Импульсный блок питания

Что же это за ИИП такое?!

Импульсные блоки питания (англ. Switching Power Supply) вновь и вновь становятся предметом дискуссий, споров, а их проектирование и конструирование вызывают некоторые затруднения в радиолюбительских кругах. Все чаще именно к импульсным устройствам питания обращаются взоры домашних радиомастеров, поскольку они обладают целым рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционными трансформаторными блоками. Однако многие радиолюбители, в частности начинающие, не решаются собирать их, несмотря на их повсеместное применение в современном радиоэлектронном производстве.

Причин тому масса. От непонимания принципов действия до сложности схемотехники импульсных блоков вторичного питания. Некоторые просто напросто не могут найти требующуюся радиоэлементную базу. А вот опытные радиоинженеры давно уже отказались от тяжелых габаритных трансформаторов электропитания в бытовой компактной электронике.

Но если для дома применение трансформаторных источников электропитания ещё как то оправдано, то, к примеру, в автомобиле, в дороге, в полевых условиях и т.п. трансформатор вообще бесполезен.

Здесь на выручку приходят импульсные преобразователи напряжения. Они способны черпать электроэнергию буквально от любого аккумулятора или батареи гальванических элементов постоянного тока и преобразовывать ее в нужное напряжение с максимальной мощностью от нескольких ватт до нескольких киловатт.

Согласитесь, когда вы путешествуете любым видом транспорта, и поблизости нет розетки, чтобы подключить к ней зарядное устройство в целях подзарядить севший аккумулятор цифрового фотоаппарата, сотового телефона, цифровой видеокамеры, плеера и мн. др. это, по меньшей мере, доставляет массу неудобств. А сколько раз уже можно было запечатлеть цифровиком что-то понравившееся и тут же отправить с помощью телефона родным и друзьям.

А всего лишь и требуется, что спаять несложную схему импульсного преобразователя напряжения на печатной плате, способной уместиться в ладони, и прихватить с собой пару пальчиковых батареек. Вот и все, что нужно для счастья!

Литературный ликбез на тему ИБП

Однако не будем увлекаться, а перейдем непосредственно к сути статьи. Мы уже не раз рассказывали про теоретические и практические аспекты конструирования в домашних условиях импульсных блоков питания, например, Импульсный преобразователь, Импульсный источник питания, Автомобильный преобразователь напряжения и др; излагали методики расчета трансформаторов, делились полезной литературой по силовой электронике, рекомендуемой для прочтения не только начинающим электронщикам, например, Импульсные источники питания, Расчет силового трансформатора; а в статье Схема преобразователя мощностью 1000 ВА развернулся целый, можно сказать, диспут по переделке схемы.

Ну а сегодня ответим на вопрос, заданный одним из радиолюбителей:

а есть что-то на питание +/-25 - 30 вольт (двухполярное) на 4 тройки выводов для запитки УМЗЧ - 4 x TDA7293? Мощностью ватт на 550-600 … для питания от электросети (~220В).

По этому поводу решили даже отдельную статью опубликовать, дабы показать общие теоретические принципы разработки импульсных блоков питания.

Изложенный материал с заострением внимания на отдельных вопросах проектирования и схемотехники импульсных блоков вторичного электропитания призван показать радиолюбителям весь алгоритм их расчета. Все технические, конструкторские, схемные дополнения и решения по мере необходимости будут выкладываться ниже в комментариях. Всех заинтересованных электронщиков и опытных радиоинженеров просим принять участие в обсуждении импульсных блоков питания.

