Switching power supply что это

Switched Mode Power Supply Technology

Switched Mode Power Supply or SMPS is an electronic power supply that incorporates a switching regulator to convert electrical power efficiently. Like other power supplies, an SMPS transfers power from a source, like mains power, to a load, such as a PC, while converting voltage and current characteristics. A typical SMPS is seen down here :

Circuit Diagram

The components F1 and F2 are referred to as Fuse.

The components of SMPS

EMI Filter : The low-pass EMI filter is designed to reduce to an acceptable level high frequency currents getting back into the AC line. This is necessary to prevent interference on the other devices connected to the same electrical wiring. This is to comply some of the safety regulations.

Rectifier Bridge : It converts bipolar waveforms into unipolar pulsating ones. It has four diodes in a bridge arrangement to provide the same polarity of the output for both polarities of the input.

PFC Regulator : The Power Factor (PF) of rectified input voltage is increased in this part of the circuit. The ratio of the actual electrical power dissipated by an AC circuit to the product of the r.m.s. values of current and voltage is called Power Factor.. The difference between the two is caused by reactance in the circuit and represents power that does no useful work.

DC-DC Converter : It is used to generate DC outputs from the PFC outputs.

Specifications to know before choosing SMPS

Different SMPSs have different power ratings, different voltage outputs and thus different current ratings. It is thus important to decide upon these factors before choosing the SMPS of your choices.

Real life applications

Some of the places where SMPS can be found are as follows:

When we use an adapter-looking thing to power Arduino, it converts 220V supply to a 12V supply required to power the Arduino. This is achieved by the SMPS present inside the black part of the adapter.

The black box looking thing attached to a laptop charger is actually an SMPS to convert the input to an output DC Voltage to charge the battery.

How to use it with Arduino

Suppose we need to power a device which works at a higher voltage and power supply than an arduino can provide, we can use an SMPS to power the circuit. But if we want to control the turning on and off of the device using arduino we might face a problem in this case. In this case a relay will work the best as relay can be used to control a higher rated circuit using Arduino’s lower rated circuit.

Что такое импульсный источник питания

Источники питания используются почти во всех электрических / электронных устройствах, чтобы обеспечить достаточный ток при требуемом напряжении. Существует два основных типа источников питания: линейные и импульсные. Оба могут использоваться взаимозаменяемо, но импульсные источники питания становятся все более популярными.

В этой статье давайте посмотрим, что такое импульсные блоки питания, как они работают, а также их преимущества и недостатки по сравнению с традиционным линейным блоком питания.

Что такое импульсный источник питания (SMPS)?

Импульсный источник питания (также известный как импульсный источник питания, SMPS, коммутатор) представляет собой электронный блок питания, который эффективно преобразует электрическую энергию из одного напряжения в другое.

Обычно SMPS используется для передачи мощности от источника постоянного / переменного тока к нагрузке постоянного тока (например, компьютеру, мобильному телефону и т. Д.). Большинство импульсных источников питания преобразуют более высокое напряжение (110 В или 220 В переменного тока) в гораздо более низкое напряжение постоянного тока, например 24 В, 12 В или 5 В.

Мы можем найти эти типы источников питания почти в каждом электроприборе, особенно в компактных. Например, адаптеры для зарядки мобильных телефонов, компьютеры, адаптеры для зарядки ноутбуков можно взять.

История импульсных источников питания

История импульсных источников питания восходит к 1836 году. Есть свидетельства того, что индуктивные катушки использовались для генерации пиков высокого напряжения для экспериментов. Перенесемся почти на десять лет вперед: в 1959 году в Bell Labs Мохамед М. Аталла и Давон Кан изобрели силовой полевой МОП-транзистор. Силовые полевые МОП-транзисторы на сегодняшний день являются наиболее широко используемым переключающим устройством в импульсных источниках питания.

Есть записи о патентах, поданных IBM в 1958 году, где показана конструкция SMPS, основанная на транзисторных колебаниях. Примерно в том же году General Motors Corporation (GM) также подала аналогичные патенты на конструкции SMPS.

Первым коммерческим и широко известным продуктом с импульсным блоком питания был карманный калькулятор Hewlett Packard HP-35. Миниатюрный SMPS использовался для питания светодиодов, ПЗУ и других первичных элементов, таких как часы и регистры. Хотя разработки разрабатывались многими крупными поставщиками, в 1976 году Microchip Technology подала патент на использование термина «импульсный источник питания (SMPS)». Они выпустили первый интегрированный контроллер для импульсных источников питания.

Что означает «режим переключения»?

Термин «режим переключения» или «режим переключения» происходит от работы SMPS. SMPS состоит из сложной схемы, работающей на очень высокой частоте (от 20 кГц до 10 МГц). Это высокоскоростное переключение позволяет импульсному источнику питания преобразовывать электроэнергию более эффективно, чем традиционные линейные источники питания.

