Структурные схемы импульсных источников питания

МОДУЛЬ 3.

Глава 4. Функциональные узлы и схемотехника
импульсных преобразователей напряжения ИВЭП

Достаточно часто при конструировании электронных устройств возникают жесткие требования к массо-габаритным показателям источника вторичного электропитания (ИВЭП). В этом случае единственным выходом является применение ИВЭП на основе высоковольтных высокочастотных импульсных преобразователей напряжения, которые подключаются к сети ~220 В с частотой тока 50 Гц или 115 В и частотой тока 400 Гц без применения габаритного низкочастотного понижающего трансформатора, а преобразование напряжения осуществляется высокочастотным преобразователем на частотах 20-400 кГц, и могут обеспечить большую мощность при малых размерах и теплоотдаче. Такие источники питания обладают на порядок лучшими массогабаритными показателями по сравнению с линейными. ИВЭП с импульсным высокочастотным преобразователем существенно улучшают многие характеристики устройств, питаемых от этих источников. Основаниями для применения импульсных ИВЭП на основе высокочастотного преобразователя могут быть: вероятность колебаний входного напряжения в пределах ~100-300 В, возможность создавать ИВЭП с мощностью от десятков ватт до сотен киловатт на любые выходные напряжения, появление доступных высокотехнологичных решений на основе ИС и других современных компонентов.

 

 

Переход на использование преимущественно импульсных источников питания обусловлен рядом технических и экономических факторов, наиболее важными из которых являются следующие:

· источники бестрансформаторного питания (ИБП) мощностью до 500 Вт имеют существенно более высокие массогабаритные характеристики по сравнению с аналогами, изготовленными на основе сетевых трансформаторов;

· обмотки трансформаторов ВЧ колебаний ИБП имеют более высокую плотность тока, при их изготовлении используется гораздо меньше цветного металла, что приводит к снижению затрат на производство и на исходные материалы;

· высокая индукция насыщения и малые удельные потери материалов сердечников ВЧ трансформаторов позволяют создавать ИБП с общим КПД, превышающим 80%, что в обычных источниках недостижимо;

· широкие возможности по автоматической регулировке номиналов выходных вторичных напряжений посредством воздействия на первичные цепи ВЧ преобразователя.

Рассмотрим несколько примеров структурных схем построения ИБП с напряжением первичной сети 220 В, 50 Гц.

На рис. 74, а представлена структурная схема импульсного источника питания, выполненного по достаточно традиционной схеме.

Выпрямитель, фильтр и стабилизатор, имеющиеся во вторичной цепи данного источника питания, построены на основе узлов, встречающихся в обычных источниках электропитания. Названия этих узлов раскрывает их назначение и не нуждается в пояснении. Способ реализации стабилизатора (линейный или импульсный) в данном случае не так важен по сравнению с его присутствием в качестве отдельного функционального узла. Вторичная цепь электропитания в различных вариантах исполнения источника может быть дополнена еще одним фильтром, который устанавливается между стабилизатором и нагрузкой. Основными узлами первичной цепи являются: входной фильтр, выпрямитель сетевого напряжения и ВЧ преобразователь выпрямленного питающего напряжения с трансформатором TV.

Необходимость использования входного фильтра обусловлена тем, что, во-первых, этот фильтр должен устранять резкие кратковременные скачки питающего напряжения и импульсные помехи, вызванные работой расположенных поблизости импульсных устройств (ВЧ помехи) или возникающие в момент подключения или отключения от сети смежных нагрузок. Во-вторых, фильтр должен эффективно устранять помехи, проникающие в сеть непосредственно от используемого источника питания.

ВЧ трансформаторы, применяемые в ИБП, являются преобразователями импульсных колебаний с полосой частот до нескольких (если не выше) мегагерц. Передача энергии трансформатором имеет двухсторонний характер. В направлении сеть – нагрузка происходит передача колебаний ВЧ преобразователя. В обратном же направлении, то есть нагрузка - преобразователь – сеть, могут передаваться помехи, возникающие при работе нагрузочных цепей. Если, например, ИБП установлен в вычислительной системе, то эти помехи могут содержать элементы информационных составляющих обрабатываемых данных. Причем, как правило, в направлении сеть - нагрузка трансформатор действует как понижающий, и, следовательно, в обратном направлении он работает как повышающий. Если входной фильтр не установлен, то помехи, возникающие непосредственно в устройстве, будут эффективно транслироваться в сеть с частью информационной составляющей. Таким образом, входной фильтр применяется не только для устранения паразитного эффекта обратной трансформации, но и для защиты от утечки информации.

В импульсном источнике питания (рис. 74, а) используется каскад ВЧ преобразователя автогенераторного типа, режим автоколебаний которого определяется только значением номиналов его собственных элементов и не регулируется.

Источник питания, выполненный по схеме, приведенной на рис. 74, а, может дополнительно включать в себя датчик перегрузки, который воздействует либо на стабилизатор, либо на ВЧ преобразователь, блокируя его работу до момента устранения причины неисправности.

