Перевод импульсного блока питания на другое напряжение

Обновлено: 21.11.2024

Преобразователь – это электрическая цепь, которая принимает на вход постоянный ток и генерирует на выходе постоянный ток с другим напряжением, что обычно достигается за счет высокочастотного коммутационного действия с использованием индуктивных и емкостных фильтрующих элементов.

Преобразователь мощности – это электрическая цепь, преобразующая электрическую энергию из одной формы в желаемую форму, оптимизированную для конкретной нагрузки. Преобразователь может выполнять одну или несколько функций и давать выходные данные, которые отличаются от входных. Он используется для увеличения или уменьшения величины входного напряжения, инвертирования полярности или создания нескольких выходных напряжений одинаковой полярности с входным, другой полярности или смешанной полярности, например, в блоке питания компьютера.

Преобразователи постоянного тока используются в широком спектре приложений, включая источники питания компьютеров, преобразование и регулирование мощности на уровне платы, схемы управления двигателями постоянного тока и многое другое.

Преобразователь действует как связующее звено или этап преобразования между источником питания и выходом источника питания. Существует несколько основных преобразователей в зависимости от входного напряжения источника и выходного напряжения, и они делятся на четыре категории, а именно преобразователь переменного тока в постоянный, известный как выпрямитель, циклопреобразователь переменного тока в переменный или преобразователь частоты, преобразователь постоянного напряжения или тока в постоянный. и преобразователь постоянного тока в переменный.

Рис. 1. Технические характеристики силового преобразователя

Преобразователь использует нелинейные компоненты, такие как полупроводниковые переключатели, и линейные реактивные компоненты, такие как катушки индуктивности, трансформаторы и конденсаторы, для промежуточного накопления энергии, а также для фильтрации тока и напряжения. Размер, вес и стоимость преобразователя во многом определяются этими компонентами.

В преобразователях постоянного тока широко используются три основные схемы преобразователя: понижающий, повышающий и понижающий и повышающий. Эти конфигурации являются наиболее часто используемыми топологиями из-за их простоты и использования меньшего количества компонентов. У каждого есть свои преимущества и недостатки, которые определяют пригодность для любого конкретного приложения.

Рис. 2. Схема неизолированного преобразователя

Понижающий преобразователь — это понижающий преобразователь, повышающий — повышающий, а повышающий и повышающий — одновременно повышающий и понижающий. Все они неизолированы и используют индуктор в качестве элемента передачи энергии и в основном используются для преобразования и регулирования мощности на уровне платы.

В изолированных преобразователях постоянного тока используется трансформатор для обеспечения изоляции, нескольких выходов, различного уровня напряжения или полярности в зависимости от соотношения витков и направления обмоток.

Они основаны на неизолированных топологиях, но с включением трансформатора. Обычно используемые типы: полный мост, полумост, прямой и двухтактный преобразователи, которые представляют собой изолированные версии понижающего преобразователя; и обратная связь, которая является изолированной версией повышающе-понижающего преобразователя.

Рис. 3. Полномостовой изолированный понижающий преобразователь

Для повышения производительности используются высокие частоты и быстродействующие силовые полупроводниковые устройства. Высокие частоты повышают эффективность при одновременном уменьшении физических размеров источников питания, поскольку они позволяют использовать более мелкие компоненты. Частоты обычно выше слышимого диапазона и находятся в диапазоне от 20 кГц до 200 кГц. Схема обратной связи и управления рабочим циклом обычно используется для регулировки условий включения и выключения для поддержания постоянного напряжения на выходе независимо от тока нагрузки или изменений напряжения питания.

Преобразователи широко используются в электронном оборудовании, в источниках питания и других цепях, требующих определенных уровней напряжения и тока, отличных от доступной необработанной энергии. Преобразователи любого типа обеспечивают требуемое напряжение нужной величины. При правильном проектировании и использовании почти идеальных компонентов доступные методы преобразования предлагают множество надежных и эффективных источников энергии для питания большинства электронных устройств и компонентов.

Введение.
Каждый день мы сталкиваемся с самыми разными электронными устройствами. Кроме того, существует множество контрольно-измерительных приборов, систем управления, коммуникационных устройств и любого количества различных электронных устройств или систем, находящихся на заднем плане общества в целом, от которых мы ежедневно зависим.

