Растлумачце тапалогію імпульснага блока харчавання ў адным артыкуле

Тапалогія схемы адносіцца да сувязі паміж сілавымі прыладамі і электрамагнітнымі кампанентамі ў ланцугу, у той час як канструкцыя магнітных кампанентаў, кампенсацыйных схем з замкнёным контурам і ўсіх іншых кампанентаў схемы залежыць ад тапалогіі. Найбольш асноўнымі тапалогіямі з'яўляюцца паніжальная, павышальная і паніжальна-паніжальная, аднабаковыя зваротна-перадатчыкі (ізаляваныя зваротна-перадатчыкі), прамое пераўтварэнне, двухтактныя, паўмоставыя і поўныя маставыя пераўтваральнікі. Існуе прыблізна 14 распаўсюджаных тапалогій для імпульсных крыніц харчавання, кожная са сваімі характарыстыкамі і прыдатнымі сцэнарамі. Прынцып выбару залежыць ад таго, магутнасць гэта ці нізкая, высокавольтны ці нізкавольтны выхад, і ад таго, ці патрабуецца як мага менш кампанентаў. Вельмі важна правільна выбраць тапалогію і быць знаёмым з перавагамі, недахопамі і прымяненнем розных тапалогій. Няправільны выбар непазбежна прывядзе да няўдачы ў канструкцыі крыніцы харчавання з самага пачатку.

У гэтым артыкуле мы паглыбімся ў паніжальныя, павышаючыя і паніжальна-паніжальныя тапалогіі з розных пунктаў гледжання.

Канвертар Бака

На малюнку 1 паказана прынцыповая дыяграма асінхроннага паніжальнага пераўтваральніка. Паніжальны пераўтваральнік зніжае ўваходнае напружанне да больш нізкага выходнага. Калі перамыкач Q1 уключаны, энергія перадаецца на выходны вывад.

Малюнак 1: Схема асінхроннага паніжальнага пераўтваральніка

Формула 1 разлічвае каэфіцыент запаўнення:

Формула 2 разлічвае максімальнае напружанне палявога транзістара на аснове металаксіду і паўправадніка (MOSFET):

Формула 3 забяспечвае максімальнае напружанне дыёда:

Vin — уваходнае напружанне, Vout — выходнае напружанне, а Vf — прамое напружанне дыёда.

У параўнанні з лінейнымі рэгулятарамі або рэгулятарамі з нізкім падзеннем напружання (LDO), чым большая розніца паміж уваходным і выходным напружаннем, тым вышэйшая эфектыўнасць паніжальнага пераўтваральніка.

Нягледзячы на ​​тое, што на ўваходзе паніжальнага пераўтваральніка паступае імпульсны ток, выхадны ток бесперапынны з-за наяўнасці LC-фільтра на выхадзе пераўтваральніка. У выніку пульсацыі напружання, адлюстраваныя на ўваходным вывадзе, будуць большымі ў параўнанні з пульсацыямі на выхадным вывадзе.

Для паніжальных пераўтваральнікаў з малым каэфіцыентам запаўнення і выходнымі токамі больш за 3 А рэкамендуецца выкарыстоўваць сінхронныя выпрамнікі. Калі ваша крыніца сілкавання патрабуе выходнага току больш за 30 А, рэкамендуецца выкарыстоўваць шматфазныя або чаргаваныя сілавыя каскады, бо гэта можа мінімізаваць нагрузку на кампаненты, размеркаваць цяпло, якое выпрацоўваецца паміж некалькімі сілавымі каскадамі, і паменшыць пульсацыі адлюстравання на ўваходзе пераўтваральніка.

Пры выкарыстанні N-FET каэфіцыент запаўнення абмежаваны, бо кандэнсатар бутстрэпа павінен перазараджацца ў кожным цыкле пераключэння. У гэтым выпадку максімальны каэфіцыент запаўнення знаходзіцца ў дыяпазоне 95-99%.

Паніжальныя пераўтваральнікі звычайна маюць добрыя дынамічныя характарыстыкі, бо маюць структуру прамой тапалогіі. Дасягальная прапускная здольнасць залежыць ад якасці ўзмацняльніка памылкі і абранай частаты пераключэння.

На малюнках 2–7 паказаны формы сігналаў напружання і току палявога транзістара, дыёда і індуктыўнасці ў рэжыме бесперапыннай праводнасці (CCM) у асінхронных паніжальных пераўтваральніках.

