Импульсный источник питания ( SMPS ), также называемый импульсным источником питания , импульсным источником питания , импульсным источником питания или просто переключателем , представляет собой электронный источник питания , который включает в себя импульсный стабилизатор для эффективного преобразования электрической энергии .
Как и другие источники питания, импульсный источник питания передает мощность от источника постоянного или переменного тока (часто от сети , см. адаптер переменного тока ) на нагрузки постоянного тока, такие как персональный компьютер , преобразуя при этом характеристики напряжения и тока . В отличие от линейного источника питания , проходной транзистор импульсного источника питания постоянно переключается между состояниями с низким рассеиванием , полностью включенным и полностью выключенным состояниями и тратит очень мало времени на переходы с высоким рассеиванием, что сводит к минимуму потери энергии. Гипотетический идеальный импульсный источник питания не рассеивает мощность. Регулирование напряжения достигается за счет изменения соотношения времени включения и выключения (также известного как рабочие циклы ). Напротив, линейный источник питания регулирует выходное напряжение, постоянно рассеивая мощность в проходном транзисторе . Важным преимуществом является более высокий электрический КПД импульсного источника питания .
Импульсные источники питания также могут быть существенно меньше и легче, чем линейные источники питания, поскольку трансформатор может быть намного меньше. Это связано с тем, что он работает на высокой частоте переключения, которая находится в диапазоне от нескольких сотен кГц до нескольких МГц, в отличие от частоты сети 50 или 60 Гц . Несмотря на уменьшенный размер трансформатора, топология источника питания и требования к подавлению электромагнитных помех (EMI) в коммерческих конструкциях обычно приводят к гораздо большему количеству компонентов и соответствующей сложности схемы.
Импульсные регуляторы используются в качестве замены линейных регуляторов, когда требуется более высокая эффективность, меньшие размеры или меньший вес. Однако они более сложны; коммутационные токи могут вызвать проблемы с электрическими помехами, если их не подавить должным образом, а простые конструкции могут иметь низкий коэффициент мощности .
Линейный источник питания (не SMPS) использует линейный стабилизатор 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, рассеивая электрическую мощность в виде тепла , и, следовательно, его максимальная энергоэффективность равна выходному напряжению/входящему напряжению, поскольку разница вольт теряется.
Напротив, ИИП изменяет выходное напряжение и ток, в идеале переключая элементы хранения без потерь, такие как катушки индуктивности и конденсаторы , между различными электрическими конфигурациями. Идеальные переключающие элементы (аппроксимируемые транзисторами, работающими вне активного режима) не имеют сопротивления во включенном состоянии и не проводят ток в выключенном состоянии, поэтому преобразователи с идеальными компонентами будут работать со 100% эффективностью (т. е. вся входная мощность передается к нагрузке; мощность не тратится в виде рассеиваемого тепла). В действительности таких идеальных компонентов не существует, поэтому импульсный источник питания не может быть эффективным на 100%, но все равно это значительное улучшение эффективности по сравнению с линейным стабилизатором.
Например, если источник постоянного тока, индуктор, переключатель и соответствующее электрическое заземление включены последовательно, а переключатель управляется прямоугольной волной , размах напряжения сигнала, измеренного на переключателе, может превысить входное напряжение от источника постоянного тока. Это связано с тем, что индуктор реагирует на изменения тока, индуцируя собственное напряжение, противодействующее изменению тока, и это напряжение добавляется к напряжению источника, пока ключ разомкнут. Если комбинация диода и конденсатора размещена параллельно переключателю, пиковое напряжение может сохраняться в конденсаторе, и конденсатор можно использовать в качестве источника постоянного тока с выходным напряжением, превышающим напряжение постоянного тока, управляющее цепью. Этот повышающий преобразователь действует как повышающий трансформатор для сигналов постоянного тока. Повышающий преобразователь работает аналогичным образом, но выдает выходное напряжение, полярность которого противоположна входному напряжению. Существуют и другие понижающие схемы для увеличения среднего выходного тока при уменьшении напряжения.
В SMPS поток выходного тока зависит от входного сигнала мощности, используемых элементов хранения и топологии схемы, а также от используемой схемы (например, широтно-импульсной модуляции с регулируемым рабочим циклом ) для управления переключающими элементами. Спектральная плотность этих сигналов переключения имеет энергию, сконцентрированную на относительно высоких частотах. Таким образом, коммутационные переходные процессы и пульсации , вносимые в выходные сигналы, можно фильтровать с помощью небольшого LC-фильтра .
