Как сделать импульсный блок питания: МОЩНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ НА 12В

Как ремонтировать импульсный блок питания

Импульсный источник питания — это инверторная система, в которой входное переменное напряжение выпрямляется, а потом полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсы высокой частоты и установленой скважности, которые как правило, подаются на импульсный трансформатор.

Немного о применении и устройстве ИБП

Под аббревиатурой ИБП достаточно часто упоминается источник бесперебойного питания. Чтобы не было разночтений, условимся, что в данной статье это Импульсный Блок Питания.

Практически все импульсные блоки питания, применяющиеся в электронной аппаратуре построены по двум функциональным схемам.

Рис.1. Функциональные схемы импульсных блоков питания

По полумостовой схеме выполняются, как правило, достаточно мощные блоки питания, например компьютерные. По двухтактной схеме изготавливаются также блоки питания мощных эстрадных УМЗЧ и сварочных аппаратов.

Кому доводилось ремонтировать усилители мощностью 400 и более ватт, прекрасно знает, какой у них вес.

Речь идет, естественно, об УМЗЧ с традиционным трансформаторным блоком питания. ИБП телевизоров, мониторов, DVD-проигрывателей чаще всего делаются по схеме с однотактным выходным каскадом.

Хотя реально существуют и другие разновидности выходных каскадов, которые показаны на рисунке 2.

Рис.2. Выходные каскады импульсных блоков питания

Здесь показаны только силовые ключи и первичная обмотка силового трансформатора.

Если внимательно посмотреть на рисунок 1, нетрудно заметить, что всю схему можно разделить на две части — первичную и вторичную. Первичная часть содержит сетевой фильтр, выпрямитель напряжения сети, силовые ключи и силовой трансформатор. Эта часть гальванически связана с сетью переменного тока.

Кроме силового трансформатора в импульсных блоках питания применяются еще развязывающие трансформаторы, через которые управляющие импульсы ШИМ – контроллера подаются на затворы (базы) силовых транзисторов. Таким способом обеспечивается гальваническая развязка от сети вторичных цепей.

В более современных схемах эта развязка осуществляется при помощи оптронов.

Вторичные цепи гальванически отвязаны от сети при помощи силового трансформатора: напряжение с вторичных обмоток подается на выпрямитель, и далее в нагрузку. От вторичных цепей питаются также схемы стабилизации напряжения и защиты.

Очень простые импульсные блоки питания

Выполняются на базе автогенератора, когда задающий ШИМ контроллер отсутствует. В качестве примера такого ИБП можно привести схему электронного трансформатора Taschibra.

Рис.3. Электронный трансформатор Taschibra

Подобные электронные трансформаторы выпускаются и другими фирмами. Их основное назначение — питание галогенных ламп. Отличительная особенность подобной схемы — простота и малое количество деталей. Недостатком можно считать то, что без нагрузки эта схема просто не запускается, выходное напряжение нестабильно и имеет высокий уровень пульсаций. Но лампочки все-таки светят! При этом вторичная цепь полностью отвязана от питающей сети.

Совершенно очевидно, что ремонт такого блока питания сводится к замене транзисторов, резисторов R4, R5, иногда диодного моста VDS1 и резистора R1, выполняющего роль предохранителя. Просто нечему больше в этой схеме сгореть. При небольшой цене электронных трансформаторов чаще просто покупается новый, а ремонт делается, что называется, «из любви к искусству».

Сначала техника безопасности

Коль скоро имеется такое весьма неприятное соседство первичной и вторичной цепей, которые в процессе ремонта обязательно, пусть, даже случайно, придется пощупать руками, то следует напомнить некоторые правила техники безопасности.

Прикасаться к включенному источнику можно только одной рукой, ни в коем случае не сразу обеими. Это известно каждому, кто работает с электрическими установками. Но лучше не касаться вовсе, или, только после отключения от сети путем выдергивания вилки из розетки. Также не следует на включенном источнике что-то паять или просто крутить отверткой.

В целях обеспечения электробезопасности на платах блоков питания «опасная» первичная сторона платы обводится достаточно широкой полосой или заштриховывается тонкими полосками краски, чаще белого цвета. Это предупреждение о том, что трогать руками эту часть платы опасно.

Даже выключенный импульсный блок питания можно касаться руками только через некоторое время, не менее 2…3 минут после выключения: на высоковольтных конденсаторах заряд сохраняется достаточно долго, хотя в любом нормальном блоке питания параллельно конденсаторам установлены разрядные резисторы. Помните, как в школе предлагали друг другу заряженный конденсатор! Убить, конечно, не убьет, но удар получается достаточно чувствительный.

Но самое страшное даже не в этом: ну, подумаешь, чуть щипнуло. Если сразу после выключения прозвонить электролитический конденсатор мультиметром, то вполне возможно пойти в магазин за новым.

Когда такое измерение предвидится, конденсатор нужно разрядить, хотя бы пинцетом. Но лучше это сделать с помощью резистора сопротивлением в несколько десятков КОм. В противном случае разряд сопровождается кучей искр и достаточно громким щелчком, да и для конденсатора такое КЗ не очень полезно.

И все же, при ремонте приходится касаться включенного импульсного блока питания, хотя бы для проведения каких-то измерений. В этом случае максимально обезопасить себя любимого от поражения электричеством поможет развязывающий трансформатор, часто его называют трансформатор безопасности.

Если же в двух словах, то это трансформатор с двумя обмотками на 220В, мощностью 100…200Вт (зависит от мощности ремонтируемого ИБП), электрическая схема показана на рисунке 4.

Рис.4. Трансформатор безопасности

Левая по схеме обмотка включается в сеть, к правой обмотке через лампочку подключается неисправный импульсный блок питания. Самое главное при таком включении это то, что ОДНОЙ рукой прикасаться к любому концу вторичной обмотки можно безбоязненно, равно как и ко всем элементом первичной цепи блока питания.

О роли лампочки и ее мощности

Чаще всего ремонт импульсного блока питания выполняется без развязывающего трансформатора, но в качестве дополнительной меры безопасности включение блока производится через лампочку мощностью 60…150Вт. По поведению лампочки можно, в общем, судить о состоянии блока питания. Конечно, такое включение не обеспечит гальванической развязки от сети, трогать руками не рекомендуется, но от дыма и взрывов вполне может защитить.

Если при включении в сеть лампочка зажигается в полный накал, то следует искать неисправность в первичной цепи. Как правило, это пробитый силовой транзистор или выпрямительный мост. При нормальной работе блока питания лампочка сначала вспыхивает достаточно ярко (заряд конденсаторов), а потом нить накала продолжает слабо светиться.

Насчет этой лампочки существует несколько мнений. Кто-то говорит, что она не помогает избавиться от непредвиденных ситуаций, а кто-то считает, что намного снижается риск спалить только что запаянный транзистор.

Будем придерживаться этой точки зрения, и лампочку для ремонта использовать.

О разборных и неразборных корпусах

Чаще всего импульсные блоки питания выполняются в корпусах. Достаточно вспомнить компьютерные блоки питания, различные адаптеры, включаемые в розетку, зарядные устройства для ноутбуков, мобильных телефонов и т.п.

В случае компьютерных блоков питания все достаточно просто. Из металлического корпуса выкручиваются несколько винтиков, снимается металлическая же крышка и, пожалуйста, вся плата с деталями уже в руках.

Если корпус пластмассовый, то следует поискать на обратной стороне, где находится сетевая вилка, маленькие шурупчики. Тогда все просто и понятно, отвернул и снял крышку. В этом случае можно сказать, что просто повезло.

Но в последнее время все идет по пути упрощения и удешевления конструкций, и половинки пластмассового корпуса просто склеиваются, причем достаточно прочно. Один товарищ рассказывал, как возил в какую-то мастерскую подобный блок.

На вопрос, как же его разобрать мастера сказали: «Ты, что не русский?». После чего взяли молоток и быстренько раскололи корпус на две половинки.

На самом деле это единственный способ для разборки пластиковых клееных корпусов. Вот только колотить надо аккуратно и не очень фанатично: под действием ударов по корпусу могут оборваться дорожки, ведущие к массивным деталям, например, трансформаторам или дросселям.

Помогает также вставленный в шов нож, и легкое постукивание по нему все тем же молотком. Правда, после сборки остаются следы этого вмешательства. Но пусть уж будут незначительные следы на корпусе, зато не придется покупать новый блок.

Как найти схему

Если в прежние времена практически ко всем устройствам отечественного производства прилагались принципиальные электрические схемы, то современные иностранные производители электроники делиться своими секретами не хотят. Вся электронная техника комплектуется лишь руководством пользователя, где показывается, какие надо нажимать кнопки.

Принципиальные схемы к пользовательскому руководству не прилагаются.

Предполагается, что устройство будет работать вечно или ремонт будет производиться в авторизованных сервисных центрах, где имеются руководства по ремонту, именуемые сервис мануалами (service manual). Сервисные центры не имеют права делиться со всеми желающими этой документацией, но, хвала интернету, на многие устройства эти сервис мануалы находить удается. Иногда это может получиться безвозмездно, то есть, даром, а иногда нужные сведения можно получить за незначительную сумму.

Но даже если нужную схему найти не удалось, отчаиваться не стоит, тем более при ремонте блоков питания. Практически все становится понятно при внимательном рассмотрении платы. Вот этот мощный транзистор — не что иное как выходной ключ, а эта микросхема — ШИМ контроллер.

В некоторых контроллерах мощный выходной транзистор «спрятан» внутри микросхемы. Если эти детали достаточно габаритные, то на них имеется полная маркировка, по которой можно найти техническую документацию (data sheet) микросхемы, транзистора, диода или стабилитрона. Именно эти детали составляют основу импульсных блоков питания.

Даташиты содержат весьма полезную информацию. Если это микросхема ШИМ контроллера, то можно определить, где какие выводы, какие на них приходят сигналы. Тут же можно найти внутреннее устройство контроллера и типовую схему включения, что очень помогает разобраться с конкретной схемой.

Несколько сложнее найти даташиты на малогабаритные компоненты SMD. Полная маркировка на маленьком корпусе не помещается, вместо нее на корпусе ставится кодовое обозначение из нескольких (три, четыре) букв и цифр. По этому коду с помощью таблиц или специальных программ, добытых опять-таки в интернете, удается, правда не всегда, найти справочные данные неведомого элемента.

Измерительные приборы и инструмент

Для ремонта импульсных блоков питания потребуется тот инструмент, который должен быть у каждого радиолюбителя. В первую очередь это несколько отверток, кусачки-бокорезы, пинцет, иногда пассатижи и даже упомянутый выше молоток. Это для слесарно-монтажных работ.

Для паяльных работ, конечно же, понадобится паяльник, лучше несколько, различной мощности и габаритов. Вполне подойдет обычный паяльник мощностью 25…40Вт, но лучше, если это будет современный паяльник с терморегулятором и стабилизацией температуры.

Для отпаивания многовыводных деталей хорошо иметь под руками если не супердорогую паяльную станцию, то хотя бы простенький недорогой паяльный фен. Это позволит без особых усилий и разрушения печатных плат выпаивать многовыводные детали.

Для измерения напряжений, сопротивлений и несколько реже токов понадобится цифровой мультиметр, пусть даже не очень дорогой, или старый добрый стрелочный тестер. О том, что стрелочный прибор еще рано списывать со счетов, какие он дает дополнительные возможности, которых нет у современных цифровых мультиметров, можно прочитать в статье «Стрелочные и цифровые мультиметры — достоинства и недостатки».

Неоценимую помощь в ремонте импульсных блоков питания может оказать осциллограф. Тут тоже вполне возможно воспользоваться стареньким, даже не очень широкополосным электронно-лучевым осциллографом. Если конечно есть возможность приобрести современный цифровой осциллограф, то это еще лучше. Но, как показывает практика, при ремонте импульсных блоков питания можно обойтись и без осциллографа.

Собственно при ремонте возможны два исхода: либо отремонтировать, либо сделать еще хуже. Тут уместно вспомнить закон Хорнера: «Опыт растет прямо пропорционально числу выведенной из строя аппаратуры». И хотя закон этот содержит изрядную долю юмора, в практике ремонта дела обстоят именно таким образом. Особенно в начале пути.

Поиск неисправностей

Импульсные блоки питания выходят из строя намного чаще, чем другие узлы электронной аппаратуры. В первую очередь сказывается то, что присутствует высокое сетевое напряжение, которое после выпрямления и фильтрации становится еще выше. Поэтому силовые ключи и весь инверторный каскад работают в очень тяжелом режиме, как электрическом, так и тепловом. Чаще всего неисправности кроются именно в первичной цепи.

Неисправности можно разделить на два типа. В первом случае отказ импульсного блока питания сопровождается дымом, взрывами, разрушением и обугливанием деталей, иногда дорожек печатной платы.

Казалось бы, что вариант простейший, достаточно только поменять сгоревшие детали, восстановить дорожки, и все заработает. Но при попытке определить тип микросхемы или транзистора выясняется, что вместе с корпусом улетучилась и маркировка детали. Что тут было, без схемы, которой чаще под рукой нет, узнать невозможно. Иногда ремонт на этой стадии и заканчивается.

Второй тип неисправности тихий, как говорил Лёлик, без шума и пыли. Просто бесследно пропали выходные напряжения. Если этот импульсный блок питания представляет собой простой сетевой адаптер вроде зарядника для сотового или ноутбука, то в первую очередь следует проверить исправность выходного шнура.

Чаще всего происходит обрыв либо около выходного разъема, либо у выхода из корпуса. Если блок включается в сеть при помощи шнура с вилкой, то в первую очередь следует убедиться в его исправности.

После проверки этих простейших цепей уже можно лезть в дебри. В качестве этих дебрей возьмем схему блока питания 19-дюймового монитора LG_flatron_L1919s. Собственно неисправность была достаточно простой: вчера включался, а сегодня не включается.

При кажущейся серьезности устройства — как-никак монитор, схема блока питания достаточно проста и наглядна.

Описание схемы и рекомендации по ремонту

После вскрытия монитора было обнаружено несколько вздутых электролитических конденсаторов (C202, C206, C207) на выходе блока питания. В таком случае лучше поменять сразу все конденсаторы, всего шесть штук. Стоимость этих деталей копеечная, поэтому не стоит ждать, когда они тоже вспучатся. После такой замены монитор заработал. Кстати, такая неисправность у мониторов LG достаточно частая.

Вспученные конденсаторы вызывали срабатывание схемы защиты, о работе которой будет рассказано чуть позже. Если после замены конденсаторов блок питания не заработал, придется искать другие причины. Для этого рассмотрим схему более подробно.

Рис 5. Блок питания монитора LG_flatron_L1919s (для увеличения нажмите на рисунок)

Сетевой фильтр и выпрямитель

Сетевое напряжение через входной разъем SC101, предохранитель F101, фильтр LF101 поступает на выпрямительный мост BD101. Выпрямленное напряжение через термистор Th201 поступает на сглаживающий конденсатор C101. На этом конденсаторе получается постоянное напряжение 310В, которое поступает на инвертор.

Если это напряжение отсутствует или намного меньше указанной величины, то следует проверить сетевой предохранитель F101, фильтр LF101, выпрямительный мост BD101, конденсатор C101, и термистор Th201. Все указанные детали легко проверить с помощью мультиметра. Если возникает подозрение на конденсатор C101, то лучше поменять его на заведомо исправный.

Кстати, сетевой предохранитель просто так не сгорает. В большинстве случаев его замена не приводит к восстановлению нормальной работы импульсного блока питания. Поэтому следует искать другие причины, приводящие к перегоранию предохранителя.

Предохранитель следует ставить на тот же ток, который указан на схеме, и ни в коем случае не «умощнять» предохранитель. Это может привести к еще более серьезным неисправностя.

Инвертор

Инвертор выполнен по однотактной схеме. В качестве задающего генератора используется микросхема ШИМ-контроллера U101 к выходу которой подключен силовой транзистор Q101. К стоку этого транзистора через дроссель FB101 подключена первичная обмотка трансформатора T101 (выводы 3-5).

Дополнительная обмотка 1-2 с выпрямителем R111, D102, C103 используется для питания ШИМ контроллера U101 в установившемся режиме работы блока питания. Запуск ШИМ контроллера при включении производится резистором R108.

Выходные напряжения

Блок питания вырабатывает два напряжения: 12В/2А для питания инвертора ламп подсветки и 5В/2А для питания логической части монитора.

От обмотки 10-7 трансформатора T101 через диодную сборку D202 и фильтр C204, L202, C205 получается напряжение 5В/2А.

Последовательно с обмоткой 10-7 соединена обмотка 8-6, от которой с помощью диодной сборки D201 и фильтра C203, L201, C202, C206, C207 получается постоянное напряжение 12В/2А.

Защита от перегрузок

В исток транзистора Q101 включен резистор R109. Это датчик тока, который через резистор R104 подключен к выводу 2 микросхемы U101.

При перегрузке на выходе ток через транзистор Q101 увеличивается, что приводит к падению напряжения на резисторе R109, которое через резистор R104 подается на вывод 2CS/FB микросхемы U101 и контроллер перестает вырабатывать управляющие импульсы (вывод 6OUT). Поэтому напряжения на выходе блока питания пропадают.

Именно эта защита и срабатывала при вспученных электролитических конденсаторах, о которых было упомянуто выше.

Уровень срабатывания защиты 0,9В. Этот уровень задается источником образцового напряжения внутри микросхемы. Параллельно резистору R109 подключен стабилитрон ZD101 с напряжением стабилизации 3,3В, что обеспечивает защиту входа 2CS/FB от повышенного напряжения.