Принцип работы импульсного источника питания

Импульсный источник питания состоит из сложной схемы, которая содержит ряд подсхем силовой электроники для эффективного преобразования энергии из одного напряжения в другое.

Типичный SMPS имеет следующую блок-схему с этими ключевыми подразделами:

• Входной этап
• Стадия переключения
• Выходной каскад
• Цепь управления

Этап ввода

Каскад ввода мощности обычно состоит из полный или полумостовой выпрямитель схема, которая принимает мощность переменного тока в качестве входа и выдает отфильтрованный выход постоянного тока с тем же напряжением. Например, этот каскад может преобразовывать 110 В переменного тока в 110 В постоянного тока. Этот каскад также содержит дополнительные LC-фильтры (катушка индуктивности и конденсатор) для дальнейшего устранения любых пульсаций входной мощности.

Высокочастотный переключатель

Это наиболее ответственный этап электроснабжения. Обычно в SMPS в качестве основного коммутирующего устройства используется силовой полевой МОП-транзистор (один или несколько). Сигнал ШИМ быстро включает и выключает полевой МОП-транзистор, действуя как переключатель. Это преобразует сглаженное постоянное напряжение от входного каскада в высокочастотную прямоугольную волну. Коммутационное устройство работает в режим непрерывной проводимости в большинстве расходных материалов для достижения большей эффективности преобразования.

Этот колебательный источник питания подается на силовой трансформатор, который понижает или увеличивает напряжение в соответствии с соотношением первичной и вторичной обмоток. Некоторые источники питания имеют несколько обмоток для обратной связи и получения нескольких выходных напряжений.

Выходной этап

Выходной сигнал силового трансформатора также представляет собой колебательный сигнал, который дополнительно фильтруется выходным каскадом. Этот каскад также содержит фильтры, аналогичные входному каскаду, но может обрабатывать больший ток при более низких напряжениях. Это последний этап схемы, который передает мощность на подключенную нагрузку.

Схема управления

Переключающее устройство (транзистор или полевой МОП-транзистор) должно быстро включаться и выключаться для генерации прямоугольной волны, необходимой для питания силового трансформатора с использованием сигнала ШИМ. Этот сигнал ШИМ имеет как частоту, так и рабочий цикл. Рабочий цикл — это отношение времени включения к общему времени цикла. Выходным напряжением SMPS можно управлять, увеличивая или уменьшая рабочий цикл сигнала ШИМ, подаваемого на транзистор.

Когда нагрузка подключена, она начинает потреблять ток, и выходное напряжение ИИП падает. В этот момент отдельная схема должна быть в состоянии готовности, чтобы контролировать выходное напряжение и, когда оно падает, необходимо увеличивать рабочий цикл сигнала ШИМ. Точно так же, когда нагрузка отключена, цепь обратной связи уменьшает рабочий цикл, чтобы поддерживать желаемое выходное напряжение.

Что такое топологии SMPS

В коммерческих импульсных источниках питания используется множество топологий:

• Доллар
  • Понижающая топология представляет собой неизолированную топологию понижения постоянного напряжения постоянного тока. (т.е. от 24 В до 12 В постоянного тока)
  • Они потребляют меньший средний ток от входа и обеспечивают более высокий ток на выходе.
  • Примером понижающего преобразователя являются компьютерные блоки питания, в которых основной источник питания 12 В понижается для питания контроллеров 5 В USB и 1.8 В DRAM.
  • Это неизолированная топология повышения напряжения постоянного тока. (От 3.7 до 5 В постоянного тока)
  • Повышающие преобразователи потребляют больше тока от входа и меньше тока на выходе при более высоком напряжении на нагрузку.
  • В системах с батарейным питанием, таких как портативные осветительные системы для электромобилей, используются высокоэффективные повышающие преобразователи для преобразования более низкого напряжения в более высокое напряжение для включения электроприборов.
  • Комбинация топологий Buck и Boost. Эти схемы могут повышать или понижать вход в соответствии с желаемым выходом.
  • Понижающие / повышающие преобразователи используются там, где входное напряжение может быть выше или ниже желаемого выходного напряжения. Используя такой преобразователь, мы всегда можем гарантировать, что он обеспечит желаемое выходное напряжение независимо от входного напряжения. Однако это обычно имеет ограничения, такие как диапазон входного напряжения (минимальное и максимальное входные напряжения.

  Вышеупомянутые топологии являются наиболее простыми топологиями. Однако они не обеспечивают гальванической развязки, как трансформаторы. Следовательно, существуют более продвинутые топологии, в которых используются более сложные трансформаторы для обеспечения необходимых функций безопасности при сохранении той же функциональности.