Основным преимуществом импульсного источника питания является более высокий КПД ( до 96% ) и меньшее тепловыделение, чем у линейных регуляторов, поскольку импульсный транзистор рассеивает небольшую мощность, действуя как переключатель.
Другие преимущества включают меньший размер и меньший вес за счет отсутствия тяжелых и дорогих трансформаторов сетевой частоты. Потери мощности в режиме ожидания часто намного меньше, чем у трансформаторов.
К недостаткам можно отнести большую сложность, генерацию высокоамплитудной и высокочастотной энергии, которую должен блокировать фильтр нижних частот , чтобы избежать электромагнитных помех (EMI), пульсации напряжения на частоте переключения и частотах его гармоник .
Очень дешевые SMPS могут передавать электрический шум переключения обратно в линию электропитания, вызывая помехи в устройствах, подключенных к той же фазе, например в аудио/видео оборудовании. Импульсы без коррекции коэффициента мощности также вызывают гармонические искажения.
Доступны два основных типа регулируемых источников питания: SMPS и линейные. В следующей таблице сравниваются линейные и импульсные источники питания в целом:
Если ИИП имеет вход переменного тока, то первым этапом является преобразование входа в постоянный ток. Это называется « исправление ». Для SMPS с входом постоянного тока этот этап не требуется. В некоторых источниках 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 подается на большой конденсатор фильтра. Ток, потребляемый этой схемой выпрямителя из сети питания, возникает в виде коротких импульсов вблизи пиков переменного напряжения. Эти импульсы имеют значительную высокочастотную энергию, что снижает коэффициент мощности. Чтобы исправить это, во многих новых SMPS используется специальная схема коррекции коэффициента мощности (PFC), которая заставляет входной ток следовать синусоидальной форме входного переменного напряжения, корректируя коэффициент мощности. Источники питания, в которых используется активная коррекция коэффициента мощности , обычно имеют автоматический диапазон и поддерживают входное напряжение от ~100 В переменного тока до 250 В переменного тока , без переключателя входного напряжения.
ИИП, предназначенный для входа переменного тока, обычно может работать от источника постоянного тока, поскольку постоянный ток будет проходить через выпрямитель без изменений. [34] Если источник питания рассчитан на напряжение 115 В переменного тока и не имеет переключателя напряжения, необходимое напряжение постоянного тока составит 163 В постоянного тока (115 × √2). Однако такое использование может быть вредным для каскада выпрямителя, поскольку при полной нагрузке будет использоваться только половина диодов в выпрямителе. Это может привести к перегреву этих компонентов, что приведет к их преждевременному выходу из строя. С другой стороны, если блок питания имеет переключатель напряжения на основе схемы Делона на 115/230 В (компьютерные блоки питания ATX обычно относятся к этой категории), то переключатель придется поставить на напряжение 230 В. положение, а необходимое напряжение будет 325 В постоянного тока (230 × √2). Диоды в источниках питания этого типа прекрасно справляются с постоянным током, поскольку они рассчитаны на удвоение номинального входного тока при работе в режиме 115 В из-за работы удвоителя напряжения. Это связано с тем, что удвоитель в работе использует только половину мощности мостового выпрямителя и пропускает через него вдвое больший ток. [35]
Инверторный каскад преобразует постоянный ток, либо непосредственно со входа, либо с вышеописанного выпрямительного каскада, в переменный ток, пропуская его через силовой генератор, выходной трансформатор которого очень мал и имеет мало обмоток, с частотой в десятки или сотни килогерц . Частоту обычно выбирают выше 20 кГц, чтобы она была не слышна человеку. Коммутация реализована в виде многокаскадного (для достижения высокого коэффициента усиления) усилителя MOSFET . МОП-транзисторы представляют собой тип транзистора с низким сопротивлением в открытом состоянии и высокой способностью выдерживать ток.
Если требуется изолировать выход от входа, как это обычно бывает в сетевых источниках питания, инвертированный переменный ток используется для возбуждения первичной обмотки высокочастотного трансформатора . Это преобразует напряжение вверх или вниз до необходимого выходного уровня на вторичной обмотке. Этой цели служит выходной трансформатор на блок-схеме.
