Преобразователи DC-DC Лекция 9

Преобразователи DC-DC
Лекция 9
DC/ DC преобразователи
 DC/ DC линейные регуляторы напряжения.
 DC-DC импульсные источники питания.
 Применяются для того, чтобы преобразовать
одно напряжение постоянного тока в другое,
обычно хорошо стабилизированное.
07.05.2016
2
DC- DC импульсные преобразователи
Импульсные источники питания - намного более
универсальный выбор, с более широким
диапазоном применений, чем линейные
регуляторы.
Главные функции чопперов или переключающихся
dc конвертеров:
 изменение уровней напряжения,
 гальваническое разъединение электронных
схем,
 cтабилизация выходного напряжения.
07.05.2016
3
DC- DC импульсные преобразователи
Более сложные.
Значительный шум на его выходе и входе,
который они излучают в окружающую среду.
Значительно медленное время ответа
переходного процесса они берут, чтобы
ответить на изменения в нагрузке из-за
ограниченного временем импульса энергии.
Два основных режима работы у этих регуляторов:
прямой способ работы (forward-mode
operation) и обратноходовый (flyback-mode).
Основные топологии конвертера - понижение и
повышение напряжения.
07.05.2016
4
Buck converter (одна катушка; выходное
напряжение < входного напряжения)
В этой схеме ключ подаёт
напряжение на один конец
катушки индуктивности. Это
напряжение будет
увеличивать ток катушки
индуктивности.
Когда ключ будет выключен,
ток продолжит течь через
катушку индуктивности, но
теперь и через диод.
Предположим, что ток через
катушку индуктивности не
достигает нуля, таким
образом напряжение теперь
будет только напряжением
через диод во время полного
времени включения.
07.05.2016
5
Buck- преобразователь
В этой схеме транзистор подаст напряжение Vin на один конец катушки
индуктивности. Это напряжение будет иметь тенденцию увеличивать
ток катушки индуктивности.
Когда транзистор будет выключен, ток продолжит течь через катушку
индуктивности, но теперь и через диод. Предположим, что ток через
катушку индуктивности не достигает нуля, таким образом напряжение в
Vx теперь будет только напряжением через диод во время полного
времени включения.
Среднее напряжение Vx будет зависеть в среднем от времени включения
транзистора, если ток катушки индуктивности непрерывен.
07.05.2016
6
Buck- преобразователь
07.05.2016
7
Buck regulator
- прямоходовый
регулятор
с обратной связью
Регулятор имеет однонаправленный ток и одну полярность напряжения,
которая позволяет управлять
выходным напряжением ниже
напряжения питания входа. Это регулятор понижения (step-down
regulator).
Последовательный транзистор T в этой схеме работает как чоппер.
DС выход имеет вид квадратичной волны. Затем «расколотое» dc
напряжение поступает в нагрузку.
07.05.2016
8
Buck regulator - прямоходовый регулятор с
обратной связью
Особенности выхода конвертера зависят от рабочего
цикла. q = t / T, где t - ширина импульса, и T - цикл
PWM. Когда ток нагрузки Iout уменьшается, конвертер
переходит от непрерывной операции к периодической
работе и напряжение Uout увеличивается, как показано
на рис.
07.05.2016
9
Boost converter (одна катушка;
выходное напряжение > входного
напряжения)
MOSFET, IGBT, или BJT.
Называется ещё step-up converter , т.к.
повышает (steps up) напряжение
источника. Так как мощность должна не
меняться (P = VI), то ток выхода
меньше, чем ток источника.
07.05.2016
10
Регуляторы обратного хода
(Flyback regulators).
В регуляторе обратного хода, катушка индуктивности L помещена
непосредственно между источником входа Vin и ключом T.
Операция обратного хода может быть разбита на два периода.
Когда ключ открыт, ток идёт через катушку индуктивности,
которая сохраняет энергию.
Затем ключ выключается. Так как ток через катушку индуктивности
не может измениться мгновенно, меняется напряжение катушки
индуктивности (прилетает обратно). Это заставляет д
включаться, таким образом перемещая энергию катушки
индуктивности в конденсатор. Этот процесс, продолжается, пока
вся энергия катушки индуктивности освобождается. Так как
напряжение катушки индуктивности, которое «прилетает
обратно», выше входного напряжения, напряжение
конденсатора становится выше, чем входное напряжение.
