DC преобразувател в захранването. Революцията е на прага: нови захранвания от Antec, Enermax и Seasonic. ⇡ Главен конвертор

са електронни устройства, които произвеждат изходно напрежение, различно от входното.

Регулираните силови модули (DC-DC преобразуватели) се използват за изграждане на захранващи шини в галванично изолирани вериги. Те се използват широко за захранване на голямо разнообразие от електронни устройства, те също могат да бъдат намерени в контролни вериги, комуникационни и изчислителни устройства.

Принцип на действие

Принципът на действие се съдържа в самото име. Постоянното напрежение се преобразува в променливо напрежение. След това се повдига или спуска, последвано от изправяне и подаване към устройството. DC-DC преобразуватели, работещи на горния принцип, се наричат импулсни преобразуватели. Предимството на импулсните преобразуватели е тяхната висока ефективност: около 90%.

Видове DC-DC преобразуватели
Бак DC/DC преобразуватели

Изходното напрежение на тези преобразуватели е по-ниско от входното. Например, с входно напрежение от 12-50 V, като използвате такива DC-DC преобразуватели, можете да получите напрежение от няколко волта на изхода.

DC-DC усилващи преобразуватели

Изходното напрежение на тези преобразуватели е по-високо от входното. Например, с 5V входно напрежение, можете да очаквате до 30V изход.

Преобразувателите на напрежение също се различават по дизайн. Те могат да бъдат:

Модулен
Това е най-често срещаният тип DC-DC преобразуватели, включително голяма сумаразнообразие от модели. Преобразувателят се поставя в метален или пластмасов корпус, изключващ достъп до вътрешни елементи.
За монтаж на печатна електронна платка

Тези преобразуватели са проектирани специално за монтаж върху печатна платка. Различават се от модулните по това, че нямат корпус.

Основни характеристики
Работни параметри

→ Диапазонът на входното напрежение предполага такива параметри на входното напрежение, при които преобразувателят ще работи в нормален режим в съответствие с декларираната му функционалност.

→ Диапазонът на изходното напрежение включва параметрите, които DC-DC преобразувателят е в състояние да произведе на изхода по време на нормална работа.

→ Коефициентът на ефективност (КПД) е съотношението на стойностите на входната и изходната мощност. Ефективността зависи от редица условия, но най-висока ефективност се постига при максимално допустимото натоварване. Колкото по-голяма е разликата между входното и изходното напрежение, толкова по-ниска е ефективността.

→Ограничение на изходния ток. Тази защита е налична в повечето съвременни модели стабилизатори. Работи по следния начин: щом изходният ток достигне дадена стойност, входното напрежение пада. След като изходният ток е в допустимия диапазон, захранването с напрежение се възобновява.

Параметри на точност

→ пулсации. Дори при идеални условия има определени „шумове“, така че е невъзможно да се премахнат напълно. Мерните единици са mV. Понякога производителят поставя "rr" до него, което означава обхвата на напрежението на пулсации - от минимума на отрицателния пик до максимума на положителния.

Нека разгледаме и сравним работата на няколко регулируеми преобразуватели на напрежение от различни ценови категории. Да започнем от простото към сложното.

Описание

Този модел е евтин миниатюрен DC-DC преобразувател, който може да се използва за зареждане на малки батерии. Максимален изходен ток: 2,5 A, така че този преобразувател ще отнеме много време за зареждане на батерии с капацитет над 20 амперчаса.

Това устройство е най-подходящо за начинаещи, които въз основа на него ще могат да сглобят захранване с изходно напрежение от 0,8 V до 20 V и изходен ток до 2 A. В този случай е възможно да се регулира както изходното напрежение, така и изходния ток.

Този стабилизатор може да поддържа до 5 A, но на практика при тази текуща стойност ще изисква радиатор. Без радиатор, стабилизаторът може да издържи до 3 A.

Функционален

Преобразувателят на напрежение XL4005 не се нарича "регулиран" за нищо. Има няколко настройки. Една от най-ценните е възможността за ограничаване на изходния ток. Например, можете да зададете ограничението на изходния ток на 2,5 A и токът никога няма да достигне тази стойност, тъй като в противен случай веднага ще доведе до спад на напрежението. Тази защита е особено важна при зареждане на батерии.

Наличието на светодиоди също показва, че представеният стабилизатор е идеален за зареждане. Има светодиод, който свети, когато стабилизаторът работи в режим на ограничаване на тока, тоест когато е включена защитата от претоварване на изхода. От долната страна има още два светодиода: единият работи, когато зареждането е в ход, а другият свети, когато зареждането приключи.

Струва си да се отбележи, че това е много достъпен и лесен за използване модел, който напълно отговаря на декларираната функционалност.

Сега нека разгледаме по-скъп и функционален конвертор, който е идеален за по-сложни и сериозни проекти.

Описание

Този модел е регулируем понижаващ преобразувател на напрежение с цифрово управление. Характеризира се с висока ефективност. Цифровото управление означава, че параметрите се настройват с бутони. Самият модул може да бъде разделен на няколко части: DC-DC преобразувател, захранване за цифровата част, измервателна част и цифрова част.

Входното напрежение на това устройство е от 6 V до 32 V. Изходното напрежение се регулира от 0 V до 30 V. Стъпката на регулиране на напрежението е 0,01 V. Изходният ток се регулира от 0 A до 6 A. Стъпката на регулиране е 0,001 A. Ефективността на преобразувателя е до 92%. За закрепване на проводниците на преобразувателя са монтирани специални скоби. Също така на таблото има надписи: вход +, вход -, изход -, изход +. Силовата част е изградена на XL4016E1 PWM контролер. Използва се мощен десетамперен диод MBR1060. Всичко се управлява от 8-битов микроконтролер STM8S003F3. Цифровата част има UART конектор.

светодиоди

В допълнение към бутоните и индикатора, това устройство има три светодиода.

Първият (червен, изходящ) светва, когато преобразувателят подава напрежение към изхода. Вторият светодиод (жълт, CC - постоянен ток) светва, когато се задейства ограничението на изходния ток. Третият светодиод (зелен, CV - постоянно напрежение) светва, когато преобразувателят влезе в режим на ограничаване на напрежението.

Контроли
Контролите са представени от четири бутона.

Ако ги погледнем отдясно наляво, тогава първият бутон е „OK“, вторият е „нагоре“, третият е „надолу“ и четвъртият е „SET“.

Преобразувателят се стартира с натискане на бутон “ОК”, с което се влиза в менюто. Ако не пуснете бутона “OK”, можете да видите как се променят числата: 0-1-2. Това са трите програми, които има този конвертор.

Програма “0”: веднага след подаване на напрежение към входа, захранването се включва на изхода.
Програма “1”: позволява ви да запазите необходимите параметри.
Програма "2": Автоматично показва параметрите след включване.
За да изберете желаната програма, трябва да отпуснете бутона “ОК” в момента, в който се покаже желаният номер.
Това устройство показва напрежението относително точно. Възможна грешка при напрежение +/-0,035 V, при ток +/- 0,006 A. Регулирането се извършва или чрез еднократно натискане на бутоните или чрез задържане.

Възможно е показване на текущи текущи параметри. При повторно натискане на бутона “OK” мощността се показва на индикатора. Ако натиснете отново бутона „OK“, можете да видите капацитета, който преобразувателят е дал.

Този конвертор е точен и мощен и ще се справи добре със сериозни задачи.

Как да изберем преобразувател на напрежение

Днес на пазара има голям брой модели на различни DC-DC преобразуватели. Най-популярните сред тях са импулсните преобразуватели. Но техният избор е толкова голям, че е лесно да се объркате. На какво трябва да обърнете специално внимание?

♦ Ефективност и температурен диапазон

Някои преобразуватели изискват радиатор, за да работят правилно и да постигнат заявената мощност. В противен случай, въпреки че устройството може да функционира, неговата ефективност намалява. По правило съвестният продавач посочва тази точка в бележки и бележки под линия, които не бива да се пренебрегват.

♦ Температура на запояване на преобразуватели за повърхностен монтаж

Тази информацияобикновено се посочва в техническата документация.И въпреки че обикновената микросхема трябва да издържа на температури до 280 ° C, по-добре е да се изясни тази точка.

♦ Размери на преобразувателя

Малък конвертор не може да има много голяма мощност. И въпреки че съвременните технологии продължават да се подобряват, техните възможности не са неограничени. Конверторът се нуждае от определени размери, за да поддържа компонентите хладни и да издържа на натоварването.

Днес има огромен брой различни миниатюрни регулируеми преобразуватели, с и без индикация, с и без допълнителни функции и програми. Такива DC-DC преобразуватели могат да се използват за различни цели, в зависимост от въображението на разработчика. Съвременни технологииви позволяват да комбинирате мощност, точност, миниатюрен размер и достъпна цена.

LM2596 е превключващ регулируем DC регулатор на напрежение. Има висока ефективност. Той се нагрява по-малко в сравнение с модулите на линейни стабилизатори. Захранването може да се използва в широка гама от устройства. Безспорните предимства включват работа в забележим диапазон на входното напрежение. Заедно с висока ефективност, това дава добри резултати при последователно свързване на DC-DC LM2596 с химически източници на ток, слънчеви панелиили вятърни генератори.

Добавяйки трансформатор, токоизправител и филтър към преобразувателя DC-DC LM2596, получаваме захранване. На входа на стабилизатора напрежението трябва да бъде най-малко с 1,5 V по-високо от изходното напрежение.Ако консумацията на енергия от DC-DC LM2596 е повече от десет W, трябва да се използват охлаждащи средства.

Предвидени са монтажни отвори за винтове. Няма клеми, проводниците ще трябва да бъдат запоени. Под чипа има отвори с метализация за допълнително отвеждане на топлината към задната страна на платката.

Спецификации на конвертора LM2596

Ефективност на преобразуване (COP): до 92%
Честота на превключване: 150 kHz
Работна температура: -40 до + 85 °C
Ефект от промяна на входното напрежение върху изходното ниво: ±0,5%
Поддържа прецизно зададеното напрежение: ±2,5%
Входен волтаж: 3-40 V
Изходно напрежение: 1,5-35V (регулируем)
Изходен ток: номинален до 1A, от 1 до 2A отоплението се увеличава забележимо, максимум 3A (необходим е допълнителен радиатор)
Размер: 45x20x14 мм

Принципна диаграма на преобразувателя LM2596

В някои модули защитният диод D1 е свързан обратно паралелно на входа, но в този случай не забравяйте да свържете предпазител на входа, който ще изгори, ако полярността е обърната; този диод също така предпазва от пренапрежения на напрежението изхода.

Има опции с директно свързване на диод D1 (SS34, SS54) на входа, обикновено това са диоди на Шотки; тези диоди имат две положителни качества: много нисък спад на напрежението (0,2-0,4 волта) на кръстовището и много висока скорост .

Но евтините модули, базирани на LM2596, нямат защитен диод; от една страна, това е минус, тъй като можете случайно да убиете преобразувателя, като обърнете полярността на входа, а от друга страна, това е плюс, т.к. известно напрежение ще падне върху диода и ще се нагрее при високи токове.

Преобразувателят е свързан много просто, към контактите на модула +IN, –IN (съответно плюс и минус) се подава нестабилизирано напрежение, а изходното напрежение се отстранява от контактите на платката +OUT, -OUT.

