Рэймонд Мэк.
Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению
СЕРИЯ
Силовая электроника
Перевод с английского Пряничникова С. В.
Москва
Издательский дом «Додэка-XXI»
2010
Мэк Р. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению / Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Додэка-XXI». — 272 с.: ил. (Серия «Силовая электроника»).
Импульсные источники питания (ИИП) быстро идут на смену устаревшим линейным источникам питания благодаря своей высокой производительности, улучшенной стабилизации напряжения и малым габаритам. В книге подробно обсуждаются фундаментальные теоретические принципы и методы проектирования импульсных источников питания и приводятся сведения, знание которых не только поможет инженерам оптимизировать выбор серийных источников питания для своих проектов, но и позволит им разрабатывать собственные оригинальные схемы ИИП. Книга ориентирована на читателей, желающих глубже вникнуть в суть работы импульсных источников питания и их проектирования, не забираясь при этом в математические «дебри». Особое внимание уделяется выбору соответствующих компонентов, таких, как дроссели и трансформаторы, с учётом обеспечения безопасной и надёжной работы схем ИИП. На примере предложенных автором оригинальных проектов иллюстрируются те или иные компромиссы, к которым непременно приходится прибегать при разработке импульсных источников питания.
Рассматриваются как сетевые источники питания, так и преобразователи постоянного напряжения (DC/DC).
Книга охватывает все основные схемы импульсных источников питания, включая обратноходовые и прямоходовые преобразователи, мостовые, понижающие, повышающие и комбинированные схемы.
В качестве примеров приведены практические схемы 220!вольтового сетевого импульсного источника питания и 110-вольтового источника бесперебойного питания.
Книга "Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению" Раймонда Мэка подготовлена и издана по договору с Elsevier Inc.
© Elsevier Inc.
© Издательский дом «Додэка!XXI»
© Серия «Силовая электроника»
Содержание книги
Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению
Предисловие
Введение
Историческая справка
Сравнение линейных и импульсных источников питания
Глава 1. Основные импульсные схемы
1.1. Основы накопления энергии
1.2. Понижающий преобразователь
1.3. Повышающий преобразователь
1.4. Инвертирующий повышающий преобразователь
1.5. Комбинированный преобразователь
1.6. Преобразователи с трансформаторной развязкой
1.7. Синхронное выпрямление
1.8. Схемы с накачкой заряда
Глава 2. Схемы управления
2.1. Типовые схемы управления
2.2. Усилитель ошибки
2.3. Коррекция усилителя ошибки
2.3.1.Последовательность испытания
2.4. Типовой ШИМ-контроллер с управлением по напряжению
2.5. Управление по току
2.6. Типовой ШИМ-контроллер с управлением по току
2.7. Схемы с накачкой заряда
2.8. Многофазные ШИМ-контроллеры
2.9. Резонансные контроллеры
Глава 3. Первичный источник питания
3.1. Работа от сети
3.2. Подавление радиопомех
3.3. Требования к безопасности
3.4. Компенсация коэффициента мощности
3.5. Пусковой ток
3.6. Время удержания выходного напряжения
3.7. Входной выпрямитель
3.8. Характеристики входного накопительного конденсатора
Глава 4. Схемы без гальванической развязки
4.1. Основной метод проектирования
4.2. Схемы понижающих преобразователей
4.3. Схемы повышающих преобразователей
4.4. Инвертирующие схемы
4.5. Комбинированные (понижающие/повышающие) схемы
4.6. Схемы с накачкой заряда
4.7. Факторы, учитываемые при разводке печатной платы
Глава 5. Схемы с трансформаторной развязкой
5.1. Механизмы обратной связи
5.2. Обратноходовые схемы
5.2.1.Проектирование практической обратноходовой схемы
5.2.2.Пример сетевого обратноходового источника питания
5.2.3.Пример обратноходовой схемы без гальванической развязки
5.3. Схемы прямоходовых преобразователей
5.3.1.Последовательность проектирования практического прямоходового преобразователя
5.3.2.Пример сетевого прямоходового преобразователя
5.3.3.Пример прямоходового преобразователя без гальванической развязки
5.4. Двухтактные схемы
5.4.1.Проектирование практической двухтактной схемы
5.5. Полумостовые схемы
