Всем доброго времени суток! Сегодня начнём серию статей об импульсных источниках питания. Широкое распространение данного типа источников питания связанно со стремлением уменьшить массогабаритные характеристики реактивных элементов: трансформаторов, дросселей и конденсаторов.

Основное отличие импульсных источников питания от линейных (или непрерывного действия) заключается в том, что регулирующий элемент, чаще всего транзистор, работает в ключевом режиме (режиме переключений). То есть большую часть периода работы находится в области отсечки или насыщения, а в активной зоне находится только в момент переключения. Следовательно, средняя за период мощность на рассеиваемая транзисторе будет значительно меньше, чем при работе в линейном режиме. Таким образом, импульсные источники питания по сравнению с линейными имеют более высокий КПД и меньшую массу и размеры.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Первым типом импульсного источника питания, который мы рассмотрим, будет, понижающий преобразователь напряжения.

Схема импульсного понижающего преобразователя

Импульсный преобразователь понижающего типа, в зарубежной литературе имеет название: chopper, buck converter, step-down converter. Он широко применяется в электронных схемах вместо линейных стабилизаторов, которые при токах более 2…3 А имеют уже значительные размеры и невысокое КПД, при этом имеют сопоставимые габариты и малую массу.

Например, для серии стабилизаторов КР142ЕНХХ, при мощностях рассеивания более 1 Вт необходимо использовать радиатор охлаждения, который при 10 Вт рассеиваемой мощности и 50 ℃ рабочей температуры должен иметь площадь не менее 100 см².

Из недостатков импульсных преобразователей можно отметить усложнение схемы управления, увеличенный уровень помех и пульсаций напряжения, а также ухудшение динамических характеристик.

Схема понижающего преобразователя представлена ниже

Схема импульсного стабилизатора понижающего типа.

На данной схеме приведены основные элементы понижающего стабилизатора. Входной фильтр C_ВХ осуществляет фильтрацию входного напряжения, которое подаётся на ключевой элемент, в данном случае биполярный транзистор VT. В момент открытия транзистора VT входное напряжение передается в нагрузку и на увеличение энергии в дросселе L. При размыкании ключа на транзисторе VT в дросселе возникает ЭДС, открывающая диод VD, а на разомкнутом транзисторе возникает напряжение равное ЭДС. Энергия, накопленная в дросселе, частично поступает в нагрузку, создавая на выходном сопротивлении R_H некоторое выходное напряжение U_ВЫХ. Сглаживание пульсаций выходного напряжения, из-за пульсаций тока дросселя, осуществляется конденсатором фильтра С_Ф.

Наличие схемы управления СУ позволяет получить заданное выходное напряжение на нагрузке и его стабильность. Подключение входа управления к нагрузке осуществляется для получения сигнала рассогласования в цепи обратной связи, а его выхода – к ключевому элементу для управления его включением и выключением. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется путём изменения скважности импульсов перед сглаживающим фильтром.

В данной схеме выходное напряжение всегда меньше входного, так как при открытом транзисторе энергия от источника питания передаётся в нагрузку и одновременно накапливается в дросселе и конденсаторе. А при закрытом ключевом транзисторе накопленная энергия в дросселе и конденсаторе фильтра поступает в нагрузку, причем энергия дросселя идёт в нагрузку через диод, называемым разрядным.

В зависимости от параметров схемы импульсный преобразователь может работать в двух режимах работы: режиме непрерывных токов и режиме прерывистых токов, протекающих через дроссель. Рассмотрим их подробнее.

Работа понижающего преобразователя в режиме непрерывных токов дросселя

Цикличность работы импульсного понижающего преобразователя в режиме непрерывных токов дросселя можно описать с помощью следующей диаграммы токов и напряжений

Диаграмма изменений токов и напряжений в импульсном преобразователе напряжения понижающего типа в режиме непрерывных токов дросселя.

При поступлении импульса напряжения со схемы управления СУ происходит открытие транзистора VT (на диаграмме точка t₁). Из-за не идеальности диода VD, он не может мгновенно закрыться, поэтому входное напряжение оказывается полностью приложено между выводами коллектор – эмиттер транзистора. Поэтому ток через транзистор возрастает до своего максимального значения I_{VT MAX}. Скорость увеличения данного тока зависит от следующих параметров: скорость роста тока базы транзистора I_Б, коэффициента усиления по току h_21e и частотных свойств транзистора VT. Существенное влияние оказывают также частотные свойства диода VD, в частности, время рассасывания его неосновных носителей t_РАС.VD.

В момент времени t₂ начинается уменьшение обратного тока диода до значения I_ОБР, происходит восстановление обратного сопротивления диода, а ток, протекающий через транзистор I_CVT, уменьшается до значения I_{L min}, а напряжение между выводами коллектор-эмиттер U_CE – до напряжения насыщения

В течении длительности импульса напряжения от схемы управления (от точки t₂ до точки t₃), происходит возрастание тока, протекающего через дроссель от минимального значения

I_{L min} до максимального I_{L max}. При этом напряжение на диоде U_VD составит

После того как закончится импульс происходит закрытие транзистора через время рассасывания неосновных носителей в базе t_РАС, при этом ток дросселя уменьшается из-за открытия диода VD. При этом ток через дроссель L уменьшается до значения I_Lmin. Напряжение на транзисторе составит

где U_ПР – падение напряжения на диоде в открытом состоянии.

Далее цикл работы преобразователя повторяется.

Работа понижающего преобразователя в режиме прерывистых токов дросселя

Работа понижающего преобразователя в режиме прерывистых токов дросселя немного отличается от вышеописанного режима непрерывных токов. Диаграмма работы показана ниже

Диаграмма изменений токов и напряжений в импульсном преобразователе напряжения понижающего типа в режиме прерывистых токов дросселя.

Во время действия импульса рост токов и напряжений в режиме прерывистых токов аналогичен режиму непрерывных токов. Однако после закрытия транзистора (промежуток t₁ – t₂), ток через дроссель I_L падает до нуля.

Далее на интервале конденсатор фильтра С_ВЫХ также разряжается через сопротивление нагрузки R_H, а ток через дроссель L и диод VD отсутствует. В тоже время напряжение на транзисторе U_CE уменьшается

где U_ПР – падение напряжения на диоде в прямом направлении.

При подаче управляющего импульса и открытии транзистора VT (момент времени t₃), ток через него I_VT начинает возрастать от нуля, но не происходит броска коллекторного тока до значения до максимального значения из-за закрытого диода VD. После чего цикл повторяется.

Режим прерывистых токов является нежелательным, так как на интервале t₂ – t₃ дроссель фактически выключен из работы и не участвует в фильтрации пульсирующего напряжения. Вследствие чего растёт внутренне сопротивление преобразователя и возрастает переменная составляющая выходного напряжения.

Методика расчёта импульсного понижающего преобразователя

В настоящее время системы управления для импульсных преобразователей представляет собой интегральную микросхему, внутри которой находятся все необходимые элементы: триггеры, генераторы, различные защитные элементы, транзисторные ключи. Поэтому в настоящее время расчёт преобразователя заключается в определении параметров схемы для расчёта элементов фильтра: дросселя L и выходного конденсатора С_ВЫХ, характеристик диода VD, а также потерь мощности в данных элементах. Так как в маломощных преобразователях (до нескольких десятков Вт) транзистор чаще всего интегрирован в микросхему системы управления СУ, то для расчёта КПД и потерь мощности дополнительно рассчитываются потери в микросхеме СУ.

В общем случае для расчёта параметров схемы понижающего преобразователя напряжения необходимо задаться следующими величинами: входное напряжение (напряжение питания) U_ВХ, пределы его изменения ΔU_ВХ; номинальное выходное напряжение U_ВЫХ и пределы его регулировки ΔU_ВЫХ; минимальный и максимальный ток нагрузки I_Hmin и I_Hmax; максимальная амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке U_Н~; частоту преобразования f_п.

Расчёт будет производиться в следующем порядке:

1. Частоту преобразования f_п определяют в зависимости от микросхемы системы управления. Современные понижающие преобразователи способны работать на частотах сотни кГц, а иногда и единицы МГц, при этом их КПД составляет η_п = 0,85 … 0,95.

2. Определяем максимальное D_max и минимальное D_min значение коэффициента заполнения импульса на входе фильтра

3. Так как режим прерывистых токов дросселя нежелателен определим минимальную индуктивность дросселя L_min

Ни данной величины индуктивности дросселя преобразователь переходит в режим прерывистых токов.

4. Для определения ёмкости конденсатора фильтра, определим произведение LC_ВЫХ по заданной величине пульсаций выходного напряжения

где U_Н~ — максимальная амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке.

5. Для определения типа конденсатора определяем величину тока, протекающего через конденсатор C_ВЫХ. Так амплитуда тока I_Cmax

Величина действующего тока составит

6. Определяем величины токов: среднее I_Lср, минимальное I_Lmin и максимальное I_Lmax, протекающего через дроссель:

7. Рассчитываем параметры ключевого транзистора: предельные коллекторный ток I_Cmax и максимальное напряжение коллектор-эмиттер U_CEmax. При использовании микросхем для понижающих преобразователей со встроенным ключевым транзистором данный пункт можно пропустить.

8. Определяем требуемые параметры импульсного диода VD: допустимый прямой ток I_ПР, и максимально допустимое обратное напряжение U_ОБР

9. Рассчитываем потери мощности на диоде P_VD при работе в прямом направлении и в моменты переключения

10. Потери мощности на ключевом транзисторе P_VT в режиме насыщения и в моменты переключения P_Cнас и P_Cдин

Для преобразователей с интегрированным ключевым транзистором в микросхему, вместо времени включения и выключения транзистора использовать время переключения t_f, которое заданно в технической документации на микросхему.

11. Для окончания расчёта необходимо рассчитать параметры дросселя L фильтра, такие как размер и тип сердечника, количество витков провода и его сечение, потери мощности в нём.

Для полноты расчёта можно посчитать КПД преобразователя по выражению

где ΣР_ПОТ – суммарные потери мощности в преобразователе (в диоде, дросселе, схеме управлении, ключевом транзисторе), кроме вышеописанных потерь мощности сюда можно добавить потери от цепей управления микросхемы преобразователя, различные токи утечки и так далее, которые в сумме могут составлять до 10% от суммарных потерь мощности.

В следующей статье мы разработаем импульсный источник напряжения понижающего типа.