Импульсный источник питания ( ИБП ), также называемый импульсным источником питания , импульсным источником питания , переключаемым источником питания или просто коммутатором , представляет собой электронный источник питания , который включает в себя импульсный регулятор для эффективного преобразования электроэнергии .
Как и другие источники питания, SMPS передает питание от источника постоянного или переменного тока (часто сетевого питания , см. Адаптер переменного тока ) к нагрузкам постоянного тока, таким как персональный компьютер , при этом преобразуя характеристики напряжения и тока . В отличие от линейного источника питания , проходной транзистор [a] импульсного источника питания постоянно переключается между состояниями с низким рассеиванием , полным включением и полным выключением и проводит очень мало времени в переходах с высоким рассеиванием, что сводит к минимуму потери энергии. Регулирование напряжения достигается путем изменения соотношения времени включения и выключения (также известного как рабочий цикл ). Напротив, линейный источник питания регулирует выходное напряжение, непрерывно рассеивая мощность в проходном транзисторе. Более высокая электрическая эффективность импульсного источника питания является важным преимуществом.
Импульсные источники питания также могут быть существенно меньше и легче линейного источника питания, поскольку трансформатор может быть намного меньше. Это связано с тем, что он работает на высокой частоте переключения, которая варьируется от нескольких сотен кГц до нескольких МГц в отличие от частоты сети 50 или 60 Гц, используемой трансформатором в линейном источнике питания. Несмотря на уменьшенный размер трансформатора, топология источника питания и требования к электромагнитной совместимости в коммерческих конструкциях обычно приводят к гораздо большему количеству компонентов и соответствующей сложности схемы.
Импульсные регуляторы используются в качестве замены линейным регуляторам, когда требуется более высокая эффективность, меньший размер или меньший вес. Однако они более сложны; токи переключения могут вызывать проблемы с электрическим шумом, если их не подавлять тщательно, а простые конструкции могут иметь плохой коэффициент мощности .
Линейный источник питания (не SMPS) использует линейный регулятор для обеспечения желаемого выходного напряжения путем рассеивания мощности в омических потерях (например, в резисторе или в области коллектор-эмиттер проходного транзистора в его активном режиме). Линейный регулятор регулирует либо выходное напряжение, либо ток путем рассеивания электроэнергии в виде тепла , и, следовательно, его максимальная эффективность мощности равна выходному напряжению/входному напряжению, поскольку разница вольт тратится впустую.
Напротив, SMPS изменяет выходное напряжение и ток, переключая идеально без потерь элементы хранения, такие как индукторы и конденсаторы , между различными электрическими конфигурациями. Идеальные переключающие элементы (приближенные транзисторами, работающими вне их активного режима) не имеют сопротивления, когда «включены», и не проводят ток, когда «выключены», и поэтому преобразователи с идеальными компонентами будут работать со 100% эффективностью (т. е. вся входная мощность подается на нагрузку; никакая мощность не тратится впустую в виде рассеиваемого тепла). В действительности этих идеальных компонентов не существует, поэтому импульсный источник питания не может быть эффективным на 100%, но это все равно значительное улучшение эффективности по сравнению с линейным регулятором.
Например, если источник постоянного тока, индуктор, переключатель и соответствующее электрическое заземление размещены последовательно, а переключатель управляется прямоугольной волной , то пиковое напряжение формы сигнала, измеренное на переключателе, может превышать входное напряжение от источника постоянного тока. Это происходит потому, что индуктор реагирует на изменения тока, индуцируя собственное напряжение для противодействия изменению тока, и это напряжение добавляется к напряжению источника, пока переключатель открыт. Если комбинация диода и конденсатора размещена параллельно переключателю, пиковое напряжение может сохраняться в конденсаторе, и конденсатор может использоваться как источник постоянного тока с выходным напряжением, превышающим постоянное напряжение, управляющее схемой. Этот повышающий преобразователь действует как повышающий трансформатор для сигналов постоянного тока. Понижающий-повышающий преобразователь работает аналогичным образом, но выдает выходное напряжение, противоположное по полярности входному напряжению. Существуют и другие понижающие схемы для повышения среднего выходного тока с уменьшением напряжения.