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 ; их преимущества заключаются в более быстром времени восстановления, чем у кремниевых диодов (что позволяет работать с низкими потерями на более высоких частотах) и более низком падении напряжения при проведении. Для еще более низких выходных напряжений в качестве синхронных выпрямителей можно использовать МОП-транзисторы ; по сравнению с диодами Шоттки, они имеют еще меньшее падение напряжения в проводящем состоянии.
Выпрямленный выходной сигнал затем сглаживается фильтром, состоящим из катушек индуктивности и конденсаторов . Для более высоких частот переключения необходимы компоненты с меньшей емкостью и индуктивностью.
Более простые неизолированные источники питания содержат дроссель вместо трансформатора. К этому типу относятся повышающие преобразователи , понижающие преобразователи и повышающе-понижающие преобразователи . Они относятся к простейшему классу преобразователей с одним входом и одним выходом, в которых используется 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 входным напряжением 10 В, работающий при рабочем цикле 50 %, будет производить среднее выходное напряжение 5 В. Для регулирования выходного напряжения используется контур управления с обратной связью путем изменения рабочего цикла для компенсации изменений в входное напряжение. Выходное напряжение повышающего преобразователя всегда больше входного напряжения, а выходное понижающе-повышающее напряжение инвертируется, но может быть больше, равно или меньше величины его входного напряжения. Существует множество разновидностей и расширений этого класса преобразователей, но эти три составляют основу почти всех изолированных и неизолированных преобразователей постоянного тока. Добавив второй индуктор, можно реализовать преобразователи Ćuk и SEPIC , а добавив дополнительные активные переключатели, можно реализовать различные мостовые преобразователи.
В других типах SMPS вместо катушек индуктивности и трансформаторов используется конденсаторно - диодный умножитель напряжения . Они в основном используются для генерации высокого напряжения при малых токах ( генератор Кокрофта-Уолтона ). Вариант с низким напряжением называется зарядным 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, оптрон ) для изоляции его от выхода постоянного тока. Импульсные источники питания в компьютерах, телевизорах и видеомагнитофонах оснащены оптопарами для точного контроля выходного напряжения.
Регуляторы с разомкнутым контуром не имеют цепи обратной связи. Вместо этого они полагаются на подачу постоянного напряжения на вход трансформатора или индуктора и предполагают, что выходное напряжение будет правильным. Регулируемые конструкции компенсируют сопротивление трансформатора или катушки. Монополярные конструкции также компенсируют магнитный гистерезис сердечника.
Для работы цепи обратной связи требуется питание, прежде чем она сможет генерировать энергию, поэтому добавляется дополнительный непереключаемый источник питания для режима ожидания.
Любой импульсный источник питания, который получает питание от сети переменного тока (называемый «автономным» преобразователем [36] ), требует трансформатора для гальванической развязки . [ нужна цитация ] Некоторые преобразователи постоянного тока в постоянный могут также включать в себя трансформатор, хотя в этих случаях изоляция может не иметь решающего значения. Трансформаторы SMPS работают на высоких частотах. Большая часть экономии средств (и экономии места) при использовании автономных источников питания обусловлена меньшим размером высокочастотного трансформатора по сравнению с использовавшимися ранее трансформаторами 50/60 Гц. Есть дополнительные компромиссы в дизайне. [37]
Напряжение на клеммах трансформатора пропорционально произведению площади сердечника, магнитного потока и частоты. Используя гораздо более высокую частоту, площадь ядра (и, следовательно, массу ядра) можно значительно уменьшить. Однако потери в сердечнике увеличиваются на более высоких частотах. В сердечниках обычно используется ферритовый материал, который имеет низкие потери на высоких частотах и высокую плотность потока. Ламинированные железные сердечники низкочастотных (<400 Гц) трансформаторов будут иметь неприемлемые потери на частотах переключения в несколько килогерц. Кроме того, больше энергии теряется при переходах переключающегося полупроводника на более высокие частоты. Кроме того, требуется больше внимания к физическому расположению печатной платы , поскольку паразиты становятся более значительными, а количество электромагнитных помех становится более выраженным.