Независимо от типа электронного устройства, будь то потребительский продукт, такой как компьютеры, сотовые телефоны, игровые системы или более промышленные OEM-системы мониторинга и управления, все они имеют одно общее требование для своей работы: надежный и стабильный источник питания постоянного тока.

Сегодня используются три типа устройств преобразования энергии: источник питания переменного/постоянного тока, преобразователь постоянного/постоянного тока и инвертор постоянного/переменного тока. Из этих трех наиболее часто используются источники питания переменного/постоянного тока и преобразователи постоянного/постоянного тока.

Будь то основной преобразователь переменного/постоянного тока или встроенный преобразователь постоянного/постоянного тока в более крупную распределенную систему питания, ни один другой отдельный компонент не оказывает прямого влияния на общую надежность и производительность системы так, как вездесущий источник питания.

Блок питания не только обеспечивает надежное питание устройства, но и должен соответствовать спецификациям по безопасности пользователя, излучению и среднему времени безотказной работы, а также требованиям к температуре окружающей среды.

Линейный источник питания:
линейный источник питания, преобразующий линейное напряжение переменного тока в выходную мощность постоянного тока, выполняет несколько функций:

Входной трансформатор; изменяет высокое линейное напряжение переменного тока путем понижения до более подходящего низкого напряжения в соответствии с требованиями схемы системы - обычно с 3,3 В до 24 В.
Вводные выпрямители; изменяет пониженное напряжение переменного тока на напряжение постоянного тока.
Фильтрация; за счет использования выходных конденсаторов сглаживает пульсации выпрямленного переменного напряжения до среднего устойчивого уровня.
Регулировка выхода; за счет использования компонентов последовательного регулятора обеспечивает постоянное выходное напряжение в зависимости от изменений в сети, нагрузке и температуре.
Изоляция; электрически разделяет вход и выход источника питания, чтобы обеспечить как безопасность, так и изоляцию от линейных помех.

Линейный против. Сравнение импульсных источников питания:
Различия между двумя топологиями преобразователей мощности очевидны. Импульсные источники питания приобрели популярность благодаря их высокому КПД и высокой удельной мощности. Ключевой характеристикой между ними является выходная пульсация. Из-за распространения высокочастотного прерывания, используемого в импульсном источнике питания, выходная пульсация обычно выше, чем у линейного источника, в диапазоне 100 мВ. Это может быть проблематично при требованиях к низкому уровню шума, таких как контрольно-измерительные приборы, но эти эффекты можно смягчить с помощью схемы фильтрации выходного сигнала. Импульсные источники также имеют более медленное переходное время восстановления, чем линейные, но имеют гораздо более длительное время удержания выходного напряжения, что является важной характеристикой во многих компьютерных и контрольно-измерительных приложениях.

Импульсный источник питания имеет преимущество в более широком диапазоне входного напряжения, чем его линейный аналог. Линейный входной диапазон источника питания обычно составляет +/-10% и напрямую влияет на эффективность источника питания. При импульсном источнике размах входного напряжения практически не влияет на КПД, а диапазон входного напряжения обычно составляет 50–100 % при использовании универсального или автоматического линейного управления.

Присущий коммутатору более широкий диапазон входного напряжения делает блок питания полезным в условиях пониженного напряжения. Кроме того, благодаря использованию автоматического переключателя или схемы управления универсальным входом импульсные источники питания больше не требуют механических импортных перемычек для автоматической адаптации к разнице входного сетевого напряжения по всему миру, что значительно упрощает их применение.

Прямой преобразователь.
Другая конфигурация переключения заполнения называется прямым преобразователем. Хотя прямоходовой преобразователь имеет некоторое сходство с обратноходовым преобразователем, между ними есть некоторые ключевые отличия. Прямой преобразователь накапливает значительную энергию не в трансформаторе, а в выходной катушке индуктивности. Когда транзистор включается, выходное напряжение, генерируемое во вторичной обмотке, течет через диод в катушку индуктивности. Чем больше время включения ключа по сравнению со временем выключения, тем выше среднее вторичное напряжение и выше токовая нагрузка в разомкнутом состоянии.