  • Лететь обратно
    • Усовершенствованная версия понижающего преобразователя обеспечивает ту же функциональность с гальванической развязкой.
    • Изолированная топология SMPS более эффективна, чем обратная топология.

    Цепь импульсного источника питания

    Хотя управление SMPS может показаться сложным и более сложным в обращении, существуют специализированные ИС контроллера SMPS, такие как TNY267, TEA173X и VIPER22A, которые имеют встроенный генератор PWM и многие другие расширенные функции, такие как управление обратной связью и защита от короткого замыкания / перенапряжения.

    Ниже показано типичное применение TNY267 от Power Integrations, простого автономного контроллера SMPS, который может выдавать 12 В 1 А постоянного тока с использованием источника переменного тока 230 В.

    

    Вход Vin представляет собой вход 100–300 В переменного тока (также может быть постоянным током), а вход защищен предохранителем и металлооксидным варистором (MOV) для защиты цепи от скачков перенапряжения. Мостовой выпрямитель D3 и конденсатор C2 вместе выпрямляют входной сигнал переменного тока до 100–300 В постоянного тока. Выходное напряжение этого каскада составляет примерно [входное напряжение * 1.4] из-за значений RMS.

    D2 и D4 вместе образуют схему подавления переходных процессов для защиты TNY267 от обратно ЭДС шипы. D1 и C1 выпрямляют вторичный выход трансформатора T1, который является желаемым выходным напряжением.

    R1, D5 и R2 образуют цепь обратной связи для регулирования выходного напряжения в соответствии с изменяющимися условиями нагрузки. Это помогает TNY267 поддерживать постоянное выходное напряжение на уровне 12 В.

    Преимущества и недостатки импульсных источников питания

    Импульсные источники питания имеют множество преимуществ:

    • Меньший по размеру, поэтому может поместиться в компактные устройства
    • Благодаря компонентам на основе полупроводников, ИИП легче по весу.
    • Очень эффективен, чем линейные источники питания (типично 70-95%)
    • Поддерживает более широкий диапазон входного и выходного напряжения
    • Обеспечивает дополнительные функции, такие как регулируемые выходы и функции безопасности, такие как защита от короткого замыкания, перенапряжения, перегрузки по току и перегрева.
    • Низкое тепловыделение, поэтому требуется минимальное активное охлаждение

    Однако у SMPS есть и недостатки, которые иногда делают их непригодными для определенных приложений. Например, SMPS представляет собой гораздо более сложную схему, чем традиционная линейная схема. Таким образом, существует множество компонентов, которые могут выйти из строя и снизить производительность источника питания.

    Кроме того, SMPS известны своими более высокими EMI (электромагнитными помехами) и электрическими шумами, поскольку они работают на высоких частотах. Плохо спроектированный SMPS может вызвать сбои, а иногда даже необратимо повредить чувствительную электронику, питающуюся от них.

    В области энергоснабжения импульсные источники питания также создают гармонические искажения в энергосистеме и иногда могут потребовать дополнительной коррекции коэффициента мощности, если они не встроены в источник питания.

    Линейный и импульсный источник питания

    Основное отличие ИИП от линейных источников питания — их эффективность. Импульсные источники питания чрезвычайно эффективны по сравнению с линейными источниками питания, которые имеют тенденцию рассеивать больше энергии в виде тепла.

    В линейных источниках питания переменного и постоянного тока обычно используются трансформаторы для понижения входного переменного напряжения, а затем его выпрямление с помощью диодов и фильтров с использованием конденсаторов. Это обеспечивает очень низкий уровень пульсаций на выходе, но за счет снижения эффективности (около 30% -60%). Они также имеют тенденцию быть очень громоздкими из-за размера и веса трансформатора. Линейные источники питания не могут работать с переменным входным напряжением, если они не разработаны специально.

    С другой стороны, линейные преобразователи постоянного тока в постоянный понижают напряжение, рассеивая падение напряжения в виде тепла. Следовательно, для правильной работы сильноточных линейных регуляторов требуется более сложное активное охлаждение. Однако линейные источники питания просты в бездействии и относительно дешевы в реализации. Также изолированы выходы линейных (трансформаторных) источников питания.

    SMPS в этом случае отличается показателями эффективности от 80% и выше с минимальными потерями мощности. Кроме того, они имеют небольшой форм-фактор и имеют гибкие возможности применения, так как схема может быть изменена для получения регулируемых выходов и даже изолированных выходов. Но они намного сложнее по конструкции (большое количество компонентов) и имеют высокочастотный шум на выходе. При неправильном обращении они могут вызвать проблемы в чувствительных участках цепей нагрузки.