К выводу 2CS/FB через делитель R117, R118, R107 подается напряжение 310В с конденсатора С101, что обеспечивает срабатывание защиты от повышенного напряжения сети. Допустимый диапазон сетевого напряжения, при котором монитор нормально работает находится в диапазоне 90…240В.

Стабилизация выходных напряжений

Выполнена на регулируемом стабилитроне U201 типа A431. Выходное напряжение 12В/2А через делитель R204, R206 (оба резистора с допуском 1%) подается на управляющий вход R стабилитрона U201. Как только выходное напряжение становится равным 12В, стабилитрон открывается и засвечивается светодиод оптрона PC201.

В результате открывается транзистор оптрона, (выводы 4, 3) и напряжение питания контроллера через резистор R102 подается на вывод 2CS/FB. Импульсы на выводе 6OUT пропадают, и напряжение на выходе 12В/2А начинает падать.

Напряжение на управляющем входе R стабилитрона U201 падает ниже опорного напряжения (2,5В), стабилитрон запирается и выключает оптрон PC201. На выходе 6OUT появляются импульсы, напряжение 12В/2А начинает возрастать и цикл стабилизации повторяется снова. Подобным образом цепь стабилизации построена во многих импульсных блоков питания, например, в компьютерных.

Таким образом, получается, что на вход 2CS/FB контроллера с помощью проводного ИЛИ подключены сразу три сигнала: защита от перегрузок, защита от превышения напряжения сети и выход схемы стабилизатора выходных напряжений.

Вот тут как раз уместно вспомнить, как можно проверить работу этой петли стабилизации. Для этого достаточно при ВЫКЛЮЧЕННОМ!!! из сети блоке питания подать на выход 12В/2А напряжение от регулируемого блока питания.

На выход оптрона PC201 зацепиться лучше стрелочным тестером в режиме измерения сопротивлений. Пока напряжение на выходе регулируемого источника ниже 12В, сопротивление на выходе оптрона будет большим.

Теперь будем увеличивать напряжение. Как только напряжение станет больше 12В, стрелка прибора резко упадет в сторону уменьшения сопротивления. Это говорит о том, что стабилитрон U201 и оптопара PC201 исправны. Следовательно, стабилизация выходных напряжений должна работать нормально.

В точности так же можно проверить работу петли стабилизации у компьютерных импульсных блоков питания. Главное разобраться в том, к какому напряжению подключен стабилитрон.

Если все указанные проверки прошли удачно, а блок питания не запускается, то следует проверить транзистор Q101, выпаяв его из платы. При исправном транзисторе виновата, скорей всего, микросхема U101 или ее обвязка. В первую очередь это электролитический конденсатор C105, который лучше всего проверить заменой на заведомо исправный.

Ранее ЭлектроВести писали, что ОП «Энергоатом-Трейдинг» на торгах Украинской энергетической биржи (УЭБ) реализовал 168 тыс. МВт*ч «ночной» электроэнергии по цене 682,35 грн/МВт*ч, что на 43,2% ниже стартовой цены, составляющей 1200 грн/Мвт*ч.

По материалам: electrik.info.

Импульсный блок питания для усилителя на SG3525+ТГР.

Добавлена версия ИИП от  февраля 2020 года без стабилизации напряжения:

Рисунок платы:

Скачать архив платы: DA-Power-300w-02.2020.zip (8596 Загрузок)

Описание прошлых версий.

Предлагаю вашему вниманию достаточно простой и надежный импульсный блок питания для усилителей. (ИИП)

Схема ИИП.Блок питания в сборе.

Печатная плата:

Характеристики:

— напряжение питания 220в;

— мощность 300вт;

— защита от короткого замыкания, защита от постоянного напряжения на выходе усилителя;

— частота преобразования 48-50кГц;

— напряжение питания +-50в ( может быть любым).

ИИП основан на продвинутом ШИМ контроллере SG3525, который имеет мощный выход и без проблем тягает тяжелые затворы полевиков без применения дополнительных драйверов.

Плата ИИП со стабилизацией выходного напряжения: 

Схема:

Рисунок печатной платы:

Скачать файл платы ИИП со стабилизацией: DA-Power-300w-25-03-2019-1. zip (1906 Загрузок)

Фото собранного ИИП.

3-й вариант платы — это стабилизированный однополярный блок питания 14,4в, можно использовать как зарядник для автомобильного аккумулятора.

Схема:

Многие спрашивают, как можно добавить регулировку тока заряда, при использовании ИИП  в качестве зарядного устройства аккумулятора. Для этого достаточно добавить ещё одну оптопару в цепь обратной связи, параллельно U1. Ток заряда проходит через шунты 4*0.1ом 1вт, на базу транзистора 2n5551 подано напряжение смещения, чтобы он оставался закрытым, при превышении тока, который регулируется переменным резистором 1кОм, напряжение на базе транзистора увеличивается, и светодиод отпопары начинает светится, что ведёт к уменьшению заполнения импульса ШИМ SG3525. Схема не проверена, но работать должна!!! Кто собрал, отпишитесь в комментариях!!!!

Рисунок печатной платы:

Скачать файл печатной платы в lay: DA_Power_300w_220-14v.zip (1844 Загрузки)

Фото готовой платы:

Блок питания самой последней версии:

DA-Power-300w-1212-v-04. 2019.lay6_.zip (762 Загрузки)

Характеристики:
— питание 210-230в;
— мощность долговременная 330вт, кратковременная 550вт.
— выходное напряжение +36в/-36в ( может быть любым)
— дополнительные сервисные напряжения +15/-15в 100мА, +12в 100мА.
— защита от короткого замыкания в нагрузке;
— светодиодная сигнализация работы ИИП.

Общая информация по сборке блоков питания:

ТГР.

( Трансфоматор гальванической развязки) один из отпугивающих элементов схемы. Он необходим для того, чтобы обычный не полумостовой драйвер мог управлять полевыми транзисторами,так как между затворами большое напряжение. Сложного в нем ничего нет, он состоит из маленького колечка с тремя одинаковыми обмотками из тонкого провода. Фазировка первичной обмотки не играет роли, а вот вторичные обмотки должны подсоединяться зеркально, для того чтобы происходило по очередное открывание полевых транзисторы, в противном случае откроются одновременно, что приведёт к короткому замыканию и выходу их из строя.

Намотан на колечке 16*10*4,5мм PC 40 сразу 3 проводами, перчика  45 витков, вторички по 37 витков.

ТГР.

Первичка одним цветом вторички другим, необходимо перед монтажем прозвонить выводы и вставить согласно расположению, т.е. я плату развел так, что выводы симметрично вставляются, каждый со своей стороны.

ТГР на плате.

Форма импульсов на ТГР примерно такая:

Если мы недостаточно намотаем витков, то генерация может срываться, это сопровождается шипением силового трансформатора при работе. Вот такой некрасиво работает ТГР с 22 витками на том же колечке, видимо, насыщение играет роль. Лучше перемотать, чем недомотать)) Также ТГР спасает шимку при пробое ключей.

Срыв генерации.

Питание SG3525.

Одной из проблем в построении ИИП- это сложность обеспечить драйверы необходимым питанием 12 в от сети 220в. Способов существует множество, для слабых драйверов ставят мощный резистор, либо резистор послабее, выпрямляя лишь полуволну сетевого напряжения с помощью однополупериодного выпрямителя. Некоторые вообще ставят отдельный трансформатор 50Гц, либо же обратноходовый преобразователь, все это очень усложняет схему. Я пошёл очень простым путём, не стал гальванических отделять силовую и управляющую цепь, так как используется ТГР, а применил простейший конденсаторный блок питания. Он способен обеспечить питанием 12 в и током до 60мА, что достаточно для драйвера SG2525. Для уменьшения пульсаций 50Гц поставил конденсатор 1000мкф 25в. Для более тяжёлых ключей, нужно увеличивать ток блока питания увеличив ёмкость конденсатора 1мкф. Таким образом сильно выигрываем в КПД, греется лишь стабилитрон 13в, на нем выделяется 13в*0.06А= 0.78Вт, берём с запасом 1-ваттный.

Защиты.

Для токовой защиты использовал токовый шунт, состоящий из резистора 0,22ом, при КЗ напряжение на нем становиться достаточно , чтобы засветился светодиод оптопары, ну а открывшийся транзистор включает защелку. На 10-й ноге SG3525 появляется положительный потенциал, модуляция прекращается мгновенно. Дальнейшая работа возможна при обесточивании ИИП на 10 секунд.

Защита от постоянки срабатывает при появлении +0.5в и -2.5в на выходе любого из каналов и практически мгновенно отключает генерацию импульсника. Нужно лишь подключить тонким проводом выходы каналов усилителя к ИИП.

Силовой трансформатор.

Пример упрощенного расчета для усилителя 2*100Вт ( +-35в):

Самое сложное в построении усилителя — это изготовление импульсного трансформатора питания , но если следовать простым шагам, то получится намотать его с первого раза. Для начала надо понять, как вообще работает ИИП. Сетевое напряжение 220в выпрямляется до амплитудного значения синусоиды (220*1,41=310в). ИИП построен по полумостовой схеме, соответственно к трансформатору будет прикладывается половина напряжения питания (310/2=155в). В программе старичка ExeellentIT считаем минимальное количество витков первичной обмотки, для кольца 31*19*13 нужно намотать ровно 50 витков. Толщину провода считаем вручную, для меня так проще, допустим, в наличии имеется провод толшиной 0. 7мм по лаку, если убрать лак и замерить еще раз, то получися 0.6мм по меди. Площадь будет соответственно 0.6*0.6*3.14/4=0.3мм². Для импульсного трансформатора допустимый ток через медный повод может быть 5-10А/мм², в зависимости от типа трансформатора и условий охлаждения. Я обычно беру значение 8А/мм², мой провод площадью 0.3мм² может пропустить через себя (0.3*8=2.4А), тогда мощность первичной обмотки будет (2.4А*155=372вт). Теперь самое интересное, рассчитываем вторичные обмотки, но сначала надо определиться с выходным напряжением. Оно будет зависеть от того, сколько мощности мы хотим получить от усилителя.
Пример: нам нужно запитать 2 канала усилителя мощностью по 100ватт, а чтобы получить эту соточку нужно приложить напряжение 20в к нагрузке 4 Ом на выходе. Но 20в — это среднеквадратичное значение напряжения (RMS), амплитудное будет в 1.41 раза больше, 20*1.41=28.2в. Иными словами, для того чтобы получить 100ватт на нагрузку 4 ома, необходимо усилитель питать напряжением +-28в, но это справедливо лишь для стабилизированого источника (не в нашем случае), а также мы же хотим получить 100 чистых ватт, смело добавляем пару вольт, чтобы усилитель давам мало искажений при 100вт, ещё надо учитывать что нестабилизированное напряжение ИИП падает под нагрузкой примерно на 10%. В итоге, чтобы получить 100 чистых ватт нужно (28в+2в)*1.1=33в.
Считаем количество витков вторичной обмотки. Для начала определяем количество вольт на 1 виток:155в/50= 3.1вольт/виток. Для +-33в надо 33/3.1=10,64 витка , берём с запасом 11 витков, напряжение ХХ при этом будет 11*3.1= +-34.1в.
Сам феррит имеет свойство проводить элекричество, сопротивление кольца из материала PC40 обычно бывает в районе 10кОм, поэтому необходимо обмотать кольцо термостойкой лентой, в моём случае это будет доступный всем лейкопластырь, он очень эластичен и хорошо клеится.

Первичка 50 витков для колечка 31*19*13 PC40.

Первичная обмотка.

А вот так выглядят 4 вторички для питания +-50в ( разом 16 витков).

Вторичные обмотки.

Для удобства фазировки я маркирую концы вторички так: ровно, срез под углом, загиб, и большой загиб ( чтобы потом не вызванивать)

Маркировка.

Сфазировать очень просто, на плате я указал выводы ( В- обмотки сверху, Н — снизу, ну или начало или конец, как угодно). Фазировать первичку не нужно!

Фазировка

Силовой трансформатор имеет 4 одинаковые обмотки для того, чтобы использовать всего лишь 2 диода Шоттки с общим катодом. Большие радиаторы им не нужны, так как они имеют малое падение напряжение, которое ещё и уменьшается с нагревом.

Небольшие радиаторы диодов Шоттки.

Прочее:

Дроссели питания мотаются на таких же кольцах, что и ТГР. Но для правильной работы во избежание насыщения необходимо сделать немагнитный зазор, который легко пропилить обычной болгаркой. Нужно намотать примерно 25 витков:

Дроссели после диодов сглаживают пульсации и ограничивают ток через полевые транзисторы в момент пуска преобразователя. Сама микросхема в момент старта на затворы пускает тонкие иголки ( режим мягкого старта), которые расширяются со временем, тем самым осуществляется плавный пуск ИИП. Например IR2153 сразу полностью открывает полевики, в момент пуска они часто горят, тем более если во вторичке высокое питание и большие емкости электролитов ( считай, кратковременное КЗ при пуске). SG3525 в щадящем режиме приоткрывает полевые транзисторы, с ней даже работает китайский левак.  Ёмкость конденсатора после сетевого выпрямителя берем из расчёта 1мкф на 1вт мощности, в моём случае это 330мкф 400в, т.е с запасом.

Очень важно! Первый запуск ИИП ( чтобы в космос не улетел)!!!!!

Вот хороший способ безопасно проверить работоспособность преобразователя после сборки:
Ставим перемычку на конденсатор 1мкф, который питает SG3525, вместо 220в продаём питание 12в, если все собрано верно, то на ТГР будет происходить геренация, а на выходе блока питания появится постоянное напряжение около 1-2вольта ( зависит от количества витков вторички). Главное потом убрать перемычку перед включением в сеть, сначала через резистор 100-200ом, затем напрямую. Делаеться это во избежание поломки ИИП в результате какой-либо ошибки.

Вот этот конденсатор 10мкф в цепи защиты нужен для того, чтобы не было ложных срабатываний токовой защиты в момент пуска с большими емкостями питания ( справедливо для 8000 мкф и +-35в в плече). Не стоит злоупотреблять емкостями во вторичке, от этого плохо полевикам в момент пуска, а бесконечно замедлять защиту нельзя увеличивая емкость конденсатора  С8 10мкф, иначе при КЗ может не успеть сработать.

Снабберы я не ставлю, без них меандр на силовом трансформаторе хороший:

Заземление.

Внизу платы есть отверстие под болт, так вот это точка соединения блока питания с корпусом, чтобы избавится от наводок шума и прочее. Данный блок питания успешно применяю в своих усилителях, шума и наводок нет!! Высоковольтные конденсаторы 2,2нф 2кВ создают виртуальную землю,  они применяются во всех импульсных промышленных устройствах. Больше на корпус никакие дополнительные земли и нули кидать не нужно.

Фото процесса и готового ИИП.

Изготовление плат.Травление в растворе перекиси и лимонной кислоты с солью.

 

Подготовка.ЛУТ — лазерный принтер + утюг.

Драйвер очень умный, при желании можно прикрутить стабилизацию выходного напряжения.

Импульсный блок питания на два напряжения 5 и 12 вольт 1,2А для электронных самоделок

Привет Муськовчане! Как я обещал в обзоре милливольтметра, хочу рассказать Вам об импульсном блоке питания, с двумя изолированными (друг от друга) напряжениями 5В и 12В. Потребность в таком блоке питания возникает часто, а учитывая небольшие размеры платы, подобный источник питания легко встроить (найти место) в корпус Вашего электронного устройства, самоделки… Давайте протестируем этот ИИП, что бы определится с его «проф. пригодностью».))) Кому интересно — добро пожаловать под Кат… Внимание много фото!!!!

Почему я выбрал такой источник питания?
1. Изолированные друг от друга каналы — часто это очень важно, к примеру, дать питания 12В на плату управления какого-либо силового устройства, а от 5В «запитать» цифровой индикатор (ампервольметр). Если будет гальваническая связь между каналами 5В и 12В, это может привести к неправильной работе, в лучшем случае и большому «бабаху» в худшем…
2. На фото ИИП я увидел, хотя бы какое-то подобие входного фильтра (синфазный дроссель в том числе), для блоков питания нижнего ценового диапазона это редкость, а мне не хочется «гадить» помехами в сеть, т.к в эту же сеть у меня включен осциллограф, который начинает показывать «чужие» помехи при измерении.
3. Небольшой размер — часто бывает, что в ходе сборки появляются дополнительные блоки, которые требуют свое питание, благодаря небольшим размерам найти место для этого ИИП будет не сложно.
Скрин заказа выкладываю под спойлером:

Скрин заказа

Давайте рассмотрим детали ИИП подробнее. Я буду фонариком выделять те части которые описываю, ибо по другому прочитать маркировку деталей сложно…
1. Высоковольтная часть ИИП
Рассмотрим входной каскад и фильтр. См фото:

Как мы видим на фото, что есть предохранитель, термистор (5D9) и синфазный дроссель. Понятно, что фильтр не полный, не хватает как минимум Х конденсатора, без него возможны помехи в питающую сеть. Попробуем его после тестов впаять куда-нибудь. За дросселем идет электролитический конденсатор на 22мкФ 400В. По «феншую» количество микроФарад на входе равняется количеству Вт выдаваемых блоком питания. Соответственно ИИП рассчитан на 22W. Давайте суммируем заявленную мощность 2-х каналов. 5В 1.2А и 12В 1.2А итого 6W+ 14.4W= 20.4W Таким образом емкости входного конденсатора достаточно.
2. Микросхема -драйвер, широко известная TOP223Y, соответственно это обратноходовый импульсный источник питания.