5.5.1.Проектирование практической полумостовой схемы
5.6. Мостовые схемы
Глава 6. Выбор пассивных компонентов
6.1. Характеристики конденсатора
6.1.1.Алюминиевые электролитические конденсаторы
6.1.2.Твердотельные танталовые и ниобиевые конденсаторы
6.1.3.Твердотельные полимерные электролитические конденсаторы
6.1.4. Многослойные керамические конденсаторы
6.1.5.Плёночные конденсаторы
6.2. Характеристики резисторов
6.2.1.Углеродные композиционные резисторы
6.2.2.Плёночные резисторы
6.2.3.Проволочные резисторы
Глава 7. Выбор полупроводниковых компонентов
7.1. Характеристики диодов
7.1.1. Плоскостные диоды
7.1.2.Диоды Шотки
7.1.3.Пассивация
7.2. Биполярные транзисторы
7.2.1.Мощные полевые МОП-транзисторы (MOSFET)
7.2.2.Управление затвором
7.2.3.Область устойчивой работы и лавинные характеристики
7.2.4.Синхронное выпрямление
7.2.5.Измерительные полевые транзисторы
7.2.6.Варианты корпусов
7.3. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)
Глава 8. Выбор дросселя
8.1. Характеристики реальных дросселей
8.2. Характеристики сердечника
8.3. Расчёт порошкового тороидального сердечника дросселя
8.4. Выбор сердечника для повышающего преобразователя
Глава 9. Выбор трансформатора
9.1. Характеристики трансформатора
9.2. Вопросы безопасности
9.3. Анализ практических конструкций
9.4. Выбор сердечника трансформатора прямоходового преобразователя
9.5. Сердечники для обратноходовых преобразователей
9.5.1.Выбор сердечника для индуктивно-связанных дросселей в обратноходовом преобразователе
Глава 10. Пример проектирования инвертора «точной синусоиды»
10.1. Технические требования
10.2. Общее описание конструкции
10.3. Проектирование предварительного стабилизатора
10.4. Проектирование выходного преобразователя
10.5. Проектирование H-моста
10.6. Проектирование схемы управления мостом
Глава 11. Сетевой источник питания для компьютера
11.1. Установочные требования
11.2. Первичный источник питания
11.3. Преобразователь постоянного напряжения (DC/DC)
11.4. Выбор диода
11.5. Расчёт дросселей
11.6. Расчёт конденсаторов
11.7. Расчёт трансформатора
Предметный указатель
ПРЕДИСЛОВИЕ
Эта книга предназначена для тех, кто хочет понять принцип работы импульсного источника питания. Я хочу научить вас грамотно формулировать требования к сетевому источнику питания. Прочитав эту книгу, вы получите достаточно информации для самостоятельного проектирования преобразователя DC/DC. Я включил в книгу несколько глав по основам аналогового проектирования специально для тех, чья специальность не связана с аналоговыми схемами. Опираясь на эти основы, я расскажу, как проектировать и рассчитывать практические импульсные источники питания. Те, кто силён в аналоговой схемотехнике, указанные главы могут пропустить.
Существует два обширных класса источников питания: линейные и импульсные. В линейных источниках питания используется непрерывное управление
выходным напряжением. Импульсные источники питания представляют собой
системы с временной дискретизацией, в которых для управления выходным напряжением используются прямоугольные управляющие сигналы. В этой книге
рассматривается каждая из разновидностей импульсных источников питания.
Я привожу математические формулы, как правило опуская подробности их
выведения и преобразования. В качестве упражнения читатель может самостоятельно произвести необходимые вычисления.
ВВЕДЕНИЕ
Принципы построения импульсных источников питания (ИИП) используются вот уже более100 лет (хотя люди и не знали, что речь шла именно об этих принципах). Система зажигания для бензинового двигателя представляет собой не что
иное, как самый первый вариант обратноходового источника питания. Затем импульсные источники нашли применение в высоковольтном блоке телевизора. И
снова это был элементарный обратноходовой источник питания. Название «обратноходовой» происходит от названия короткого периода времени, за который
точка с правой стороны экрана кинескопа перемещалась на левую сторону (так
называемый «обратный ход»). Быстрое изменение тока в отклоняющей катушке
производит очень большое напряжение. В телевизоре этот эффект использовался
для создания большого ускоряющего потенциала, необходимого для работы
электронно-лучевой трубки.
Использование импульсных источников питания в массовом применении
вплоть до конца 1960-х годов было ограничено функциональными возможностями трёх главных их компонентов: магнитопровода, ключа и выпрямителя. Компоненты для ИИП стали доступными ещё в начале 1960!х с появлением высоковольтных биполярных транзисторов, но в маломощных схемах использовать их
было экономически невыгодно до тех пор, пока цена полупроводников не упала
до вполне приемлемой. С 1970 года достижения в разработке всех категорий компонентов кардинально изменили ситуацию на рынке источников питания, особенно в тех его секторах, где применение линейных трёхвыводных стабилизаторов было невозможно вследствие их неспособности обеспечить требуемый уровень мощности. Достижения полупроводниковой электроники тех времён
позволяли производить малогабаритные импульсные источники питания с номинальной мощностью несколько десятков ватт. В них использовались ИС, дроссель и пара конденсаторов, и весь стабилизатор напряжения имел габариты меньше, чем габариты импульсного транзистора 1960-х годов в корпусе TO-3.
Стоимость одного ватта сетевых источников питания упала настолько, что разработчикам стало невыгодно проектировать и изготавливать собственные источники, если не выпускать их в максимально больших количествах. Многие компании представили на рынок линейки источников питания со стандартными выходными напряжениями. Многие из этих компаний могут также за отдельную плату
производить модификацию своих стандартных схем под нестандартные напряжения.
Большинство ведущих производителей линейных ИС (Linear Technology,
Maxim, TI, National Semiconductor, Analog Devices и др.) предлагают линейки импульсных стабилизаторов, подходящих для локальной стабилизации
(«point!of!load») или преобразования напряжения. Современные полупроводниковые компоненты производства этих фирм обладают очень малыми габаритами
и высокой эффективностью. Это особенно актуально для устройств, питающихся
от батареи, когда важную роль играет продолжительность работы между подзарядками. Современные компоненты зачастую сочетают в одном корпусе схему
управления, ключ и выпрямители.
Производители пассивных компонентов также были заняты усовершенствованием своей продукции. Компании, производящие магнитные материалы
(Ferroxcube, Siemens, Micrometals, подразделение Magnetics компании Spang &
Co. и др.), расширили частотный диапазон трансформаторов и дросселей — от
нескольких десятков килогерц в 60!х годах до единиц мегагерц в настоящее время. Благодаря этому усовершенствованию современные схемы характеризуются
малыми габаритами фильтрующих конденсаторов и магнитных сердечников.
Производители конденсаторов также усовершенствовали фильтрующие конденсаторы для импульсных схем. Обычные электролитические конденсаторы обладают очень большим эквивалентным последовательным сопротивлением,
вследствие чего при быстро меняющемся постоянном напряжении происходит
рассеивание мощности. Если эквивалентный переменный ток будет слишком
высоким, эти электролиты могут перегреться и взорваться. Все производители
электролитических конденсаторов в настоящее время выпускают линейки конденсаторов с пониженным эквивалентным последовательным сопротивлением.
Сравнение линейных и импульсных источников питания
Сравнение типовых схем линейных и импульсных источников питания показывает, почему в большинстве случаев предпочтительно применять импульсный
источник.
Линейный источник питания способен производить напряжение только ниже
входного. Для всех линейных стабилизаторов требуется входное напряжение, которое выше выходного напряжения на определённую минимальную величину,
которая называется падением напряжения. Падение напряжения является определяющим параметром при расчёте производительности и рассеивания мощности.
Возьмём устройство, работающее от 6.0 В и потребляющее максимальный ток
2 А. Типичный линейный стабилизатор будет иметь падение напряжения 2 В. Если мы решим использовать свинцово!кислотную батарею, она будет разряжаться
до напряжения примерно 1.9 В на элемент. Так как для корректной работы нам
требуется напряжение минимум 8 В (6 В для нагрузки плюс 2 В на падение напряжения), для получения требуемого напряжения нам понадобится как минимум 5
элементов. Следовательно, при разряженной батарее минимальное входное напряжение равно 9.9 В. Поступающая в нагрузку мощность при токе 2 А равна
12 Вт, а стабилизатор должен рассеивать при разряженной батарее 7.8 Вт. Отсюда
КПД равен 60%. При полностью заряженной батарее напряжение каждого элемента равно 2.26 В, и батарея выдаёт 11.3 В. Мощность нагрузки по-прежнему
равна 12 Вт. Стабилизатор теперь должен рассеивать 10.6 Вт, откуда КПД получается равным 53%.
Ситуацию можно улучшить, если не полностью разряжать каждый элемент.
Мы можем увеличить производительность и снизить стоимость батареи (ценой
более частой подзарядки), если будем прекращать работу, когда напряжение на
каждом элементе упадёт до 2.0 В. При этом нам понадобится только 4 элемента.
Мощность, рассеиваемая на стабилизаторе при разряженной батарее, составит
4 Вт, поэтому КПД возрастёт до 75%. При полной зарядке КПД увеличится всего
лишь до 67%.
В первом примере 2 из 5 элементов расходуют всю свою энергию на нагрев
окружающей среды. Во втором примере на такой нагрев полностью работает 1 из
4 элементов. Понятно, что линейная стабилизация — слишком дорогой способ
получения постоянного напряжения в системе, работающей от батарей.
Для вышеприведённого примера можно сконструировать простой импульсный источник питания с ключами на полевых транзисторах, обладающих сопротивлением в открытом состоянии порядка 0.008 Ом. Коммутирующий диод может быть диодом Шотки с прямым напряжением всего лишь 0.5 В. В первом приближении рассеиваемая ключом мощность будет составлять максимум 0.032 Вт, а
диод будет рассеивать 1.0 Вт. КПД при полной зарядке будет равен 92%, а при
разряженной батарее окажется близок к 99%. Причём эти относительные значения КПД справедливы для батареи из 4, 6 или 12 элементов.
Есть ещё одно преимущество импульсных источников питания перед линейными. С линейным источником питания батарея обязательно должна состоять из
4 элементов или более. С импульсным источником можно получать требуемое
питание от батареи из 1…3 элементов, да к тому же ещё и с лучшей производительностью.
Примерно так же обстоит дело и с сетевыми источниками питания. Для сетевого линейного источника питания требуется трансформатор. Для линейного источника питания мощностью 1000 Вт потребуется трансформатор весом под 50 кг,
массивные радиаторы с вентиляторами для полупроводниковых компонентов, и
по объёму он займёт около половины кубометра. Если нужно обеспечить возможность работы от обоих напряжений — 110 и 220 В, для линейного источника потребуется ручное или сложное электронное переключение между ними. Для сравнения, импульсный источник питания, работающий от 110 и 220 В без переключения, весом около 20 кг занимает четверть объёма линейного источника. К тому
же импульсный источник питания в несколько раз дешевле.
Однако не всегда импульсные источники питания являются наилучшим вариантом. На выходе импульсного источника питания обязательно присутствует высокочастотный шум. Линейные источники шумят на два-три порядка меньше.
Для очень чувствительных к шуму аналоговых схем обычно рекомендуется линейный источник питания. Если требуется максимальная производительность, в
современных системах часто используется предварительная стабилизация напряжения импульсным источником до значения чуть выше падения на линейном источнике, а затем с помощью линейного источника получают малошумящее питание для аналоговых схем. Ещё один недостаток импульсных источников
питания — большее время восстановления при скачкообразных изменениях тока
нагрузки или входного напряжения по сравнению с линейными источниками.
В маломощных схемах, как правило, предпочтительнее применять линейные
источники питания. В вышеприведённом примере мы аппроксимировали потери
в ключе формулой P = I2R. В случае более тщательного анализа следует учитывать
потери в ключе в моменты отпирания и запирания, а также мощность, расходуемую на управление ключом. К тому же существуют линейные стабилизаторы с
очень малым падением напряжения, специально предназначенные для применения в маломощных схемах.
Скачать книгу Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению. Москва, Издательский дом «ДодэкаXXI», 2010
|
