкое, причем, как правило, имеет широкий диапазон входного напряжения. Эта схема имеет конфигурацию понижающего стабилизатора, описанного выше, и работает с выходной мощностью до 300 Вт.

Рис. 16

Выходное напряжение сравнивается с опорным напряжением, полученная разность усиливается и возбуждает ШИМ-модулятор, который, в свою очередь, управляется ключевым транзистором. Энергия, запасенная в дросселе, определяется отношением времени, когда он закрыт. Ток течет через дроссель во время обеих половин цикла переключения или через транзистор VT1, или через диод VD1.

Резонансные преобразователи. Один из путей, за счет которого можно избежать увеличения некоторых потерь, связанных с переключением на более высоких частотах, состоит в том, чтобы использовать один из вариантов схемотехники так называемого резонансного преобразователя. Использование резонансной схемы, состоящей из конденсатора и индуктивности, делает напряжение на ключе или ток через ключ равным нулю прежде, чем ключ перейдет в состояние открыто или закрыто.

Это устраняет большинство потерь переключения и может устранить потери, обусловленные емкостью ключа или потерями индуктивности рассеивания, описанные ранее.

Рис. 17

Упрощенное схемное решение резонансного конвертора, работающего при нулевом токе переключения, показано на рис. 17. Эта схема является измененной версией прямоходового преобразователя, где простой, транзисторный ключ, заменен резонансным ключом, состоящим из компонентов VT1, L_Р, C_Р, VD1. здесь индуктивность рассеивания трансформатора может образовывать или часть или всю резонансную индуктивность.

Первоначально транзистор закрыт. Выходной ток течет черед диод VD3 и выходной дроссель L₀ в нагрузку. Энергия черпается от магнитного поля в дросселе L₀ в некоторый момент времени, определяемый схемой управления, ключ VT1 открывается. Ток в индуктивности L_Р начинает увеличиваться и так как этот ток вызывает ток во вторичной обмотке трансформатора, ток через диод VD3 начинает уменьшаться, а через диод VD2 увеличиваться. Когда ток в дросселе L₀ будет полностью определяться током через диод VD2, напряжение на вторичной обмотке трансформатора начинает повышаться. Это повышение и последующее понижение происходит синусоидальному закону. В тот момент, когда ключ VT1 закрывается, диод VD1 предотвращает обратный ток через VT1, который был бы иначе вызван продолжающимся резонансным процессом в L_Р и C_Р.

Когда ток в L_Р становится равным нулю, выходной ток течет через дроссель L₀, диод VD2 и емкость C_Р. Емкость C_Р быстро разряжается и тогда выходной ток снова начинает протекать через VD3 и L₀. На этом один резонансный цикл заканчивается и с открытием ключа VT1 начинается следующий цикл. Так как транзистор открывается при токе равном нулю, потери на переключение снижаются. В связи с тем, что передача тока от диода VD2 к VD3 и наоборот замедлена присутствием индуктивности L_Р и емкости C_Р, снижение потерь переключения также наблюдается и в этих компонентах.

Однако, так как время от момента включения до момента выключения транзистора определяется собственной частотой резонансной схемы, выходное напряжение может управляться только изменением времени нахождения транзистора в выключенном состоянии и, следовательно, изменением времени переключения схемы.

Наличие синусоидальных токов в системе означает увеличение пиковых значений токов, которые будут увеличивать потери проводимости, относительно схемы эквивалентного источника с прямоугольными колебаниями.