Когда переключатель выключен, ток в катушке индуктивности не может измениться мгновенно. Из-за этого ток течет от элемента накопления энергии в течение обеих половин цикла переключения, в отличие от схемы обратного хода. Из-за этого прямоходовой преобразователь имеет более низкое выходное напряжение пульсаций, чем обратноходовая схема при том же уровне выходной мощности. Этот тип конфигурации используется для уровней мощности до 250 Вт.

Общая коммутационная мощность переменного/постоянного тока:

Понижающий преобразователь. Часто используемый в импульсных источниках питания с выходной мощностью до 1000 Вт. Понижающий регулятор, показанный ниже, работает как прямоходовой преобразователь, и в схеме отсутствует изоляция входа и выхода. Высокие входные напряжения постоянного тока регулируются до более низкого уровня широтно-импульсной модуляцией переключателя.

Повышающий регулятор. Похожая схема — это повышающий регулятор, который работает как понижающий регулятор, за исключением того, что в этом случае выходное напряжение выше входного. Выходное напряжение равно входному напряжению плюс напряжение определяется переключающим элементом.

Двухтактный преобразователь. Двухтактный преобразователь — это разновидность прямого преобразователя, за исключением того, что на первичной стороне преобразователя используются два переключающих элемента.

Полномостовые и полумостовые преобразователи. Другой часто используемой топологией являются полумостовые или полномостовые преобразователи, которые представляют собой разновидности прямого преобразователя. Единственная разница здесь заключается в том, что первичная обмотка трансформатора приводится в действие.

Коррекция коэффициента мощности. Эффекты коэффициента мощности сложны; по сути, коэффициент мощности системы переменного тока определяется как отношение реальной мощности, подаваемой на нагрузку, к полной мощности, обычно измеряемой как число от 0 до 1, часто выражаемое как процент рейтинга эффективности.

В системе электроснабжения нагрузка с низким коэффициентом мощности потребляет больше тока, чем нагрузка с высоким коэффициентом мощности, при том же количестве передаваемой полезной мощности. Эти более высокие токи увеличивают потери энергии в системах распределения электроэнергии и требуют более крупных проводов и оборудования, чтобы свести к минимуму их влияние. Из-за затрат, необходимых для дополнительного силового оборудования для замены потерянной энергии, электроэнергетические компании обычно взимают более высокую плату с промышленных или коммерческих клиентов, где используется большая мощность из-за низкого рейтинга коэффициента мощности.

Импульсные источники питания по своей конструкции потребляют ток от сети переменного тока короткими импульсами, когда мгновенное напряжение сети превышает напряжение на входном конденсаторе большой емкости в течение оставшейся части цикла переменного тока, для которого этот конденсатор обеспечивает питание. Это приводит к высокому содержанию гармоник и относительно низкому коэффициенту мощности, что создает дополнительную нагрузку на линии электропередач. Эти гармоники могут быть удалены с помощью банков фильтров, но такие большие возможности фильтрации могут быть дорогостоящими для реализации.

При выборе импульсного источника питания необходимо учитывать ряд факторов, таких как:

Входное напряжение и частота
Пусковой ток
Изоляция ввода/вывода
Допуск и регулировка выходного напряжения
Максимальный выходной ток/мощность
Пульсация и шум
Номинальный лид
Время установки, время нарастания и время удержания
Защита от перегрузки по току/перегрузки

- и другие факторы снижения характеристик

Все это играет огромную роль в том, что каждое приложение и компонент может сделать для этого конкретного преобразования.

У меня есть проект, для которого требуется другое напряжение (или несколько напряжений), чем то, что у меня есть. Иногда мне нужен постоянный ток вместо переменного или мне нужно более низкое или более высокое напряжение. Как преобразовать одно в другое? Должен ли я использовать резисторы или регулятор или что-то еще?

Я слышал о преобразователях, трансформаторах, регуляторах, инверторах, понижающих, повышающих, понижающих, повышающих, переключающих, линейных и других терминах. Или аббревиатуры (инициализмы), такие как PMIC и LDO. Кто-нибудь может пролить свет на все это?

