Простой, дешёвый и мощный БП, с регулировкой тока и напряжения. | Endrus Рукожоп ТВ
Сегодня вы узнаете как собрать надёжный лабораторный блок питания с регулировкой тока и напряжения. Использоваться будут готовые компоненты и модули, поэтому, если следовать схеме и инструкции, сложностей в сборке возникнуть не должно. Основным компонентом в схеме, будет модуль DC-DC преобразователя, который можно приобрести на Алиэкспресс, все ссылки будут в конце статьи.
Основные характеристики DC-DC преобразователя:
- Входное напряжение 5 — 40 Вольт;
- Выходное напряжение 1.2 — 35 Вольт;
- Выходной ток (мах) 9 Ампер, желательно установить кулер.
Схема блока питания:
Как уже говорилось выше, схема простая, сетевое напряжение поступает на трансформатор, имеется сетевой выключатель и предохранитель, напряжение понижается трансформатором, верхняя честь схемы силовая. Переменное напряжение поступает на диодный мост и сглаживающий конденсатор. Далее поступает на DC-DC преобразователь, с преобразователя напряжение поступает на выходные клеммы. Минус схемы разрывается приборчиком, для удобства, регулировочные резисторы вынесены с платы.
Нижняя предназначена для питания вольтамперметра. Трансформатор имеет отдельную обмотку, как и с силовой обмоткой, переменное напряжение поступает на диодный мост и фильтрующий конденсатор. Далее установлен линейный стабилизатор на 5 Вольт.
Компоненты
Со схемой разобрались, теперь переходим к компонентам.
Корпусом лабораторного блока питания будет служить старый корпус от регулятора паяльника. Регулятор паяльника еще времен СССР, очень добротный.
Передняя панель будет из композитного пластика. Состоит пластик из двух пластин алюминия и пластика между ним, с одной стороны, он белый, с второй черный. Черная сторона будет лицевой.
Понижающий трансформатор от старого оборудования, уже не помню какого. Его пришлось слегка доработать, сделал отвод на 22 Вольта, полная обмотка на 27 Вольт. Если оставить, то после диодного моста напряжение более 30 Вольт. Это много для стабилизатора 7805, установленного на DC-DC преобразователе. Он питает операционный усилитель схемы. Хоть и заявлено 40 Вольт, при учете максимального для 7805 в 30 Вольт.
Понижающий преобразователь постоянного тока.
Вольт-ампер метр:
Так же понадобятся клеммы, с данном случаи используются стары советские.
Конденсатор на 4700 мкф*63 Вольта. Из расчета 1000 мкф на 1 Ампер. На модуле установлены еще 2*470 мкф.
Диодный мост можно взять и единый, но у меня остался от старого проекта. Собран на 4-х диодах Д242.
Изготовление блока питания
На дне корпуса размечаем, сверлим отверстия под: трансформатор, диодный мост, модуль. Все спаиваем соответственно схемы. С модуля выпаял два подстроечных резистора. Вместо них припаял провода. На токовый 3 провода, на напряжение два.
Питать Вольтамперметр буду через линейный стабилизатор на 5 Вольт. Диодный мост КЦ402 и конденсатор небольшой емкости.
На задней панели делаю разметку под сетевой разъем и предохранитель. Все аккуратно выпиливаю и устанавливаю.
На передней панели размечаю и вырезаю все отверстия. Тут будут: выходные клеммы, сетевой выключатель, резисторы тока и напряжения, Вольтамперметр.
Распаял все элементы устанавливаемые изнутри. Сетевой выключатель коммутирует оба сетевых провода. Первоначально хотел применить другой.
Устанавливаем все элементы передней панели. Плюсовая клемма отмечена красной краской. Ручки резисторов разного цвета. Красная по цвету отображения Вольт. Желтая по току. Пока что не подписывал где ток и напряжение. Позже буду менять резисторы на многооборотные, ручки возможно тоже поменяю.
Верхнюю крышку покрасил. Между передней панелью и крышкой была слишком большая щель, ее закрыл небольшим уголком. При проверке блок выдал 9 Ампер на коротком, при 28 Вольтах, что составило чуть больше 250 Ватт.
Такой вот Лабораторный Блок Питания получился. Им можно как питать разного рода устройства, также заряжать аккумуляторы. Первоначально хотел применить импульсный источник на 24 Вольта, но попался трансформатор нужных габаритов. Так же, стараюсь собирать устройство из того что есть. Всем спасибо за внимание!
Ссылки на модули и компоненты на Алиэкспресс:
Блок питания со стабилизацией тока и напряжения
Попалась в интернете недавно любопытная схемка простого, но довольно неплохого блока питания начального уровня, способного выдавать 0-24 В при ток до 5 ампер. В блоке питания предусмотрена защита, то есть ограничение максимального тока при перегрузке. В приложенном архиве есть печатная плата и документ, где приведено описание настройки данного блока, и ссылка на сайт автора. Прежде чем собирать, прочитайте внимательно описание.
Схема БП с регулировкой тока и напряжения
Изначально на фото печатной платы автора были ошибки, печатка была скопирована и доработана, ошибки устранены.
Вот фото моего варианта БП, вид готовой платы, и можно посмотреть как примерно применить корпус от старого компьютерного ATX. Регулировка сделана 0-20 В 1,5 А. Конденсатор С4 под такой ток поставлен на 100 мкФ 35 В.
При коротком замыкании максимум ограниченного тока выдается и загорается светодиод, вывел резистор ограничителя на переднюю панель.
Индикатор для блока питания
Провёл у себя ревизию, нашёл пару простеньких стрелочных головок М68501 для этого БП. Просидел пол дня над созданием экрана для него, но таки нарисовал его и точно настроил под требуемые выходные напряжения.
Сопротивление используемой головки индикатора и применённый резистор указаны в прилагаемом файле на индикаторе. Выкладываю переднюю панель блока, если кому понадобится для переделки корпус от блока питания АТХ, проще будет переставить надписи и что-то добавить, чем создавать с нуля. Если потребуются другие напряжения, шкалу можно просто подкалибровать, это уже проще будет. Вот готовый вид регулируемого источника питания:
Плёнка – самоклейка типа «бамбук». Индикатор имеет подсветку зелёного цвета. Красный светодиод
Дополнения от BFG5000
Максимальный ток ограничения можно сделать более 10 А. На кулер – кренка 12 вольт плюс температурный регулятор оборотов – с 40 градусов начинает увеличивать обороты. Ошибка схемы особо не влияет на работу, но судя по замерам при КЗ – появляется прирост проходящей мощности.
Силовой транзистор установил 2n3055, все остальное тоже зарубежные аналоги, кроме BC548 – поставил КТ3102. Получился действительно неубиваемый БП. Для новичков-радиолюбителей самое-то.
Выходной конденсатор поставлен на 100 мкФ, напряжение не скачет, регулировка плавная и без видимых задержек. Ставил из расчёта как указано автором: 100 мкф ёмкости на 1 А тока. Авторы:
Обсудить статью БЛОК ПИТАНИЯ С РЕГУЛИРОВКОЙ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
Блок питания необходимая вещь для каждого радиолюбителя, потому, что для питания электронных самоделок нужен регулируемый источник питания со стабилизированным выходным напряжением от 1.2 до 30 вольт и силой тока до 10А, а также встроенной защитой от короткого замыкания. Схема изображенная на этом рисунке построена из минимального количества доступных и недорогих деталей.
Схема регулируемого блока питания на стабилизаторе LM317 с защитой от КЗ
Микросхема LM317 является регулируемым стабилизатором напряжения со встроенной защитой от короткого замыкания. Стабилизатор напряжения LM317 рассчитан на ток не более 1.5А, поэтому в схему добавлен мощный транзистор MJE13009 способный пропускать через себя реально большой ток до 10А, если верить даташиту максимум 12А. При вращении ручки переменного резистора Р1 на 5К изменяется напряжения на выходе блока питания.
Так же имеется два шунтирующих резистора R1 и R2 сопротивлением 200 Ом, через них микросхема определяет напряжение на выходе и сравнивает с напряжением на входе. Резистор R3 на 10К разряжает конденсатор С1 после отключения блока питания. Схема питается напряжением от 12 до 35 вольт. Сила тока будет зависеть от мощности трансформатора или импульсного источника питания.
А эту схему я нарисовал по просьбе начинающих радиолюбителей, которые собирают схемы навесным монтажом.
Схема регулируемого блока питания с защитой от КЗ на LM317
Сборку желательно выполнять на печатной плате, так будет красиво и аккуратно.
Печатная плата регулируемого блока питания на регуляторе напряжения LM317
Печатная плата сделана под импортные транзисторы, поэтому если надо поставить советский, транзистор придется развернуть и соединить проводами. Транзистор MJE13009 можно заменить на MJE13007 из советских КТ805, КТ808, КТ819 и другие транзисторы структуры n-p-n, все зависит от тока, который вам нужен. Силовые дорожки печатной платы желательно усилить припоем или тонкой медной проволокой. Стабилизатор напряжения LM317 и транзистор надо установить на радиатор с достаточной для охлаждения площадью, хороший вариант это, конечно радиатор от компьютерного процессора.
Желательно прикрутить туда и диодный мост. Не забудьте изолировать LM317 от радиатора пластиковой шайбой и тепло проводящей прокладкой, иначе произойдет большой бум. Диодный мост можно ставить практически любой на ток не менее 10А. Лично я поставил GBJ2510 на 25А с двойным запасом по мощности, будет в два раза холоднее и надёжнее.
А теперь самое интересное… Испытания блока питания на прочность.
Регулятор напряжения я подключил к источнику питания с напряжением 32 вольта и выходным током 10А. Без нагрузки падение напряжения на выходе регулятора всего 3В. Потом подключил две последовательно соединенные галогеновые лампы h5 55 Вт 12В, нити ламп соединил вместе для создания максимальной нагрузки в итоге получилось 220 Вт. Напряжение просело на 7В, номинальное напряжение источника питания было 32В. Сила тока потребляемая четырьмя нитями галогеновых ламп составила 9А.
Радиатор начал быстро нагреваться, через 5 минут температура поднялась до 65С°. Поэтому при снятии больших нагрузок рекомендую поставить вентилятор. Подключить его можно по этой схеме. Диодный мост и конденсатор можно не ставить, а подключить стабилизатор напряжения L7812CV напрямую к конденсатору С1 регулируемого блока питания.
Схема подключения вентилятора к блоку питания
Что будет с блоком питания при коротком замыкании?
При коротком замыкании напряжение на выходе регулятора снижается до 1 вольта, а сила тока равна силе тока источника питания в моем случае 10А. В таком состоянии при хорошем охлаждении блок может находится длительное время, после устранения короткого замыкания напряжение автоматически восстанавливается до заданного переменным резистором Р1 предела. Во время 10 минутных испытаний в режиме короткого замыкания ни одна деталь блока питания не пострадала.
Радиодетали для сборки регулируемого блока питания на LM317
- Стабилизатор напряжения LM317
- Диодный мост GBJ2501, 2502, 2504, 2506, 2508, 2510 и другие аналогичные рассчитанные на ток не менее 10А
- Конденсатор С1 4700mf 50V
- Резисторы R1, R2 200 Ом, R3 10K все резисторы мощностью 0.25 Вт
- Переменный резистор Р1 5К
- Транзистор MJE13007, MJE13009, КТ805, КТ808, КТ819 и другие структуры n-p-n
Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых статьях!
Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как сделать регулируемый блок питания своими руками
| JLCPCB — это крупнейшая фабрика PCB прототипов в Китае. Для более чем 600000 заказчиков по всему миру мы делаем свыше 15000 онлайн заказов на прототипы и малые партии печатных плат каждый день! |
Anything in here will be replaced on browsers that support the canvas element
Мощный стабилизатор тока и напряжения на TL494
Этот стабилизатор обладает неплохими характеристиками, имеет плавную регулировку тока и напряжения, хорошую стабилизацию, без проблем терпит короткие замыкания, относительно простой и не требует больших финансовых затрат. Он обладает высоким кпд за счет импульсного принципа работы, выходной ток может доходить до 15 ампер, что позволит построить мощное зарядное устройство и блок питания с регулировкой тока и напряжения. При желании можно увеличить выходной ток до 20-и и более ампер.
В интернете подобных устройств, каждое имеет свои достоинства и недостатки, но принцип работы у них одинаковый. Предлагаемый вариант – это попытка создания простого и достаточно мощного стабилизатора.
За счет применения полевых ключей удалось значительно увеличить нагрузочную способность источника и снизить нагрев на силовых ключах. При выходном токе до 4-х ампер транзисторы и силовой диод можно не устанавливать на радиаторы.
Номиналы некоторых компонентов на схеме могут отличаться от номиналов на плате, т.к. плату разрабатывал для своих нужд.
Диапазон регулировки выходного напряжения от 2-х до 28 вольт, в моем случае максимальное напряжение 22 вольта, т.к. я использовал низковольтные ключи и поднять напряжение выше этого значения было рискованно, а так при входном напряжении около 30 Вольт, на выходе спокойно можно получить до 28-и Вольт. Диапазон регулировки выходного тока от 60mA до 15A Ампер, зависит от сопротивления датчика тока и силовых элементов схемы.
Устройство не боится коротких замыканий, просто сработает ограничение тока.
Собран источник на базе ШИМ контроллера TL494, выход микросхемы дополнен драйвером для управления силовыми ключами.
Хочу обратить ваше внимание на батарею конденсаторов установленных на выходе. Следует использовать конденсаторы с низким внутренним сопротивлением на 40-50 вольт, с суммарной емкостью от 3000 до 5000мкФ.
Нагрузочный резистор на выходе применен для быстрого разряда выходных конденсаторов, без него измерительный вольтметр на выходе будет работать с запаздыванием, т.к. при уменьшении выходного напряжения конденсаторам нужно время, для разрядки, а этот резистор быстро их разрядит. Сопротивление этого резистора нужно пересчитать, если на вход схемы подается напряжение больше 24-х вольт. Резистор двух ваттный, рассчитан с запасом по мощности, в ходе работы может греться, это нормально.
Как это работает:
ШИМ контроллер формирует управляющие импульсы для силовых ключей. При наличии управляющего импульса транзистор, и питание по открытому каналу транзистора через дроссель поступает на накопительный конденсатор. Не забываем, что дроссель является индуктивной нагрузкой, которым свойственно накапливание энергии и отдача за счет самоиндукции. Когда транзистор закрывается накопленный в дросселе заряд через диод шоттки продолжит подпитывать нагрузку. Диод в данном случае откроется, т.к. напряжение с дросселя имеет обратную полярность. Этот процесс будет повторяться десятки тысяч раз в секунду, в зависимости от рабочей частоты микросхемы ШИМ. По факту ШИМ контроллер всегда отслеживает напряжение на выходном конденсаторе.
Стабилизация выходного напряжения происходит следующим образом. На неинвертирующий вход первого усилителя ошибки микросхемы (вывод 1) поступает выходное напряжение стабилизатора, где оно сравнивается с опорным напряжением, которое присутствует на инверсном входе усилителя ошибки. При снижении выходного напряжения будет снижаться и напряжение на выводе 1, и если оно будет меньше опорного напряжения, ШИМ контроллер будет увеличивать длительности импульсов, следовательно транзисторы больше времени будут находиться в открытом состоянии и больше тока будет накачиваться в дроссель, если же выходное напряжение больше опорного, произойдет обратное – микросхема уменьшит длительность управляющих импульсов. Указанным делителем можно принудительно менять напряжение на неинвертирующщем входе усилителя ошибки, этим увеличивая или уменьшая выходное напряжение стабилизатора в целом. Для наиболее точной регулировки напряжения применён подстроечный многооборотный резистор, хотя можно использовать обычный.
Минимальное выходное напряжение составляет порядка 2 вольт, задается указанным делителем, при желании можно поиграться с сопротивлением резисторов для получения приемлемых для вас значений, не советуется снижать минимальное напряжение ниже 1 вольта.
Для отслеживания потребляемого нагрузкой тока установлен шунт. Для организации функции ограничения тока задействован второй усилитель ошибки в составе ШИМ контроллера тл494. Падение напряжения на шунте поступает на неинвертирующий вход второго усилителя ошибки, опять сравнивается с опорным, а дальше происходит точно тоже самое, что и в случае стабилизации напряжения. Указанным резистором можно регулировать выходной ток.
Токовый шунт изготовлен из двух параллельно соединённых низкоомных резисторов с сопротивлением 0,05Ом.
Накопительный дроссель намотан на желто белом кольце от фильтра групповой стабилизации компьютерного блока питания.
Так как схема планировалась на довольно большой входной ток, целесообразно использовать два сложенных вместе кольца. Обмотка дросселя содержит 20 витков намотанных двумя жилами провода диаметром 1,25мм в лаковой изоляции, индуктивность около 80-90 микрогенри.
Диод желательно использовать с барьером Шоттки и обратным напряжением 100-200 вольт, в моем случае применена мощная диодная сборка MBR4060 на 60 вольт 40 Ампер.
Силовые ключи вместе с диодом устанавливают на общий радиатор, притом изолировать подложки компонентов от радиатора не нужно, т.к. они общие.
Подробное описание и испытания блока можно посмотреть в видео
Все своими руками Блок питания для часов 1,5В
Опубликовал admin | Дата 4 августа, 2019Блок питания для электронно-механических часов
В данной статье будут рассмотрены несколько простых схем блоков питания для электронно-механических часов с выходным напряжением 1,5 вольта. Возможных вариантов построения схем источников питания – шесть, но можно из отдельных узлов этих схем составить и другие версии БП.
На рисунке 1 приведена схема с сетевым трансформатором.
Ток потребления электронно-механических часов не большой и поэтому в качестве понижающего трансформатора подойдут практически любые маломощные трансформаторы с выходным напряжением порядка пяти вольт. Трансформатор Тр1 является разделительным трансформатором, что исключает попадания фазы первичной сети на элементы схемы часов. Предохранитель можно применить на 0,15А. Диодный мост — практически любой, можно собрать из отдельный диодов. Все схемы были нарисованы на одном листе и поэтому такая странная нумерация элементов. В данной схеме в качестве стабилизатора использована отечественная микросхема КР142ЕН12А. Для установки выходного напряжения 1,5В возможно потребуется подбор резистора R4. Величина емкости конденсаторов фильтра не критична, можно поставить и с меньшей емкостью.
На рисунке 2 представлена еще одна схема с разделительным сетевым трансформатором. В этой схеме в качестве стабилизатора выходного напряжения используется трехвыводной микросхемный стабилизатор с фиксированным выходным напряжением 1,5В — AMS1117-1,5.
На рисунке 3 показана схема блока питания с гасящим конденсатором. Будьте осторожны! На элементах схемы будет присутствовать фаза сети 220 вольт. Но если все сделать правильно применительно к правилам по технике безопасности, то с успехом можно применить и данную версию БП. Конденсатор С1 в данной схеме должен быть рассчитан на напряжение не менее 680 вольт. Лучше применить конденсаторы, рассчитанные на работу непосредственно в цепях переменного тока и имеющими рабочее напряжение ̴250… ̴275V. Такие конденсаторы стоят во входном фильтре практически всех импульсных блоках питания. Хорошо для таких целей подходят отечественные конденсаторы МБГЧ. Емкость конденсатора выбирается из примерного условия, 1мкФ обеспечивает ток нагрузки 60мА. Так что емкость гасящего конденсатора можно уменьшить до 0,1мкФ. Диодный мост должен быть рассчитан на двойное амплитудное значение напряжения сети. Это порядка 800 вольт. У данной схемы понижение выходного напряжения происходит за счет емкостного делителя С1 и С3. Такой блок питания нельзя включать без нагрузки или нагрузкой недостаточной мощности, так как конденсатор фильтра С3 будет пробит недопустимо большим напряжением. В этом случае, что бы уменьшить напряжение на конденсаторе С3, надо увеличить его емкость. Чем больше емкость, тем меньше реактивное сопротивление переменному току.
В данном случае ток будет постоянным по знаку, но переменным по амплитуде. Проще всего застабилизировать выходное напряжение с помощью стабилитрона, включенного параллельно конденсатору С3, с напряжением стабилизации порядка пяти вольт. Если стабилитрон будет греться, то уменьшите емкость гасящего конденсатора. Резистор R2 необходим для разрядки гасящего конденсатора С1.
На рисунке 4 приведена еще одно схема БП. Это блок бесперебойного питания. Данную схему я не моделировал, она была срисована лет сорок назад из, я так думаю, журнала «Радио». Я думаю, что схема работает следующим образом: Когда в сети есть напряжение, есть напряжение и на коллекторе транзистора VT1. Есть напряжение и на выходе устройства, так как транзистор открыт током базы, проходящим: Минус батарейки -> База -> Эмиттер -> нагрузка -> Общий провод -> Плюс батарейки. Когда напряжения сети отсутствует, то нагрузка получает питание через открытый переход база-эмиттер транзистора. Транзистор – любой маломощный прямой проводимости. Обратите внимание, что регулировка тока нагрузки идет по отрицательной шине БП.