Начнем, пожалуй…

Итак, для начала в общих чертах обозначим, какие основные модули есть в любом импульсном блоке электропитания. В типовом варианте импульсный блок питания условно можно разделить на три функциональные части. Это:

1. ШИМ(PWM)-контроллер, на базе которого собирается задающий генератор обычно с частотой около 30…60 кГц;

2. каскад силовых ключей, роль которых могут выполнять мощные биполярные, полевые или IGBT (биполярные с изолированным затвором) транзисторы; этот силовой каскад может включать в себя дополнительную схему управления этими самыми ключами на интегральных драйверах или маломощных транзисторах; также важна схема включения силовых ключей: мостовая (фул-бридж), полумостовая (халф-бридж) или со средней точкой (пуш-пул);

3. импульсный трансформатор с первичной(ыми) и вторичной(ыми) обмоткой(ами) и, соответственно, выпрямительными диодами, фильтрами, стабилизаторами и проч. на выходе; в качестве сердечника обычно выбирается феррит или альсифер; в общем, такие магнитные материалы, которые способны работать на высоких частотах (в некоторых случаях свыше 100 кГц).

Вот, собственно, и все, что нужно для сборки импульсного блока питания. Выше на фото основные части ИБП выделены. Для наглядности выделим эти модули и на электрической принципиальной схеме любого импульсного блока питания. Для примера:

К слову, здесь силовой каскад включен по схеме со средней точкой.

Теперь помодульно будем разрабатывать схемотехническое решение будущего устройства.

Для начала определимся с задающим генератором. Если быть точнее, то с ШИМ-контроллером. В настоящее время, как вы понимаете, их существует огромное количество. Здесь, пожалуй, основными критериями выбора являются доступность и цена вопроса. Нам нужен не любой генератор, а именно с широтно-импульсной модуляцией. Принцип работы, если в двух словах, то «есть/нет сигнала». На выходе контроллера либо единица (высокий уровень) либо ноль (низкий уровень).

В соответствии с этим выходные транзисторы открыты либо закрыты, подают напряжение на катушку импульсного трансформатора либо нет. Причем происходит такое переключение с высокой периодичностью (как указывалось ранее, обычно частота 30…60 кГц).

Настраивается частота в зависимости от потребностей проектировщика внешней цепью обвязки ШИМ-контроллера, состоящей, как правило, из резисторов и конденсаторов. Вот недавно даже наткнулся на идею использования в качестве источника ШИМ COM порт компьютера. Ну да ладно… Для нашего будущего блока питания возьмем ШИМ-контроллер К1156ЕУ2. Но это не принципиально. Можно взять практически любой двухтактный контроллер. Например, один из наиболее распространенных TL494. Схема задающего генератора на его базе показана выше. Вообще, типовую схему включения любой другой микросхемы можно найти в технической документации на нее (datasheet).

Расчет частоты импульсов блока питания

Контроллер К1156ЕУ2 предназначен для использования в качестве схемы управления импульсными источниками вторичного электропитания, работающими на частоте до 1 МГц. Благодаря высокому быстродействию микросхема нашла широкое применение и хорошо себя зарекомендовала. В случае отсутствия отечественного варианта контроллера его можно заменить на аналоги типа UC1825, UC2825, UC3825. Полумостовые выходные каскады контроллера спроектированы для работы на большую емкостную нагрузку, например, затворы мощных МОП-транзисторов, и коммутируют как втекающий, так и вытекающий ток. Описание выводов К1156ЕУ2 следующее:

Стоит отметить также, что частота импульсов зависит он номиналов резистора и конденсатора на 5 и 6 выводах микросхемы. Причем за паузу (так называемое, мертвое время) между импульсами отвечает емкость конденсатора. А это прямо сказывается на обеспечении одновременного закрытия выходных ключей, дабы избежать сквозных токов. Вопрос особенно актуален при больших мощностях. Сопротивление резистора выбирается из диапазона 3…100 кОм, емкость конденсатора – 0,47…100 нФ. Номограммы для подбора этих радиодеталей ниже на рисунке:

Таим образом, для обеспечения мертвого времени в ?1,5 мкс (чтобы снизить вероятность появления сквозных токов через MOSFET в силовом каскаде) понадобится конденсатор емкостью 15 нФ (0,015мкФ или 15000 пФ). Теперь смотрим на левый график. О частоте дополнительно будет сказано ниже. На данном этапе в качестве номинальной примем 60 кГц. Значит резистор для нашего задающего генератора нужен номиналом ?3 кОм. Поставим подстроечный на 4,7 кОм. Им можно будет слегка повышать частоту, тем самым повышая мощность блока питания в целом.