На обратната страна има стрелка, която показва в каква посока върви трансформацията.

Фото галерия

Вероятно мнозина си спомнят моята епопея с домашно лабораторен блокхранене.
Но многократно са ме питали за нещо подобно, само по-просто и по-евтино.
В този преглед реших да покажа алтернативна версия на просто регулирано захранване.
Заповядайте, надявам се да е интересно.

Дълго време отлагах това ревю, нямах време, но най-накрая го направих.
Това захранване има малко по-различни характеристики от .
Основата на захранването ще бъде DC-DC понижаваща преобразувателна платка с цифрово управление.
Но всичко си има своето време и сега всъщност има няколко стандартни снимки.
Шалът пристигна в малка кутия, не много по-голяма от кутия цигари.

Вътре, в две торби (пъпчива и антистатична) беше истинската героиня на това ревю, конверторната платка.

Платката има доста прост дизайн, захранваща секция и малка платка с процесор (тази платка е подобна на платка от друг, по-малко мощен конвертор), бутони за управление и индикатор.

Характеристики на тази дъска
Входно напрежение - 6-32 Волта
Изходно напрежение - 0-30 Волта
Изходен ток - 0-8 ампера
Минимална разделителна способност на настройка/дисплей на напрежението - 0.01 Volt
Минимална дискретност на токова инсталация/показване - 0.001 Ампер
Тази платка може също така да измерва капацитета, който се прехвърля към товара и мощността.
Честотата на преобразуване, посочена в инструкциите, е 150KHz, според листа с данни на контролера - 300KHz, измерена - около 270KHz, което е значително по-близо до параметъра, посочен в листа с данни.

Основната платка съдържа захранващи елементи, PWM контролер, захранващ диод и индуктор, филтърни кондензатори (470 µF x 50 волта), PWM логика и контролер за захранване на операционен усилвател, операционни усилватели, токов шунт, както и вход и изход клемни блокове.

На практика няма нищо отзад, само няколко мощни писти.

Допълнителната платка съдържа процесор, логически чипове, 3.3V стабилизатор за захранване на платката, индикатор и бутони за управление.
Процесор -
Логика - 2 бр
Стабилизатор на мощността -

Има 2 операционни усилвателя, инсталирани на захранващата платка (същите операционни усилватели са инсталирани в ZXY60xx)
PWM контролер на мощността на самата платка adj

Микросхемата действа като захранващ PWM контролер. Според листа с данни, това е 12 Ampere PWM контролер, така че тук не работи на пълен капацитет, което е добра новина. Струва си обаче да се има предвид, че е по-добре да не превишавате входното напрежение, тъй като това също може да бъде опасно.
Описанието на платката показва максимално входно напрежение от 32 волта, ограничението за контролера е 35 волта.
По-мощните преобразуватели използват контролер с нисък ток, който управлява мощен транзистор с полеви ефекти; тук всичко това се извършва от един мощен PWM контролер.
Извинявам се за снимките, не можах да направя добро качество.

Инструкциите, които намерих в интернет, описват как да влезете в сервизен режим, където можете да промените някои параметри. За да влезете в сервизен режим, трябва да подадете захранване, докато бутонът OK е натиснат, цифрите 0-2 ще се превключват последователно на екрана, за да превключите настройката, трябва да отпуснете бутона, докато се показва съответният номер.
0 - Разрешава автоматично подаване на напрежение към изхода, когато към платката се подаде захранване.
1 - Активиране на разширен режим, показващ не само ток и напрежение, но също и капацитета, прехвърлен към товара и изходната мощност.
2 - Автоматичен избор на измервания, показани на екрана или ръчно.

Също така в инструкциите има пример за запомняне на настройките, тъй като платката може да зададе границата за настройка на ток и напрежение и има памет за настройки, но вече не влизах в тази джунгла.
Също така не докоснах контактите за UART конектора, разположен на платката, защото дори и да имаше нещо там, все още не можах да намеря програма за тази платка.

Резюме.
професионалисти.
1. Доста богати възможности - настройка и измерване на ток и напрежение, измерване на капацитет и мощност, както и наличие на режим за автоматично подаване на напрежение към изхода.
2. Диапазонът на изходното напрежение и ток е достатъчен за повечето аматьорски приложения.
3. Изработката не е толкова добра, но без видими недостатъци.
4. Компонентите са монтирани с резерв, ШИМ на 12 ампера при 8 декларирани, кондензатори на 50 волта на входа и изхода, при заявени 32 волта.

минуси
1. Екранът е много неудобен, може да показва само 1 параметър, например -
0,000 - Текущ
00.00 - Напрежение
P00.0 - Мощност
C00.0 - Капацитет.
В случай на последните два параметъра точката е плаваща.
2. Въз основа на първата точка, контролите са доста неудобни, valcoder би бил много полезен.

Моето мнение.
Това е доста прилична платка за изграждане на просто регулирано захранване, но е по-добре и по-лесно да използвате готово захранване.
Ревюто ми хареса +123 +268

Линейни и импулсни захранвания

Да започнем с основите. Захранването в компютъра изпълнява три функции. Първо, променливият ток от домакинското захранване трябва да се преобразува в постоянен ток. Втората задача на захранването е да намали напрежението от 110-230 V, което е прекомерно за компютърната електроника, до стандартните стойности, изисквани от преобразувателите на мощност на отделните компютърни компоненти - 12 V, 5 V и 3,3 V (както и отрицателни напрежения, за които ще говорим малко по-късно) . И накрая, захранването играе ролята на стабилизатор на напрежението.