При правильном подборе элементной базы источник, изготовленный по данной схеме, прост в реализации – в этом его главное преимущество, однако из-за сравнительно низкого КПД используется редко. Уменьшение КПД будет происходить при увеличении числа вторичных каналов различных напряжений, так как для каждого из них потребуется отдельный стабилизатор напряжения. Существенным недостатком схемы может быть и очень высокая чувствительность автогенераторов, совмещенных с силовым каскадом ИП, к величине нагрузки. Ее изменение может привести к срыву ВЧ колебаний и нестабильности работы источника питания подобного рода.

Структурная схема сетевого источника питания, построенного с учетом оптимальных принципов регулирования выходного напряжения, представлена на рис. 74, б.

 

а

Рис.74, б

Принципиальное отличие данной структурной схемы от предыдущей заключается в отсутствии стабилизатора вторичного напряжения. Кроме того, в нее добавлены измерительная цепь, задающий генератор, схема управления, а также изменены функции каскада ВЧ преобразователя. Силовой каскад работает в режиме усилителя мощности колебаний, поступающих со схемы управления. Его нагрузкой является ВЧ трансформатор. Здесь ВЧ преобразователем можно назвать совокупность следующих узлов: задающий генератор, схема управления, ВЧ усилитель мощности, ВЧ трансформатор (TV). Источник, выполненный в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 74, б, одновременно осуществляет две функции – преобразование и стабилизацию напряжения. Схема управления включает в себя широтно-импульсный модулятор и полностью определяет режим работы УМ. Выходное напряжение схемы управления имеет форму прямоугольных импульсов. Изменение длительности паузы между этими импульсами регулирует поступление энергии во вторичную цепь. Исходные параметры для работы схемы управления – это сигналы ошибки, поступающие от измерительной цепи, в которой производится сравнение эталонного значения напряжения с реальным, присутствующим в данный момент на нагрузке. По сигналу ошибки схема управления изменяет длительность паузы между импульсами в сторону ее увеличения или уменьшения, в зависимости от величины отклонения реального значения напряжения от номинального. В частности, в схему управления может входить узел защиты каскада УМ от перегрузки и короткого замыкания.

Наличие ШИМ передаваемого напряжения предъявляет определенные требования к параметрам и построению сглаживающего фильтра выпрямленного вторичного напряжения. Первым элементом данного фильтра после выпрямителя должна быть катушка индуктивности в каждом канале вторичного напряжения.

Показанная на рис. 74, б схема, представляет собой структуру одноканальной системы питания, реальные же источники имеют, как правило, несколько вторичных каналов с различной нагрузочной способностью.

На рис. 75 представлена структурная схема импульсного многоканального преобразователя напряжения. Измерительная цепь в таких случаях подключается к каналу с самым большим потреблением. Стабилизация остальных каналов производится с помощью отдельных стабилизаторов или методов регулирования, основанных на взаимодействии магнитных потоков.

 

Рис. 75

 

В других случаях применяются схемы выходных фильтров, выполненных на общем для всех выходных каналов магнитопроводе. Подстройка напряжения по не основным каналам может производиться в небольшом диапазоне и при относительно малых изменениях нагрузки. При описании практических схем реализации ИП вопросы стабилизации вторичных напряжений одновременно по нескольким каналам будут рассмотрены более подробно.

Особенностью выходного выпрямителя является применение в нем не обычных силовых диодов, а быстродействующих диодов Шоттки, что обусловлено высокой частотой выпрямляемого напряжения. Выходной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Напряжение обратной связи с помощью системы измерений сравнивается с опорным напряжением и затем разностный сигнал подается на широтно-импульсный регулятор (модулятор). Напряжение в виде прямоугольных импульсов высокой частоты с выхода ШИМ -регулятора подается на вход транзисторов согласующего устройства, которое и управляет работой высокочастотного усилителя мощности. ШИМ-модулятор в настоящее время выполняется на микросхеме, для питания которой используется дополнительный источник питания. Как правило, в сетевых преобразователях имеется гальваническая развязка в цепи обратной связи. Она необходима, если нужно обеспечить развязку выходного напряжения с сетью.

Основным узлом преобразователя напряжения является его силовая часть (мощный выходной каскад - усилитель мощности).

Выходные каскады всех преобразователей напряжения по количеству передаваемых в нагрузку импульсов за один период можно разделить на два больших класса: однотактные и двухтактные. Если передается один импульс, то преобразователь называется однотактным, если два, то двухтактным. КПД первых ниже, чем вторых, поэтому однотактные используются для создания ИВЭП, мощностью менее 10...200 Вт. Двухтактные преобразователи позволяют получать большую выходную мощность при высоком КПД. Однотактные преобразователи могут строится по прямоходовой (с прямым включением диода) или обратноходовой схеме (с обратным включением диода). Двухтактные преобразователи могут быть мостовыми, полумостовыми или со средней точкой первичной обмотки трансформатора.