Основные топологии импульсных источников питания

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

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

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

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

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

Рис. 4. Топология SEPIC

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

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

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

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

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

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.