Импульсный блок питания: устройство, схема и принцип работы

Импульсный блок питания – источник питания, в котором преобразование электрической энергии выполняется с помощью управляемого переключения силовых электронных элементов. Работа ключей позволяет преобразовывать энергию на повышенной частоте и формировать требуемые параметры выходного питания.

В промышленной автоматизации импульсные источники применяют для питания ПЛК, датчиков, реле, панелей оператора, модулей ввода-вывода и другого оборудования. Единой принципиальной схемы импульсного блока питания нет: архитектура силовой части, способ передачи энергии, система управления и обратная связь зависят от топологии и характеристик конкретного источника. Поэтому общий принцип работы корректнее рассматривать по функциональной схеме.

Чем импульсный блок питания отличается от обычного блока питания

Импульсный источник сам является разновидностью блока питания. Поэтому корректнее сравнивать его не с «обычным блоком питания» вообще, а, например, с традиционной AC/DC-архитектурой, где используется сетевой трансформатор с последующим выпрямлением и линейной стабилизацией.

В импульсной схеме передача и регулирование энергии связаны с управляемой коммутацией силовых элементов на повышенной частоте. В традиционной трансформаторной/линейной архитектуре сетевой трансформатор работает непосредственно с частотой питающей сети, а регулирование выходного параметра при соответствующей реализации выполняется последующими цепями.

Из этого различия следуют практические особенности импульсной архитектуры:

• возможность уменьшения размеров ряда магнитных компонентов;
• потенциально высокий КПД;
• возможность реализации широкого диапазона входных параметров в зависимости от схемы;
• более сложная силовая и управляющая часть;
• необходимость учитывать электромагнитные помехи и коммутационные процессы.

Эти свойства зависят от конкретной реализации. Повышенная частота сама по себе не гарантирует высокий КПД, а импульсный источник не обязательно при любых условиях компактнее или эффективнее линейного.

Из чего состоит импульсный блок питания

Для типового импульсного AC/DC-источника функциональную структуру можно представить следующим образом:

Вход питания → входная защита и фильтрация → выпрямление → промежуточная цепь постоянного тока → силовой преобразователь → вторичная цепь → фильтрация → выход

С силовой частью связана система регулирования:

Выход → обратная связь → система управления → силовые ключи.

Состав и последовательность узлов зависят от схемотехники. Эта структура показывает один из распространенных вариантов AC/DC-источника, а не универсальную принципиальную схему всех импульсных преобразователей. Например, DC/DC-преобразователь получает постоянное напряжение на входе, поэтому его функциональная структура не требует входного выпрямителя, характерного для рассматриваемого AC/DC-примера.

Входная цепь

Входная цепь соединяет источник питания с последующими каскадами преобразователя. В зависимости от конструкции она может выполнять функции входной защиты, подавления электромагнитных помех и подготовки входного питания к дальнейшему преобразованию.

Конкретный набор компонентов определяется моделью. Поэтому наличие отдельных защитных и фильтрующих элементов нельзя считать одинаковым для всех импульсных источников.

Выпрямитель и промежуточная цепь

В типовом AC/DC-источнике переменное входное напряжение поступает на выпрямитель. После выпрямления формируется промежуточная цепь постоянного тока, из которой энергия передается силовому преобразователю.

Накопительные и фильтрующие элементы уменьшают пульсации и обеспечивают предусмотренные схемой условия работы силовой части. Выпрямление при этом преобразует переменное электрическое воздействие в однонаправленное, а фильтрация уменьшает нежелательные пульсации – это разные функции.

Такая последовательность относится к соответствующим AC/DC-архитектурам. В DC/DC-преобразователе, где на вход уже поступает постоянное напряжение, отдельная стадия входного выпрямления не требуется.

Силовой преобразователь

Силовой преобразователь – ключевой узел импульсного блока питания. В нем силовые электронные элементы под управлением контроллера периодически переключаются, формируя режим передачи и преобразования энергии.

Управляющие импульсы определяют моменты и продолжительность состояний силовых ключей. Изменяя режим их работы, система управления воздействует на передачу энергии к выходу.

Конкретная зависимость между управлением ключами и передаваемой энергией определяется топологией и режимом работы преобразователя. Поэтому нельзя сводить регулирование любого импульсного БП к одному универсальному алгоритму.

Высокочастотный трансформатор или другой элемент передачи энергии

В изолированных импульсных источниках в силовой части может применяться высокочастотный трансформатор. Он участвует в передаче энергии, обеспечивает гальваническую развязку и, в зависимости от схемы, позволяет согласовать требуемые уровни напряжения между соответствующими частями преобразователя.

