Беш А.Н. Методические указания. Элементы теории импульсных преобразователей

Подождите немного. Документ загружается.

Каждая из этих технологий превосходит другую в одном или

нескольких из рассмотренных выше факторов, и потому должна

подвергаться внимательной оценке в сопоставлении с другими факторами,

чтобы можно было определить оптимальную смесь технологий, которая

удовлетворяла бы потребности конечного изделия. Индустрия источников

питания сделала выбор в использовании каждой из технологий в

определенных областях промышленных приложений.

Линейные стабилизаторы. Линейные стабилизаторы используются

преимущественно в стационарном оборудовании, в котором выделение

тепла и невысокий КПД не играют решающей роли, а желательны низкая

стоимость и короткие сроки разработки. Они очень популярны в качестве

встроенных на плату стабилизаторов в распределенных системах питания,

в которых распределенное напряжение составляет менее 40 В DC (direct

current, DC). Для автономных (не использующих подключение к общей

электросети) устройств перед линейным стабилизатором из соображений

безопасности должен быть размещен каскад источника питания,

призванный обеспечить диэлектрическую изоляцию от линии

электроснабжения переменного тока (alternating current, AC). Линейные

стабилизаторы могут выдавать напряжение, более низкое, чем их входное

напряжение, и каждый такой стабилизатор может производить только одно

выходное напряжение. Каждый линейный стабилизатор имеет средний

КПД, лежащий в диапазоне между 35 и 50 процентами. Потери

обусловливаются рассеянием тепловой энергии.

Импульсные источники питания с ШИМ. Импульсные источники

питания с широтно-импульсной модуляцией (далее – ШИМ) значительно

более эффективные и гибкие в использовании, чем линейные

стабилизаторы. Они обычно используются в переносных изделиях, в

авиации и автомобилестроении, в небольших измерительных приборах,

автономных устройствах и особенно в тех приложениях, в которых

требуются высокий КПД и несколько выходных напряжений. Они весят

значительно меньше линейных стабилизаторов, поскольку требуют

меньшего теплоотвода для тех же выходных номиналов. Такие источники

питания, однако, более дорогостоящи и требуют больше времени на

разработку.

Резонансная технология импульсных источников питания с

высоким КПД. Этот вариант базовых импульсных источников питания с

ШИМ нашел свое место в приложениях, от которых также требуются

минимальный вес и наименьшие размеры, и, что самое важное, –

пониженный уровень излучаемого шума (помех). Обычно такие источники

питания используются в оборудовании воздушных суден, электронике

космических кораблей, легковесном переносном оборудовании и модулях.

Недостатком этой технологии источников питания является то, что на их

проектирование уходит больше всего времени, а их стоимость обычно

превышает стоимость двух рассмотренных выше технологий.

В промышленном производстве прослеживается тенденция ухода от

линейных стабилизаторов (за исключением встроенных в плату

стабилизаторов) и перехода к импульсным источникам питания с ШИМ.

Резонансные и квазирезонансные импульсные источники питания

появляются медленно в процессе развития технологии, а их

проектирование упрощается. В таблице 1 подведены некоторые итоги,

которые помогут принять компромиссное решение в отношении выбора

подходящей технологии проектируемого источника питания.

Таблица 1 – Сравнение четырех технологий источников питания

Показатель

Линейный

стабилизатор

Импульсный

стабилизатор с ШИМ

Импульсный

стабилизатор с

резонансным

переходом

Квазирезонансный

импульсный

стабилизатор

Стоимость низкая высокая высокая очень высокая

Масса большая небольшая небольшая небольшая

RF-шум отсутствует высокий средний средний

КПД 35..50% 70..85% 78..92% 78..92%

Несколько

выходов

нет есть есть есть

Время

разработки

1 неделя

8 человеко-ме-

сяцев

10 человеко-ме-

сяцев

10 человеко-ме-

сяцев

5 человеко-ме-

сяцев

8 человеко-

месяцев

8 человеко-ме-

сяцев

При приемлемой опытности персонала и достаточно высоком

уровне аппаратуры.

