что такое источник питания?

источник питания-это электрическое устройство, которое преобразует ток, поступающий из источника питания, в значение напряжения, необходимое для нагрузки, например, электронный двигатель или электронное устройство.

существуют две основные конструкции источников питания: линейный источник питания и коммутационный блок питания.

линейный:линейные конструкции источника питания используют трансформатор для снижения входного напряжения. затем напряжение корректируется в напряжение постоянного тока, а затем фильтруется для улучшения качества волновой формы.

линейные источники питания используют линейные регуляторы для поддержания постоянного напряжения на выходе. эти линейные регуляторы рассеивают любую дополнительную энергию в виде тепла.

переключение:конструкция коммутационного источника питания является относительно новым методом, он предназначен для решения многих проблем, связанных с конструкцией линейного источника питания, включая размер трансформатора и регулирование напряжения.

при переключении питания входное напряжение больше не снижается. вместо этого он калибруется и фильтруется на входе. затем напряжение проходит через измельчитель, который преобразует его в высокочастотный импульсный поезд. прежде чем напряжение достигнет выхода, оно фильтруется и корректируется еще раз.

топология коммутационного источника питания

коммутационные источники питания (SMPS) имеют четыре топологии, такие как AC-DC Converter, DC-DC Converter, Fly-Back Converter и Forward Converter.

AC-DC Converter:в этом типе SMPS входная мощность переменного тока, а выходная мощность постоянного тока. мы получаем поставки постоянного тока. Ректификаторы и фильтры используются для преобразования этого переменного тока в постоянный ток.

DC-DC Converter:входная мощность этого источника питания напрямую поступает от высоковольтного постоянного тока напрямую.

Fly-back Converter:любой SMPS с выходной мощностью менее 100 Вт называется flyback Converter SMPS. по сравнению с другими SMPS, схема этих SMPS проста и проста. этот тип SMPS используется для низкого энергопотребления.

конвертер вперед:дизайн этого типа SMPS почти идентичен антиударному конвертеру SMS. в этом SMPS переключатель подключен к выходу вторичной обмотки трансформатора для управления.

по сравнению с преобразователями flyback, фильтрующие и корректирующие цепи более сложны. эти SMPS, также известные как DC-DC buck Converters, также используются для масштабирования и изоляции трансформаторов.

как работает коммутационный блок питания?

на протяжении многих лет линейные источники питания переменного / постоянного тока играли решающую роль в преобразовании электроэнергии переменного тока из коммунальной сети в напряжение постоянного тока, удовлетворяя энергетические потребности бытовых приборов и освещения. тем не менее, по мере развития технологии ландшафт менялся, особенно в высокомощных приложениях. линейные источники питания, известные своим низким уровнем шума, нашли нишу в конкретных промышленных и медицинских применениях. несмотря на их достоинства, доминирование коммутационных источников питания стало очевидным из-за их меньшего размера, повышенной эффективности и способности работать с высокой мощностью. процесс преобразования мощности, как правило, включает в себя три этапа: исправление входного коэффициента, коррекция коэффициента мощности (PFC) и изоляция. на рис. 1 представлен обзор общего преобразования переменного тока (переменного тока) в постоянный ток (постоянного тока) в коммутационном блоке питания.

коммутационный блок питания, будучи электронным источником питания, включает в себя регулятор переключения, предназначенный для эффективного преобразования электроэнергии. как и другие источники питания, Switched-Mode Power Bases (SMPS) передает питание от источника постоянного или переменного тока, как правило, сети, к нагрузке постоянного тока, такой как персональный компьютер. в ходе этого процесса напряжение и характеристики тока одновременно корректируются в соответствии с требованиями к нагрузке.

в области переключения источников питания транзистор пропускает непрерывные переходы между слабомощными, полностью включенными и полностью выключенными состояниями. это динамическое поведение сводит к минимуму время, затрачиваемое на высокодиссипативные переходы, эффективно сокращая энергетические отходы. в идеальном сценарии блок питания с переключаемым режимом питания не потребляет электроэнергии, что делает его убедительным выбором для энергоэффективных приложений.

исправление входных данных

процесс исправления включает в себя преобразование напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. в контексте переключаемого режима питания переменного / постоянного тока начальной стадией является исправление входного сигнала. в то время как обычно считается, что напряжение постоянного тока напоминает стабильную, неизменную линию, похожую на линию, производимую батареей, крайне важно признать, что постоянный ток (постоянный ток) характеризуется однонаправленным потоком электрического заряда. это означает, что напряжение постоянно течет в одном и том же направлении, но не обязательно остается постоянным.