Зная какая стоит микросхема драйвер, мы можем нарисовать схему импульсного источника питания. Упрощенная схема такая (из даташит), только у нас не один, а два независимых канала на выходе:

Что меня удивило, что микросхема стоит на радиаторе через изолирующую прокладку. Зачем это сделали китайцы вообще не понятно, т.к. сам радиатор не имеет электрического контакта со схемой. Понятно, что с прокладкой охлаждение будет хуже. И по хорошему эту прокладку нужно убрать, и посадить микросхему на термопасту. Давайте также проверим соответствие мощности микросхемы-драйвера, мощности самого блока питания. См таблицу из даташит:

Как видим, при универсальном питании наша микросхема дает мощность до 30W, что соответствует мощности ИИП. Тут все нормально.
3. На фото мы видим клампер первичной обмотки импульсного трансформатора и элементы «самопитания» микросхемы драйвера

Клампер выполнен по классической схеме RCD и особенностей не имеет. Диод D2, электролит С3 и резистор R2 это элементы «самопитания» микросхемы TOP.
4. Элементы обратной связи, трансформатор и два Y конденсатора мы видим на следующем фото

Опять же это классика обратноходовых ИИП. В качестве управляемого стабилитрона использована микросхема TL431, гальваническая развязка осуществляется оптотроном 817 серии. За импульсным трансформатором мы видим два Y конденсатора, которые существенно снижают помехи и соединяют «горячую» и «холодные» земли…
5. Выходной каскад представлен диодами на каждый канал, затем выпрямительные конденсаторы и LC фильтры, которые снижает уровень выходных помех. Китайцы не поставили снаббры на диоды и керамику на ножки электролитических конденсаторов, которые могут заметно удлинить «жизнь» электролитов. Но не сложно поставить эти керамические конденсаторы самостоятельно…


Поглядим так же обратную сторону платы источника питания:

Мы видим диодный мост на входе и видим что китайцы сделали технологическую прорезь под импульсным трансформатором, однако толку он нее мало, т.к под Y конденсаторами есть место, где дорожки «горячей» и «холодной» части проходят довольно близко друг от друга.

В общем, исполнение данного ИИП я могу оценить на Три с плюсом (3+) по Советской пятибалльной школьной системе)))
Поставим плату ИИП на латунные втулки и подпаяем входные провода. Даем напряжение осветительной сети. На плате ИИП загорелся красный светодиод сигнализирующий, что на выходе есть напряжение.

Тут мы видим первые странности. Обратите внимания на выходные контакты. Зачем то там китайцы поставили 3 плюса (+), видать что бы запутать пользователя и дезориентировать))))
Зачем это сделано непонятно, тем более что плюсы нарисованы у катода, а не анода… Потому проверяйте полярность мультиметром. Если смотреть на выходные контакты Минус слева, а Плюс справа!!!

Проверяем напряжение на выходах без нагрузки. Напряжение в норме (соответствует)


Ниже на осциллограмме вы можете увидеть помехи на стабилизированном 5В выходе ИИП без нагрузки на выходе. Как мне кажется помехи в пределах допустимого.

Теперь даем нагрузку 1А на выход 5В См фото…

На осциллографе уже не такая идиллия:

Однако напряжение просело совсем немного всего на 7мВ… Одноамперную нагрузку ИИП держит нормально…
Странность №2 На фото видно, что выпрямительные диоды стоящие после импульсного трансформатора в каналах 5В и 12В разные (хотя 1А способны выдержать оба диода)… Потому у меня возникло подозрение, что ток в 12 вольтовом канале вряд ли будет как заявлен в описании на сайте Banggood…

Догадка мгновенно подтвердилась, когда я начал испытания 12 вольтового канала. См фотографию: (подозрения не подтвердились, что бы не было просадки в 12В канале, нужно нагрузить 5В стабилизированный канал)

Уже при токе чуть выше 300мА просадка напряжения на выходе составило более 1 вольта. Чего уж там говорить про заявленный 1 Ампер… Пульсации тоже явно выше заявленных на сайте Banggood… Проблема, как я думаю, в импульсном трансформаторе, судя по его размеру, 20Вт снять с него довольно сложно… Но менять и перематывать трансформатор, ради того, что бы добиться заявленных продавцом значений, я не буду…
Более серьезно протестировать этот блок питания смогу, после того как мне приедет купленная электронная нагрузка…

Но она еще в дороге…

Выводы: Данный ИИП подходит для нетребовательных к чистоте питания, низкотоковых потребителей, таких как различные панельные ампервольметры, зарядные устройства и другие самоделки.

Да я был не прав, прошу прощения у Banggood… Если нагрузить стабилизированный 5 вольтовый канал (благодаря подсказке Aloha_), то просадка в 12В канале не наблюдается… См фото…


Данный Импульсный блок питания по току соответствует приведенным на сайте параметрам.

UPD: Допилинг, доставил конденсатор на вход, пусть не формата Х, но рассчитанный на 630В, емкость небольшая, ну хоть для самоуспокоения, что на входе что-то есть…

Так же впаял 4 керамических смд конденсатора 100n на ножки электролитов, думаю, что лишними не будут…

После того как приедет нагрузка, еще раз протестирую этот ИИП и добавлю обзор.

Как сделать блок питания, выбор схемы. — Радиомастер инфо

Как известно, блок питания едва ли не самое распространенное электронное устройство. Простой блок питания сделать под силу даже начинающим. Но какую схему выбрать? Их столько, что многие теряются. В данной статье коротко рассказано об основных четырех типах схем и даны рекомендации их использования.

Перед тем, ка вы решили изготовить или подобрать готовый блок питания необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Какое напряжение должен выдавать блок питания? Это можно определить по характеристикам того устройства, которое будет подключаться к блоку питания.
2. Какой ток должен обеспечивать блок питания? Это так же указано на устройстве, которое будет подключено. Если указана потребляемая мощность, то ток можно определить, разделив мощность на напряжение.

Учитывая сказанное, перейдем к рассмотрению основных типов схем.

1. Бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором.

Применяется при небольших токах, десятки миллиампер, редко сотни миллиампер. На практике используется для зарядки аккумуляторов небольших фонарей, питания светодиодов и т.д. Схема такого блока питания:

Величина емкости С1 при активной нагрузке определяется по формуле:

С1 – емкость, Ф

Iэфф – эффективное значение тока нагрузки, А

Uc — напряжение сети, В

Uн – напряжение на нагрузке, В

f -частота сети, 50 Гц

π — число 3,14

Если нагрузка не всегда подключена, или ее ток меняется, то схема должна содержать стабилитрон, который не позволит напряжению на конденсаторе С2 и нагрузке превысить допустимое значение:

Величина емкости С1 рассчитывается с учетом максимального тока стабилитрона и тока нагрузки.

В этой формуле: 3,5 — коэффициент, Iстmin — минимальный ток стабилитрона, Iнmax — ток нагрузки максимальный, Ucmin — напряжение сети минимальное, Uвых — напряжение выхода блока питания.

Тип емкости С1 К73-17 или подобные, рабочее напряжение не ниже 400 В. Можно С1 зашунтировать резистором несколько сотен кОм, для разряда конденсатора в выключенном состоянии.

Подробнее о расчетах таких схем рассказано в журнале Радио №5 за 1997 год (стр. 48-50).

Понятно, что при отключенной нагрузке блок питания будет потреблять мощность на работу стабилитрона, соизмеримую с мощностью нагрузки. КПД поэтому низкий. Это одна из причин использования таких схем только для малых токов. Работая с такими блоками питания важно помнить, что их детали имеют гальваническую связь с сетью и опасность поражения током велика.

2. Второй тип схем, трансформаторные блоки питания. Вот основная схема.

По такой схеме можно делать блоки питания практически на любые напряжения и токи. На практике они представлены от маломощных, например, блок питания антенного усилителя собранный в сетевой вилке, до сварочника, вес которого десятки килограмм.

Приблизительный расчет трансформатора можно посмотреть здесь, более подробный и точный здесь.

Если токи нагрузки большие, емкость фильтра С1 нужна большая, тысячи микрофарад. В этом случае после диодного моста нужно ставить сопротивление, несколько Ом, чтобы в момент включения, когда С1 разряжен, бросок зарядного тока не вывел из строя диодный мост.

Если токи несколько ампер, то на диодах будет рассеиваться большая мощность. Для ее снижения применяют диоды Шоттки, на них падает меньшее напряжение (до 0,5 В), в отличие от кремниевых диодов на которых при больших токах может падать больше 1 В.

Чтобы еще снизить потери, применяют двухполупериодный выпрямитель с двумя диодами и двумя обмотками. Вот его схема:

В данном случае вторичных обмотки две. Они соединены последовательно. Мотаются проводом в половину тоньше, чем для схемы с четырьмя диодами. Так, что количество меди то же самое. Потери ниже вдвое, так как диода два. Допустим на каждом падает 1 В, при токе 10 А, это мощность потерь 10 Вт на каждом диоде. Если диода два вместо четырех, в тепло идет не 40 Вт, а 20. Польза очевидна.

Вышеприведенные схемы имеют существенный недостаток. Напряжение на выходе меняется при изменении напряжения сети. Как известно, допустимые изменения напряжения сети ±5%, от 220 В это составит (209-231) В, предельные изменения ±10%, (198-242) В. В процентном отношении так же будет изменяться и выходное напряжение.

Для устранения этого недостатка применяют стабилизаторы, от простейших на стабилитроне, иногда с транзистором, до стабилизаторов на микросхемах.

Например:

Здесь 7812 (LM7812 или аналог) распространенная микросхема стабилизатор на 12 В. Основные правила применения таких микросхем:

— напряжение на входе от 14 В до 35 В, (при минимальном напряжении сети не менее 14 В при максимальном не более 35 В)

— максимальный ток, при длительной работе 1,5 А

— мощность, рассеиваемая без теплоотвода 1,5 Вт, с теплоотводом до 15 Вт (в некоторых справочниках пишут даже 9 Вт).

Главная ошибка, которую допускают при применении таких микросхем заключается в том, что в основном смотрят на ток и забывают про мощность. Например, от микросхемы хотят запитать нагрузку на напряжение 12 В потребляющую ток 1 А. Кажется, что это можно сделать без проблем, ведь максимальный ток этой микросхемы 1,5 А.

Но, допустим, в сети максимальное напряжение 242 В и на входе микросхемы 35 В. Эта микросхема компенсационного типа, т.е. все лишнее напряжение 35 – 12 = 23 В упадет на микросхеме. При этом мощность, которая будет рассеиваться на микросхеме будет равна 23В х 1А= 23Вт. А допустимая мощность, с радиатором, всего 15 Вт. Микросхема перегреется и сгорит. Для такого случая ее допустимый ток 15 Вт : 23 В = 0,65 А, и это с радиатором.

3. Импульсные стабилизаторы в трансформаторных блоках питания.

Эти стабилизаторы имеют значительно меньшие потери, чем выше рассмотренные. В них регулирующий элемент работает в ключевом режиме. У него два состояния полностью открыт или полностью закрыт. Падение напряжения на нем при этом минимально и рассеиваемая мощность также. Величина выходного напряжения пропорциональна длительности выходных импульсов.

Uвых = tоткр/T × Uвх

Где:

Uвых — напряжение на выходе стабилизатора

tоткр – время открытого состояния ключа

Т — период импульсов

Uвх – входное напряжение стабилизатора

Схема, поясняющая принцип работы:

Как видим, здесь присутствует индуктивность L, в которой накапливается энергия и импульсный диод VD. Именно с помощью этих двух элементов, ну и конечно конденсатора С, установленного за индуктивностью, импульсы после ключа VT превращаются в постоянное напряжение.

Пример такой схемы на транзисторах:

И на микросхеме:

4. Импульсные блоки питания.

Это самые эффективные и малогабаритные блоки. У них нет большого понижающего трансформатора, даже при больших токах и мощностях. Пример наиболее мощного импульсного блока питания — сварочный инвертор, который при сварочных токах 250 А весит всего несколько килограмм.

Принцип работы.

Напряжение сети 220 В поступает на диодный мост и затем на фильтр (конденсатор). Напряжение приобретает значение 310 В (при напряжении сети 220 В). Это напряжение питает выходной трансформаторный каскад и генератор. Вся схема работает на частотах до 100 кГц и даже выше. На таких частотах трансформаторы делают из феррита и их габариты в десятки раз меньше, чем у трансформаторов, работающих на частоте сети 50 Гц. Как правило, сама схема импульсного блока питания является стабилизатором и напряжение на выходе не зависит от изменения напряжения сети. Современные импульсные блоки питания, как правило работают при изменении напряжения сети от 110 В до 240 В.

Пример схемы импульсного блока питания, поясняющий принцип работы, на наиболее распространенной микросхеме UC3842.

Напряжение сети 220В через плату фильтра (ППФ) поступает на сетевой выпрямитель (СВ), конденсатор фильтра (Сф) и через обмотку трансформатора на ключ VT. Через сопротивление R3 уменьшенное напряжение поступает на вывод 7 для запуска микросхемы. После начала работы на вывод 7 дополнительно, через диод VD1, с обмотки трансформатора поступает питание в установившемся режиме.

Внутри микросхемы мы видим генератор (ГЕН), ШИМ (широтно-импульсный модулятор) для управления мощным ключом, выполненном на полевом транзисторе VT. На вывод 3 поступает сигнал обратной связи.

Практическая схема импульсного блока питания на микросхеме UC3842:

Пример изготовления схемы блока питания для ноутбука можно посмотреть здесь.

Есть микросхемы импульсных блоков питания, совмещенные с мощным выходным ключом. Но их принцип работы аналогичен рассмотренному.

Вывод.

Если нужны токи десятки миллиампер блок питания можно сделать по схеме первого типа.

Дешевый блок питания, габариты которого не так важны можно собрать по схеме второго типа. Компенсационные стабилизаторы целесообразно применять на токах до 1 А.

Так же недорогой блок питания, даже со стабилизатором выходного напряжения, на токи до 3 А можно собрать по схеме третьего типа.

Ну а если нужен малогабаритный блок питания, с защитой от перегрузок, на токи больше 3 А, с малым уровнем пульсаций, устойчивый к изменениям напряжения сети — конечно нужно собирать по схеме четвертого типа.

Материал статьи продублирован на видео:

 

Как создать импульсный источник питания

Чтобы понять, почему эволюция электроники привела к гораздо более сложному способу изготовления регулируемых блоков питания, нам нужно вернуться немного назад и взглянуть на линейные блоки питания.

Линейные блоки питания — это простые, надежные и тихие блоки питания с хорошей стабилизацией и низким уровнем пульсаций. Так зачем же менять? Есть две основные причины, и обе связаны со стоимостью. Во-первых, для линейных источников питания требуются большие и дорогие трансформаторы.Во-вторых, регулирующий транзистор выделяет много тепла, что требует больших и дорогих радиаторов. Например, переменный источник питания 50 В, настроенный на выход 5 В при 2 А, может иметь (50 В — 5 В) * 2 А = 90 Вт тепла, которое необходимо рассеять.

Импульсный источник питания (SMPS) почти устраняет обе эти проблемы, но схема становится более сложной.

Как работает импульсный источник питания

На приведенной выше блок-схеме сеть подается непосредственно в первый блок без использования трансформатора.Конечно, диоды и конденсаторы, используемые здесь, должны подходить для этой задачи. Обратите внимание, что здесь также может подаваться постоянный ток, например, в преобразователе постоянного тока с 12 В на 5 В. Входящий в сеть переменный ток теперь представляет собой выпрямленный постоянный ток высокого напряжения.

Следующий блок — это высокочастотный преобразователь, схема прерывателя, включающая и выключающая силовое устройство, такое как полевой МОП-транзистор, с частотой несколько кГц. Это высокочастотный трансформатор, который преобразует входящий постоянный ток в прямоугольную волну.

Следующий каскад еще раз исправляет это и отфильтровывает пульсации и шум.В последнем блоке, цепи управления, происходит волшебство. Это цепь обратной связи, управляющая полевым МОП-транзистором прерывателя.

Схема управления имеет делитель / умножитель напряжения, который измеряет выходное напряжение. Поскольку мы будем передавать это обратно в цепь прерывателя, работающую на сотни вольт, его необходимо изолировать, обычно с помощью оптопары. Опорный сигнал генерируется фиксированным опорным диодом или подстроечным резистором. Усилитель ошибки сравнивает эти два напряжения и регулирует генератор ШИМ (широтно-импульсной модуляции), который управляет полевым МОП-транзистором.

Собираем все вместе

Функциональная блок-схема, приведенная выше, дает лучшее и более подробное представление о задействованных частях.

Практический пример

Ниже показан простой, но работающий импульсный источник питания. Ядром этой схемы является импульсный стабилизатор TNY267. Эта одна микросхема выполняет функции генератора ШИМ, переключателя прерывателя MOSFET, усилителя ошибки и схемы управления.

Конечный выход этой схемы — 12 В, и он может выдавать 1 А:

.