В SMPS выходной ток зависит от входного сигнала мощности, используемых элементов хранения и топологии схемы, а также от шаблона, используемого (например, широтно-импульсная модуляция с регулируемым рабочим циклом ) для управления переключающими элементами. Спектральная плотность этих переключающих сигналов имеет энергию, сконцентрированную на относительно высоких частотах. Таким образом, переходные процессы переключения и пульсации, вносимые в выходные сигналы, могут быть отфильтрованы с помощью небольшого LC-фильтра .
Основным преимуществом импульсного источника питания является более высокая эффективность (до 98–99% [25] [26] [27] ) и меньшее тепловыделение по сравнению с линейными стабилизаторами, поскольку транзистор переключения рассеивает малую мощность, работая в качестве переключателя.
Другие преимущества включают меньший размер и меньший вес за счет устранения тяжелых и дорогих трансформаторов частоты сети. Потери мощности в режиме ожидания часто намного меньше, чем у трансформаторов.
К недостаткам можно отнести большую сложность, генерацию высокоамплитудной высокочастотной энергии, которую фильтр нижних частот должен блокировать, чтобы избежать электромагнитных помех (ЭМП), пульсации напряжения на частоте переключения и его гармонических частотах .
Очень дешевые SMPS могут передавать электрические помехи переключения обратно в линию электропитания, вызывая помехи в устройствах, подключенных к той же фазе, например, в аудио- и видеооборудовании. SMPS без коррекции коэффициента мощности также вызывают гармонические искажения.
Существует два основных типа регулируемых источников питания: SMPS и линейные. В следующей таблице линейные и импульсные источники питания сравниваются в целом:
Если SMPS имеет вход переменного тока, то первым этапом является преобразование входного сигнала в постоянный ток. Это называется « выпрямлением ». SMPS с входным сигналом постоянного тока не требует этого этапа. В некоторых блоках питания (в основном компьютерных блоках питания ATX ) схема выпрямителя может быть сконфигурирована как удвоитель напряжения путем добавления переключателя, управляемого вручную или автоматически. Эта функция позволяет работать от источников питания, которые обычно имеют напряжение 115 В переменного тока или 230 В переменного тока. Выпрямитель вырабатывает нерегулируемое постоянное напряжение, которое затем отправляется на большой фильтрующий конденсатор. Ток, потребляемый от сети питания этой схемой выпрямителя, происходит короткими импульсами вокруг пиков напряжения переменного тока. Эти импульсы имеют значительную высокочастотную энергию, которая снижает коэффициент мощности. Чтобы исправить это, многие новые SMPS будут использовать специальную схему коррекции коэффициента мощности (PFC), чтобы заставить входной ток следовать синусоидальной форме входного напряжения переменного тока, корректируя коэффициент мощности. Блоки питания, использующие активную коррекцию коэффициента мощности, обычно имеют автоматический диапазон, поддерживают входное напряжение от ~100 В переменного тока до 250 В переменного тока , без переключателя входного напряжения.
ИБП, предназначенный для входа переменного тока, обычно может работать от источника постоянного тока, поскольку постоянный ток будет проходить через выпрямитель без изменений. [35] Если источник питания рассчитан на 115 В переменного тока и не имеет переключателя выбора напряжения, требуемое постоянное напряжение будет составлять 163 В постоянного тока (115 × √2). Однако такой тип использования может быть вреден для выпрямительного каскада, поскольку он будет использовать только половину диодов в выпрямителе для полной нагрузки. Это может привести к перегреву этих компонентов, что приведет к их преждевременному выходу из строя. С другой стороны, если источник питания имеет переключатель выбора напряжения, основанный на схеме Делона , для 115/230 В (компьютерные блоки питания ATX обычно относятся к этой категории), переключатель выбора должен быть установлен в положение 230 В , а требуемое напряжение будет составлять 325 В постоянного тока (230 × √2). Диоды в этом типе источника питания будут прекрасно справляться с постоянным током, поскольку они рассчитаны на работу с двойным номинальным входным током при работе в режиме 115 В из-за работы удвоителя напряжения. Это происходит потому, что удвоитель при работе использует только половину мостового выпрямителя и пропускает через него вдвое больше тока. [36]
Инверторный каскад преобразует постоянный ток, как напрямую с входа, так и с описанного выше выпрямительного каскада, в переменный ток, пропуская его через генератор мощности, выходной трансформатор которого очень мал и имеет несколько обмоток, на частоте в десятки или сотни килогерц . Частота обычно выбирается выше 20 кГц, чтобы сделать ее неслышимой для человека. Переключение реализовано в виде многокаскадного (для достижения высокого коэффициента усиления) усилителя MOSFET . MOSFET — это тип транзистора с низким сопротивлением в открытом состоянии и высокой токопроводящей способностью.