Время разработки и изготовления опытного образца.

1.4 Разработка проектной спецификации системы питания

Для того чтобы разработать хорошую проектную спецификацию,

необходимо понимать смысл терминов, используемых в области теории

источников питания. К ним принадлежат измеримые параметры с общим

набором условий испытаний, влияющих на текущий проект. Перечислим

такие параметры.

Входное напряжение

in(nom)

входное напряжение, на котором

предполагается эксплуатация устройства в

течение более 99% времени его жизни.

in(low)

самое низкое предполагаемое рабочее входное

напряжение («brown-out», уровень провала

напряжения).

in(hi)

наивысшее предполагаемое рабочее входное

напряжение.

Частота(ты) сети 50, 60 или 400 Гц и т.nд. или DC.

Сюда входят также любые неблагоприятные условия эксплуатации,

из-за которых источник питания может работать вне рамок стандартных

спецификаций.

 Пропадание сигнала (dropout) – период времени, в течение

которого входное напряжение сети полностью исчезает (в соответствии со

спецификацией для автономных приложений, это время обычно составляет

8nмс при частоте 60 Гц АС).

 Бросок напряжения (surge) – определенный период времени, в

течение которого входное напряжение превышает специфицированное

значение V

in(hi)

и которое устройство должно выдержать, сохраняя

работоспособность;

 Короткий импульс (transient) – это очень высокие «пики»

напряжения, характерные для входных систем питания.

 Аварийный режим – любой режим, в котором должно работать

изделие во время любых неблагоприятных периодов функционирования.

Необходимость аварийного режима может быть обусловлена тем, что от

функционирования изделия зависит жизнь оператора, и потому оно

должно работать вплоть до собственного разрушения.

Входной ток

in(max)

максимальное среднее значение входного тока.

Выходное напряжение

out(rated)

номинальное (идеальное) выходное

напряжение.

out(min)

выходное напряжение, ниже которого нагрузка

должна подавляться или отключаться.

out(max)

максимальное выходное напряжение, при

котором еще могут нормально

функционировать цепи нагрузки.

out(abs)

напряжение, при котором цепи нагрузки

достигают предела разрушения.

Пульсация напряжения (импульсные источники питания) –

измеряется в вольтах и соответствует двойной амплитуде напряжения; ее

частота и уровень должны быть приемлемы для цепей нагрузки.

Выходной ток

out(rated)

максимальное среднее значение тока, которое

будет снято с выхода.

out(min)

минимальный ток, который будет сниматься с

выхода в процессе нормального

функционирования.

предельное значение максимального тока,

который может поступать в короткозамкнутую

нагрузку.

Описание характеристик любых необычных нагрузок связано с

каким-либо выходом. К таким нагрузкам относятся нерегулярные

нагрузки, наподобие электродвигателей, ЭЛТ-мониторов и т.nп., а также

любые нагрузки, которые могут быть отключены или подключены к

системе как часть общесистемной архитектуры (например, зонды,

микротелефонные трубки и другие подобные устройства).

Время отклика динамической нагрузки (dynamic load response time) –

отрезок времени, требуемый для возвращения источника питания в

пределы стабилизации выходного напряжения в ответ на постепенное

изменение нагрузки.

Нестабильность выходного напряжения по сети (line regulation) –

процентное изменение выходного напряжения в ответ на изменение

входного напряжения:

100%

in)-o(nom

in)-o(lo

in)-o(hi

LineReg. 





, (1.1)

где V

o(hi-in)

– наивысшее предполагаемое рабочее входное напряжение;

o(lo-in)

– самое низкое предполагаемое рабочее входное напряжение;

o(nom–in)

– входное номинальное напряжение.