    Заключение

    Импульсные источники питания очень эффективны при преобразовании электроэнергии из одного напряжения в другое. Они подходят для приложений с высоким КПД и большой мощностью и во многих случаях более подходят, чем линейные источники питания. Однако выбор SMPS или линейного источника питания должен выполняться с учетом многих факторов, таких как допустимая пульсация на выходе, нагрузка и регулировка линии, а также стоимость / сложность в желаемом приложении.

    Что такое импульсный блок питания и чем он отличается от обычного аналогового

    Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

    Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

    встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;

    или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

    В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:

    1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

    2. импульсных блоках питания.

    Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

    Трансформаторные блоки питания

    Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

    После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

    

    За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

    Импульсные блоки питания (ИБП)

    Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

    доступностью комплектования распространенной элементной базой;

    надежностью в исполнении;

    возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

    Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

    

    В состав основных деталей источников питания входят:

    сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

    накопительная фильтрующая емкость;

    ключевой силовой транзистор;

    схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

    импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

    выпрямительные диоды выходной схемы;

    цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

    силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

    Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

    

    Как работает импульсный блок питания

    Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

    Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

    Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:

    1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;

    2. без выполнения подобной развязки.

    Импульсный блок питания с гальванической развязкой

    В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.

    Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.

    

    В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:

    2. каскад из силовых ключей;

    3. импульсный трансформатор.

    Как работает ШИМ-контроллер

    Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.

    Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

    Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.

    

    Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.

    В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.

    

    Работа каскада из силовых ключей

    Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.

    Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:

    со средней точкой.

    Импульсный трансформатор

    Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.

    Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.

    Импульсные блоки питания без гальванической развязки

    В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.

    

    Особенности стабилизации выходного напряжения

    Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.

    Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:

    1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;

    2. применения оптрона.

    В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.

    При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.

    Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми

    При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:

    1. уменьшенный вес;

    2. повышенный КПД;

    3. меньшая стоимость;

    4. расширенный диапазон питающих напряжений;

    5. наличие встроенных защит.

    1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.

    За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.

    2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.

    В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.

    3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.

    4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.

    5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.

    У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:

    маломощных цепей управления сложной бытовой техники;

    слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).

    Недостатки импульсных блоков питания

    В/ч помехи

    Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.

    В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.

    Ограничения по мощности

    Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.

    Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрические приборы и устройства

    Устройство компьютерных блоков питания и методика их тестирования

    ⇡#Линейный и импульсный источники питания

    Начнем с основ. Блок питания в компьютере выполняет три функции. Во-первых, переменный ток из бытовой сети электропитания нужно преобразовать в постоянный. Второй задачей БП является понижение напряжения 110-230 В, избыточного для компьютерной электроники, до стандартных значений, требуемых конвертерами питания отдельных компонентов ПК, – 12 В, 5 В и 3,3 В (а также отрицательные напряжения, о которых расскажем чуть позже). Наконец, БП играет роль стабилизатора напряжений.

    Есть два основных типа источников питания, которые выполняют перечисленные функции, – линейный и импульсный. В основе простейшего линейного БП лежит трансформатор, на котором напряжение переменного тока понижается до требуемого значения, и затем ток выпрямляется диодным мостом.

    Однако от БП требуется еще и стабилизация выходного напряжения, что обусловлено как нестабильностью напряжения в бытовой сети, так и падением напряжения в ответ на увеличение тока в нагрузке.

    Чтобы компенсировать падение напряжения, в линейном БП параметры трансформатора рассчитываются так, чтобы обеспечить избыточную мощность. Тогда при высоком токе в нагрузке будет наблюдаться требуемый вольтаж. Однако и повышенное напряжение, которое возникнет без каких-либо средств компенсации при низком токе в полезной нагрузке, тоже неприемлемо. Избыточное напряжение устраняется за счет включения в цепь неполезной нагрузки. В простейшем случае таковой является резистор или транзистор, подключенный через стабилитрон (Zener diode). В более продвинутом – транзистор управляется микросхемой с компаратором. Как бы то ни было, избыточная мощность просто рассеивается в виде тепла, что отрицательно сказывается на КПД устройства.

    

    Пример линейного источника питания со стабилизатором. Избыточная мощность рассеивается на транзисторе Q1

    В схеме импульсного БП возникает еще одна переменная, от которой зависит напряжение на выходе, в дополнение к двум уже имеющимся: напряжению на входе и сопротивлению нагрузки. Последовательно с нагрузкой стоит ключ (которым в интересующем нас случае является транзистор), управляемый микроконтроллером в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Чем выше длительность открытых состояний транзистора по отношению к их периоду (этот параметр называется duty cycle, в русскоязычной терминологии используется обратная величина – скважность), тем выше напряжение на выходе. Из-за наличия ключа импульсный БП также называется Switched-Mode Power Supply (SMPS).

