Научит вас 6 навыкам проектирования источников питания
01 Ферритовый магнитный усилитель в обратноходовом блоке питания
Для обратноходового источника с двумя выходами с реальной мощностью на обоих выходах (5 В, 2 А и 12 В, 3 А, оба регулируются ± 5 процентов), когда напряжение достигает 12 В, он переходит в состояние нулевой нагрузки и не может регулироваться в пределах 5 процентов. Линейный регулятор является жизнеспособным решением, но все же не идеальным из-за его высокой стоимости и потери эффективности.
Предлагаемое нами решение состоит в том, чтобы использовать магнитный усилитель на выходе 12 В, можно использовать даже топологию обратного хода. Для удешевления рекомендуется использовать ферритомагнитный усилитель. Однако схема управления ферритового магнитного усилителя отличается от традиционной прямоугольной петли гистерезиса (материал с высокой магнитной проницаемостью). Цепь управления феррита (D1 и Q1) потребляет ток для поддержания мощности на выходе. Эта схема была тщательно протестирована. Обмотки трансформатора рассчитаны на выходное напряжение 5В и 13В. Схема может даже достигать входной мощности менее-1Вт (5 В, 300 мВт и 12 В при нулевой нагрузке), обеспечивая при этом ±5-процентное регулирование выходного напряжения 12 В.
02 Используйте существующую цепь защиты от дуги для обеспечения защиты от перегрузки по току
Рассмотрим обратноходовые источники питания 5 В 2 А и 12 В 3 А. Одной из ключевых характеристик этого источника питания является защита от перегрузки по мощности (OPP) на выходе 5 В, когда выход 12 В достигает нулевой нагрузки или очень малой нагрузки. Для обоих выходов требуется регулировка напряжения ±5 процентов.
В обычных решениях использование чувствительных резисторов ухудшает характеристики перекрестной стабилизации, а предохранители стоят дорого. Однако теперь доступны схемы защиты от перенапряжения (OVP). Эта схема способна удовлетворить требования как к OPP, так и к регулированию напряжения, что может быть достигнуто за счет использования схемы лома для частичной дуги.
R1 и VR1 образуют активную предварительную нагрузку на выходе 12 В, что позволяет регулировать 12 В, когда выход 12 В слабо загружен. Когда выход 5 В находится в состоянии перегрузки, напряжение на выходе 5 В падает. Имитационная нагрузка потребляет большой ток. Падение напряжения на резисторе R1 можно использовать для измерения этого большого тока. Q1 включается и запускает схему OPP.
03 Активный шунтовой регулятор и предварительная нагрузка
Обратноходовая схема в настоящее время является наиболее популярной топологией в области переключения источников питания с линейного напряжения переменного тока на низковольтный постоянный ток. Основной причиной этого является уникальная экономическая эффективность обеспечения нескольких выходных напряжений простым добавлением дополнительных обмоток во вторичную обмотку трансформатора.
Как правило, обратная связь исходит от выхода с самыми жесткими требованиями к допуску выхода. Затем этот выход определяет количество витков на вольт для всех остальных вторичных обмоток. Из-за эффектов индуктивности рассеяния выходы не всегда могут обеспечить желаемую перекрестную стабилизацию выходного напряжения, особенно если данный выход может быть ненагруженным или очень слабо нагруженным, поскольку другие выходы полностью нагружены.
Для предотвращения повышения напряжения на выходе в таких условиях можно использовать пострегулятор или фиктивную нагрузку. Однако из-за увеличения стоимости и снижения эффективности пострегуляторов или фиктивных нагрузок они не были достаточно привлекательными, особенно в последние годы, для потребления входной мощности без нагрузки и/или в режиме ожидания во многих потребительских приложениях. В условиях ужесточения нормативных требований этой конструкцией стали пренебрегать. Активный шунтовой регулятор, показанный на рис. 3, не только решает проблему регулирования напряжения, но также минимизирует влияние затрат и эффективности.
Схема работает следующим образом: когда оба выхода находятся в стабилизированном состоянии, резистивный делитель R14 и R13 смещают транзистор Q5, который удерживает транзисторы Q4 и Q1 в выключенном состоянии. В этих рабочих условиях ток через Q5 действует как небольшая предварительная нагрузка на выходе 5 В.