Примечания к цепи

• Vin — сетевой разъем на 100–300 В переменного тока.
• MOV — это металлооксидный варистор, используемый для защиты схемы от скачков высокого напряжения.
• D3 — двухполупериодный мостовой выпрямитель, и выход постоянного тока появляется на конденсаторе C2. При входном напряжении 220 В переменного тока это будет примерно 220 В * 1,4 = 308 В постоянного тока, поэтому будьте осторожны!
• D2 — это диод подавления переходных процессов на 180 В для защиты от всплесков обратной ЭДС.
• TNY267 работает на частоте около 132 кГц.
• Диод D1 (Шоттки) на вторичной обмотке выпрямляет переменный ток 132 кГц, а конденсатор C1 сглаживает пульсации.
• Конденсатор C3 — это обязательный байпасный конденсатор.
• Резисторы R1, R2 и диод D5 обеспечивают цепь обратной связи с TNY267 через оптоизолятор, чтобы гарантировать электрическую изоляцию от сети во всех точках.
• Первичная обмотка транзистора T1 — 157т, а вторичная — 14т. Сердечник представляет собой ферритовый трансформатор типа E19 с центральным сердечником примерно 4,5 × 4,5 мм.

Детали схемы выше содержат очень высокие напряжения переменного и постоянного тока. Убедитесь, что используемые вами компоненты рассчитаны на такое напряжение.И никогда не работайте с высоковольтными устройствами, если вы не прошли полную подготовку и не компетентны в этом.

Теперь мы знаем, насколько более эффективным может быть импульсный источник питания, но он более сложен и требует качественных компонентов для обеспечения надежности.

Спасибо, что прочитали, и обязательно оставьте комментарий ниже, если у вас есть вопросы по чему-либо!

Изображения использованы с разрешения www.tutorialspoint.com.

История импульсных источников питания (SMPS).

Новости XP

Источники питания — как далеко мы зашли?

Недавно я обедал с клиентом, с которым мы работали с конца 1990-х годов. Мы увидели много изменений за это время, и, когда подошел основной курс, мы начали говорить о том, как технологии источников питания развивались за эти годы. Это было наиболее заметно в областях эффективности и удельной мощности.

Первым в мире блоком, который он разработал с использованием XP Power, был блок питания 3 x 5 дюймов 40 Вт. В то время это могло считаться революционным, но если учесть, что в его последнем продукте использовался блок 350 Вт в том же пространстве, становится понятно, что ясно, как далеко мы зашли.

Технологический прогресс

Я провел небольшое исследование по этому поводу после нашего рабочего обеда, и, насколько я могу судить, самые первые импульсные источники питания были разработаны IBM в 1958 году.Они были основаны на ламповой технологии. Примерно в то же время корпорация General Motors подала несколько патентов на «транзисторные колебания».

Благодаря такому технологическому прогрессу дизайнеры внезапно получили возможность выбирать из множества компонентов и множества производителей, предоставляя им беспрецедентное количество вариантов и потенциально новаторский дизайн.

В центре внимания этого интенсивного периода разработки был традиционный линейный регулятор — самые светлые умы пытались выяснить, как они могут заменить устаревший трансформатор и резистивный метод изменения входного напряжения более эффективной конструкцией.

Идея, на которую они приземлились, заключалась в использовании транзистора для прерывания входного напряжения со средним значением, меньшим, чем исходное входное (у нас есть фантастический магазин технических статей здесь, на сайте, если вы хотите более подробное описание работы SMPS) .

Обладая более высокой эффективностью и меньшим количеством магнитных материалов, новая технология была меньше, легче и выделяла меньше тепла. Как и в случае с современными изобретениями с такими характеристиками, это решение 1950-х годов было чрезвычайно привлекательным для предприятий в самых разных секторах — от электроники до аэрокосмической и коммуникаций до вычислительной техники, было множество первых последователей, каждый из которых пытался наилучшим образом использовать этот новый источник питания. технология.

Расчетная мощность

В течение следующих нескольких лет появилось множество патентов и разработок, многие из которых мы используем до сих пор. В 1972 году Hewlett Packard применила импульсный источник питания в своем первом карманном калькуляторе. В 1976 году был подан первый патент, использующий термин импульсный источник питания (SMPS).

Калькулятор

HP на самом деле был компьютером, хотя и в несколько другом формате, чем мы его знаем сегодня. Тогда оригинальный дизайн весил более 40 фунтов. SMPS использовался в конструкции для экономии места и веса, что стало первым шагом на пути к сверхтонким и невероятно легким компьютерам, ноутбукам и планшетам, которые мы используем сегодня.Точно так же производители аэрокосмической отрасли, размышляя о том, как они могут сэкономить вес и место, также начали искать нестандартные импульсные источники питания для создания гораздо более эффективных конструкций.

Охлаждение в 70-х и 80-х годах

1970-е были напряженным десятилетием, когда был сделан первый прорыв, и инновации продолжались в очень респектабельном темпе. Несколько компаний в Великобритании, США и Японии начали продавать стандартные блоки питания. По сей день существует около десятка компаний, которые утверждают, что первыми разработали и успешно выполнили на рынке импульсные источники питания, поэтому мы не пойдем туда!

Журналы по электронике того времени публиковали статьи и рекламу SMPS. Лидером в то время была американская корпорация Boschert Inc., основанная в Калифорнии. Он заменил источники питания линейных принтеров на модели с переключателем. Эта компания выросла до более чем 1000 человек, предлагая широкий ассортимент продукции: блоки питания открытого, корпусного и модульного исполнения. В конце концов в середине 80-х он был приобретен Computer Products Inc.

Apple Computers впервые представила импульсный источник питания для компьютеров Apple II в 1970-х годах. Эта небольшая, высокоэффективная технология означала, что Apple могла создать меньший и легкий компьютер без охлаждающего вентилятора.

Этот тип конструкции с конвекционным охлаждением был уникальным в то время. Технология зажила собственной жизнью и использовалась в десятках потребительских приложений. Блоки питания IBM PC также перешли в режим переключения, хотя и с охлаждающими вентиляторами, аналогичными тем, которые они сегодня используют в источниках питания в стиле ATX.

В конце 1980-х и начале 1990-х годов мы были ошеломлены, когда стали доступны стандартные блоки питания 3 x 5 дюймов с входом с автоматическим переключением диапазона, который определял, подключен ли он к 120 В переменного тока или 230 В переменного тока, и соответствующим образом настраивал. Эти продукты имели мощность от 25 до 40 Вт, или от 1,66 до 2,66 Вт / дюйм2

Встряска ЕС

По мере того, как на рынок выходило все больше и больше компаний, появлялись некоторые свободные отраслевые стандарты относительно общих размеров, таких как 3×5 ”. Плотность мощности стала улучшаться по мере развития магнетизма, переключающих транзисторов и микросхем контроллеров. Эти изменения позволили повысить эффективность и повысить удельную мощность.

К началу 90-х годов W / In2, доступный из разных источников, увеличился более чем вдвое.

ЕС вступил в силу с новым законодательством и общесоюзными директивами, что означает, что больше внимания уделяется эмиссии ЭМС и коэффициенту мощности источников питания. По сути, по мере того, как все больше и больше продуктов использовали эту технологию, возникала все большая потребность в контроле за электрическими помехами. Свою роль также сыграли проблемы с определением размеров проводников, необходимых для подачи энергии туда, где она была необходима в сети.

Законодательство ЕС было особенно разрушительным для рынка SMPS, поскольку технология коммутации намного шумнее, чем линейные источники питания.Также потребовались дополнительные схемы для придания синусоидальной формы сигналам входного тока — это позволило им удовлетворить требования к коэффициенту мощности и предотвратить появление избыточных гармоник, вызывающих проблемы с электросетью.

Сегодняшнее меню

Итак, где мы находимся сегодня с точки зрения удельной мощности? Итак, покупатель, с которым я обедал, только что одобрил наш последний блок питания 3×5 дюймов мощностью 350 Вт с удельной мощностью 23 Вт / дюйм2. Это более чем в 10 раз превышает мощность первого блока питания, который он купил у меня.

Интересно то, что благодаря коммерциализации технологии, большим объемам и дешевизне азиатского производства, этот продукт доступен по очень той же цене, что и более ранние блоки мощностью 40 Вт.

Модификация китайского блока питания для обеспечения переменного напряжения

Конечный результат: Максимальный выходной ток 33 А, регулируемый от 4,8 В до 15 В

7.

Наличие источника питания 5В

После того, как эта страница была размещена на Hackaday, один из комментаторов заметил, что 7,5 В на самом деле является стандартным напряжением источника питания! Я никогда этого не знал, поэтому искал только источники питания на 5 В, 12 В, 24 В. Конечно, есть много источников питания на 7,5 В — например, TRC Electronics. Кроме того, у большинства из них будет регулировка ± 5%, поэтому для исходного приложения, которое требовало 7,4 В, я мог бы просто вместо этого использовать готовый источник питания.

Важное примечание

Почти все китайские источники питания этого типа, с которыми мне приходилось сталкиваться, имели очень плохие радиаторы различных силовых полупроводников — транзисторов, диодов и т. Д. Для обеспечения хорошего теплового контакта с металлическим корпусом уделяется мало внимания, поэтому я всегда снимаю их. вниз, проверьте установку радиаторов и нанесите дополнительную термопасту.

Кроме того, некоторые гусеницы в этом источнике имеют недостаточный путь утечки / зазор — подробности см. В красном разделе ниже по странице.

Введение

В настоящее время я работаю над продуктом, в котором используется бесщеточный двигатель «hobby» размера 2430 и электронный регулятор скорости (ESC) на 25A. В своем «предполагаемом» использовании контроллер работает от двух литий-ионных батарей с общим напряжением около 7,4 В, но вместо этого я хочу использовать его от источника питания от сети. Однако готовых источников питания с таким выходным напряжением нет.

К счастью, нет недостатка в недорогих китайских импульсных источниках питания со стандартными выходами 5,12,24 В и т. Д.Большинство (все?) Из них имеют возможность слегка регулировать выходное напряжение, примерно на ± 10%. Я подумал, что можно будет модифицировать такой источник питания, чтобы обеспечить полностью регулируемое выходное напряжение, которое можно было бы установить на желаемое значение 7,4 В. Это ни в коем случае не новая идея — многие люди модифицировали источники питания (обычная модификация заключается в увеличении выхода до 13,8 В для использования радиолюбителей), но я не видел хорошего оперативного анализа этих источников питания, так что это хороший повод поработать детективом и выяснить, что им движет.

Поставка

Схема нумерации моделей для этих источников питания выглядит как S-AAA-BB, где AAA — номинальная мощность в ваттах, а BB — выходное напряжение. Для этого приложения я использовал блок питания S-400-12 (400 Вт, 12 В, 33 А). Вот он:

Вот копия исходного списка на EBay. Это было очень дешево — на самом деле меньше, чем у некоторых доступных расходных материалов на 360 Вт! Из-за относительно высокой номинальной мощности у него есть охлаждающий вентилятор, который включается, когда температура источника питания (измеренная с помощью термовыключателя, расположенного внутри индуктора выходного фильтра) поднимается выше определенной точки.

Обратный инжиниринг печатной платы

Первая задача — достать основную печатную плату, отсканировать / сфотографировать, отследить и нарисовать схему. Моя процедура была примерно такой (вся обработка производилась в Photoshop):

1. Отсканируйте нижнюю часть (дорожки) и вставьте в фотошоп.
2. На новом слое нарисуйте белые точки над каждой контактной площадкой / переходным отверстием / отверстием. Это поможет как в дальнейшем выровнять вещи, так и в создании красивого изображения.
3. Сфотографируйте верхнюю часть (компоненты).Я сфотографировал доску на четыре четверти и собрал их в Photoshop, чтобы попытаться получить «плоский» вид доски. Белые точки, сделанные на шаге 2, очень помогают выровнять четыре изображения.
4. Используя инструменты контура, обведите каждую из нижних дорожек.
5. Используйте пути в качестве областей выбора для заполнения дорожек на отдельном слое — используйте цвета для обозначения основных дорожек, таких как заземление постоянного тока, выход постоянного тока, положительное и отрицательное напряжение высокого напряжения и т. Д.
6. Просмотрите каждый компонент и проследите, посмотрите, к чему они подключены, и начните заполнять все это схемой.После того, как вы полностью закончите работу с каждым компонентом или дорожкой, сотрите их в фотошопе (или просто нарисуйте на отдельном слое белым цветом), чтобы вы могли сосредоточиться на том, что еще не было отслежено.
7. Используйте много догадок и артистизма, чтобы составить красивую принципиальную схему!

Вот изображения печатной платы в высоком разрешении:

Важное примечание по пути утечки / зазору: Внимательный читатель (RW) указал на недостаточный зазор / путь утечки между несколькими дорожками на печатной плате.Речь идет о дорожках [катод ZD2 / коллектор Q3 / TR1] и [верхние концы R5 / R6 / R7]. Расположение и возможное решение выделено на изображении ниже (дорожки видны сверху, просматриваются «сквозь» печатную плату). Он находится справа от L-образного паза под TR1.

Расстояние между дорожками составляет всего около 1,5 мм, что намного меньше безопасного значения (см. Эти таблицы расстояний утечки / зазоров). Как показано, простым решением было бы удалить часть дорожки и повторно подключить ее с помощью перемычки.В идеале следует расширить слот, но для этого может не хватить места.

В заключение, если вы цените свою безопасность, всегда стоит проверять наличие проблем с утечкой / зазором в источнике и предпринимать некоторые попытки их исправить!

И то, чего вы все ждали, полную схему (щелкните изображение, чтобы перейти к PDF-файлу). Схема Eagle также доступна здесь.

Я также снял два трансформатора и измерил их свойства (индуктивность, фазировку, коэффициенты, сопротивление) — щелкните ниже, чтобы увидеть PDF:

Это довольно стандартная поставка — полумостовая топология с одной микросхемой ШИМ-контроллера TL494, на которой все работает.Изоляция обеспечивается трансформатором основного привода, поэтому нет необходимости в обратной связи оптопары.

Я пройдусь по каждой основной части схемы и попытаюсь описать ее работу. Некоторые разделы соответствуют пунктирным прямоугольникам на принципиальной схеме, другие — нет!

Входной фильтр и питание ВН

Это довольно стандартная схема. Предохранитель, синфазный дроссель, конденсаторы фильтра для блокировки / поглощения любых ВЧ помех, двухполупериодный мостовой выпрямитель и два сглаживающих конденсатора.Обратите внимание, что C2 и C3 включены последовательно — это значит, что средняя точка может использоваться как напряжение на половине полного напряжения питания. Один конец первичной обмотки трансформатора идет сюда, другой конец переключается между 0 В и полным напряжением питания, поэтому первичная обмотка видит ± половина полного напряжения питания.

SW1 — это переключатель для выбора режима работы 110/230 В. При работе на 230 В переключатель разомкнут, и напряжение на C2 + C3 является пиковым входным напряжением переменного тока. При работе на 110 В переключатель замкнут, и мост + два конденсатора действуют как удвоитель напряжения, поэтому общее напряжение на C2 + C3 теперь составляет удвоенного пикового входного напряжения переменного тока.

Мостовые транзисторы + базовый привод + главный трансформатор

(TR1 — это трансформатор основного привода, иногда я также называл его «затворным» трансформатором. TR2 — главный трансформатор.)

Два мостовых транзистора (Q4 и Q1) переключают один конец первичной обмотки трансформатора между 0 В и полным напряжением питания постоянного тока. Здесь происходит очень хитрый трюк, который я едва понимаю. Во-первых, дополнительные резисторы, такие как R14, R13, R8, R4, слегка смещают основные транзисторы во время запуска (имейте в виду, что вспомогательный источник питания недоступен во время запуска, поэтому TL494 не работает).Один транзистор включается немного быстрее, чем другой. Если вы присмотритесь, обратите внимание, что нижний конец первичной обмотки основного трансформатора не подключен напрямую к средней точке двух транзисторов — скорее, он проходит через обмотку на базовом приводном трансформаторе. Когда ток начинает течь в первичной обмотке основного трансформатора, он индуцирует ток в обмотках базового трансформатора, одна из которых будет поддерживать уже включенный транзистор, полностью включив его. Благодаря некоторой уловке резонанса и насыщения (вероятно, с участием C10, включенного последовательно с первичной обмоткой трансформатора), весь этот процесс повторяется для другого транзистора, и весь мост автоколебается.Это обеспечит достаточную мощность для включения вспомогательного источника питания (оно достигает примерно 10 В, но это может варьироваться) и запуска TL494, после чего он берет на себя и управляет переключением транзисторов моста.

Еще одна чрезвычайно интересная особенность этой конфигурации, помимо возможности самозапуска, заключается в том, что TL494 не должен обеспечивать полный базовый ток возбуждения мостовым транзисторам — базовый ток возбуждения фактически исходит от первичного тока, связанного через базовый приводной трансформатор.Управляющие транзисторы на первичной обмотке базового трансформатора просто управляют тем, какой из основных транзисторов удерживается первичным током.

Все это очень расплывчатое и неполное объяснение. К счастью, есть фантастическая страница, которая точно описывает, как работает с — у Манфреда Морнхинвега есть страница о создании источника питания 13,8 В, 40 А, и его конструкция использует почти ту же схему (или, скорее, китайский источник питания использует ту же схему, что и он, так как его, вероятно, был первым!).

К счастью (2), понимание фактической работы этой части не является существенным для понимания остальной части блока питания, поэтому я бы не стал слишком об этом беспокоиться. Это просто работает ™.

Выходное исправление и сглаживание

Для основного выхода постоянного тока есть вторичная обмотка с центральным отводом и пара силовых диодов Шоттки, выполняющих выпрямление. Несколько сглаживающих колпачков, светодиодный индикатор и большой индуктор фильтра (L1).

J1, J4, J7 — это проволочные перемычки с низким сопротивлением, которые используются в качестве резистора для измерения тока.Поскольку печатная плата разработана с учетом различных конфигураций источника питания (напряжения и выходные токи), предусмотрены положения для шести перемычек — путем изменения количества перемычек уровень ограничения тока может быть изменен в соответствии с различными источниками питания.