для исправления в контексте переключаемого режима питания можно использовать пассивный выпрямитель полумоста для устранения отрицательной половины синусоидальной волны через диод (см. рис. 2). диод позволяет току течь во время положительной половины волны, но блокирует его, когда поток находится в противоположном направлении. это селективное управление потоком обеспечивает преобразование напряжения переменного тока в более однонаправленное напряжение постоянного тока, что является фундаментальным шагом в работе источника питания.

после процесса исправления результирующая синусоидальная волна обладает низкой средней мощностью, что делает ее недостаточной для эффективного питания устройства. для повышения эффективности альтернативный метод включает в себя изменение полярности отрицательной полуволны, превращая ее в положительную волну. этот метод, известный как полноволновое исправление, может быть достигнут с помощью конфигурации моста с использованием четырех диодов (см. рис. 3). стратегическое расположение этих диодов обеспечивает постоянное направление тока, независимо от полярности входного напряжения. эта конфигурация способствует поддержанию стабильного источника питания для устройства.

в то время как полностью исправленная волна дает более высокое среднее выходное напряжение по сравнению с выпрямителем полумоста, она все еще отклоняется от идеальной постоянной волновой формы постоянного тока, необходимой для питания электронного оборудования. несмотря на то, что он является формой постоянного тока, его использование для питания устройства неэффективно из-за быстрого и частого изменения значения волны напряжения. это колебание напряжения постоянного тока, известное как рябь, создает проблемы для эффективного источника питания.

для решения этой проблемы наиболее простой и широко используемый метод включает интеграцию большого конденсатора на выходе выпрямителя, часто называемого конденсатором для хранения или сглаживающим фильтром (см. рис. 4).

этот конденсатор играет ключевую роль в сглаживании волновой формы напряжения путем хранения напряжения во время пика волны и последующего подачи тока к нагрузке до тех пор, пока его напряжение не упадет ниже восходящей исправленной волны напряжения. результирующая волновая форма близка к желаемой форме, напоминающей напряжение постоянного тока без компонента переменного тока. эта уточненная волновая форма напряжения становится пригодной для питания устройств постоянного тока.

пассивная коррекция, использующая полупроводниковые диоды в качестве неконтролируемых переключателей, является простейшим методом исправления волн переменного тока, но с точки зрения эффективности она недостаточна.

несмотря на то, что диоды служат относительно эффективными переключателями, способными быстро отключаться от переходов с минимальными потерями мощности, им препятствует падение напряжения вперед от 0,5 в до 1 в, что способствует снижению эффективности.

активное исправление использует иной подход, заменяя диоды управляемыми переключателями, такими как MOSFET или BJT транзисторы (см. рис. 5). этот подход дает двойное преимущество: во-первых, выпрямители на основе транзисторов устраняют фиксированное падение напряжения от 0,5 до 1 в, характерное для полупроводниковых диодов, так как их сопротивление может быть произвольно малым, что приводит к значительному снижению напряжения.

Во-вторых, транзисторы, функционирующие как управляемые переключатели, позволяют оптимизировать частоту переключения, обеспечивая гибкость. тем не менее, это связано с увеличением сложности схем управления для активных выпрямителей, включая дополнительные компоненты и делая их сравнительно более дорогими.

коррекция коэффициента мощности

второй этап проектирования коммутирующего источника питания-это коррекция коэффициента мощности.

наблюдая за текущей волновой формой конденсатора для хранения выпрямителя (см. рис. 6), становится очевидным, что ток зарядки быстро пропускает конденсатор, особенно когда входное напряжение от конденсатора превышает пиковый заряд исправленного сигнала. этот процесс быстрой зарядки генерирует серию коротких всплесков тока в конденсаторе, создавая проблемы не только для источника питания, но и для всей сети. резкие всплески тока вводят в сеть значительное количество гармоник, что приводит к искажениям, которые могут отрицательно повлиять на другие источники питания и оборудование, подключенные к сети.

в области конструкций коммутационных источников питания схема коррекции коэффициента мощности направлена на смягчение этих гармоник путем их эффективной фильтрации. для достижения этой цели существуют два основных варианта: коррекция активного коэффициента мощности и коррекция коэффициента пассивной мощности.

коррекция коэффициента пассивной мощности включает в себя включение пассивных низкочастотных фильтров, предназначенных для устранения высокочастотных гармоник. тем не менее, источники питания, полагающиеся исключительно на пассивные ПФУ, особенно в высокомощных применениях, борются за соблюдение международных правил по гармоническому шуму. в качестве альтернативы, активная коррекция мощности становится необходимой.