Има два основни вида захранвания, които изпълняват горните функции - линейни и импулсни. Най-простото линейно захранване се основава на трансформатор, върху който напрежението на променливия ток се намалява до необходимата стойност и след това токът се коригира чрез диоден мост.

Захранването обаче е необходимо и за стабилизиране на изходното напрежение, което се причинява както от нестабилност на напрежението в домакинската мрежа, така и от спад на напрежението в отговор на увеличаване на тока в товара.

За да се компенсира падането на напрежението, в линейно захранване параметрите на трансформатора се изчисляват така, че да осигурят излишна мощност. След това при голям ток ще се наблюдава необходимото напрежение в товара. Въпреки това повишеното напрежение, което ще възникне без никакви средства за компенсация при нисък ток в полезния товар, също е неприемливо. Излишното напрежение се елиминира чрез включване на неполезен товар във веригата. В най-простия случай това е резистор или транзистор, свързан чрез ценеров диод. В по-усъвършенствана версия транзисторът се управлява от микросхема с компаратор. Както и да е, излишната мощност просто се разсейва като топлина, което се отразява негативно на ефективността на устройството.

В схемата на импулсното захранване се появява още една променлива, от която зависи изходното напрежение, в допълнение към вече съществуващите две: входно напрежение и съпротивление на натоварване. Има превключвател последователно с товара (който в случая, който ни интересува е транзистор), управляван от микроконтролер в режим на широчинно-импулсна модулация (PWM). Колкото по-голяма е продължителността на отворените състояния на транзистора по отношение на техния период (този параметър се нарича работен цикъл, в руската терминология се използва обратната стойност - работен цикъл), толкова по-високо е изходното напрежение. Поради наличието на превключвател, импулсното захранване се нарича също захранване с импулсен режим (SMPS).

През затворен транзистор не протича ток, а съпротивлението на отворен транзистор в идеалния случай е незначително. В действителност един отворен транзистор има съпротивление и разсейва част от мощността като топлина. Освен това преходът между транзисторните състояния не е съвършено дискретен. И все пак ефективността на източник на импулсен ток може да надхвърли 90%, докато ефективността на линейно захранване със стабилизатор достига в най-добрия случай 50%.

Друго предимство на импулсните захранвания е радикалното намаляване на размера и теглото на трансформатора в сравнение с линейните захранвания със същата мощност. Известно е, че колкото по-висока е честотата на променливия ток в първичната намотка на трансформатора, толкова по-малък е необходимият размер на сърцевината и броят на навивките на намотката. Следователно ключовият транзистор във веригата се поставя не след, а преди трансформатора и освен за стабилизиране на напрежението се използва за производство на високочестотен променлив ток (за компютърни захранвания това е от 30 до 100 kHz и по-високо, и като правило - около 60 kHz). Трансформатор, работещ на захранваща честота от 50-60 Hz, би бил десетки пъти по-масив за мощността, необходима на стандартен компютър.

Линейните захранвания днес се използват главно в случаите на приложения с ниска мощност, където сравнително сложната електроника, необходима за импулсно захранване, представлява по-чувствителен елемент от разходите в сравнение с трансформатора. Това са например 9 V захранвания, които се използват за педали за китарни ефекти и веднъж за игрови конзолии т.н. Но зарядните устройства за смартфони вече са изцяло импулсни - тук разходите са оправдани. Поради значително по-ниската амплитуда на пулсациите на напрежението на изхода, линейните захранвания се използват и в онези области, където това качество е търсено.

⇡ Обща схема на ATX захранване

Захранването на настолен компютър е импулсно захранване, чийто вход се захранва с битово напрежение с параметри 110/230 V, 50-60 Hz, а на изхода има множество DC линии, основните от които са номинални 12, 5 и 3,3 V Освен това, захранването осигурява напрежение от -12 V, а понякога и напрежение от -5 V, необходимо за шината ISA. Но последният в някакъв момент беше изключен от стандарта ATX поради края на поддръжката за самия ISA.

В представената по-горе опростена диаграма на стандартно импулсно захранване могат да се разграничат четири основни етапа. В същия ред разглеждаме компонентите на захранващите устройства в прегледите, а именно:

EMI филтър - електромагнитни смущения (RFI филтър);
първична верига - входен токоизправител (токоизправител), ключови транзистори (превключвател), създаващи високочестотен променлив ток върху първичната намотка на трансформатора;
главен трансформатор;
вторична верига - токоизправители от вторичната намотка на трансформатора (изправители), изглаждащи филтри на изхода (филтриране).

⇡ EMF филтър

Филтърът на входа на захранването се използва за потискане на два вида електромагнитни смущения: диференциални (диференциални) - когато токът на смущения протича в различни посоки в електропроводите, и синфазни - когато токът тече в една посока.

Диференциалният шум се потиска от кондензатор CX (големият кондензатор с жълт филм на снимката по-горе), свързан паралелно с товара. Понякога към всеки проводник е допълнително прикрепен дросел, който изпълнява същата функция (не е на диаграмата).

Филтърът за общ режим се формира от CY кондензатори (сини капковидни керамични кондензатори на снимката), свързващи захранващите линии към земята в обща точка и т.н. синфазен дросел (LF1 на схемата), токът в двете намотки на който тече в една и съща посока, което създава съпротивление за синфазни смущения.

В евтини модели те се инсталират минимален наборфилтърни части, в по-скъпите описаните вериги образуват повтарящи се (изцяло или частично) връзки. В миналото не беше необичайно да видите захранващи устройства без никакъв EMI филтър. Сега това е доста любопитно изключение, въпреки че ако купите много евтино захранване, все още можете да се натъкнете на такава изненада. В резултат на това ще пострада не само и не толкова самият компютър, но и друго оборудване, свързано към домакинската мрежа - импулсните захранвания са мощен източник на смущения.

Във филтърната зона на добро захранване можете да намерите няколко части, които предпазват самото устройство или неговия собственик от повреда. Почти винаги има обикновен предпазител за защита от късо съединение (F1 на диаграмата). Обърнете внимание, че когато предпазителят се включи, защитеният обект вече не е захранването. Ако възникне късо съединение, това означава, че ключовите транзистори вече са пробити и е важно поне да предотвратите запалването на електрическото окабеляване. Ако предпазител в захранването внезапно изгори, тогава замяната му с нов най-вероятно е безсмислена.

Предвидена е отделна защита срещу краткосроченпренапрежения с помощта на варистор (MOV - Metal Oxide Varistor). Но няма средства за защита срещу продължително повишаване на напрежението в компютърните захранвания. Тази функция се изпълнява от външни стабилизатори със собствен трансформатор вътре.

Кондензаторът в PFC веригата след токоизправителя може да запази значителен заряд след изключване от захранването. За да се предотврати токов удар от невнимателен човек, който пъхне пръста си в захранващия конектор, между проводниците е монтиран разряден резистор с висока стойност (съпротивление за обезвъздушаване). В по-усъвършенствана версия - заедно с управляваща верига, която предотвратява изтичането на заряд, когато устройството работи.

Между другото, наличието на филтър в захранването на компютъра (и в захранването на монитора и почти всяко компютърно оборудванесъщо е там) означава, че закупуването на отделен " мрежов филтър"вместо обикновен удължителен кабел, като цяло, безрезултатно. Вътре в него всичко е същото. Единственото условие във всеки случай е нормално трипиново окабеляване със заземяване. В противен случай CY кондензаторите, свързани към земята, просто няма да могат да изпълняват функцията си.

⇡ Входен токоизправител

След филтъра променливият ток се преобразува в постоянен с помощта на диоден мост - обикновено под формата на монтаж в общ корпус. Отделен радиатор за охлаждане на моста е добре дошъл. Мост, сглобен от четири дискретни диода, е атрибут на евтини захранвания. Можете също да попитате за какъв ток е проектиран мостът, за да определите дали отговаря на мощността на самото захранване. Въпреки че, като правило, има добър марж за този параметър.

⇡ Активен PFC блок

В променливотокова верига с линеен товар (като крушка с нажежаема жичка или електрическа печка), текущият поток следва същата синусоида като напрежението. Но това не е така при устройства, които имат входен токоизправител, като например импулсни захранвания. Захранването пропуска ток в кратки импулси, приблизително съвпадащи във времето с върховете на синусоидата на напрежението (т.е. максималното моментно напрежение), когато изглаждащият кондензатор на токоизправителя се зарежда.

Изкривеният токов сигнал се разлага на няколко хармонични трептения в сумата от синусоида с дадена амплитуда (идеалният сигнал, който би възникнал при линеен товар).

Мощност, използвана за изпълнение полезна работа(което всъщност е нагряването на компонентите на компютъра), е посочено в характеристиките на захранването и се нарича активно. Останалата мощност, генерирана от хармонични колебания на тока, се нарича реактивна. Той не произвежда полезна работа, но загрява проводниците и създава натоварване на трансформатори и друго захранващо оборудване.

Векторната сума на реактивната и активната мощност се нарича привидна мощност. А отношението на активната мощност към общата мощност се нарича фактор на мощността - да не се бърка с ефективността!

Импулсното захранване първоначално има доста нисък фактор на мощността - около 0,7. За частен потребител реактивната мощност не е проблем (за щастие не се отчита от електромерите), освен ако не използва UPS. Непрекъсваемото захранване е отговорно за пълната мощност на товара. В мащаба на офис или градска мрежа излишната реактивна мощност, създадена от импулсни захранвания, вече значително намалява качеството на електрозахранването и причинява разходи, така че срещу него се води активна борба.

По-специално, по-голямата част от компютърните захранвания са оборудвани с вериги за активна корекция на фактора на мощността (Active PFC). Модул с активен PFC се идентифицира лесно по единичен голям кондензатор и индуктор, монтирани след токоизправителя. По същество Active PFC е друг импулсен преобразувател, който поддържа постоянен заряд на кондензатора с напрежение около 400 V. В този случай токът от захранващата мрежа се консумира на кратки импулси, чиято ширина е избрана така, че сигналът се апроксимира със синусоида - която е необходима за симулиране на линеен товар. За да синхронизира сигнала за потребление на ток със синусоидата на напрежението, PFC контролерът има специална логика.

Активната PFC схема съдържа един или два ключови транзистора и един мощен диод, които са поставени на същия радиатор с ключовите транзистори на преобразувателя на основното захранване. По правило PWM контролерът на главния преобразувател и активният PFC ключ са един чип (PWM/PFC Combo).

Факторът на мощността на импулсните захранвания с активен PFC достига 0,95 и по-висок. Освен това имат едно допълнително предимство - не изискват мрежов ключ 110/230 V и съответния удвоител на напрежението вътре в захранването. Повечето PFC схеми се справят с напрежение от 85 до 265 V. В допълнение, чувствителността на захранването към краткотрайни спадове на напрежението е намалена.

Между другото, в допълнение към активната корекция на PFC, има и пасивна, която включва инсталиране на индуктор с висока индуктивност последователно с товара. Ефективността му е ниска и е малко вероятно да намерите това в модерно захранване.

⇡ Главен конвертор

Общият принцип на работа за всички импулсни захранвания с изолирана топология (с трансформатор) е един и същ: ключов транзистор (или транзистори) създава променлив ток върху първичната намотка на трансформатора, а PWM контролерът контролира работния цикъл на превключването им. Конкретните схеми обаче се различават както по броя на ключовите транзистори и други елементи, така и по качествени характеристики: ефективност, форма на сигнала, шум и т.н. Но тук твърде много зависи от конкретната реализация, за да си струва да се съсредоточите върху това. За тези, които се интересуват, предоставяме набор от диаграми и таблица, които ще ви позволят да ги идентифицирате в конкретни устройства въз основа на състава на частите.

	Транзистори	Диоди	Кондензатори	Първични крака на трансформатора
Единичен транзистор напред	1	1	1	4
	2	2	0	2
	2	0	2	2
	4	0	0	2
	2	0	0	3

В допълнение към изброените топологии, в скъпите захранвания има резонансни версии на Half Bridge, които лесно се идентифицират чрез допълнителен голям индуктор (или два) и кондензатор, образуващ колебателен кръг.

Единичен транзистор напред

⇡ Вторична верига

Вторичната верига е всичко, което идва след вторичната намотка на трансформатора. В повечето съвременни захранващи устройства трансформаторът има две намотки: от едната от тях се отстранява 12 V, а от другата 5 V. Токът първо се изправя с помощта на комплект от два диода на Шотки - един или повече на шина (на най-високата натоварена шина - 12 V - в мощните захранвания има четири монтажа). По-ефективни по отношение на ефективността са синхронните токоизправители, които използват полеви транзистори вместо диоди. Но това е прерогатив на наистина модерни и скъпи захранвания, които претендират за сертификат 80 PLUS Platinum.

Релсата 3,3 V обикновено се задвижва от същата намотка като релсата 5 V, само че напрежението се понижава с помощта на индуктор с възможност за насищане (Mag Amp). Специална намотка на трансформатор за напрежение 3,3 V е екзотична опция. От отрицателните напрежения в текущия стандарт ATX остават само -12 V, които се отстраняват от вторичната намотка под 12 V шината чрез отделни слаботокови диоди.

PWM управлението на ключа на преобразувателя променя напрежението на първичната намотка на трансформатора и следователно на всички вторични намотки наведнъж. В същото време консумацията на ток на компютъра в никакъв случай не е равномерно разпределена между захранващите шини. В съвременния хардуер най-натоварената шина е 12-V.

За отделно стабилизиране на напрежението на различни шини са необходими допълнителни мерки. Класическият метод включва използването на дросел за групова стабилизация. През неговите намотки се прекарват три основни шини и в резултат на това, ако токът на една шина се увеличи, напрежението на останалите пада. Да кажем, че токът на 12 V шината се е увеличил и за да предотврати спад на напрежението, PWM контролерът е намалил работния цикъл на ключовите транзистори. В резултат на това напрежението на шината 5 V може да надхвърли допустимите граници, но е потиснато от груповия стабилизиращ дросел.

Напрежението на шината 3,3 V се регулира допълнително от друг насищащ се индуктор.

По-усъвършенствана версия осигурява отделна стабилизация на 5 и 12 V шини поради насищащи се дросели, но сега този дизайн е отстъпил място на DC-DC преобразуватели в скъпи висококачествени захранващи устройства. В последния случай трансформаторът има една вторична намотка с напрежение 12 V, а напреженията от 5 V и 3,3 V се получават благодарение на DC-DC преобразуватели. Този метод е най-благоприятен за стабилност на напрежението.

Изходен филтър

Крайният етап на всяка шина е филтър, който изглажда пулсациите на напрежението, причинени от ключовите транзистори. В допълнение, пулсациите на входния токоизправител, чиято честота е равна на удвоената честота на захранващата мрежа, проникват в една или друга степен във вторичната верига на захранването.

Пулсационният филтър включва дросел и големи кондензатори. Висококачествените захранващи устройства се характеризират с капацитет от най-малко 2000 uF, но производителите на евтини модели имат резерви за спестявания, когато инсталират кондензатори, например с половината от номиналната стойност, което неизбежно се отразява на амплитудата на пулсациите.

⇡ Мощност в режим на готовност +5VSB

Описанието на компонентите на захранването би било непълно, без да се спомене източникът на напрежение от 5 V в режим на готовност, който прави възможен режим на заспиване на компютъра и осигурява работата на всички устройства, които трябва да бъдат включени през цялото време. „Дежурната стая“ се захранва от отделен импулсен преобразувател с трансформатор с ниска мощност. В някои захранвания има и трети трансформатор, използван във веригата обратна връзказа изолиране на PWM контролера от първичната верига на главния преобразувател. В други случаи тази функция се изпълнява от оптрони (светодиод и фототранзистор в един корпус).

⇡ Методика за изпитване на захранвания

Един от основните параметри на захранването е стабилността на напрежението, което се отразява в т.нар. характеристика на напречно натоварване. KNH е диаграма, в която на едната ос е нанесен токът или мощността на шината 12 V, а на другата - общият ток или мощност на шините 3,3 и 5 V. В пресечните точки при различни значенияИ двете променливи определят отклонението на напрежението от номиналната стойност на определена шина. Съответно публикуваме две различни KNH - за 12 V шина и за 5/3,3 V шина.

Цветът на точката показва процента на отклонение:

зелено: ≤ 1%;
светло зелено: ≤ 2%;
жълто: ≤ 3%;
оранжево: ≤ 4%;
червено: ≤ 5%.
бяло: > 5% (не е разрешено от ATX стандарта).

За да се получи KNH, се използва тестов стенд за захранване, който създава натоварване чрез разсейване на топлина върху мощни транзистори с полеви ефекти.

Друг също толкова важен тест е определянето на амплитудата на пулсациите на изхода на захранването. Стандартът ATX позволява пулсации в рамките на 120 mV за шина 12 V и 50 mV за шина 5 V. Разграничават се високочестотни пулсации (при двойна честота на превключвателя на главния преобразувател) и нискочестотни (при двойна честота на захранващата мрежа).

Ние измерваме този параметър с помощта на USB осцилоскоп Hantek DSO-6022BE на максимално натоварванена захранване, определено от спецификациите. В осцилограмата по-долу зелената графика съответства на 12 V шина, жълтата графика съответства на 5 V. Вижда се, че пулсациите са в нормални граници и дори с марж.

За сравнение представяме снимка на вълни на изхода на захранването на стар компютър. Този блок не беше страхотен в началото, но със сигурност не се е подобрил с времето. Съдейки по големината на нискочестотната пулсация (имайте предвид, че делението на напрежението е увеличено до 50 mV, за да пасне на трептенията на екрана), изглаждащият кондензатор на входа вече е станал неизползваем. Високочестотната пулсация на 5 V шината е на ръба на допустимите 50 mV.

Следният тест определя ефективността на уреда при товар от 10 до 100% от номиналната мощност (чрез сравняване на изходната мощност с входящата мощност, измерена с домакински ватметър). За сравнение, графиката показва критериите за различните категории 80 PLUS. Това обаче не предизвиква голям интерес в наши дни. Графиката показва резултатите на захранването от най-висок клас Corsair в сравнение с много евтиния Antec, като разликата не е толкова голяма.

По-належащ проблем за потребителя е шумът от вградения вентилатор. Невъзможно е да се измери директно в близост до ревящия стенд за тестване на захранването, затова измерваме скоростта на въртене на работното колело с лазерен тахометър - също при мощност от 10 до 100%. Графиката по-долу показва, че когато натоварването на това захранване е ниско, 135 мм вентилатор остава на ниска скорост и почти не се чува. При максимално натоварване шумът вече се долавя, но нивото му е доста приемливо.

Импулсните захранвания осигуряват по-висока ефективност от конвенционалните линейни. Те могат да увеличат напрежението, да го намалят и да го обърнат. Някои устройства изолират изходното напрежение от входното.

Обща концепция за DC DC преобразуватели

Линейните стабилизатори, използвани в трансформаторните захранвания, поддържат постоянно изходно напрежение благодарение на елемент от веригата, като транзистор, върху който се отлага излишно напрежение. Системата за управление постоянно следи изходното напрежение и коригира спада му в този елемент.

Линейните стабилизатори имат някои предимства:

без смущения;
ниска цена и лекота на работа.

Но такова устройство не е без недостатъци:

излишното напрежение се превръща в топлина;
няма как да се увеличи напрежението.

Преобразувателите на постоянен ток в постоянен ток от импулсен тип са вериги, способни да преобразуват едно ниво на напрежение в друго с помощта на бобини и кондензатори, временно съхранявайки енергия в тях и разреждайки ги по такъв начин, че да се получат крайните желани нива на сигнала.

Принцип на работа на импулсен преобразувател

В основата на работата на много преобразуватели е явлението самоиндукция. Да кажем, че има индуктор, през който протича постоянен ток. Ако протичането на тока внезапно се прекъсне, в индуцираното магнитно поле около бобината се появява самоиндуцирана е.д.с. и съответно на клемите й се появява напрежение с обратна полярност.

важно!Чрез контролиране на тока и времето за превключване на веригата може да се регулира напрежението на самоиндукция.

Превключващият преобразувател е електронна верига, съдържаща намотка, която е циклично свързана към източник на захранване и изключена.

Ако индуцираното напрежение се добави към входното напрежение, се получава усилващ преобразувател;
Когато бобината е включена, така че напрежението, индуцирано в нея, да се извади от IP напрежението, ще има верига за намаляване на напрежението.

Тъй като бобината изисква циклично зареждане, във веригата е необходим кондензатор за филтриране на сигнала и поддържане на постоянно изходно напрежение.

важно!Филтрирането не е перфектно - изходното напрежение винаги е импулсно. Прекомерните нива на този шум могат да причинят неизправност на веригата, като например замръзване на микроконтролера.

Параметри на импулсни преобразуватели

Основен спецификацииустройства, посочени от производителя:

Изходно напрежение. Може да бъде фиксиран (нерегулируем) или зададен в определен диапазон. При възможни отклонения производителят трябва да посочи техните граници, например 5V +/- 0,2 V;
Максимален изходен ток;
Входен волтаж;
Ефективност. Разбира се като съотношението на изходната мощност към входната мощност. Разликата между тях е в загубите, отделени под формата на топлина. Показателят се изразява в проценти. Колкото по-близо до 100%, толкова по-добре.

важно!Ефективността зависи и от условията на работа. Ето защо трябва внимателно да проучите бележките в каталозите на производителите за графики. Може да се окаже, че един много скъп преобразувател има по-лоши параметри от много по-евтините, оптимизирани за работа при различно захранващо напрежение.

Входното напрежение, в зависимост от вида на инвертора, може да бъде:

под изхода, ако веригата е усилваща;
по-висока от изхода, ако преобразувателят е долар;
по-високо или по-ниско, но в рамките на диапазон (sepic).

Усилвателните преобразуватели са незаменими, когато трябва да увеличите напрежението. Да кажем, че устройството има 3,6 V литиево-йонна батерия и LCD дисплей, предназначен за 5 V мощност.

важно!Като цяло, увеличаването на напрежението става с по-малка ефективност от намаляването му. Следователно е по-добре да имате източник на високо напрежение, който ще бъде намален до правилното напрежение, а не обратното.

В случай на трета конфигурация, входното напрежение може да варира, решението за увеличаване или намаляване се взема от самата верига, за да се получи стабилен изходен сигнал. Тези преобразуватели са идеални за работа във вериги, където захранващото напрежение се различава малко от желаното. Въпреки че диапазонът на регулиране може да е голям. Например на входа - 4-35 V, на изхода - 1,23-32 V.

Тъй като загубата на мощност е ниска, постояннотоковият преобразувател на постоянно напрежение е много подходящ за вериги, захранвани от батерии с ниско напрежение. Полезно е, например, когато управляващата електроника се захранва от 5 V, а задвижките от 12 V батерия.

Ако приемем, че управляващата електроника черпи ток от 200 mA, тогава консумацията на енергия ще бъде 5 V x 200 mA = 1 W. Когато използвате регулатор 7805 за намаляване на напрежението, консумираната мощност от батерията ще бъде 12 V x 200 mA = 2,4 W. Мощността, която приемникът няма да приеме, 1,4 W, се превръща в топлина. Стабилизаторът ще се нагрее значително.

В случай на използване на импулсен преобразувател с 90% ефективност, консумираната мощност от батерията е 1,11 W. Загубите са само 0,11 W. Температурата на модула ще се повиши почти незабележимо.

Освен трите типа dc dc преобразуватели, има и инвертиращи, които променят полярността на изходния сигнал. Тази схема е необходима за захранване на операционни усилватели.

Широчинно импулсна модулация

Широчинно-импулсната модулация (PWM) е вид сигнал, използван за промяна на количеството енергия, изпратено към товара. Той се използва широко в цифрови схеми, които трябва да емулират аналогов сигнал.

Генерираните импулси са правоъгълни, чиято относителна ширина може да варира спрямо периода. Резултатът от това съотношение се нарича работен цикъл и неговите единици са представени като процент:

D = t/T x 100%, където:

D – работен цикъл;
t – време, когато сигналът е положителен;
T – период.

Коефициентът на запълване се променя така, че средната стойност на сигнала е приблизителното напрежение, което трябва да се получи. Чрез промяна на стойността на D можете да управлявате ключовия транзистор, който се използва в почти всички вериги на импулсен преобразувател.

Основната верига се състои от индуктивност, кондензатор, диод и превключващ транзистор. Транзисторът служи за превключване на сигнал с висока честота и се управлява с помощта на ШИМ. Работният цикъл D задава времето за отваряне и затваряне на транзистора.

Когато транзисторът е включен, токът протича през бобината, товарното съпротивление и кондензатора. Енергията се натрупва в индуктора и кондензатора, а токът нараства не рязко, а постепенно. По това време диодът е заключен;
Когато се достигне дадено ниво на напрежение, което определя параметрите на управление на транзистора, транзисторът се изключва, но поради ЕМП на самоиндукция в индуктора токът започва да тече през веригата, образувана с участието на отворен диод , тъй като полярността на бобината се е променила. В този случай токът бавно намалява със скорост Uout/L.

Чрез регулиране на управлението на транзистора можете да получите необходимото ниво на напрежение, но не по-високо от входа.

Boost конвертор

Неговата схема съдържа същите елементи като понижаващото устройство, но връзката им е различна. Отварянето на транзистора все още се контролира от настройките на ШИМ.

Когато транзисторът е отворен, токът протича през индуктора и транзистора. Токът в намотката нараства със скорост Vin/L и съхранява енергия. Диодът е затворен на този етап, за да се предотврати разреждането на изходния кондензатор през транзистора, който от своя страна осигурява съпротивлението на натоварване;
Когато напрежението намалее, по-малко определено нивотранзисторът се изключва от управляващ сигнал. Диодът се отваря и изходният кондензатор се презарежда. Входното напрежение се добавя към напрежението, генерирано от бобината, и изходният сигнал е по-висок;
Когато се достигнат определените граници на напрежението, тиристорът се отваря отново и цикълът се повтаря.

При преобразувателите SEPIC схемата е изградена на комбиниран принцип. В него са монтирани друг индуктор и кондензатор. Компонентите L1 и C2 работят за увеличаване на напрежението, L2 и C1 - за намаляване на напрежението.

Преобразувател на напрежение с галванична изолация

Изолираните постояннотокови постояннотокови преобразуватели са необходими в широк спектър от приложения, включително измерване на мощност, промишлени програмируеми логически контролери (PLC), захранващи устройства с изолиран биполярен транзистор (IGBT) и т.н. Те се използват за осигуряване на галванична изолация, подобряване на безопасността и устойчивост на шум.

В зависимост от точността на регулиране на изходното напрежение,dc dc преобразуватели с галванична изолацияса разделени на три категории:

регулируема;
нерегламентиран;
полурегулируема.

За такива устройства входната верига е изолирана от изходната. Най-простата схема на преден преобразувател има две изолирани вериги: в едната има ключов транзистор и трансформатор, в другата има индуктор, кондензатор и съпротивление на натоварване. Към транзистора се прилага импулсен управляващ сигнал с работен цикъл D.

Когато транзисторът е отворен, диодът VD преминава ток и D1 е заключен. Токът протича през веригата през намотката, кондензатора и товара. Енергията се натрупва в намотката;
Когато транзисторът е изключен, напрежението върху намотките на трансформатора променя знака, така че VD се затваря и D1 започва да пропуска ток, който тече по веригата между намотката, D1, кондензатора и съпротивлението на натоварване. Изходното напрежение ще бъде равно на:

Uout = (w2/w1) x D, където w2, w1 – броят на навивки на двете намотки на трансформатора.

Ето как работи веригата на преобразувател с единичен край. Съществуват вериги за обратно движение и издърпване, като енергията се подава към изхода по време на двата цикъла на преобразуване. За намаляване на загубите се използват MOS транзистори вместо диоди.