    Через закрытый транзистор ток не идет, а сопротивление открытого транзистора в идеале пренебрежимо мало. В действительности открытый транзистор обладает сопротивлением и рассеивает какую-то часть мощности в виде тепла. Кроме того, переход между состояниями транзистора не идеально дискретный. И все же КПД импульсного источника тока может превышать 90%, в то время как КПД линейного БП со стабилизатором в лучшем случае достигает 50%.

    

    Простейшая схема импульсного преобразователя AC/DC с трансформатором

    Другое преимущество импульсных источников питания состоит в радикальном уменьшении габаритов и массы трансформатора по сравнению с линейными БП такой же мощности. Известно, что чем выше частота переменного тока в первичной обмотке трансформатора, тем меньше необходимый размер сердечника и число витков обмотки. Поэтому ключевой транзистор в цепи размещают не после, а до трансформатора и, помимо стабилизации напряжения используют для получения переменного тока высокой частоты (для компьютерных БП это от 30 до 100 кГц и выше, а как правило – около 60 кГц). Трансформатор, работающий на частоте электросети 50-60 Гц, для мощности, требуемой стандартным компьютером, был бы в десятки раз массивнее.

    Линейные БП сегодня применяются главным образом в случае маломощных устройств, когда относительно сложная электроника, необходимая для импульсного источника питания, составляет более чувствительную статью расходов в сравнении с трансформатором. Это, к примеру, блоки питания на 9 В, которые используются для гитарных педалей эффектов, а когда-то – для игровых приставок и пр. А вот зарядники для смартфонов уже сплошь импульсные – тут расходы оправданны. Благодаря существенно меньшей амплитуде пульсаций напряжения на выходе линейные БП также применяются в тех областях, где это качество востребованно.

    ⇡#Общая схема блока питания стандарта ATX

    БП настольного компьютера представляет собой импульсный источник питания, на вход которого подается напряжение бытовой электросети с параметрами 110/230 В, 50-60 Гц, а на выходе есть ряд линий постоянного тока, основные из которых имеют номинал 12, 5 и 3,3 В. Помимо этого, БП обеспечивает напряжение -12 В, а когда-то еще и напряжение -5 В, необходимое для шины ISA. Но последнее в какой-то момент было исключено из стандарта ATX в связи с прекращением поддержки самой ISA.

    

    Блок-схема импульсного БП

    На упрощенной схеме стандартного импульсного БП, представленной выше, можно выделить четыре основных этапа. В таком же порядке мы рассматриваем компоненты блоков питания в обзорах, а именно:

    1. фильтр ЭМП – электромагнитных помех (RFI filter);
    2. первичная цепь – входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
    3. основной трансформатор;
    4. вторичная цепь – выпрямители тока со вторичной обмотки трансформатора (rectifiers), сглаживающие фильтры на выходе (filtering).

    

    Внутреннее устройство БП (AeroCool KCAS-650M)

    

    Полная схема простого блока питания стандарта ATX

    ⇡#Фильтр ЭМП

    Фильтр на входе БП служит для подавления двух типов электромагнитных помех: дифференциальных (differential-mode) – когда ток помехи течет в разные стороны в линиях питания, и синфазных (common-mode) – когда ток течет в одном направлении.

    Дифференциальные помехи подавляются конденсатором CX (крупный желтый пленочный конденсатор на фото выше), включенным параллельно нагрузке. Иногда на каждый провод дополнительно вешают дроссель, выполняющий ту же функцию (нет на схеме).

    Фильтр синфазных помех образован конденсаторами CY (синие каплевидные керамические конденсаторы на фото), в общей точке соединяющими линии питания с землей, и т.н. синфазным дросселем (common-mode choke, LF1 на схеме), ток в двух обмотках которого течет в одном направлении, что создает сопротивление для синфазных помех.

    

    Схема фильтра электромагнитных помех

    В дешевых моделях устанавливают минимальный набор деталей фильтра, в более дорогих описанные схемы образуют повторяющиеся (полностью или частично) звенья. В прошлом нередко встречались БП вообще без фильтра ЭМП. Сейчас это скорее курьезное исключение, хотя, покупая совсем дешевый БП, можно, все-таки нарваться на такой сюрприз. В результате будет страдать не только и не столько сам компьютер, сколько другая техника, включенная в бытовую сеть, – импульсные БП являются мощным источником помех.

    В районе фильтра хорошего БП можно обнаружить несколько деталей, защищающих от повреждения само устройство либо его владельца. Почти всегда есть простейший плавкий предохранитель для защиты от короткого замыкания (F1 на схеме). Отметим, что при срабатывании предохранителя защищаемым объектом является уже не блок питания. Если произошло КЗ, то, значит, уже пробило ключевые транзисторы, и важно хотя бы предотвратить возгорание электропроводки. Если в БП вдруг сгорел предохранитель, то менять его на новый, скорее всего, уже бессмысленно.

