Однотактные импульсные преобразователи

ГОУ СПО Кировский  Авиационный техникум 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ДОКЛАД 

по электропитанию СВТ

на тему

«Однотактные  импульсные преобразователи» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Студента  группы ВП-34

_________Беляева П.Ю. 
 
 
 
 
 
 

2006

Содержание

1 Введение. Некоторые определения

      Импульсные (ключевые) источники питания - ИИП (SMPS) - это современные источники питания  с высоким КПД. Традиционные линейные источники питания с последовательным регулирующим элементом сохраняют постоянное выходное напряжение при изменении входного напряжения или тока нагрузки благодаря изменению своего сопротивления. Линейный регулятор (стабилизатор) поэтому может быть очень неэффективным. Импульсный источник питания, однако, использует высокочастотный ключ (транзистор) с переменными величинами включенного-выключенного состояний, чтобы стабилизировать выходное напряжение. Пульсации выходного напряжения, вызванные ключевым режимом, отфильтрованы LC фильтром.

      ИИП могут понижать напряжение питания, так же, как и линейные. В отличие  от линейного регулятора(стабилизатора), однако, ИИП может также увеличивать  напряжение питания и инвертировать  выходное напряжение. Типовые схемы  применения даются ниже.

      Типовое применение для понижающего импульсного (ключевого) регулятора:

      Формирование  напряжения 5 В для питания цепей  ТТЛ от 12 В батареи (особенно если 12 В батарея ограниченной емкости, поскольку ключевые стабилизаторы  гораздо более эффективны чем  линейные стабилизаторы).

      Типовое применение для повышающего  импульсного регулятора:

      Формирование 25 В от напряжения 5 В для питания  программируемого ПЗУ.

      Типовое применение для инвертирующего импульсного регулятора:

      Формирование  двуполярного напряжения от однополярного  для питания операционных усилителей.

      Формирование  отрицательного смещения для микросхем  динамического ОЗУ.

      Термин  импульсный регулятор используется для описания схемы, которая преобразует постоянное напряжение в выходной сигнал также постоянного напряжения той же самой или противоположной полярности более низкого или более высокого напряжения. Импульсные регуляторы используют дроссели и не обеспечивают гальванической развязки между входом и выходом.

      Термин  импульсный преобразователь используется для описания схемы, которая преобразует постоянное напряжение в один или несколько выходных сигналов также постоянного напряжения более низкого или более высокого напряжения. Импульсные преобразователи используют трансформатор и обеспечивают гальваническую развязку (изоляцию) между входом и выходами, а также между выходами.

      Термин  импульсный источник питания - ИИП (SMPS) используется для описания импульсных регуляторов и преобразователей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      2 Первичные ИИП

      2.1 Прямоходовые и обратноходовые преобразователи

      При обсуждении ИИП различной топологи часто упоминаются прямоходовые и обратноходовые преобразователи.

      В прямоходовом ИИП источник энергии  подает ток к выходному конденсатору, когда ключ замкнут.

      Обратноходовой  ИИП передает энергию от дросселя к выходному конденсатору, когда ключ разомкнут.

Прямоходовый (forward) преобразователь

Рисунок 1.

      Дополнительная  обмотка трансформатора прямоходового преобразователя гарантирует, что к моменту включения ключа магнитное поле сердечника трансформатора нулевое. При отсутствии дополнительной обмотки после нескольких периодов переключения сердечник трансформатора войдет в насыщение, ток первичной обмотки чрезмерно увеличится, таким образом ключ (то есть транзистор) выйдет из строя.

      Временные диаграммы напряжений и токов  для прямоходового преобразователя показаны на рисунке 2.

= намагничивающий ток

Рисунок 2.

      Выходное  напряжение прямоходового преобразователя  равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра и равно:

      V_out = V_in x (n2/n1) x (T_on x f)

      где:  
n2 - число витков вторичной обмотки T1 
n1 - число витков первичной обмотки T1 
T_on - время включенного состояния ключа 
f - частота переключения

Обратноходовый (flyback) преобразователь

Рисунок 3.