1 Ответ 1

Преобразование напряжения и тока — одна из самых распространенных задач в электротехнике. Напряжение постоянно повышается (повышается или повышается) и понижается (понижается или понижается), чтобы подать электроэнергию в ваш дом или на работу. В электронных проектах также часто необходимо изменять напряжение, потому что не все компоненты используют одинаковое напряжение.

Основы

Во-первых, важно понимать разницу между напряжением, током и мощностью. Я не буду освещать это здесь, но есть много отличных ресурсов и книг. Проще говоря, мощность \$(P)\$ в ваттах – это произведение тока \$(I)\$ в амперах (амперах) и напряжения \$(E )\$ в вольтах или \$P=IE\$ . (Легко как пирог!)

Энергия сохраняется

При преобразовании одного напряжения в другое сохраняется энергия. Так, например, если вы хотите повысить напряжение с 5 до 12 вольт, вы ограничены тем количеством энергии, которое у вас было для начала. Если питание 5 В рассчитано на 10 Вт, после преобразования у вас остается только 10 Вт. (В реальном мире у вас меньше, потому что преобразование не на 100% эффективно.Но мы пока опустим это, чтобы сделать математику менее сложной.) Если мощность останется прежней, а напряжение увеличится, что тогда изменится? Текущий. Если доступно 10 Вт, то при запуске с 5 вольт источник питания обеспечит максимум 2 ампера \$(10Вт = 2А\умножить на 5В)\$ . После преобразования имеем 12 вольт, но только максимум 0,83 ампера \$(10Вт = 0,83А\умножить на 12В)\$ .

Понижение/понижение

Резистивное, например, делителем напряжения

Использование резисторов в качестве делителя напряжения — это самый грубый и простой способ понизить напряжение, и если все, на что вы хотите подать напряжение, — это другой резистор, резистивная нагрузка или аналоговый вывод на микроконтроллере, это может сработать. отлично. Но многие нагрузки являются не только резистивными. Часто они представляют собой комбинацию резистивных, емкостных и индуктивных. Кроме того, сложные устройства с микроконтроллерами или процессорами постоянно включают и выключают различные части, что означает переменную нагрузку. Делитель напряжения зависит от нагрузки, поэтому, если нагрузка имеет изменяющиеся характеристики, то (обязательно) изменится и подаваемое на нее напряжение. Для целей вопроса о преобразовании напряжения для управления некоторыми аспектами конструкции или проекта это неприемлемый вариант.

Линейный регулятор или регулятор с малым падением напряжения (LDO)

В линейном регуляторе используется обратная связь, поэтому он может постоянно регулировать выходное напряжение в зависимости от изменений. Это хорошо работает для небольших нагрузок, просто в реализации, не требует многих других компонентов и, как правило, недорого. Однако они не очень эффективны. Чтобы снизить напряжение, они рассеивают (избавляются) энергию в виде тепла.

Переключение регулятора

Импульсный стабилизатор также использует обратную связь для поддержания заданного выходного напряжения. Он работает путем включения и выключения (переключения) на высокой скорости (обычно 100 кГц или более) и регулирования рабочего цикла в зависимости от желаемого выходного напряжения и текущих условий нагрузки. Внешние катушки индуктивности и конденсаторы фильтруют и сглаживают прямоугольную волну включения/выключения обратно в постоянный ток. Они могут быть чрезвычайно эффективными и становятся все более недорогими. Они требуют выбора и добавления внешних компонентов, которые могут увеличить стоимость, размер и сложность. (Также доступны готовые или имеющиеся в наличии понижающие/повышающие преобразователи постоянного тока в постоянный, если вы не ставите своей целью прямое включение понижающей/повышающей схемы в свою конструкцию.) При поиске импульсных регуляторов их часто называют интегральной схемой управления питанием (PMIC). (PMIC не ограничиваются переключающими регуляторами, они могут включать другие типы или несколько типов.)

Понижающий трансформатор, применяется к переменному току, а не к постоянному.