На низких частотах (например, частота сети 50 или 60 Гц) дизайнеры обычно могут игнорировать скин-эффект . Для этих частот скин-эффект значителен только в том случае, если проводники большие, диаметром более 0,3 дюйма (7,6 мм).
Импульсные источники питания должны уделять больше внимания скин-эффекту, поскольку он является источником потерь мощности. При частоте 500 кГц глубина скин-слоя 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 по внутренней части протекает меньший ток, чем на низких частотах.
Скин-эффект усугубляется гармониками, присутствующими в сигналах переключения высокоскоростной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Подходящая глубина скин-слоя — это не только глубина основного тона, но и глубина скин-слоя гармоник. [38]
Помимо скин-эффекта, существует еще эффект близости , который является еще одним источником потерь мощности.
Простые автономные импульсные источники питания включают в себя простой двухполупериодный выпрямитель, подключенный к большому энергоаккумулирующему конденсатору. Такие SMPS потребляют ток из сети переменного тока короткими импульсами, когда мгновенное напряжение сети превышает напряжение на этом конденсаторе. В течение оставшейся части цикла переменного тока конденсатор обеспечивает энергию для источника 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 электропередачи, увеличивает нагрев электропроводки здания, сетевых трансформаторов и стандартных электродвигателей переменного тока, а также может вызвать проблемы со стабильностью в некоторых приложениях, например, в системах аварийных генераторов или авиационных генераторах. Гармоники можно удалить фильтрацией, но фильтры дороги. В отличие от коэффициента мощности смещения, создаваемого линейными индуктивными или емкостными нагрузками, это искажение нельзя исправить добавлением одного линейного компонента. Дополнительные схемы необходимы для противодействия воздействию коротких импульсов тока. Установка 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 выше 75 Вт. Стандарт определяет четыре класса оборудования в зависимости от его типа. и текущая форма сигнала. Наиболее строгие ограничения (класс D) установлены для персональных компьютеров, компьютерных мониторов и ТВ-приемников. Чтобы соответствовать этим требованиям, современные импульсные источники питания обычно включают в себя дополнительный каскад коррекции коэффициента мощности (PFC).
Импульсные источники питания можно классифицировать по топологии схемы. Наиболее важное различие между изолированными преобразователями и неизолированными.
Неизолированные преобразователи являются самыми простыми: в трех основных типах используется один индуктор для хранения энергии. В столбце зависимости напряжения D представляет собой рабочий цикл преобразователя и может изменяться от 0 до 1. Предполагается, что входное напряжение (V 1 ) больше нуля; если оно отрицательное, для согласованности инвертируйте выходное напряжение (В 2 ).
Если оборудование доступно для человека, для сертификации безопасности применяются пределы напряжения ≤ 30 В (среднеквадратичное значение) переменного тока или ≤ 42,4 В пикового значения или ≤ 60 В постоянного тока и пределы мощности 250 ВА (утверждение UL , CSA , VDE ).
Понижающая, повышающая и повышающе-понижающая топологии тесно связаны между собой. Вход, выход и земля собираются в одной точке. Один из трех по пути проходит через индуктор, а 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 входным напряжением 12 В и выходным напряжением 5 В можно преобразовать в понижающе-повышающий преобразователь с входным напряжением 7 В и выходным напряжением −5 В, заземлив выход и сняв выходной сигнал с контакта заземления .
Точно так же конвертеры SEPIC и Zeta представляют собой небольшие модификации конвертера Ćuk.
Топология с фиксированной нейтральной точкой ( NPC) используется в источниках питания и активных фильтрах и упоминается здесь для полноты картины. [40]
Переключатели становятся менее эффективными, поскольку рабочие циклы становятся чрезвычайно короткими. При больших изменениях напряжения лучше использовать трансформаторную (изолированную) топологию.
Все изолированные топологии включают в себя трансформатор и, таким образом, могут обеспечивать выходное напряжение более высокого или более низкого напряжения, чем входное, путем регулирования коэффициента трансформации. [41] [42] В некоторых топологиях на трансформаторе можно разместить несколько обмоток для создания нескольких выходных напряжений. [43] Некоторые преобразователи используют трансформатор для хранения энергии, в то время как другие используют отдельный индуктор.
Контроллер прерывателя: выходное напряжение связано с входным, поэтому очень жестко контролируется.