    Отдельно выполняется защита от кратковременных скачков напряжения с помощью варистора (MOV – Metal Oxide Varistor). А вот никаких средств защиты от длительного повышения напряжения в компьютерных БП нет. Эту функцию выполняют внешние стабилизаторы со своим трансформатором внутри.

    

    Фильтр электромагнитных помех (Antec VP700P)

    Конденсатор в цепи PFC после выпрямителя может сохранять значительный заряд после отключения от питания. Чтобы беспечного человека, сунувшего палец в разъем питания, не ударило током, между проводами устанавливают разряжающий резистор большого номинала (bleeder resistor). В более изощренном варианте – вместе с управляющей схемой, которая не дает заряду утекать при работе устройства.

    Кстати, наличие фильтра в блоке питания ПК (а в БП монитора и практически любой компьютерной техники он тоже есть) означает, что покупать отдельный «сетевой фильтр» вместо обычного удлинителя, в общем-то, без толку. У него внутри все то же самое. Единственное условие в любом случае – нормальная трехконтактная проводка с заземлением. В противном случае конденсаторы CY, соединенные с землей, просто не смогут выполнять свою функцию.

    ⇡#Входной выпрямитель

    После фильтра переменный ток преобразуется в постоянный с помощью диодного моста – как правило, в виде сборки в общем корпусе. Отдельный радиатор для охлаждения моста всячески приветствуется. Мост, собранный из четырех дискретных диодов, – атрибут дешевых блоков питания. Можно также поинтересоваться, на какой ток рассчитан мост, чтобы определить, соответствует ли он мощности самого БП. Хотя по этому параметру, как правило, имеется хороший запас.

    ⇡#Блок активного PFC

    В цепи переменного тока с линейной нагрузкой (как, например, лампа накаливания или электроплитка) протекающий ток следует такой же синусоиде, как и напряжение. Но это не так в случае с устройствами, имеющими входной выпрямитель, – такими как импульсные БП. Блок питания пропускает ток короткими импульсами, примерно совпадающими по времени с пиками синусоиды напряжения (то есть максимальным мгновенным напряжением), когда подзаряжается сглаживающий конденсатор выпрямителя.

    

    Потребление тока импульсным БП

    Сигнал тока искаженной формы раскладывается на несколько гармонических колебаний в сумме с синусоидой данной амплитуды (идеальным сигналом, который имел бы место при линейной нагрузке).

    Мощность, используемая для совершения полезной работы (которой, собственно, является нагрев компонентов ПК), указана в характеристиках БП и называется активной. Остальная мощность, порождаемая гармоническими колебаниями тока, называется реактивной. Она не производит полезной работы, но нагревает провода и создает нагрузку на трансформаторы и прочее силовое оборудование.

    Векторная сумма реактивной и активной мощности называется полной мощностью (apparent power). А отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности (power factor) – не путать с КПД!

    У импульсного БП коэффициент мощности изначально довольно низкий – около 0,7. Для частного потребителя реактивная мощность не составляет проблемы (благо она не учитывается электросчетчиками), если только он не пользуется ИБП. На бесперебойник как раз таки ложится полная мощность нагрузки. В масштабе офиса или городской сети избыточная реактивная мощность, создаваемая импульсными БП уже значительно снижает качество электроснабжения и вызывает расходы, поэтому с ней активно борются.

    

    Электрическая схема и потребление тока блоком Active PFC

    В частности, подавляющее большинство компьютерных БП оснащаются схемами активной коррекции фактора мощности (Active PFC). Блок с активным PFC легко опознать по единственному крупному конденсатору и дросселю, установленным после выпрямителя. В сущности, Active PFC является еще одним импульсным преобразователем, который поддерживает на конденсаторе постоянный заряд напряжением около 400 В. При этом ток из питающей сети потребляется короткими импульсами, ширина которых подобрана таким образом, чтобы сигнал аппроксимировался синусоидой – что и требуется для имитации линейной нагрузки. Для синхронизации сигнала потребления тока с синусоидой напряжения в контроллере PFC имеется специальная логика.

    Схема активного PFC содержит один или два ключевых транзистора и мощный диод, которые размещаются на одном радиаторе с ключевыми транзисторами основного преобразователя БП. Как правило, ШИМ-контроллер ключа основного преобразователя и ключа Active PFC являются одной микросхемой (PWM/PFC Combo).

