120 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131

Раздел 16 Импульсные источники питания

Сравнение линейных и импульсных источников питания

Сравнение типовых схем линейных и импульсных источников питания показывает, почему в большинстве случаев предпочтительно применять импульсный источник.

Линейный источник питания способен производить напряжение только ниже входного. Для всех линейных стабилизаторов требуется входное напряжение, которое выше выходного напряжения на определённую минимальную величину, которая называется падением напряжения. Падение напряжения является определяющим параметром при расчёте производительности и рассеивания мощности.

Возьмём устройство, работающее от 6.0 В и потребляющее максимальный ток 2 А. Типичный линейный стабилизатор будет иметь падение напряжения 2 В. Если мы решим использовать свинцово-кислотную батарею, она будет разряжаться до напряжения примерно 1.9 В на элемент. Так как для корректной работы нам требуется напряжение минимум 8 В (6 В для нагрузки плюс 2 В на падение напряжения), для получения требуемого напряжения нам понадобится как минимум 5 элементов. Следовательно, при разряженной батарее минимальное входное напряжение равно 9.9 В. Поступающая в нагрузку мощность при токе 2 А равна 12 Вт, а стабилизатор должен рассеивать при разряженной батарее 7.8 Вт. Отсюда КПД равен 60%. При полностью заряженной батарее напряжение каждого элемента равно 2.26 В, и батарея выдаёт 11.3 В. Мощность нагрузки по-прежнему равна 12 Вт. Стабилизатор теперь должен рассеивать 10.6 Вт, откуда КПД получается равным 53%.

Ситуацию можно улучшить, если не полностью разряжать каждый элемент. Мы можем увеличить производительность и снизить стоимость батареи (ценой более частой подзарядки), если будем прекращать работу, когда напряжение на каждом элементе упадёт до 2.0 В. При этом нам понадобится только 4 элемента. Мощность, рассеиваемая на стабилизаторе при разряженной батарее, составит 4 Вт, поэтому КПД возрастёт до 75%. При полной зарядке КПД увеличится всего лишь до 67%.

В первом примере 2 из 5 элементов расходуют всю свою энергию на нагрев окружающей среды. Во втором примере на такой нагрев полностью работает 1 из 4 элементов. Понятно, что линейная стабилизация — слишком дорогой способ получения постоянного напряжения в системе, работающей от батарей.

Для вышеприведённого примера можно сконструировать простой импульсный источник питания с ключами на полевых транзисторах, обладающих сопротивлением в открытом состоянии порядка 0.008 Ом. Коммутирующий диод может быть диодом Шотки с прямым напряжением всего лишь 0.5 В. В первом приближении рассеиваемая ключом мощность будет составлять максимум 0.032 Вт, а диод будет рассеивать 1.0 Вт. КПД при полной зарядке будет равен 92%, а при разряженной батарее окажется близок к 99%. Причём эти относительные значения КПД справедливы для батареи из 4, 6 или 12 элементов.

Есть ещё одно преимущество импульсных источников питания перед линейными. С линейным источником питания батарея обязательно должна состоять из 4 элементов или более. С импульсным источником можно получать требуемое питание от батареи из 1…3 элементов, да к тому же ещё и с лучшей производительностью.

Примерно так же обстоит дело и с сетевыми источниками питания. Для сетевого линейного источника питания требуется трансформатор. Для линейного источника питания мощностью 1000 Вт потребуется трансформатор весом под 50 кг, массивные радиаторы с вентиляторами для полупроводниковых компонентов, и по объёму он займёт около половины кубометра. Если нужно обеспечить возможность работы от обоих напряжений — 110 и 220 В, для линейного источника потребуется ручное или сложное электронное переключение между ними. Для сравнения, импульсный источник питания, работающий от 110 и 220 В без переключения, весом около 20 кг занимает четверть объёма линейного источника. К тому же импульсный источник питания в несколько раз дешевле.

Однако не всегда импульсные источники питания являются наилучшим вариантом. На выходе импульсного источника питания обязательно присутствует высокочастотный шум. Линейные источники шумят на два-три порядка меньше. Для очень чувствительных к шуму аналоговых схем обычно рекомендуется линейный источник питания. Если требуется максимальная производительность, в современных системах часто используется предварительная стабилизация напряжения импульсным источником до значения чуть выше падения на линейном источнике, а затем с помощью линейного источника получают малошумящее питание для аналоговых схем. Ещё один недостаток импульсных источников питания — большее время восстановления при скачкообразных изменениях тока нагрузки или входного напряжения по сравнению с линейными источниками.

В маломощных схемах, как правило, предпочтительнее применять линейные источники питания. В вышеприведённом примере мы аппроксимировали потери в ключе формулой Р = I2R. В случае более тщательного анализа следует учитывать потери в ключе в моменты отпирания и запирания, а также мощность, расходуемую на управление ключом. К тому же существуют линейные стабилизаторы с очень малым падением напряжения, специально предназначенные для применения в маломощных схемах.

120 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131