Если выход должен быть изолирован от входа, как это обычно бывает в сетевых источниках питания, то инвертированный переменный ток используется для питания первичной обмотки высокочастотного трансформатора . Он преобразует напряжение вверх или вниз до требуемого выходного уровня на его вторичной обмотке. Выходной трансформатор на блок-схеме служит для этой цели.
Если требуется выход постоянного тока, выход переменного тока трансформатора выпрямляется. Для выходных напряжений выше десяти вольт или около того обычно используются обычные кремниевые диоды. Для более низких напряжений в качестве выпрямительных элементов обычно используются диоды Шоттки ; они обладают преимуществами более быстрого времени восстановления, чем кремниевые диоды (что позволяет работать с малыми потерями на более высоких частотах) и более низкого падения напряжения при проводимости. Для еще более низких выходных напряжений в качестве синхронных выпрямителей могут использоваться полевые МОП-транзисторы ; по сравнению с диодами Шоттки они имеют еще более низкие падения напряжения в проводящем состоянии.
Выпрямленный выход затем сглаживается фильтром, состоящим из индукторов и конденсаторов . Для более высоких частот переключения необходимы компоненты с меньшей емкостью и индуктивностью.
Более простые, неизолированные источники питания содержат индуктор вместо трансформатора. Этот тип включает в себя повышающие преобразователи , понижающие преобразователи и понижающе-повышающие преобразователи . Они относятся к простейшему классу преобразователей с одним входом и одним выходом, которые используют один индуктор и один активный переключатель. Понижающий преобразователь снижает входное напряжение прямо пропорционально отношению времени проводимости к общему периоду переключения, называемому рабочим циклом. Например, идеальный понижающий преобразователь с входом 10 В, работающий с рабочим циклом 50%, будет производить среднее выходное напряжение 5 В. Контур управления с обратной связью используется для регулирования выходного напряжения путем изменения рабочего цикла для компенсации изменений входного напряжения. Выходное напряжение повышающего преобразователя всегда больше входного напряжения, а понижающе-повышающее выходное напряжение инвертировано, но может быть больше, равно или меньше величины его входного напряжения. Существует много вариаций и расширений этого класса преобразователей, но эти три составляют основу почти всех изолированных и неизолированных преобразователей постоянного тока в постоянный. Добавив второй индуктор, можно реализовать преобразователи Ćuk и SEPIC , а добавив дополнительные активные переключатели, можно реализовать различные мостовые преобразователи.
Другие типы ИБП используют конденсаторно - диодный умножитель напряжения вместо индукторов и трансформаторов. Они в основном используются для генерации высоких напряжений при низких токах ( генератор Кокрофта-Уолтона ). Низковольтный вариант называется зарядовым насосом .
Схема обратной связи контролирует выходное напряжение и сравнивает его с опорным напряжением. В зависимости от конструкции и требований безопасности контроллер может содержать механизм изоляции (например, оптопару ) для его изоляции от выхода постоянного тока. Импульсные источники питания в компьютерах, телевизорах и видеомагнитофонах имеют эти оптопары для жесткого контроля выходного напряжения.
Регуляторы с открытым контуром не имеют цепи обратной связи. Вместо этого они полагаются на подачу постоянного напряжения на вход трансформатора или индуктора и предполагают, что выход будет правильным. Регулируемые конструкции компенсируют импеданс трансформатора или катушки. Монополярные конструкции также компенсируют магнитный гистерезис сердечника.
