Главная
АИ #24 (154)
Статьи журнала АИ #24 (154)
Основные топологии импульсных источников питания

Основные топологии импульсных источников питания

Автор(-ы):

Вахтин Владислав Евгеньевич

Лебедев Евгений Сергеевич

Шенин Кирилл Александрович

Нестеров Даниил Романович

16 июня 2023

Секция

Технические науки

Ключевые слова

импульсные источники питания
топологии
электротехника
трансформаторы
индуктивность

Аннотация статьи

В статье рассматриваются основные топологии источников питания, используемых в современных электрических схемах и их основные достоинства.

Текст статьи

Роль источника питания (далее – ИП) имеет решающее значение для электронных схем, поскольку без достаточной мощности схема не может функционировать на оптимальном уровне. С другой стороны, превышение мощности ИП может ухудшить состояние компонентов схемы из-за эффекта нагрева. Существует два варианта топологии ИП: линейный ИП и ИП с переключаемым режимом (SMPS).

Новая топология Switched Mode Power Supply предпочтительнее для современных схем благодаря своей повышенной эффективности и компактности. Однако SMPS имеет больше компонентов и сложную конструкцию, но все же его преимущества перевешивают линейный ИП.

Топология ИП с переключаемым режимом

Поскольку импульсный ИП содержит большое количество компонентов, общая схема разделяется на несколько частей. Каждая из подобных частей учитывает все факторы, необходимые для оптимальной работы. Пример: если входной параметр ИП - переменный ток, то входной каскад имеет выпрямитель и ФНЧ. Также, имеется инверторный каскад. Скорость его переключения определяет частоту выходного переменного тока.

Таблицы

Сравнение между линейным ИП и SMPS

Источник питания

Линейный ИП

SMPS

Размер

Большой, тяжелый

Маленький, легкий

Эффективность

30-40%

70-90%

Сложность

Легкий

Сложный

ЭМИ

Маленький шум

Необходимая фильтрация

Цена

Высокая

Низкая

Из таблицы совершенно ясно, что SMPS предпочтительнее источников питания линейного режима, если принять во внимание критерии проектирования. Кроме того, компактные размеры и эффективность также говорят в пользу SMPS. Хотя SMPS превосходит линейный режим, выбор различных топологий SMPS также является сложным выбором. Существуют различные топологии SMPS:

Buck

https://lh4.googleusercontent.com/S8H58ereijfS6OMVmxoRXgYZk2gw5GhT3UFybi3-s-3RfT9oFzud5-oC-KvWoSFUhnAq2qHx9cc1LdOHbidv0nl0RLUB-XC8nMICpj4OZWmbbPOesCKTxqvJ-Y2eRXdP2rzpF4rTQdrjLhy8x--2wmU

Рис. 1. Топология Buck

Поскольку топология включает в себя индуктивность и шунтирующий конденсатор, она идеально подходит для понижения напряжения в цепи постоянного тока. Buck-преобразователи обеспечивают высокую эффективность.

Одним из основных недостатков buck-преобразователей является то, что входной ток всегда прерывистый, что приводит к увеличению электромагнитных помех. Эту проблему можно решить с помощью фильтрующих компонентов

Boost

https://lh4.googleusercontent.com/tkbHfBPLjvqBCsPEd6h6WROPDHxpMUn7D6yS764fSubPSZnDVEDY2qNTxHUYjxMhTwgdK488F3e0WM1pvvE2F0VGO43GUu2xgm1g-EXoMyfOJbxaUtsbUpqZaiky2aNER7nQ5GXduMB5qmRoUrIBYw0

Рис. 2. Топология Boost

Топология Boost помогает повысить напряжение благодаря тому, что переключатель находится в шунтирующем положении по отношению ко входу. Эта топология имеет широкий выбор индукторов в повышающих цепях в зависимости от функциональных требований. Кроме того, возможность использования нестандартной индуктивности помогает при проектировании схем для различных устройств.