На схемах 5 и 6 показаны так же трансформаторные блоки питания, но с разными стабилизаторами выходного напряжения. На схеме 5 в качестве стабилизатора напряжения базы транзистора используется светодиод, прямая ветвь вольтамперной характеристики которого, близка к вольтамперной характеристике стабилитрона. Но здесь, для получения нужной величины выходного напряжения потребуется подборка светодиода. А также величины резистора R4, для получения тока, примерно, 10мА. В данной схеме светодиод может являться и индикатором работы БП. В схеме, показанной на рисунке 6, в качестве задатчика выходного напряжения выступает цепь, состоящая из нескольких согласованно включенных диодов в прямом направлении. Здесь тоже возможно придется подобрать величину резистора R6 по минимально возможному току протекающим через диоды.
В заключении хотелось бы сказать, что сетевые трансформаторы можно с успехом заменить практически любым зарядным устройством от сотового телефона. Работающим, естественно и имеющим развязку от сети. Можно применить и другие комбинации узлов из разных схем.
Из всех схем самая надежная, это конечно с гасящим конденсатором, она не боится коротких замыканий в нагрузке, отсутствует пожароопасный сетевой трансформатор.
Скачать статью.
Скачать “Блок_питания_для_часов_1,5В” Блок_питания_для_часов_1,5В.rar – Загружено 897 раз – 72 КБ
Просмотров:4 032
Как рассчитать мощность светодиодной ленты
Светодиодная подсветка сегодня на пике популярности. Ее используют для оформления интерьеров помещений различного назначения, экстерьеров зданий. Мощная светодиодная лента зачастую является основой рекламных вывесок и баннеров. В пользу применения этого способа говорят многие факторы, среди которых важное место занимает крайне низкое энергопотребление.
Чтобы правильно подобрать все компоненты системы диодного освещения, надо знать сколько ватт потребляют светодиодные ленты в зависимости длины, конструктивного решения, размера кристаллов. Только после грамотно выполненных расчетов, можно приступать к выбору:
- источника питания;
- контроллеров;
- диммеров и другого оборудования.
Как узнать мощность светодиодной ленты
LED-лента представляет из себя специальную плату определенной ширины, к которой закреплены световые диоды с резисторами в строго установленном порядке. Зависимо от количества компонентов на 1 погонном метре диоды могут размещаться в одну линию, двумя рядами или в шахматном порядке.
В следующей табличке приведено соответствие мощности светодиодных лент SMD 5050 на метр длины с различным числом кристаллов:
| Тип изделия | Количество светодиодов на 1 метр | Потребляемая мощность, Вт |
| SMD 5050 | 30 | 7,2 |
| 60 | 14 | |
| 72 | 15 | |
| 120 | 25 |
Из таблицы видно, что уровень потребляемой мощности находится в прямой зависимости от числа световых диодов и плотности их расположения на 1 погонном метре платы. Используя эти сведения, можно легко рассчитать сколько ватт в светодиодной ленте с 72 кристаллами, если ее длина составляет, к примеру, 20 м. Нужно просто перемножить величину потребляемой мощности для данного типа платы на ее длину: 15 Вт*20 м = 300 Вт.
Теперь важно сделать грамотный расчет мощности адаптера, являющегося источником питания. Воспользуемся простой формулой: Мб = Мл х Дл х К, в которой
- Мб – мощность адаптера;
- Мл – мощность 1 п.м. LED-ленты;
- Дл – длина LED;
- К – коэффициент запаса мощности.
В нашем случае напряжение адаптера для светодиодной ленты должно быть: 15 * 20 * 1,3 = 390 Вт. Коэф.1.3 предусматривает 30-процентный запас мощности, что вполне достаточно для обеспечения нормальной яркости свечения светодиодной ленты на протяжении долгого времени эксплуатации.
Если вы выбрали плату с диодами меньшего размера под маркировкой SMD 3528, то для выполнения расчета потребляемой мощности светодиодной ленты по вышеприведенной формуле воспользуйтесь данными из этой таблицы:
| Тип изделия | Количество светодиодов на 1 метр | Потребляемая мощность, Вт |
| SMD 3528 | 60 | 4,8 |
| 120 | 9,6 | |
| 240 | 19,2 |
Нюансы расчета светодиодной ленты формата RGB
Буквосочетание RGB сформировано из начальных литер английского названия красного, зеленого и синего цветов — Red, Green, Blue. Их сочетание с различной силой свечения дает широчайший спектр цветовых оттенков. В диодах более крупного размера содержатся три разноцветных кристалла. С маленькими одноцветными элементами поступают иначе – на плату монтируют поочередно светодиоды с разным цветом.
При выборе лент типа RGB следует помнить, что яркость у них свечения несколько ниже, в сравнении с одноцветными, при полном совпадении остальных параметров. Возникает вопрос: как рассчитать мощность светодиодной ленты в этом случае? Принцип расчета и формулы не меняются для любых типов LED-ленты.
Однако для эффектной работы подсветки в разноцветном режиме помимо адаптера понадобится еще и контроллер. Устройство контролирует подачу цветов, позволяет установить интересные режимы – бегущую дорожку, мигание и другие. Вживление в схему диммера позволит изменять силу свечения, при этом самая яркая светодиодная лента сможет издавать приглушенный свет.
И напоследок еще одна важная особенность: основная масса RGB-контроллеров способна регулировать ленты суммарной длиной не более 15 метров. Если эта величина выше, то в систему нужно установить специальный усилитель с учетом потребления тока светодиодной лентой по фактическим параметрам длины.
Регулируемая поставка »Электроника
Источники питания с линейной стабилизацией могут обеспечивать чрезвычайно низкий уровень выходного шума и хорошую стабилизацию, но за счет размера и эффективности.
Схемы линейного источника питания Праймер и руководство Включает:
Линейный источник питания
Шунтирующий регулятор
Регулятор серии
Ограничитель тока
Регуляторы серий 7805, 7812 и 78 **
См. Также: Обзор электроники блока питания Импульсный источник питания Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания
Линейные источники питания широко используются из-за преимуществ, которые они предлагают с точки зрения общей производительности, а также эта технология очень хорошо зарекомендовала себя, потому что она была доступна в течение очень многих лет.
Хотя линейные блоки питания могут быть не такими эффективными, как блоки питания с импульсным режимом, они обеспечивают лучшую производительность и поэтому используются во многих приложениях, где шум имеет большое значение.
Одна из основных областей, где почти всегда используются линейные источники питания, — это аудиовизуальные приложения, усилители Hi-Fi и тому подобное. Здесь шум и всплески переключения от импульсных источников питания могут вызвать проблемы — при этом говорится, что SMPS постоянно улучшают производительность, но линейные источники, как правило, используются большую часть времени.
Типовой регулируемый линейный источник питания для лабораторных стендовОсновы линейного источника питания
Источники питания с линейной стабилизацией получили свое название от того факта, что в них используются линейные, то есть немключаемые методы, для регулирования выходного напряжения источника питания. Термин линейный источник питания означает, что источник питания регулируется для обеспечения правильного напряжения на выходе.
Измеряется напряжение, и этот сигнал подается обратно, обычно в какой-либо дифференциальный усилитель, где он сравнивается с опорным напряжением, и результирующий сигнал используется для обеспечения того, чтобы на выходе оставалось требуемое напряжение.
Иногда измерение напряжения может осуществляться на выходных клеммах, а в некоторых случаях — непосредственно на нагрузке. Дистанционное измерение используется там, где могут быть омические потери между источником питания и нагрузкой. Часто лабораторные принадлежности имеют такую возможность.
Различные линейные источники питания будут иметь разные схемы и включать в себя разные схемные блоки, если требуются дополнительные возможности, но они всегда будут включать в себя базовые блоки, а также некоторые дополнительные дополнительные.
Входной трансформатор питания
Поскольку многие регулируемые источники питания получают питание от сети переменного тока, для линейных источников питания часто используется понижающий или иногда повышающий трансформатор. Это также служит для изоляции источника питания от сетевого входа в целях безопасности.
Трансформатор обычно представляет собой относительно большой электронный компонент, особенно если он используется в линейно регулируемом источнике питания большей мощности. Трансформатор может значительно увеличить вес источника питания, а также может быть довольно дорогим, особенно для более мощных.
В зависимости от используемого выпрямителя трансформатор может быть с одной вторичной обмоткой или с центральным ответвлением. Также могут присутствовать дополнительные обмотки, если требуются дополнительные напряжения.
Для старинных радиоприемников и другой старинной электронной электроники многократные вторичные обмотки были обычным явлением. Обычно основная вторичная обмотка имела центральный отвод, чтобы обеспечить двухполупериодное выпрямление с помощью двойного диодного клапана или трубчатого выпрямителя, а дополнительные вторичные обмотки требовались для вентильных или трубчатых нагревателей — часто 5 вольт для выпрямителя, а затем 6.3в для самих клапанов / трубок.
Выпрямитель
Поскольку вход от источника переменного тока является переменным, его необходимо преобразовать в формат постоянного тока. Доступны различные формы выпрямительной схемы.
Самая простая форма выпрямителя, которую можно использовать в источнике питания, — это одиночный диод, обеспечивающий полуволновое выпрямление. Этот подход обычно не используется, потому что сложнее удовлетворительно сгладить вывод.
Обычно используется двухполупериодное выпрямление с использованием обеих половин цикла.Это обеспечивает более легкое сглаживание формы волны.
Есть два основных подхода к обеспечению полуволнового выпрямления. Один из них — использовать трансформатор с отводом от центра и два диода. Другой — использовать одну обмотку на трансформаторе источника питания и использовать мостовой выпрямитель с четырьмя диодами. Поскольку диоды очень дешевы, а стоимость трансформатора с центральным ответвлением выше, наиболее распространенным подходом в наши дни является использование мостового выпрямителя.
Примечание по схемам диодного выпрямителя:
Цепи диодного выпрямителяиспользуются во многих областях, от источников питания до радиочастотной демодуляции.В схемах диодного выпрямителя используется способность диода пропускать ток только в одном направлении. Есть несколько разновидностей от полуволнового до двухполупериодного, мостовые выпрямители, пиковые детекторы и многое другое.
Подробнее о Диодные выпрямительные схемы
Даже для регуляторов с питанием от постоянного тока на входе может быть установлен выпрямитель для защиты от обратного подключения источника питания.
Электропитание сглаживающее
После выпрямления из сигнала переменного тока необходимо сглаживать постоянный ток, чтобы удалить изменяющийся уровень напряжения.Для этого используются большие емкостные конденсаторы.
Сглаживающее действие накопительного конденсатораВ сглаживающем элементе схемы используется большой конденсатор. Он заряжается по мере того, как сигнал, поступающий от выпрямителя, достигает своего пика. По мере того, как напряжение выпрямленной формы волны падает, как только напряжение становится ниже напряжения конденсатора, конденсатор начинает подавать заряд, поддерживая напряжение до тех пор, пока не появится следующая нарастающая форма волны от выпрямителя.
Сглаживание не идеальное, и всегда будет некоторая остаточная пульсация, но это позволяет устранить огромные колебания напряжения.
Линейные регуляторы питания
Большинство блоков питания в наши дни обеспечивают регулируемую мощность. С современной электроникой довольно просто и не слишком дорого включить линейный стабилизатор напряжения. Это обеспечивает постоянное выходное напряжение независимо от нагрузки — в указанных пределах.
Поскольку многие электронные компоненты, электронные устройства и т. Д. Требуют аккуратно обслуживаемых источников питания, регулируемый источник питания является необходимостью.
Есть два основных типа линейных источников питания:
- Шунтирующий регулятор: Шунтирующий регулятор менее широко используется в качестве основного элемента в линейном регуляторе напряжения.Для этой формы линейного источника питания переменный элемент размещается поперек нагрузки. Сопротивление истока установлено последовательно со входом, а шунтирующий стабилизатор регулируется, чтобы гарантировать, что напряжение на нагрузке остается постоянным.
Источник питания рассчитан на заданный ток, и с приложенной нагрузкой шунтирующий регулятор поглощает любой ток, не требуемый нагрузкой, так что выходное напряжение сохраняется.
- Регулятор серии: Это наиболее широко используемый формат линейного регулятора напряжения.Как следует из названия, в цепь помещается последовательный элемент, и его сопротивление изменяется с помощью управляющей электроники, чтобы гарантировать, что правильное выходное напряжение генерируется для потребляемого тока.
Блок-схема последовательного регулятора напряжения
На этой блок-схеме опорное напряжение используется для управления последовательным элементом, который может быть биполярным транзистором или полевым транзистором. Опорное напряжение может быть просто напряжением, взятым от источника опорного напряжения, например. электронный компонент, такой как стабилитрон.
Более обычный подход состоит в том, чтобы отобрать выходное напряжение и подать его в дифференциальный усилитель для сравнения выходного сигнала с эталоном, а затем использовать это для управления схемой элемента конечного прохода.
Оба этих типа линейных регуляторов используются в источниках питания, и хотя последовательный стабилизатор используется более широко, в некоторых случаях также используется шунтирующий регулятор.
Преимущества / недостатки линейного источника питания
Использование любой технологии часто представляет собой тщательный баланс нескольких преимуществ и недостатков.Это справедливо для линейных источников питания, которые имеют ряд явных преимуществ, но также имеют свои недостатки.
Преимущества линейного блока питания
- Установленная технология: Линейные источники питания широко используются в течение многих лет, а их технология хорошо известна и изучена.
- Низкий уровень шума: Использование линейной технологии без какого-либо переключающего элемента означает, что шум сведен к минимуму, и теперь обнаруживаются раздражающие всплески, обнаруживаемые в импульсных источниках питания.
Линейный БП Недостатки
- КПД: Принимая во внимание тот факт, что линейный источник питания использует линейную технологию, он не особенно эффективен. Эффективность около 50% не является чем-то необычным, а при некоторых условиях может предлагать гораздо более низкие уровни.
- Теплоотдача: Использование последовательного или параллельного (реже) регулирующего элемента означает, что рассеивается значительное количество тепла, и его необходимо удалять.
- Размер: Использование линейной технологии означает, что размер линейного источника питания, как правило, больше, чем у других форм источника питания.
Несмотря на недостатки, технология источников питания с линейной регулировкой по-прежнему широко используется, хотя она более широко используется там, где требуется низкий уровень шума и хорошее регулирование. Одно из типичных применений — это усилители звука, в которых линейный источник питания может обеспечить оптимальные характеристики для питания всех каскадов усилителя.
Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Конструкция транзистора
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
Схемы на полевых транзисторах
Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .
Руководство по проектированию источников питания — Новости силовой электроники
В этой серии руководств подробно рассматриваются этапы проектирования источников питания для импульсных стабилизаторов постоянного и повышающего топологии с понижающей и повышающей топологией, а также проводятся специальные занятия по компоновке печатной платы и управлению фронтами сигнала для электромагнитных помех, которые применяются ко всем импульсным стабилизаторам.Эта серия руководств разделена на 4 части и содержит подробные сведения, подсказки и подсказки, которые будут полезны даже самым опытным разработчикам источников питания. Новички, которые никогда не проектировали блоки питания, могут использовать эту серию в качестве начала. Но больше всего от этого выиграют те инженеры, которые уже имеют некоторый опыт проектирования блоков питания и хотят получить более глубокие знания.
- Часть 1: Топологии и основы
- Часть 2: Понижающий регулятор
- Часть 3: Схема печатной платы для коммутаторов
- Часть 4: Регулятор наддува
В рамках этой серии мы будем выпускать новое руководство каждую неделю.Первый доступен уже сейчас. Вот повестка дня:
- Линейные регуляторы и регуляторы с малым падением напряжения (LDO)
- Рассеивание мощности и терморегулирование силовых полупроводников
- Введение в регулятор переключения и трехконтактный элемент
- Три основные топологии преобразователя: понижающий, повышающий и инвертирующий понижающий-повышающий
- Дроссели и токи дросселей
Добро пожаловать в часть 1-1 серии статей «Проектирование источников питания с индуктивным питанием, топологии и основы», представленной вам компанией Power Electronics News.Если вы уже разработали регуляторы на 100 долларов, вы, вероятно, можете пропустить это занятие, но я уверен, что в следующих 25 слайдах есть хоть что-то, что даже сезонные профессионалы сочтут полезными или полезными. На этом занятии мы рассмотрим линейные источники питания, управление температурным режимом, а затем основы импульсных источников питания постоянного тока.
Здесь вы можете видеть меня, я ваш хозяин, Крис Ричардсон, и пару фотографий значков из моей истории, сначала в 2005 году в National Semiconductor, позже в Texas Instruments в 2011 году после того, как они купили National Semiconductor, и, наконец, в 2013 году, когда я основал Power Induced Design.Если вы хотите связаться со мной, вот мой адрес электронной почты: [email protected]. Вы можете видеть здесь, что волосы немного меняются, но эта дрянная улыбка всегда остается прежней.
Вначале было дискретное
Этот слайд предназначен для всех моих зрителей, которые любят научную фантастику и управление питанием. Точнее было бы сказать, что вначале были источники питания на основе электронных ламп, поэтому давайте назовем это цитатой в начале цитаты о современных источниках питания.Теперь эта схема очень проста. Есть эталон, обычно стабилитрон, токоограничивающий резистор, чтобы предохранить эталон от перегрева, и проходной элемент. Я нарисовал проходной элемент как NPN-транзистор, но n-MOSFET тоже работают. Последний резистор представляет собой нагрузку.
Дискрет жив и здоров
Этот тип цепи используется постоянно для получения источников питания от высокого напряжения, но для запуска используется кремний низкого напряжения.Что не показано, так это соединение с линией, входящей в эмиттер Q1, которая является выходом вспомогательной обмотки. Как только это вспомогательное напряжение превышает комбинацию VZ плюс VBE, то есть пробой напряжения Зенера плюс транзистор VBE, тогда Q1 отключается, и почти вся мощность рассеивается. Кроме того, причина того, что биполярные транзисторы предпочтительнее полевых МОП-транзисторов, хотя у полевых МОП-транзисторов гораздо больше выбора, заключается в том, что труднее определить, сколько обратного напряжения необходимо от источника к затвору, чтобы убедиться, что полевой МОП-транзистор действительно и действительно выключен.Еще одно замечание. Если ваш источник переменного тока в постоянный или высоковольтный не запускается во время первоначального тестирования, это почти всегда из-за схемы настройки или вспомогательной обмотки.
Затем появился интегрированный NPN
Следующей эволюцией после дискретных линейных регуляторов стал интегрированный регулятор NPN. Эта интегральная схема исходит из интегральной схемы или IC. В наши дни почти любой линейный регулятор часто называют LDO, что означает регулятор с малым падением напряжения. В целом, у настоящих регуляторов NPN не так уж мало случаев отсева, и мы увидим почему на следующем слайде.Но даже регулятор NPN, поскольку существует несколько конфигураций с PNP или с MOSFET.
И это хорошее время, чтобы определить, какое на самом деле напряжение выпадения. Это минимальный запас по высоте, то есть разница в напряжении, необходимая между входным и выходным напряжением, чтобы поддерживать это выходное напряжение. Как вы можете себе представить, это вызывает большую озабоченность, поскольку минимальное напряжение становится все ближе и ближе к максимальному выходному напряжению данного линейного регулятора, а также, особенно когда у регуляторов есть выпадающие напряжения, которые часто труднее вычислить.
Еще одна приятная вещь в интеграции, помимо необходимости выбора и размещения меньшего количества деталей и, конечно же, их превосходной стабильности, заключается в том, что для регулятора IC весь этот кремний имеет примерно одинаковую температуру, и это очень хорошо для стабильность схемы.
Здесь, на этой странице, есть два термина, о которых я хочу поговорить подробнее. Один из них — PSRR. Это коэффициент отказа блока питания. Это также известно как восприимчивость к звуку. Это способность источника питания подавлять дифференциальный шум, который присутствует между положительным входом, обозначенным здесь как VN, и отрицательным входом, который подразумевается, но не показан явно.Это наземные символы.
Затем есть коэффициент подавления синфазного сигнала. Это CMRR, и у него более удачное название. Это относится к способности источника питания подавлять синфазный шум, то есть шум, который присутствует между положительным входом и землей или отрицательным входом и землей.
Ограничения NPN Darlington
Итак, здесь, на этом слайде, мы можем видеть внутренние детали классического регулятора NPN, также известного как регулятор Дарлингтона.Как видите, два транзистора NPN и один транзистор PNP включены последовательно с трактом управления. И когда я впервые взглянул на эту схему, я подумал: «Хм, есть только одно падение напряжения VCE от входа V к выходу V. Так почему же эта схема не работает при падении напряжения, скажем, до 500 милливольт? » Но на самом деле цепи управления нужны эти два напряжения VBE и одно напряжение VCE. Итак, суммируя, это 0,7 вольт плюс 0,7 вольт плюс 0,3 вольт, и это дает вам довольно близко к двум вольтам.
Таким образом, без управления нет стабильного выходного напряжения V, и именно поэтому стандартный регулятор Дарлингтона NPN, подобный этому, не будет работать надежно при попытке понизить, скажем, 5,0 вольт до 3,3 вольт. Вы, вероятно, столкнетесь с отсевом, особенно если вы знаете, что допустимое отклонение в этих 5 вольт обычно составляет, скажем, плюс-минус 5 или плюс-минус 10 процентов.
Таким образом, выпадение сигнала — это явно плохо, поскольку выходное напряжение больше не регулируется, но другая проблема заключается в том, что, когда цепь выпадает, весь шум на входе проходит через выход почти без затухания.