Павышальны пераўтваральнік

Павышаючы пераўтваральнік павялічвае ўваходнае напружанне да большага выходнага напружання. Калі перамыкач Q1 не праводзіць ток, энергія перадаецца на выходную клему. На малюнку 8 паказана прынцыповая дыяграма асінхроннага павышальнага пераўтваральніка.

Малюнак 8: Схематычная схема асінхроннага павышальнага пераўтваральніка

Формула 4 разлічвае каэфіцыент запаўнення:

Формула 5 разлічвае максімальнае напружанне MOSFET:

Формула 6 забяспечвае максімальнае напружанне дыёда:

Vin — уваходнае напружанне, Vout — выходнае напружанне, а Vf — прамое напружанне дыёда.

Пры выкарыстанні павышальнага пераўтваральніка можна назіраць імпульсны выхадны ток, бо LC-фільтр размешчаны на ўваходзе. Такім чынам, уваходны ток бесперапынны, а пульсацыі выхаднога напружання большыя, чым пульсацыі ўваходнага напружання.

Пры праектаванні павышальнага пераўтваральніка важна ведаць, што паміж уваходам і выхадам будзе пастаяннае злучэнне, нават калі пераўтваральнік не пераключаецца. Неабходна прыняць прафілактычныя меры для прадухілення магчымых кароткіх замыканняў на выхадзе.

Пры выходных токах больш за 4 А для замены дыёдаў варта выкарыстоўваць сінхронныя выпрамнікі. Калі крыніца сілкавання павінна забяспечваць выходны ток больш за 10 А, настойліва рэкамендуецца выкарыстоўваць шматфазныя або чаргаваныя метады магутнага каскаду.

Пры працы ў рэжыме CCM дынамічныя характарыстыкі павышальнага пераўтваральніка абмежаваныя з-за нулявой кропкі правай паўплоскасці (НППЛ) яго перадаткавай функцыі. З-за немагчымасці НППЛ кампенсацыі дасягальная прапускная здольнасць звычайна будзе меншай за адну пятую да адной дзесятай частаты НППЛ.

Калі ласка, звярніцеся да формулы 7:

Сярод іх Vout — выходнае напружанне, D — каэфіцыент запаўнення, Iout — выходны ток, а L1 — індуктыўнасць павышальнага пераўтваральніка.

На малюнках 9–14 паказаны формы крывых напружання і току палявога транзістара, дыёда і індуктыўнасці ў рэжыме CCM у асінхронных павышальных пераўтваральніках.

Павышаючы пераўтваральнік

Павышаючы пераўтваральнік - гэта камбінацыя паніжальных і павышальных сілавых каскадаў, якія выкарыстоўваюць адну і тую ж індуктыўнасць.

Глядзіце малюнак 15.

Малюнак 15: Схематычная схема двухключовага паніжальнага пераўтваральніка напружання

Тапалогія паніжальнага ўзмацняльніка вельмі практычная, бо ўваходнае напружанне можа быць меншым, большым або такім жа, як выходнае, і патрабуе выходнай магутнасці больш за 50 Вт.

Пры выхадной магутнасці менш за 50 Вт больш эканамічна выгадным выбарам з'яўляецца аднабаковы пераўтваральнік першаснай індуктыўнасці (SEPIC), бо ён выкарыстоўвае менш кампанентаў.

Калі ўваходнае напружанне перавышае выходнае, паніжальна-павышаючы пераўтваральнік працуе ў рэжыме паніжэння; калі ўваходнае напружанне ніжэйшае за выходнае, ён працуе ў рэжыме павышэння. Калі пераўтваральнік працуе ў вобласці перадачы, дзе ўваходнае напружанне знаходзіцца ў дыяпазоне выходнага напружання, існуюць дзве канцэпцыі для апрацоўкі гэтых сітуацый: альбо паніжальны і павышальны каскады актыўныя адначасова, альбо цыкл пераключэння чаргуецца паміж паніжальным і павышальным каскадамі, кожны з якіх звычайна працуе на палове нармальнай частаты пераключэння. Другая канцэпцыя можа выклікаць субгарманічны шум на выхадзе, і ў параўнанні са звычайнымі паніжальнымі або павышальнымі аперацыямі дакладнасць выходнага напружання можа быць не такой дакладнай, але ў параўнанні з першай канцэпцыяй пераўтваральнік будзе больш эфектыўным.