Трансформатор представляет собой две катушки индуктивности, соединенные таким образом, что ток, проходящий через одну, создает ток в другой. Однако из-за принципа электромагнитной индукции для этого требуется изменяющееся магнитное поле. Постоянный ток (DC) течет в постоянном направлении и поэтому не меняется. Переменный ток (AC) постоянно меняет полярность (меняет направление), поэтому магнитное поле постоянно меняется. Напряжение можно понизить, уменьшив количество витков на вторичной обмотке трансформатора. Обратите внимание, что в трансформаторе нет регулирования.

Повышение/усиление

Переключение регулятора

Импульсные стабилизаторы также можно использовать для повышения напряжения. Применяются те же принципы, что и описанные ранее (для компенсирующего напряжения), в том смысле, что для фильтрации и сглаживания выходного сигнала необходимы внешние компоненты.

Трансформатор, относится к переменному току, а не к постоянному.

Увеличив количество витков вторичной обмотки, повышающий трансформатор может увеличить напряжение. Опять же, это относится только к переменному току, а регулирование невозможно без дополнительных компонентов/схем.

Переменный или постоянный ток?

Иногда можно сбить с толку, когда речь идет о "преобразовании" напряжения. В разговорной речи люди будут использовать подобные термины из соображений удобства и не обязательно с технической точностью. Если вам нужно изменить переменный ток на постоянный, это технически называется выпрямлением. Если вы меняете постоянный ток на переменный, он использует инвертор. (Почему он называется инвертором?) Коммерческие продукты, такие как те, что можно найти на автомобильном, солнечном и домашнем рынках, часто делают все вышеперечисленное. «Инвертор» обычно берет низкое постоянное напряжение от батареи и «преобразовывает» его в переменное, а также повышает его до привычного сетевого напряжения (120/240 В переменного тока).

TL;DR

Мне просто нужно переключиться с одного напряжения на другое. Что мне следует использовать?

Ответ на этот вопрос: "это зависит".

Для снижения напряжения в маломощных и малошумящих устройствах линейный стабилизатор все же может быть хорошим и простым выбором. Микросхемы серии LM78xx существуют уже давно. Существует множество других вариантов, и зачастую они лучше.

Для компенсации напряжения, когда эффективность является приоритетом, рассмотрите импульсный регулятор (PMIC).Вам нужно будет немного больше изучить пассивные компоненты, которые его поддерживают. Не существует универсальной интегральной схемы, и многие производители, такие как Texas Instruments, Analog Devices и Microchip, предлагают отличные импульсные стабилизаторы.

Для повышения напряжения вам, скорее всего, лучше всего подойдет импульсный стабилизатор.

Мощные приложения требуют определенного уровня знаний. Обратите внимание, что этот пост не предназначен для удаленного рассмотрения. Здесь в большей степени будут задействованы трансформаторы. Если вы работаете над мощным приложением, вам не нужна эта статья. :)

Доступны стандартные понижающие/повышающие преобразователи, если вы не пытаетесь внедрить что-то в свой собственный дизайн. Например, если вы хотите подать 48 В на что-то от одной батареи на 12 В, вы можете найти множество уже собранных и выставленных на продажу «DC-DC Boost Converter». Обычно они измеряются в ваттах и бывают разных размеров, поэтому убедитесь, что вы выбрали правильный.

Помните, что повышение напряжения означает, что выходной ток будет меньше. Аналогично, понижающее напряжение означает, что выходной ток может быть выше. Например, в приведенном выше примере, если устройству на 48 В требуется 2 А (или почти 100 Вт), вход на 12 В должен подавать как минимум в четыре раза ток, или 12 В — 8 А. . Убедитесь, что ваш блок питания или аккумулятор соответствуют этим требованиям!

В предыдущих разделах мы представили обзор преобразования переменного тока в постоянный на основе трансформаторов и коммутационных систем с точки зрения работы и схем. В этом разделе мы попытаемся обобщить их плюсы и минусы.

Рис. 8. Трансформаторная система преобразования переменного тока в постоянный

Рисунок 9. Переключение системного преобразования переменного/постоянного тока

Рисунок 10. Сравнение трансформатора и системы переключения

С точки зрения конфигурации схемы, из-за различий в используемых методах преобразования система переключения является более сложной. Кроме того, для системы переключения требуется схема управления (в основном ИС).