Для работы схемы обратной связи необходимо питание, прежде чем она сможет генерировать электроэнергию, поэтому добавляется дополнительный некоммутируемый источник питания для режима ожидания.
Любой импульсный источник питания, который получает питание от линии переменного тока (называемый «автономным» преобразователем [37] ), требует трансформатора для гальванической развязки . [ требуется ссылка ] Некоторые преобразователи постоянного тока в постоянный ток также могут включать трансформатор, хотя в этих случаях изоляция может не иметь решающего значения. Трансформаторы SMPS работают на высоких частотах. Большая часть экономии средств (и экономии места) в автономных источниках питания достигается за счет меньшего размера высокочастотного трансформатора по сравнению с ранее использовавшимися трансформаторами 50/60 Гц. Существуют дополнительные компромиссы в конструкции. [38]
Напряжение на клеммах трансформатора пропорционально произведению площади сердечника, магнитного потока и частоты. Используя гораздо более высокую частоту, площадь сердечника (и, следовательно, масса сердечника) могут быть значительно уменьшены. Однако потери в сердечнике увеличиваются на более высоких частотах. Сердечники обычно используют ферритовый материал, который имеет низкие потери на высоких частотах и высокие плотности потока. Ламинированные железные сердечники низкочастотных (<400 Гц) трансформаторов будут иметь неприемлемо высокие потери на частотах переключения в несколько килогерц. Кроме того, больше энергии теряется во время переходов коммутационного полупроводника на более высоких частотах. Кроме того, требуется больше внимания к физической компоновке печатной платы , поскольку паразитные явления становятся более значительными, а количество электромагнитных помех будет более выраженным.
На низких частотах (например, частота линии 50 или 60 Гц) проектировщики обычно могут игнорировать скин-эффект . Для этих частот скин-эффект имеет значение только тогда, когда проводники большие, более 0,3 дюйма (7,6 мм) в диаметре.
Импульсные источники питания должны уделять больше внимания скин-эффекту, поскольку он является источником потерь мощности. На частоте 500 кГц глубина скин-слоя в меди составляет около 0,003 дюйма (0,076 мм) — размер меньше, чем у типичных проводов, используемых в источнике питания. Эффективное сопротивление проводников увеличивается, поскольку ток концентрируется вблизи поверхности проводника, а внутренняя часть несет меньший ток, чем на низких частотах.
Скин-эффект усугубляется гармониками, присутствующими в высокоскоростных широтно-импульсных модуляционных (ШИМ) переключающих сигналах. Соответствующая глубина скина — это не только глубина на основной частоте, но и глубина скина на гармониках. [39]
Помимо скин-эффекта, существует также эффект близости , который является еще одним источником потери мощности.
Простые офлайновые импульсные источники питания включают в себя простой двухполупериодный выпрямитель, подключенный к большому конденсатору, накапливающему энергию. Такие ИБП потребляют ток из линии переменного тока короткими импульсами, когда мгновенное напряжение сети превышает напряжение на этом конденсаторе. В течение оставшейся части цикла переменного тока конденсатор обеспечивает энергией источник питания.
В результате входной ток таких базовых импульсных источников питания имеет высокое содержание гармоник и относительно низкий коэффициент мощности. Это создает дополнительную нагрузку на линии электропередач, увеличивает нагрев электропроводки здания, трансформаторов электропередач и стандартных электродвигателей переменного тока и может вызвать проблемы со стабильностью в некоторых приложениях, таких как системы аварийных генераторов или генераторы самолетов. Гармоники можно удалить путем фильтрации, но фильтры дороги. В отличие от коэффициента мощности смещения, создаваемого линейными индуктивными или емкостными нагрузками, это искажение нельзя исправить добавлением одного линейного компонента. Для противодействия эффекту кратковременных импульсов тока требуются дополнительные цепи. Установка каскада повышающего прерывателя с регулируемым током после автономного выпрямителя (для зарядки накопительного конденсатора) может скорректировать коэффициент мощности, но увеличивает сложность и стоимость.
В 2001 году Европейский союз ввел в действие стандарт IEC 61000-3-2, устанавливающий ограничения на гармоники входного переменного тока до 40-й гармоники для оборудования мощностью свыше 75 Вт. Стандарт определяет четыре класса оборудования в зависимости от его типа и формы тока. Наиболее строгие ограничения (класс D) установлены для персональных компьютеров, компьютерных мониторов и телевизионных приемников. Для соответствия этим требованиям современные импульсные блоки питания обычно включают в себя дополнительный каскад коррекции коэффициента мощности (PFC).
Импульсные источники питания можно классифицировать по топологии схемы. Наиболее важное различие — между изолированными и неизолированными преобразователями.
Неизолированные преобразователи являются самыми простыми, три основных типа используют один индуктор для хранения энергии. В столбце отношения напряжения D — это рабочий цикл преобразователя, который может изменяться от 0 до 1. Входное напряжение (V 1 ) предполагается больше нуля; если оно отрицательное, для согласованности отрицайте выходное напряжение (V 2 ).
Если оборудование доступно для человека, для сертификации безопасности применяются пределы напряжения ≤ 30 В (среднеквадратичное значение) переменного тока или ≤ 42,4 В пиковое значение или ≤ 60 В постоянного тока и пределы мощности 250 ВА ( одобрение UL , CSA , VDE ).
Топологии buck, boost и buck-boost тесно связаны. Вход, выход и земля сходятся в одной точке. Один из трех проходит через индуктор по пути, в то время как два других проходят через переключатели. Один из двух переключателей должен быть активным (например, транзистор), а другой может быть диодом. Иногда топологию можно изменить, просто перемаркировав соединения. Понижающий преобразователь с входом 12 В и выходом 5 В можно преобразовать в повышающий-понижающий преобразователь с входом 7 В и выходом −5 В, заземлив выход и взяв выход с заземляющего контакта.
Аналогично, преобразователи SEPIC и Zeta являются небольшими модификациями преобразователя Ćuk.
Топология с фиксированной нейтральной точкой (NPC) используется в источниках питания и активных фильтрах и упоминается здесь для полноты картины. [41]
Коммутаторы становятся менее эффективными, поскольку рабочие циклы становятся чрезвычайно короткими. Для больших изменений напряжения трансформаторная (изолированная) топология может быть лучше.
Все изолированные топологии включают трансформатор и, таким образом, могут производить выходное напряжение выше или ниже входного, регулируя соотношение витков. [42] [43] Для некоторых топологий на трансформаторе можно разместить несколько обмоток для получения нескольких выходных напряжений. [44] Некоторые преобразователи используют трансформатор для хранения энергии, в то время как другие используют отдельный индуктор.
Контроллер прерывателя: выходное напряжение связано с входным, что обеспечивает очень точный контроль
В квазирезонансном переключателе с нулевым током/нулевым напряжением (ZCS/ZVS) «каждый цикл переключения подает квантованный «пакет» энергии на выход преобразователя, а включение и выключение переключателя происходит при нулевом токе и напряжении, что приводит к практически отсутствию потерь при переключении». [48] Квазирезонансное переключение, также известное как переключение впадины , снижает электромагнитные помехи в источнике питания двумя способами:
Более высокое входное напряжение и режим синхронного выпрямления делают процесс преобразования более эффективным. Потребляемая мощность контроллера также должна быть принята во внимание. Более высокая частота переключения позволяет уменьшить размеры компонентов, но может производить больше RFI . Резонансный прямой преобразователь производит самые низкие EMI из всех подходов SMPS, поскольку он использует резонансную форму волны с мягким переключением по сравнению с обычным жестким переключением. [ необходима цитата ]
ИБП, как правило, чувствительны к температуре. На каждые 10-15 °C сверх 25 °C частота отказов удваивается. [49] Большинство отказов можно отнести к неправильной конструкции и плохому выбору компонентов. [50]
Источники питания с конденсаторами, которые достигли конца своего срока службы или страдают от производственных дефектов, таких как конденсаторная чума, в конечном итоге выйдут из строя. Когда либо емкость уменьшается, либо ESR увеличивается, регулятор компенсирует это, увеличивая частоту переключения, тем самым подвергая переключающие полупроводники все большему тепловому напряжению. В конечном итоге переключающие полупроводники выходят из строя, обычно проводящим образом. Для источников питания без отказоустойчивой защиты это может подвергнуть подключенные нагрузки полному входному напряжению и току, и на выходе могут возникнуть сильные колебания. [51]
Выход из строя транзистора переключения — обычное дело. Из-за больших напряжений переключения, которые должен выдерживать этот транзистор (около 325 В для сети переменного тока 230 В без коррекции коэффициента мощности, в противном случае обычно около 390 В ), эти транзисторы часто замыкаются, в свою очередь немедленно перегорая главный внутренний предохранитель питания.