Синхронизация двух и более ШИМ-контроллеров

Важной функцией К1156ЕУ2 является их совместное использование. Т.е. один генератор будет ведущим, а другой ведомым. Для этого существует функциональный 4 вывод синхронизации. В итоге можно получить два синхронно работающих генератора ШИМ. Применений такому способу можно найти масса. Поскольку генераторы будут работать синхронно, то каждый из них можно нагрузить отдельным выходным каскадом с силовыми ключами и импульсным трансформатором. При этом можно применить трансформаторы меньшей габаритной мощности. Так, если нам нужна общая мощность импульсного блока питания не менее 600 Вт на 4 УМЗЧ, то можно использовать два трансформатора по 300 Вт с подключенными к ним по два УМЗЧ. Соответственно, мы сможем снять часть нагрузки с транзисторов силового каскада, обмоточного провода, также нам понадобиться сердечник меньшего размера. В связи с этим можно даже сэкономить на покупке радиодеталей для будущего ИБП. Схема синхронизации двух ШИМ-контроллеров (ведущего и ведомого) выглядит так:

Однако в общеобразовательных целях ограничимся включением К1156ЕУ2 в единичном (типовом) варианте, т.к. перед нами стоит цель дать вам общие навыки разработки. А уж рациональность использования той или иной схемы, технического решения будет зависеть от цели использования импульсного блока питания.

С первым функциональным модулем будущего блока вторичного электропитания разобрались. Окончательно принимаем схемотехнический вариант генератора на К1156ЕУ2, как показано на рисунке выше под цифрой 1. В случае необходимости на конечной стадии проектирования номиналы деталей можно будет подкорректировать, что, собственно, не скажется на функциональной схеме генератора.

Подбор силовых ключей для блока питания

Теперь о том, чем будет управлять ШИМ-контроллер К1156ЕУ2 или TL494 или любая другая ИМС. В качестве силовых ключей будем использовать MOSFET транзисторы, как наиболее эффективные. Что касается биполярных, то их существенными недостатками являются повышенное остаточное напряжение на коллекторе в режиме насыщения, большая мощность управления по базовой цепи и большое время рассасывания. Все это приводит к значительному снижению КПД ключей. А IGBT или биполярные транзисторы с изолированным затвором слишком дороги и не особо распространены. Значит выбор падает на MOSFET.

Давайте определим границы подбора МОП-транзисторов. По условию нам нужен импульсный блок питания мощностью 600 ватт от электросети 220 вольт. Это значит, что после выпрямительных диодов и фильтрующего конденсатора 220 вольт переменного тока преобразуются в 300…310 вольт постоянного. Это при номинальном напряжении 220 В. Но в электросети может быть и 175 и 250 вольт. Сила тока в цепи номинально будет равна I=P/U или I=600 Вт/300(310) В=1,94…2 ампера.

Будущий импульсный преобразователь будет двухтактного типа, т.к. однотактные хорошо зарекомендовали себя на мощностях до 100 ватт. Схему включения силового каскада двухтактного импульсного блока питания выбираем из трех существующих. Это, как было сказано, мостовая (full-bridge), полумостовая (half-bridge) или со средней точкой (push-pull). Последняя схема наиболее эффективна с напряжением на входе до 100 вольт и мощностью до 500 ватт. В принципе можно использовать и пуш-пульную схему включения, но не будем повторяться, т.к. она как раз и является темой диспута в статье “Схема преобразователя мощностью 1000 ВА”. Полумостовая и мостовая схемы эффективно используются при более высоком напряжении на входе (а у нас 310 В) и с мощностями до 1 кВт в первом и выше 1 кВт во втором случае. Нам подходит полумостовая схема включения силового каскада.

Частоту переключения силовых транзисторов возьмем порядка 60 кГц. Из-за возможного дрейфа частоты она может повыситься до 65 кГц. Можно, конечно, увеличить частоту до 100 кГц, а то и больше. Однако многие магнитные материалы, применяемые в качестве сердечников импульсных трансформаторов, не способны работать на таких частотах. К тому же при повышении частоты нам понадобятся высокочастотные выпрямительные мощные диоды. А они не дешевы и для многих труднодоступны. К тому же, после двухполупериодного выпрямителя частота повышается в два раза. Так что ограничимся частотой в 60 кГц, как наиболее оптимальной.

Теперь определим амплитуду номинального напряжения на первичной обмотке импульсного трансформатора с учетом падения напряжения на переходе транзисторов. U=310/2 – u, где u – падение напряжения на переходе MOSFET. Поскольку транзисторы мы ещё не выбрали, то возьмем в среднем u=0,7 В. Отсюда U=(310/2)-0,7=154,3 В. Минимальная амплитуда при падении напряжения в сети до 175 вольт составит не более 123 В, а максимальная при повышении до 250 В – не менее 176 В. Для выбора МДП транзисторов исходим из максимально допустимой силы тока (600/123=4,8 А) и напряжения (176 В). По расчетам нам нужен MOSFET с напряжением сток-исток от 200 вольт и максимально допустимой силой тока через переход не ниже 6 ампер. Данным условиям отвечают, например, IRF630, 2SK1117, 2SK1917, IRF740, IRFP460, IRF830 и пр. Здесь опять же исходим из доступности и стоимости. Для нашего примера возьмем IRFP460. Силовые ключи подобрали.

Диоды выпрямительного моста на входе импульсного блока питания подбираем с учетом обратного напряжения от 400 вольт и силу тока от 2 ампер (600/(175 В*2 шт.)=1,71 А) при мостовой схеме. Берем диодный мост типа KBU810. Схема сетевого выпрямителя будет выглядеть следующим образом:

Резисторы R1 и R2 являются балластными и использованы для разряда высоковольтных конденсаторов в целях безопасности.

Расчет и намотка импульсного трансформатора

Теперь произведем расчет импульсного трансформатора.

Расчет трансформатора является наиболее сложной, важной и «тонкой» частью всего расчета импульсного блока питания. Для этого эффективнее всего воспользоваться компьютерными программами, самые популярные из которых можно скачать на нашем радиолюбительском сайте. Ссылки на программы для расчета трансформатора и их подробное описание находятся также в вышеназванных статьях.

Итак, мы имеем в качестве исходных данных размах напряжений питания 247…355 В (при девиации напряжения сети 175…250 В), мощность не менее 600 ватт, эффективная индукция магнитопровода от 0,1 до 0,2 Тл, эффективная магнитная проницаемость магнитопровода при использовании в качестве сердечника ферритовое кольцо марки М2500НМС1 К65х40х9 составляет 1800…2000. Выше приведено действительное напряжение электросети для расчета импульсного трансформатора в программе Design tools pulse transformers 4.0.0.0 и ей подобных (см. статьи). Однако, как я советовал, программы лучше применять сразу все комплексно. Соответственно, в некоторых нужно указывать напряжение непосредственно на первичной обмотке импульсного трансформатора. Чуть выше мы приводили схему сетевого выпрямителя для питания импульсного блока. Как видите, там сетевое напряжение с помощью делителя преобразуется в двуполярное +/-154,3 В. Указано номинальное напряжение при сетевом в 220 В. Соответственно, при девиации напряжения сети 175…250 В на первичной обмотке оно будет колебаться в пределах не 247…355 вольт (такое после выпрямительных диодов и фильтрующих конденсаторов), а 247/2-0,7…355/2-0,7, т.е. 122,8…176,8 вольт. Будьте внимательны!

