Основы проектирования источников питания

1 Введение

Начиная эту книгу, разумно ответить на следующий вопрос: “Что такое источник питания и зачем он мне нужен?” Если бы вы задали этот вопрос среднестатистическому разработчику электронных систем, вы вполне могли бы получить ответ: “Источник питания - это мерзость, которая занимает слишком много места в моем корпусе, расходует часть доступной мне мощности, нагревает мои чувствительные схемы и пробивает дыру в моем бюджете!”

Конечно, он или она говорит с точки зрения того, что источник питания не является частью системного решения, которое он или она пытается спроектировать. Ответ также заключается в игнорировании того факта, что источник питания защищает проектное решение от суровых условий электросети, обеспечивая при этом множество контролируемых, регулируемых и защищенных напряжений, которые крайне необходимы системе для выполнения ее задач.

Следовательно, мы должны рассматривать источник питания, как показано на рис. 1.1, как блок, который находится между системой, предназначенной для выполнения чего-то полезного, и основным источником питания, из которого система намеревается получать необходимую энергию.

1.1 Источники питания

Наиболее распространенным источником питания является мощность, которая поступает из розетки; это более точно называется “сетевым питанием”, поскольку оно модифицируется и обеспечивается линейными трансформаторами и внутренней распределительной сетью здания. Обычно это называется питанием от сети переменного тока, но переменный ток (для цепей переменного тока) - это, пожалуй, единственное, что в нем стандартизировано.

Первое, что следует учитывать при использовании сетевого питания - это номинальное значение как уровня напряжения, так и частоты переменного тока. Похоже, что каждая страна принимала эти решения самостоятельно, со своими номинальными значениями:

• Северная Америка - 120В, 60Гц
• Европа - 240В, 50Гц
• Австралия - 250В, 50Гц
• Япония - 100В, 50 или 60Гц
• Китай - 250В, 50Гц
• Южная Корея - 220В, 60Гц
• Тайвань - 110В, 60Гц

Поскольку мы сейчас живем в глобальном мире, нет ничего необычного в том, что требуется “работа в универсальном диапазоне”, что обычно означает работу в любом месте от низкого напряжения в Японии до высокого напряжения в Австралии. Если мы добавим допуски к этим номинальным уровням, это означает, что универсальный входной диапазон составляет от 85В переменного тока до 265В переменного тока с диапазоном частот от 47Гц до 63Гц. Мы также должны учитывать возможность переходных процессов до 750В и ударов молнии до 6КВ, а также одиночных переходных процессов. (Конечно, все это гораздо более подробно описано в соответствующих руководствах.)

Однако линия переменного тока - не единственный источник энергии для питания цепей и систем. Существует также широкий ассортимент источников питания постоянного тока (называемых источниками постоянного тока), большинство из которых питаются от батарей. Батареи имеют свой собственный диапазон характеристик, определяемых химическими свойствами, областью применения, окружающей средой и многими другими факторами. Несмотря на это, есть некоторые стандартные значения для отраслей, которые стоит отметить:

• Телекоммуникации - 48В
• Серверное оборудование - 48В
• Военная промышленность/космос - 28В
• Промышленность - 24В
• Автомобили (не электромобили) - 12В
• Потребительская электроника – от 1,5В до 20В

Этот список не следует рассматривать как всеобъемлющий, поскольку существует множество дополнительных стандартов, разработанных для конкретных применений (например, некоторые военные самолеты имеют стандарт 270V, а 48V был включен в некоторые европейские автомобили). Выбор 48В, в качестве стандарта имеет некоторое значение для внутреннего распределения электроэнергии, поскольку, хоть напряжение и можно линейно менять на ток при постоянном уровне мощности, потери мощности увеличиваются экспоненциально с увеличением тока. Следовательно, при заданном уровне мощности использование более высокого напряжения приводит к меньшим потерям. Однако верхний предел для большинства систем был установлен на уровне 48В, поскольку в стандартах безопасности указано, что 60В постоянного тока является максимальным “безопасным” напряжением, и этот порог напряжения достигается, когда к 48В системам применяются максимальные допуски наихудшего случая.

Местная автомобильная промышленность также в течение многих лет пыталась повысить напряжение батареи выше 12В, чтобы уменьшить потери в проводке, но пока безуспешно из-за огромных инвестиций в созданную инфраструктуру 12В. Конечно, электромобили (EV) явно выходят далеко за рамки этого значения. Для потребительских товаров большая часть того, что можно было бы считать стандартной “мощностью постоянного тока”, на самом деле определяется доступным номинальным напряжением батареи, и это изменилось с увеличением использования литиевых батарей, которые варьируются от высокого номинального напряжения 4,5В и снижаются до 2,5В во время их циклов разряда.