Несмотря на то, что эти две системы похожи по используемым компонентам, для системы переключения требуются некоторые детали, устойчивые к более высокому напряжению, что, как и следовало ожидать, сопряжено с некоторыми финансовыми последствиями.

Тем не менее, наиболее существенная разница заключается в эффективности, а по объему/весу система переключения считается более выигрышной.

Например, вы заметили, что настенные адаптеры для зарядки портативных устройств в последнее время стали меньше и легче? На рис. 11 показаны общедоступные настенные адаптеры. Левый блок представляет собой систему трансформатора, а правый блок представляет собой систему переключения. Что касается технических характеристик, правый блок, меньший по размеру, имеет выходную мощность, которая больше на 1 Вт.

В системе коммутации входной переменный ток (50/60 Гц), который был преобразован в постоянный, преобразуется обратно в высокочастотный переменный ток, что позволяет использовать трансформаторы меньшего размера и выходные конденсаторы, что существенно снижает форм-фактор. В разделе об основных операциях мы заявили, что «система переключения после выпрямления и сглаживания входного переменного тока работает так же, как преобразователь постоянного тока в постоянный», и это также в полной мере относится к переключающему настенному адаптеру. С точки зрения эффективности также переключение позволяет извлекать исключительно требуемую мощность для повышения эффективности и, очевидно, для уменьшения рассеивания тепла.

В любом процессе проектирования необходимо принимать во внимание компромисс между эффективностью, размером и стоимостью. Понимая различия, плюсы и минусы этих систем, мы считаем, что можно сделать оптимальный выбор. Недавно была отмечена проблема мощности, потребляемой адаптерами переменного тока в режиме ожидания. Решение может заключаться в переходе на систему коммутации.

Ключевые моменты:

・Несмотря на то, что система коммутации в настоящее время становится основным методом преобразования энергии, нам необходимо четкое понимание проблем, характерных для системы коммутации.

Для повседневных электронных устройств, особенно со встроенными схемами, требуется надежный источник постоянного напряжения, который может обеспечивать питание в любое время без каких-либо сбоев. В этом блоге мы рассмотрим две топологии конструкции источников питания, которые следует рассмотреть для вашего следующего проекта: линейные регулируемые и импульсные источники питания.Выбранный вами источник питания в конечном итоге зависит от ваших требований к эффективности, занимаемому месту, регулированию мощности, переходному времени отклика и стоимости.

Линейный регулируемый источник питания

Линейные регуляторы были предпочтительными источниками питания до 1970-х годов для преобразования переменного тока (AC) в устойчивый постоянный ток (DC) для электронных устройств. Хотя этот тип блока питания сегодня не используется так широко, он по-прежнему является лучшим выбором для приложений, требующих минимального уровня шума и пульсаций.

Они могут быть громоздкими, но источники питания с линейной стабилизацией бесшумны. (Источник изображения)

Как они работают

Основным компонентом, обеспечивающим работу линейного регулятора, является стальной или железный трансформатор. Этот преобразователь выполняет две функции:

Он действует как барьер, отделяющий вход переменного тока высокого напряжения от входа постоянного тока низкого напряжения, который также отфильтровывает любые помехи, попадающие в выходное напряжение.
Он снижает входное напряжение переменного тока со 115 В/230 В примерно до 30 В, которое затем можно преобразовать в постоянное напряжение постоянного тока.

Переменное напряжение сначала понижается трансформатором, а затем выпрямляется несколькими диодами. Затем оно сглаживается до низкого постоянного напряжения парой больших электролитических конденсаторов. Это низкое постоянное напряжение затем регулируется как постоянное выходное напряжение с помощью транзистора или интегральной схемы.

Вот блок питания с линейным стабилизатором. (Источник изображения)

Регулятор напряжения в линейном источнике питания действует как переменный резистор. Это позволяет изменять значение выходного сопротивления в соответствии с требованиями к выходной мощности. Поскольку регулятор напряжения постоянно сопротивляется току для поддержания напряжения, он также действует как рассеивающее устройство. Это означает, что полезная мощность постоянно теряется в виде тепла для поддержания постоянного уровня напряжения.