Рассеиваемая мощность в линейных регуляторах
Итак, что касается рассеивания мощности, скажем, в мире источников питания, есть три основных фактора, которые убивают устройства: перенапряжение, отрицательное напряжение там, где оно не ожидается, и перегрев. И из этих трех вещей все они действительно сводятся к перегреву, потому что перенапряжение обычно вызывает протекание большого количества тока, а отрицательное напряжение обычно вызывает протекание тока там, где он не должен течь, и слишком большой ток, протекающий в данное место вызывает слишком много тепла.Так что рассеяние мощности имеет решающее значение.
И что мы видим здесь, в этой схеме, так это то, что рассеивание мощности в линейных регуляторах очень просто. Вы просто вычитаете выходное напряжение из входного и умножаете это произведение на выходной ток. Теперь, когда вы хотите рассчитать наихудший случай и когда мы проектируем источники питания, мы практически всегда используем худший случай, для которого мы проектируем: вычитаем самое низкое выходное напряжение из самого высокого входного напряжения и умножаем его на максимальный выходной ток.
Регулятор с малым падением напряжения, «LDO»
Следующим важным достижением в линейных источниках питания стал стабилизатор с истинным малым падением напряжения, в котором используются различные способы подключения биполярных транзисторов или, для наименьшего падения напряжения, полевые МОП-транзисторы для проходного элемента. Таким образом, вместо того минимума 1,7 вольт и, как правило, более 2,0 вольт падения напряжения, которое потребуется NPN Darlington, эта схема имеет максимальное падение напряжения чуть более 300 милливольт, как вы можете видеть на графике здесь.И это при максимальном выходном токе.
Итак, важное замечание. График при температуре 25 градусов Цельсия. Вы можете увидеть, что это написано там. И падение напряжения действительно изменяется при изменении температуры. LDO, выдающий ток в один ампер, определенно нагреется, поэтому очень важно учитывать падение напряжения в худшем случае во всем диапазоне температур.
Более низкий дропаут снижает потери мощности
Таким образом, внутренние детали регулятора с малым падением напряжения на p-MOSFET делают вещи немного более понятными.Это то же устройство, что мы видели на предыдущей странице. Имея всего два элемента на основе полевых МОП-транзисторов, мы также можем понять, почему между V out и V in требуется всего 300 милливольт или около того. Если мы предположим, что допустимое отклонение 5,0 вольт составляет плюс-минус 10 процентов, а это определенно худший случай для современных источников питания, то запас по напряжению между пятью вольт минус 10 процентов или 4,5 вольт и выходным напряжением 3,3 вольт будет равным. 1,2 вольта.Этого более чем достаточно, чтобы схема оставалась стабильной.
В наши дни для LDO обычным явлением становится падение с 2,5 до 1,8 вольт, даже с 1,8 до 1,2 вольт. И есть некоторые строго контролируемые случаи, когда вы даже можете регулировать напряжение от 1,5 до 1,2 вольт. Таким образом, общая тенденция состоит в том, чтобы уменьшить это падение до минимума, а цель состоит в том, чтобы уменьшить рассеиваемую мощность и нежелательное тепло. Тепло определенно является врагом источников питания и вообще всей электроники.
Упаковка и управление температурным режимом
Итак, у нас есть основы линейных источников питания за плечами. А теперь поговорим подробнее о тепле. Говоря языком маркетинга, это терморегулирование, но я предпочитаю сказать, что давайте не будем готовить наши блоки питания. В общем, чем больше размер корпуса, тем ниже тепловое сопротивление. А термическое сопротивление очень похоже на электрическое сопротивление. Чем он выше, тем сложнее сохранять соединение, то есть кремний в центре упаковки, в прохладном состоянии.
Теперь, когда давно, единственные доступные пакеты были ограничены выводами для отвода тепла от соединения, будь то через отверстие или поверхностный монтаж. Силикон обычно находился на медной основе, называемой выступом, и соединительные провода, сделанные из золота или алюминия, обеспечивали электрические соединения с контактами. Во многих корпусах эти тонкие соединительные провода также являются единственными настоящими проводниками тепла, поскольку пластик корпуса так же плохо проводит тепло, как и электрический ток.
Поставщики кремния и корпусов часто знают и предоставляют определенные доли полного теплового сопротивления от перехода до окружающей среды. Это тета JA. Одна часть, которую они могут сообщить и надежно сделать, — это тепловое сопротивление термического сопротивления от соединения до точки пайки. Это тета-JS. Но в большинстве случаев то, как используется пакет, оказывает такое большое влияние на общий тета-JA, который является переходом к окружающему, что лучшее, что могут сделать поставщики, — это действительно предоставить нам несколько типичных случаев.
Опыт, а под опытом я имею в виду обгоревшие чипы и обожженные пальцы, часто является лучшим инструментом для управления питанием. Тем не менее, важно указать на основное уравнение. Конечная температура перехода — это функция температуры окружающей среды плюс общая рассеиваемая мощность, умноженная на это общее тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде. По крайней мере, для линейных регуляторов мы знаем рассеиваемую мощность с хорошей точностью.
Компоновка печатной платы и управление температурным режимом
Компоновка печатной платы
является одним из важнейших параметров, которые производители ИС не могут контролировать, поэтому они предлагают различные сценарии.Здесь мы смотрим на SC-74, небольшой корпус для LDO. Так называемая «минимальная установка меди2» — это, по сути, всего лишь рекомендованная медная площадь на корпусе корпуса плюс несколько тонких дорожек. Учитывается и толщина меди — хотя не написано, что это 15 микрометров.
Для контраста, рассмотрим случай, когда площадь соединения меди с контактами больше или равна 300 квадратных миллиметрам. Чтобы получить максимальную отдачу от этой медной области, ее необходимо подключать к контактам, по которым протекает наибольший ток.В данном случае это будут контакты Rext и OUT, которые уменьшают thetaJA на одну треть. Кстати, наличие трех выводов OUT является хорошим признаком того, что они пропускают большой ток и подходят для подключения медных участков.
Преимущество упаковки с открытой площадкой
Одним из значительных достижений в области управления температурным режимом стало внедрение так называемой упаковки с открытыми подушечками. Теперь многие из этих корпусов совместимы по выводам со стандартными промышленными корпусами, такими как SO-8 или, в показанном здесь случае, TSSOP-16.Таким образом, в этих случаях силикон по-прежнему находится на верхней части медной площадки, но эта площадка больше и / или она находится ниже внутри упаковки, а часть ее обнажена снизу. Недостатком является отсутствие следов работы под ИС на верхнем слое, но для большой мощности компромисс того стоит.
Во многих случаях довольно сложно получить большую площадь, как те 300 квадратных миллиметров, о которых мы говорили на предыдущей странице. Трудно перенести эту большую область на верхний слой, где проходят все следы.Поэтому мы используем тепловые переходные отверстия и медную поверхность на других слоях.
Любой, кто работает с мощными светодиодами, наверняка использовал или рассматривал печатную плату с металлическим сердечником или MCPCB. Теперь открытые пакеты колодок любят MCPCB. Мы поговорим об этом позже. А пока один очень важный комментарий. Если вы не подключите открытую площадку корпуса с открытой площадкой, большинство силовых ИС по-прежнему будут работать, но их тепловое сопротивление такое же, как у стандартного корпуса, поэтому, если он у вас есть, но вы его не используете, вы ничего не получите. .
В заключение отметим, что почти каждый аспект управления температурным режимом демонстрирует экспоненциальный отклик, как на графике, который вы видите здесь.Это означает, что, хотя больше всегда лучше, почти всегда наступает момент уменьшения отдачи. Другими словами, подключение вашей открытой контактной площадки к квадратному метру меди — это нормально, но большая часть этой меди не приносит особой пользы. Кстати, я упоминал, что медь не из дешевых?
FR-4 по сравнению с Metal- Core PCB
Я упоминал светодиоды на предыдущем слайде, и мощные светодиоды сегодня являются королем терморегулирования, потому что существует прямая взаимосвязь между терморегулированием и качеством, и количеством светоотдачи.
Кстати, я люблю светодиоды. Драйверы светодиодов — мой любимый тип источника питания. Все, что горит или мигает. В любом случае, производители мощных светодиодов провели отличные исследования в области управления температурным режимом. Все, что работает для светодиода питания, у которого всегда есть термический язычок, определенно будет работать для силовой ИС с термическим контактом.
Само собой разумеется, что печатная плата с металлическим сердечником — это замечательно, если вы можете ее использовать. Раньше это было очень, очень дорого, но благодаря большому объему светодиодного освещения теперь оно стало намного доступнее.Для меня большой недостаток MCPCB по-прежнему заключается в том, что иметь более двух слоев дорожек на MCPCB довольно сложно и дороже.
FR-4 с Thermal Vias
FR-4 никогда не будет так хорошо отводить тепло от источника, как MCPCB, но есть много способов сделать большие улучшения. Более толстые слои меди — это один из способов, простой факт большей тепловой массы. Я видел конструкции, содержащие до 140 микрометров меди, но если вы поместите медь такой толщины на внешние слои, компоненты больше не будут лежать ровно, и сборка станет действительно сложной.Таким образом, добавление внутренних путей — это еще один способ улучшить тепловое сопротивление, и, как показывает этот слайд, тепловые переходные отверстия в значительной степени являются стандартным способом подключения источника тепла на внешнем слое к теплоотводу в виде медных участков на внутренних слоях или на противоположных внешних слоях.
Обратите внимание на более или менее экспоненциальную форму кривых на этой странице. Теперь мы смотрим как на количество переходных отверстий, так и на диаметр этих переходных отверстий. Да, чем больше, тем лучше, но опять же, есть точка уменьшения отдачи.Есть также несколько важных практических вопросов. Например, в большинстве приложений вы не сможете разместить 91 переходное отверстие ниже пакета SO-8. Хотя здесь это не показано, эффективность этих тепловых переходных отверстий также падает, и снова экспоненциально, по мере того, как они размещаются все дальше и дальше от источника тепла.
Последнее очень важное замечание относительно тепловых переходных отверстий: хотя они наиболее эффективны при размещении непосредственно под тепловым выводом силовой ИС, это область пайки. Слишком большие переходные отверстия будут отводить, стечь или отводить припой во время сборки.
Лично мне нравится использовать переходные отверстия с внешним диаметром 0,5 миллиметра и диаметром отверстия 0,25 миллиметра, и я обычно разделяю их на один миллиметр. На самом деле лучше всего сесть с производителем печатной платы и контрактным производителем и заранее договориться о том, что будет работать лучше всего.
А как насчет преобразования 24 В в 1,2 В при 10 А?
Один из моих коллег из National Semiconductor, который был гуру линейных регуляторов, однажды рассказал мне о заказчике, который позвонил ему и попросил помощи в разработке линейного источника питания 10 кВт для лазера.Известно, что лазеры не переносят пульсации для своих драйверов, но вам понадобится бассейн хорошего размера, чтобы охладить такой источник. Он сказал им использовать переключатель, но, насколько я знаю, они так и не перезвонили!
Чуть менее мощный, но все же наглядный пример — промышленная система с очень распространенным напряжением шины 24 В, питающая что-то цифровое, для чего требуется 1,2 В. Если бы выходной ток составлял 10 А, вы бы рассеивали около 230 Вт, а для этого вам понадобится серьезный радиатор.Вы также будете сжигать 230 В на выходную мощность 12 Вт, а это эффективность 5%. Гордиться нечем!
Теперь, если у меня будет возможность обновить этот семинар, я посмотрю, смогу ли я построить эту схему и снять видео, как жареный зефир…
Хорошо. Итак, что вы делаете, когда хотите снизить напряжение с 24 до 1,2 вольт при 10 ампер, а отдел маркетинга сообщает вам, что поджаривание зефира не является дополнительной функцией для вашего источника питания? Что ж, ответ в том, что вы используете импульсный регулятор.В этой презентации мы просто окунемся в пул переключателей.
Переключение на контроль средней мощности
Вот схема и график, показывающие основную часть импульсного регулятора. Я записал источник как V для напряжения и показал напряжение на нагрузке, но на самом деле все, что мы здесь делаем, — это подключаем источник питания к этой нагрузке на некоторый период времени, а не подключаем ее. источник питания в остальное время.Если бы у нас был фиксированный период для каждого цикла длиной t, то время, когда источник не был подключен, было бы T минус t on.
Двумя наиболее важными концепциями здесь являются: во-первых, нагрузка воспринимает среднюю мощность, или среднее напряжение, или средний ток, которые отличаются от таковых у источника, потому что они не подключены в течение 100 процентов времени. Во-вторых, это рабочий цикл, то есть процент времени, в течение которого источник и нагрузка подключены, и определяет среднюю мощность на нагрузке.Теперь для этой схемы рабочий цикл D равен t on, деленному на период T.
Некоторые приложения принимают чистый ШИМ
Широтно-импульсная модуляция или ШИМ — это тип управления, который заключается в изменении времени подключения источника и нагрузки. Другой способ сказать это — указать, что рабочий цикл модулируется. Более высокий рабочий цикл означает более широкий импульс.
Сейчас существует множество приложений, в которых эти импульсы мощности подаются непосредственно на нагрузку с минимальной фильтрацией или без нее вообще.Обогреватели хороши, как и вентиляторы постоянного тока. Затем есть мой любимый, или, честно говоря, наименее любимый, TRIAC или фазовый диммер. Это простая схема, показанная в левом нижнем углу, и в ней используются чисто аналоговые компоненты, чтобы отрезать часть линии переменного тока, питающей традиционные лампы накаливания или галогенные лампы. Причина моей любви и ненависти к диммерам TRIAC заключается в том, что как только вы немного больше поймете об импульсных источниках питания, вы увидите, что TRIAC и переключатели смешиваются так же, как масло и вода.
Переключающий преобразователь постоянного тока в постоянный, который находится внизу справа, начинается с концепции ШИМ, но добавляет критический элемент — фильтр. Цель фильтра — сглаживать или усреднять импульсы напряжения, тока или мощности для тех, кто естественным образом не может выполнить это усреднение.
Трехконтактный элемент
Практически все преобразователи, описанные на этом семинаре, называются жестким переключением котировок, потому что они включают или выключают один переключатель, когда на нем есть напряжение или ток.Прерывание тока или короткое замыкание напряжения известно как жесткое переключение, и, честно говоря, с переключателями сложно. Я хочу сказать, что жесткое переключение вызывает рассеяние мощности. Рассеивание мощности вызывает нагрев. И теперь мы знаем, что тепло — убийца номер один для электроники. По крайней мере, для промышленной электроники. Для бытовой электроники убийцей номер один по-прежнему остается унитаз, в который попадает ваш мобильный телефон.
Один из лучших способов представить себе преобразователь с жестким переключателем — использовать этот очень простой элемент с тремя выводами.Прямоугольная волна появляется в черной точке посередине, и наш друг, силовой индуктор, является основным элементом сглаживающего фильтра. Именно выходная часть катушки индуктивности определяет тип импульсного преобразователя, также известный как топология.
Хотя здесь это не показано, важно отметить, что эти два переключателя работают в противофазе, что означает, что только один из них всегда включен в любой момент времени. Если по какой-либо причине они оба включатся одновременно, случится что-то плохое.Это то, что мы называем «простреливанием». Подробнее об этом на следующем слайде.
Повышающий преобразователь
Понижающий преобразователь — звезда этого шоу. Я не могу сказать это с абсолютной уверенностью, но я почти уверен, что понижающий коэффициент — самый распространенный из всех импульсных стабилизаторов, и это определенно самый распространенный преобразователь постоянного тока в постоянный. Видите, как катушка индуктивности подключается к выходу? Это означает, что средний выходной ток такой же, как и средний ток катушки индуктивности.Как мы увидим, ток катушки индуктивности — одна из самых важных форм сигнала в импульсном преобразователе.
Понижающий уровень — отличное место для начала работы с коммутаторами, потому что мы все признаем LC-фильтр второго порядка, выходной сигнал. V in и два переключателя генерируют высокочастотный прямоугольный сигнал, а затем индуктор и выходной конденсатор объединяются для фильтрации, сглаживания и усреднения этого выходного напряжения. Некоторая пульсация будет всегда, но даже чувствительный лазер может работать с понижающим током, если вы правильно отфильтруете выходной сигнал.
Здесь намного легче понять, почему тот проход, о котором я говорил на предыдущем слайде, настолько разрушителен, поскольку оба переключателя включены одновременно, что приводит к короткому замыканию входного напряжения. Иногда вы просто перегораете предохранитель, но у большинства преобразователей постоянного тока в постоянный нет предохранителя, и поэтому плохие переключатели становятся невосприимчивыми предохранителями.
Между прочим, если вы разрабатываете силовую электронику и не взрываете детали, значит, вы недостаточно стараетесь.
Ток индуктора
Посмотрите внимательно на эту схему.Все, что мы на самом деле сделали, это повернули эти три конечных элемента. Теперь посмотрите на V снаружи и V внутрь. Если бы они были поменяны местами, это было бы доллар. Повышающий преобразователь, как следует из названия, повышает выходное напряжение до уровня, превышающего входное, и это не что иное, как понижающий преобразователь в обратном направлении.
Когда я впервые изучил эти преобразователи, деньги казались мне совершенно разумными. В конце концов, это всего лишь прямоугольная волна фильтра. Но сначала я боролся с бустом. Как могло подняться выходное напряжение? Что ж, ответ кроется в физике индуктора, который на самом деле является сердцем любого импульсного преобразователя.Как только вы получаете ток, текущий в катушке индуктивности, физически невозможно мгновенно остановить магнитное поле, которое сопровождает этот ток. Многие люди, документы, учебники и заметки к EP говорят, что это ток, который нельзя остановить, но я предпочитаю думать о магнитном поле.
Теперь мы рассмотрим повышающий преобразователь во всех его великолепных деталях в следующем разделе семинара, а пока предположим, что индуктор может генерировать почти любое напряжение, необходимое для поддержания этого непрерывного магнитного поля, и если мы используя эту способность, мы можем производить более высокое выходное напряжение, чем входное.
Последнее замечание. Благодаря подключению катушки индуктивности ко входу, средний ток катушки индуктивности такой же, как и средний входной ток для повышающего преобразователя.
Инвертирующий пониженно-повышающий преобразователь
Еще один виток трех оконечных элементов дает нам окончательную базовую топологию преобразователя постоянного тока в постоянный — инвертирующий повышающий-понижающий преобразователь. В университете у меня был замечательный профессор, который преподавал введение в курс силовой электроники, и он вложил в это название много энтузиазма.Он всегда говорил: «Бак-буст!»
Что я имею в виду под инвертированием? Что ж, это еще один случай, когда я думаю, что многие учебники и заметки к EP недостаточно конкретны. Существует множество топологий понижающего-повышающего напряжения, потому что, когда вы используете только эти два слова, это просто означает преобразователь, выходное напряжение которого может быть выше или ниже значения входного напряжения.
И этот преобразователь также инвертирует полярность выходного напряжения относительно земли. Фактически, вы можете видеть, что я нарисовал полярный выходной конденсатор, чтобы показать это.Это отличный секрет, если вы хотите запитать некоторые биполярные операционные усилители и вам нужны минус 5 или минус 15 вольт.
Теперь для ясности: это абсолютное значение выходного напряжения, которое может быть больше или меньше абсолютного значения входного напряжения в этой цепи. Еще раз, давайте посмотрим, где подключается катушка индуктивности. Средний ток катушки индуктивности отличается как от среднего входного тока, так и от среднего выходного тока для инвертирующих повышательно-понижающих преобразователей.
Ток индуктора
Если взглянуть более подробно на суть наших основных импульсных преобразователей, то все они работают по одному и тому же основному принципу. Во время первой части цикла длиной T мы используем эти переключатели для подачи заданного напряжения на катушку индуктивности. Это заставляет ток течь. Когда приложенное напряжение является постоянным, индуцированный ток линейно увеличивается.
По истечении периода времени t on, равного рабочему циклу D, умноженному на период T, переключатели меняются, и на катушку индуктивности подается напряжение противоположной полярности.Теперь это не обязательно отрицательное напряжение по отношению к земле, просто отрицательное по отношению к напряжению, приложенному во время первой части цикла. Существует баланс, так называемый второй баланс вольт, означающий, что произведение приложенного напряжения и продолжительности времени, в течение которого оно применяется в течение первой части цикла, должно быть равно произведению напряжения и продолжительности времени, приложенного во время вторая часть цикла. Если они не равны, произойдет одно из двух.Выход преобразователя переходит в ноль или пуф, выход пытается уйти в бесконечность.
Как говорил еще один мой старый коллега из NSC: «Вы позволяете магии выйти наружу».
Реальное изображение индукторов I и V
Каким бы хорошим ни был мой вводный курс по силовой электронике, мы никогда не рассматривали какие-либо реальные формы сигналов. Я также признаю, что у меня только что появился новый пробник дифференциального напряжения, и нет ничего лучше новой игрушки, чтобы вдохновить.
Здесь у нас есть настоящий понижающий преобразователь, работающий от входа 12 вольт, выдающий на выходе пять вольт и выдающий выходной ток пять ампер.Первый канал желтого цвета — это дифференциальное напряжение на катушке индуктивности, как показано на этой схеме, а второй канал синего цвета — это напряжение в коммутационном узле. Помните, это черная точка, где эти три части трех клеммных элементов соединяются относительно земли. И, наконец, четвертый канал, выделенный зеленым цветом, — это ток катушки индуктивности.