Нестабильность выходного напряжения по нагрузке (load regulation)

– процентное изменение выходного напряжения в ответ на изменение тока

нагрузки от половины до полного номинального значения:

100%

load)-o(rated

load)-o(half

load)-o(full

LoadReg. 





, (1.2)

где V

o(full-load)

– полное выходное напряжение на нагрузке;

o(half-load)

– половина выходного напряжения на нагрузке;

o(rated-load)

– номинальное напряжение нагрузки.

Общий КПД (overall efficiency). Этот показатель определяет, сколько

тепла будет выделяться внутри устройства и потребуется ли в физической

конструкции какой-либо теплоотвод:

100%

out



, (1.3)

где P

out

– выходная мощность;

– входная мощность.

Защита:

 пределы для входного плавкого предохранителя;

 ограничение перегрузки по току на выходах;

 пределы защитного выключения при перенапряжении;

 блокировка при недостатке напряжения на входной линии питания;

 учет любых постепенных ухудшений характеристик и организация

восстановления после сбоя системы.

Диапазоны температуры окружающей среды при работе и хранении

устройства.

1.5 Обобщенный подход к проектированию источников питания:

введение в блок-схемный способ

При разработке источников питания следует придерживаться

общеустановленной последовательности шагов проектирования. В

представленной ниже последовательности каждый шаг, фактически,

является фундаментом для последующих шагов и направляет разработчика

по пути наименьшего сопротивления вплоть до получения желаемого

результата. В данном параграфе представлен подход, состоящий из двух

аспектов:

1) разбиение источника питания на четко определенные блоки,

которые можно проектировать на модульной основе;

2) предварительное описание порядка, в котором блоки

проектируются и затем объединяются либо внедряются друг в друга.

В дальнейшем будут указаны для каждого блока различных

приложений типичные промышленные конструкторские подходы,

используемые разработчиками источников питания. Каждый блок

содержит соответствующие уравнения, с помощью которых можно быстро

вычислить необходимые значения параметров того или иного компонента.

В результате получается связная логическая последовательность

проектирования, в которой незнание чего-либо (неопределенность)

сведено к минимуму. Данный подход организован таким образом, что даже

рядовой неопытный разработчик может создать схему источника питания

на «профессиональном» уровне не более чем за 8 часов рабочего времени,

что составляет около 40% всего времени процесса проектирования.

Проектирование на физическом уровне, например, выбор техники

макетирования, компоновка печатной платы с низким уровнем шумов,

выбор метода намотки трансформатора и т.nп., будут показаны на

конкретных примерах. Физические факторы всегда представляют собой

проблему, и не только для начинающих, но и для опытных

проектировщиков. Все источники питания, независимо от того, линейные

они или импульсные, разрабатываются по единому проектному плану.

Линейные источники питания здесь будут представлены, в основном, с

помощью примеров, поскольку производители полупроводников

предоставляют полную завершенность технологии и высокий уровень

интеграции. Поскольку импульсные источники питания гораздо более

сложные, план их разработки, а также вопросы выбора технологии будут

рассматриваться более детально. Обобщенный подход к разработке

источников питания можно свести к представленной ниже

последовательности.

1. Выбор технологии и топологии, подходящих для конкретного

приложения.

2. Выполнение аппроксимаций «черного ящика», когда известны

только требования проектной спецификации. При этом будут получены

оценки потерь мощности в полупроводниках, пиковые значения токов и

напряжений. По этим величинам проектировщик может также установить

непригодность выбранной топологии и необходимость ее замены. Кроме

того, они позволяют заказать любые полупроводниковые шаблоны,

которые могут потребоваться на стадии макетирования и компоновки

печатной платы.

3. Схематическая разработка источника питания на основе

проектных блок-схем.

4. Построение макета с использованием методик, описанных на

топологическом чертеже и в конструкционных разделах в тексте.

5. Проверка параметров, имеющих отношение к защите и помехам

(RFI/EMI).