коррекция активного коэффициента мощности работает путем изменения формы тока для выравнивания с волновой формой напряжения. эта регулировка перемещает гармоники на более высокие частоты, облегчая их фильтрацию. в таких сценариях, Boost Converter, также известный как Boost Converter, появляется как широко используемый контур для эффективной коррекции активного коэффициента мощности.

изоляция: изолированные и неизолированные источники питания

с исправлением входной волновой формы переменного тока на входном конце результирующее напряжение постоянного тока становится значительно повышенным. в отсутствие коррекции коэффициента мощности (PFC) выпрямитель дает выход около 320 В. внедрение активной цепи PFC, однако, преобразует выход преобразователя наддува в стабильное напряжение постоянного тока, достигающее 400 в или выше.

оба сценария, характеризующиеся чрезмерно высоким напряжением постоянного тока, создают значительные риски и оказываются непрактичными для большинства приложений, которые обычно требуют гораздо более низкого уровня напряжения. в таблице 1 показаны различные аспекты, связанные с конвертерами и приложениями, которые заслуживают рассмотрения при выборе соответствующей топологии изоляции. этот всеобъемлющий обзор помогает принимать обоснованные решения, основанные на конкретных требованиях и соображениях безопасности.

преимущества коммутирующего источника питания

использование любой технологии часто представляет собой тщательный баланс нескольких преимуществ и недостатков. это относится к блокам питания в режиме переключения, которые имеют некоторые явные преимущества, но также имеют свои недостатки.

преимущества SMP

высокая эффективность:действие переключателя означает, что элемент регулятора серии включен или выключен. так что очень мало энергии выделяется в качестве тепла, и очень высокий уровень эффективности может быть достигнут.

компактный:благодаря высокой эффективности и низкому уровню рассеивания тепла источники питания в режиме переключения можно сделать более компактными.

расходы:одна из вещей, которая делает переключение питания очень привлекательным, это стоимость. более высокая эффективность и характеристики переключения конструкции означают, что требуется меньше тепла, чем линейный источник питания, что приводит к снижению затрат. со временем переключение источника питания означает, что многие компоненты стоят меньше.

гибкая технология:технология коммутации питания может быть использована для обеспечения высокоэффективного преобразования напряжения в приложениях повышения напряжения или «повышения» или постепенного сокращения «Бак».

в целом, переключение источников питания идеально подходит для множества приложений от компьютеров к зарядным устройствам, а лабораторное оборудование-ко многим отечественным электронным гаджетам. стоимость, размер и эффективность являются ключевыми факторами в обеспечении того, чтобы они стали основной технологией для многих приложений.

приложения SMPS:

в течение многих лет линейные источники переменного / постоянного тока переводят переменный ток из коммунальной сети в напряжение постоянного тока, и FIT используется для запуска бытовых приборов или освещения. высокомощные приложения требуют меньших источников питания.

это означает, что линейные источники питания были переведены на конкретные промышленные и медицинские цели. Из-за низкого уровня шума они все еще необходимы для этих целей. но переключение источников питания взяло на себя, потому что они меньше, более эффективны и способны обрабатывать высокую мощность.

коммутационные источники питания имеют много приложений, таких как компьютеры, которые являются наиболее распространенным использованием, системы безопасности, железнодорожные системы, зарядные устройства и станки.

коммутирующий источник питания широко используется ниже по течению. в последнее время переключение питания становится все более важным в светодиодной промышленности, медицинском оборудовании, зарядном устройстве для мобильных телефонов, автомобилях, бытовой электронике и других областях.

во всем мире рынок коммутационных источников питания обусловлен главным образом растущим спросом на потребительскую электронику, на который приходится почти 52% общего потребления коммутационных источников питания.

Резюме

есть много различных аспектов, которые следует учитывать при проектировании коммутационного источника питания, особенно связанных с безопасностью, производительностью, размером, весом и так далее. коммутационные источники питания также имеют более сложные схемы управления, чем линейные источники питания, поэтому многие дизайнеры считают полезным реализовать интегрированные модули в своих блоках питания.

WEHO предлагает широкий спектр модулей, которые могут упростить конструкцию коммутационного источника питания, таких как блок питания Din-rail NDR EDR, источник питания типа LRS Slim, водонепроницаемый светодиодный привод LPV IP67, преобразователь DC-DC и т.д.