    

    Блок Active PFC и входной выпрямитель (Antec VP700P)

    Коэффициент мощности у импульсных блоков питания с активным PFC достигает 0,95 и выше. Кроме того, у них есть одно дополнительное преимущество – не требуется переключатель сети 110/230 В и соответствующий удвоитель напряжения внутри БП. Большинство схем PFC переваривают напряжения от 85 до 265 В. Кроме того, снижается чувствительность БП к кратковременным провалам напряжения.

    Кстати, помимо активной коррекции PFC, существует и пассивная, которая подразумевает установку дросселя большой индуктивности последовательно с нагрузкой. Эффективность ее невелика, и в современном БП вы такое вряд ли найдете.

    ⇡#Основной преобразователь

    Общий принцип работы для всех импульсных БП изолированной топологии (с трансформатором) один: ключевой транзистор (или транзисторы) создает переменный ток на первичной обмотке трансформатора, а ШИМ-контроллер управляет скважностью их переключения. Конкретные схемы, однако, различаются как по количеству ключевых транзисторов и прочих элементов, так и по качественным характеристикам: КПД, форма сигнала, помехи и пр. Но здесь слишком многое зависит от конкретной реализации, чтобы на этом стоило заострять внимание. Для интересующихся приводим набор схем и таблицу, которая позволит по составу деталей опознавать их в конкретных устройствах.

    Транзисторы	Диоды	Конденсаторы	Ножки первичной обмотки трансформатора
    Single-Transistor Forward	1	1	1	4
    Two-Transistor Forward	2	2	0	2
    Half Bridge	2	0	2	2
    Full Bridge	4	0	0	2
    Push-Pull	2	0	0	3

    Помимо перечисленных топологий, в дорогих БП встречаются резонансные (resonant) варианты Half Bridge, которые легко опознать по дополнительному крупному дросселю (или двум) и конденсатору, образующим колебательный контур.

    

    

    

    

    

    

    ⇡#Вторичная цепь

    Вторичная цепь – это все, что находится после вторичной обмотки трансформатора. В большинстве современных блоков питания трансформатор имеет две обмотки: с одной из них снимается напряжение 12 В, с другой – 5 В. Ток сначала выпрямляется с помощью сборки из двух диодов Шоттки – одной или нескольких на шину (на самой высоконагруженной шине – 12 В — в мощных БП бывает четыре сборки). Более эффективными с точки зрения КПД являются синхронные выпрямители, в которых вместо диодов используются полевые транзисторы. Но это прерогатива по-настоящему продвинутых и дорогих БП, претендующих на сертификат 80 PLUS Platinum.

    Шина 3,3 В, как правило, выводится от той же обмотки, что и шина 5 В, только напряжение понижается с помощью насыщаемого дросселя (Mag Amp). Специальная обмотка на трансформаторе под напряжение 3,3 В – экзотический вариант. Из отрицательных напряжений в текущем стандарте ATX осталось только -12 В, которое снимается со вторичной обмотки под шину 12 В через отдельные слаботочные диоды.

    ШИМ-управление ключом преобразователя изменяет напряжение на первичной обмотке трансформатора, а следовательно – на всех вторичных обмотках сразу. При этом потребление тока компьютером отнюдь не равномерно распределено между шинами БП. В современном железе наиболее нагруженной шиной является 12-В.

    Для раздельной стабилизации напряжений на разных шинах требуются дополнительные меры. Классический способ подразумевает использование дросселя групповой стабилизации. Три основные шины пропущены через его обмотки, и в результате если на одной шине увеличивается ток, то на других – падает напряжение. Допустим, на шине 12 В возрос ток, и, чтобы предотвратить падение напряжения, ШИМ-контроллер уменьшил скважность импульсов ключевых транзисторов. В результате на шине 5 В напряжение могло бы выйти за допустимые рамки, но было подавлено дросселем групповой стабилизации.

    Напряжение на шине 3,3 В дополнительно регулируется еще одним насыщаемым дросселем.

    

    Стабилизирующие дроссели и выходной фильтр (Antec VP700P)

    В более совершенном варианте обеспечивается раздельная стабилизация шин 5 и 12 В за счет насыщаемых дросселей, но сейчас эта конструкция в дорогих качественных БП уступила место преобразователям DC-DC. В последнем случае трансформатор имеет единственную вторичную обмотку с напряжением 12 В, а напряжения 5 В и 3,3 В получаются благодаря преобразователям постоянного тока. Такой способ наиболее благоприятен для стабильности напряжений.

    

    Преобразователь DC-DC для шины 5 В (CoolerMaster G650M)

    Финальной стадией на каждой шине является фильтр, который сглаживает пульсации напряжения, вызываемые ключевыми транзисторами. Кроме того, во вторичную цепь БП в той или иной мере пробиваются пульсации входного выпрямителя, чья частота равна удвоенной частоте питающей электросети.