Дифференциальный пробник позволяет мне одновременно измерять как опорное напряжение заземления с помощью стандартного пробника, так и плавающее напряжение, что иначе было бы невозможно.Вот реальная схема, показывающая, где мы измеряли различные напряжения и токи, и, наконец, фотография самой реальной установки. Видеть значит верить.
Далее: Раздел 1-2 — Три основные топологии коммутации
В разделе 1.2 я более подробно расскажу о трех основных топологиях коммутации, рассмотрю более практичные переключатели, исследую различия между режимами непрерывной и прерывистой проводимости, а также рассмотрю производные и составные топологии.Наш первый взгляд на обычную топологию переменного тока в постоянный будет с обратным регулятором. Наконец, я займусь маркетингом настолько, насколько я осмелюсь пойти, и расскажу немного о том, что находится внутри корпуса ИС импульсного стабилизатора, а что все еще находится снаружи на печатной плате.
На этом часть 1-1 завершается, и я надеюсь, что вы кое-что узнали и вернетесь, чтобы увидеть следующую сессию, а также будущие. В Части 1-2 мы более подробно рассмотрим каждый из трех основных преобразователей постоянного тока, а также обратный преобразователь и некоторые составные топологии.
Управление питанием, Глава 7: ИС регуляторов напряжения
Практически во всех источниках питания используются полупроводники для обеспечения регулируемого выходного напряжения. Если источник питания имеет вход переменного тока, он выпрямляется до постоянного напряжения. ИС преобразователя мощности принимает входной сигнал постоянного тока и выдает выходной сигнал постоянного тока или управляет полупроводниковыми переключателями на выходе внешней мощности для создания выходного постоянного тока. Это стабилизатор напряжения, когда его выходное напряжение возвращается в цепь, благодаря которой напряжение остается постоянным.Если выходное напряжение имеет тенденцию повышаться или понижаться, обратная связь заставляет выходное значение оставаться прежним.
Преобразователь мощности может работать как по импульсной, так и по линейной схеме. В линейной конфигурации управляющий транзистор всегда рассеивает мощность, которую можно минимизировать, используя стабилизаторы с малым падением напряжения (LDO), которые регулируют должным образом даже при относительно низком перепаде напряжения между их входом и выходом. Микросхемы LDO имеют более простые схемы, чем их собратья с импульсным режимом, и производят меньше шума (без переключения), но ограничены своей способностью выдерживать ток и рассеивать мощность.Некоторые ИС LDO рассчитаны на ток около 200 мА, а другие могут выдерживать ток до 1 А.
КПД ИС LDO может составлять 40-60%, тогда как ИС в режиме переключения могут показывать КПД до 95%. Топологии с коммутационным режимом являются основным подходом для встроенных систем, но LDO также находят применение в некоторых приложениях.
Линейный регулятор с малым падением напряжения (LDO)
Линейные регуляторыLDO обычно используются в системах, где требуется малошумящий источник питания вместо импульсного стабилизатора, который может нарушить работу системы.LDO также находят применение в приложениях, где регулятор должен поддерживать регулирование с небольшими различиями между входным напряжением питания и выходным напряжением нагрузки, например, в системах с батарейным питанием. Их низкое падение напряжения и низкий ток покоя делают их подходящими для портативных и беспроводных приложений. LDO со встроенным силовым полевым МОП-транзистором или биполярным транзистором обычно обеспечивают выходные сигналы в диапазоне от 50 до 500 мА.
Стабилизатор напряжения LDO работает в линейной области с топологией, показанной на рис.7-1. Основными компонентами стабилизатора напряжения являются последовательный транзистор (биполярный транзистор или полевой МОП-транзистор), усилитель дифференциальной ошибки и точный источник опорного напряжения.
7-1. В базовом LDO один вход усилителя дифференциальной ошибки, установленный резисторами R1 и R2, контролирует процентное значение выходного напряжения. Другой вход усилителя ошибки — это стабильное опорное напряжение (V REF ). Если выходное напряжение увеличивается относительно VREF, усилитель дифференциальной ошибки изменяет выход проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения нагрузки (V OUT ).
Ключевыми рабочими факторами LDO являются его падение напряжения, коэффициент отклонения источника питания (PSRR) и выходной шум. Низкое падение напряжения относится к разнице между входным и выходным напряжениями, которая позволяет ИС регулировать выходное напряжение нагрузки. То есть LDO может регулировать выходное напряжение нагрузки до тех пор, пока его вход и выход не приблизятся друг к другу при падении напряжения. В идеале падение напряжения должно быть как можно меньшим, чтобы свести к минимуму рассеивание мощности и максимизировать эффективность.Обычно считается, что падение напряжения достигается, когда выходное напряжение упало до 100 мВ ниже номинального значения. Ток нагрузки и температура проходного транзистора влияют на падение напряжения.
Внутренний источник опорного напряжения LDO — это потенциальный источник шума, обычно выражаемый в микровольтах RMS в определенной полосе частот, например, 30 мкВ RMS в диапазоне от 1 до 100 кГц. Этот низкий уровень шума вызывает меньше проблем, чем переходные процессы переключения и гармоники импульсного преобразователя. На рис. 7-1 LDO имеет штырек байпаса (опорного напряжения) для фильтрации шума опорного напряжения с конденсатором относительно земли.Добавление входных, выходных и байпасных конденсаторов, указанных в таблице, обычно приводит к беспроблемному уровню шума.
Среди их эксплуатационных соображений — тип и диапазон приложенного входного напряжения, требуемое выходное напряжение, максимальный ток нагрузки, минимальное падение напряжения, ток покоя, рассеиваемая мощность и ток отключения.
Управление контуром компенсации частоты LDO с включением нагрузочного конденсатора снижает чувствительность к ESR конденсатора (эквивалентное последовательное сопротивление), что обеспечивает стабильный LDO с конденсаторами хорошего качества любого типа.Кроме того, выходной конденсатор должен располагаться как можно ближе к выходному.
Дополнительные функции в некоторых LDO:
• Вход разрешения, позволяющий внешнее управлять включением и выключением LDO.
• Плавный пуск, который ограничивает пусковой ток и контролирует время нарастания выходного напряжения при включении питания.
• Контакт байпаса, который позволяет внешнему конденсатору снижать шум опорного напряжения.
• Выходной сигнал ошибки, указывающий, выходит ли выход из регулирования.
• Тепловое отключение, при котором LDO отключается, если его температура превышает заданное значение.
• Защита от перегрузки по току (OCP), которая ограничивает выходной ток LDO и рассеиваемую мощность.
LT3042
LT3042 от Linear Technology — это линейный стабилизатор с малым падением напряжения (LDO), в котором используется уникальная архитектура для минимизации шумовых эффектов и оптимизации подавления пульсаций источника питания (PSRR).
PSRR описывает, насколько хорошо схема отклоняет пульсации, введенные на ее входе.Пульсации могут быть вызваны либо входным источником питания, например пульсациями питания 50/60 Гц, пульсациями переключения от преобразователя постоянного / постоянного тока, либо пульсациями из-за совместного использования входного питания с другими цепями.
Для LDO PSRR — это функция регулируемой пульсации выходного напряжения по сравнению с пульсацией входного напряжения в заданном частотном диапазоне (обычно от 10 Гц до 1 МГц), выраженная в децибелах (дБ). Это может быть важным фактором, когда LDO питает аналоговые схемы, потому что низкий PSRR может позволить пульсации на выходе влиять на другие схемы.
Выходные конденсаторыс низким ESR и дополнительные конденсаторы обхода опорного напряжения улучшают характеристики PSRR. В аккумуляторных системах должны использоваться LDO, которые поддерживают высокий PSRR при низком напряжении аккумуляторной батареи.
LT3042, показанный на упрощенной схеме на рис. 7-2, представляет собой LDO, который снижает шум и увеличивает PSRR. Вместо опорного напряжения, используемого в большинстве традиционных линейных регуляторов, LT3042 использует опорный ток, который работает с типичным уровнем шумового тока 20 пА / √Гц (6nARMS в полосе пропускания от 10 Гц до 100 кГц).
7-2. LT3042 — это LDO-стабилизатор, в котором используется уникальная архитектура для минимизации шумовых эффектов и оптимизации подавления пульсаций источника питания (PSRR).
Источник тока сопровождается высокопроизводительным буфером напряжения Rail-to-Rail, что позволяет легко подключать его параллельно для дальнейшего снижения шума, увеличения выходного тока и распределения тепла на печатной плате. Параллельное подключение нескольких LT3042 дополнительно снижает уровень шума в √N раз, где N — количество параллельных цепей.
LT3080
LT3080 компанииLinear Technology является уникальным, 1.1A LDO, который можно подключить параллельно для увеличения выходного тока или распределения тепла в платах для поверхностного монтажа (рис. 7-3). Эта ИС выводит коллектор проходного транзистора, чтобы обеспечить работу с малым падением напряжения — до 350 мВ — при использовании с несколькими источниками питания. Функции защиты включают защиту от короткого замыкания и безопасную рабочую зону, а также тепловое отключение.
7-3. LT3080 может программировать выходное напряжение на любой уровень от нуля до 36 В.
Ключевой особенностью LT3080 является возможность обеспечивать широкий диапазон выходного напряжения.Используя опорный ток через единственный резистор, выходное напряжение программируется на любой уровень от нуля до 36 В. Он стабилен с емкостью на выходе 2,2 мкФ и может использовать небольшие керамические конденсаторы, которые не требуют дополнительного ESR, в отличие от других регуляторов.
LT3080 особенно хорошо подходит для приложений, требующих нескольких рельсов. Его архитектура регулируется до нуля с помощью одного резистора, который обслуживает современные низковольтные цифровые ИС, а также обеспечивает простую параллельную работу и управление температурой без радиаторов.Регулировка выхода на «ноль» позволяет отключить схему с питанием, а когда вход предварительно регулируется — например, входной источник 5 В или 3,3 В — внешние резисторы могут помочь распределить тепло.
Прецизионный внутренний источник тока «0» TC 10 мкА подключается к неинвертирующему входу его операционного усилителя мощности, который обеспечивает низкоомный буферизованный выход для напряжения на неинвертирующем входе. Один резистор между неинвертирующим входом и землей устанавливает выходное напряжение; установка этого резистора на ноль дает нулевой выходной сигнал.Любое выходное напряжение может быть получено от нуля до максимального значения, определяемого входным источником питания.
Использование источника истинного тока позволяет регулятору демонстрировать усиление и частотную характеристику независимо от положительного входного импеданса. Старые регулируемые регуляторы изменяют усиление контура в зависимости от выходного напряжения и изменяют полосу пропускания при обходе регулировочного штифта. Для LT3080 коэффициент усиления контура не изменяется при изменении выходного напряжения или обходе. Регулировка выхода не фиксируется в процентах от выходного напряжения, а составляет фиксированную долю милливольт.Использование источника истинного тока позволяет обеспечить стабилизацию всего коэффициента усиления буферного усилителя, и никакое усиление не требуется для повышения опорного напряжения до более высокого выходного напряжения.
ИС может работать в двух режимах. Один из них — это трехконтактный режим, в котором управляющий вывод подключается к входному выводу питания, что ограничивает его падение до 1,35 В. В качестве альтернативы вы можете подключить вывод «control» к более высокому напряжению, а вывод питания IN к более низкому напряжению, что приведет к падению напряжения 350 мВ на выводе IN и минимизации рассеиваемой мощности.Это позволяет источнику питания 1,1 А регулировать от 2,5VIN до 1,8VOUT или от 1,8VIN до 1,2VOUT с низким уровнем рассеивания.
Импульсные ИС
На рис. 7-4 показан упрощенный ШИМ-контроллер, используемый с импульсным преобразователем. Во время работы часть выходного постоянного напряжения возвращается в усилитель ошибки, что заставляет компаратор управлять временем включения и выключения ШИМ. На рис. 7-4 показано, как изменяется ширина импульса ШИМ для разных процентов времени включения и выключения. Чем больше время включения, тем выше выпрямленное выходное напряжение постоянного тока.Регулировка выходного напряжения сохраняется, если выходной сигнал, отфильтрованный силовым полевым МОП-транзистором, имеет тенденцию к изменению, если это происходит, обратная связь регулирует рабочий цикл ШИМ, чтобы поддерживать выходное напряжение на желаемом уровне.
7-4. Контроллер PWM генерирует прямоугольные волны разной ширины в зависимости от обратной связи по выходному напряжению.
Для генерации сигнала ШИМ усилитель ошибки принимает входной сигнал обратной связи и стабильное опорное напряжение для создания выходного сигнала, связанного с разностью двух входов.Компаратор сравнивает выходное напряжение усилителя ошибки с пилообразной характеристикой генератора, создавая модулированную ширину импульса. Выход компаратора применяется к логической схеме переключения, выход которой поступает на выходной драйвер для внешнего силового полевого МОП-транзистора. Логика переключения обеспечивает возможность включения или отключения сигнала ШИМ, подаваемого на силовой полевой МОП-транзистор.
Большинство микросхем ШИМ-контроллеров обеспечивают токоограничивающую защиту путем измерения выходного тока. Если вход считывания тока превышает определенный порог, он завершает текущий цикл (поцикловое ограничение тока).
Схема схемы имеет решающее значение при использовании резистора считывания тока, который должен быть типа с низкой индуктивностью. Расположите конденсатор фильтра считывания тока очень близко к выводу PWM IC и подключите его напрямую. Кроме того, все чувствительные к шуму маломощные заземляющие соединения должны быть соединены вместе рядом с IC GND, а одно соединение должно быть выполнено с заземлением питания (точка заземления сенсорного резистора).
В большинстве микросхем ШИМ-контроллеров частоту генератора задает один внешний резистор или конденсатор.Чтобы установить желаемую частоту генератора, используйте уравнение в таблице данных контроллера для расчета номинала резистора.
Некоторые преобразователи ШИМ включают возможность синхронизации генератора с внешними часами с частотой, которая либо выше, либо ниже частоты внутреннего генератора. Если нет необходимости в синхронизации, подключите вывод синхронизации к GND, чтобы предотвратить шумовые помехи.
Поскольку ИС ШИМ является частью цепи обратной связи, на входе усилителя ошибки должна использоваться схема частотной компенсации для обеспечения стабильности системы.
Типичный преобразователь мощности принимает входной сигнал постоянного тока, преобразует его в частоту переключения, а затем выпрямляет его для получения выходного постоянного тока. Часть его выхода постоянного тока сравнивается с опорным напряжением (V REF ) и управляет ШИМ. Если выходное напряжение имеет тенденцию к увеличению, напряжение, подаваемое обратно в схему ШИМ, снижает ее рабочий цикл, в результате чего ее выходное напряжение уменьшается и поддерживается надлежащее регулируемое напряжение. И наоборот, если выходное напряжение имеет тенденцию к снижению, обратная связь приводит к увеличению рабочего цикла переключателя мощности, поддерживая регулируемый выход при надлежащем напряжении.
Обычно силовой полупроводниковый переключатель включается и выключается с частотой от 100 кГц до 1 МГц, в зависимости от типа ИС. Частота переключения определяет физический размер и стоимость катушек индуктивности, конденсаторов и трансформаторов фильтра. Чем выше частота переключения, тем меньше физический размер и стоимость компонентов. Чтобы оптимизировать эффективность, материал магнитопровода для индуктора и трансформатора должен соответствовать частоте переключения. То есть материал сердечника трансформатора / катушки индуктивности следует выбирать таким образом, чтобы он эффективно работал на частоте переключения.
На рис. 7-5 показана упрощенная схема импульсного регулятора напряжения. Для импульсных преобразователей постоянного и постоянного тока требуется средство для изменения выходного напряжения в ответ на изменения нагрузки. Один из подходов заключается в использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которая управляет входом в соответствующий переключатель питания. Сигнал ШИМ состоит из двух значений: ВКЛ и ВЫКЛ. Фильтр нижних частот, подключенный к выходу переключателя питания, обеспечивает напряжение, пропорциональное времени включения и выключения контроллера ШИМ.
7-5. Импульсный преобразователь использует широтно-импульсный модулятор для управления регулированием
Существует два типа импульсных преобразователей: изолированные и неизолированные, что зависит от наличия прямого пути постоянного тока от входа к выходу. В изолированном преобразователе используется трансформатор, обеспечивающий изоляцию входного и выходного напряжения (рис. 7-6).
7-6. Изолированный импульсный преобразователь использует трансформатор для изоляции.
В неизолированном преобразователе обычно используется индуктор, и между входом и выходом нет развязки по напряжению (рис. 7-7). Для подавляющего большинства приложений подходят неизолированные преобразователи. Однако в некоторых приложениях требуется изоляция между входным и выходным напряжениями. Преимущество преобразователя на основе трансформатора состоит в том, что он может легко создавать несколько выходных напряжений, тогда как преобразователь на основе индуктора обеспечивает только один выход.
7-7.Неизолированный импульсный преобразователь.
Топологии цепей
В преобразователях постоянного тока используются две основные топологии ИС. Если выходное напряжение ниже входного напряжения, ИС называется понижающим преобразователем. Если выходное напряжение выше входного напряжения, ИС называется повышающим преобразователем.
В своей базовой схеме (рис. 7-8) понижающий стабилизатор принимает входной сигнал постоянного тока, преобразует его в частоту переключения ШИМ (широтно-импульсного модулятора), которая управляет выходом силового полевого МОП-транзистора (Q1).Внешний выпрямитель, катушка индуктивности и выходной конденсатор создают регулируемый выход постоянного тока. ИС регулятора сравнивает часть выпрямленного выходного напряжения постоянного тока с опорным напряжением (V REF ) и изменяет рабочий цикл ШИМ для поддержания постоянного выходного напряжения постоянного тока. Если выходное напряжение имеет тенденцию к увеличению, ШИМ уменьшает свой рабочий цикл, вызывая уменьшение выходного сигнала и поддержание регулируемого выходного сигнала при надлежащем напряжении. И наоборот, если выходное напряжение имеет тенденцию к снижению, обратная связь заставляет рабочий цикл ШИМ увеличиваться и поддерживать регулируемый выход.
7.8. Базовый понижающий преобразователь; индуктор всегда «противостоит» входному напряжению.
Топология понижающего или понижающего регулятора имеет преимущества простоты и низкой стоимости. Однако он имеет ограниченный диапазон мощности, и его прямой путь постоянного тока от входа к выходу может создать проблему, если есть закороченный переключатель питания.
LT8602
LT8602 от Linear Technology представляет собой монолитный понижающий импульсный стабилизатор постоянной частоты, работающий по току, с четырьмя выходными каналами (рис.7-9). Два канала — это каналы высокого напряжения с входом от 3 до 42 В, а два других — каналы низкого напряжения с входом от 2,6 до 5,5 В.
7-9. Четырехканальный понижающий преобразователь LT8602 имеет два канала высокого напряжения с входом от 3 до 42 В, а два других — каналы низкого напряжения с входом от 2,6 до 5,5 В.
В ИС используется один генератор, который генерирует два тактовых сигнала (CLK) на 180 градусов. не в фазе. Каналы 1 и 3 работают с CLK1, а каналы 2 и 4 работают с CLK2.Понижающий стабилизатор потребляет входной ток только во время верхнего цикла включения, поэтому многофазный режим снижает пиковый входной ток и удваивает частоту входного тока. Это снижает как пульсации входного тока, так и требуемую входную емкость.
Каждый канал высокого напряжения (HV) представляет собой синхронный понижающий стабилизатор, который работает от своего собственного вывода PVIN. Внутренний полевой МОП-транзистор с максимальной мощностью включается в начале каждого цикла генератора и выключается, когда ток, протекающий через верхний МОП-транзистор, достигает уровня, определяемого его усилителем ошибки.Усилитель ошибки измеряет выходное напряжение через внешний резистивный делитель, подключенный к выводу FB, для управления пиковым током в верхнем переключателе.
Пока верхний полевой МОП-транзистор выключен, нижний полевой МОП-транзистор включен на оставшуюся часть цикла генератора или до тех пор, пока ток в катушке индуктивности не начнет реверсировать. Если в результате перегрузки через нижний переключатель проходит ток более 2 А (канал 1) или 3,3 А (канал 2), следующий тактовый цикл будет отложен до тех пор, пока ток переключения не вернется к более низкому безопасному уровню.
Высоковольтные каналы имеют входы Track / Soft-Start (TRKSS1, TRKSS2). Когда на этом выводе ниже 1 В, преобразователь регулирует вывод FB на напряжение TRKSS вместо внутреннего опорного напряжения. На выводе TRKSS имеется подтягивающий ток 2,4 мкА. Вывод TRKSS также может использоваться, чтобы позволить выходу отслеживать другой регулятор, либо другой канал высокого напряжения, либо внешний регулятор.
Как показано на упрощенной схеме индуктивно-повышающего преобразователя постоянного тока (рис. 7-10), включение силового полевого МОП-транзистора вызывает нарастание тока через катушку индуктивности.При выключении силового МОП-транзистора ток через диод направляется к выходному конденсатору. Несколько циклов переключения создают напряжение выходного конденсатора из-за заряда, который он накапливает от тока катушки индуктивности. В результате выходное напряжение выше входного.
