Дополнительный материал к лекции 25 для самостоятельной работы

Импульсные источники электропитания. Решение проблемы материалоёмкости и энергопотребления электронной аппаратуры связаны с использованием ключевых или импульсных источников электропитания

(ИИЭ). Переход к ключевому режиму работы регулирующего элемента блока электропитания обеспечивает высокий КПД импульсных источников электропитания (до 80…85% вместо 40…60% в источниках электропитания с стабилизаторами непрерывного действия), а удельная мощность (Вт/дм³) возрастает в отношении 4:1. При повышении частоты преобразования с 20 кГц до 200 кГц удельная мощность увеличивается в отношении 8:1, т.е. почти в два раза. В свою очередь, меньшая мощность, рассеиваемая выходным транзистором ИИЭ, ведет к уменьшению массы его радиатора, а за счёт облегченного теплового режима повышается надёжность всего устройства.

Уменьшение габаритов и массы ИИЭ ещё обусловлено тем, что вместо силового трансформатора, работающего на частоте промышленной сети (50 или 60 Гц), применяется небольшой импульсный, работающий на частоте порядка десятков килогерц.

Импульсные источники электропитания имеют большее время удержания выходного напряжения при внезапном отключении электропитания. Это обусловленно тем, что в сетевом выпрямителе используются конденсаторы большой ёмкости с высоким рабочим напряжением (до 400 В). При этом размеры конденсаторов растут пропорционально произведению СU, а энергия конденсатора пропорциональна С·U². Этой энергии конденсатора сетевого выпрямителя достаточно для поддержания в рабочем состоянии источника питания в течении времени до 30 мс, что очень важно для сохранения информаци в компьюторах при внезапном отключении электропитания.

К недостаткам ИИЭ обычно относят: сложность схемы, наличие высокочастотных шумов и помех, большое время выхода на рабочий режим.

В то же время пульсации выходного напряжения в ИИЭ больше, чем у непрерывных (линейных), что обусловлено сложностью подавления коротких импульсов при работе импульсного преобразователя.

Первоначальное распространение ИИЭ получили преимущественно в телевизионных приёмниках, а дальнейшем - в видеомагнитафонах и другой электронной аппаратуре, что объясняется в основном двумя причинами. Во –первых чувствительность ТВ и ВМ к создаваемым ИИЭ помехам значительно ниже, чем например, аппаратура звуковоспроизведения, особенно высококачественная. Во – вторых, ТВ и ВМ отличаются относительно

постоянством и сравнительно небольшой величиной (10…80 Вт) мощности потребляемой в нагрузке. Колебания этой мощности в ТВ обусловлены

изменением яркости экрана при смене сюжетов и составляет не не более 20 ВТ (приблизительно 30% максимальной потребляемой мощности). Для ВМ колебания мощности, потребляемой в нагрузке возникают, в основном, только при переключении режимов работы лентопротяжного механизма и составляет не более нескольких единиц Ватт. Для примера, в стереофоническом усилителе с выходной мощностью 2·20 Вт колебания мощности достигают 70…80 Вт (приблизительно 70..80 % максимальной мощности потребляемой мощности). Поэтому для этого класса радиоаппаратуры ИИЭ получают более дорогостоящими из-за необходимости использования двухтактных схем преобразователей (инверторов), более сложных стабилизаторов и фильтров и т.д.

Обобщенная структурная схема импульного источника электропитания приведена на рисунке 2.85. Она состоит из четырёх основных блоков:

- сетевого выпрямителя с ёмкостным фильтром;

- высокочастотного инвертора выпрямленного напряжения сети;

- устройства управления высокочастотным инвертором (обычно это специализированная микросхема);

- выходного высокочастотного выпрямителя с ёмкостным фильтром и стабилизатором непрерывного действия.

Рисунок 2.85 - Обобщенная структурная схема импульсного источника

электропитания

Сетевой выпрямитель выполняет функции выпрямления напряжения сети uс и сглаживания пульсаций, обеспечивает режим плавного заряда

конденсатора фильтра при включении ИИЭ, бесперебойной подачи энергии в нагрузку при кратковременных провалах напряжения сети ниже допустимого уровня и уменьшения уровня помех за счёт применения специальных

помехоподавляющих фильтров.

Высокочастотный инвертор и устройство управления совместно образуют импульсный преобразователь. Устройство управления или контроллер состоит из функциональных узлов; источник питания контроллера ИПК; модулятор длительности импульсов МДИ; устройство защиты УЗ; логическую схему ЛС для соединения сигналов МДИ и УЗ; формирователя управляющего напряжения ФУН для мощного транзистора инвертора. Контроллером осуществляется импульсное управление мощным транзисторным ключом инвертора. Кроме того, на контроллер возложены функции стабилизации напряжения на нагрузке, а также защита ИИЭ от перенапряжения, перегрузок по выходному току, сбросов (просадок) напряжения и перегрева. В некоторых конструкциях непосредственно в схеме управления дополнительно реализуются функция дистанционного включения /выключения ИИЭ.

На выходе импульсного преобразователя устанавливаются функциональные узлы: высокочастотные выпрямители с фильтрами и стабилизаторы непрерывного действия питающих напряжений нагрузоки.

Основным функциональным узлом импульсного преобразователя является модулятор длительности импульсов. Рассмотрим работу данного узла. Модулятор длительности импульсов формирует импульсную последовательность с заданными соотношениями длительности импульса к длительности паузы (скважности). В зависимости от способа управления мощным транзистором инвертора в МДИ используется широко широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Данная модуляция применяется благодаря простоте схемной реализации, а также потому, что ШИМ- в преобразователях напряжения частота коммутации остаётся неизменной, а изменяется только длительность импульса.

Структурная схема модулятора длительности импульсов приведена на рисунке 2.86.

Рисунок 2.86 - Структурная схема модулятора длительности импульсов

В состав МДИ входят следующие функциональные узлы: источник опорного напряжения ИОН; усилитель сигнала ошибки (рассоглосования)

УСО; задающий генератор ЗГ; генератора пилообразного напряжения ГПН;

ШИМ- компаратор ШК.

а) б)

Рисунок 2.87- Форма импульсов при широтно-импульсной модуляции

(а) и способ их получения (б)

Принцип работы ШИМ-модулятора. ШИМ- модулятор работает следующим образом. Задающий генератор ЗГ генерирует колебания прямоугольной формы (рисунок2.87,а) с частотой, равной рабочей частоте преобразователя напряжения. Формируемое из этих колебаний в ГПН пилообразное напряжение U_п (рисунок 2.87,б) поступает на вход ШИМ компаратора ШК, на другой вход которого поступает сигнал с выхода усилителя ошибки. Выходной сигнал УСО, U_ош = U_пм/ 2, где U_пм-максимальное значение пилообразного напряжения, пропорционален разности между опорным напряжением и напряжением, вырабатываемым цепью обратной связи U_ос. Таким образом, напряжение U_ош является сигналом рассоглосования, уровень которого изменяется пропорционально изменению тока нагрузки Iн или выходного напряжения U_вых ИИЭ (см. Рисунок 2.87,б). В результате такого построения схемы образуется замкнутая цепь регулирования уровня выходного напряжения. ШИМ – компаратор является линейно-дискретным функционпльным узлом МДИ. Вход, на который поступает пилообразное напряжение, является опорным, а второй - управляющим. Выходной сигнал ШК - импульсный. Глубина широтно импульсной модуляции характеризуется коэффициентом заполнения γ=tи/Т, где tи - длительность импульса управления, Т- период повторения. Если длительность импульса составляет половину периода, то γ=0,5, т.е 50%. При увеличении длительности импульса коэффициент заполнения растёт до 100%. В общем случае коэффициент заполнения 0 < γ>100%.

При увеличении выходного напряжения Uвых>Uвых. ном сигнал ошибки также увеличивается U_ош >U_пм/2, а длительность импульса управления

уменьшается, как показано на рисунке 2.87,б.

При уменьшении выходного напряжения U_вых <U_{вых.ном} сигнал ошибки уменьшается U_ош<U_пм/2, а длительность импульса увеличивается.

Изменение длительности импульса t_и приводит к изменению времени в включения состояния силового транзисторного ключа и, следовательно, к пропорциональному изменению выходного напряжения. Таким образом, в регулированном ШИМ-инверторе обеспечивается стабилизация выходного напряжения.

Модулированные по длительности выходные импульсы ШК поступают на логическую схему ЛС.

Принцип работы импульсного источника электропитания. Гармоническое напряжение сети (50 или 60 Гц) выпрямляется сетевым выпрямителем и заряжает конденсатор фильтра, имеющий достаточно большую ёмкость. Большая ёмкость фильтра сетевого выпрямителя обеспечивает низкие пульсации выпрямленного напряжения и увеличивает время удержания выходного напряжения. При ёмкости фильтра 100 мкФ и потребляемой мощности 100 Вт время удержания составляет примерно 30 мс, При напряжении питающей сети 220 В напряжение на ёмкости составляет примерно 300 В.

Это напряжение поступает на вход импульсного преобразователя, который преобразует его в высокочастотные импульсы прямоугольной формы. Частота импульсного напряжения обычно лежит в пределах от 20 до 200 кГц. С увеличением частоты преобразования увеличивается удельная мощность, но одновременно растут потери в элементах преобразователя, что приводит к снижению КПД.

С выхода преобразователя напряжения поступает на высоокочастотный выпрямитель с ёмкостным фильтром. При высокой частоте преобразования к элементам выпрямителя и фильтра предъявляются очень жесткие требования: время восстановления обратного сопротивления выпрямительных диодов должно лежать в пределах от 10 до 100 нс, а ёмкость фильтра не должны иметь индуктивности.

В большинстве случаев высокочастотный инвертор работает на фиксированной частоте, а регулирование выходного напряжения обеспечивается с помощью широтно-импульсной модуляции управляющих сигналов. Широтно –импульсное регулирование выполняется при помощи схемы управления, на вход которой подается выходное напряжение. Для обеспечения гальванического разделения выхода силовой сети в трансформаторных схемах инвертора обычно используются различные типы устройств гальванической развязки: оптроны, трансформаторы, изолирующие усилители и др.Несомненными преимуществами оптронной развязки по сравнению с трансформаторной является её технологичность, малые габариты и возможность передавать сигналы в широком спектре частот.

Однако трансформаторная развязка позволяет обойтись меньшим числом промежуточных усилителей в схеме управления ИИЭ, осуществить более простое согласование с высоковольтными источниками сигналов обратной

связи. Тем не менее, в настоящее время конструкторы при разработке

импульсных блоков питания всё больше предпочтение отдают оптронным цепям развязки.

Сигнал через оптронную развязку поступает на функциональный узел защиты. Схема защиты предназначенна для защиты ключа инвертора и потребителей, питаемых от преобразователя, от работы в режимах недонапряжения или перенапряжения, от максимального значения тока в нагрузке и от повышения температуры силового ключа преобразователя. Все эти защиты усложняют преобразователь, но делают его более надёжным.

Сигнал с схемы защиты поступает на один из входов логической схемы. Схема логики обеспечивает формирование управляющих импульсов в зависимости от сигналов, поступающих от узла запуска, формирователя сигнала ШИМ и сигнала зашиты.

Формирователь сигнала управления ключом осуществляет формирование управляющих импульсов в соотвествии с совокупностью всех управляющих воздействий. Оснавная задача формирователя- обеспечить необходимый управляющий ток для отпирания транзисторного ключа в инверторе и надёжное запирание транзисторного ключа после обратного переключения.

Главной тенденцией совершенствования ИИЭ бытовой электроники является переход от конструкцией на дискретных элементах к конструкциям источника питания, практически полностью выполненых на интегральных микросхемах. В первую очередь это касается схем управления ИИЭ и стабилизаторов вторичных напряжений нагрузки. Отдельно необходимо сказать о мощных высоковольтных транзисторных ключах. В настоящее время всё чаще применяют ИМС –контроллеры со встроенным силовым ключом, причём биполярные транзисторы вытесняются мощными КМОП- транзисторами. Главные преимущества КМОП- ключей - это более простое управление ими, повышенная устойчивость ко вторичному пробою из-за снижения вероятности локального перегрева кристалла, повышенная (до 0,1…

1 МГц) частота переключения (в них не происходит накопления заряда).

Песпективы развития импульсных источников электропитания.

Процесс внедрения ИИЭ в массовую электронную аппаратуру находится еще на начальной стадии своего развития. Основной областью применения ИИЭ в настоящее время являются телевизионные приёмники, видеомагнитофоны, проигрыватели компект- дисков, рахличные цифровые приборы и электронно- вычислительная техника. Практически не применяются ИИЭ для массовой малогабаритной аппаратуры- радиоприёмников, кассетных магнитофонов, плейеров, которые в домашних условиях зачастую эксплуатируются от автономных источников - электрических батарей, что в связи с их весьма немалой стоимостью экономически невыгодно.

Однако, и в традиционной сфере применения ИИЭ в настоящее время заметен существенный прогресс. Обусловлен он в основном следующими причинами.

Во-первых, непрерывно возрастают требования к надёжности и экономичности (в первую очередь с точки зрения энергопотребления и стоимости) как к электронной аппаратуре в целом, так и к импульсным блокам в частности.

Во- вторых, активное и широкое внедрение элементов электронно-

вычислительной техники практически во все виды аппаратуры ведет к тому, что разработчики импульсных блоков электропитания вынуждены в конструкциях таких ИИЭ уситывать возникающие специфические требования, а также заимствовать и совершенствовать те рещения, которые были свойственны только компьюторным ИИЭ.

В – третьих, огромный прогресс в миниатюризации элементной базы и особенно в интегральной технологии непрерывно стимулирует и предлагает новые подходы к решению первых двух проблем.

Стремление разработчиков оптимизировать соотношение себестоимости, рабочих характеристик и габаритных размеров ИИЭ ведет к постепенному отказу от регулирования выходных напряжений ИИЭ методом широтно-импульсной модуляции с постоянной рабочей частотой и обратной связью по напряжению и переходу к методу регулирования в резонансном режиме, а также к методу с дополнительной обратной связью по току дросселя (ДОСТ).

Кроме того, необходимость существенного повышения КПД импульсных блоков электропитания заставляет разработчиков рассматривать вопрос о введении даже простейших ИИЭ так называемых схем коррекции коэффициента мощности.

Так, уменьшения габаритов ИИЭ можно добиться, воспользовавшись режимом регулирования ДОСТ и увеличением рабочей частоты более чем до

1 МГц. При частотах переключения свыше 1 МГц следует использовать резонансный метод. Введение схем активной коррекции мощности позволит повысить долю полезной мощности, отбираемой импульсным блоком электропитания от сети переменного тока более, чем на 10%.

В контроллерах с ДОСТ для регулирования амплитуды тока дросселя (в качестве которго выступает первичная обмотка импульсного трансформатора) использует дополнительный (или внутренний) контур регулирования, в то времяя как основной контур служит для стабилизации выходного напряжения (рисунок). В противоположность этому в ИИЭ с обратной связью по выходному напряжению коэффициент заполнения (отношение длительности импульса к длительности паузы) последовательности импульсов ШИМ-модулятора регулируется в зависимости от уровня выходного напряжения. При регулировании с ДОСТ силовой ключ выключается при достижении тока дросселя некоторого порогового значения.

Порог задаётся выходным сигналом усилителя ошибки и величины падения напряжения на токоизмерительном резисторе.

Применение ДОСТ дает многочисленные улучшения различных характеристик - особенно при рабочей частоте свыше 500 кГц.

Параметрическая компенсация отклонений входного напряжения позволяет мгновенно корректировать (без использования динамического диапазона усилителя сигнала ошибки) режим работы ИИЭ при произвольных изменениях сетевого (входного) напряжения. Благодаря этому нестабильность по сети получается очень малой, и режим работы усилителя сигнала ошибки меняется только при изменениях тока нагрузки. Кроме того, существенно упрощается частотная коррекция всего контура обратной связи, уменьшается

время реакции контура как при малых, так и при больших изменениях тока нагрузки, что обеспечивает устойчивость системы к самовозбуждению.

Рисунок 2.88 - Функциональная схема показывающая принцип

регулирования с дополнительной обратной связью по

току

В резонансных преобразователях силовой ключ подает на LC- контур импульсы тока или напряжения, вызывая его резонирование. Энергия, циркулирующая в этом контуре, поступает к нагрузке. При резонансном режиме регулирования включение или выключение силового КМОП- транзистора происходит либо при нулевом токе, протекающем через него, либо когда на нем отсутствует напряжение, что практически исключает потери на переключение. При этом также уменьшаются перегрузки компонентов и уровень электромагнитных помех.

Коэффициентом мощности К_м называется отношение активной мощности Ра переменного и пульсирующего тока, измеренной ватметром, к реактивной мощности Рр.

К_м = Р_а / Р_р = U·I / U_i cosφ < 1, (2.73)

При резистивной нагрузки К_м= 1. При реактивной нагрузки К_м= cosφ, где φ- сдвиг фазы между напряжением и током в сети.

В Европе Международная электротехническая комиссия (МЭК) разработала стандарт IEC-555, содержащий требования к допустимому уровню

вносимых в сеть переменного тока высших гармоник, шумов и колебаний напряжения для электронных приборов. В настоящее время в водится новый стандарт МЭК IEC- 1000-3-2 (вместо IEC-555-2) значительно ужесточает требования к нормам на коэффициент мощности потребляемой энергии.

Низкий коэффициент мощности обычно импульного блока электропитания (не более 60…80%) обуловлен импульсным характером тока,

отбираемого из сети блоком питания для зарядки его входным конденсатором. Такие импульсы характеризуются большой амплитудой и высоким содержанием высших гармоник, которые расфазированны с входным напряжением переменного тока и тем самым способствуют снижению коэффициента мощности. Дело в том, что полезная мощность создаётся лишь током, синфазным с входным напряжением. Кроме того, высшие гармоники, возникающие из-за импульсного характера входного тока, вносят весьма существенные шумы и искажения.

Для повышения коэффициента мощности применяются пассивные и активные корректоры мощности.

Пассивные корректоры коэффициента мощности обычно выполняют на конденсаторах и коммутирующих диодах. Такие корректоры применяются при индуктивной нагрузки – это источники питания ламп дневного света, асинхронные двигатели и др. Недостатки схемы следует отнести громоздкие конденсаторы и ограниченная область применения.

Активный корректор коэффициента мощности. Упрощенная функциональная схема активного корректора приведена на рисунке 2.89.

а) б)

а- схема корректора мощности;

б- временные диаграммы

Рисунок 2.89 - Функциональная электрическая схема активного корректора

коэффициента мощности и его временные диаграммы

Данная схема состоит из выпрямителя В, ДВН-датчика выпрямленного напряжения, СУ - схемы управления, ДТ – датчика тока, схемы повышающего

импульсного стабилизатора, в который входят следующие элементы схемы индуктивность L, ключевой транзистор VТ, диод VDс-коммутирующий диод и сглаживающего фильтра Сф.

Принцип работы. Как видно из схемы, получения коэффициента мощности, близкое к единице, достигается за счёт исключения из выпрямителя

ёмкости фильтра, которая обычно устанавливается в импульсных источниках электропитания (рисунок 2.89, а) для сглаживания пульсаций выпрямленного

напряжения. Вместо этой ёмкости в схему вводится высокочастотный импульсный стабилизатор повышающего типа, с небольшой индуктивностью L

на входе, работающий в граничном режиме прерывистого тока в индуктивности.

В соотвествии с принципом действия повышающего стабилизатора напряжения при включении транзистора VТ через индуктивность начинает протекать ток, который нарастает по линейному закону. При выключении транзистора ток в индуктивности начинает спадать по линейному закону, заряжая через диод VDс ёмкость фильтра Сф.

Включение и выключение ключевого транзистора VT выполняется устройством управления, которое состоит из датчика выпрямленного напряжения ДВН, датчик тока ДТ в индуктивности L и схемы формирования импульсов управления СУ. Процесс формирования импульсов управления иллюстрируется временными диаграммами, привеленными на рисунке б. Как видно из этих диаграмм, включение транзистора VT происходит в момент времени, когда напряжение на выходе датчика тока становится равным нулю (т.е. при нулевом токе в индуктивности L). Выключение транзистора VT происходит в момент времени, когда линейно нарастающее напряжение с датчика тока становится равным изменяющему по синусоидальному закону напряжению с датчика выпрямленного напряжения ДВН.

После выключения транзистора ток в индуктивности начинает спадать, и при нулевом значении тока транзистор VT вновь включается. Далее процесс повторяется с достаточно высокой частотой. Усреднённый ток iср в индуктивности оказывается синусоидальным по форме и почти совпадающим по фазе с выпрямленным напряжением. Таким образом, благодаря схеме корректора достигается высокое значение коэффициента мощности.

Дата добавления: 2014-01-04