Что такое импульсный регулятор?

Что такое импульсный регулятор?

Импульсный источник питания (ИБП) — это источник питания, который включает в себя высокоэффективную схему преобразования мощности, называемую импульсным регулятором.

Электронные устройства с ИС и микроконтроллерами требуют стабильного постоянного тока с минимальными колебаниями напряжения. Существует два типа регулируемых источников питания: линейные источники питания и импульсные регуляторы, но линейные источники питания были наиболее распространены.

В случае линейных источников питания схема проста. Она преобразует напряжение переменного тока 100 В в постоянное напряжение переменного тока и выпрямляет переменный ток, используя свойство диода течь в прямом направлении, но не в обратном. Кроме того, он использует конденсатор для его сглаживания. Однако это имело тот недостаток, что не позволяло сделать источники питания меньше или эффективнее.

Импульсные регуляторы решили эту проблему. В то время как линейные источники питания преобразуют коммерческий переменный ток в напряжение, а затем выпрямляют его, импульсные регуляторы делают все с точностью до наоборот: они выпрямляют коммерческий переменный ток в постоянный, а затем преобразуют его в напряжение.

Затем, путем включения и выключения, он преобразуется в импульсный переменный ток и подается в высокочастотный трансформатор, который является механизмом импульсного регулятора.

Особенность импульсных источников питания в том, что они меньше и легче, но их схемы сложнее.

Применение импульсных регуляторов

По сравнению с обычными линейными источниками питания импульсные регуляторы имеют гораздо более сложные схемы, но у них есть преимущество в том, что они чрезвычайно компактны из-за использования ИС для схемы стабилизации.

Большой и тяжелый силовой трансформатор (устройство, использующее электромагнитную индукцию для преобразования высоты напряжения переменного тока) не установлен, как в случае простого источника питания, и это позволило уменьшить размер и вес.

Из-за этой компактности и легкого веса, приложения для импульсных регуляторов включают адаптеры переменного тока для сотовых телефонов. Они также хорошо совместимы с небольшими электронными устройствами, такими как ПК и планшеты, которые часто носят с собой.

Недавно, чтобы еще больше способствовать миниатюризации, высокомощные и высокоэффективные GaN-устройства были включены в импульсные регуляторы для адаптеров переменного тока, чтобы реализовать еще меньшие адаптеры переменного тока по сравнению с обычными Si-устройствами.

Принцип работы импульсных регуляторов

Принцип работы импульсных регуляторов противоположен принципу работы обычного линейного источника питания. Линейные источники питания используют трансформатор для преобразования коммерческого тока в напряжение, а затем выпрямляют его, тогда как импульсные регуляторы сначала выпрямляют коммерческий переменный ток в постоянный, а затем преобразуют его в напряжение. Однако после выпрямления преобразование напряжения не может быть выполнено с помощью трансформатора.

Поэтому в импульсных регуляторах выпрямленный ток преобразуется в импульсно-ориентированный переменный ток с помощью высокоскоростного переключения полупроводниковых элементов, таких как транзисторы и МОП-транзисторы, а затем подается в высокочастотный трансформатор. Это увеличивает количество требуемых компонентов и схем и делает их более сложными, но эта сложность является ключом к импульсным регуляторам.

Существует несколько типов методов управления для импульсных регуляторов, наиболее распространенным из которых является метод ШИМ (широтно-импульсной модуляции). ШИМ — это метод стабилизации напряжения путем регулировки времени включения цикла включения/выключения или ширины импульсной волны, так что площадь каждого импульса одинакова. Можно также сказать, что импульсные регуляторы повышают эффективность, поскольку выход можно регулировать включением и выключением.

Кроме того, поскольку импульсы импульсных регуляторов являются высокочастотными, в диапазоне от десятков до сотен кГц, трансформатор может быть небольшим и легким. Однако высокие частоты увеличивают потери железного сердечника, поэтому используется ферритовый сердечник. Это повышает эффективность источника питания и экономит энергию.