    В состав фильтра пульсаций входит дроссель и конденсаторы большой емкости. Для качественных блоков питания характерна емкость не менее 2 000 мкФ, но у производителей дешевых моделей есть резерв для экономии, когда устанавливают конденсаторы, к примеру, вдвое меньшего номинала, что неизбежно отражается на амплитуде пульсаций.

    ⇡#Дежурное питание +5VSB

    Описание компонентов блока питания было бы неполным без упоминания об источнике дежурного напряжения 5 В, который делает возможным спящий режим ПК и обеспечивает работу всех устройств, которые должны быть включены постоянно. «Дежурка» питается от отдельного импульсного преобразователя с маломощным трансформатором. В некоторых БП встречается и третий трансформатор, использующийся в цепи обратной связи для изоляции ШИМ-контроллера от первичной цепи основного преобразователя. В других случаях эту функцию выполняют оптопары (светодиод и фототранзистор в одном корпусе).

    

    Трансформаторы (Corsair HX750i)

    ⇡#Методика тестирования блоков питания

    Одним из основных параметров БП является стабильность напряжений, которая находит отражение в т.н. кросс-нагрузочной характеристике. КНХ представляет собой диаграмму, в которой на одной оси отложен ток или мощность на шине 12 В, а на другой – совокупный ток или мощность на шинах 3,3 и 5 В. В точках пересечения при разных значениях обеих переменных определяется отклонение напряжения от номинала на той или иной шине. Соответственно, мы публикуем две разные КНХ – для шины 12 В и для шины 5/3,3 В.

    Цвет точки означает процент отклонения:

    • зеленый: ≤ 1%;
    • салатовый: ≤ 2%;
    • желтый: ≤ 3%;
    • оранжевый: ≤ 4%;
    • красный: ≤ 5%.
    • белый: > 5% (не допускается стандартом ATX).

    

    

    Для получения КНХ используется сделанный на заказ стенд для тестирования блоков питания, который создает нагрузку за счет рассеивания тепла на мощных полевых транзисторах.

    

    Стенд для тестирования БП

    Другой не менее важный тест – определение размаха пульсаций на выходе БП. Стандарт ATX допускает пульсации в пределах 120 мВ для шины 12 В и 50 мВ – для шины 5 В. Различают высокочастотные пульсации (на удвоенной частоте ключа основного преобразователя) и низкочастотные (на удвоенной частоте питающей сети).

    Этот параметр мы измеряем при помощи USB-осциллографа Hantek DSO-6022BE при максимальной нагрузке на БП, заданной спецификациями. На осциллограмме ниже зеленый график соответствует шине 12 В, желтый – 5 В. Видно, что пульсации находятся в пределах нормы, и даже с запасом.

    

    Высокочастотные пульсации: хороший результат (AeroCool KCAS-650M)

    

    Низкочастотные пульсации: хороший результат (AeroCool KCAS-650M)

    Для сравнения приводим картину пульсаций на выходе БП старого компьютера. Этот блок изначально не был выдающимся, но явно не стал лучше от времени. Судя по размаху низкочастотных пульсаций (обратите внимание, что деление развертки напряжения увеличено до 50 мВ, чтобы колебания поместились на экран), сглаживающий конденсатор на входе уже пришел в негодность. Высокочастотные пульсации на шине 5 В находятся на грани допустимых 50 мВ.

    

    Высокочастотные пульсации: на грани допустимого (старый БП)

    

    Низкочастотные пульсации: ужасно (старый БП)

    В следующем тесте определяется КПД блока при нагрузке от 10 до 100% от номинальной мощности (путем сравнения мощности на выходе с мощностью на входе, измеренной при помощи бытового ваттметра). Для сравнения на графике приводятся критерии различных категорий 80 PLUS. Впрочем, большого интереса в наши дни это не вызывает. На графике приведены результаты топового БП Corsair в сравнении с весьма дешевым Antec, а разница не то чтобы очень велика.

    

    Более насущный для пользователя вопрос – шум от встроенного вентилятора. Непосредственно измерить его вблизи от ревущего стенда для тестирования БП невозможно, поэтому мы измеряем скорость вращения крыльчатки лазерным тахометром – также при мощности от 10 до 100%. На нижеприведенном графике видно, что при низкой нагрузке на этот БП 135-миллиметровый вентилятор сохраняет низкие обороты и вряд ли слышен вообще. При максимальной нагрузке шум уже можно различить, но уровень все еще вполне приемлемый.

    Похожие публикации:

    1. Энергосберегающие лампы это какие
    2. Signal builder simulink как добавить точку
    3. В чем измеряется угловое перемещение
    4. Для чего сигнальный провод у драйвера