Однако трансформатор не является обязательным элементом любого импульсного преобразователя. Существуют неизолированные топологии, в которых преобразование выполняется без трансформаторной развязки.

Поэтому наличие трансформатора и гальванической развязки следует определять по архитектуре и документации конкретного блока питания.

Вторичная и выходная цепь

После силового преобразования энергия поступает в выходную часть. В изолированной AC/DC-схеме на вторичной стороне может выполняться выпрямление, после которого фильтрация уменьшает пульсации и формируется требуемое выходное питание.

Конкретный состав выходной части зависит от топологии и типа выхода. Ее задача – преобразовать сигнал после силовой части в форму, пригодную для питания нагрузки, и передать энергию с параметрами, предусмотренными конструкцией источника.

Система управления и обратная связь

Система управления формирует управляющие воздействия на силовые ключи. Для регулирования выходного параметра ей необходима информация о состоянии контролируемой величины.

Общая логика выглядит так:

выходной параметр → контроль → обратная связь → система управления → изменение управления силовыми ключами → коррекция режима преобразования.

Если контролируемый выходной параметр отклоняется от требуемого уровня, система управления изменяет режим работы преобразователя так, чтобы компенсировать отклонение в пределах рабочих возможностей источника.

Способ регулирования, контролируемые параметры и схемотехническая реализация обратной связи различаются. В изолированном источнике информация между выходной и управляющей частями должна передаваться способом, совместимым с требуемой развязкой, но конкретная реализация определяется схемой.

Силовая часть передает и преобразует энергию, а система управления корректирует режим работы преобразователя.

Схема импульсного блока питания

При рассмотрении схемы импульсного блока питания важно различать функциональную и принципиальную электрическую схемы.

Функциональная схема

Функциональная схема показывает:

• основные узлы источника;
• последовательность преобразования энергии;
• направление ее передачи;
• связь силовой части с системой управления и обратной связью.

Для типового AC/DC-источника она может выглядеть так:

Вход → защита и фильтрация → выпрямитель → промежуточная цепь → импульсный преобразователь → вторичная цепь → выходной фильтр → нагрузка.

Обратная связь передает системе управления информацию о контролируемом выходном параметре, а система управления воздействует на силовой преобразователь.

Такая функциональная схема отвечает на вопрос, из каких основных частей состоит источник и как между ними проходит энергия, но не показывает конкретную схемотехническую реализацию.

Принципиальная электрическая схема

Принципиальная схема показывает конкретные электронные компоненты, их электрические соединения и схемотехническую реализацию устройства.

Универсальной принципиальной схемы импульсного блока питания нет. Разные топологии по-разному организуют накопление и передачу энергии, работу силовых ключей, гальваническую развязку и выходные цепи. Даже источники одной топологии могут отличаться по конкретной реализации.

Поэтому для понимания общего устройства используется функциональная схема, а для анализа конкретного изделия необходима документация соответствующей модели.

Типовая функциональная структура импульсного AC/DC-блока питания с силовым преобразователем и обратной связью.

Принцип работы импульсного блока питания

Для типового изолированного AC/DC-источника преобразование энергии можно представить поэтапно:

1. На вход поступает переменное напряжение.
2. Входная цепь выполняет предусмотренные конструкцией защитные и фильтрующие функции.
3. Переменное напряжение выпрямляется.
4. Формируется промежуточная цепь постоянного тока.
5. Силовые ключи под управлением системы управления периодически переключаются.
6. Силовая преобразовательная часть преобразует и передает энергию в соответствии с используемой топологией.
7. На выходной стороне выполняются предусмотренные схемой преобразования и фильтрация, после чего формируется питание нагрузки.
8. Контролируемый выходной параметр поступает в систему обратной связи.
9. При его отклонении система управления корректирует режим переключения силовых ключей.

Ключевой момент импульсного принципа – энергия передается и регулируется не непрерывным рассеиванием избытка мощности на регулирующем элементе, характерным для линейной стабилизации, а за счет переключательного режима силовой части и управления процессом преобразования.

Это обобщенное описание типовой изолированной AC/DC-архитектуры. В DC/DC-преобразователях и источниках других топологий путь энергии и состав каскадов отличаются, однако общий признак импульсного принципа сохраняется – управляемая коммутация силовых элементов используется для преобразования и регулирования передачи энергии.

В типовом AC/DC-источнике энергия последовательно проходит входную, преобразовательную и выходную части.

Зачем нужна высокая частота преобразования

Повышенная частота переключения позволяет при сопоставимых условиях использовать магнитные и некоторые фильтрующие элементы меньших размеров, чем в решениях, где магнитное преобразование выполняется непосредственно на частоте питающей сети.