Топология Boost потребляет непрерывный ток при работе в режиме проводимости, поэтому она увеличивает коэффициент мощности в случае значительных отклонений.

Buck-Boost

https://lh5.googleusercontent.com/r4Bov5y0uVkDtiqvYqewBw120jh50MSOTCYHmUM9XXDeL_WQdRTqIS2TZaU4fpXso8fDkmp38VbozM7sYfgpgtrqNw-7DRn1x0xvaWmzmCjPEHNv2kkb8wtzMNHXDkIMJkt4j-2bHIwKGpJi0Lq_-j8

Рис. 3. Топология Buck-Boost

Топология buck-boost представляет собой комбинацию топологий Buck и Boost. Следовательно, данная топология подходит как для повышения, так и для понижения напряжения. Поскольку подключение катушки к основной цепи зависит от положения переключателя, схема преобразователя немного усложняется.

Эта топология особенно полезна для аккумуляторных систем, однако, она имеет недостаток - инвертирование выходного напряжения.

SEPIC/Сuk

https://lh5.googleusercontent.com/LljwUFIGMFmm_x4G7j8NbH2yiCxLyg3dcFIzTNONF12WMR1QskLteNWyGF2aTMK2tYS6Z6I-zretYTX4DA-5l58AHX4GR_oefoZ_y_wWPfN83l1gCyBATymf94I1lyFjL21F9GZUIF-2XlnKfMB8cj0

Рис. 4. Топология SEPIC

https://lh3.googleusercontent.com/7aEWHth-b-XWc9tqJMBAlVBxSqgDiay2Wu5fb5pU9tLKGfD7epJBs1-XRo3oriQKFZyVvvYoTtV56zQm7fzXQE4c4iu_kvS143JXF7E7Z3QZfi13NckwjCQPW1bJQLAa76sTySaVXyrGUTLu93xCdw8

Рис. 5. Топология Cuk

Топологии SEPIC и Сuk используют как индуктивности, так и емкости для хранения в цепи энергии. Функция повышения или понижения напряжения делает их пригодными для применения в батареях. SEPIC топология предпочтительнее, чем Сuk и buck-boost, благодаря неинвертирующему выходу.

Flyback

https://lh3.googleusercontent.com/FsKghntvdNCbo1-428htVMvMv1vE0oBiFcxrYKH9yGRtp0Wu_F7kzzjjt753xch-GPyjan9VPrf1clrFM21yyZv8ysOIAbtHPtIsW5w6bda6FSQb1z5wppd7EDe8A_5050R7IRRaJt9Q6LC5XHf7VMI

Рис. 6. Топология Flyback

Топология Flyback состоит из трансформатора для обеспечения изоляции. Он, также, позволяет изменять напряжение путем изменения коэффициента трансформации и создает возможность для нескольких выходов.

Топология Flyback является самой простой и распространенной из изолированных топологий для маломощных ИП. Кроме того, обратноходовой трансформатор отказаться от необходимости в отдельном индукторе.

Forward

https://lh5.googleusercontent.com/lBjocNT9fv_4KPBFXG2YoLFX4VoAekKZloPUCaelTV-WdqgeaT4CbPv7fcKsm1nsKFq9dYKwVv7SpjFniZ1tKnDgEDOHiwInqKXc-KLvogePfqtcR61XFOla_1WiTY1tzbftMxSQoVN5sKYrdT7XKcQ

Рис. 7. Топология Forward

Топология включает в себя трансформатор вместе с расширенной схемой на выходе. Схемы forward являются оптимальными для питания большим током благодаря стабильному выходному току, следовательно, может использоваться в схемах с током, превышающим 15А.

Как и flyback, forward предназначен для устройств с пониженной мощностью. Хотя эффективность сравнима с flyback, у него есть недостаток в виде дополнительного индуктора на выходе, что делает его менее пригодным к высоким напряжениям на выходе.