6. На последней стадии – физическое проектирование. Оно включает

физическое размещение источника внутри изделия, проектирование

теплоотвода и печатной платы.

2 ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ С ШИРОТНО-ИМ-

ПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

2.1 Основы импульсных источников питания с ШИМ

Работу импульсных источников питания понять достаточно просто.

В отличие от линейных стабилизаторов, в которых используется мощный

транзистор в линейном режиме, импульсные источники питания с ШИМ

основаны на мощных транзисторах в состоянии насыщения и отсечки. В

этих состояниях произведение «вольт на ампер» на мощном транзисторе

всегда дает малый результат (насыщение – малое напряжение, большой

ток; отсечка – большое напряжение, малый ток). Эта величина, называемая

EI, внутри устройства питания является потерей внутри всех мощных

полупроводников.

Более эффективно функционирование импульсного источника

питания с ШИМ «нарезкой» входного постоянного напряжения на

импульсы, амплитуда которых равна величине входного напряжения, а

рабочий цикл регулируется схемой управления импульсного регулятора.

Как только входное напряжение преобразуется в переменное с

прямоугольной формой волны, амплитуда может быть увеличена или

уменьшена с помощью трансформатора. Дополнительные выходные

напряжения можно получить путем добавления к преобразователю

вторичных обмоток. В конце концов, формы волны переменного

напряжения фильтруются для обеспечения постоянного выходного

напряжения.

Схема управления, основная цель которой заключается в

поддержании стабильного выходного напряжения, работает точно так же,

как и схема управления линейного типа. То есть, функциональные блоки,

опорное напряжение и усилитель ошибки такие же, как в линейных

стабилизаторах. Различие состоит в том, что выход усилителя ошибки

здесь помещен в каскаде преобразователя напряжения перед схемой

управления силовым переключателем (ключом).

Существует два функциональных типа импульсных источников

питания:

1) прямоходовый (forward-mode) преобразователь;

2) обратноходовый (fly back) преобразователь.

Хотя размещение их элементов различается весьма незначительно, их

функционирование очень отличается, и у каждого есть свои преимущества

в определенных сферах применения.

2.2 Блок-схемный подход к разработке импульсных источников

питания с ШИМ

Импульсные источники питания с ШИМ очень хорошо подходят для

организованного подхода к их проектированию. Они более сложны, и

потому могут быть разбиты на элементарные функциональные блоки.

Разработчики таких источников питания, сознательно или неосознанно,

при проектировании реализуют функционально-блочный подход, который

здесь приводится.

Представление проекта в особом, упорядоченном виде значительно

упрощает ход проектирования, благодаря априорной информации,

требуемой для последующих этапов. Обычно проектирование резонансных

импульсных источников питания и источников с ШИМ начинается с

рассмотрения общих характеристик, далее разрабатываются секции

питания, затем проектируются управляющие и вспомогательные функции,

и, наконец, наступает стадия тестирования и усовершенствования. Все это

начинается с хорошо структурированной проектной спецификации, как

было описано в п. 1.3. После исходного определения рабочих

характеристик источника и среды, в которой он будет работать, ход

проектирования принимает вид блок-схемы, показанной на рисунке 2.

Вначале следует принять некоторые исходные решения, а именно

выбрать для импульсного источника питания используемую топологию.

Как только топология выбрана, направление проектирования определено,

можно приступать к расчетам.

Рисунок 1 – Функциональная блок-схема для ИПП с ШИМ

Фильтр

радиопомех и

схема

подавления

бросков

Входные

выпрямители

и фильтры

Трансформатор

Выпрямители

и фильтры

Схемы

защиты

Вход

Выход

 

DCV

 

DCV

out

Ключи

Запуск,

питание

микросхемы и

схема

смещения

Схема

управления

Цепь

обрат-

ной

связи

Управл

яющий

сигнал

Земля Земля