Причинно-следственную связь можно представить так:

повышение частоты преобразования → возможность уменьшить требуемые размеры ряда магнитных и фильтрующих элементов → возможность уменьшить массу и габариты источника.

Кроме того, переключательный режим позволяет регулировать передачу энергии изменением режима работы силовых ключей.

Однако увеличение частоты имеет и обратную сторону: возрастают требования к силовым ключам, магнитным компонентам, разводке, управлению, ограничению коммутационных потерь и электромагнитных помех. Поэтому рабочую частоту выбирают как часть общего схемотехнического решения, а не по принципу «чем выше, тем лучше».

Сама по себе высокая частота не гарантирует высокий КПД или малые размеры всего блока питания.

Как блок питания поддерживает выходное напряжение при изменении нагрузки

При изменении нагрузки меняется количество энергии, которое требуется передавать на выход. Если режим преобразователя останется прежним, контролируемый выходной параметр может отклониться от требуемого значения.

В источнике с обратной связью процесс выглядит так:

изменение нагрузки → тенденция к изменению выходного параметра → обнаружение отклонения → передача информации системе управления → изменение режима силового преобразователя → коррекция выходного параметра.

Например, система управления может изменять предусмотренные конкретной схемой параметры переключения силовых ключей, тем самым воздействуя на передачу энергии. Как именно выполняется регулирование, зависит от топологии и алгоритма управления.

Коррекция возможна только в пределах рабочих характеристик источника. Если нагрузка превышает возможности блока питания, может сработать предусмотренный конкретной моделью алгоритм ограничения или защиты.

Система обратной связи корректирует управление преобразователем при изменении выходного параметра.

Основные топологии импульсных блоков питания

Импульсный принцип преобразования может быть реализован разными способами. Топология определяет, как силовые ключи, магнитные элементы и другие части схемы участвуют в накоплении, передаче и преобразовании энергии.

К распространенным вариантам изолированных преобразователей относятся обратноходовая, прямоходовая, полумостовая и мостовая топологии. Это не полный перечень импульсных схем: существуют и другие изолированные и неизолированные варианты, выбор которых зависит от назначения и требуемых характеристик источника.

Обратноходовая схема блока питания

В обратноходовом преобразователе при одном состоянии силового ключа энергия запасается в магнитной системе связанного индуктивного элемента, а при последующем изменении состояния ключа передается в выходную цепь.

Именно разделение интервалов накопления и передачи энергии отличает обратноходовой принцип от прямоходового. Конкретная обратноходовая схема блока питания зависит от исполнения преобразователя, поэтому одной универсальной принципиальной схемы для всех flyback-источников нет.

Прямоходовая схема

В прямоходовом преобразователе энергия передается на вторичную сторону через трансформатор в интервал проводимости силового ключа. Выходная цепь затем принимает и фильтрует переданную энергию.

Главное отличие от обратноходовой схемы состоит в характере передачи энергии: трансформатор в прямоходовой топологии используется прежде всего для передачи энергии во время активного состояния ключа, а не как элемент, в котором рабочий цикл строится на последовательном накоплении и последующей передаче энергии в выход.

Полумостовая и мостовая схемы

В полумостовых и мостовых преобразователях несколько силовых ключей переключаются в согласованной последовательности, формируя переменное напряжение на соответствующей силовой цепи и обеспечивая передачу энергии через преобразователь.

Различие между этими топологиями связано в том числе с организацией силовой схемы и использованием ключей. Подробная схемотехника выходит за рамки статьи: здесь важно, что выбор топологии меняет структуру силовой части и принципиальную схему блока питания.

Схемотехника импульсного блока питания зависит от выбранной топологии и требований к источнику.

Защита импульсного блока питания

В промышленном импульсном источнике могут быть предусмотрены:

• защита от короткого замыкания;
• ограничение при перегрузке;
• защита от перенапряжения;
• температурная защита.

При возникновении аварийного режима система может ограничивать передачу энергии, отключать выход или переходить в другой предусмотренный режим.

Наличие защит, пороги и условия их срабатывания, а также алгоритм восстановления зависят от конкретной модели. Поэтому поведение одного импульсного источника при перегрузке или коротком замыкании нельзя автоматически переносить на другой – приоритет имеет документация производителя.

Преимущества и ограничения импульсной схемы

Особенности импульсной архитектуры одновременно определяют ее практические возможности и требования к реализации.

Импульсная архитектура поэтому не является автоматически «лучшей» для любого применения. Ее характеристики определяются совокупностью факторов: топологией, силовыми и магнитными компонентами, системой управления, режимом работы и условиями эксплуатации.

Часто задаваемые вопросы