27.5. Импульсные источники питания
Появление интегральных схем и особенно больших интегральных схем создало возможность предельно уменьшить габариты аналоговых и цифровых устройств электроники. Однако уменьшение габаритов ИВЭП, построенных по традиционной схеме (трансформатор, выпрямитель, стабилизатор), наталкивается на физические ограничения, связанные с размерами трансформаторов и дросселей. Выходом из этой ситуации, как показано в разделе 27.1, является исполнение ИВЭП по структурной схеме рис. 27.2 (импульсного ИВЭП).
В классической схеме импульсного ИВЭП напряжение сети подается на вход выпрямителя без предварительной трансформации. Выпрямленное напряжение поступает на импульсный преобразователь, превращающий постоянное напряжение в переменное (импульсное) с частотой следования импульсов в несколько десятков килогерц. Переменное высокочастотное напряжение трансформируется малогабаритным трансформатором до нужного значения, выпрямляется и стабилизируется аналоговым или импульсным стабилизатором. Однако структура рис. 27.2 не является распространенной в связи с двумя факторами.
Несмотря на привлекательность рассматриваемой схемы, ее реализация будет иметь успех, если ее КПД будет не ниже, чем КПД источника, реализованного по традиционной схеме. Это условие, очевидно, будет выполняться, если КПД импульсного преобразователя напряжения окажется близким к единице. Максимально высокий КПД (как было показано при изучении курса) может быть получен только тогда, когда все элементы импульсного преобразователя работают в ключевом режиме.
Второй фактор, на который надо обратить внимание: параметры устройства могут быть улучшены и стабилизированы при введении отрицательной обратной связи, причем обратная связь, охватывающая все устройство в целом, более эффективна, чем местные обратные связи, охватывающие только отдельные его части.
Сучетом этих замечаний структурная схема современного импульсного ИВЭП принимает вид рис. 27.22. Эта схема отличается от схемы рис. 4.2 еще и тем, что в ней высокочастотный инвертор напряжения И выполняет одновременно и функции импульсного стабилизатора. Это позволяет упростить схему, так как уменьшается общее количество ключей.
Высокочастотный инвертор и устройство управления совместно образуют импульсный преобразователь. В настоящее время наибольшее распространение получили трансформаторные преобразователи. Трансформаторные преобразователи можно разделить на однотактные и двухтактные. В однотактных преобразователях энергия передается на выход только в течение одной части периода преобразования. Если энергия передается при включенном силовом ключе, то такой преобразователь называют прямоходовым (Forward). Если же энергия передается при выключенном состоянии силового ключа, то преобразователь называют обратноходовым (Flyback).
Двухтактные преобразователи делят на двухфазные (Push-Pull), мостовые (Full-Bridge) и полумостовые (Half-Bridge). В двухтактных преобразователях используются обе части периода преобразования. В отличие от однотактных, двухтактные преобразователи работают без подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.
В большинстве случаев высокочастотный инвертор работает на фиксированной частоте, а регулирование выходного напряжения обеспечивается с помощью широтно-импульсной модуляции. Широтно-импульсное регулирование выполняется при помощи схемы управления, на вход которой подается выпрямленное выходное напряжение. Для обеспечения гальванического разделения выхода от силовой сети в трансформаторных схемах инверторов обычно используются различные типы устройств гальванической развязки: оптроны, трансформаторы, изолирующие усилители и т.д.
В качестве примера рассмотрим устройство и работу импульсного источника питания телевизионного монитора SONY 100 GST, упрощенная принципиальная схема которого приведена на рис. 27.23.
Входные цепи импульсного блока питания (ИБП) предназначены в основном для преобразования переменного напряжения сети питания в постоянное напряжение (около 300 В) питания первичных цепей ИБП и для подавления высокочастотных импульсных помех. Устройство входных цепей практически одинаково для всех моделей ИБП. Дроссели LF601, LF602 и конденсаторы С601 С604 образуют фильтр для подавления высокочастотных импульсных помех, которые могут появляться в сети переменного тока. Выпрямитель Q601 образован диодами, собранными в одном корпусе и соединенными по мостовой схеме. На выходе моста установлен электролитический конденсатор С620 (330 мкФ), сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения, за счет чего имеется практически постоянное напряжение, необходимое для питания первичных цепей ИБП.
Первичная цепь ИБП работает по однотактной схеме. Основными элементами первичной цепи являются мощный полевой транзистор с изолированным затвором Q602 IRFIBC40G , переключением которого управляет специализированная микросхема ШИМ – контроллера Q601 МС44603P, и трансформатор Т601.
Силовой ключевой транзистор Q602работает переключателем. Он либо включен (состояние насыщения), либо выключен (состояние отсечки). Количество энергии, передаваемое во вторичные цепи в течение каждого цикла, определяется временем открытого состояния транзистора в данном цикле. Получаемое на выходе напряжение можно менять, регулируя скважность рабочего цикла (отношение полного времени цикла к времени открытого состояния транзистора).
Запуск блока питания происходит следующим образом. После включения ИБП начинает работать вспомогательный источник питания, состоящий из одного из диодов моста, резистора R604и конденсатораC609. Поступая через резисторR604на выводы 1 и 2IC601, это напряжение запитывает микросхему контроллера ШИМ. В дальнейшем, когда блок питания начнет работать, напряжение питания наIC601поступает после выпрямления диодомQ607и сглаживающими конденсаторамиС608,С609с отдельной обмотки трансформатораТ601. Это напряжение возникает только при работе блока питания. Сигнал обратной связи через оптронIC603поступает на ШИМ-контроллер, который управляет продолжительностью нахождения выходного транзистора в открытом состоянии, а следовательно, и уровнем выходных напряжений блока питания.
То обстоятельство, что запуск и функционирование в рабочем режиме микросхемы ШИМ-контроллера происходит от разных источников напряжения, позволяет защитить ИБП от выхода из строя при перегрузках во вторичной цепи. При значительном увеличении нагрузки, например, при коротком замыкании на выходе, напряжения от обмотки импульсного трансформатора не будет хватать для регулярной работы ШИМ-контроллера. В этом случае ИБП пытается все время включиться, что можно услышать по слабым щелчкам, издаваемым импульсным трансформатором. Выключенное состояние IC601длится до тех пор, пока конденсаторС609не зарядится через резисторR604до напряжения включения на первом выводеIC601, которое выше, чем рабочее напряжение на этом выводе. ДалееIC601включается, но тока, ограниченного резисторомR604, уже не хватает для ее нормальной работы, иIC601опять выключается. Интервал включения при такой организации питания микросхемы составляет 0,5-2 секунды и зависит от параметров схемы.
В исток ключевого транзистора Q602 включен резистор R609, который выполняет функцию измерителя тока. Сигнал, снимаемый с этого резистора, через резистор R606поступает на вывод 7 микросхемы IC601и далее на встроенную схему токовой защиты ключевого транзистора.
Блок питания монитора вырабатывает целый ряд различных выходных напряжений. Вторичные цепи в ИБП выполнены с использованием выпрямителей по обычной однополупериодной схеме с одним вентильным диодом. Из-за достаточно высокой рабочей частоты ИБП в качестве вентиля используются специальные диоды, имеющие малое падение напряжения в прямом направлении, а также сглаживающие электролитические конденсаторы с малыми потерями на высоких частотах. К вторичным цепям блока питания относятся также цепь обратной связи и цепи управления различными режимами работы монитора.