Принцип построения импульсных блоков питания

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ (ИБП). 

Современные БП  строятся по бестрансформаторной схеме  подключения к питающей сети и  представляют собой импульсные БП, которые характеризуются высоким  КПД (более 70%), малым весом и небольшими габаритами. 

Однако импульсный БП является источником импульсных помех, что предъявляет к его схеме  высокие требования в части электромагнитной совместимости с остальной схемой компьютера, а также с другими  бытовыми электронными устройствами. Кроме того в бестрансформаторных ИБП нет гальванической развязки части схемы от напряжения сети, что требует принятия специальных мер безопасности при его ремонте. Основными функциональными частями ИБП являются: 

• входной помехоподавляющий  фильтр; 

• сетевой выпрямитель; 

• сглаживающий емкостной фильтр; 

• схема пуска; 

• ключевой преобразователь  напряжения с импульсным силовым  трансформатором (силовой инвертор); 

• схема управления; 

• цепи формирования выходных напряжений, гальванически  развязанные от питающей сети; 

• цепи формирования и передачи сигнала обратной связи на схему управления. 

В зависимости  от назначения ИБП может содержать  различные дополнительные схемы, например: 

• линейные стабилизаторы  в интегральном или дискретном исполнении; 

• помехоподавляющие  цепи; 

• схемы защиты от перегрузок по току, а также от входного и выходного пере и недонапряжения. 

Кроме того, в  схему ИБП могут включаться схемы  формирования специальных управляющих  сигналов, обеспечивающих согласованную  работу ИБП с питаемой от него схемой. 

Для получения постоянных напряжений с помощью ИБП с бестрансформаторным входом в нем осуществляется тройное преобразование напряжения. Переменное напряжение сети выпрямляется и сглаживается. Полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсное прямоугольное напряжение частотой несколько десятков килогерц, которое трансформируется с соответствующим коэффициентом на вторичную сторону, выпрямляется и сглаживается. Определяющим узлом любого ИБП является ключевой преобразователь напряжения и в первую очередь его силовая часть (мощный выходной каскад). Выходные каскады всех разновидностей ИБП можно разделить на два больших класса: однотактные и двухтактные. 

Рассмотрим  работу обобщенной однотактной  схемы ИБП, приведенной  на рис. 1 

Переменное напряжение сети выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсатором большой емкости.  

В результате на выходе выпрямителя появляется постоянное положительное напряжение Uep = +310В. Этим напряжением запитывается схема  пуска, которая вырабатывает питающее напряжение для схемы управления сразу после включения ИБП. На выходе схемы управления вырабатывается управляющее напряжение в виде последовательности прямоугольных импульсов с частотой порядка несколько десятков килогерц. Эти импульсы управляют состоянием (открыт/закрыт) мощного ключевого высокочастотного транзистора, нагрузкой которого является первичная обмотка импульсного высокочастотного трансформатора (ИВТ). В результате переключении транзисторного ключа во вторичных обмотках ИВТ наводятся импульсные ЭДС прямоугольной формы, которые затем выпрямляются и сглаживаются. 

Силовая часть  однотактного преобразователя с  бестрансформаторным входом может  быть выполнена одним из двух возможных  способов. Поэтому следует различать  проточные (прямоходовые) и запорные (обратноходовые) преобразователи. 

В проточных  преобразователях ток подзарядки накопительных  емкостей во вторичной цепи (ток  через диоды выпрямителя) протекает  во время открытого состояния  ключевого транзистора, а в запорных - во время закрытого состояния  этого транзистора. Тип преобразователя определяется выбором определенной полярности подключения выпрямительных диодов ко вторичным обмоткам импульсного трансформатора и конструктивными особенностями самого импульсного трансформатора. 
 