Источники питания в потребительских товарах часто повреждаются из-за ударов молнии в линии электропередач, а также внутренних коротких замыканий, вызванных насекомыми, привлеченными тепловыми и электростатическими полями. Эти события могут повредить любую часть источника питания.
Главный конденсатор фильтра часто сохраняет до 325 вольт в течение длительного времени после отключения входного питания. Не все блоки питания содержат небольшой резистор «разрядника», который медленно разряжает конденсатор. Контакт с этим конденсатором может привести к серьезному поражению электрическим током.
Первичная и вторичная стороны могут быть соединены с конденсатором для снижения электромагнитных помех и компенсации различных емкостных связей в цепи преобразователя, где трансформатор является одним из них. Это может привести к поражению электрическим током в некоторых случаях. Ток, текущий от линии или нейтрали через резистор 2 кОм к любой доступной части, должен, согласно IEC 60950 , быть менее 250 мкА для ИТ-оборудования. [52]
Импульсные блоки питания (БП) в бытовых продуктах, таких как персональные компьютеры , часто имеют универсальные входы, что означает, что они могут принимать питание от электросетей по всему миру, хотя может потребоваться ручной переключатель диапазона напряжения. Импульсные блоки питания могут выдерживать широкий диапазон частот и напряжений питания .
Из-за своих больших объемов зарядные устройства для мобильных телефонов всегда были особенно чувствительны к стоимости. Первые зарядные устройства были линейными источниками питания , но они быстро перешли на экономичную топологию звонящего дроссельного преобразователя (RCC) SMPS, когда потребовались новые уровни эффективности. В последнее время спрос на еще более низкие требования к мощности без нагрузки в приложении привел к тому, что топология обратного хода используется более широко; контроллеры обратного хода с первичной стороны также помогают сократить перечень материалов (BOM), удаляя компоненты вторичного датчика, такие как оптопары . [ необходима цитата ]
Импульсные источники питания используются также для преобразования постоянного тока в постоянный. В тяжелых транспортных средствах, которые используют номинальный источник питания постоянного тока 24 В для запуска двигателя, 12 В для аксессуаров могут быть предоставлены через импульсный источник питания постоянного тока/постоянного тока. Это имеет преимущество перед подключением батареи в положение 12 В (используя половину ячеек), так как вся нагрузка 12 В равномерно распределяется между всеми ячейками батареи 24 В. В промышленных условиях, таких как телекоммуникационные стойки, основная мощность может распределяться при низком напряжении постоянного тока (например, от резервной системы аккумуляторов), а отдельные элементы оборудования будут иметь импульсные преобразователи постоянного тока/постоянного тока для подачи требуемых напряжений.
Распространенное применение импульсных источников питания — источник сверхнизкого напряжения для освещения. Для этого применения их часто называют «электронными трансформаторами».
Термин «режим переключения » широко использовался до тех пор, пока Motorola не заявила права собственности на торговую марку SWITCHMODE для продуктов, предназначенных для рынка источников питания с импульсным режимом, и не начала защищать свою торговую марку. [37] Импульсный источник питания , импульсный источник питания и импульсный регулятор относятся к этому типу источника питания. [37]
Медиа, связанные с импульсными источниками питания на Wikimedia Commons