7-10. Базовый неизолированный импульсный индуктивно-повышающий преобразователь постоянного тока.
LTC3124
Типичная прикладная схема LTC3124 компании Linear Technology, показанная на рис. 7-11, использует внешний резистивный делитель напряжения от VOUT до FB и до SGND для программирования выхода из 2.От 5 до 15 В. При настройке на выход 12 В он может непрерывно выдавать до 1,5 А от входа 5 В. Ограничение по току 2,5 А на фазу, а также возможность программирования выходного напряжения до 15 В делают его пригодным для различных приложений.
7-11. В прикладной схеме LTC3124 используется внешний резистивный делитель напряжения от VOUT до FB и до SGND для программирования выхода от 2,5 до 15 В.
Использование двух фаз, расположенных на равном расстоянии 180 град. кроме того, удваивает частоту пульсаций на выходе и значительно снижает ток пульсаций выходного конденсатора.Хотя для этой архитектуры требуются две катушки индуктивности, а не одна, она имеет несколько важных преимуществ:
• Значительно более низкий пиковый ток индуктивности позволяет использовать индукторы меньшего размера и по более низкой цене.
• Значительно сниженный выходной ток пульсации сводит к минимуму требования к выходной емкости.
• Более высокочастотные пульсации на выходе легче фильтровать для приложений с низким уровнем шума.
• Входной ток пульсации также снижен для снижения шума на VIN.
При двухфазном режиме работы одна фаза всегда подает ток на нагрузку, если VIN больше половины VOUT (для рабочих циклов менее 50%).По мере дальнейшего уменьшения рабочего цикла, ток нагрузки между двумя фазами начинает перекрываться, происходя одновременно для растущей части каждой фазы по мере того, как рабочий цикл приближается к нулю. По сравнению с однофазным преобразователем, это значительно снижает как выходной ток пульсации, так и пиковый ток в каждой катушке индуктивности.
LTC3124 обеспечивает преимущество для систем с батарейным питанием, он может запускаться от входов с низким напряжением 1,8 В и продолжать работать от входов с низким напряжением 0.5 В, при этом выходное напряжение превышает 2,5 В. Это увеличивает время работы за счет максимального увеличения количества энергии, извлекаемой из входного источника. Ограничивающими факторами для применения являются способность источника питания обеспечивать достаточную мощность на выходе при низком входном напряжении и максимальный рабочий цикл, который ограничен 94%. При низких входных напряжениях небольшие падения напряжения из-за последовательного сопротивления становятся критическими и ограничивают подачу мощности преобразователем.
Даже если входное напряжение превышает выходное напряжение, ИС будет регулировать выход, обеспечивая совместимость с любым типом батарей.LTC3124 — идеальное решение для повышающих приложений, требующих выходного напряжения до 15 В, где определяющими факторами являются высокая эффективность, небольшие размеры и высокая надежность.
LTC3110
LTC3110 от Linear Technology представляет собой комбинацию понижающе-повышающего регулятора / зарядного устройства постоянного / постоянного тока на 2 А с выбираемыми контактами режимами работы для зарядки и резервного питания системы (рис. 7-12). Это двунаправленное, программируемое зарядное устройство суперконденсатора с понижающим и повышающим входным током обеспечивает активную балансировку заряда для суперконденсаторов 1-й или 2-й серии.Его запатентованная топология понижающего-повышающего шума с низким уровнем шума выполняет работу двух отдельных импульсных регуляторов, экономя размер, стоимость и сложность.
7-12. LTC3110 представляет собой комбинацию понижающе-повышающего регулятора / зарядного устройства постоянного / постоянного тока на 2 А с выбираемыми контактами режимами работы для зарядки и резервного питания системы.
Двунаправленный относится к потоку постоянного тока, связанному с VSYS, выводом источника питания для резервного выходного напряжения системы и входного напряжения зарядного тока. В одном направлении LTC3110 работает как понижающий-повышающий стабилизатор, снимая ток с суперконденсатора и обеспечивая регулируемое напряжение на нагрузке на выводе VSYS.В другом направлении знак тока меняется на противоположный, и точно ограниченный ток течет от системной шины обратно, чтобы зарядить суперконденсатор. Если VSYS падает из-за потери мощности, он может автономно переключать направление для стабилизации напряжения системы, подавая ток от суперконденсатора в VSYS.
Диапазон напряжения конденсатора / батареи от 0,1 В до 5,5 В LTC3110 и диапазона резервного напряжения системы от 1,8 В до 5,25 В делает его хорошо подходящим для широкого спектра приложений резервного копирования с использованием суперконденсаторов или батарей, например:
• Он объединяет все функции, необходимые для использования преимуществ суперконденсаторов, зарядки, балансировки и резервного копирования.
• Ограничение входного тока с точностью ± 2% исключает использование внешних компонентов, снижает IQ и позволяет использовать все возможности источника питания без превышения пределов безопасности.
• Распределение входной мощности позволяет LTC3110 и другим преобразователям постоянного / постоянного тока или нагрузкам использовать один и тот же источник питания с минимальным снижением номинальных характеристик / запасом.
• Активный балансир синхронно распределяет заряд между конденсаторами, устраняя внешние балластные резисторы и их потери мощности, что приводит к меньшему количеству циклов перезарядки и более быстрой зарядке.
• Он может автономно переходить из режима зарядки в резервный или переключать режимы по внешней команде.
На рис. 7-13 ШИМ-регулятор включает и выключает полевой МОП-транзистор. Без обратной связи рабочий цикл ШИМ определяет выходное напряжение, которое в два раза превышает входное для рабочего цикла 50%. Увеличение напряжения в два раза приводит к тому, что входной ток в два раза превышает выходной ток. В реальной схеме с потерями входной ток немного выше.
7-13.Базовый прямой преобразователь может работать как повышающий или понижающий преобразователь. Теоретически он должен использовать «идеальный» трансформатор без потоков утечки, нулевого тока намагничивания и потерь.
Его преимущества — простота, низкая стоимость и возможность увеличения мощности без использования трансформатора. Недостатками являются ограниченный диапазон мощности и относительно высокая пульсация на выходе из-за нерабочего времени, исходящего от выходного конденсатора.
Выбор индуктора является важной частью этой схемы повышения, поскольку значение индуктивности влияет на входные и выходные пульсации напряжения и токи.Индуктор с низким последовательным сопротивлением обеспечивает оптимальную эффективность преобразования мощности. Выберите номинальный ток насыщения катушки индуктивности так, чтобы он был выше установившегося пикового тока катушки индуктивности в приложении.
Для обеспечения стабильности для рабочих циклов выше 50% для индуктора требуется минимальное значение, определяемое минимальным входным напряжением и максимальным выходным напряжением. Это зависит от частоты переключения, рабочего цикла и сопротивления открытого МОП-транзистора.
Топология прямого преобразователя (рис.7-13) представляет собой изолированную версию понижающего преобразователя. Использование трансформатора позволяет прямому преобразователю быть либо повышающим, либо понижающим преобразователем, хотя наиболее распространенным применением является понижающий преобразователь. Основными преимуществами прямой топологии являются ее простота и гибкость.
Другая топология с трансформаторной изоляцией, упрощенный обратноходовой преобразователь (рис. 7-14), работает в режиме непрямого преобразования. Топология Flyback — одно из наиболее распространенных и экономичных средств для генерирования умеренного уровня изолированного питания в преобразователях переменного тока в постоянный.Он обладает большей гибкостью, поскольку может легко генерировать несколько выходных напряжений путем добавления дополнительных вторичных обмоток трансформатора. Недостатком является то, что регулирование и пульсации на выходе не так жестко контролируются, как в некоторых других топологиях, и нагрузки на выключатель питания выше.
7-14. Трансформатор базового обратноходового преобразователя обычно имеет воздушный зазор, позволяющий накапливать энергию во время работы и передавать энергию диоду во время простоя.
LT3798
LT3798 компанииLinear Technology представляет собой изолированный контроллер обратного хода с одноступенчатой активной коррекцией коэффициента мощности (PFC). Эффективность более 86% может быть достигнута при уровне выходной мощности до 100 Вт. В зависимости от выбора внешних компонентов, он может работать в диапазоне входных напряжений от 90 до 277 В переменного тока и может легко увеличиваться или уменьшаться. Кроме того, LT3798 может использоваться в приложениях с высоким входным напряжением постоянного тока, что делает его пригодным для использования в промышленности, электромобилях и сверхвысоких напряжениях, в горнодобывающей промышленности и медицине.
На рис. 7-15 показано типичное применение LT3798. Эта ИС представляет собой контроллер переключения режима тока, специально предназначенный для создания источника постоянного тока / постоянного напряжения с изолированной топологией обратного хода. Для поддержания регулирования в этой топологии обычно используется обратная связь по выходному напряжению и току от изолированной вторичной обмотки выходного трансформатора до VIN. Обычно для этого требуется оптоизолятор. Вместо этого LT3798 использует пиковый ток внешнего полевого МОП-транзистора, полученный из считывающего резистора, для определения выходного тока обратноходового преобразователя, не требуя оптопары.
7-15. Контроллер обратного хода LT3798 с одноступенчатой активной коррекцией коэффициента мощности (PFC).
Как показано на рис. 7-15, выходной трансформатор имеет три обмотки, включая выходную. Сток внешнего полевого МОП-транзистора подключается к одной из первичных обмоток. Третья обмотка трансформатора определяет выходное напряжение, а также подает питание для установившегося режима работы. Вывод VIN подает питание на внутренний LDO, который генерирует 10 В на выводе INTVCC. Схема внутреннего управления состоит из двух усилителей ошибок, схемы минимума, умножителя, передаточного затвора, компаратора тока, генератора низкого выходного тока и главной защелки.Кроме того, схема выборки и хранения контролирует выходное напряжение третьей обмотки. Компаратор обнаруживает режим прерывистой проводимости (DCM) с конденсатором и последовательным резистором, подключенными к третьей обмотке.
Во время типичного цикла драйвер затвора включает внешний полевой МОП-транзистор, так что ток течет в первичной обмотке. Этот ток увеличивается со скоростью, пропорциональной входному напряжению и обратно пропорциональной индуктивности намагничивания трансформатора. Контур управления определяет максимальный ток, и компаратор выключает переключатель, когда он достигает этого тока.Когда переключатель выключается, энергия трансформатора вытекает из вторичной обмотки через выходной диод D1. Этот ток уменьшается со скоростью, пропорциональной выходному напряжению. Когда ток уменьшается до нуля, выходной диод отключается, и напряжение на вторичной обмотке начинает колебаться в зависимости от паразитной емкости и намагничивающей индуктивности трансформатора.
Напряжение на всех обмотках одинаковое, поэтому и третья обмотка звонит. Конденсатор, подключенный к выводу DCM, отключает компаратор, который служит детектором du / dt при возникновении звонка.Эта временная информация используется для расчета выходного тока. Детектор du / dt ожидает, пока сигнал вызывного сигнала достигнет своего минимального значения, а затем включается переключатель. Такое переключение аналогично переключению при нулевом напряжении и сводит к минимуму потери энергии при включении переключателя, повышая эффективность до 5%. Эта ИС работает на границе непрерывного и прерывистого режимов проводимости, что называется критическим режимом проводимости (или граничным режимом проводимости). Работа в режиме критической проводимости позволяет использовать трансформатор меньшего размера, чем конструкции, работающие в режиме постоянной проводимости.
SEPIC
Несимметричный преобразователь первичной индуктивности (SEPIC) представляет собой топологию преобразователя постоянного / постоянного тока, который обеспечивает положительное регулируемое выходное напряжение от входного напряжения, которое изменяется сверху вниз от выходного напряжения. В упрощенном преобразователе SEPIC, показанном на рис. 7-16, используются две катушки индуктивности, L1 и L2, которые могут быть намотаны на один и тот же сердечник, поскольку в течение всего цикла переключения к ним прикладываются одинаковые напряжения. Использование спаренного дросселя занимает меньше места на ПК. плата и, как правило, дешевле, чем два отдельных индуктора.Конденсатор C4 изолирует вход от выхода и обеспечивает защиту от короткого замыкания нагрузки.
7-16. Две катушки индуктивности в базовом преобразователе SEPIC могут быть намотаны на один и тот же сердечник, поскольку в течение всего цикла переключения к ним прикладываются одинаковые напряжения.
Микросхема регулирует выход с помощью ШИМ-управления в текущем режиме, которое включает силовой полевой МОП-транзистор Q1 в начале каждого цикла переключения. Входное напряжение подается на катушку индуктивности и сохраняет энергию по мере нарастания тока в катушке индуктивности.Во время этой части цикла переключения ток нагрузки обеспечивается выходным конденсатором. Когда ток катушки индуктивности повышается до порога, установленного выходом усилителя ошибки, выключатель питания выключается, и внешний диод Шоттки смещается в прямом направлении. Катушка индуктивности передает накопленную энергию для пополнения выходного конденсатора и подачи тока нагрузки. Эта операция повторяется в каждом цикле переключения. Рабочий цикл преобразователя определяется компаратором управления ШИМ, который сравнивает выходной сигнал усилителя ошибки и текущий сигнал.
Сигнал пилообразного изменения от генератора добавляется к пилообразному изменению тока. Эта компенсация наклона предназначена для предотвращения субгармонических колебаний, которые присущи управлению режимом тока при скважности выше 50%. Контур обратной связи регулирует вывод FB до опорного напряжения через усилитель ошибки. Выход усилителя ошибки подключен к выводу COMP. К выводу COMP подключена внешняя RC-компенсационная цепь для оптимизации контура обратной связи для обеспечения стабильности и переходной характеристики.
TPS61170
TPS61170 — это монолитный высоковольтный импульсный стабилизатор от Texas Instruments со встроенным силовым полевым МОП-транзистором 1,2 А, 40 В. Устройство может быть сконфигурировано в нескольких стандартных топологиях регулятора, включая повышающий и SEPIC. Рисунок 7-17 показывает конфигурацию SEPIC. Устройство имеет широкий диапазон входного напряжения для поддержки приложений с входным напряжением от батарей или регулируемых шин питания 5 В, 12 В.
7-17. TPS61170 сконфигурирован как преобразователь SEPIC.
В ИС встроен полевой транзистор нижнего уровня на 40 В для обеспечения выходного напряжения до 38 В. Устройство регулирует выход с помощью токового режима управления ШИМ (широтно-импульсной модуляцией). Частота переключения ШИМ составляет 1,2 МГц (типовая). Схема управления ШИМ включает переключатель в начале каждого цикла переключения. Входное напряжение подается на катушку индуктивности и сохраняет энергию по мере нарастания тока в катушке индуктивности. Во время этой части цикла переключения ток нагрузки обеспечивается выходным конденсатором.Когда ток катушки индуктивности повышается до порога, установленного выходом усилителя ошибки, выключатель питания выключается, и внешний диод Шоттки смещается в прямом направлении. Катушка индуктивности передает накопленную энергию для пополнения выходного конденсатора и подачи тока нагрузки. Эта операция повторяет каждый цикл переключения. Как показано на блок-схеме, рабочий цикл преобразователя определяется компаратором управления ШИМ, который сравнивает выходной сигнал усилителя ошибки и текущий сигнал.
TPS61170 работает на 1.Частота коммутации 2 МГц, что позволяет использовать низкопрофильные катушки индуктивности и недорогие керамические входные и выходные конденсаторы. Он имеет встроенную защиту, включая ограничение по току, плавный пуск и тепловое отключение.
Гистерезисный преобразователь
Базовый гистерезисный регулятор, показанный на рис. 7-18, представляет собой тип импульсного регулятора, в котором не используется ШИМ. Он состоит из компаратора с входным гистерезисом, который сравнивает выходное напряжение обратной связи с опорным напряжением. Когда напряжение обратной связи превышает опорное напряжение, выходной сигнал компаратора становится низким, отключая понижающий переключатель MOSFET.Переключатель остается выключенным до тех пор, пока напряжение обратной связи не упадет ниже опорного напряжения гистерезиса. Затем выход компаратора становится высоким, включается переключатель и позволяет выходному напряжению снова расти.
7-18. Базовый гистерезисный регулятор представляет собой самый быстрый способ управления преобразователем постоянного тока.
Базовый гистерезисный преобразователь состоит из компаратора ошибок, управляющей логики и внутреннего задания. Выход обычно управляет синхронным выпрямителем, который может быть внутренним или внешним.Часть выходного напряжения возвращается в компаратор ошибок, который сравнивает его с опорным напряжением. Если выходное напряжение стремится к низкому уровню относительно опорного напряжения, выходной конденсатор заряжается до тех пор, пока не достигнет равновесия с опорным напряжением. Затем компаратор включает синхронный выпрямитель. Когда синхронный выпрямитель включен, выходное напряжение падает достаточно низко, чтобы преодолеть гистерезис компаратора, и в это время синхронный выпрямитель отключается, начиная новый цикл.
В гистерезисном регуляторе нет усилителя ошибки напряжения, поэтому его реакция на любое изменение тока нагрузки или входного напряжения практически мгновенно. Следовательно, гистерезисный регулятор представляет собой самый быстрый способ управления преобразователем постоянного тока. Недостатком обычного гистерезисного регулятора является то, что его частота изменяется пропорционально ESR выходного конденсатора. Поскольку начальное значение часто плохо контролируется, а ESR электролитических конденсаторов также изменяется с температурой и возрастом, практические изменения ESR могут легко привести к изменениям частоты в диапазоне от одного до трех.Однако существует модификация гистерезисной топологии, которая устраняет зависимость рабочей частоты от ESR.
LM3475
LM3475 — это понижающий (понижающий) контроллер постоянного / переменного тока, в котором используется гистерезисная архитектура управления, которая обеспечивает регулирование с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) (рис. 7-19). Схема гистерезисного управления не использует внутренний генератор. Частота переключения зависит от внешних компонентов и условий эксплуатации. Рабочая частота снижается при малых нагрузках, что обеспечивает превосходную эффективность по сравнению с архитектурами с ШИМ.Поскольку переключение напрямую контролируется выходными условиями, гистерезисное управление обеспечивает исключительную переходную характеристику нагрузки.
7-19. LM3475 — это понижающий (понижающий) контроллер постоянного и переменного тока, использующий гистерезисную архитектуру управления, которая обеспечивает регулирование с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ).
LM3475 использует контур управления напряжением на основе компаратора. Напряжение на выводе обратной связи сравнивается с опорным напряжением 0,8 В с гистерезисом 21 мВ. Когда входное напряжение FB компаратора падает ниже опорного напряжения, выход компаратора становится низким.Это приводит к тому, что выходной сигнал драйвера PGATE переводит затвор PFET в низкий уровень и включает PFET.
Когда PFET включен, входной источник питания заряжает COUT и подает ток на нагрузку через PFET и катушку индуктивности. Ток через катушку индуктивности линейно нарастает, а выходное напряжение увеличивается. Когда напряжение FB достигает верхнего порога (опорное напряжение плюс гистерезис), выход компаратора становится высоким, и PGATE выключает PFET. Когда PFET выключается, загорается диод, и ток через катушку индуктивности падает.Когда выходное напряжение падает ниже опорного напряжения, цикл повторяется.
Конвертер Cuk
Преобразователь Cuk — это преобразователь постоянного тока, величина выходного напряжения которого может быть больше или меньше входного напряжения. По сути, это повышающий преобразователь, за которым следует понижающий преобразователь с конденсатором для передачи энергии. Это инвертирующий преобразователь, поэтому выходное напряжение отрицательно по отношению к входному. Неизолированный преобразователь Cuk может иметь только противоположную полярность между входом и выходом.Он использует конденсатор в качестве основного элемента накопления энергии, в отличие от большинства других типов преобразователей, в которых используется катушка индуктивности.
Как и другие преобразователи (понижающий преобразователь, повышающий преобразователь, понижающий-повышающий преобразователь), преобразователь Cuk может работать в режиме непрерывного или прерывистого тока. Однако, в отличие от этих преобразователей, он также может работать в режиме прерывистого напряжения (напряжение на конденсаторе падает до нуля во время цикла коммутации).
LM2611 от Texas Instruments представляет собой преобразователь Cuk, который состоит из контроллера режима тока со встроенным первичным переключателем и встроенной схемой измерения тока (рис.7-20). Обратная связь подключена к усилителю внутренней ошибки и использует внутреннюю компенсацию типа II / III. Генератор рампы обеспечивает некоторую компенсацию наклона системе. Вывод SHDN — это логический вход, предназначенный для отключения преобразователя.
7-20. LM2611 сконфигурирован как преобразователь Cuk
Импульсный ШИМ-стабилизатор с фиксированной частотойА, LM2611 имеет опорное напряжение -1,23 В, что делает его идеальным для использования в преобразователе Cuk. Преобразователь Cuk инвертирует вход и может повышать или понижать абсолютное значение.Используя катушки индуктивности как на входе, так и на выходе, преобразователь Cuk производит очень небольшие колебания входного и выходного тока. Это значительное преимущество по сравнению с другими инвертирующими топологиями, такими как повышенно-понижающий и обратный.
Многофазный преобразователь
По мере увеличения требований к току возрастает и необходимость увеличения количества фаз в преобразователе. Однофазные понижающие контроллеры подходят для низковольтных устройств с токами до 25 А, однако рассеивание мощности и эффективность являются проблемой при более высоких токах.Одним из подходов к более высоким токовым нагрузкам является многофазный понижающий контроллер. Их производительность делает их идеальными для питания персональной электроники, портативных промышленных устройств, твердотельных накопителей, приложений с малыми ячейками, ПЛИС и микропроцессоров.