1.1 Системные нагрузки

Требования к нагрузке на систему представляют собой самую большую проблему для разработчиков источников питания, и это самое важное, что нужно сделать правильно, прежде чем начинать новый дизайн. С массовым распространением электронных систем практически не существует стандартов в отношении требований к питанию. Каждая система отличается от других, именно поэтому так важна конструкция источника питания. Список требований к питанию может включать многие, если не все, из следующих факторов:

• Количество необходимых различных напряжений
• Номинальное напряжение каждого из них с допустимыми допусками
• Номинальный, минимальный и максимальный ток нагрузки от каждого
• Максимальная суммарная мощность
• Общая эффективность при различных уровнях мощности
• Требования к специальной последовательности запуска
• Максимальный допустимый ток при перегрузке
• Тип защиты от сбоев как при перегрузке по току, так и при перенапряжении
• Регулирование напряжения, необходимое как для изменения в линии, так и для изменения в нагрузке
• Максимальная выходная пульсация и допустимый шум
• Реагирование на внезапные скачки нагрузки и входного напряжения
• Плюс все остальное, что может иметь решающее значение для системы, и это, безусловно, включает в себя размер и стоимость решения

1.1 Классификация источников питания

Существует много способов классификации источников питания, но очевидным определением первого уровня является то, является ли он источником переменного тока в постоянный или постоянного тока в постоянный, при условии, что большинство электронных нагрузок сегодня требуют питания постоянным током. Хотя это игнорирует большой класс промышленных систем с приводом от переменного тока, это сделано намеренно.

Преобразователь постоянного тока в постоянный используется в основном только для изменения уровня напряжения. Это можно было бы сделать с помощью неизолированной линейной или коммутационной конфигурации или, во многих случаях, с помощью межкаскадного трансформатора, который может обеспечить безопасную изоляцию, а также изменения уровня напряжения. В этой форме источник питания постоянного тока в постоянный фактически будет преобразователем постоянного тока в переменный для приведения трансформатора в действие на некоторой высокой частоте, за которым следует каскад преобразования переменного тока в постоянный для получения требуемой выходной мощности. (Давайте сократим описание от “XX в YY” и впредь будем использовать просторечный XX/YY.)

Преобразователь AC/DC может быть построен с использованием только выпрямителя и фильтрующего выходного конденсатора. Однако это было бы “запрещено” для применения в линиях электропередачи по соображениям безопасности, если только оно не было бы полностью заключено в изолирующий корпус. Поэтому, из-за требований к безопасной изоляции, а также эффективного изменения уровня напряжения, силовые преобразователи обычно требуют наличие трансформатора. До эры высокочастотных импульсных режимов преобразования этот трансформатор представлял собой большой, тяжелый блок со стальным сердечником, работающий на частоте 50-60 Гц (обычно называемый “лодочным якорем”).

Однако повышение рабочей частоты трансформатора теперь превращает типичный источник питания, работающий от переменного тока, в многоступенчатую конструкцию, которая включает в себя входной выпрямитель AC/DC, преобразователь DC/AC на высокой частоте, а затем еще одно преобразование AC/DC для обеспечения требуемой выходной мощности. Кроме того, многие источники питания могут иметь дополнительные функции преобразования мощности для обеспечения таких функций, как активная коррекция коэффициента мощности (PFC) на входе источника, а также несколько выходных обмоток для обеспечения нужного количества выходных напряжений.

Следующая часть этой книги начнется с процесса регулирования напряжения и представления компонентов, с которыми нам предстоит работать. Затем мы перейдем к деталям конкретных топологий силовых цепей и алгоритмов управления, используемых для обеспечения их функциональности, посвятив специальные главы описанию динамики контуров управления, магнитной технологии и устранения неисправностей. Дальше, часть книги будет посвящена смежным темам, таким как предотвращение электромагнитных помех, соблюдение стандартов безопасности и проектирование с учетом постоянно растущего спроса на более высокую энергоэффективность. Наконец, эта книга завершится практическим рассмотрением методов преобразования всей этой теории в успешно работающее оборудование.