Трансформатор уже является крупным компонентом печатной платы (PCB). Из-за постоянной мощности и тепловыделения блоку питания с линейным регулятором потребуется радиатор. Только эти два компонента делают устройство очень тяжелым и громоздким по сравнению с небольшим форм-фактором импульсного источника питания.

Предпочитаемые приложения

Линейные стабилизаторы известны своей низкой эффективностью и большими размерами, но они обеспечивают бесшумное выходное напряжение. Это делает их идеальными для любого устройства, требующего высокой частоты и низкого уровня шума, например:

Схемы управления
Малошумящие усилители
Процессоры сигналов
Автоматизированное и лабораторное испытательное оборудование
Датчики и схемы сбора данных

Преимущества и недостатки

Источники питания с линейной стабилизацией могут быть громоздкими и неэффективными, но их низкий уровень шума идеально подходит для приложений, чувствительных к шуму. Некоторые преимущества и недостатки этой топологии, которые следует учитывать, включают:

Простое приложение. Линейные регуляторы могут быть реализованы в виде целого пакета и добавлены в схему только с двумя дополнительными фильтрующими конденсаторами. Это позволяет инженерам любого уровня подготовки с легкостью планировать и проектировать их с нуля.
Низкая стоимость. Если вашему устройству требуется выходная мощность менее 10 Вт, то затраты на компоненты и производство намного ниже по сравнению с импульсными источниками питания.
Низкий уровень шума/пульсаций. Линейные стабилизаторы имеют очень низкую пульсацию выходного напряжения и широкую полосу пропускания. Это делает их идеальными для любых чувствительных к шуму приложений, включая устройства связи и радио.

Недостатки

Ограниченная гибкость. Линейные регуляторы можно использовать только для понижения напряжения. Для источника питания переменного/постоянного тока трансформатор с выпрямлением и фильтрацией необходимо будет разместить перед линейным источником питания, что увеличит общие затраты и усилия.
Ограниченные результаты. Источники питания с линейной стабилизацией обеспечивают только одно выходное напряжение. Если вам нужно больше, вам нужно будет добавить отдельный линейный регулятор напряжения для каждого требуемого выхода.
Низкая эффективность. Среднее линейное регулируемое устройство достигает КПД 30-60% за счет рассеивания тепла. Это также требует добавления радиатора, который увеличивает размер и вес устройства.

В наше время энергоэффективных устройств низкий рейтинг эффективности линейного регулируемого источника питания может стать причиной сделки. Обычный блок питания с линейной стабилизацией будет работать с КПД около 60% при выходном напряжении 24 В.При потребляемой мощности 100 Вт вы теряете 40 Вт.

Прежде чем рассматривать возможность использования источника питания с линейной стабилизацией, мы настоятельно рекомендуем учитывать потери мощности на пути от входа к выходу. Вы можете быстро оценить эффективность линейного регулятора по следующей формуле:

Импульсный источник питания (SMPS)

Импульсные источники питания появились в 1970-х годах и быстро стали самым популярным способом подачи постоянного тока на электронные устройства. Что делает их такими замечательными? По сравнению с линейными регуляторами они отличаются высокой эффективностью и производительностью.

В стандартный адаптер переменного тока входит импульсный блок питания. (Источник изображения)

Как они работают

Импульсный источник питания регулирует выходное напряжение с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Этот процесс создает высокочастотный шум, но обеспечивает высокую эффективность при небольшом форм-факторе. При подключении к сети переменного тока 115 В или 230 В переменного тока сначала выпрямляются и сглаживаются набором диодов и конденсаторов, что обеспечивает высокое постоянное напряжение. Это высокое постоянное напряжение затем понижается с помощью небольшого ферритового трансформатора и набора транзисторов. Процесс понижения по-прежнему сохраняет высокую частоту переключения от 200 кГц до 500 кГц.

Низкое постоянное напряжение, наконец, преобразуется в постоянный постоянный ток с помощью другого набора диодов, конденсаторов и катушек индуктивности. Любая регулировка, необходимая для поддержания постоянного выходного напряжения, выполняется путем регулировки ширины импульса высокочастотного сигнала. Этот процесс регулирования работает через цепь обратной связи, которая постоянно отслеживает выходное напряжение и при необходимости регулирует коэффициент включения/выключения ШИМ-сигнала.