Стандартная разница между выходом 5 В и выходом 3,3 В составляет 1,7 В. Когда нагрузка требует дополнительного тока от выхода 3,3 В без соответствующего увеличения тока нагрузки от выхода 5 В, выходное напряжение будет увеличиваться по сравнению с выходом 3,3 В. При разнице напряжений более 100 мВ Q5 будет смещен, включив Q4 и Q1 и позволив току течь с выхода 5 В на выход 3,3 В. Этот ток понизит напряжение на выходе 5 В, уменьшив разницу напряжений между двумя выходами.
Величина тока в Q1 определяется разностью напряжений на двух выходах. Таким образом, схема может поддерживать оба выхода регулируемыми независимо от их нагрузки, даже в худшем случае, когда выход 3,3 В полностью загружен, а выход 5 В разгружен. Q5 и Q4 в конструкции обеспечивают температурную компенсацию, поскольку изменения температуры VBE в каждом транзисторе компенсируют друг друга. Диоды D8 и D9 не требуются, но их можно использовать для уменьшения рассеиваемой мощности на транзисторе Q1, что устраняет необходимость добавления в конструкцию радиатора.
Схема реагирует только на относительную разницу между двумя напряжениями и практически неактивна в условиях полной и малой нагрузки. Поскольку шунтирующий регулятор подключен от выхода 5 В к выходу 3,3 В, схема может уменьшить активное рассеяние на 66 процентов по сравнению с заземленным шунтирующим регулятором. Результатом является высокая эффективность при полной нагрузке и низкое энергопотребление от легкой нагрузки до холостого хода.
04 Импульсный источник питания высокого напряжения с использованием StackFET
Промышленному оборудованию, работающему от трехфазного переменного тока, часто требуется вспомогательный силовой каскад, который может обеспечить регулируемый низковольтный постоянный ток для аналоговых и цифровых цепей. Примеры таких применений включают промышленные приводы, системы бесперебойного питания и счетчики энергии.
Спецификации для этого типа блока питания намного жестче, чем те, которые требуются для стандартных готовых коммутаторов. В этих приложениях не только входные напряжения выше, но и оборудование, предназначенное для трехфазных приложений в промышленных средах, также должно выдерживать очень большие колебания, включая длительные провалы, скачки напряжения и случайные потери одной или нескольких фаз. Кроме того, указанный диапазон входного напряжения для этих вспомогательных источников питания может составлять от 57 В до 580 В переменного тока.
Разработка такого широкодиапазонного импульсного источника питания может быть сложной задачей, в основном из-за высокой стоимости высоковольтных полевых МОП-транзисторов и ограничения динамического диапазона традиционных контуров управления ШИМ. Технология StackFET позволяет комбинировать недорогие полевые МОП-транзисторы низкого напряжения с номинальным напряжением 600 В и встроенные контроллеры питания от Power Integrations, что позволяет создавать простые и недорогие импульсные источники питания, способные работать в широком диапазоне входных напряжений.
Схема работает следующим образом: Ток на входе схемы может поступать от трехфазной трехпроводной или четырехпроводной системы или даже от однофазной системы. Трехфазный выпрямитель состоит из диодов Д1-Д8. Резисторы R1-R4 обеспечивают ограничение пускового тока. Если используются плавкие резисторы, эти резисторы можно безопасно отключить во время неисправности без необходимости использования отдельного предохранителя. Пи-фильтр состоит из C5, C6, C7, C8 и L1 для фильтрации выпрямленного постоянного напряжения.
Резисторы R13 и R15 служат для выравнивания напряжения между конденсаторами входного фильтра. Когда МОП-транзистор внутри встроенного переключателя (U1) включается, исток Q1 становится низким, R6, R7 и R8 обеспечивают ток затвора, а емкость перехода от VR1 до VR3 включает Q1. Стабилитрон VR4 используется для ограничения напряжения затвор-исток, подаваемого на транзистор Q1. Когда МОП-транзистор в U1 выключен, максимальное напряжение стока U1 ограничивается цепью ограничения 450 В, состоящей из VR1, VR2 и VR3. Это ограничивает напряжение стока U1 приблизительно до 450 В.
Любое дополнительное напряжение на конце обмотки, подключенной к Q1, будет приложено к Q1. Эта схема эффективно распределяет общее выпрямленное входное постоянное напряжение и обратное напряжение между транзисторами Q1 и U1. Резистор R9 используется для ограничения высокочастотных колебаний при переключении, а ограничительная сеть VR5, D9 и R10 используется для ограничения пикового напряжения на первичной обмотке из-за индуктивности рассеяния во время обратноходового интервала.