Тапалогія паніжальнага-павышальнага пераўтварэння мае імпульсныя токі як на ўваходзе, так і на выхадзе, паколькі LC-фільтр адсутнічае ні ў адным з напрамкаў.

Для паніжальных пераўтваральнікаў, паніжальныя і павышальныя каскады магутнасці могуць выкарыстоўвацца асобна для разліку.

Павышаючы пераўтваральнік з двума ключамі падыходзіць для дыяпазону магутнасці ад 50 Вт да 100 Вт (напрыклад, LM5118), а магутнасць сінхроннага выпрамлення можа дасягаць 400 Вт (гэта ж самае, як у LM5175). Рэкамендуецца выкарыстоўваць сінхронны выпрамнік з такім жа абмежаваннем току, як і ў неспалучаных паніжальных і павышаючых каскадах магутнасці.

Вам трэба распрацаваць кампенсацыйную схему для паніжальнага пераўтваральніка павышальнага ўзроўню, бо RHPZ абмяжуе прапускную здольнасць рэгулятара.

Агульныя асноўныя тапалагічныя структуры

■Зніжэнне паніжальнага напружання

■ Павышэнне павышэння

■ Паніжэнне напружання Buck Boost

■ Флайбэк Флайбэк

■Наперад Наперад

■ Два трансфарматары наперад, два транзістары наперад

■Штурхаць-цягнуць

■Паўмост Паўмост

■ Поўны мост

■ СЭПІК

■ Цук

1. Асноўная форма сігналу шырынёва-імпульснай мадуляцыі

Гэтыя тапалагічныя структуры звязаны з схемамі пераключэння, а асноўная форма сігналу шырынёва-імпульснай мадуляцыі вызначаецца наступным чынам:

2, Бак

Характарыстыка:

■ Знізьце ўваходнае напружанне.

■ Магчыма, гэта самая простая схема.

■Фільтр індуктыўнасці/кандэнсатара выраўноўвае прастакутную хвалю пасля пераключэння.

■ Выхадны сігнал заўсёды меншы або роўны ўваходнаму.

■ Уваходны ток перарывісты (перарываецца).

Плыўны выхадны ток.

3. Павышэнне

Характарыстыка:

■Павялічце ўваходнае напружанне.

■ Падобна да зніжэння напружання, але з перастаўленымі індуктыўнымі элементамі, перамыкачамі і дыёдамі.

■ Выхадны сігнал заўсёды большы або роўны ўваходнаму (без уліку падзення прамой напругі на дыёдзе).

■Плаўны ўваходны ток.

■ Перарывісты выхадны ток (зрэзанне).

4. Павышэнне ўзроўню бака

Характарыстыка:

■Іншы спосаб размяшчэння індуктыўных шпулек, перамыкачоў і дыёдаў.

■ Спалучэнне недахопаў як паніжальных, так і павышальных схем.

■ Уваходны ток перарывісты (перарываецца).

■ Выхадны ток таксама з'яўляецца перарывістым (зрэзаным).

■ Выхад заўсёды супрацьлеглы ўваходу (звярніце ўвагу на палярнасць кандэнсатара), але амплітуда можа быць меншай або большай за ўваход.

■Пераўтваральнік «зваротнага тыпу» насамрэч мае выгляд паніжаючай і павышаючай схемы ізаляцыі (трансфарматарная сувязь).

5. Зваротны ход

Характарыстыка:

■Яна працуе як схема паніжальнага ўзмацняльніка, але індуктар мае дзве абмоткі, якія выконваюць ролю трансфарматара і індуктара.

■ Выхадны сігнал можа быць станоўчым або адмоўным, што вызначаецца палярнасцю шпулькі і дыёда.

■ Выхадная напруга можа быць большай або меншай за ўваходную, што вызначаецца каэфіцыентам пераходу трансфарматара.

■Гэта найпрасцейшая структура ізаляванай тапалогіі.

■Даданне другасных абмотак і ланцугоў можа прывесці да атрымання некалькіх выхадаў.

6, Наперад

Характарыстыка:

■ Форма трансфарматарнай сувязі паніжальнай схемы.

■ Перарывісты ўваходны ток, плаўны выхадны ток.

■Дзякуючы выкарыстанню трансфарматараў, выхадны сігнал можа быць большым або меншым за ўваходны і можа мець любую палярнасць.