Принципиальная  схема прямоходового преобразователя (преобразователя с пропускающим диодом) изображена на рис. 2,а. Энергия в цепь нагрузки передается через диод D1 во время открытого состояния транзистора Q1. Одновременно в сердечнике дросселя L1 накапливается магнитная энергия (токи через дроссель и первичную обмотку Т1 линейно нарастают), которая затем во время закрытого состояния Q1 выдается в нагрузку через диод D2. При этом ток дросселя линейно уменьшается. Магнитная энергия, накопленная в сердечнике трансформатора Т1 за время открытого состояния Q1, снова возвращается в источник во время закрытого состояния Q1. Этот возврат (рекуперация) осуществляется с помощью обмотки размагничивания и диода D3. В противном случае сердечник трансформатора оказался бы в состоянии насыщения, что при следующем открывании транзистора Q1 привело бы к выводу его из строя чрезмерно большим током первичной обмотки Т1, индуктивность которой была бы очень мала. 

Таким образом, в прямоходовом преобразователе  трансформатор служит только для  трансформации энергии. Исходя из этого принципа трансформатор прямоходового преобразователя должен выполняться таким, чтобы запасаемая в его сердечнике магнитная энергия за время открытого состояния транзистора была бы минимальной. 

Принципиальная  схема обратноходового преобразователя (преобразователя с запирающим диодом) изображена на рис. 2,6. Трансформатор Т1 во время открытого состояния транзистора Q1 запасает магнитную энергию, т.к. через первичную обмотку Т1 и открытый Q1 протекает нарастающий во времени ток. Во время закрытого состояния транзистора Q1 трансформатор Т1 отдает накопленную энергию через диод D1 в конденсатор С1 и в нагрузку.  

Во время открытого  состояния транзистора диод D1 закрыт, и нагрузка получает энергию только от конденсатора С1. Обратноходовой преобразователь является единственным типом преобразователя с одним только индуктивным элементом в виде трансформатора Т1, который служит для накопления и трансформации энергии. Поскольку трансформатор Т1 является накопительным элементом, то большое значение приобретает линейность характеристики намагничивания его сердечника в большом диапазоне значений индукции. 

 Однако все  магнитные материалы характеризуются  наличием области насыщения, где  изменение тока через первичную  обмотку уже не вызывает изменения  магнитного потока в сердечнике. С целью избежать попадания в область насыщения сердечники трансформаторов обратноходовых преобразователей обычно выполняются с немагнитным зазором. Такой зазор линеаризует характеристику намагничивания сердечника вплоть до очень больших значений индукции. 

Для регулировки  выходных напряжений в импульсных БП в большинстве случаев используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который заключается в том, что изменяется длительность импульсов  и пауз между ними при неизменной частоте преобразования. Соотношение между длительностью импульса и паузы зависит от уровня выходных напряжений и автоматически изменяется таким образом, чтобы поддерживать выходные напряжения на номинальном уровне. 

Выходное напряжение обратноходового преобразователя для режима непрерывных токов определяется по формуле: 

где n - коэффициент  трансформации, Uвx - уровень входного постоянного питающего 

напряжения, q - коэффициент  заполнения, q = Ti/ T (Ti - время открытого  состояния транзистора, а Т - период 

переключения  преобразователя). 

Примечание: Режимом  непрерывных токов называется такой  режим работы преобразователя, когда  ток, протекающий через выпрямительный диод после запирания транзистора, не успевает уменьшиться до нуля к  моменту следующего открывания транзистора. 

Для прямоходового  преобразователя в режиме непрерывных  токов это напряжение определяется по формуле: 

Таким обазом, регулируя q, можно регулировать выходное напряжение. Например, в случае увеличения выходных напряжений увеличивается напряжение обратной связи (ОС), подаваемое на схему управления (функциональный состав схемы управления будет подробно рассмотрен далее).  

В результате уменьшится длительность управляющих прямоугольных  импульсов на выходе этой схемы управления, что приведет к уменьшению времени открытого состояния силового ключа за период. Это значит, что уменьшится время, в течение которого через первичную обмотку импульсного трансформатора ИВТ протекает линейно нарастающий ток. Следовательно, уменьшится время, в течение которого будет действовать импульс ЭДС на вторичных обмотках импульсного трансформатора. Поэтому уменьшатся уровни выходных постоянных напряжений блока, которые получаются как результат выпрямления и сглаживания импульсов ЭДС со вторичных обмоток ИВТ. Таким образом, уровень выходных напряжений поддерживается постоянным в состоянии динамического равновесия. 