Двухфазная схема, показанная на рис. 7-21, имеет чередование фаз, что снижает токи пульсаций на входе и выходе. Это также уменьшает количество горячих точек на печатной плате или отдельном компоненте. Двухфазный понижающий преобразователь вдвое снижает рассеиваемую мощность тока RMS в полевых МОП-транзисторах и катушках индуктивности.Перемежение также снижает переходные потери.
7-21. Базовый многофазный преобразователь имеет две чередующиеся фазы, что снижает токи пульсаций на входе и выходе.
Многофазные элементы работают на общей частоте, но сдвинуты по фазе, так что переключение преобразования происходит через равные промежутки времени, контролируемые общей микросхемой управления. Микросхема управления смещает время переключения каждого преобразователя таким образом, чтобы фазовый угол между переключениями преобразователя составлял 360 градусов./ n, где n — количество фаз преобразователя. Выходы преобразователей параллельны, так что эффективная частота пульсаций на выходе равна n × f, где f — рабочая частота каждого преобразователя. Это обеспечивает лучшие динамические характеристики и значительно меньшую развязывающую емкость по сравнению с однофазной системой.
Разделение тока между многофазными ячейками необходимо, чтобы не потреблять слишком много тока. В идеале каждая многофазная ячейка должна потреблять одинаковое количество тока.Чтобы добиться равного распределения тока, необходимо контролировать и контролировать выходной ток для каждой ячейки.
Многофазный подход также предлагает преимущества упаковки. Каждый преобразователь выдает 1 / n от общей выходной мощности, уменьшая физический размер и величину магнитных полей, используемых в каждой фазе. Кроме того, силовые полупроводники в каждой фазе должны обрабатывать только 1 / n общей мощности. Это распределяет внутреннее рассеивание мощности между несколькими силовыми устройствами, устраняя концентрированные источники тепла и, возможно, необходимость в радиаторе.Несмотря на то, что здесь используется больше компонентов, компромисс по стоимости может быть благоприятным.
Многофазные преобразователиимеют важные преимущества:
• Пониженный среднеквадратичный ток конденсатора входного фильтра, позволяет использовать меньшие и менее дорогие типы
• Распределенный отвод тепла, снижает температуру горячих точек, повышая надежность
• Повышенная общая мощность
• Повышенная эквивалентная частота без увеличения коммутационных потерь, что позволяет использовать меньшие эквивалентные индуктивности, сокращающие переходное время нагрузки.
• Пониженный ток пульсаций в выходном конденсаторе снижает пульсации напряжения на выходе и позволяет использовать меньшие и менее дорогие выходные конденсаторы
• Превосходная реакция на переходные процессы при нагрузке во всем диапазоне нагрузок
Многофазные преобразователитакже имеют некоторые недостатки, которые следует учитывать при выборе количества фаз, например:
• Необходимость в большем количестве переключателей и выходных катушек индуктивности, чем в однофазной конструкции, что приводит к более высокой стоимости системы, чем однофазное решение, по крайней мере, ниже определенного уровня мощности
• Более сложный контроль
• Возможность неравномерного распределения тока между фазами
• Добавлена сложность топологии схемы
Синхронное выпрямление
КПД — важный критерий при проектировании преобразователей постоянного тока, что означает, что потери мощности должны быть минимизированы.Эти потери вызваны переключателем мощности, магнитными элементами и выходным выпрямителем. Для уменьшения потерь в переключателе мощности и магнитных потерь требуются компоненты, которые могут эффективно работать на высоких частотах переключения. В выходных выпрямителях могут использоваться диоды Шоттки, но синхронное выпрямление (рис. 7-22), состоящее из силовых полевых МОП-транзисторов, может обеспечить более высокий КПД.
7-22. Синхронный выпрямитель более эффективен, чем диодный выпрямитель.
Полевые МОП-транзисторыимеют более низкие потери прямой проводимости, чем диоды Шоттки.В отличие от обычных самокоммутирующихся диодов, полевые МОП-транзисторы включаются и выключаются с помощью управляющего сигнала затвора, синхронизированного с работой преобразователя. Основным недостатком синхронного выпрямления является дополнительная сложность и стоимость, связанные с устройствами MOSFET и соответствующей управляющей электроникой. Однако при низких выходных напряжениях результирующее повышение эффективности более чем компенсирует недостаток стоимости во многих приложениях.
Компенсация регулятора напряжения
Импульсные источники питанияиспользуют отрицательную обратную связь для регулирования своей выходной мощности до желаемого значения.Оптимальная система управления SMPS, использующая отрицательную обратную связь, должна обеспечивать скорость, точность и отклик без колебаний. Один из способов добиться этого — ограничить частотный диапазон, в котором реагирует SMPS. Чтобы быть стабильным, частотный диапазон или полоса пропускания должны соответствовать частоте, на которой тракт передачи с обратной связью от входа к выходу падает на 3 дБ (так называемая частота кроссовера). Обязательно ограничивайте полосу пропускания до того, что на самом деле требуется вашему приложению. Принятие слишком широкой полосы пропускания влияет на помехозащищенность системы, а слишком низкая пропускная способность приводит к плохой переходной характеристике.Вы можете ограничить полосу пропускания системы управления SMPS, сформировав ее кривую усиления контура (V OUT / V IN ) с помощью блока компенсатора G (s), показанного на рис. 7-23. Этот блок гарантирует, что после определенной частоты амплитуда усиления контура упадет и опустится ниже 1 или 0 дБ.
7-23. Типичная модель импульсного источника питания с отрицательной обратной связью использует блок компенсации G (s) и H (s), коэффициент усиления разомкнутого контура. VIN (s) — это вход, а VOUT (s) — это выход.
Кроме того, для получения отклика, сходящегося к стабильному состоянию, нам необходимо убедиться, что фаза, при которой величина усиления контура равна 1, меньше -180 градусов. Чтобы убедиться, что мы держимся подальше от -180 град. на частоте кроссовера компенсатор G (s) должен адаптировать отклик контура на выбранной частоте кроссовера для создания необходимого запаса по фазе. Соответствующий запас по фазе гарантирует, что, несмотря на внешние возмущения или неизбежные спреды добычи, изменения в усилении контура не поставят под угрозу стабильность системы.Запас по фазе также влияет на переходную характеристику системы. Следовательно, компенсатор G (s) должен обеспечивать желаемые характеристики усиления и фазы.
Используя анализатор цепей, вы можете определить запасы устойчивости, измерив усиление и фазу контура управления, а затем наблюдать полученный график Боде (рис. 7-24), который представляет собой график зависимости усиления и фазы от частоты источника питания. . 60 град. запас по фазе предпочтителен, но 45 град. обычно приемлемо. Обычно приемлемым считается запас усиления –10 дБ.Коэффициент усиления и запас по фазе важны, потому что фактические значения компонентов могут изменяться в зависимости от температуры. Таким образом, значения компонентов могут отличаться от блока к блоку при производстве, в результате чего коэффициент усиления по напряжению и фаза контура управления изменяются соответствующим образом. Кроме того, значения компонентов могут изменяться со временем и вызывать нестабильность.
7-24. Типичный график Боде для импульсного стабилизатора напряжения IC показывает частоту кроссовера, усиление и запас по фазе.
Если значения компонентов приводят к обнулению фазы на частоте кроссовера, регулятор становится нестабильным и колеблется.Целью компенсации является обеспечение наилучшего запаса по усилению и фазе при максимально возможной частоте кроссовера. Высокая частота кроссовера обеспечивает быструю реакцию на изменения тока нагрузки, тогда как высокое усиление на низких частотах обеспечивает быстрое установление выходного напряжения. Значения компонентов и вариации V OUT / V IN могут привести к компромиссу между высокой частотой кроссовера и высоким запасом устойчивости.
7-25. LM21305 — это ИС импульсного регулятора, в котором используется один узел компенсации, для которого требуются компоненты компенсации RC и CC1, подключенные между контактом COMP и AGND.
Определение компенсации для источника питания не всегда легко, потому что оценка графика Боде невозможна, когда нет доступа к петле обратной связи к детали. В других случаях доступ к контуру обратной связи затруднен, потому что аппаратное обеспечение интегрировано или потребуется вырезать дорожку на печатной плате. В других случаях устройства либо содержат несколько контуров управления, и только один из них доступен, либо порядок контура управления выше второго порядка, и в этом случае график Боде является плохим предиктором относительной стабильности.Еще одна сложность заключается в том, что во многих портативных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны и планшеты, схемы очень малы и густо заполнены, что практически не мешает доступу к элементам контура управления.
В вышеуказанных случаях единственный способ проверить стабильность — это оценка неинвазивного запаса стабильности (NISM). Он получен на основе легко доступных измерений выходного импеданса. Математическое соотношение, которое позволяет точно определять стабильность контура управления по данным выходного импеданса, было разработано Picotest и включено в программное обеспечение OMICRON Lab Bode 100 Vector Network Analyzer (VNA).На рис. 7-26 показана испытательная установка для этого измерения.
7-26. Недоступные измерения выходного импеданса (Пикотест).
Один из первых методов компенсации предусматривал использование регулятора напряжения с внешними узлами, чтобы разработчик мог вставлять компоненты компенсации. Определение значений компонентов компенсации включало анализ ИС регулятора и его внешних компонентов. После определения необходимой компенсации разработчик смоделировал или измерил схему регулятора с установленными компенсационными компонентами.Для получения желаемых результатов этот процесс обычно требовал нескольких итераций.
Для правильного внедрения компенсационной сети требуются инженеры со специальными инструментами, навыками и опытом. Если схема была смоделирована и не измерена, разработчик должен был в конечном итоге вставить фактические компоненты компенсации для измерения характеристик источника питания. Моделирование было настолько хорошо, насколько хорошо дизайнер знал компоненты и паразиты. Модель могла быть неполной или отличаться от реальной схемы, поэтому компенсацию необходимо было проверить путем измерения реальной схемы.Неизменно требовалась доработка из-за возможных ошибок, связанных с заменой компонентов. Ремонтные работы также могут изменить характеристики источника питания и повредить цепи, питаемые от регулятора.
Некоторые поставщики ИС регуляторов включали компоненты внутренней компенсации, поэтому конструкция не нуждалась в дальнейшем анализе. Однако разработчику пришлось использовать внешние компоненты, указанные производителем.
Одиночный компенсационный узел был следующим этапом в этой эволюции. Примером этого является ИС импульсного регулятора LM21305 компании Texas Instruments, показанная на рис.7-25. LM21305 обычно требует только одного резистора и конденсатора для компенсации. Однако иногда требовался дополнительный конденсатор.
Автоматическая компенсация
Для устранения проблем, связанных с ручным определением компенсации источника питания, две компании разработали технологию автоматической компенсации. В результате были разработаны ИС регулятора смешанных сигналов, использующие автоматическую компенсацию. Это избавило проектировщика от необходимости в специальных инструментах, знаниях или опыте для оптимизации производительности.Автоматическая компенсация устанавливает выходные характеристики таким образом, чтобы изменения из-за допусков компонентов, старения, температуры, входного напряжения и других факторов не влияли на производительность.
Семейство цифровых источников питанияCUI NDM2Z (рис. 7-27) включает автоматическую компенсацию с использованием ИС регулятора Intersil / Zilker ZL8101M. Автоматическая компенсация обходит традиционную практику создания маржи для учета вариаций компонентов, что может привести к более высоким затратам на компоненты и более длительным циклам проектирования.
7-27. В семействе источников питания CUI NDM2Z используется автоматическая компенсация, которая позволяет динамически устанавливать оптимальную стабильность и переходную характеристику.
Источники питания NDM2Z на 50 А обеспечивают КПД 91% при входном напряжении 12 В постоянного тока и выходном напряжении 1,0 В постоянного тока при нагрузке 50%. Все эти источники питания имеют входной диапазон от 4,5 до 14 В постоянного тока и программируемый выход от 0,6 до 5,0 В постоянного тока в версии 12 А и от 0,6 до 3,3 В постоянного тока в версиях на 25 и 50 А.
Функции модулявключают активное разделение тока, последовательность напряжения, отслеживание напряжения, синхронизацию и распределение фазы, программируемый плавный пуск и останов, а также множество возможностей мониторинга.Простой и легкий в использовании графический интерфейс пользователя CUI помогает в этих проектах.
ZL8101
В NMD2Z используется синхронный понижающий контроллер Intersil / Zilker ZL8101, работающий в режиме напряжения, с широтно-импульсным модулятором постоянной частоты (PWM). В этом цифровом контроллере третьего поколения используется специальный оптимизированный конечный автомат для генерации точных импульсов ШИМ и собственный микроконтроллер, используемый для настройки, обслуживания и оптимизации (рис. 7-28). Для этого требуются внешние драйверы, силовые полевые МОП-транзисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.Интегрированная подрегулировка позволяет работать от одного источника питания от 4,5 В до 14 В. Используя простые штыревые соединения или стандартные команды PMBus, вы можете настроить обширный набор функций управления питанием с помощью графического интерфейса Intersil PowerNavigator.
7-28. Блок-схема Intersil ZL8101 IC показывает выходы PWM (PWMH и PWML), которые взаимодействуют с внешним драйвером, таким как ZL1505.
Первоначально автоматическая компенсация ZL8101 измеряет характеристики силовой передачи и определяет требуемую компенсацию.ИС сохраняет значения компенсации и использует их при последующих входах. После включения ZL8101 готов к регулированию мощности и выполнению задач управления питанием без необходимости программирования. Расширенные параметры конфигурации и изменения конфигурации в реальном времени доступны через интерфейс I2C / SMBus. Встроенная энергонезависимая память (NVM) сохраняет данные конфигурации.
Вы должны выбирать полевые МОП-транзисторы с внешним питанием в первую очередь для RDS (ON) и во вторую очередь для полного заряда затвора. Фактический выходной ток преобразователя мощности зависит от характеристик драйверов и выходных полевых МОП-транзисторов.
Конфигурируемые функции защиты цепи постоянно защищают ИС и нагрузку от повреждений из-за сбоев системы. ZL8101 непрерывно контролирует входное напряжение, выходное напряжение / ток, внутреннюю температуру и температуру внешнего термодиода. Вы также можете установить параметры мониторинга для определенных предупреждений о неисправности.
Контур нелинейного отклика (NLR) улучшает время отклика и снижает отклонения выходного сигнала при переходных процессах нагрузки. Чтобы оптимизировать эффективность преобразователя мощности, ZL8101 отслеживает его рабочие условия и постоянно регулирует время включения и выключения полевых МОП-транзисторов высокого и низкого напряжения.Алгоритмы адаптивной оптимизации производительности, такие как управление мертвым временем, эмуляция диодов и адаптивная частота, обеспечивают большее повышение эффективности.
Сигнал Power-Good (PG) указывает, что выходное напряжение находится в пределах указанного допуска от целевого уровня, и состояние неисправности отсутствует. По умолчанию вывод PG определяет, находится ли выходное напряжение в пределах -10% / + 15% от целевого напряжения. Вы можете изменить эти пределы и полярность через интерфейс I2C / SMBus.
Внутренний контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) служит для синхронизации внутренних схем.Вы можете управлять ФАПЧ от внешнего источника синхронизации, подключенного к выводу SYNC. Вы можете установить частоту переключения от 200 кГц до 1,33 МГц.
Графический интерфейс на базе Windows обеспечивает полную настройку и возможность мониторинга через интерфейс I2C / SMBus.
NDM3Z-90CUI — это модуль на 90 А, который имеет несколько функций, обеспечивающих высокую эффективность преобразования мощности. Адаптивные алгоритмы и управление зарядом от цикла к циклу сокращают время отклика и уменьшают отклонение выходного сигнала в результате переходных процессов нагрузки.
ZL8800
NDM3Z использует Intersil ZL8800 для автоматической компенсации. Это двойной или двухфазный цифровой контроллер постоянного / постоянного тока. Каждый выход может работать независимо или использоваться вместе в двухфазной конфигурации для сильноточных приложений. ZL8800 поддерживает широкий диапазон выходных напряжений (от 0,54 В до 5,5 В), работая от входных напряжений от 4,5 до 14 В. На рис. 7-29 показана двухфазная конфигурация, в которой используются внешние модули питания DRMOS.
7-29.Intersil ZL8800 сконфигурирован как двухфазный преобразователь
Благодаря полностью цифровому управлению ChargeMode Control, ZL8800 будет реагировать на переходный скачок нагрузки в течение одного цикла переключения. Этот уникальный метод модуляции без компенсации позволяет конструкциям соответствовать характеристикам переходных процессов с минимальной выходной емкостью, что позволяет сэкономить средства и место на плате.
Фирменная однопроводная последовательная шина DDC (Digital-DC) компанииIntersil позволяет ZL8800 обмениваться данными между другими ИС Intersil.Используя DDC, ZL8800 выполняет сложные функции, такие как балансировка фазных токов между ИС, упорядочивание и устранение неисправностей, устраняя необходимость в сложных системах управления источниками питания с многочисленными внешними дискретными компонентами.
ZL8800 имеет защиту от перегрузки по току на выходе. Входное и выходное напряжение, а также напряжение питания драйвера DrMOS / MOSFET защищены от повышенного и пониженного напряжения. Для контроля температуры доступны два внешних и один внутренний датчик температуры, один из которых используется для защиты от пониженной и повышенной температуры.Функция параметрического захвата моментальных снимков позволяет пользователям делать снимки рабочих данных и данных о неисправностях в нормальных условиях или в условиях сбоя.
Интегрированные регуляторы с малым падением напряжения (LDO)позволяют ZL8800 работать от одного источника питания, устраняя необходимость в дополнительных линейных регуляторах. Выход LDO может использоваться для питания внешних драйверов или устройств DrMOS.
Благодаря полной совместимости с PMBus, ZL8800 способен измерять и сообщать входное напряжение, входной ток, выходное напряжение, выходной ток, а также внутреннюю температуру устройства, внешние температуры и вход вспомогательного напряжения.
Этот блок питания включает в себя широкий спектр настраиваемых функций управления питанием, которые легко реализовать с минимальным количеством внешних компонентов. Кроме того, источник питания имеет защитные функции, которые постоянно защищают нагрузку от повреждений из-за неожиданных сбоев системы.
Стандартная конфигурация источника питания подходит для широкого диапазона операций с точки зрения входного напряжения, выходного напряжения и нагрузки. Конфигурация хранится во внутренней энергонезависимой памяти (NVM).Все функции управления питанием можно перенастроить с помощью интерфейса PMBus.
Автокомпенсация Powervation
КомпанияBellnix Co. Ltd. (Япония) использует цифровой контроллер ROHM PV3012 Powervation в своем низкопрофильном модуле постоянного / постоянного тока на 60 А. Цифровой модуль питания BDP12-0.6S60R0 представляет собой неизолированный понижающий преобразователь, совместимый с PMBus, который удовлетворяет потребности в конструкциях с малым форм-фактором, обеспечивая при этом высокую надежность и высокую производительность. ROHM PV3012 — это цифровой двухфазный контроллер (рис.7-30).
7-30. ИС PV3012 от Powervation — это ИС с автоматической компенсацией в реальном времени с одним выходом, двух- или однофазным цифровым синхронным понижающим контроллером для приложений POL.
Используется BDP на 60 А, и параллельная работа модуля BDP поддерживается через шину разделения тока DSS компании ROHM. Этот совместимый с PMBus модуль обеспечивает точные измерения и телеметрические отчеты, полную линейку программируемых функций защиты источника питания, хорошее энергопотребление и дополнительную функцию отслеживания — все в компактном 32.Дизайн корпуса SMD, соответствующий ROHS, 8 мм × 23,0 мм.
Цифровой контроллерROHM PV3012 Powervation также используется в сильноточных цифровых модулях POL серии iJB от TDK-Lambda. Продукты серии iJB поддерживают работу при низком напряжении и сильном токе, обеспечивая точность заданного значения ± 0,5% по линии, нагрузке и диапазону температур. В то время как функциональность модуля PMBus обеспечивает телеметрию напряжения, тока и температуры в реальном времени и обеспечивает полную программируемость преобразователя постоянного / постоянного тока, в продуктах серии iJB также используются контакты для настройки функций, что позволяет использовать их в приложениях, не поддерживающих PMBus. .
Используя интеллектуальную технологию автонастройки Powervation, Auto-Control, модули iJB POL обеспечивают лучшую динамическую производительность и стабильность системы для приложения. Auto-Control — это запатентованная технология адаптивной компенсации, которая оптимизирует динамические характеристики и стабильность системы в реальном времени, не требуя внесения шума или недостатков периодических методов. Это ключевое преимущество для модулей и других конструкций, которые управляют неизвестными или переменными нагрузками на выходе, и решает проблемы, связанные с дрейфом параметров нагрузки, возникающим в зависимости от температуры и времени.
Еще одним пользователем цифрового контроллера PV3012 является модуль DC / DC OKLF-T / 25-W12N-C от Murata Power Solutions. Это неизолированный преобразователь постоянного тока в постоянный, вырабатывающий максимум 25 А при выходном напряжении 1,2 В при работе до 70 ° C с потоком воздуха 200 LFM. Регулируемые выходы обеспечивают точное регулирование от 0,69 В до 3,63 В в широком диапазоне входных сигналов (от 6,5 В до 14 В).