Вот импульсный блок питания, в котором деталей намного больше, чем в линейном. (Источник изображения)

Предпочитаемые приложения

Вы чаще всего найдете импульсные блоки питания, используемые в приложениях, где важны срок службы батареи и температура, например:

Электролиз, переработка отходов или применение топливных элементов
Двигатели постоянного тока, игровые автоматы, авиация и судостроение
Оборудование для исследований и разработок, производства и испытаний
Зарядка литий-ионных аккумуляторов, используемых в авиации и транспортных средствах.
Гальванопокрытие, анодирование и гальванопластика.

Преимущества и недостатки

Импульсные источники питания могут иметь более высокий КПД, чем линейные стабилизаторы, но их шум делает их плохим выбором для приложений радиосвязи и связи. Некоторые преимущества и недостатки этой топологии, которые следует учитывать, включают:

Малый форм-фактор. Понижающий трансформатор в SMPS работает на высокой частоте, что, в свою очередь, уменьшает его объем и вес. Это позволяет импульсному источнику питания иметь гораздо меньший форм-фактор, чем линейный стабилизатор.
Высокая эффективность. Регулирование напряжения в импульсном источнике питания осуществляется без отвода избыточного количества тепла. Эффективность SMPS может достигать 85–90%.
Гибкие приложения. Дополнительные обмотки могут быть добавлены к импульсному источнику питания, чтобы обеспечить более одного выходного напряжения. Импульсный источник питания с трансформаторной изоляцией также может обеспечивать выходное напряжение, которое не зависит от входного напряжения.

Недостатки

Сложный дизайн. По сравнению с линейными регуляторами планирование и проектирование импульсных источников питания обычно предназначено для специалистов по энергетике. Это не лучший выбор блока питания, если вы планируете разработать свой собственный без тщательного изучения или опыта.
Высокочастотный шум . Переключение МОП-транзистора в импульсном источнике питания приводит к появлению высокочастотных помех в выходном напряжении. Это часто требует использования радиочастотного экранирования и фильтров электромагнитных помех в устройствах, чувствительных к шуму.
Более высокая стоимость. Для более низкой выходной мощности 10 Вт или меньше дешевле использовать блок питания с линейной стабилизацией.

Источники питания с переключателями никуда не денутся, и их лучше всего использовать в приложениях, не чувствительных к шуму. Сюда входят такие устройства, как зарядные устройства для мобильных телефонов, двигатели постоянного тока и т. д.

Сравнение линейного регулятора и SMPS

Теперь мы собираемся провести окончательное сравнение между линейными регулируемыми и импульсными источниками питания при их параллельном сравнении.Некоторые из наиболее важных требований, которые необходимо учитывать, включая размер/вес, диапазон входного напряжения, рейтинг эффективности и уровень шума среди других факторов. Вот как это происходит:

Как спроектировать собственный источник питания В рамках этого блога невозможно объяснить, как спроектировать линейный регулируемый или импульсный источник питания. Тем не менее, есть несколько руководств, которыми мы хотели бы поделиться. Имейте в виду, что проектирование SMPS требует высокого уровня сложности и не рекомендуется для новичков в области проектирования электроники. Руководства по проектированию линейных регулируемых источников питания

Руководства по проектированию импульсных блоков питания

Питание включено Большинство электронных устройств в наши дни должны преобразовывать сеть переменного тока в стабильное выходное напряжение постоянного тока. Для этой цели следует рассмотреть две топологии: линейные регулируемые и импульсные источники питания. Линейное регулирование идеально подходит для приложений, требующих низкого уровня шума, в то время как импульсные источники питания лучше подходят для портативных устройств, где важно время автономной работы и эффективность. При принятии решения о том, какую топологию выбрать, всегда учитывайте требуемый рейтинг эффективности, форм-фактор, выходную стабилизацию и требования к шуму. Готовы спроектировать свой первый линейный регулируемый или импульсный источник питания? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно уже сегодня!

Читайте также: