Импульсные источники питания
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.
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.
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.
Основы накопления энергии
Уравнение (1), выражающее правило Ленца, содержит определение индуктивности. Катушка обладает индуктивностью в один генри, если изменение тока на один ампер за одну секунду производит напряжение на катушке в один вольт:
(1)
Первое следствие уравнения (1) состоит в том, что ток, протекающий через катушку индуктивности, не может изменяться мгновенно. Ведь в этом случае на катушке возникло бы бесконечное напряжение. В реальности же такие эффекты, как, например, возникающая при «пробое» контактов электрическая дуга, ограничивают это напряжение очень высоким, но не бесконечным значением. Вторым следствием уравнения (l) является то, что напряжение на катушке индуктивности мгновенно изменяется с положительного на отрицательное при переключении с накопления энергии в индуктивности (производная di/dt положительна) на извлечение энергии из неё (di/dt отрицательна). Уравнение (2), полученное интегрированием уравнения (1), используется для определения тока в катушке индуктивности при известном напряжении.
(2)
Уравнение (3) даёт определение ёмкости. Конденсатор обладает ёмкостью в один фарад, если накопленный заряд в один кулон создаёт напряжение на нём в один вольт.
Q = CU. (3)
Уравнения (4) и (5) определяют ёмкость конденсатора через напряжение и ток (заряд представляет собой интеграл от тока, а ток – соответственно производную заряда по времени dq/dt):
, (4)
(5)
Ток в конденсаторе фильтра импульсного источника питания обычно принимает пилообразную форму. Назначение конденсатора состоит в том, чтобы ограничивать колебания напряжения (пульсации). Из уравнения (4) следует, что выполнить эту задачу можно, либо увеличивая ёмкость конденсатора, либо уменьшая dt. Одним из главных достоинств импульсных источников питания является возможность использования очень малых dt (за счёт повышения частоты коммутации), благодаря чему ёмкость конденсатора фильтра существенно уменьшается.
Понижающий преобразователь
На Рис. 1 изображена идеальная модель понижающего преобразователя, состоящего из идеального источника напряжения, идеального управляемого ключа, идеального диода, идеального дросселя, идеального конденсатора и нагрузочного резистора. Преобразователь называется понижающим потому, что выходное напряжение всегда меньше входного, так как напряжение на дросселе «противится» входному (противоположно по полярности напряжению источника). Данный идеальный стабилизатор предназначен для работы от источника напряжением 20 В и обеспечивает напряжение 5 В на нагрузке 10 Ом. Ключ размыкается и замыкается через каждые 10 мкс, при этом на пассивных компонентах формируется сигнал с широтно-импульсной модуляцией. В установившемся режиме выходное напряжение стабилизатора равно
, (6)
где DC — коэффициент заполнения (коэффициент заполнения – величина, характеризующая соотношение между положительными и отрицательными полупериодами в последовательности импульсов).
Это уравнение определяет выходное напряжение преобразователя вне зависимости от значений индуктивности, тока нагрузки и ёмкости выходного конденсатора, при условии, что через дроссель течёт непрерывный ток. При этом подразумевается, что напряжение на дросселе имеет прямоугольную форму.
Рис. 1. Идеализированная модель понижающего преобразователя
|
В данной схеме диод используется в качестве управляемого напряжением вентиля. В то время, когда входной ключ разомкнут (Рис. 1), диод обеспечивает канал для протекания разрядного тока дросселя (Напряжение на дросселе при уменьшении протекающего через него тока, в соответствии с уравнением (1) имеет отрицательную полярность, поэтому диод открывается). Когда же дроссель накапливает энергию (Это происходит тогда, когда ключ замкнут), диод смещён в обратном направлении, поэтому ток через него не течёт.
Работа понижающего преобразователя может также осуществляться в прерывистом режиме, при котором в течение некоторой части периода коммутации ток дросселя равен нулю.
Для прерывистого режима работы уравнение (6) несправедливо. Пульсации выходного напряжения в понижающем преобразователе, работающем в прерывистом режиме, выше, так как конденсатор фильтра должен обеспечивать ток нагрузки в то время, когда ток дросселя равен нулю. Как правило, понижающий преобразователь работает в прерывистом режиме, только когда ток нагрузки становится намного меньше номинального расчётного значения.