Модуль OKLF 25 AMurata Power Solutions обеспечивает сверхбыструю реакцию на переходные процессы при нагрузке, исключительные характеристики снижения номинальных характеристик и типичный КПД> 90% в форм-факторе с высокой плотностью мощности.Модуль представляет собой полноценный автономный источник питания; Благодаря использованию ИС цифрового управления PV3012 он обеспечивает полный набор функций защиты и прецизионную точность уставки.
Этот преобразователь POL обеспечивает прецизионную точность уставки ± 0,5% по линии, нагрузке и диапазону температур — намного лучше, чем аналоговые варианты. Кроме того, это предложение повышает ценность за счет использования компактных приподнятых катушек индуктивности и функции автоматического управления Powervation.
PV3204
Одним из новых продуктов Powervation от ROHM, обеспечивающих автокомпенсацию, является PV3204, двухфазный цифровой синхронный понижающий контроллер с адаптивной компенсацией контура для приложений точки нагрузки (POL) (рис.7-31). Выход может подавать от 0,6 В до 5,5 В и может быть настроен и управляться через PMBus или посредством программирования, хранящегося в энергонезависимой памяти (NVM). Помимо интерфейса SMBus, PV3204 предоставляет 3-битный параллельный интерфейс VID с отображением от 0,85 В до 1,0 В с шагом 25 мВ и 1,05 В.
7-31. Powervation PV3204 — это двухфазный цифровой синхронный понижающий контроллер с адаптивной автоматической компенсацией контура для приложений точки нагрузки (POL).
PV3204
PV3204 использует фирменный адаптивный цифровой контур управления Powervation, Auto-Control, технологию адаптивной компенсации контура в реальном времени для переключаемых преобразователей мощности, которая автономно балансирует компромисс между динамическими характеристиками и стабильностью системы.Auto-Control избавляет от сложных вычислений и настройки оптимальной стабильности, используемой с традиционными методами компенсации. Функция Auto-Control регулирует коэффициенты P, I и D в каждом цикле переключения для непрерывного достижения оптимальной стабильности в широком диапазоне помех. Автоматическое управление встроено в архитектуру управления цифровых устройств Powervation и не зависит от шума, вносимого периодическими калибровками. Непрерывный характер автоматического управления позволяет ему управлять изменениями в системе, которые происходят в режиме реального времени или медленно с течением времени при использовании источника питания.Эта самокомпенсация происходит от цикла к циклу, поэтому Auto-Control может непрерывно регулироваться в соответствии с изменениями температуры, которые происходят во время использования источника питания, и учитывает другие факторы, такие как старение и дрейф.
Этот контроллер может использоваться в одно- или двухфазном режиме. При использовании в двухфазном режиме фазы могут добавляться или удаляться по мере изменения нагрузки, так что эффективность максимальна во всем диапазоне нагрузки. Кроме того, выходы фаз чередуются, так что эффективная частота переключения на выходе увеличивается вдвое.
Цифровые функции этого контроллера преобразователя мощности PMBus позволяют осуществлять системную телеметрию (удаленное измерение и составление отчетов) о токе, напряжении и температуре.
Кроме того, чтобы максимизировать производительность и надежность системы, ИС обеспечивает температурную коррекцию / компенсацию нескольких параметров.
Руководство по выбору источников питания постоянного тока: типы, характеристики, применение
Источники питания постоянного тока— это блоки питания, которые вырабатывают выходное напряжение постоянного тока.Источники питания — это устройства, которые подают электроэнергию на одну или несколько нагрузок. Они генерируют выходную мощность путем преобразования входного сигнала в выходной сигнал (в данном случае выход постоянного тока).
Состав и работа
Чтобы проиллюстрировать общую структуру блока питания, мы будем использовать типичный блок питания постоянного тока. Базовый источник питания постоянного тока может быть построен с четырьмя цепями (или секциями), как показано на следующей схеме, где каждый блок представляет конкретную цепь, которая выполняет определенную функцию.
Изображение предоставлено: Обучение электриков — Интегрированное издательство
Трансформатор — Вход трансформатора — обычно — сигнал переменного тока, который генерируется линейным напряжением, например, мощностью от электрической розетки. Основная функция трансформатора — понижать (понижать амплитуду) или повышать (увеличивать амплитуду) сигнала для получения желаемого уровня постоянного тока, необходимого на выходе источника питания. Трансформатор также играет роль изолятора.Во многих приложениях важно изолировать входной сигнал переменного тока от сигналов, генерируемых внутри устройством.
Выпрямитель — Сигнал на выходе трансформатора подается на выпрямитель. Это устройство выдает выпрямленный пульсирующий сигнал постоянного тока. Выпрямитель может быть однополупериодным или двухполупериодным. Пульсирующий сигнал постоянного тока — это сигнал (напряжение или ток), полярность которого не меняется, но его величина зависит от времени. Типичные выпрямители состоят из диодов и резисторов.
Фильтр — Чтобы преобразовать пульсирующий сигнал постоянного тока в непульсирующий сигнал постоянного тока, необходим фильтр. Обычно достаточно простого конденсаторного фильтра. На выходе фильтра подается постоянное напряжение, которое обычно имеет некоторую пульсацию или небольшие колебания переменного тока.
Регулятор — Регулятор выполняет две функции: (1) для сглаживания сигнала от фильтра, генерирующего сигнал постоянного тока без пульсаций, и (2) для создания постоянного напряжения на выходе. Напряжение на выходе регулятора остается постоянным даже при изменении входного напряжения или изменении нагрузки (не показано на схеме).
Чтобы проиллюстрировать четыре этапа или блока, необходимые для создания постоянного напряжения из сетевого напряжения, на следующем рисунке показано преобразование сигнала 115 В (среднеквадратичное значение) в постоянное напряжение 110 В (постоянного тока).
Изображение предоставлено: Обучение электриков — Интегрированное издательство
Типы
Источники питания постоянного токаклассифицируются по механизму преобразования и передачи входной мощности в выходную. Выделяют три основные категории:
Линейные источники питания принимают входы переменного тока и обеспечивают один или несколько выходов постоянного тока для широкого спектра компьютерных и промышленных приложений.Они используют активный элемент (обычно силовой транзистор), работающий в своей линейной области, чтобы генерировать желаемое напряжение. Выходное напряжение регулируется путем снижения избыточной входной мощности в виде омических потерь (тепла) в последовательном рассеивающем компоненте (резисторе) или транзисторе. Линейные источники питания обеспечивают отличное регулирование, очень малую пульсацию и очень низкий выходной шум.
Импульсные источники питания используют переключающий элемент или регулятор (обычно силовой транзистор) для генерации желаемого напряжения.Их также называют импульсными продуктами или импульсными источниками питания (SMPS). Эти блоки питания содержат электронные компоненты, которые постоянно включаются и выключаются с очень высокой частотой. Это переключающее действие подключает и отключает устройства накопления энергии (катушки индуктивности или конденсаторы) от входного напряжения источника или выходной нагрузки и от них. Конструкция SMPS обеспечивает высокую плотность мощности (меньший размер при той же выходной мощности) и пониженное энергопотребление (более высокий КПД) по сравнению с линейными источниками питания.
Блоки питания SCR используют топологию кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) для обеспечения хорошо регулируемого выходного напряжения и тока. Выпрямители с кремниевым управлением — это четырехслойные тиристоры с входным управляющим контактом, выходным контактом и катодом или контактом, который является общим для входных и выходных клемм. Схема SCR обычно используется в приложениях, связанных с высокими напряжениями и токами.
Технические характеристики
Для полной характеристики источника питания необходимо множество параметров; однако для большинства типов источников питания существует набор общих параметров.К ним относятся входное и выходное напряжение (указывается в вольтах [В]), выходной ток (в амперах [A]), номинальная выходная мощность (в ваттах [Вт]), частота входного сигнала (в герцах [Гц], килогерцах. [кГц] или мегагерц [МГц]) и регулирование.
- Входное напряжение — это величина и тип напряжения, приложенного к источнику питания.
- Входная частота — это частота входного сигнала.
- Выходное напряжение — величина постоянного напряжения на выходе устройства.
- Выходной ток — это ток, связанный с выходным напряжением.
- Выходная мощность — мощность (в ваттах), передаваемая нагрузке.
- Правило указывает на стабильность выходного напряжения.
- Линейное регулирование — это максимальная установившаяся величина, на которую изменяется выходное напряжение в результате заданного изменения входного линейного напряжения.
- Регулировка нагрузки — это максимальное установившееся значение, при котором выходное напряжение изменяется в результате заданного изменения нагрузки.
Монтажные характеристики менее важны, но их следует учитывать при необходимости надлежащим образом подогнать источник питания к приложению или системе. Варианты монтажа включают:
- Крепление к плате
- Монтажная плата
- Настенное крепление
- Крепление на DIN-рейку
- Монтаж в стойку
- Настольный
Характеристики
Функции для источников питания постоянного тока добавляют такие функции, как защита цепи и охлаждение, что может быть важно для определенных приложений.
Несколько факторов могут повлиять на производительность и / или физическую целостность источников питания постоянного тока. Цепи для защиты источников питания обычно входят в конструкцию устройства. Вот некоторые из них:
- Защита от короткого замыкания
- Защита от перегрузки
- Защита от перегрузки по току
- Защита от перенапряжения
- Защита от пониженного напряжения
- Защита от перегрева
Для защиты источников питания постоянного тока используются несколько методов охлаждения:
- Вентилятор охлаждения
- Радиатор охлаждения
- Водяное охлаждение Блоки питания постоянного тока
могут также включать ряд других функций:
- Резервная батарея
- с возможностью горячей замены
- Коррекция коэффициента мощности
- Температурная компенсация
- Всепогодный
Чтобы получить более подробный обзор выбора источника питания, посетите Руководство по выбору источников питания на сайте Engineering360.
Изображение предоставлено:
Корпорация Advantech
Основы питания
Детали блока питания
В идеале блок питания постоянного тока (обычно называемый блоком питания), получающий питание от сети переменного тока, выполняет ряд задач:
- 1. Он изменяет (в большинстве случаев снижает) уровень подачи до значения, подходящего для управления цепью нагрузки.
- 2. Он вырабатывает постоянный ток от сети (или сети) синусоидального переменного тока.
- 3. Предотвращает появление переменного тока на выходе источника питания.
- 4. Это гарантирует, что выходное напряжение поддерживается на постоянном уровне, независимо от изменений:
- а. Напряжение питания переменного тока на входе питания.
- г. Ток нагрузки, потребляемый с выхода источника питания.
- г. Температура.
Для этого базовый блок питания имеет четыре основных этапа, показанных на рис. 1.0.1.
Рис.1.0.1 Блок-схема источника питания
Источники питанияза последнее время значительно повысили надежность, но, поскольку они должны выдерживать значительно более высокие напряжения и токи, чем любая или большая часть цепей, которые они питают, они часто наиболее подвержены отказу любой части электронной системы.
Современные источники питания также значительно усложнились и могут обеспечивать очень стабильные выходные напряжения, контролируемые системами обратной связи. Многие цепи питания также содержат автоматические цепи безопасности для предотвращения опасного перенапряжения или перегрузки по току.
Силовые модули на Learnabout-electronics поэтому знакомят с многими методами, используемыми в современных источниках питания, изучение которых важно для понимания электронных систем.
Предупреждение
Если вы планируете построить или отремонтировать источник питания, особенно тот, который питается от сети (линейного) напряжения, модули источников питания на этом сайте помогут вам понять, сколько часто встречающихся схем работает. Однако вы должны понимать, что напряжения и токи, присутствующие во многих источниках питания, в лучшем случае опасны и могут присутствовать даже при выключенном источнике питания! В худшем случае высокое напряжение, присутствующее в источниках питания, может, и время от времени, УБИТЬ.
Информация, представленная на этом сайте, не только квалифицирует вас для безопасной работы с источниками питания. Вы также должны обладать навыками и оборудованием для безопасной работы и полностью осознавать местные проблемы здоровья и безопасности.
Пожалуйста, действуйте ответственно, автор этой информации и владельцы этого сайта не несут никакой ответственности или обязательств за любой ущерб или травмы, причиненные людям или любым третьим лицам, имуществу или оборудованию в результате использования или неправильного использования информации, представленной на веб-сайты learnabout-electronics.
Регулируемая цепь источника питания от +/- 1,25 В до +/- 22 В, 1 А (Часть 2/13)
В предыдущем проекте регулируемая цепь источника питания с выходным напряжением в диапазоне от 0 В до 30 В с максимальной допустимой токовой нагрузкой. 2А. Часто требуемый источник постоянного тока должен иметь как положительное, так и отрицательное напряжение. В предыдущем проекте отрицательное напряжение можно было подавать на устройство только путем переключения клеммных соединений вручную. Схема будет вводить 220-230 В переменного тока и генерировать переменное постоянное напряжение в диапазоне +/- 1.25 В до +/- 22 В. на выходе. Этот блок питания может обеспечить максимальный ток на выходе 1А. Для создания регулируемого источника питания, который будет иметь как отрицательное, так и положительное напряжение, в схеме необходимо использовать центральный ленточный трансформатор.
В данном проекте разработан регулируемый регулируемый симметричный положительный и отрицательный источник питания. Для уменьшения любых колебаний и пульсаций на выходе необходимо отрегулировать питание, чтобы оно могло обеспечивать постоянное напряжение на выходе.Опять же, как и в предыдущем проекте, напряжение регулируется с помощью переменного резистора. Этот источник питания обеспечивает как регулируемое, так и регулируемое напряжение на выходе.
Проектирование схемы источника питания — это пошаговый процесс, включающий понижение напряжения переменного тока, преобразование напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, сглаживание напряжения постоянного тока, компенсацию переходных токов, регулирование напряжения, изменение напряжения, усиление тока и защиту от короткого замыкания.
Необходимые компоненты —
Фиг.1: Список компонентов, необходимых для регулируемого источника питания от +/- 1,25 В до +/- 22 В, 1 А
Блок-схема—
Рис.2: Блок-схема регулируемого источника питания от +/- 1,25 В до +/- 22 В, 1 А
Подключение цепей —
Схема собирается поэтапно, каждая ступень служит определенной цели. Для понижения 230 В переменного тока используется трансформатор 24 В — 0 — 24 В. Вторичная обмотка трансформатора соединена с мостовым выпрямителем.Полный мостовой выпрямитель создается путем соединения друг с другом четырех диодов 1N4007, обозначенных на схемах как D1, D2, D3 и D4. Катод D1 и анод D2 соединены с одной из вторичной катушки, а катод D4, а анод D3 соединен с другим концом вторичной катушки. Катоды D2 и D3 подключены, из которых одна клемма снята с выхода выпрямителя, а аноды D1 и D4 подключены, из которых другая клемма снята с выхода двухполупериодного выпрямителя.Провод протягивается от центральной ленты трансформатора, который служит землей для положительного и отрицательного выходов постоянного тока.
Конденсаторы емкостью 100 мкФ (показаны на схемах как C1 и C2) подключены между выходными клеммами двухполупериодного выпрямителя и центральной лентой трансформатора для сглаживания. Для регулирования напряжения LM317T и LM337 подключаются параллельно сглаживающему конденсатору. Переменные сопротивления подключены последовательно к микросхемам стабилизатора напряжения для регулировки напряжения, а конденсаторы емкостью 10 мкФ (обозначенные на схеме как C5 и C6) подключены параллельно на выходе для компенсации переходных токов.Для защиты от короткого замыкания между клеммами входного и выходного напряжения микросхем стабилизатора напряжения подключены два диода.
Нарисуйте схематическую диаграмму или распечатайте ее на бумаге и тщательно выполняйте каждое подключение. Только после проверки правильности каждого подключения подключите силовую цепь к источнику переменного тока.
Как работает проект —
Силовая цепь работает по четко определенным стадиям, каждая из которых служит определенной цели. Схема работает в следующих этапах —
1.Преобразование переменного тока в переменный
2. Преобразование переменного тока в постоянный — полноволновое выпрямление
3. Сглаживание
4. Компенсация переходного тока
5. Регулирование напряжения
6. Регулировка напряжения
7. Защита от короткого замыкания
Преобразование переменного тока в переменный
Напряжение основных источников питания (электричество, подаваемое через промежуточный трансформатор после понижения линейного напряжения от генерирующей станции) составляет приблизительно 220–230 В переменного тока, которое необходимо дополнительно понизить до уровня 24 В.Чтобы уменьшить 220 В переменного тока до 24 В переменного тока, используется понижающий трансформатор с центральной обмоткой. Трансформатор с центральным ответвлением предназначен для генерирования как положительного, так и отрицательного напряжения на входе. Центральная лента будет обеспечивать заземление цепи, а оставшиеся два вывода будут обеспечивать положительное и отрицательное напряжение.
В схеме наблюдается некоторое падение выходного напряжения из-за резистивных потерь. Поэтому необходимо использовать трансформатор с высоким номинальным напряжением, превышающим требуемые 22 В. Трансформатор должен обеспечивать на выходе ток 1А.Наиболее подходящий понижающий трансформатор, отвечающий указанным требованиям по напряжению и току, — это 24–0–24 В / 2 А. Эта ступень трансформатора снижает сетевое напряжение до +/- 24 В переменного тока, как показано на рисунке ниже.
Рис.3: Схема трансформатора 24-0-24В
Преобразование переменного тока в постоянный — полноволновое выпрямление
Пониженное напряжение переменного тока необходимо преобразовать в напряжение постоянного тока путем выпрямления. Выпрямление — это процесс преобразования переменного напряжения в постоянное.Есть два способа преобразовать сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока. Один — это полуволновое выпрямление, а другое — полноволновое выпрямление. В этой схеме используется двухполупериодный мостовой выпрямитель для преобразования 48 В переменного тока в 48 В постоянного тока. Двухполупериодное выпрямление более эффективно, чем полуволновое выпрямление, поскольку оно обеспечивает полное использование как отрицательной, так и положительной стороны сигнала переменного тока. В конфигурации двухполупериодного мостового выпрямителя четыре диода соединены таким образом, что ток течет через них только в одном направлении, что приводит к появлению сигнала постоянного тока на выходе.Во время двухполупериодного выпрямления одновременно два диода становятся смещенными в прямом направлении, а еще два диода смещаются в обратном направлении.
Рис.4: Принципиальная схема полноволнового выпрямителя
Во время положительного полупериода питания диоды D2 и D4 проходят последовательно, в то время как диоды D1 и D3 имеют обратное смещение, и ток протекает через выходной контакт, проходя через D2, выходной контакт и D4. Во время отрицательного полупериода питания диоды D1 и D3 проходят последовательно, но диоды D1 и D2 смещены в обратном направлении, и ток протекает через D3, выходную клемму и D1.Направление тока в обоих направлениях через выходную клемму в обоих условиях остается неизменным.
Рис. 5: Принципиальная схема, показывающая положительный цикл полнополупериодного выпрямителя
Рис. 6: Принципиальная схема, показывающая отрицательный цикл полнополупериодного выпрямителя
Диоды 1N4007 выбраны для создания двухполупериодного выпрямителя, поскольку они имеют максимальный (средний) номинальный прямой ток 1 А и в состоянии обратного смещения они могут выдерживать пиковое обратное напряжение до 1000 В.Поэтому в этом проекте для двухполупериодного выпрямления используются диоды 1N4007.
Сглаживание
Как следует из названия, это процесс сглаживания или фильтрации сигнала постоянного тока с помощью конденсатора. Выход двухполупериодного выпрямителя не является постоянным напряжением постоянного тока. Частота на выходе выпрямителя в два раза выше, чем у основного источника питания, но все же присутствуют пульсации. Следовательно, его необходимо сгладить, подключив конденсаторы (обозначенные на схемах как C1 и C2) параллельно выходу двухполупериодного выпрямителя.Конденсатор заряжается и разряжается в течение цикла, давая на выходе постоянное постоянное напряжение. Итак, конденсаторы (обозначенные на схемах как C1 и C2) большого номинала подключены к выходу схемы выпрямителя. Эти конденсаторы действуют как фильтрующие конденсаторы, которые пропускают через них весь переменный ток на землю. На выходе среднее оставшееся постоянное напряжение более плавное и без пульсаций.
Конденсаторы C3 и C4 соединены с регулировочным штифтом. Эти конденсаторы предотвращают усиление пульсаций при увеличении выходного напряжения.
Рис.7: Принципиальная схема сглаживающего конденсатора
Компенсация переходных токов
На выходных клеммах силовой цепи конденсаторы C5, C6, C7 и C8 подключены параллельно к выходным клеммам. Конденсаторы C5 и C6 помогают быстро реагировать на переходные процессы нагрузки. При изменении тока нагрузки на выходе возникает начальная нехватка тока, которая может быть восполнена этим выходным конденсатором.
Конденсаторы C7 и C8 представляют собой керамические конденсаторы, полное сопротивление или ESR керамики низкое по сравнению с электролитическим конденсатором.Поэтому C7 и C8 используются параллельно электролитическому конденсатору только для уменьшения эквивалентного выходного импеданса.