Выпрямление на выходе обеспечивается D1. C2 — выходной фильтр. L2 и C3 образуют вторичный фильтр для уменьшения пульсаций переключения на выходе.
VR6 включается, когда выходное напряжение превышает суммарное падение напряжения на диоде оптопары и VR6. Изменение выходного напряжения вызывает изменение тока, протекающего через диод оптопары в U2, что, в свою очередь, изменяет ток, протекающий через транзистор в U2B. Когда этот ток превышает пороговый ток вывода FB U1, следующий цикл запрещается. Регулирование выхода может быть достигнуто за счет управления количеством циклов включения и выключения. Как только цикл переключения включен, цикл заканчивается, когда ток поднимается до внутреннего предела тока U1. R11 используется для ограничения тока через оптопару при переходных нагрузках и для регулировки усиления контура обратной связи. Резистор R12 используется для смещения стабилитрона VR6.
ИС У1 (LNK 304) имеет встроенные функции защиты схемы от потери сигнала обратной связи, короткого замыкания на выходе и перегрузки. Так как U1 получает питание непосредственно от его вывода DRAIN, дополнительная обмотка смещения на трансформаторе не требуется. C4 используется для обеспечения внутренней развязки питания.
05 Хороший выбор выпрямительных диодов может упростить и снизить стоимость цепей фильтров электромагнитных помех в преобразователях переменного тока в постоянный.
Эта схема может упростить и снизить стоимость цепей фильтра электромагнитных помех в преобразователях переменного тока в постоянный. Чтобы сделать источник питания переменного/постоянного тока совместимым с электромагнитными помехами, необходимо использовать большое количество компонентов фильтра электромагнитных помех, таких как конденсаторы X и Y. Стандартные входные цепи для источников питания переменного/постоянного тока включают мостовой выпрямитель для выпрямления входного напряжения (обычно 50-60 Гц). Поскольку это низкочастотное входное напряжение переменного тока, можно использовать стандартные диоды, такие как диоды серии 1N400X, в том числе потому, что они являются наименее дорогими.
Эти фильтрующие устройства используются для уменьшения электромагнитных помех, генерируемых источником питания, чтобы соответствовать опубликованным ограничениям электромагнитных помех. Однако, поскольку измерения, используемые для регистрации электромагнитных помех, начинаются только при частоте 150 кГц, а частота сетевого напряжения составляет всего 50 или 60 Гц, время обратного восстановления стандартных диодов (см. рис. 5-1), используемых в мостовых выпрямителях, равно относительно медленно. длительный и обычно не связанный напрямую с генерацией электромагнитных помех.
Однако в прошлом схемы входных фильтров иногда включали конденсаторы параллельно мостовому выпрямителю для подавления любых высокочастотных сигналов, вызванных выпрямлением низкочастотного входного напряжения.
Эти конденсаторы не нужны, если в мостовом выпрямителе используются диоды с быстрым восстановлением. Когда напряжение на этих диодах начинает изменяться, они очень быстро восстанавливаются (см. рис. 5-2). Это уменьшает индуктивное возбуждение паразитной линии во входной линии переменного тока за счет уменьшения последующих высокочастотных щелчков при выключении и электромагнитных помех. Поскольку 2 диода могут проводить каждый полупериод, только 2 из 4 диодов должны быть типами быстрого восстановления. Точно так же только один из двух диодов, проводящих каждый полупериод, должен иметь характеристику быстрого восстановления.
Кривые входного напряжения и тока показывают щелчок диода в конце обратного восстановления.
06 Используйте плавный пуск для отключения недорогих выходов для сдерживания скачков тока
Чтобы соответствовать строгим спецификациям по мощности в режиме ожидания, некоторые источники питания с несколькими выходами предназначены для отключения выхода при активном сигнале режима ожидания.
Как правило, это достигается путем отключения биполярного транзистора с последовательным обходом (BJT) или полевого МОП-транзистора. Для слаботочных выходов BJT могут быть подходящей и менее дорогой альтернативой MOSFET, если силовой трансформатор спроектирован с учетом дополнительного падения напряжения на транзисторах.