07.05.2016
11
Ćuk converter
Ćuk converter (использует конденсатор
для хранения энергии; производит
отрицательное напряжение для
положительного входа)
Это тип преобразователя, который имеет
амплитуду выходного напряжения или
больше или меньше, чем амплитуда
входного напряжения.
07.05.2016
12
Типы
Buck converter (единственная катушка индуктивности;
выходное напряжение <входное напряжение) ·
Boost converter (единственная катушка индуктивности;
выходное напряжение> входного напряжения)
buck-boost converter (единственная катушка индуктивности;
выходное напряжение может быть больше или меньше,
чем входное напряжение)
flyback converter конвертер обратного хода (использует
выходной трансформатор; позволяет множество выходов и
изоляцию входа-выхода).
07.05.2016
13
Типы
 forward converter (использует output transformer; выходной
трансформатор; позволяет множество выходов и изоляцию
входа-выхода)
 Ćuk converter (использует конденсатор для хранения
энергии; производит отрицательное напряжение для
положительного входа)
 Измененный Ćuk converter с единственной катушкой
индуктивности; отрицательное выходное напряжение и
более высокая величина, чем положительное входное
напряжение)
 SEPIC конвертер (две катушки индуктивности; выходное
напряжение может быть выше или ниже, чем входное
напряжение)
07.05.2016
14
4 класса оборудования
 Стандарт определяет четыре класса оборудования в
зависимости от его типа и формы волны тока. Самые
строгие пределы (класс D) установлены для
персональных компьютеров, компьютерных
мониторов, и телевизионных приемников.
 Чтобы выполнить эти требования, современные
импульсные источники электропитания обычно
включают дополнительное стадию - коррекцию
фактора мощности - (PFC).
07.05.2016
15
Импульсные источники электропитания
Раньше режим переключения источников электропитания
обеспечивал простой полноволновой выпрямитель, соединённый
с большим конденсатором для хранения энергии. Такой SMPS
источник поставлял ток из ЛИНИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА за
короткий импульс, когда мгновенное напряжение сети превышает
напряжение через этот конденсатор.
Во время остающейся части цикла AC конденсатор обеспечивает
энергию электропитанию. Как результат, у входного тока таких
источников электропитаний есть довольно высокая гармоника и
относительно низкий фактор мощности.
Это создает дополнительную нагрузку на сервисных линиях,
увеличение нагревания сервисных трансформаторов, и может
вызвать проблемы стабильности в некоторых применениях, таких
как в чрезвычайных системах генератора или генераторах
самолета.
В 2001 Европейский союз осуществил стандарт IEC/EN61000-3-2,
чтобы установить пределы для гармоники входного тока AC до
40-ой гармоники для оборудования выше 75W.
07.05.2016
16
Типичные схемы
9V-3V Step-Down Converter
Используется там, где длинный срок службы
аккумулятора важен. Схема может дать на выходе
5V при 40mA на входе; 1.25V и 5V при 10mA от 1V
входа.
07.05.2016
18
DC-DC преобразователь LM2576
Регулятор напряжения рассеивает высокую температуру.
Чем более высокое входное напряжение, тем больше
тепла вырабатывается. Дополнительная входная
энергия преобразуется в высокую температуру,
поддерживая выходное напряжение регулятора 5V
07.05.2016
19
Формы тока и напряжения
Обычно выходное напряжение изменяется ключом PWM; поэтому
напряжение, приложенное к нагрузке, имеет форму квадратной волны
переменной периодичности (Рис. a).
Ток нагрузки колеблется, как показано на a, но, вероятно, будет
непрерывен. При низкой индуктивности ток нагрузки может упасть к
нулю во время периодов выключения (пунктиры на рис. a).
«Расколотый» входной ток вызовет высокий пик входной мощности.
Кроме того, у тока источника есть гармоники, которые производят
изменения напряжения, интерференцию сигнала, и т.д.