Вероятно, можно было бы немного больше сглаживать конденсаторы на выходе, но пульсация не так уж и плоха. Обратите внимание, что конденсаторы составляют всего 16 В, что довольно близко к максимальному отрегулированному напряжению этого источника питания, составляющему почти 15 В. Вероятно, будет лучше выбрать конденсаторы с номинальным напряжением 25 В.

Вспомогательные принадлежности и принадлежности для вентиляторов

Оба они получены от вспомогательной обмотки с центральным ответвлением на главном трансформаторе. Питание вентилятора переключается с помощью термовыключателя для питания вентилятора при перегреве питания. Вспомогательный источник питания обеспечивает питание (Vcc) TL494.

Обратная связь / регулирование / ограничение тока

Делитель измерения напряжения (пунктирная рамка в дальнем левом углу схемы) дает диапазон регулировки примерно 10-15 В со значениями компонентов по умолчанию.Выход делителя (верхняя часть C28) подключен к неинвертирующему входу (контакт 1) операционного усилителя №1 в TL494. Инвертирующий вход (контакт 2) поступает на фиксированное опорное напряжение 2,5 В (половина Vref). TL494 регулирует свой выходной рабочий цикл, чтобы выходной сигнал делителя был равен 2,5 В. Компоненты, помеченные как «компенсация контура напряжения», имеют эффект вуду и уменьшают усиление обратной связи на более высоких частотах. Я лишь смутно понимаю компенсацию контура, но идея состоит в том, чтобы попытаться предотвратить колебания или нестабильность в источнике питания (например,грамм. когда у вас есть ступенчатый переходный процесс в нагрузке, вы хотите, чтобы источник питания реагировал плавно и не колебался в течение некоторого времени). Конденсаторы C31 и C28 в делителе напряжения также выполняют компенсацию контура.

Операционный усилитель №2 TL494 используется для ограничения тока. Неинвертирующий вход (вывод 16) заземлен через R24. Инвертирующий вход (вывод 15) подключен к Vref (5 В) через R21 и к шунту считывания тока (параллельная комбинация J1, J4, J7) через R35. Как это работает — если ток не течет на выходе, токовый шунт не имеет напряжения на нем, поэтому напряжение, появляющееся на выводе 15 TL494, будет (750 / (750 + 68k)) * 5 = 55 мВ. По мере увеличения тока шунт считывания тока будет тянуть конец R35 все более и более отрицательно до тех пор, пока, когда напряжение на шунте не достигнет -55 мВ, контакт 15 не достигнет 0 В, и выход операционного усилителя № 2 отключится, уменьшая нагрузку на ШИМ на выход. Это происходит с выходным током 55 мВ / (3,9 мР / 3) = 42 А — немного выше заявленного предела в 33 А, но я, вероятно, ошибаюсь в своих измерениях текущих сопротивлений шунта. Несколько компонентов (C29 + R36) также используются для компенсации контура ограничения тока.

Плавный старт

Контакт 4 TL494 называется входом управления мертвым временем и может использоваться для реализации функции плавного пуска. C24 изначально разряжается, поэтому при подаче питания на выводе DTC остается высокий уровень. Это запрещает вывод. По мере того, как C24 постепенно заряжается (через R19), на контакте 4 падает напряжение, что медленно уменьшает мертвое время, доводя выход до рабочего уровня. На выводе 4 устанавливается около 0,4 В.

Защита от короткого замыкания

Эта часть схемы сначала поставила меня в тупик — я не мог понять, что она должна делать! Это очень умная защита от короткого замыкания.

Предположим, что блок питания работает нормально, с выходом 12 В. База Q5 запитана делителем от выходного постоянного напряжения. Поскольку разделенное напряжение, создаваемое R38 + R31 (которое было бы примерно 2,2 В), значительно превышает падение база-эмиттер Q5 (0,7 В), транзистор остается включенным, понижая напряжение на C30. Учитывая прямое падение D13, это не повлияет на напряжение на входе DTC. Итак, при нормальной работе эта схема ничего не делает.

Предположим, что выход внезапно закорочен.V + падает до нуля (или очень близко), что приводит к выключению Q5. Теперь C30 будет заряжаться через R33 и ZD3 от вспомогательного источника питания. (Я не уверен в назначении ZD3). Как только он достигнет напряжения, достаточного для проведения D13, он подтянет вход DTC и заставит TL494 отключиться.

Если теперь устранить короткое замыкание на выходе, выход останется отключенным — Q5 останется выключенным, поэтому C30 заряжается, удерживая вывод DTC на высоком уровне. Вы можете задаться вопросом, как еще остается доступный вспомогательный источник питания, когда TL494 выключен — помните поведение при запуске, когда мостовые транзисторы автоколебательны? Источник питания снова переходит в этот режим, которого достаточно для обеспечения вспомогательного питания около 10 В.

Единственный способ восстановить питание — это выключить весь блок питания, подождать и снова включить. Возникает вопрос, почему защита от короткого замыкания не срабатывает при включении питания? Короткий ответ — благодаря схеме плавного пуска на выводе DTC требуется достаточно времени, чтобы опуститься до низкого уровня, чтобы выходное напряжение накопило достаточно, чтобы поддерживать Q5 в проводящем состоянии (следите за некоторыми графиками этого события).

Вот некоторые формы сигналов, когда выход закорочен во время нормальной работы. Перед коротким замыканием Vcc составляет около 20 В, выход (V +) — 12 В, код неисправности — около 0.4 В, а на коллекторе Q5 около 0 В — он поддерживается высоким выходным напряжением. Когда выход закорочен, V + падает до нуля. Q5 выключается, и C30 начинает заряжаться, поэтому напряжение коллектора Q5 начинает расти, что, в свою очередь, вызывает повышение напряжения DTC. Когда он поднимается, TL494 начинает отключаться (увеличивается время простоя), пока, наконец, микросхема не будет полностью отключена, а DTC достигнет чуть менее 3 В. VCC падает примерно до 10 В, поскольку мост теперь работает в самовозбуждающемся режиме, так как он не получает никаких управляющих сигналов от TL494.

Далее, вот формы сигналов во время запуска с нормальной нагрузкой на выходе (т.е. , а не закорочены). При запуске инвертор переходит в самовозбуждающийся режим, и напряжение VCC сразу повышается до 10-15 В или около того. DTC сразу же перескакивает на высокий уровень, потому что C24 изначально разряжается, а затем начинает медленно снижаться, поскольку он заряжается через R19. Поскольку выходное напряжение изначально равно нулю, C30 (на коллекторе Q5) начинает заряжаться через R33. Однако, как только выходное напряжение достигает 3 или 4 В (опять же, благодаря работе с самовозбуждением), включается Q5, разряжая C30.После этого, как только код DTC упадет до подходящего уровня, начнется нормальная работа. Обратите внимание, что во время обычного запуска напряжение коллектора Q5 никогда не достигает DTC плюс одно падение на диоде (D13), поэтому схема защиты от короткого замыкания никогда не может повлиять на уровень DTC во время нормального запуска.

И, наконец, вот поведение, когда подача питания запускается с закороченным выходом. Выходное напряжение пытается увеличиться, но не может (так как закорочено). Q5 постоянно выключен, поэтому C30 может заряжаться.Как только он достигает достаточного напряжения (DTC + падение одного диода), он удерживает на выводе DTC высокий уровень, предотвращая дальнейшую работу до тех пор, пока питание не будет отключено.

Когда мы здесь, важное замечание относительно защиты от короткого замыкания. Хотя я привел примеры его срабатывания при прямом коротком замыкании на выходе, на самом деле он сработает всякий раз, когда выходного напряжения недостаточно для удержания Q5 включенным — это происходит ниже примерно 4 В. Это означает, что при изменении источника питания для получения переменного выходного напряжения невозможно снизить выходное напряжение до уровня ниже 4 В, поскольку сработает защита от короткого замыкания.Чтобы включить выход ниже 4 В, вам нужно отключить защиту от короткого замыкания — проще всего удалить D13. Однако затем вы сталкиваетесь с другой проблемой — напряжение на выводе 2 TL494 поддерживается делителем R30 + R34 на уровне 2,5 В, и поэтому невозможно настроить выход ниже 2,5 В. Если, конечно, вы не изменили номиналы резисторов делителя, чтобы получить другое (более низкое) опорное напряжение на выводе 2, но это становится все более и более вовлеченным.

Итак — о доработках!

Разработка нового делителя обратной связи

Вот новый делитель обратной связи, который я приготовил — он заменяет содержимое пунктирной рамки, помеченной как «Voltage sense», на схеме дальше на странице.

[Примечание: нет никакой земной причины для подключения двух резисторов 1 кОм последовательно — у меня просто не было в наличии резисторов 2 кОм!]

Между этим и оригинальным разделителем есть одно важное отличие. В оригинале регулировка была очень нелинейной, потому что VR1 просто использовался как переменный резистор между выводом обратной связи и землей. Новый делитель имеет линейную регулировку благодаря конфигурации заземленного дворника. При указанных значениях корректировка составляет около 4.8-15В; обратите внимание, что я намеренно избегал слишком низкой скорости, чтобы предотвратить срабатывание защиты от короткого замыкания (см. ранее). Дополнительные сведения о преимуществах конфигурации обратной связи с заземленным стеклоочистителем см. На этой странице.

Что с конденсаторами? Помните, что в исходном делителе была пара конденсаторов для компенсации контура. Я действительно не знаю, что я делаю в отношении компенсации петли, но я подумал, что было бы лучше попытаться получить характеристику усиления / фазы нового делителя как можно ближе к характеристике старого, чтобы снизить вероятность возникновения нестабильности. Я определил правильные значения компонентов методом проб и ошибок в LTSpice. Вот графики зависимости усиления / фазы от частоты как для старых, так и для новых сетей обратной связи во всем диапазоне регулировки — обратите внимание, как, хотя диапазон значений шире для нового делителя (благодаря увеличенному диапазону регулировки), различные угловые частоты о том же самом. Повышение в районе 100 Гц — 10 кГц происходит из-за того, что C1 + R39 связывает большую часть выходного напряжения с контактом обратной связи, а падение на высоких частотах связано с уменьшением импеданса C26.

Модификации оборудования

Сначала удалите некоторые оригинальные компоненты с печатной платы. Снимите C31, R32, R40 и VR1. Вот вид до и после:

Мы будем использовать некоторые из существующих дорожек и пэдов, чтобы соединить компоненты для нового делителя обратной связи. Следите за правильной ориентацией потенциометра 10 кОм. Вот такой вид (вид сверху, глядя «сквозь» плату):

И что, как говорится, все! Новый делитель обратной связи — единственная модификация, необходимая для обеспечения более широкого диапазона регулировки — я измерил диапазон 4.От 8 В до 15 В, но он может незначительно отличаться в зависимости от допусков компонентов. Даже при самом низком выходном напряжении 4,8 В не было никаких признаков срабатывания защиты от короткого замыкания.

В дополнение к доработкам делителя напряжения, я решил добавить небольшой модуль цифрового вольтметра для отображения текущего выходного напряжения. Некоторое время назад я купил несколько модулей счетчиков и пока не нашел им применения.

Найдите на AliExpress TK0600 вольтметр 0-30 В или EBay для Новый цифровой вольтметр 1 шт. Постоянного тока 0-30 В Полезный светодиодный индикатор на панели Красный .Это наиболее вероятные поисковые запросы для получения результатов, но вам, возможно, придется проявить немного воображения, чтобы найти другие термины. В этих конкретных модулях используются отдельные соединения для источника питания и датчика, поэтому они могут измерять вплоть до 0 В. Другие модули фактически работают от измеренного напряжения, поэтому они ограничены в том, насколько низкое они могут измерить. Это аккуратные маленькие модули — 3 цифры, автоматическая десятичная точка, диапазон 0-30 В и имеют встроенный микроконтроллер STM800S3F3. Есть даже несколько выводов ввода-вывода, разбитых на заголовок, так что его, несомненно, можно перепрограммировать.Вот пара людей, которые проанализировали схему:

Источник питания для модуля вольтметра состоит из пары дополнительных диодов + конденсатора 100 мкФ + индуктивности последовательного фильтра 220 мкГн, прикрепленных к анодам D11 и D12 (см. Фото ниже). Это обеспечивает модуль около 20 В. Согласно сообщению EEVBlog, в модуле используется стабилизатор напряжения Holtek 7130 с максимальным входным напряжением 24 В, так что это вполне допустимо. Я не использовал существующий вспомогательный источник питания, потому что обнаружил, что он немного нестабилен, когда источник питания работает в режиме низкой нагрузки / «самовозбуждаемом» режиме.Сенсорное соединение модуля вольтметра подключается к одной из различных больших перемычек, которые используются на выходной стороне для увеличения пропускной способности печатной платы.

Я установил регулировочный потенциометр и модуль вольтметра на корпусе источника питания, прямо над выходными клеммами. Немного сжато, но места как раз хватило для их размещения. Я также добавил кусок красного пластикового фильтра перед модулем, чтобы изображение на дисплее было более четким.

Производительность

Блок питания теперь регулируется с 4.От 8 В до 15 В и, похоже, хорошо работает во всем диапазоне. Установленный на 7,4 В, он без проблем управляет бесщеточным двигателем; есть небольшое падение напряжения на максимальной скорости, но этого следовало ожидать. Я использую «серво-тестер» для подачи регулируемого сигнала ШИМ на ESC.

Установите на 7,4 В для использования с бесщеточным двигателем

Подключается к регулятору скорости вращения 25A и бесщеточному двигателю размера 2430

Вот видеообзор, охватывающий большинство аспектов модификации:

Как модифицировать SMPS для регулируемого выхода тока и напряжения

В этой статье обсуждается метод, с помощью которого любой готовый SMPS может быть преобразован в схему SMPS переменного тока с помощью нескольких внешних перемычек.

В одной из предыдущих статей мы узнали, как создать схему SMPS с переменным напряжением, используя каскад простого шунтирующего стабилизатора. В данном случае мы также используем тот же этап схемы для реализации функции переменного тока на выходе.

Что такое SMPS

SMPS означает импульсный источник питания, который использует высокочастотный импульсный преобразователь на основе феррита для преобразования 220 В переменного тока в постоянный. Использование высокочастотного ферритового трансформатора делает систему высокоэффективной с точки зрения компактности, потерь мощности и стоимости.

Сегодняшняя концепция SMPS почти полностью заменила традиционные трансформаторы с железным сердечником и превратила эти блоки в гораздо более компактные, легкие и эффективные альтернативы адаптерам питания.

Однако, поскольку блоки SMPS обычно доступны в виде модулей с фиксированным напряжением, достижение предпочтительного напряжения в соответствии с потребностями приложения пользователя становится довольно трудным.

Например, для зарядки аккумулятора 12 В может потребоваться выходное напряжение около 14,5 В, но это значение является довольно странным и нестандартным, поэтому нам может быть чрезвычайно трудно получить на рынке ИИП с такими характеристиками.

Хотя на рынке можно найти схемы с переменным напряжением, они могут быть дороже, чем обычные варианты с фиксированным напряжением, поэтому поиск метода преобразования существующего ИИП с фиксированным напряжением в переменный тип выглядит более интересным и желательным.

Немного изучив концепцию, я смог найти очень простой метод ее реализации, давайте узнаем, как проводить эту модификацию.

В моем блоге вы найдете одну популярную схему ИИП на 12 В, 1 ампер, которая на самом деле имеет встроенную функцию переменного напряжения.

Функция оптопары в SMPS

В приведенном выше сообщении мы обсуждали, как оптопара играет важную роль в обеспечении критически важной функции постоянного выхода для любого SMPS.

Функцию оптопары можно понять с помощью следующего краткого объяснения:

Оптопара имеет встроенную схему светодиода / фототранзистора, это устройство интегрировано с выходным каскадом SMPS, так что, когда выходной сигнал имеет тенденцию подниматься выше опасный порог, светодиод внутри оптоэлектронной схемы загорается, заставляя фототранзистор проводить.

Фототранзистор, в свою очередь, конфигурируется через чувствительную точку «выключения» каскада драйвера SMPS, где проводимость фототранзистора заставляет входной каскад отключаться.

Вышеупомянутое условие приводит к тому, что выход SMPS также мгновенно отключается, однако в тот момент, когда это переключение инициируется, оно исправляет и восстанавливает выход в безопасную зону, а светодиод внутри оптического модуля деактивируется, что снова включает входной каскад модуля SMPS.

Эта операция продолжает быстро переключаться с включения на выключение и наоборот, обеспечивая постоянное напряжение на выходе.

Регулируемый ток Модификация SMPS

Чтобы реализовать функцию управления током внутри любого SMPS, мы снова обращаемся за помощью к оптронам.

Мы реализуем простую модификацию, используя конфигурацию транзистора BC547, как показано ниже:

Ссылаясь на приведенную выше конструкцию, мы получаем четкое представление о том, как изменить или сделать схему драйвера SMPS с переменным током.

Оптопара (обозначена красным квадратом) будет присутствовать по умолчанию для всех модулей SMPS, и если предположить, что TL431 нет, нам, возможно, придется настроить всю конфигурацию, связанную со светодиодами оптопары.

Если каскад TL431 уже является частью схемы SMPS, в этом случае нам просто нужно рассмотреть возможность интеграции каскада BC547, который становится единоличным ответственным за предлагаемое управление током цепи.

Видно, что BC547 соединен со своим коллектором / эмиттером через катод / анод ИС TL431, а база BC547 соединена с выходом (-) ИИП через группу выбираемых резисторов Ra, Rb, Rc. , Rd.

Эти резисторы, находящиеся между базой и эмиттером транзистора BC547, начинают работать как датчики тока для схемы.

Они рассчитываются соответствующим образом, так что при перемещении перемычки между соответствующими контактами в линии вводятся различные ограничения по току.

Когда ток имеет тенденцию превышать установленный порог, определяемый значениями соответствующих резисторов, на базе / эмиттере BC547 возникает разность потенциалов, которой становится достаточно для включения транзистора, замыкая TL431 IC между опто-светодиодный и заземленный.

При выполнении вышеуказанного действия немедленно загорается светодиод оптического устройства, посылая сигнал «неисправность» на входную сторону SMPS через встроенный фототранзистор оптического устройства.

Условие немедленно пытается выполнить отключение на выходной стороне, что, в свою очередь, останавливает провод BC547, и ситуация быстро меняется от ВКЛ до ВЫКЛ и ВКЛ, гарантируя, что ток никогда не превышает заранее установленный порог.

Резисторы Ra … Rd можно рассчитать по следующей формуле:

R = 0,7 / порог отключения по току

Например, если предположим, что мы хотим подключить к выходу светодиод с номинальным током 1 усилитель

Мы можем установить значение соответствующего резистора (выбираемого перемычкой) как:

R = 0,7 / 1 = 0,7 Ом

Мощность резистора может быть просто получена путем умножения вариантов, т.е. 0,7 x 1 = 0,7 ватт или просто 1 ватт.

Расчетный резистор гарантирует, что выходной ток светодиода никогда не пересекает отметку в 1 ампер, тем самым предохраняя светодиод от повреждения, другие значения для остальных резисторов могут быть соответствующим образом рассчитаны для получения желаемой опции переменного тока в модуле SMPS.

Преобразование фиксированного ИИП в ИИП переменного напряжения

В этом посте делается попытка определить метод, с помощью которого любой ИИП может быть преобразован в источник переменного тока для достижения любого желаемого уровня напряжения от 0 до максимума.

Что такое шунтирующий регулятор

Мы обнаружили, что в нем используется каскад цепи шунтирующего регулятора для реализации функции переменного напряжения в конструкции.

Еще одним интересным аспектом является то, что это устройство шунтирующего регулятора реализует эту функцию, регулируя вход оптопары схемы.

Теперь, поскольку каскад оптопары с обратной связью неизменно используется во всех схемах SMPS, путем введения шунтирующего регулятора можно легко преобразовать фиксированный SMPS в переменный аналог.

Фактически, можно также сделать схему переменного SMPS, используя тот же принцип, что объяснен выше.

Возможно, вы захотите узнать больше о том, что такое шунтирующий регулятор и как он работает.

Процедуры:

Ссылаясь на следующий пример схемы, мы можем найти точное расположение шунтирующего регулятора и детали его конфигурации:

См. Нижнюю правую часть диаграммы, отмеченной красными пунктирными линиями, она показывает переменную интересующий нас участок схемы.Этот раздел отвечает за предполагаемые действия по регулированию напряжения.

Здесь резистор R6 можно заменить потенциометром 22 кОм для создания переменной конструкции.

Увеличение этого раздела обеспечивает лучшее представление о задействованных деталях:

Идентификация оптопары

Если у вас есть цепь SMPS с фиксированным напряжением, откройте ее и просто обратите внимание на оптопару в конструкции, она в основном будет расположена поблизости центральный ферритовый трансформатор, как можно увидеть на следующем изображении:

После того, как вы нашли оптопару, очистите ее, удалив все части, связанные с выходной стороной оптопара, то есть поперек контактов, которые могут быть направлены в сторону выходная сторона печатной платы SMPS.

И соедините или интегрируйте эти выводы оптического устройства с собранной схемой с помощью TL431, показанного на предыдущей схеме.

Вы можете собрать секцию TL431 на небольшой части печатной платы общего назначения и приклеить ее к основной плате SMPS.

Если ваша цепь SMPS не имеет катушки выходного фильтра, вы можете просто замкнуть два положительных вывода цепи TL431 и присоединить нагрузку к катоду выходного диода SMPS.

Однако предположим, что ваш SMPS уже включает схему TL431 с оптопарой, тогда просто найдите положение резистора R6 и замените его потенциометром (см. Расположение R6 на первой диаграмме выше).

Не забудьте добавить резистор 220 Ом или 470 Ом последовательно с POT, иначе при настройке потенциометра на самый верхний уровень можно мгновенно повредить шунтирующее устройство TL431.

Вот и все, теперь вы точно знаете, как преобразовать или создать схему SMPS с переменным напряжением, используя описанные выше шаги.

Предупреждение. Цепи SMPS не изолированы от сети переменного тока на первичной стороне и могут быть смертельными при прикосновении в открытом и включенном состоянии.

ОБНОВЛЕНИЕ

На следующем изображении показан, пожалуй, самый простой способ настроить схему SMPS для получения функций переменного напряжения и тока. Пожалуйста, посмотрите, как нужно настроить потенциометры или предустановки в оптроне для получения желаемых результатов:

Если у вас есть какие-либо дополнительные сомнения относительно конструкции или объяснения, не стесняйтесь выражать свои комментарии.

Давайте подведем итоги

В этой статье мы быстро попытаемся суммировать основные моменты, касающиеся того, как модифицировать любую схему SMPS с помощью простого взлома, который может помочь нам получить желаемый индивидуальный выходной сигнал от устройства.

Что такое SMPS

SMPS означает импульсный источник питания, и это современный и наиболее компактный / эффективный способ получения постоянного напряжения низкого напряжения от источника переменного тока сети.

Однако создание ИИП в домашних условиях может быть не таким простым делом, как изготовление блоков питания с использованием традиционных трансформаторов с железным сердечником.

Также получить SMPS с индивидуальными характеристиками может быть не так просто, на самом деле невозможно, если характеристики напряжения / тока далеки от обычных значений.

Значит ли это, что мы должны довольствоваться спецификациями SMPS, которые обычно устанавливаются и доступны на рынке?

Например, как найти ИИП с выходным напряжением, скажем, 13 В, 14 В или 17 В, которые определенно не являются обычно принятыми диапазонами напряжения?

Настройка блока SMPS

Поскольку создание такого индивидуального блока может быть непростой задачей (из-за сложной компоновки и конфигурации деталей), было бы намного лучше, если бы мы могли найти способы изменить готовый блок с помощью нескольких простых шагов.

Я изучил несколько стандартных блоков SMPS и, надеюсь, нашел способы изменения напряжения и тока в соответствии с индивидуальным выбором. Давайте узнаем это подробнее.

Когда вы откроете любой стандартный SMPS-блок, вы увидите на прилагаемой собранной плате следующее.

Заполненную печатную плату можно в первую очередь разделить на две части по наличию центрального ферритового трансформатора.
Сторона трансформатора, через которую проходит сетевой шнур, является входной частью переменного тока, а другая сторона, откуда берется постоянный ток низкого напряжения, — это часть постоянного тока.

Нас не интересует секция переменного тока, потому что мы не хотим изменять входное напряжение, поэтому не обращайте на нее никакого внимания, кроме того, секция переменного тока ПОТЕНЦИАЛЬНО ОЧЕНЬ ОПАСНА ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ КОНТРОЛЯ, ПОЭТОМУ СОХРАНЯЕТ ВАШИ РУКИ, ПОТОМУ ТЕСТИРОВАНИЕ.

Секция постоянного тока будет в основном состоять из пары дросселей, пары конденсаторов фильтра, диода и нескольких других компонентов.

Найдите шунтирующий стабилизатор

Найдите компонент в форме транзистора в этом разделе.Если вы найдете пару из них, один будет фактически транзистором, вероятно, для ограничения выходного тока, однако другой определенно будет ПРОГРАММИРУЕМЫМ РЕГУЛЯТОРОМ ШУНТА.

Этот шунтирующий стабилизатор — это компонент, который фиксирует напряжение обратной связи на МОП-транзисторе секции переменного тока и, в свою очередь, определяет выходное напряжение.

Это программируемое шунтирующее устройство состоит из пары резисторов, изменение которых мгновенно изменяет выходное напряжение по желанию.

Попытайтесь найти резисторы, подключенные к выводам этого шунтирующего устройства.Один из них можно просто изменить для изменения выходного напряжения в соответствии с вашими предпочтениями.

Возьмите внешний резистор любого номинала, может быть 4 к7 1/4 ватта, теперь пошагово подключите этот резистор к резисторам, которые связаны с устройством шунтирующего регулятора.

Проверка и проверка выхода

Проверяйте выходное напряжение каждый раз, когда вы выполняете вышеуказанный шаг.

В тот момент, когда вы обнаружите, что выходное напряжение становится низким или высоким, возможно, вы только что нашли то, что мы ищем.

Теперь методом проб и ошибок вы можете узнать точное значение резистора, который можно было бы заменить вместо конкретного шунтирующего резистора.

Вот и все, это так просто, как только вы это сделаете, выходное напряжение будет постоянно настроено на это конкретное значение.

Но не забудьте удалить стабилитрон, если он есть на выходе источника питания, прежде чем выполнять вышеуказанные процедуры.

Как сделать наилучшие измерения импульсного источника питания

Страна или регион * —Выберите — United StatesUnited KingdomCanadaIndiaNetherlandsAustraliaSouth AfricaFranceGermanySingaporeSwedenBrazilAfghanistanÅland IslandsAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrit / Индийский океан Terr.Бруней-ДаруссаламБолгарияБуркина-ФасоБурундиКамбоджаКамерунКанарские островаКапо-ВердеКаймановы островаЦентральноафриканская РеспубликаЧадЧилиКитайОстров РождестваКокос (Килинг) островаКолумбияКоморские островаКонгоКонго, The Dem. Республика OfCook IslandsCosta RicaCôte d’IvoireCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland IslandsFaroe IslandsFijiFinlandFrench GuianaFrench PolynesiaFrench Южный Terr.GabonGambiaGeorgiaGhanaGibraltarGreeceGreenlandGrenadaGuadeloupeGuamGuatemalaGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHeard / McDonald ISL,.HondurasHong Kong, ChinaHungaryIcelandIndonesiaIranIraqIrelandIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakhstanKenyaKiribatiKorea (Северная) Корея (Южная) KuwaitKyrgyzstanLaosLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesiaMoldovaMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarN. Марьяна Isls.NamibiaNauruNepalNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorwayOmanPakistanPalauPalestinian край, OccupiedPanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussian FederationRwandaSaint Киттс и NevisSaint LuciaSamoaSan MarinoSao Фолиант / PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbia и MontenegroSerbiaMontenegroSeychellesSierra LeoneSlovak RepublicSloveniaSolomon IslandsSomaliaSpainSri LankaSt.Елена Пьер и Микелон Винсент и GrenadinesSudanSurinameSvalbard / Ян Майен Isls.SwazilandSwitzerlandSyriaTaiwan, ChinaTajikistanTanzaniaThailandTimor-LesteTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks / Кайкос Isls.TuvaluUgandaUkraineUnited Arab EmiratesUS Экваторияльная Is.UruguayUzbekistanVanuatuVatican CityVenezuelaViet NamVirgin острова (Британские) Виргинские острова поле (США) Уоллис / Футуна Isls.Western SaharaYemenZambiaZimbabweRequired

Импульсные источники питания

— обзор

1.1 Тенденция развития систем силовой электроники — влияние на силовые устройства следующего поколения

В последние несколько десятилетий силовые устройства были основной технологией, позволяющей разрабатывать силовые преобразователи. С середины прошлого века до 1980-х годов (как показано на рис. 1.1) выпрямители, тиристоры, GTO и биполярные транзисторы внесли значительный вклад в создание силовых электронных преобразователей для управления потоком электрической энергии от источника к нагрузке. . В последующие два десятилетия, с 1980 по 2000 год, на рынке появились силовые устройства с МОП-управлением с превосходными электрическими характеристиками, которые заменили предыдущее поколение биполярных компонентов во многих приложениях.Их превосходное поведение в открытом состоянии, выдающиеся динамические характеристики, управляемость и характеристики короткого замыкания преобладали в качестве преимуществ при разработке систем силовой электроники. Это новое поколение силовых устройств основано на кремниевом материале, как и биполярные устройства в предыдущие десятилетия. Однако из-за тонко структурированной технологии этих устройств, их размера и высокой плотности ячеек возникла необходимость в производственных линиях, совместимых с ИС. Это был первый технологический прорыв в технологиях производства силовых устройств, и несколько малых и средних производителей полупроводников не смогли покрыть расходы на новые ИС-совместимые объекты.Эти новые типы устройств, такие как Power MOSFET (представленный на рынке в 1979 году) и IGBT (представленный в 1985 году), открыли новую область для разработок преобразователей мощности. В этой первой технологической вехе [1] (как показано на рис. 1.2), инициированной устройствами с МОП-управлением, такими как силовой MOSFET и IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), появилось несколько новых топологий схем, основанных на многоуровневых технологиях или технологиях чередования, а также новые стратегии управления были разработаны с целью создания высокодинамичных и высокоэффективных преобразователей энергии.

Рис. 1.1. Тенденции в области силовых полупроводниковых технологий: производительность → вывод на рынок → серийное производство; жизненный цикл технологии силовых устройств; возможна замена устройств на базе Si на устройства на базе WB.

Источник: ABB, ECPE (Л. Лоренц).

Рис. 1.2. Упрощенные технологические вехи для преобразователей энергии.

Источник: ETH Zürich (проф. Колар), семинар ECPE.

Однополярный силовой полевой МОП-транзистор с очень коротким временем переключения поднял частоту переключения до 100 кГц и произвел революцию в области импульсных источников питания (SMPS) в потребительских и вычислительных приложениях, а также в информационных и коммуникационных технологиях.Однако сопротивление этих силовых транзисторов в открытом состоянии очень сильно зависит от легирования и толщины дрейфовой области для переноса электронного тока между клеммами нагрузки и ограничивает допустимое эффективное напряжение до номинального напряжения ниже 600 В. В отличие от этого поведения, биполярный транзистор с МОП-управлением (IGBT) с его сильной модуляцией несущей во включенном состоянии практически неограничен по номинальному напряжению и произвел революцию во всех промышленных приложениях, таких как управление двигателями, системы ИБП, тяговые приводы в железные дороги, морской транспорт, электромобили и т. д., а также технологии возобновляемых источников энергии, включая транспортировку и распределение энергии. Их выдающиеся электрические и тепловые характеристики наряду с легко контролируемыми характеристиками делают их удобными для использования системными инженерами, так что всего за два-три десятилетия (как показано на рис. 1.1) «старое поколение» биполярных устройств было заменено на большинство областей применения. На основе этих технологических достижений стали очевидны основные движущие факторы будущего развития силовых электронных систем, которые были изложены в [2,3]:

•

Энергоэффективность → для защиты окружающей среды.

•

Плотность мощности → для уменьшения веса / объема.

•

Надежность → для достижения нулевого дефекта конструкции компонентов и систем.

•

Пассивные устройства → Для использования преимуществ высокой частоты необходимы новые материалы для магнетиков и электролитов.

•

Трехмерная интеграция → Интеллектуальные технологии упаковки и трехмерная системная интеграция (активные устройства, пассивные устройства и эффективные системы охлаждения) для миниатюризации системы.

Чтобы удовлетворить эти требования (как показано на рис. 1.2), за последнее десятилетие с 2000 по 2010 год устройства с МОП-управлением были усовершенствованы в направлении более высокой частоты коммутации, большей прочности даже при повышенной рабочей температуре и выдающейся перегрузки и возможности короткого замыкания. Для разработки системы это был начальный период цифровизации для достижения большей гибкости на системном уровне, точного и высокоэффективного управления мощностью для нагрузки, а также значительного сокращения системных компонентов.На уровне устройства было реализовано новое поколение «IGBT-транзисторов с полевым затвором с канальным затвором» для дальнейшего сокращения потерь в открытом состоянии и динамических потерь, повышения надежности устройства даже при более высокой плотности мощности и повышенной частоте коммутации. Униполярные устройства с их выдающимися характеристиками переключения были значительно улучшены за счет разработки принципа компенсации несущей [4]. В области низкого напряжения, U _br ≤ 250 В основной принцип, лежащий в основе резкого R _{ds (on)} ⁎ Снижение — это компенсация избыточных носителей в области дрейфа.Для силового полевого МОП-транзистора высокого напряжения 300 В ≤ U _или ≤ 900 В площадь указанного резистора в открытом состоянии может быть значительно уменьшена за счет реализации принципа сверхперехода, основанного на компенсации несущей во всем слое дрейфа. Такая структура позволяла увеличить легирование в области дрейфа примерно на порядок без потери блокирующей способности [4]. Благодаря внедрению этой совершенно новой технологии устройства частота коммутации может быть увеличена до 1 МГц, что повысит удельную мощность и эффективность.MOSFET с суперпереходом заменил традиционную технологию MOSFET с высокими характеристиками и производительностью, как показано на рис. 1.1.

В текущем десятилетии (как показано на рис. 1.2) преобладают разработки сверхбыстрых коммутационных устройств на основе материала WB (широкозонная запрещенная зона), которые имеют дополнительное преимущество одновременного повышения рабочей температуры. Это поколение силовых устройств очень близко подходит к идеальному переключателю: нулевые потери в открытом состоянии, нулевые потери при переключении, отсутствие управляющей мощности; теперь видна новая перспектива для реализации сверхвысокой плотности мощности на уровне устройства и системы.

Однако ограничения на частоту коммутации, с которыми мы сталкиваемся сегодня, связаны с пассивными устройствами, в основном с магнитными потерями (включая потери в обмотках катушек индуктивности, трансформаторов и фильтров, а также емкости). Высокие значения di / dt , запускаемые переключающими устройствами, создают всплески перенапряжения во всех индуктивностях рассеяния на уровне упаковки устройства и компоновке системы. Обычные индукторы рассеяния в тракте возбуждения оказывают сильное влияние на характеристики переключения транзистора, скачки перенапряжения на оксидных слоях и на клеммах нагрузки, что может привести к возникновению динамических лавин.Кроме того, мы должны научиться решать проблемы электромагнитных помех, возникающие при быстром переключении.

Еще более критичными являются чрезвычайно высокие значения dv / dt , возникающие из-за короткого времени переключения, поскольку мы создаем протекание тока смещения во всех емкостях (внутренних и распределенных из-за схемы устройства), участвующих в переключении. форма волны. dv / dt оказывает влияние на соединительные кабели с нагрузкой, саму нагрузку и соединители между приводом силовых устройств и микроэлектроникой.Чтобы удовлетворить требования к плотности мощности, эффективности, надежности и компактной трехмерной интеграции, в следующий период разработки (как показано на рис. 1.2) особое внимание будет уделяться технологиям упаковки, пассивным устройствам, проблемам электромагнитных помех и способам их устранения. чрезвычайно высокие значения di / dt на уровне устройства и системы [5].

Основная причина, по которой эти сверхбыстрые коммутационные устройства на основе материала с широкой запрещенной зоной, заключаются в значительном увеличении плотности мощности и эффективности на уровне устройства и системы, а также повышении рабочей температуры без снижения прочности и надежности.В настоящее время устройства на основе SiC и GaN являются наиболее многообещающими полупроводниковыми материалами, как подробно объясняется далее в этой главе, для достижения этой цели. Хотя оба этих типа материалов хорошо известны для других электронных устройств (например, радиочастотных устройств и светодиодов) в течение длительного времени, все еще существуют проблемы с качеством материала пластины, с конструкцией устройства (как управлять этим чрезвычайно высоким электрическим полем без создание новых дефектов устройства), и как с этим справиться с использованием матриц на одну величину меньше по сравнению с Si-устройствами с аналогичными номинальными характеристиками по их электрическим и тепловым характеристикам.Позже в этой главе будут подробно рассмотрены характеристики материалов и характеристики устройства, включая тенденции развития.

Пока вопрос в том, насколько быстро эти отличные устройства заменят Si-компоненты текущего поколения. Необходимо учитывать несколько аспектов. С одной стороны, материалы на основе SiC и GaN более дороги в производстве по сравнению с материалом подложки Si, что приводит к более высокой стоимости устройства. С другой стороны, преобразователи, разработанные с использованием устройств SiC и GaN, достигают значительно более высокой эффективности (более низкие потери с прямым влиянием на меньшую потребность в охлаждении) и высокой плотности мощности (меньшие фильтры и устройства хранения), что напрямую влияет на общую стоимость материала.Одним из предварительных условий для использования преимуществ этого нового типа устройств является использование их выдающихся характеристик: более высокой скорости переключения и более высокой рабочей частоты. Основная проблема сейчас заключается в отсутствии пассивных (магнетиков, электролитов) компонентов, передовых технологий упаковки и схемотехники для работы с этими чрезвычайно крошечными матрицами с их характеристиками быстрого переключения на уровне преобразователя. Новые компаунды для технологий соединения микросхем, включая материалы, соответствующие CTE (коэффициент теплового расширения), с учетом, в частности, полупроводникового материала WB с его температурными характеристиками выше Tj> 300 ° C и меньшими требованиями к охлаждению и / или более высоким запасом надежности .Принимая во внимание все эти аспекты с сегодняшней точки зрения, потребуется много времени для замены Si-устройств текущего поколения, учитывая их высокий потенциал для дальнейшего существенного развития их характеристик (как показано на рис. 1.1). С другой стороны, в некоторых приложениях (например, мобильных приложениях в транспортных системах, источниках питания для ноутбуков и устройствах связи) существует большое давление с целью уменьшить размер и вес преобразователя мощности и повысить эффективность теперь, когда устройства на основе SiC и / или GaN уже используются в этих типах приложений.Кроме того, появляются новые приложения, в которых требуются эти выдающиеся характеристики.

За последние несколько десятилетий, начиная с появления устройств с МОП-управлением в начале 80-х, рынок силовых устройств значительно вырос. Тем временем силовые устройства достигли примерно 10% объема рынка полупроводников. Во многих приложениях силовые устройства являются ключевыми элементами силовых электронных систем, несмотря на то, что их стоимость во многих силовых электронных системах незначительна по сравнению с общей стоимостью системы, например, в системах транспортировки энергии, высокоскоростных поездах и т. Д.Улучшение их характеристик и увеличение функциональности (например, силовые устройства SMART) снижает стоимость системы и открывает возможности для новых областей применения, например, транспортных систем, включая инфраструктуру, технологии возобновляемых источников энергии, предприятия SMART (включая прогнозирующее определение старения и связанные с процессами параметры), энергосбережение в силовых электронных блоках управления и т. д. Основными тенденциями являются высокие частоты переключения, уменьшение или устранение громоздких ферритов и электролитов, а также модульные многоуровневые топологии для достижения высоковольтных возможностей даже с низковольтными силовыми транзисторами, многофазные топологии чтобы рекомендовать более высокие номинальные мощности с низкими паразитными индуктивностями в схеме схемы, а также топологии плавного переключения для более высокого КПД и более низких гармоник.

1.1.1 Тенденции развития силовых устройств на основе Si-материала

Несмотря на то, что силовые MOSFET-транзисторы и IGBT-транзисторы имеют долгую историю, потенциал для их дальнейшего развития все еще существует, а кремний остается сильным конкурентом широкой запрещенной зоне. устройства, о чем будет сказано подробнее. Для всех устройств на основе Si, помимо разработки элементов меньшего размера для структур транзисторных ячеек, было проведено множество исследований по таким передовым процессам, как технология изготовления сверхтонких пластин 300 мм и их технологичности.

Для низковольтного силового полевого МОП-транзистора принцип компенсации заряда с использованием структуры ячеек с полевой пластиной был введен в начале прошлого десятилетия и постоянно улучшался от поколения к поколению. Основной принцип, лежащий в основе радикального R _{DS (on)} ⁎ A Уменьшение количества полевых МОП-транзисторов по сравнению с обычными силовыми МОП-транзисторами (как показано на рис. 1.3) — это компенсация доноров n-дрейфовой области [6 ]. Изолированный глубокий электрод истока, отделенный от области n-дрейфа толстым оксидным слоем, действует как пластина поля и обеспечивает подвижные заряды, необходимые для уравновешивания доноров области дрейфа в условиях блокировки.Эта геометрия демонстрирует почти постоянное вертикальное распределение поля и допускает повышенное легирование области дрейфа. Это устройство значительно снижает сопротивление в открытом состоянии. Однако для производства таких устройств пришлось преодолеть несколько технических проблем. Поскольку изоляция полевой пластины должна выдерживать полное напряжение блокировки истока и стока устройства на дне траншеи, толщину оксида в микродиапазоне необходимо тщательно регулировать. В производственном процессе необходимо учитывать точную глубину и однородность ширины траншеи, а также отличные параметры устройства и малое отклонение параметров, а также обращение с ультратонкой пластиной, несмотря на глубокие канавки и толстые слои оксида.Принимая во внимание все эти параметры (дизайн микросхемы, новые этапы процесса и технологичность изготовления тонких пластин), эти устройства демонстрируют чрезвычайно низкое качество резисторов в открытом состоянии, обладая выдающимися показателями качества за их динамические характеристики и простоту управления. По этим электрическим характеристикам новый тип силовых полевых МОП-транзисторов очень близок к GaN-устройствам. С точки зрения надежности (например, легкости вождения, перегрузки, динамической лавины и т. Д.) Этот транзистор превосходит современные GaN-транзисторы.Частота переключения подходит для всех основных приложений. Однако при работе на нескольких МГц (5 МГц ≤ фут ≤ 20 МГц) предпочтительнее полностью интегрированное системное решение (например, преобразователь постоянного тока в постоянный с боковыми устройствами на основе GaN). Принимая во внимание крайне малую емкость входного и выходного конденсатора, другого решения нет.

Рис. 1.3. Тенденция развития низковольтных силовых полевых МОП-транзисторов: от горизонтальной ячеистой структуры к концепции полевой пластины.

Источник: Infineon Technologies.

Сегодня высоковольтные силовые полевые МОП-транзисторы в диапазоне напряжений 500 В ≤ В _br ≤ 900 В и частот переключения до 1 МГц реализованы в технологии суперпереходов [7,8].В устройствах с суперпереходом с вертикальным протеканием тока используется (как показано на рис. 1.4) дополнительный p-столбец, проходящий почти полностью вниз через область блокировки напряжения. Эта структура позволяет увеличить легирование в n-столбце примерно на один порядок без потери блокирующей способности; дополнительный заряд в n-столбце полностью компенсируется встречным зарядом в p-столбце. Следовательно, удельное сопротивление в открытом состоянии зависит только от способности достаточно точно компенсировать эти заряды и изготавливать структуру сверхперехода с еще меньшим шагом столбцов.Помимо этих сложных требований, у приложения есть дополнительные потребности, такие как лавинная способность и контроль скорости переключения, что привело к ряду новых решений, таких как p-образная конструкция и вертикальная структура. Полевые МОП-транзисторы с суперпереходом требуют более сложного технологического процесса. Экономический успех возможен только за счет значительного улучшения резистора в открытом состоянии, характеристик переключения и надежности устройства. Помимо уменьшенного резистора в открытом состоянии, еще одним преимуществом является меньшая входная и выходная емкость, что обеспечивает более быстрое переключение и более низкие динамические потери.

Рис. 1.4. Тенденции развития высоковольтных силовых полевых МОП-транзисторов от традиционной структуры ячеек (угол рисунка слева) до структуры устройства с суперпереходом (рисунок внизу справа). Уменьшение площади резистора в открытом состоянии SJ Device Development.

Источник: Infineon Technologies (Г. Дебой).

Непрерывное дальнейшее совершенствование за последние несколько лет было направлено на снижение сопротивления в открытом состоянии для конкретных участков (как показано на рис. 1.4 в центральной части). Эти положительные результаты были достигнуты с использованием передовой полупроводниковой технологии для реализации большего числа n столбцов на площадь кристалла, а также меньшего шага ячеек.Конечно, при увеличении амплитуды тока вдоль n-столбцов создается область пространственного заряда, которая влияет на эффекты защемления тока, что приводит к сильному падению напряжения в n-столбце. Однако здесь мы не обсуждаем «жесткий» физический предел; это просто вопрос дизайна микросхемы и достижений в развитии технологий. Физические пределы, приведенные в публикациях [9], не являются окончательными для дальнейшего развития устройств сверхперехода. Скорее вопрос в том, насколько точно контролируются возможности производства полупроводников.

Наконец, для технологии суперпереходов все еще есть большой потенциал для дальнейших инноваций и возможностей [10]. Принимая во внимание новые разработки для устройств с суперпереходом, все еще может наблюдаться дальнейшее видимое уменьшение резистора в открытом состоянии, а также улучшение коммутационных характеристик вместе с отличной лавинной способностью. Следовательно, эти технологии демонстрируют потенциал конкуренции с устройствами с широкой запрещенной зоной при тех же номинальных напряжениях.

1.1.1.1 МОП-управляемые устройства с модулированной несущей — например, IGBT

В дополнение к униполярным устройствам (например, силовым МОП-транзисторам с полевой пластиной, сверхпереходным транзисторам) во многих приложениях с высокой мощностью полезны устройства с биполярным режимом, управляемые МОП-схемами из-за к возможности создания электронно-дырочной плазмы в открытом состоянии, что приводит к чрезвычайно низким потерям в открытом состоянии. Сегодня IGBT охватывают диапазон напряжений от 600 В ≤ В _до ≤ 6,5 кВ, номинальную мощность до 10 МВт и частоту коммутации до 100 кГц.БТИЗ имеют вертикальный ток, но биполярную проводимость, как показано на рис. 1.5. Эти устройства имеют вертикальный pn-переход и толстый слой n-легирования под ним. Если к этому pn-переходу приложить обратное смещение, образуется обедненный слой и сильное электрическое поле. Достижимая способность блокирующего напряжения зависит от толщины и концентрации легирования n-легированного слоя. Чтобы избежать этой толстой и дорогостоящей, но определяющей производительность эпитаксии n-слоя 60–120 мкм на подложке Si, в середине 1980-х годов была представлена ​​подходящая легированная кремниевая подложка, служащая в качестве необходимого n-слоя.После полной обработки устройства, в конечном итоге, необходимый тыловой эмиттер формируется только путем реализации и низкотемпературного отжига. Это было прорывом в создании очень стабильных (без какого-либо процесса уничтожения срока службы) устройств с высокой стойкостью к току короткого замыкания [11–13].

Рис. 1.5. Тенденции развития IGBT от обычных пробивных до непробитых и непроходных до TRENCHSTOP и микропроцессорных канавок (три структуры ячеек справа).

Источник: Infineon Technologies.

Основной проблемой, стоящей перед новым типом IGBT, является обработка очень тонких пластин. Для низковольтных IGBT ( В, _или ≤ 400 В) толщина пластины уменьшается почти до 50 мкм. Эти меры приводят к чрезвычайно низким потерям в открытом состоянии и коммутации. Важными препятствиями на пути к успеху разработки этого устройства были коммутационные потери и явление звона.

Улучшенные профили легирования и оптимизированные упаковочные решения помогли преодолеть эти препятствия.Наряду с передовыми технологиями обработки наблюдалось постоянное увеличение плотности клеток, как показано на рис. 1.6. Меньшие элементы мезы позволяют реализовать очень высокую плотность ячеек траншеи. Основным преимуществом такой высокой плотности ячеек канавки является накопление высокой концентрации носителей непосредственно под ячейками канавки, что приводит к низкому напряжению в открытом состоянии для IGBT. С помощью этой тонко структурированной конструкции траншейного элемента также можно оптимизировать конденсатор обратной связи и соотношение между емкостями коллекторного затвора и коллектора-эмиттера, которые отвечают за динамические характеристики.Создание небольших мезоплощадок является выгодным, поскольку электронная / дырочная плазма уже отклоняется при малых номинальных значениях обратного напряжения, что существенно для уменьшения потерь при выключении. Другие тенденции развития IGBT смещаются в сторону устройств с обратной проводимостью, которые сегодня используются в резонансных приложениях. Для приложений обратной проводки и переключения все еще ведутся разработки. Другая область исследований нацелена на обратную блокировку IGBT, что дает преимущества в многоуровневых технологиях.

Рис. 1.6. Наличие диаметров полупроводниковых пластин для изготовления устройств из кремния, карбида кремния и нитрида галлия.

Сегодня IGBT охватывают широкую область применения, такую ​​как силовые электронные преобразователи для управления двигателями, системы ИБП, FACTS, транспортные системы, технологии возобновляемых источников энергии и т. Д.

1.1.2 Обзор и перспективы

Что касается силовых полупроводниковых устройств на основе кремниевого материала (например, силовые полевые МОП-транзисторы, сверхпереходные транзисторы, IGBT, быстрые выпрямители и т. д.), есть еще огромный потенциал для дальнейшего развития. Реализуя все идеи различных групп НИОКР в реальных продуктах во многих приложениях, устройства Si станут сильным конкурентом на рынке компонентов с широкой запрещенной зоной и будут оставаться таковыми в течение долгого времени. Общей тенденцией развития является уменьшение размера кристалла в пользу более низких потерь в открытом состоянии и динамических потерь, повышение рабочей температуры, интеграция функций датчиков для достижения высоких характеристик самозащиты и получения информации о параметрах, связанных со старением, повышение эффективности охлаждения и поддерживать или повышать отличную прочность и надежность этих устройств.Особой задачей будущего станет разработка передовых технологий соединения микросхем, новой керамики для изоляции и превосходных тепловых характеристик, соответствующих материалов для покрытия микросхем, пластиков и материалов выводной рамки, соответствующих коэффициенту теплового расширения, особенно для корпусов большой мощности, с целью повышения рабочая температура выше 200 ° C. Настоятельно требуется усовершенствованная конструкция упаковки для устранения паразитных факторов (например, индуктивности рассеяния и распределенных емкостей) для обеспечения высоких значений di / dt и dv / dt и одновременного повышения показателей надежности, в частности числа циклов мощности и температуры. .Для успешного внедрения устройств с широкой запрещенной зоной необходимо много новаторских работ в области высоких рабочих температур, высокой надежности и низкого уровня паразитных воздействий.

Чтобы использовать эти сверхбыстрые коммутационные устройства, которые достигают высокого диапазона МГц с чрезвычайно маленьким размером кристалла и передовыми концепциями охлаждения, новыми материалами для пассивных компонентов и интеллектуальными концепциями для общей системной интеграции (3D-интеграция), необходимо, чтобы мы считали активными устройства, пассивные компоненты, системы охлаждения и соответствующие технологии схем.