2 Регулирование напряжения

2.1 Линейные (аналоговые) регуляторы напряжения

Из всех требований, которые любая система предъявляет к источнику питания, регулирование напряжения является наиболее очевидным и как правило наиболее важным. Регулирование обычно определяется как способность источника питания поддерживать свое выходное напряжение постоянным или в определенных пределах, в то время как оно подвергается определенным колебаниям как по уровню входного напряжения, так и по требованию к току нагрузки системы. В своей простейшей форме регулятор напряжения расположен между более высоким входным напряжением источника и более низким выходным напряжением, требуемым нагрузкой, и он поглощает разницу между этими уровнями входного и выходного напряжения. Он должен иметь значение импеданса, достаточно высокое, чтобы выдерживать максимальное входное напряжение, но также и достаточно низкое, чтобы обеспечить максимальный ток нагрузки. Простейшей реализацией этого регулятора является схема на стабилитроне, рис. 2.1.

Эта схема регулирует Vout, потому что стабилитрон будет иметь относительно постоянное напряжение обратного пробоя, несмотря на большие колебания тока через него. Разница между Vin и Vout поглощается последовательным резистором Rs. Хотя эта схема широко используется в приложениях с низким энергопотреблением, она не является энергоэффективной из-за потерь мощности как в резисторе, так и в стабилитроне, а также не очень точной из-за допусков напряжения на стабилитроне.

Rs имеет минимальное значение, определяемое минимальным входным напряжением и максимальным током нагрузки, но также должно быть достаточно большим, чтобы ограничить максимальный ток через стабилитрон максимальным Vin и минимальным током нагрузки IL - это явно существенное ограничение. Вместо этого требуется переменный последовательный импеданс, которым можно управлять без внутренних потерь тока через стабилитрон, рис. 2.2.

Мы называем эту схему “линейным” регулятором напряжения, потому что значение последовательного импеданса может линейно регулироваться дополнительным каскадом усиления, чтобы быть любым значением, необходимым для получения требуемого значения Vout, независимо от значений Vin и тока нагрузки IL. Это переменное сопротивление фактически реализовано с помощью полупроводникового устройства, которое также имеет коэффициент усиления по току, что облегчает функцию управления. Обратите внимание, что нам все еще нужно фиксированное опорное напряжение (которое все еще может быть стабилитроном), но теперь в схеме управления возможны лишь незначительные потери мощности. Однако в последовательном импедансе все еще имеются потери, равные разности входного и выходного напряжений, умноженной на ток нагрузки.

2.2 Схемы линейных регуляторов

Поскольку технология силовых транзисторов развивалась и расширялась на протяжении многих лет, мы стали свидетелями появления нескольких способов реализации “переменного последовательного импеданса”, все они связаны с выбором силового устройства и по-прежнему широко используются сегодня. Первым из них было использование биполярных транзисторов NPN, которые использовались в конфигурации Дарлингтона, рис. 2.3.

Силовые транзисторы NPN уже много лет имеют необходимые значения напряжения и высокую пропускную способность по току. Однако при использовании одного транзистора требования к току базы могли легко превысить выходную мощность большинства конструкций, поэтому предпочтительным было добавление в схему второго транзистора с большим коэффициентом усиления по току. “Недостатком” этого подхода было дополнительное падение напряжения между коллектором и эмиттером примерно на 2В, что обеспечивало бы проводимость. Эта проблема была устранена, когда технология силовых транзисторов PNP была разработана таким образом, что эти устройства могли соответствовать номинальным значениям напряжения и тока эквивалентных узлов на транзисторах NPN. Это привело к конфигурации схемы, показанной на рис. 2.4, с транзистором PNP, функционирующим как проходной транзистор.

Эта схема по-прежнему имеет преимущество усиления по току на двух транзисторах, но теперь проходной транзистор PNP может быть приведен в состояние насыщения, что означает, что минимальный перепад входного и выходного напряжения может составлять всего 0,5В по сравнению со значением 2,0В в конфигурации Дарлингтона. У этой схемы также есть обратная сторона: в то время как ток базы NPN транзистора вносит свой вклад в ток нагрузки, ток базы PNP транзистора передается на землю и вносит дополнительные потери мощности.

Однако технология силовых устройств улучшилась, и теперь у нас есть силовые МОП-транзисторы с очень низким сопротивлением, RDS(on), и поэтому они хорошо подходят для использования в качестве проводящих транзисторов, рис. 2.5.

Хотя силовые источники питания на МОП-транзисторах доступны уже много лет, их использование в качестве проводящего устройства в линейном регуляторе развивалось медленнее, в первую очередь из-за необходимости низкого значения минимального падения напряжения на источнике, когда он был нагружен. В биполярном транзисторе, сопротивление между коллектором и эмиттером зависит от величины протекающего через него тока, таким образом, сопротивление уменьшается по мере увеличения тока. Следовательно, падение напряжения является относительно постоянным и довольно низким по величине при насыщении.