■Даданне другасных абмотак і ланцугоў можа атрымаць некалькі выхадных сігналаў.

■ Стрыжань трансфарматара неабходна размагнічваць падчас кожнага цыклу пераключэння. Звычайна дадаюць абмотку з такой жа колькасцю віткоў, як і першасная абмотка.

■Энергія, якая назапашваецца ў першаснай індуктыўнасці падчас фазы ўключэння, вызваляецца праз дадатковыя абмоткі і дыёды падчас фазы выключэння.

7. Прамое пераключэнне на двух транзістарах

Характарыстыка:

■Два перамыкачы працуюць адначасова.

■ Калі выключальнік адключаны, энергія, якая назапашваецца ў трансфарматары, змяняе палярнасць першаснай абмоткі на адваротную, у выніку чаго дыёд пачынае праводзіць ток.

Асноўныя перавагі:

■ Напружанне на кожным перамыкачы ніколі не перавышае ўваходнае напружанне.

■ Няма неабходнасці пераўсталёўваць звілістую рэйку.

8. Цягні-штурхаючы

Характарыстыка:

■ Перамыкач (FET) кіруе рознымі фазамі і выконвае шыротную імпульсную мадуляцыю (ШІМ) для рэгулявання выходнага напружання.

■ Добры каэфіцыент выкарыстання магнітных стрыжняў трансфарматара - перадавальная магутнасць у абодвух паўперыядах.

■ Структура поўнахвалевай тапалогіі, таму частата пульсацый на выхадзе ўдвая перавышае частату трансфарматара.

■ Напружанне, якое падаецца на палявы транзістар, удвая перавышае ўваходнае напружанне.

9. Паўмост

Характарыстыка:

■ Тапалагічная структура, якая звычайна выкарыстоўваецца ў магутных пераўтваральніках.

■ Перамыкач (FET) кіруе рознымі фазамі і выконвае шыротную імпульсную мадуляцыю (ШІМ) для рэгулявання выходнага напружання.

■ Добры каэфіцыент выкарыстання магнітных стрыжняў трансфарматара - перадача магутнасці ў абодвух паўперыядах. ■ Больш за тое, каэфіцыент выкарыстання першаснай абмоткі лепшы, чым у двухтактнай схемы.

■ Структура поўнахвалевай тапалогіі, таму частата пульсацый на выхадзе ўдвая перавышае частату трансфарматара.

■ Напружанне, якое падаецца на палявы транзістар, роўнае ўваходнаму напрузе.

10. Поўны мост

Характарыстыка:

■Найбольш распаўсюджаная тапалагічная структура для магутных пераўтваральнікаў.

■ Пераключальнікі (палевыя транзістары) кіруюцца дыяганальнымі парамі, а для рэгулявання выходнага напружання выконваецца шыротная мадуляцыя імпульсаў (ШІМ).

■ Добры каэфіцыент выкарыстання магнітных стрыжняў трансфарматара - перадавальная магутнасць у абодвух паўперыядах.

■ Структура поўнахвалевай тапалогіі, таму частата пульсацый на выхадзе ўдвая перавышае частату трансфарматара.

■ Напружанне, якое падаецца на палявыя транзістары, роўнае ўваходнаму напрузе.

■Пры зададзенай магутнасці першасны ток удвая меншы за ток паўмоста.

11. Аднабаковы пераўтваральнік першаснай індуктыўнасці SEPIC (SEPIC)

Характарыстыка:

■ Выхадная напруга можа быць большай або меншай за ўваходную.

■Як і ў схеме павышэння, уваходны ток плаўны, а выхадны перарывісты.

■Энергія перадаецца ад уваходу да выхаду праз кандэнсатары.

■ Патрабуюцца дзве шпулькі індуктыўнасці.

12. C'uk (патэнт Слобадана Цука)

Характарыстыка:

■ Выхад у зваротнай фазе.

■ Амплітуда выходнага напружання можа быць большай або меншай за ўваходнае.

■ Уваходны і выходны ток з'яўляюцца плаўнымі.

■Энергія перадаецца ад уваходу да выхаду праз кандэнсатары.

■ Патрабуюцца дзве шпулькі індуктыўнасці.

■ Індуктыўнасць можа быць падключана для атрымання нулявых пульсацый току індуктыўнасці.