Изменение выходного тока можно рассчитать с помощью
.Выходной ток, Iout = C (dV / dt), где
dV = Максимально допустимое отклонение напряжения
dt = переходное время отклика
С учетом dv = 100 мВ
dt = 100 мкс
В этой схеме используется конденсатор емкостью 1 мкФ, так что,
C = 1 мкФ
Iout = 1u (0.1 / 100u)
Iout = 1 мА
Таким образом, можно сделать вывод, что выходной конденсатор будет реагировать на изменение тока 1 мА в течение переходного времени отклика 100 мкс.
Рис. 8: Принципиальная схема компенсатора переходных токов
Регулирование напряжения
Силовая цепь должна обеспечивать регулируемое и постоянное напряжение без каких-либо колебаний или колебаний. Для регулирования напряжения в схеме нужен линейный регулятор.Цель использования этого регулятора — поддерживать на выходе постоянное напряжение желаемого уровня. Для обеспечения стабилизированного напряжения от 1,25 В до 22 В используется микросхема LM317, а для напряжения от -1,25 до -22 В на выходе используется микросхема LM337. Обе микросхемы способны обеспечивать ток 1,5 А, поэтому хорошо подходят для требований по току в 1 А. В этой схеме LM317 и LM337 обеспечивают регулируемое напряжение, соответствующее его входному напряжению. Обе эти ИС способны регулировать нагрузку. Они будут обеспечивать регулируемое и стабилизированное напряжение на выходе независимо от колебаний входного напряжения и тока нагрузки.
LM317 — стабилизатор положительного напряжения, который выдает выходной сигнал в диапазоне от 1,25 В до 37 В при входном напряжении до 40 В. В отличие от LM317, LM337 представляет собой стабилизатор отрицательного напряжения, обеспечивающий от -1,25 В до -37 В при входном напряжении до -40 В. На выходе оба могут обеспечить максимальный ток 1,5 А в соответствии с таблицей данных при оптимальных условиях.
Для установки желаемого напряжения на выходе используется цепь резистивного делителя напряжения между выходным контактом и землей (центральная лента трансформатора).Схема делителя напряжения имеет один программирующий резистор (постоянный резистор), а другой — переменный резистор. Выбрав идеальное соотношение резистора обратной связи (постоянного резистора) и переменного резистора, можно получить желаемое значение выходного напряжения, соответствующее входному напряжению. В этой схеме сопротивления R1 и R2 используются в качестве сопротивления программирования для 317 и 337 соответственно. Переменные сопротивления RV1 и RV2 используются для изменения выходного напряжения на 317 и 337 соответственно.
LM317 имеет следующую внутренне допустимую рассеиваемую мощность —
Pout = (Максимальная рабочая температура IC) / (Тепловое сопротивление, переход от окружающей среды + тепловое сопротивление, переход от корпуса к корпусу)
Pout = (150) / (65 + 5) (значения согласно паспорту)
Pout = 2 Вт
Аналогично LM337 имеет следующую внутренне допустимую рассеиваемую мощность —
.Pout = (максимальная рабочая температура IC) / (тепловое сопротивление, переход от окружающей среды + тепловое сопротивление, переход от корпуса к корпусу)
Pout = (125) / (70 + 3) (значения согласно даташиту)
Pout = 1.7 Вт
Таким образом, 317 и 337 внутренне могут выдерживать до 2 Вт и 1,7 Вт рассеиваемой мощности соответственно. При мощности выше 2 Вт и 1,7 Вт микросхемы не будут переносить выделяемое количество тепла и начнут гореть. Это также может вызвать серьезную опасность возгорания. Поэтому радиаторы необходимы для отвода избыточного тепла от микросхем.
Регулировка напряжения
Выходное напряжение можно изменять с помощью регулировочного штифта 317 и 337 микросхем. Переменные резисторы RV1 и RV2 обеспечивают выходное напряжение от 1.От 25 В до 22 В и от -1,25 до -22 В соответственно.
Защита от короткого замыкания
Диод D5 подключен между клеммами входа и выхода напряжения 317 IC, чтобы предотвратить разряд внешнего конденсатора через IC во время короткого замыкания на входе. Когда вход закорочен, катод диода находится под потенциалом земли. Анодный вывод диода находится под высоким напряжением, поскольку C5 полностью заряжен. Следовательно, в таком случае диод смещен в прямом направлении, и весь разрядный ток от конденсатора проходит через диод на землю.Это избавляет микросхему LM317 от обратного тока.
Аналогичным образом диод D6 подключается между клеммами входа напряжения и выхода напряжения 337 IC, чтобы предотвратить разрядку конденсатора C6 через IC, когда вход закорочен.
Рис.9: Принципиальная схема защиты от короткого замыкания
Фиг.10:
Тестирование и меры предосторожностиПри сборке цепи следует соблюдать следующие меры предосторожности:
• Номинальный ток понижающего трансформатора, мостовых диодов и ИС регулятора напряжения должен быть больше или равен требуемому току на выходе.В противном случае он не сможет подавать требуемый ток на выходе.
• Номинальное напряжение понижающего трансформатора должно быть больше максимального требуемого выходного напряжения. Это связано с тем, что микросхемы 317 и 337 принимают падение напряжения примерно на 2–3 В. Таким образом, входное напряжение должно быть на 2–3 В выше максимального выходного напряжения и должно находиться в пределах входных напряжений LM317 и LM337.
• Конденсаторы, используемые в цепи, должны иметь более высокое номинальное напряжение, чем входное напряжение.В противном случае конденсаторы начнут пропускать ток из-за превышения напряжения на их пластинах и вырвутся наружу.
• На выходе выпрямителя следует использовать конденсатор, чтобы он мог справляться с нежелательными сетевыми шумами. Аналогичным образом рекомендуется использовать конденсатор на выходе регулятора для обработки быстрых переходных процессов и шума на выходе. Емкость выходного конденсатора зависит от отклонения напряжения, колебаний тока и переходного времени отклика конденсатора.
• При использовании конденсатора после ИС регулятора напряжения всегда следует использовать защитный диод, чтобы предотвратить обратный ток ИС во время разряда конденсатора.
• Для работы с высокой нагрузкой на выходе необходимо установить радиатор в отверстия регулятора. Это предотвратит сдувание микросхемы из-за рассеивания тепла.
• Поскольку микросхемы регуляторов могут потреблять ток только до 1А, необходимо подключить предохранитель на 1А. Этот предохранитель ограничит ток в регуляторе до 1А.При токе выше 1 А предохранитель сгорит, и это отключит входное питание от цепи. Это защитит микросхему схемы и регулятора от тока более 1 А.
После того, как схема собрана, самое время ее протестировать. Подключите цепь к электросети и измените переменное сопротивление. Снимите показания напряжения и тока на выходной клемме силовой цепи с помощью мультиметра. Затем подключите фиксированные сопротивления в качестве нагрузки и снова проверьте показания напряжения и тока.
На стороне LM317 входное напряжение составляло 24 В, а при регулировке переменного сопротивления выходное напряжение находилось в диапазоне от 1,25 до 22 В при отсутствии нагрузки.
Когда на выходе подключена нагрузка, максимальное напряжение считывается 20В. При нагрузке с сопротивлением 50 Ом выходное напряжение составляет 16 В, что соответствует падению напряжения 4 В. Выходной ток измеряется 300 мА, поэтому рассеиваемая мощность при нагрузке с сопротивлением 50 Ом составляет:
Pout = (Vin — Vout) * Iout
Pout = (24-16) * (0.3)
Pout = 2,4 Вт
На стороне LM337 входное напряжение составляло -24 В, а при регулировке переменного сопротивления выходное напряжение находилось в диапазоне от -1,25 до -22 В, когда нагрузка не была подключена.
Когда на выходе подключена нагрузка, максимальное напряжение считывается -20В. При нагрузке с сопротивлением 50 Ом выходное напряжение составляет 17,5 В, что соответствует падению напряжения 2,5 В. Измеренный выходной ток составляет 320 мА, поэтому рассеиваемая мощность при нагрузке с сопротивлением 50 Ом составляет:
Pout = (Vin — Vout) * Iout
Pout = (-24 — (-17.5)) * (0,32) (рассеиваемая мощность не может быть отрицательной)
Pout = 2,08 Вт
Во время тестирования схемы было проанализировано, что когда потребление тока на выходе увеличивается, выходное напряжение начинает уменьшаться. По мере увеличения текущего спроса микросхемы 317 и 337 начинают нагреваться, и на них приходится больше перепадов напряжения, что снижает выходное напряжение. Как видно из приведенного выше практического опыта, рассеиваемая мощность в обеих ИС превышает их внутренние допустимые пределы. Поэтому рекомендуется использовать радиаторы для охлаждения микросхем и увеличения срока службы этих микросхем стабилизаторов напряжения.
Схема источника питания, разработанная в этом проекте, может использоваться в качестве адаптера питания для электронных устройств и может использоваться с наборами микросхем, которым требуется отрицательный источник питания. Схема может использоваться для питания электронных компонентов, таких как OP-AMPS, биполярные усилители и регуляторы постоянного тока.
Схемы соединений
Project Video
Filed Under: Tutorials
Обзор источников питания для не инженеров
Не все из нас инженеры, но почти все из нас нуждаются в источниках питания.Источники питания обеспечивают и адаптируют питание в той форме, которая нам нужна для различных задач. В нашем современном мире блоки питания необходимы для очень многих вещей, но большинство людей ассоциируют блоки питания со своими ноутбуками или настольными компьютерами. Без правильного источника питания ваш компьютер был бы не чем иным, как огромным пресс-папье.
Наша зависимость от электроэнергии подтверждается тем фактом, что с 1974 года мир неизменно производит больше энергии каждый год, за одним исключением.Электрическая энергия, безусловно, полезна, но ее нужно использовать через источник питания. В этой статье мы рассмотрим основы источников питания, необходимые для понимания того, что такое источник питания, как он работает и какие различные типы вы найдете сегодня на рынке.
Что такое блок питания?
Даже если вы точно не знаете, что такое блок питания, есть вероятность, что вы полагаетесь на блоки питания каждый день для выполнения основных задач, таких как зарядка мобильного телефона, запуск компьютера или воспроизведение музыки на стереосистеме.Источник питания, также иногда называемый блоком питания, модулем источника питания, адаптером питания или блоком питания, является источником, который обеспечивает компоненты электроэнергией того типа, который им необходим для работы.
Обычно эта задача включает преобразование энергии из одной формы в более удобную для компонента, на который подается питание. Это может выглядеть как преобразование одного типа электроэнергии, например переменного тока (AC), в другой, например постоянный ток (DC). Это также может выглядеть как преобразование совершенно другой формы энергии, такой как солнечная или механическая, в электрическую, хотя мы не собираемся сосредотачиваться на этом типе преобразователя в этой статье.
Блоки питаниячасто встраиваются прямо в компоненты, для которых они работают, поэтому вы можете даже не осознавать, что, когда вы подключаете что-то к розетке в стене, адаптер питания будет работать, преобразуя энергию в надлежащую форму. Не все формы энергии одинаковы. Для правильного включения и работы компоненты должны использовать электрическую энергию определенного напряжения, частоты и тока.
Как работают блоки питания
Теперь, когда вы понимаете, что такое блок питания, вам может быть интересно, как это устройство работает.Ответ действительно зависит от типа блока питания. Как мы увидим в оставшейся части статьи, существует множество различных базовых типов блоков питания и различных функций, которые определяют способ работы блока питания. Чтобы понять основы работы схемы блока питания, давайте поговорим об основных компонентах, из которых состоит блок питания. Если вы посмотрите на блок-схему блока питания, вы, вероятно, увидите следующие части:
- Трансформатор: Трансформатор состоит из катушек, намотанных вокруг сердечника.Трансформатор генерирует магнитное поле, тем самым создавая энергию между катушками. Эффект состоит в том, что трансформатор может увеличивать или уменьшать электрический ток.
- Выпрямитель: Выпрямитель — важный компонент в источниках питания переменного / постоянного тока. Он позволяет току течь из него только в одном направлении, поэтому, когда поступает переменный ток, выпрямитель преобразует его в постоянный ток. Подробнее о разнице переменного и постоянного тока мы поговорим ниже.
- Фильтр: Фильтры бывают двух основных типов — конденсаторные входы и входы дросселя.В любом случае перед фильтром стоит важная задача. Постоянный ток от выпрямителя будет иметь рябь. Задача фильтра — сгладить эту рябь. Это также увеличивает среднее выходное напряжение или ток.
Эти компоненты работают вместе для подачи питания на компонент, которому требуется питание, также называемый нагрузкой. Источники питания не просто обеспечивают питание — они обеспечивают его в той форме, которая необходима для правильной работы нагрузки.
Различные типы источников питания
Если вам интересно, что такое источник питания переменного или постоянного тока, или у вас есть другие вопросы, касающиеся определенных типов источников питания, мы собираемся ответить на них здесь.Теперь, когда мы потратили некоторое время, чтобы понять основы работы блоков питания, давайте рассмотрим несколько различных типов блоков питания, их приложения и принципы работы.
1. Электропитание переменного и постоянного тока
Во-первых, давайте поговорим о разнице в мощности переменного тока (AC) и постоянного тока (DC) и о том, что такое преобразователь мощности AC / DC. Основное различие между переменным и постоянным током связано с направлением потока электронов. В случае питания переменного тока электрический ток течет вперед и назад из-за колеблющегося напряжения.Вот почему ток называют переменным. На схеме показано, что переменный ток выглядит как волна. С другой стороны, мощность постоянного тока течет вперед в одном направлении при неизменном постоянном напряжении, поэтому она выглядит как прямая линия.
Электропитание переменного токаболее эффективно для передачи электричества на большие расстояния, поэтому в большинстве домов есть источник переменного тока. Когда вы подключаете что-либо к электрической розетке дома, вы подключаетесь к источнику переменного тока, который был преобразован в более низкое напряжение после подачи высокого напряжения.Электропитание переменного тока — это то, что вам нужно для многих бытовых приборов, например для лампы. Однако компьютерам, сотовым телефонам, другой электронике и любым устройствам, работающим от батареи, обычно требуется питание постоянного тока.
Итак, как, например, ваш компьютер получает необходимое питание постоянного тока? В подобных устройствах используется адаптер переменного / постоянного тока для преобразования переменного тока из электрической розетки в постоянный ток, необходимый для работы электроники. На большинстве компьютерных зарядных шнуров адаптер питания часто находится посередине и выглядит как кирпич.
Хотя ответ на вопрос о преобразовании энергии может показаться простым, сам процесс довольно сложен. Мы не будем здесь подробно останавливаться на том, как работает источник питания переменного / постоянного тока, но полезно знать, что преобразователи переменного / постоянного тока используют катушки индуктивности и конденсаторы для удержания электрических токов и их правильной интеграции. Конечным результатом является переменный ток, который превращается в постоянный ток.
2. Линейный и импульсный источник питания
Еще одно различие, которое мы можем сделать, когда дело доходит до источников питания, — это линейный и линейный блоки питания.переключение. Оба типа блоков питания обеспечивают питание постоянного тока, но они по-разному преобразуют мощность переменного тока.
Линейный источник питания работает с использованием трансформатора для регулировки напряжения переменного тока перед подачей его на схему регулятора. Импульсный источник питания, также называемый импульсным источником питания, не использует трансформатор. Вместо этого он работает путем прямого преобразования мощности сети переменного тока в напряжение постоянного тока, а затем преобразует это необработанное напряжение постоянного тока в сигнал переменного тока более высокой частоты.Затем схема регулятора вырабатывает соответствующие напряжение и ток.
Эти два типа источников питания переменного / постоянного тока не только работают по-разному, но и выглядят по-разному. Линейные блоки питания имеют тенденцию быть более громоздкими, в то время как импульсные блоки питания намного меньше и легче. Эта компактность делает импульсные источники питания лучшими для портативного оборудования, но импульсные источники питания также имеют недостаток — они создают высокочастотный шум, который может вызвать проблемы для чувствительных аналоговых схем.Когда вы запитываете чувствительную электронику, лучше подходят линейные источники питания.
3. Регулируемый и нерегулируемый источник питания
Еще пара терминов, которые вы можете услышать, — это регулируемый линейный источник питания и нерегулируемый линейный источник питания. Стабилизированный источник питания предназначен для поддержания определенного выходного напряжения, независимо от тока, который переходит в преобразователь мощности. Другими словами, вы можете рассчитывать на стабилизированный источник питания, обеспечивающий постоянное напряжение.В некоторых случаях в регулируемый источник питания может быть встроено несколько различных регуляторов, поэтому вы можете выбрать один из нескольких вариантов напряжения.
Нерегулируемый источник питания, также называемый мощностью грубой силы, не имеет регулятора для поддержания постоянного выходного напряжения, поэтому выходное напряжение напрямую отражает входное напряжение. Колебания нерегулируемого выходного напряжения, по сути, являются электрическим шумом. Эти колебания иногда называют «пульсациями напряжения». Чтобы помочь регулировать нерегулируемый источник питания, вы можете добавить конденсатор фильтра.
Хотя может показаться, что регулируемый источник питания лучше нерегулируемого, это не всегда так. Нерегулируемые источники питания могут по-прежнему хорошо работать в качестве источника питания, если они используются для питания правильных нагрузок. Они стоят меньше, поэтому некоторые люди могут предпочесть их регулируемым вариантам. Для питания чувствительной электроники или других компонентов, которым требуется идеально постоянное напряжение, также называемое «чистым» источником питания, лучше всего подходит стабилизированный источник питания.
4.Трехфазное и однофазное питание
Как работает трехфазный блок питания? Что означают фазы в контексте источника питания? Трехфазное питание — это тип силовой цепи переменного тока, в которой используются три провода, также называемые проводниками. Каждый проводник несет переменный ток, и весь этот ток имеет одинаковую частоту и напряжение на всех трех проводниках. Однако в любой момент времени каждый проводник будет в разных точках фазы.
Помните, что переменный ток выглядит как волна.Таким образом, трехфазный ток выглядит как три волны, которые поднимаются и спадают в разное время. Точнее, все циклы проводников отстоят друг от друга на треть. Итак, в любой момент времени один проводник достигает своего пика, один идет вниз, а другой — вверх. В результате получается постоянный источник питания, идеально подходящий для сбалансированной линейной нагрузки. Трехфазное питание лучше всего подходит для промышленных объектов с высокими требованиями к мощности, поскольку оно обеспечивает значительно большую мощность, чем однофазная система.
Однофазное питание также является разновидностью силовой цепи переменного тока, но в нем используются только два провода. Обычно один из этих двух проводов является проводом питания, а другой — нейтральным проводом. Электрический ток течет от провода питания к нейтральному проводу. Однофазное электропитание — это наиболее распространенный тип электропитания, который есть у людей в своих домах. Стандартная система в США — это однофазная система питания с одним проводом питания 120 В и одним нейтральным проводом. Результирующий ток составляет 120 В.
Полезные функции блока питания
Пока что мы сосредоточились на контрастных типах блоков питания.Есть также некоторые полезные функции, которые предлагают некоторые блоки питания. Вот несколько полезных функций, которые вы можете увидеть в некоторых современных блоках питания:
1. Бесперебойный
Бесперебойное питание — это хорошо, и это так, но что такое источник бесперебойного питания? Источник бесперебойного питания (ИБП) может обнаруживать, когда основной источник питания теряет мощность или когда есть скачок напряжения. ИБП оснащен аккумулятором, который заменяет нормальное питание при отключении питания и предотвращает скачки напряжения от повреждения компонента, на который подается питание.ИБП особенно полезен для питания оборудования, которое может сильно пострадать от неожиданного сбоя питания, например, компьютера.
2. Программируемый
Как следует из названия, программируемый источник питания — это линейный источник питания, который можно программировать удаленно. Это означает, что вы можете использовать какой-то аналоговый контроллер или цифровой интерфейс для управления такими вещами, как напряжение и ток. С блоками питания переменного тока вы также можете запрограммировать частоту. Это не функция, характерная для большинства потребителей, которые просто ищут источник питания для своего ПК, но в некоторых случаях она может быть полезна.
3. Высокая эффективность
Одна вещь, на которую вы должны обратить внимание при покупке блока питания, — это его эффективность. Источники питания с более высоким КПД тратят меньше энергии. Они также, как правило, состоят из компонентов более высокого качества и выделяют меньше тепла. Лучше искать блоки питания с рейтингом эффективности 80 или выше. Рейтинг высокого КПД, такой как 92%, означает, что почти вся номинальная мощность идет на питание вашей системы, в то время как только 8% теряется в виде тепла.
4. С жидкостным охлаждением
Поскольку блоки питания могут сильно нагреваться, инженеры всегда заботятся о том, чтобы они оставались достаточно холодными для эффективной работы. В то время как большинство блоков питания в прошлом охлаждались воздухом, иногда доступны более новые блоки питания с жидкостным охлаждением. Источники питания с жидкостным охлаждением имеют ряд заметных преимуществ. Они могут быть меньше по размеру, они не зависят от конкретных условий окружающей среды, они не нагревают другие компоненты в корпусе, они обычно герметичны и бесшумны.
Включение питания с Astrodyne TDI
Более чем 50 лет Astrodyne TDI предоставляет передовые решения в области электропитания для различных областей по всему миру, включая производство, медицину, военную авиакосмическую промышленность, промышленность, бытовую технику и многое другое.