В квазирезонансном переключателе с нулевым током/нулевым напряжением (ZCS/ZVS) «каждый цикл переключения доставляет квантованный «пакет» энергии на выход преобразователя, а включение и выключение переключателя происходит при нулевом токе и напряжении. , что приводит к переключению практически без потерь». [47] 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. Также необходимо учитывать потребляемую мощность контроллера. Более высокая частота переключения позволяет уменьшить размеры компонентов, но может создавать больше радиочастотных помех . Резонансный прямой преобразователь обеспечивает наименьшие электромагнитные помехи среди всех ИИП, поскольку он использует резонансную форму сигнала с мягким переключением по сравнению с традиционным жестким переключением. [ нужна цитата ]
SMPS, как правило, чувствительны к температуре. На каждые 10–15 °C выше 25 °C частота отказов удваивается. [48] Большинство отказов можно объяснить неправильной конструкцией и неправильным выбором компонентов. [49]
Источники питания, в которых используются конденсаторы, страдающие от конденсаторной чумы, могут преждевременно выйти из строя, когда емкость упадет до 4% от исходного значения. [ неудачная проверка ] Обычно это приводит к выходу из строя переключающего полупроводника по проводящему пути. Это может подвергнуть подключенные нагрузки полному входному напряжению и току и вызвать резкие колебания выходного сигнала. [50]
Выход из строя переключающего транзистора встречается часто. Из-за больших коммутационных напряжений, которые должен выдерживать этот транзистор (около 325 В для источника питания переменного тока 230 В без коррекции коэффициента мощности, в противном случае обычно около 390 В ), эти транзисторы часто замыкаются, что, в свою очередь, немедленно приводит к перегоранию основного внутреннего источника питания. предохранитель.
Конденсатор основного фильтра часто сохраняет напряжение до 325 В еще долгое время после отключения входного питания. Не все источники питания содержат небольшой резистор, 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 уменьшения электромагнитных помех и компенсации различных емкостных связей в схеме преобразователя, где трансформатор один. В некоторых случаях это может привести к поражению электрическим током. Ток, текущий от линии или нейтрали через резистор 2 кОм к любой доступной части, согласно IEC 60950 должен быть менее 250 мкА для ИТ-оборудования. [51]
Импульсные блоки питания (БП) в бытовых продуктах, таких как персональные компьютеры, часто имеют универсальные входы, что означает, что они могут принимать питание от источников питания по всему миру, хотя может потребоваться ручной переключатель диапазона напряжения. Импульсные источники питания могут работать в широком диапазоне частот и напряжений сети.
Из-за больших объемов зарядные устройства для мобильных телефонов всегда были особенно чувствительны к затратам. Первые зарядные устройства представляли собой линейные источники питания , но они быстро перешли на экономичную топологию SMPS с преобразователем вызывного дросселя (RCC), когда потребовались новые уровни эффективности. В последнее время потребность в еще более низких требованиях к мощности холостого хода в приложениях привела к более широкому использованию обратноходовой топологии; Обратноходовые контроллеры первичной стороны также помогают сократить спецификацию материалов за счет удаления компонентов вторичной стороны, таких как оптопары . [ нужна цитата ]
Импульсные источники питания также используются для преобразования постоянного тока в постоянный. В тяжелых транспортных средствах, которые используют номинальное напряжение 24 В постоянного тока для запуска двигателя, 12 В для аксессуаров можно подавать через импульсный источник постоянного/постоянного тока. Это имеет преимущество перед подключением батареи к положению 12 В (с использованием половины ячеек), заключающееся в том, что 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 системы резервного питания), а отдельные элементы оборудования будут иметь переключаемые преобразователи постоянного тока в постоянный для подачи необходимого напряжения.
Импульсные источники питания обычно используются в качестве источника сверхнизкого напряжения для освещения. В этом случае их часто называют «электронными трансформаторами».
Термин « режим переключения» широко использовался до тех пор, пока Motorola не заявила о своем праве на товарный знак SWITCHMODE для продуктов, предназначенных для рынка импульсных источников питания, и не начала защищать свой товарный знак. [36] Импульсный источник питания , импульсный источник питания и импульсный регулятор относятся к этому типу источника питания. [36]
СМИ, связанные с импульсными источниками питания, на Викискладе?