При уменьшении выходных напряжений ИБП, например, вследствие увеличения токопотребления в нагрузке, происходящие процессы по регулировке  выходных напряжений будут обратными. 

Упрощенная схема  на рис. 3 иллюстрирует построение типового однотактного ИБП. Однако в ИБП для  системных модулей обычно используется двухтактная полумостовая схема, т.к. однотактные схемы в диапазоне  выходных мощностей свыше 150 Вт оказываются неэффективными из-за резкого увеличения габаритных размеров и массы импульсного трансформатора и ухудшения режимов работы ключевого транзистора. 
 

Рассмотрим  принцип работы обобщенной структурной схемы двухтактного полумостового ИБП с бестрансформаторным, рис.3 

Первичная обмотка  ИВТ включена в диагональ электрического моста, одно плечо которого образовано конденсаторами С1, С2, а другое - мощными  ключевыми транзисторами Q1, Q2.  

Конденсаторы  достаточно большой и одинаковой емкости С1, С2 образуют емкостной делитель, одновременно выполняя функцию сглаживающих емкостей высокочастотного фильтра.  

Выпрямленное  напряжение сети делится на них пополам.  

Транзисторы управляются  по базам от схемы управления через  управляющий и развязывающий  трансформатор DT таким образом, что переключение их происходит поочередно с регулируемой паузой на нуле.  

Когда транзистор Q1 достигает состояния насыщения, а транзистор Q2 находится в состоянии  отсечки, первичная обмотка трансформатора подключается к заряженному конденсатору С1 достаточно большой емкости. Поэтому через первичную обмотку ИВТ РТ протекает ток разряда этого конденсатора по цепи: (+) С1 -к-э Q1 - первичная обмотка РТ-С4- (-)С1. 

Одновременно  с током разряда конденсатора С1 по обмотке протекает от источника  питания и ток подзаряда конденсатора С2 по цепи: Uep - к-э Q1 - первичная обмотка РТ - С4 - С2 - "общий провод" первичной стороны. 

Во второй полупериод, когда транзистор Q1 закрывается, a Q2 открывается, конденсаторы меняются ролями, т.е. конденсатор С2 разряжается, а С1 подзаряжается. Ток через первичную обмотку импульсного трансформатора протекает в противоположном предыдущему случаю направлении. Из схемы видно, что к первичной обмотке импульсного трансформатора прикладывается лишь половинное напряжение питания. Поэтому ток, коммутируемый транзистором в данной схеме, должен быть вдвое больше тока, протекающего через транзистор однотактной схемы преобразователя для получения той же мощности в нагрузке.  

Однако в такой  схеме обратное напряжение, приложенное  к закрытому транзистору, уменьшается более чем в два раза по сравнению с однотактной схемой преобразователя. Стабильность выходных напряжений поддерживается тем же способом, что и в однотактной схеме. Сигнал обратной связи подается на схему управления с делителя R1, R2 в цепи шины выходного напряжения ИБП. Схема управления, построенная по принципу ШИМ, изменяет длительность управляющих импульсов, подаваемых на базы силовых транзисторов Q1, Q2 таким образом, чтобы вернуть отклонившееся выходное напряжение к номинальному значению. При этом для обеспечения достаточной величины базового для силовых ключей тока на выходе схемы управления включается согласующий каскад. 

Диоды D1 и D2 называются рекуперационными (возвратными). Они  создают путь для протекания тока в моменты запирания транзисторов Q1 и Q2. Токи эти протекают под воздействием противо-ЭДС, наводимой в первичной обмотке силового импульсного трансформатора РТ при резком прерывании тока через нее в результате запирания этих транзисторов. Возникновение импульса ЭДС при запирании транзисторов объясняется неизбежным наличием у силового импульсного трансформатора паразитной индуктивности рассеяния, в которой за время открытого состояния транзистора запасается магнитная энергия.