Блоки питания
Есть вопросы? Напишите нам.
Выбор микросхемы блока питания (БП) и понимание ее функций может оказаться непростой задачей на фундаментальном уровне. Для начала следует понимать зачем нужны интегральные схемы (ИС) источника питания и чем они отличаются.
Почему необходимы микросхемы источника питания?
Основная цель большинства лабораторных микросхем блока питания — регулирование. Эти устройства принимают нерегулируемое входное напряжение и обеспечивают регулируемое выходное напряжение. Проще говоря, такие микросхемы обеспечивают стабильное выходное напряжение, несмотря на изменение входного напряжения или выходного тока. Это объясняет названия двух основных типов микросхем БП:
- Линейный регулятор.
- Импульсный регулятор.
Исключением из этого простого определения является зарядовый насос. В зависимости от конкретного устройства выход зарядового насоса может быть как регулируемым, так и нерегулируемым.
Иногда регуляторы создают регулируемое выходное напряжение из регулируемого входного напряжения. В этом случае функция регулятора заключается в изменении входного напряжения на другой уровень напряжения без обязательного улучшения регулирования напряжения.
Схема портативного оборудования обычно работает правильно только в определенном узком диапазоне напряжений. Это наиболее верно для микропроцессоров и памяти, особенно если требуется высокая скорость. Для таких типов схем диапазон напряжения, в котором работает батарея, может выходить за допустимые пределы. Таким образом, добавление регулятора гарантирует, что схема получит соответствующее напряжение.
Внутреннее сопротивление батареи также может представлять проблему, если регулятор не используется. Эта трудность возникает из-за того, что схемы в портативном оборудовании часто требуют переменного тока питания. Этот переменный ток, потребляемый от батареи, создает переменное напряжение батареи из-за ее внутреннего сопротивления. Части схемы могут «возражать» против этих изменений напряжения батареи, потому что коэффициент отклонения источника питания различных компонентов схемы может быть недостаточным для подавления этих изменений напряжения.
Чтобы решить данную проблему, стабилизатор поддерживает постоянное выходное напряжение, несмотря на эти переменные токи нагрузки. Его схема поддерживает выходное сопротивление, которое значительно ниже, чем последовательное сопротивление батареи. На рисунке ниже показан внешний вид микросхемы блока питания KLV-40BX401 ЖК-телевизора SONY.
Любая попытка проектирования без стабилизатора ставит под сомнение необходимость стабильного напряжения, несмотря на изменение входного напряжения или выходного тока. Но нужно учитывать, что в большинстве случаев импульсные и линейные регуляторы, как и регулируемые и нерегулируемые насосы заряда, служат дополнительной цели: они создают напряжение, отличающееся по величине от питающего их напряжения. Это объясняет название преобразователя постоянного тока в постоянный.
С технической точки зрения, оба типа обсуждаемых источников питания являются преобразователями постоянного тока, однако этот термин обычно используется для импульсных стабилизаторов.
Несколько ограниченный при преобразовании уровней напряжения, линейный регулятор может создавать только напряжение ниже питающего его напряжения. Гораздо более универсальный импульсный стабилизатор может режать несколько задач:
- повышать напряжение;
- понижать напряжение;
- инвертировать (менять полярность) напряжения.
Линейные схемы блоков питания
Линейные регуляторы блоков питания часто бывают самыми маленькими, обычно наименее дорогими и всегда наименее шумными из различных типов ИС. Поэтому их применение в тех случаях, когда они подходят, наиболее целесообразно, особенно потому, что схема линейного регулятора с большей вероятностью будет работать правильно с первого раза, чем схемы, построенные на других типах источников питания.
Зачем использовать какую-либо микросхему управления блоков питания, кроме линейного регулятора? Есть две причины. Во-первых, линейный регулятор может обеспечить только выходное напряжение, меньшее, чем его входное напряжение. Как упоминалось выше, если нужно создать напряжение, превышающее входное напряжение, или напряжение противоположной полярности, то нет другого выбора, кроме как использовать импульсный регулятор или генератор заряда.
Вторая причина – эффективность. Преобразование напряжения в другое напряжение всегда приводит к потере энергии. В идеальной ситуации регулятор не тратит энергию впустую; его КПД будет равен 100%. Если бы половина мощности, подаваемой на регулятор, попадала бы на нагрузку регулятора, его эффективность составляла бы 50 %.
Линейный регулятор обычно, хотя и не всегда, менее эффективен, чем импульсный. Можно рассчитать его эффективность, разделив выходное напряжение на входное напряжение. Эта формула достаточно точна, если ток, который питает стабилизатор, источник питания регулятора или ток покоя, составляет небольшой процент от тока, потребляемого с выхода регулятора. В большинстве случаев это так.
Таким образом, когда напряжение источника, питающего линейный стабилизатор, близко к выходному напряжению, его эффективность высока. В этом случае линейный регулятор может быть лучшим выбором, чем импульсный, потому что имеет меньше шума.
Импульсные схемы блоков питания
На сегодняшний день наиболее распространенным типом источника питания является импульсный. Эти устройства используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для регулирования выходного сигнала. Сегодня в расходных материалах используется несколько различных конфигураций микросхемы ШИМ блоков питания. Во всех случаях логический сигнал ШИМ управляет переключающим силовым транзистором, а силовой транзистор управляет нагрузкой.
Микросхема импульсного блока питания работает таким образом. Переключающий транзистор быстро включается и выключается, создавая срезанное постоянное напряжение. Срезанное постоянное напряжение подается на трансформатор, который преобразует пульсирующий постоянный ток в высокочастотный переменный. Затем этот переменный ток подается на второй мостовой выпрямитель, который производит окончательный выход постоянного тока. Цепь датчика постоянно контролирует выходное напряжение, регулируя рабочий цикл переключения для поддержания постоянного выходного напряжения.
Импульсные стабилизаторы в основном занимают больше площади на плате, более дорогие и генерируют больше шума, чем их линейные аналоги. Тем не менее, в течение многих лет импульсные регуляторы БП пользовались огромной популярностью у разработчиков источников питания. Почему? Потому что эти устройства обладают превосходной эффективностью при различных сочетаниях входного напряжения и тока нагрузки. Уровни могут достигать 96% как для повышающих, так и для понижающих переключателей (хотя понижающий переключатель обычно более эффективен) и до 90% для инвертора.