Push-Pull

https://lh5.googleusercontent.com/5cAtEkU8k45o44-lvLFqwhnz03vuDIzAVRY2_45BazzpFs7zghOWayJXnjdLcUpxJq1wqIrnodJgcjlQnw_76zRw9qw_UI63yy-X2VIgZeg3k-VIfo1Omx2Ozc0cqlJfefwwE9KfWyRlbmDDW2pulh4

Рис. 9. Топология Push-Pull

Топология push-pull использует две первичные обмотки в цепях forward для создания двух приводных обмоток. Следовательно, она повышает эффективность, поскольку использование сердечника трансформатора оптимально по сравнению с любым обратным или прямым преобразователем. Кроме того, в преобразователях Push-Pull предусмотрена возможность масштабирования при строгих требованиях к мощности.

При одинаковых уровнях мощности схемы push-pull отличаются компактными фильтрами по отношению к прямому преобразователю. Кроме того, функциональность переключения имеет решающее значение, поскольку если оба переключателя включаются одновременно. То возникнет равный и противоположно направленный магнитный поток в трансформаторе, из-за которого импеданс уменьшится и, как следствие, увеличится ток.

Half-Brige

https://lh5.googleusercontent.com/F9pKiI0IZ2SxZ1HOaK8crNXR5LX3xjAnx6hJ2oLNQHAbiusYeOLZh2SsLoku1HXL5joVCTXCmsk-FsH3jqzDU_7pGTQEykZwqNLs5c0b2UBmxqbuEstwoIgzuPD6EdJAfI67R9HDDCV7u16ncfy1tBk

Рис. 9. Топология Half-Brige

Топология Half-Brige обладает функцией масштабирования мощностей, однако, имеет проблему внезапного увеличения тока при одновременном включении переключателей. Чтобы контролировать это, необходима пауза между коммутациями, что ограничивает рабочий цикл примерно до 45%. Преимуществом Half-Brige является то, что напряжение на входе и выходе равны.

Резонансная LLC

https://lh3.googleusercontent.com/h26TVWhOX14qQaPmxZrfIHH59hVnR_mdnIHcn90ivAo_qsiDu6RqH0cmM0MJAnGvHAtx-LRQwODgwtd2srnXXqqDR7ICXT1oE0WEunumVsd61QhUnm1C1sz21mTbQWp2LohDnDZfPE-Vx_jh2VIQxGY

Рис. 10. Топология резонансной LLC

Резонансная схема LLC имеет конструкцию, аналогичную Half-Brige, в ней также используется концепция резонанса для устранения эффекта опережения и запаздывания, что снижает потери на переключение.

Эта топология является очень хорошим выбором для ИП в режиме ожидания, поскольку схема с резонансом требует непрерывной подачи энергии. Резонансная LLC предпочтительнее топологий push-pull и Half-Brige, поскольку она настраивается на широкий диапазон входных напряжений, однако она имеет большую сложность и дороговизну.

Список литературы

  1. Электронный ресурс: https://www.we-online.com/en/news-center/blog?d=switch-mode-power-supply
  2. Марти Браун. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер. с англ. - К.: “МК-Пресс”, 2007. - 288 с.
  3. Коростелин А.В. Импульсные источники питания. Элементная база, архитектура и ремонт, 2020.

Поделиться

1761

Вахтин В. Е., Лебедев Е. С., Шенин К. А., Нестеров Д. Р. Основные топологии импульсных источников питания // Актуальные исследования. 2023. №24 (154). Ч.I.С. 30-35. URL: https://apni.ru/article/6553-osnovnie-topologii-impulsnikh-istochnikov-pit

Похожие статьи

Другие статьи из раздела «Технические науки»

Все статьи выпуска
Актуальные исследования

#29 (211)

Прием материалов

13 июля - 19 июля

осталось 6 дней

Размещение PDF-версии журнала

24 июля

Размещение электронной версии статьи

сразу после оплаты

Рассылка печатных экземпляров

6 августа