Однако полевой МОП-транзистор является устройством управление которым осуществляется напряжением, а не током. Следовательно, сопротивление в режиме «проводимости», является относительно постоянным и не зависит от напряжения насыщения, а это означает, что потери мощности будут экспоненциально возрастать с увеличением тока. Решение, которое сделало силовые МОП-транзисторы практичными, заключалось в том, чтобы обеспечить гораздо больше параллельных токопроводящих путей внутри устройства, но это решение изначально требовало, чтобы кристалл силового МОП-транзистора был намного больше по площади и, следовательно, дороже, чем эквивалентное биполярное устройство. Однако с развитием технологий современные силовые полевые МОП-транзисторы теперь имеют сопротивление во включенном состоянии, которое сравнимо или даже ниже, чем их соединительные провода, и это сделало МОП-транзистор экономически эффективным решением.

Однако при использовании MOSFET есть еще одна сложность: напряжение затвор-исток составляет несколько вольт, а не 0,7В ка на переходе база-эмиттер биполярного транзистора. Это требует от разработчика выбора между использованием N-канального МОП-транзистора и подачей более высокого управляющего напряжения на затвор или выбором эквивалентного P-канального МОП-транзистора, который обычно будет более дорогим и будет иметь худшие характеристики чем N-канальный.

Независимо от реализации, все линейные стабилизаторы напряжения по-прежнему страдают от потери эффективности, вызванной прохождением тока нагрузки через переменный импеданс, необходимый для поддержания перепада напряжения между переменным входным напряжением и желаемым регулируемым выходным напряжением.

Рассмотрим эту проблему на реальном примере. Предположим, что имеется источник постоянного напряжения, на входе которого может поступать от 8 до 12 В, и нам необходимо регулируемое выходное напряжение 5 В для управления нагрузкой 1 А. При подаче 5 Вт мощности на нагрузку с входным напряжением 12 В общая потребляемая мощность составит 12 Вт, но семь из этих ватт просто нагревают проводящий транзистор.

Хотя эффективность линейного регулятора может быть ограничением во многих приложениях, он по-прежнему имеет много преимуществ в производительности, которые могут способствовать его использованию; это особенно актуально, когда его входное напряжение может быть предварительно отрегулировано для получения небольшой разницы напряжения вход-выход. Однако существует более эффективное решение: импульсный стабилизатор.

2.3 Импульсные регуляторы

В простейшем варианте импульсный стабилизатор напряжения заменяет переменное сопротивление проводящего транзистора переключателем, который имеет только два состояния: полностью включен или полностью выключен. Поскольку это приведет к прерыванию входного напряжения, а нам нужен стабильный уровень выходного напряжения, мы также должны добавить выходной фильтр. Однако, поскольку этот фильтр будет воспринимать на входе только временные интервалы накопления энергии, он может быть изготовлен из компонентов, практически не имеющих потерь. Наша схема регулятора теперь выглядит так, как показано на рис. 2.6.

Транзистор в этой схеме удерживает все входное напряжение, когда он разомкнут, и отдает полный ток в нагрузку, когда он замкнут. Из-за допущения об идеальных компонентах мощность не теряется ни в одном из состояний переключателя, а теоретический КПД теперь равен 100 %. Способ, которым эта схема управляет выходным напряжением, заключается в управлении отношением времени включения к времени выключения (рабочий цикл, D) при некоторой относительно высокой частоте переключения. Рабочий цикл может варьироваться от нуля до 1,0, а уравнение усиления имеет вид Vout = (Vin x D), что означает, что при D = 0, Vout = 0, при D = 1,0, Vout = Vin. Регулирование между этими пределами осуществляется широтно-импульсным модулятором (ШИМ), который устанавливает время включения на любое необходимое значение, чтобы при усреднении импульсов входного напряжения выходным фильтром достигалось желаемое выходное напряжение.

Эта операция более подробно показана на рис. 2.7.

Здесь компонентами фильтра являются катушка индуктивности и конденсатор, а также диод, который обеспечивает протекание тока катушки индуктивности, когда переключатель разомкнут. На верхнем графике показано действие переключателя с рабочим циклом чуть выше 50%, а на нижнем графике показано, что при импульсах входного напряжения этот рабочий цикл создает среднее выходное напряжение, которое немного превышает половину входного напряжения. На практике выходной конденсатор подходящего номинала снизит пульсации на выходе до незначительной величины.

~Продолжение следует~