07.05.2016
20
Встроенные DC-DC преобразователи
HPS3512
Выходы: +3.3V, +5V, и +12V
Микроконтроллер,
последовательный порт RS232
Разработан для низкошумных
компьютерных систем, имеет
широкий входной диапазон 6-40V (>
6:1) и применяется для батарей или
нерегулируемых входов
Основанный на Mosfet дизайн
обеспечивает линейность и
регулирование нагрузки с к.п.д. до 90
%.
07.05.2016
21
Встроенные DC-DC
преобразователи
Органические Конденсаторы Organic Semiconductor
Capacitors (OSC-CON) и Polymerized Organic
Semiconductor capacitors (POSCAP) обеспечивают
фильтрование, которое уменьшает шумы ряби
ниже 20 милливольт.
Низкий шумовой дизайн делает его идеальным для
использования на борту самолета или военных
применений или везде, где EMI или RFI должны
быть минимизированы.
07.05.2016
22
Power Supply - UPS
07.05.2016
23
DC программируемые источники электропитания
Надёжность программируемых источников питания
Пределы от 30W к 150 кВт.
Компонентом, с которым в прошлом было связано больше всего отказов, является
вентилятор. Надёжность источника увеличивается за счёт эксплуатации
современного вентилятора с большим ресурсом и возможностями по управлению.
Например, если скорость вращения охлаждающих вентиляторов изменяется
пропорционально нагрузке источника питания, ресурс вентиляторов может быть
значительно увеличен.
Также в источниках питания отказываются от печально известных своей низкой
надёжностью потенциометров, традиционно использовавшихся для регулирования
с передней панели, заменяя их надёжными оптическими кодирующими
устройствами, работающими совместно с цифровыми схемами управления.
В наиболее прогрессивных моделях отказываются также от внутренних
калибровочных потенциометров в пользу программной калибровки.
07.05.2016
24
buck - регулятор
 dc-dc регулятор/конвертер, известное как buckрегулятор, обеспечивают устойчивое
отрегулированное выходное напряжение
07.05.2016
25
SEPIC (single ended primary inductor
converter) DC-DC-преобразователь
DC-DC преобразователь, который позволяет выходному
напряжению быть больше, меньше, или равным
входному напряжению. Выходным напряжением SEPIC
управляет рабочий цикл управляющего транзистора.
USB 5V SEPIC DC/DC Конвертер
с Защитой Короткого замыкания.
Применяется в USB, где выходное напряжение должно
уменьшаться до нуля во время shutdown. Ограничение
входного тока не только помогает мягкому включению
выхода, но также и обеспечивает защиту короткого
замыкания.
07.05.2016
26
3.3V - 5V 600mA boost конвертер DC-DC
Этот небольшой источник питания преобразовывает 3.3V в
5V, обеспечивая ток до 600mA. (Линейная Технология
boost- повышения).
Применяется, когда 5V необходимо в 3.3V системе,
например, цепь USB или контроль за контрастом LCD
(жидкокристаллической системы.
07.05.2016
27
Двухтактный конвертер (push–pull)
Двухтактный конвертер – тип DC- DC, который использует
трансформатор, чтобы изменить напряжение DC источника
электропитания. Во многих цепях рабочий цикл
переключения может быть различен, чтобы произвести
разные диапазоны отношений напряжения.
Основные преимущества двухтактных конвертеров - простота
и большой диапазон мощности. Двухтактный конвертер
подобен конвертеру обратного хода и особенно
прямоходовому конвертеру.
07.05.2016
28
DC-DC NEMA преобразователь
Даёт на выходе
изолированное
напряжение 5000 V DC,
прямо
пропорциональное
входному
Содержит LC входной
фильтр для
подавления ряби.
Дизайн "Short circuit-proof"
07.05.2016
29
Применение
Двигатель DC
Зарядное устройство батареи
Электропитание DC.
PSUs для персональных компьютеров
Источники
http://valvolodin.narod.ru/old_forum/first_forum/forum.html
http://alexlevin.narod.ru/Switch.htm
http://www.hserv.ru/power-supply/fly.php
www.tri-m.com/power
www.emtech.dk/Mini-UPS75W.htm
07.05.2016
30
Спасибо за внимание!
07.05.2016
31