13. Падрабязнасці працы схемы

■ Ніжэй тлумачацца дэталі працы з некалькімі тапалагічнымі структурамі:

■Рэгулятар напружання: бесперапынная праводнасць, крытычная праводнасць, перарывістая праводнасць.

■ Рэгулятар павышэння (пастаянны ток).

■Праца трансфарматара.

■ трансфарматар тыпу flyback.

■ Прамы трансфарматар.

14. Рэгулятар паніжальнага напружання з бесперапыннай праводнасцю

Характарыстыка:

■Ток індуктыўнасці бесперапынны.

■Vout — гэта сярэдняе значэнне ўваходнага напружання (V1).

■ Выхадная напруга — гэта здабытак уваходнай напругі і каэфіцыента нагрузкі перамыкача (D).

■Пры падключэнні ток індуктыўнасці выцякае з батарэі.

■ Калі выключальнік выключаны, ток працякае праз дыёд.

■ Калі не ўлічваць страты ў ключах і індуктыўнасцях, D не залежыць ад току нагрузкі.

■ Характарыстыкі рэгулятара напружання і яго вытворных схем:

■ Уваходны ток перарывісты (зрэзванне), выходны ток бесперапынны (згладжванне).

15. Крытычная праводнасць рэгулятара напружання паніжальніка

■ Ток індуктыўнасці ўсё яшчэ бесперапынны, але дасягае нуля пры паўторным уключэнні ключа, што называецца «крытычнай праводнасцю». Выхаднае напружанне ўсё яшчэ роўнае ўваходнаму напружанню, памножанаму на D.

16. Рэгулятар напружання паніжальніка з перарывістай праводнасцю

■ У гэтым выпадку ток у індуктары роўны нулю на працягу пэўнага перыяду часу ў кожным цыкле.

■ Выхадная напруга (заўсёды) застаецца сярэдняй велічынёй v1.

■ Выхадная напруга не з'яўляецца здабыткам уваходнай напругі і каэфіцыента нагрузкі перамыкача (D).

■ Калі ток нагрузкі ніжэйшы за крытычнае значэнне, D змяняецца разам з токам нагрузкі (у той час як Vout застаецца пастаянным).

17. Рэгулятар наддуву

■ Выхадная напруга заўсёды большая (або роўная) за ўваходную.

■ Пастаянны ўваходны ток, перарывісты выхадны ток (насупрацьлеглы рэгулятару напружання).

■Сувязь паміж выходным напружаннем і каэфіцыентам нагрузкі (D) не такая простая, як у рэгулятары напружання. У выпадку бесперапыннай праводнасці:

У гэтым прыкладзе Vin = 5, Vout = 15 і D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.

18. Праца трансфарматара (у тым ліку роля першаснай індуктыўнасці)

■ Трансфарматар лічыцца ідэальным трансфарматарам, першасная (намагнічаная) індуктыўнасць якога падключана паралельна першаснай абмотцы.

19. Трансфарматар тыпу Flyback

■ Першасная індуктыўнасць тут вельмі нізкая і выкарыстоўваецца для вызначэння пікавага току і назапашанай энергіі. Калі першасны ключ выключаны, энергія перадаецца на другасную.

20. Трансфарматар прамога пераўтваральніка

■ Першасная індуктыўнасць высокая, бо няма неабходнасці назапашваць энергію.

Ток намагнічвання (i1) паступае ў "індуктар намагнічвання", выклікаючы размагнічванне магнітнага стрыжня (зваротнае напружанне) пасля выключэння першаснага выключальніка.

Кароткі змест

■ У гэтым артыкуле разглядаюцца найбольш распаўсюджаныя тапалогіі схем у рэжыме пераўтварэння энергіі з дапамогай імпульснага току.

■ Існуе шмат іншых тапалагічных структур, але большасць з іх з'яўляюцца камбінацыямі або варыяцыямі апісанай тут тапалогіі.

■ Кожная тапалагічная структура мае унікальныя кампрамісы ў дызайне:

1) Напружанне, пададзенае на перамыкач

2) Зрэзка і згладжванне ўваходных і выходных токаў

3) Каэфіцыент выкарыстання абмоткі

■ Выбар аптымальнай тапалогіі патрабуе даследаванняў па наступных напрамках:

1) Дыяпазон уваходнага і выходнага напружання

2) Дыяпазон току

3) Суадносіны кошту і прадукцыйнасці, памеру і вагі