С развитием и инновациями в области технологий силовой электроники технологии импульсных источников питания также постоянно совершенствуются. В настоящее время импульсные источники питания широко используются почти во всех электронных устройствах благодаря своим небольшим размерам, легкому весу и высокой эффективности, что делает их незаменимым методом питания в быстром развитии современной электронной информационной индустрии.
Импульсный источник питания — это тип источника питания, который использует современные технологии силовой электроники для управления соотношением времени включения и выключения переключающего элемента, поддерживая стабильное выходное напряжение. Импульсный источник питания обычно состоит из интегральной схемы управления шириной импульса (PWM) и MOSFET.
Импульсный источник питания относительно линейных источников питания. Его вход напрямую выпрямляет переменный ток в постоянный, а затем, под действием высокочастотной осцилляционной схемы, управляет включением и выключением тока с помощью переключающего элемента, формируя высокочастотный импульсный ток. С помощью индуктора (высокочастотного трансформатора) он выдает стабильное низковольтное постоянное напряжение.
Из-за обратной зависимости между размером сердечника трансформатора и квадратом рабочей частоты импульсного источника питания, чем выше частота, тем меньше сердечник. Это значительно уменьшает размер трансформатора, делая источник питания легче и компактнее. Более того, поскольку он напрямую управляет постоянным током, эффективность этого источника питания значительно выше, чем у линейных источников питания. Это экономит энергию, что и делает его популярным среди людей. Однако у него также есть недостатки, такие как сложные схемы, трудное обслуживание и серьезное загрязнение схемы. Уровень шума источника питания высокий, что делает его неподходящим для некоторых низкошумных схем.
Характеристики импульсных источников питания
Импульсный источник питания обычно состоит из интегральной схемы управления шириной импульса (PWM) и MOSFET. С развитием и инновациями в области технологий силовой электроники импульсные источники питания в настоящее время широко используются почти во всех электронных устройствах благодаря своим небольшим размерам, легкому весу и высокой эффективности, подчеркивая их важность.
Классификация импульсных источников питания
Согласно способу подключения переключающих устройств в схеме, импульсные источники питания можно в общем разделить на три основные категории: последовательные импульсные источники питания, параллельные импульсные источники питания и трансформаторные импульсные источники питания.
Среди них трансформаторные импульсные источники питания можно дополнительно разделить на различные типы: с вытягиванием, полумостовые, полные мостовые и т.д. В зависимости от возбуждения трансформатора и фазы выходного напряжения их также можно разделить на различные типы: прямые, обратные, однофазные и двухфазные.
Различия между импульсными источниками питания и обычными источниками питания
Обычные источники питания обычно являются линейными источниками питания, которые относятся к источникам питания, работающим в линейном состоянии. В отличие от этого, импульсные источники питания работают иначе; переключающий элемент (в импульсных источниках питания мы обычно называем регулирующий элемент переключающим элементом) работает в двух состояниях: включен — низкое сопротивление, выключен — высокое сопротивление.
Импульсные источники питания являются относительно новым типом источника питания. У них есть такие преимущества, как высокая эффективность, легкий вес, регулируемое напряжение и высокая выходная мощность. Однако из-за работы схемы в переключающем состоянии они, как правило, производят больше шума.
Например: Импульсный источник питания понижающего типа
Давайте кратко обсудим принцип работы понижающего импульсного источника питания: схема состоит из переключателя (в практических схемах это транзистор или полевой транзистор), диода свободного хода, индуктора для хранения энергии, фильтрующего конденсатора и т.д.
Когда переключатель замкнут, источник питания подает питание на нагрузку через переключатель и индуктивность, накапливая некоторую электрическую энергию в индуктивности и конденсаторе. Из-за самоиндукции индуктора ток медленно увеличивается после включения переключателя, что означает, что выходное напряжение не может сразу достичь напряжения источника питания.