Ферритовый сердечник имеет стержень сердечника, изготовленный из материала, называемого ферритом, который прикреплен к кабелю так, что он обматывает кабель. Он поглощает магнитное поле, создаваемое высокочастотным шумовым током, протекающим по кабелю, и преобразует его в тепло, тем самым снижая шум.

Слабым местом импульсных регуляторов является генерация шума из-за высокоскоростного переключения, который, как ожидается, будет уменьшен с помощью ферритовой технологии.

Другая информация о регуляторах переключения

1. Частота регуляторов переключения

Регуляторы переключения преобразуют выходное напряжение в заданное значение напряжения путем регулировки времени включения/выключения операции переключения с помощью полупроводниковых элементов. Частота сигнала, который управляет этим переключением, называется частотой переключения.

2. Причина, по которой часто используется напряжение 24 В

В электротехнических изделиях, использующих импульсные регуляторы, выходное напряжение, необходимое для питания, часто составляет 24 В постоянного тока. Причина этого в том, что схемы управления требуют этого напряжения, хотя существуют различные теории.

Одна из теорий заключается в том, что поскольку постоянный ток когда-то часто питался от батарей, он определялся целым кратным 1,5 В элемента сухой батареи. В небольших устройствах также используются 6 В, 9 В, 12 В и т. д., но они также являются целыми кратными 1,5.

В те дни, когда ПЛК (программируемые контроллеры) не заменили схемы управления, используемые в автоматизации производства, схемы состояли из электромагнитных реле, а напряжение использовалось для включения реле.

Как пережиток этого, 24 В до сих пор часто используется сегодня. Есть и другие причины, такие как тот факт, что 24 В постоянного тока более устойчивы к шумовым средам.

3. Шум в импульсных регуляторах

Импульсные регуляторы используют переключающие элементы для включения и выключения тока на высокой скорости, поэтому неизбежно, что они генерируют высокочастотный шум.

История развития импульсных регуляторов была историей повышения эффективности, и в то же время подавление шума было необходимостью. Современные импульсные регуляторы оснащены различными мерами подавления шума.

Импульсные регуляторы сами по себе являются источником шума. Шум не только добавляется в выходную линию питания, но и становится электромагнитными волнами, которые влияют на электронное оборудование.

Для подавления шума доступны следующие методы:

• Отражение
  Использование индукторов и конденсаторов в качестве фильтров для предотвращения передачи шумовых компонентов
• Поглощение
  Поглощение шума ферритовыми сердечниками и т. д. и преобразование его в тепло или другую энергию
• Обход
  Сбрасывание шума на землю с помощью конденсаторов и т. д.
• Экран
  Излучаемые шумовые компоненты сбрасываются на землю с помощью металлического корпуса или поглощаются ферритовым материалом или другим материалом, поглощающим радиоволны.

4. Подробные примеры подавления шума для импульсных регуляторов

Наиболее распространенными типами шума являются синфазный шум и дифференциальный шум.

Синфазный шум
Это шум, который просачивается через паразитную емкость, образующуюся между платой импульсного регулятора и шасси оборудования, и возвращается на сторону источника питания через GND в виде контура.

Дифференциальный шум
В этом случае шум представляет собой токовый шум от источника шума, входящего в схему импульсного регулятора последовательно с линией питания и возвращающегося на сторону источника питания через линию питания. Как следует из названия, направление каждого тока шума на положительном и отрицательном полюсах источника питания противоположно и также называется шумом нормального режима.

Он называется дифференциальным шумом, потому что направление тока шума на положительном и отрицательном полюсах источника питания одинаково для каждого.

Вообще говоря, синфазный шум является более излучаемым из двух типов шума, но контрмеры должны быть приняты для обоих типов, если допустимый уровень шума превышен. Первый метод заключается в сокращении длины кабеля пути или использовании многожильных кабелей.

Для более серьезных контрмер необходимо добавить фильтр шума. Дроссельные катушки эффективны против синфазного шума. Также используется шунтирующий конденсатор на землю, называемый проходным конденсатором. Дифференциальное подавление шума достигается путем подключения конденсаторов между линиями питания, текущими в противоположных направлениях.