Для приложений с низким энергопотреблением (преобразователи постоянного тока в постоянный) тенденция смещается в сторону работы на частоте МГц с силовыми полевыми МОП-транзисторами выше 5 МГц с устройствами на основе GaN [14,15]. Необходимо разработать совершенно новый подход к проектированию всей системы. Для преобразователей мощности, работающих от сети 220 В, основными соображениями в отношении технологии привода являются плотность мощности и эффективность. В этих приложениях сверхпереходный транзистор (с учетом тенденций их будущего развития) останется привлекательным устройством.

Однако в некоторых схемных технологиях, где требуется мертвое время, обратное восстановление диодов, мощность возбуждения или частота переключения выше 1 МГц, устройства на основе SiC или GaN демонстрируют значительные преимущества.

При номинальном напряжении от 110 до 440 В (в основном используется в жилых и офисных помещениях, а также для автоматизации производства) новые перспективы открываются с сетью постоянного тока. Источник питания постоянного тока потенциально имеет несколько преимуществ в повышении эффективности, минимизации оборудования и снижении затрат по сравнению с исторически сложившейся инфраструктурой питания переменного напряжения.Однако есть несколько аспектов, которые необходимо изучить подробно, например, управление сетью, стабильность сети и способы устранения сбоев, возникающих из-за одной проблемы [16].

Очень важной областью в будущем развитии преобразователей мощности являются модульные многоуровневые и многофазные / чередующиеся топологии. Приоритезация топологий чередования для увеличения номинальной мощности работает в сочетании с выгодной способностью модульных многоуровневых топологий расширяться до приложений среднего / высокого напряжения с переключаемыми устройствами питания.Модульные многоуровневые топологии имеют много преимуществ при проектировании систем высокой мощности, таких как устранение больших пассивных фильтров и громоздких трансформаторов, простое устранение неисправностей и т. Д. Анализ тенденций развития силовых полупроводников показывает, что сочетание кремниевых и SiC-устройств предлагает потенциал для существенных улучшений в следующем десятилетии [17–19].

В сегменте средней и высокой мощности появляется много новых и очень привлекательных приложений (например, технологии возобновляемых источников энергии, включая всю инфраструктуру, железнодорожный транспорт, самолет, электронную мобильность, медицинское оборудование и т. Д.) В этих областях применения требуется дальнейшее развитие IGBT и устройств на основе SiC в качестве ключевых технологий.

Рекомендации по компоновке печатной платы импульсного источника питания

Захария Петерсон

| & nbsp Создано: 6 августа 2021 г.

Разработчики источников питания понимают сложные технические детали и функциональные требования, связанные с компоновкой печатной платы импульсного источника питания.Компоновка определяет восприимчивость к электромагнитным помехам (EMI), тепловые характеристики, целостность питания и безопасность. Хорошая компоновка обеспечивает высокоэффективное преобразование энергии и доставку к нагрузке, позволяя отводить тепло от горячих компонентов компоновки, а также обеспечивает низкий уровень шума вокруг электронной системы. Безопасность также является важным фактором при переключении регуляторов, которые могут подавать высокий ток на выход, создавая угрозу безопасности.

Неудачный выбор компоновки приводит к проблемам, которые возникают при высоких уровнях тока и становятся очевидными из-за большой разницы между входным и выходным напряжениями.Общие проблемы с источником питания, наблюдаемые при плохой компоновке печатной платы, включают потерю стабилизации при высоком выходном токе, чрезмерный шум на выходе и формах сигналов переключения, а также нестабильность цепи. Благодаря сочетанию инструментов моделирования целостности питания постоянного тока, функций моделирования и анализа схем, а также лучшего набора утилит для компоновки и маршрутизации разработчики могут гарантировать безопасность и надежность своих устройств. Altium Designer предлагает программное обеспечение для компоновки печатных плат блоков питания и многое другое, помогающее предотвратить эти проблемы.

АЛЬТИУМ-КОНСТРУКТОР

Программа для проектирования печатных плат

, которая поможет вам следовать рекомендациям по компоновке печатной платы импульсного источника питания.

Источники питания

сталкиваются с рядом проблем, и для их правильной работы требуется полный набор функций проектирования и анализа. Эти конструкции также могут создавать угрозу безопасности, которая может быть опасна для пользователей, как из-за воздействия высокого напряжения, так и из-за внезапной разрядки тока в пользователя. Как разработчики могут убедиться, что они могут создавать безопасные, точные и надежные источники питания?

Импульсные источники питания являются стандартными для преобразования сильноточного выпрямленного переменного тока в высокое напряжение за счет использования импульсного силового элемента в реактивной цепи.Эти компоненты нелинейны и часто используют обратную связь для поддержания регулирования, в отличие от типичного регулятора LDO. В LDO регулирование поддерживается за счет насыщения усилителя ошибки, создавая резистивные потери, которые в разводке печатной платы проявляются как тепло.

Хотя импульсные регуляторы предпочтительнее с точки зрения регулирования и эффективности, их может быть сложно разместить, поскольку они включают в себя большее количество компонентов, некоторые из которых будут иметь большие паразитные свойства и могут быть подвержены проблемам с шумом, если их неправильно расположить.Чтобы приступить к разработке следующей компоновки блока питания, следуйте этим рекомендациям по компоновке печатной платы импульсного блока питания, чтобы обеспечить надежность своей конструкции.

Запуск макета печатной платы SMPS

Существует несколько основных правил компоновки печатной платы SMPS, которым необходимо следовать, чтобы гарантировать, что ваша конструкция будет иметь проблемы с низким уровнем шума, низким уровнем излучаемых электромагнитных помех и останется при низкой температуре. В общих чертах эти руководящие принципы можно резюмировать следующим образом:

• Старайтесь поддерживать низкий уровень электромагнитных помех, правильно определяя заземление, размещая короткие маршруты в компоновке печатной платы и располагая гальванически изолированные секции на печатной плате так, чтобы не было шумовой связи.
• При необходимости используйте соответствующие входные и выходные схемы фильтра электромагнитных помех, если в схеме присутствует шум, требуются такие функции, как отслеживание огибающей или определенные источники шума вызывают проблемы в конструкции.
• Используйте много меди, чтобы обеспечить отвод тепла от важных компонентов. При необходимости вы можете рассмотреть вариант корпуса с уникальной конструкцией, а также радиаторы или вентиляторы на горячих компонентах.
• Разместите быстро переключающиеся сильноточные цепи, такие как массивы полевых МОП-транзисторов, так, чтобы не возникало паразитных колебаний в конструкции во время переключения.

Регулирующие органы, такие как Underwriter Laboratories и IEC, проверяют источники питания на излучаемые электромагнитные помехи (EMI), кондуктивные электромагнитные помехи, стабильность, эффективность и срок службы. Нормы FCC и CE также устанавливают ограничения на выбросы от импульсных источников питания, поскольку эти устройства могут быть непреднамеренными излучателями. Altium Designer предоставляет инструменты анализа цепей, необходимые для получения дополнительных сведений об электрическом поведении вашего устройства, а инструменты компоновки печатной платы могут помочь вам создать компоновку, удовлетворяющую вышеуказанным требованиям с учетом ваших смоделированных электрических характеристик.

Будьте осторожны при определении местности

Первое, что следует учитывать при компоновке печатной платы импульсного источника питания, — как определить заземление в компоновке. При разработке схемы импульсного источника питания помните, что существует пять точек заземления. Их можно разделить на разные жилы для обеспечения гальванической развязки. Это:

• Заземление входного сильноточного источника
• Заземление входной сильноточной петли
• Земля выходного сильноточного выпрямителя
• Выход на землю сильноточной нагрузки
• Нижний пульт управления

Каждое из этих заземляющих соединений может иметь физически отдельные проводники, в зависимости от необходимости гальванической развязки в цепи преобразователя, выпрямителя или регулятора.Схема источника питания может допускать наличие синфазного шума, если заземление связано емкостным образом, что обычно может происходить через соседний проводящий корпус. Заземляющие области на печатной плате должны быть четко определены с каждой стороны изолирующих компонентов, например,

.

Если по какой-то причине заземление необходимо перемкнуть для устранения некоторого смещения постоянного тока, лучшим вариантом будет конденсатор с номиналом Y, поскольку он обеспечивает фильтрацию высоких частот и устраняет смещение постоянного тока между областями заземления.

Конденсатор с номиналом Y может использоваться для заземления в некоторых применениях переключающих преобразователей.

Каждая сильноточная земля служит одной из ветвей токовой петли, но ее следует проложить так, чтобы обеспечить обратный путь с низким импедансом для токов. Для этого может потребоваться несколько переходных отверстий обратно к заземляющей пластине, чтобы пропускать большой ток с низкой эквивалентной индуктивностью. Эти точки и потенциал, на котором они находятся по отношению к заземлению системы, становятся точкой для измерения сигналов постоянного и переменного тока, которые проходят между различными точками цепи. Из-за необходимости предотвращения шума от выхода сильноточных заземлений переменного тока отрицательный вывод соответствующего конденсатора фильтра служит точкой соединения для сильноточных заземлений.

Лучшим способом определения областей земли является использование больших плоскостей или заливки полигонов. Эти области обеспечивают пути с низким импедансом для рассеивания шума от выхода постоянного тока и могут выдерживать высокие обратные токи. Они также обеспечивают путь для отвода тепла от важных компонентов, когда это необходимо. Размещение заземляющей пластины с обеих сторон поглощает излучаемые электромагнитные помехи, снижает шум и уменьшает ошибки контура заземления. Работая как электростатические экраны и рассеивая излучаемые электромагнитные помехи в вихревых токах, плоскости заземления также отделяют силовые дорожки и компоненты силовой плоскости от компонентов сигнальной плоскости.Инструменты САПР Altium Designer позволяют легко определять заземление в компоновке печатной платы и размещать большие проводники для использования в качестве зон заземления на печатной плате. Особенно при работе с импульсными источниками питания вы можете использовать заземляющую пластину на обеих сторонах печатной платы и соединить их переходными отверстиями, чтобы обеспечить постоянный потенциал на вашем заземлении.

Плоскости питания и заземления обеспечивают соединения с низким сопротивлением, обеспечивая путь для рассеивания тепла вдали от важных частей системы.

Заземление — важное место для начала проектирования, так как оно определяет помехоустойчивость и возможность маршрутизации разводки печатной платы.Однако это не единственное соображение при проектировании источника питания. Действие переключения и подавление электромагнитных помех встроены в блоки питания и должны быть четко определены на плате.

Где делать заземление

Способность контроллера SMPS точно регулировать выходное напряжение зависит от подключения управляющей земли низкого уровня. При работе с интегральными схемами, входными конденсаторами, выходными конденсаторами и выходными диодами убедитесь, что компоненты подключены к заземляющей пластине.Заземление подключается к точке, где управляющая ИС и связанная с ней схема измеряют переменный ток, постоянный ток, выходное напряжение и другие основные параметры. Подключение низкоуровневого заземления к нижней стороне резистора измерения тока или делителя выходного напряжения предотвращает обнаружение схемой управления синфазного шума.

Разработка действия переключения

SMPS работает путем быстрого переключения проходных блоков между рабочим состоянием отсечки и рабочим состоянием насыщения и подает постоянную мощность на выходную нагрузку.В момент отключения на проходном блоке присутствует высокое напряжение, но ток не течет. При насыщении через проходной блок протекает большой ток с очень небольшим падением напряжения. Поскольку полупроводниковый переключатель создает переменное напряжение из входного постоянного напряжения, SMPS может либо повышать, либо понижать напряжение с помощью трансформаторов, а затем фильтровать напряжение обратно до постоянного тока на выходе.

Импульсные источники питания с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) работают в прямом или ускоренном режиме. Источники прямого режима имеют на выходе L-C фильтр, который создает выходное напряжение постоянного тока из среднего значения напряжения на выходе, полученном от фильтра.Для управления средним значением напряжения сигнала контроллер импульсного источника питания изменяет рабочий цикл входного прямоугольного напряжения.

Понижающий преобразователь

против повышающего преобразователя

При включении источника питания

в режиме повышающего преобразователя индуктор подключается непосредственно к источнику входного напряжения. Ток индуктора увеличивается от нуля и достигает пика одновременно с выключением переключателя питания. Выходной выпрямитель ограничивает выходное напряжение катушки индуктивности и предотвращает превышение выходного напряжения источника питания.Когда энергия, накопленная в сердечнике катушки индуктивности, переходит к выходному конденсатору, коммутируемый вывод катушки индуктивности возвращается к уровню входного напряжения.

Между тем, источники питания в режиме понижающего преобразователя используют те же компоненты, но в другой топологии, чтобы ограничить обратную ЭДС катушки индуктивности на более низком уровне, чем входное напряжение. Действие переключения обеспечивает тот же эффект, что и в повышающем преобразователе, где выходной ток колеблется, конкурируя с зарядным / разрядным конденсатором, что позволяет регулировать выходную мощность.Оба типа топологии стабилизатор / преобразователь позволят коммутирующему шуму распространяться на выходные порты конструкции, что можно рассматривать как высокочастотную пульсацию на выходе.

Компоновки понижающего и повышающего преобразователей могут пропускать большой ток, для которого требуются большие многоугольники для отвода тепла и предотвращения потерь мощности.

Подключение источника питания помогает обеспечить низкий уровень шума при работе

Импульсные источники питания проводят высокочастотный шум до тех пор, пока частота шума не достигнет примерно 100-кратной частоты коммутации.Затем частота шума падает со скоростью от -20 до -40 дБ за декаду. Поскольку импульсные регуляторы работают с состояниями питания «включено» и «выключено», большие импульсы тока с острыми краями протекают в цепи импульсного источника питания и, как следствие, создают электромагнитные помехи. Переход между состояниями питания ВКЛ и ВЫКЛ создает электромагнитные помехи, которые могут возникать в другом месте вашей системы, если токовые петли в схеме источника питания слишком велики. Цепи импульсного источника питания состоят из контура переключателя мощности и контура выходного выпрямителя, и их необходимо правильно прокладывать, чтобы предотвратить чрезмерный шум.

При раскладке блока питания обращайте особое внимание на длину шлейфов, длину и ширину дорожек. Сохранение небольшой окружности петли исключает возможность работы петли как антенны с низкочастотным шумом. С точки зрения эффективности схемы, более широкие дорожки также обеспечивают дополнительный теплоотвод для силовых переключателей и выпрямителей. Вы можете использовать активный механизм маршрутизации для достижения результатов маршрутизации человеком и расположить ваши компоненты так, чтобы петли тока коммутации проходили в одном направлении.Поскольку токовые петли проходят в одном направлении, схема управления подключается к определенным точкам схемы. В результате магнитное поле не может реверсироваться по дорожкам, расположенным между двумя полупериодами, и создавать излучаемые электромагнитные помехи.

Компоненты в этой разводке печатной платы расположены близко друг к другу и прокладываются с короткими прямыми дорожками.

В зависимости от конфигурации SMPS, узлы переменного напряжения существуют на стоке силового полевого МОП-транзистора или на коллекторе BJT и анодах выходных выпрямителей.Каждый из этих узлов может иметь высокое напряжение переменного тока. Например, размах переменного напряжения на стоке полевого МОП-транзистора может быть в 1-2 раза больше входного напряжения. Когда сток прикреплен к радиатору через изолятор, заземленный радиатор обеспечивает путь для емкостных шумов. Вы можете использовать инструменты компоновки печатной платы, имеющиеся в Altium Designer, чтобы разместить восприимчивые сигналы на одной стороне, а не под шумным узлом переменного тока. Кроме того, вы можете заштриховать любые плоскости земли, расположенные под узлом, чтобы устранить шум.

Среды для поверхностного монтажа имеют меньшие значения емкости, но могут преобразовывать шум в чувствительные сигналы. Из-за этих факторов ваша компоновка также должна учитывать возможность емкостной связи напряжений узлов переменного тока с радиаторами или соседними заземляющими поверхностями. Разрабатывая конструкцию печатной платы для поверхностного монтажа, сделайте узлы достаточно большими, чтобы они могли служить радиаторами для переключателя питания или выпрямителя. Некоторые многослойные конструкции увеличивают тепловую массу конструкции, делая все слои ниже узла переменного тока идентичными узлу переменного тока и соединяя слои сквозными металлическими отверстиями.

Altium Designer предоставляет полный набор инструментов для проектирования и компоновки

Полный набор функций проектирования и компоновки печатных плат в Altium Designer дает вам инструменты, необходимые для создания надежных и безопасных систем электропитания. Вы также можете создавать и моделировать важные топологии цепей питания и фильтры электромагнитных помех, которые можно использовать в любых приложениях, от систем постоянного тока большой мощности до систем переменного тока высокой частоты. Подключаемый модуль PDN Analyzer для Altium Designer предоставляет лучшие ресурсы для анализа постоянного тока и напряжения в цепи.Разработка макета печатной платы для импульсного блока питания может показаться сложной задачей, но Altium Designer предоставляет инструменты, которые разбивают сложность блока питания на легко понятные задачи.

Создайте макет печатной платы с помощью лучших инструментов САПР для любого приложения в Altium Designer.

Целью Altium всегда было предоставить пользователям оптимизированный дизайн в едином интерфейсе дизайна. Редактор схем, редактор плат, пакет моделирования SPICE, функции трассировки и инструменты моделирования в Altium Designer предоставят вам все необходимое для создания безопасных, надежных и бесшумных источников питания.Если вам нужен полный набор инструментов для создания компонентов и управления ими, используйте лучшие в отрасли утилиты ECAD для создания и моделирования ваших проектов.

Altium Designer на Altium 365 обеспечивает беспрецедентный объем интеграции с электронной промышленностью, которая до сих пор была отнесена к сфере разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать беспрецедентного уровня эффективности.