Через некоторое время переключатель открывается. Из-за самоиндукции индуктора (можно представить, что ток в индуктивности имеет инерционный эффект) он будет поддерживать ток в цепи, продолжая течь слева направо. Этот ток проходит через нагрузку, возвращается к земле, течет к положительному выводу диода свободного хода, проходит через диод и возвращается к левому концу индуктора, образуя таким образом замыкание.
Управляя временем закрытия и открытия переключателя (т.е. PWM — ширина импульса), можно контролировать выходное напряжение. Если выходное напряжение обнаруживается для управления временем включения и выключения, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, это достигает цели регулирования напряжения.
Как обычные источники питания, так и импульсные источники питания имеют регулирующие трубки напряжения, которые используют принципы обратной связи для регулирования напряжения. Разница в том, что импульсные источники питания используют переключающие трубки для регулировки, в то время как обычные источники питания обычно используют линейный диапазон усиления транзисторов для регулировки. Сравнительно, импульсные источники питания имеют более низкое потребление энергии, более широкий диапазон применения для переменного напряжения и лучшие коэффициенты пульсации для выходного постоянного тока, но у них есть недостаток переключающего импульсного помехи.
Основной принцип работы обычного полумостового импульсного источника питания заключается в том, что верхние и нижние переключающие трубки моста (при высоких частотах переключающая трубка — это VMOS) чередуются. Сначала ток проходит через верхнюю переключающую трубку моста, используя функцию хранения индуктора для накопления электрической энергии в катушке. Наконец, верхняя переключающая трубка моста отключается, а нижняя переключающая трубка моста включается, позволяя индуктивной катушке и конденсатору продолжать подавать питание внешне. Затем нижняя переключающая трубка моста отключается, а верхняя переключающая трубка моста включается, позволяя току течь внутрь, повторяя этот процесс. Поскольку две переключающие трубки чередуются, это называется импульсным источником питания.
Линейные источники питания отличаются. Без вмешательства переключателей верхняя водопроводная труба постоянно выпускает воду. Если есть избыток, он будет вытекать. Вот почему мы часто видим, что некоторые линейные источники питания генерируют значительное количество тепла от своих регулирующих трубок, преобразуя всю неиспользуемую электрическую энергию в тепло. С этой точки зрения, эффективность преобразования линейных источников питания очень низка, и когда тепло высокое, срок службы компонентов неизбежно сокращается, что влияет на конечный эффект использования.
Основное различие: Метод работы
Регулирующая трубка источников питания линейного типа всегда работает в области усиления, и текущий ток непрерывен. Из-за значительных потерь мощности на регулирующей трубке требуются более крупные регулирующие трубки, а также большие радиаторы, что приводит к сильному нагреву и низкой эффективности, обычно между 40% и 60% (что считается очень хорошим линейным источником питания).
Метод работы линейных источников питания требует устройства понижения напряжения для преобразования высокого напряжения в низкое, которое обычно является трансформатором, и есть другие, такие как источники питания KX, которые затем выпрямляют для выдачи постоянного напряжения. Это приводит к большому размеру, относительно большому весу, низкой эффективности и высокому тепловыделению; однако у него также есть преимущества: небольшая пульсация, хороший коэффициент регулировки, низкие внешние помехи, подходящие для использования в аналоговых схемах и различных усилителях.
Импульсный источник питания работает с его силовыми устройствами в переключающем состоянии. При регулировке напряжения энергия временно хранится через индуктивную катушку, что снижает потери и увеличивает эффективность, что приводит к меньшим требованиям к рассеиванию тепла. Однако это также накладывает более высокие требования к трансформаторам и индуктивным накопителям энергии, требуя использования материалов с низкими потерями и высокой проницаемостью. Его трансформатор довольно мал. Общая эффективность колеблется от 80% до 98%. Импульсный источник питания эффективен и компактен, но по сравнению с линейными источниками питания у него есть определенные недостатки в пульсации и коэффициентах регулировки напряжения/тока.