      Выходное  напряжение для обратноходового  преобразователя (трапецеидальная  форма электрического тока) может  быть рассчитано следующим образом:

      V_out=V_in x (n2/n1) x (T_on x f) x (1/(1-(T_on x f)))

      где: 
n2 - число витков вторичной обмотки T1 
n1 - число витков первичной обмотки T1  
T_on - время включенного состояния ключа Q1

      Cхема  управления контролирует V_out и управляет скважностью (временем включенного состояния ключа Q1).

      Если V_in увеличивается, схема управления уменьшит скважность, чтобы сохранить постоянное выходное напряжение. Аналогично, если ток нагрузки уменьшится и V_out увеличится, схема управления будет действовать таким же образом. Наоборот, уменьшение V_in или увеличение тока нагрузки увеличит скважность.

      Заметим, что выходное напряжение меняется, когда изменяется коэффициент заполнения, T_on x f. Однако зависимость между выходным напряжением и коэффициентом заполнения - не линейна, как имела место в прямоходовом преобразователе, это - гиперболическая функция.

      Ток в обратноходовом преобразователе  может иметь или трапецеидальную, или пилообразную форму. Трапецеидальная  форма тока будет в том случае, если ключевой транзистор включается до того, как ток во вторичной  обмотке спадет до нуля. Если пилообразный ток во вторичной обмотке успевает достичь нуля, то появляется "мертвое время", когда нет никакого тока ни в вторичной обмотке, ни в первичной.

Рисунок 4.

2.2 Двухтактный (Push Pull) преобразователь

Рисунок 5.

      Двухтактный преобразователь относится к  числу прямоходовых. Как показано на рисунке 5, когда ключ Q1 включен, ток течет через верхнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растет. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D2 смещен в прямом, а D1 - в обратном направлении. D2 проводит и заряжает выходнй конденсатор C2 через дроссель L1. L1 и C2 составляют схему фильтра. Когда ключ Q1 выключается, магнитное поле в трансформаторе T1 спадает, и после времени паузы (зависящего от скважности ШИМ), Q2 включается, ток течет через нижнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растет в противоположном направлении. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D1 смещен в прямом, а D2 - в обратном направлении. D1 проводит и заряжает выходной конденсатор C2 через дроссель L1. После окончания мертвого времени включается ключ Q1 и процесс повторяется.

      Имеются два важных соображения, касающиеся двухтактного преобразователя:

1. Оба транзистора не должны проводить одновременно, поскольку это было бы эквивалентно короткому замыканию источника питания. Это означает, что время включенного состояния каждого ключа не должно превышать половину периода, иначе наложатся проводящие состояния ключей.
2. Магнитный режим обеих половин первичной обмотки (вольт-секундные площадки) должен быть строго одинаков, иначе трансформатор может войти в насыщение, и это вызвало бы выход из строя ключей Q1 и Q2.

      Эти критерии должны удовлетворяться схемой управления и драйвером. 

      Выходное  напряжение V_out равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра:

V_out = V_in x (n2/n1) x f x (T_{on, q1} + T_{on, q2})

      где: 
V_out - среднее выходное напряжение - В 
V_in - Напряжение питания - В 
n2 - число витков вторичной обмотки 
n1 - половина общего числа витков первичной обмотки 
f - частота переключения - Гц 
T_{on, q1} - время включенного состояния ключа Q1 - с 
T_{on, q2} - время включенного состояния ключа Q2 - с

      Cхема  управления контролирует V_out и управляет включенным состоянием ключей Q1 и Q2.

      Если V_in увеличивается, схема управления уменьшит скважность, чтобы сохранить постоянное выходное напряжение. Аналогично, если ток нагрузки уменьшится и V_out увеличится, схема управления будет действовать таким же образом. Наоборот, уменьшение V_in или увеличение тока нагрузки увеличит скважность. Временные диаграммы на рисунке 6 показывают токи двухтактного преобразователя.

Рисунок 6.

2.3 Полумостовой преобразователь

Рисунок 7.

      Полумостовой  преобразователь подобен двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки. Этот тип преобразователя применяется в преобразователях большой мощности.

      Для полумостового преобразователя  выходное напряжение V_out равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра.