121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133

Раздел 16 Импульсные источники питания

Основные импульсные схемы

Понижающий преобразователь

На Рис. 1.1 изображена идеальная модель понижающего преобразователя, состоящего из идеального источника напряжения, идеального управляемого ключа, идеального диода, идеального дросселя, идеального конденсатора и нагрузочного резистора.

Идеализированная модель понижающего преобразователяРис. 1.1. Идеализированная модель понижающего преобразователя

Преобразователь называется понижающим потому, что выходное напряжение всегда меньше входного, так как напряжение на дросселе «противится» входному (противоположно по полярности напряжению источника). Данный идеальный стабилизатор предназначен для работы от источника напряжением 20 В и обеспечивает напряжение 5 В на нагрузке 10 Ом. Ключ размыкается и за­мыкается через каждые 10 мкс, при этом на пассивных компонентах формируется сигнал с широтно-импульсной модуляцией. В установившемся режиме выходное напряжение стабилизатора равно

VOUT = VIN х DC,  (1.6)

где DC — коэффициент заполнения (Коэффициент заполнения (Duty Cycle) — величина, характеризующая соотношение между положительными и отрицательными полупериодами в последовательности импульсов).

Это уравнение определяет выходное напряжение преобразователя вне зависимости от значений индуктивности, тока нагрузки и ёмкости выходного конденсатора, при условии, что через дроссель течёт непрерывный ток. При этом подразумевается, что напряжение на дросселе имеет прямоугольную форму.

В данной схеме диод используется в качестве управляемого напряжением вентиля. В то время, когда входной ключ разомкнут (см. Рис. 1.1), диод обеспечивает канал для протекания разрядного тока дросселя (напряжение на дросселе при уменьшении протекающего через него тока, в соответствии с уравнением (1.1) имеет отрицательную полярность, поэтому диод открывается). Когда же дроссель накапливает энергию (это происходит тогда, когда ключ замкнут), диод смещён в обратном направлении, поэтому ток через него не течёт.

При проектировании импульсных источников питания мы будем для просто­ты считать, что прикладываемое к дросселю напряжение в процессе накопления энергии имеет идеально прямоугольную форму. В нашем примере пульсации выходного напряжения источника питания составляют 20 мВ. Хорошее приближение к идеально прямоугольной форме достигается при колебаниях напряжения на дросселе в процессе накопления энергии в пределах 0.02 В при входном напряжении 15 В, т. е. 0.13%, а в процессе отдачи энергии — 0.02 В при выходном напряжении 5 В, т. е. 0.4%. Постоянная амплитуда прямоугольных импульсов способствует постоянству di/dt в уравнении (1.1).

На Рис. 1.2 изображены кривая выходного напряжения (нижний график) и кривая тока дросселя (верхний график) в установившемся режиме преобразователя, обеспечивающем напряжение 5 В и ток 500 мА на нагрузочном резисторе.

Выходное напряжение и ток дросселя в понижающем стабилизатореРис. 1.2. Выходное напряжение и ток дросселя в понижающем стабилизаторе 

Заметим, что колебания выходного тока относительно малы по сравнению со значением постоянного тока в дросселе. В данном случае пиковый ток пульсаций составляет 75 мА. Ещё одним важным моментом является то, что в установившемся режиме ток пульсаций не зависит от тока нагрузки, так как ток, протекающий через дроссель, управляется напряжением на нём. Крутизна нарастания тока и продолжительность фазы накопления энергии определяются исключительно разностью напряжений VIN—VOUT. Средний ток дросселя равен выходному току.

Работа понижающего преобразователя может также осуществляться в прерывистом режиме, при котором в течение некоторой части периода коммутации ток дросселя равен нулю.

Для прерывистого режима работы уравнение (1.6) несправедливо. Пульсации выходного напряжения в понижающем преобразователе, работающем в прерывистом режиме, выше, так как конденсатор фильтра должен обеспечивать ток нагрузки в то время, когда ток дросселя равен нулю. Как правило, понижающий преобразователь работает в прерывистом режиме, только когда ток нагрузки становится намного меньше номинального расчётного значения.

121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133