Думаем, что с помощью программ не составит особого труда определить основные характеристики необходимого импульсного трансформатора. Для взятого нами кольца К65х40х9 мы имеем следующее. КПД около 98%; число витков в первичной обмотке порядка 55 диаметром 1,2 мм; число витков каждой вторичной обмотки для напряжения +/-30 В составляет 10+10 с отводом от середины провода диаметром 1,5 мм. Все данные для намотки трансформатора нам известны. В результате самостоятельного изготовления должно получиться что-то подобное, а может и лучше (обмотки лучше размещать более равномерно по кольцу):

Переходим непосредственно к схемотехнической части разработки.

Проектирование схемы электрической принципиальной ИБП

Мы уже определили, что импульсный блок питания у нас будет двухтактный с полумостовым включением силового оконечного каскада, состоящего из двух мощных MOSFET IRFP460. В качестве ШИМ-контроллера выбрали микросхему К1156ЕУ2Р. Теперь перед нами стоит задача по объединению всех трех функциональных модулей, каждый из которых имеет свою электрическую цепь. Вместо того, чтобы изобретать велосипед, можно доработать имеющуюся типовую электрическую схему уже спроектированного ИБП на выбранном нами контроллере. В конечном счете, мы получили вот такой вариант схемы импульсного блока питания:

Как можно видеть, в нее входят все три модуля, рассмотренные нами выше.

Дополнительно с помощью реле и ограничивающего резистора R1 (типа С5-16MB или С5-5В) на входе реализован плавный пуск, позволяющий избежать резких бросков тока. Реле можно применить на напряжение как 12, так и 24 вольта с подбором резистора R19. Варистор RU1 защищает входную цепь от импульсов чрезмерной амплитуды. Конденсаторы С1—С4 и двухобмоточный дроссель L1 образуют сетевой помехоподавляющий фильтр, предотвращающий проникновение высокочастотных пульсаций, создаваемых преобразователем, в питающую сеть. L1 наматывается до заполнения окна проводом диаметра 0,5 мм на магнитопроводе Ш7х7 из альсифера ТЧ60, ТЧК55 или феррита типа 2000НМ. Обмотки дросселя содержат равное число витков. Можно применить магнитопровод типа К24х14х7. Тогда мотают 50 витков в 2 провода.

Подстроечный резистор R16 и конденсатор С12 определяют частоту преобразования. Для уменьшения ЭДС самоиндукции трансформатора Т2 параллельно каналам транзисторов включены демпферные диоды VD7 и VD8. Диоды Шоттки VD2 и VD3 защищают коммутирующие транзисторы и выходы микросхемы DA2 от импульсов обратного напряжения.

Токовый трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце К10×6x3 марки 4000НМ или на К12×8x3 марки 2000НМ. Первичная обмотка содержит 1 виток провода диаметром 0,5 мм или монтажного провода в поливинилхлоридной изоляции. Вторичная обмотка - 100 витков с отводом от середины провода ПЭЛШО диаметром 0,06…0,12 мм. Обмотки следует изолировать, например, лакотканью. Ток протекает через первичную обмотку трансформатора Т1. Напряжение вторичной обмотки через резистор R12 поступает на вход компаратора тока 9 вывод микросхемы DA2. В момент, когда напряжение на этом входе превысит порог срабатывания компаратора (1 вольт), генерация импульсов возбуждения будет прекращена. Ток срабатывания защиты зависит от числа витков вторичной обмотки трансформатора Т1, емкости конденсатора С8 и сопротивления резисторов R8, R9 (подстроечный), R12.

С момента включения в сеть до возбуждения инвертора микросхема К1156ЕУ2Р получает питание от параметрического стабилизатора напряжения на резисторе R2 (сопротивление которого, возможно, нужно будет понизить) и стабилитроне VD4 через диод VD5. В этом режиме микросхема потребляет ток не более 2 мА. После возбуждения инвертора ШИМ-контроллер питает вспомогательный выпрямитель VD13—VD16, напряжение с которого стабилизировано микросхемой КР142ЕН8В (или любой другой на напряжение стабилизации 15 вольт). Диоды VD5 и VD18 исключают взаимное влияние двух источников питания микросхемы К1156ЕУ2Р.

Оптрон U1 обеспечивает гальваническую развязку цепи обратной связи. Цепь ОС нужна для стабилизации выходного напряжения импульсного блока питания. Если оно превысит номинальное, то резко возрастет ток через стабилитрон VD17 и излучающий диод оптрона. В результате этого открывается фототранзистор оптрона. Напряжение на входе компаратора обратной связи по напряжению увеличивается (1 ножка микросхемы). Уменьшается длительность импульсов на выходе генератора. Это приводит к снижению выходного напряжения до номинального уровня.

Принцип действия схемы импульсного блока питания должен быть понятен. Теперь перейдем к советам по проектированию компоновки печатной платы и монтажу радиодеталей.

Советы по монтажу и изготовлению печатной платы для ИБП

Для обеспечения работы мощного импульсного источника питания необходимо уделить особое внимание расположению элементов на печатной плате и их монтажным соединениям. Длинные проводники могут стать причиной паразитной индуктивности и возникновению ненужной ЭДС, что, в конечном счете, приведет к генерации. Отсюда вытекает резкое повышение потребляемой мощности и сбой в работе генератора, который обязательно скажется на работе выходных силовых ключей в виде их пробоя сквозными токами. Поэтому длины всех проводников должны быть минимальными, выводы конденсаторов – короткими (особенно блокировочных, сглаживающих ВЧ пульсации). Со стороны монтажа на печатной плате под радиодеталями задающего генератора и ШИМ-контроллером должно быть оставлено много места для экрана. Конденсатор C21 должен иметь низкую собственную индуктивность. Его необходимо расположить не далее 6 мм от вывода 15 микросхемы DA2 для подавления высокочастотных помех. Сильноточные цепи необходимо выполнять минимальной длины. Ширина дорожек сильноточных цепей выбирается размером 5 мм и более. Для слаботочных цепей достаточно ширины дорожки в 0,8…1,5 мм. При этом следует исходить из зависимости 0,5 ампер тока на ширину дорожки 0,5 мм. С учетом вытравливания меди – минимальная ширина 0,8 мм. В том месте, где невозможно проложить дорожку большой ширины, при лужении на нее напаивают слой припоя или по всей длине напаивают луженый провод, тем самым увеличивая толщину.

В заключение стоит пару слов уделить такому нехорошему явлению, как скин-эффект. В результате него переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое. Это может иметь печальные последствия для нашего импульсного трансформатора при больших мощностях. Поэтому рекомендуется мотать силовые обмотки трансформатора не одиночным проводом большого сечения, т.к. пользы от него никакой не будет, а «косичкой», сплетенной из нескольких проводов меньшего диаметра. Получается своего рода литцендрат. Тем самым мы улучшим добротность обмоток, повысим КПД и качество импульсного трансформатора. Обратите внимание, как намотана первичная обмотка:

На фото 8 косичек по 15 проводов в каждой. Смотрится солидно, не правда ли?

Эпилог

В данной, как оказалось, далеко некороткой, статье рассмотрены наиважнейшие моменты конструирования импульсных боков питания, с которыми обязательно столкнется каждый решившийся на создание ИИП радиолюбитель. Мы постарались максимально четко расписать весь алгоритм действий. Более подробно рассмотрели моменты, на которых стоит акцентировать внимание. Все дополнительные советы и рекомендации выкладывайте в комментариях.

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

Лабораторный БП
Сетевой БП для Си-Би