Современная электроника №7/2022

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 33 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2022 Проектирование источников питания Рис. 1. Линейный регулятор преобразует одно напряжение в другое Рис. 2. Линейный трансформатор, за которым следует линейный регулятор В этой статье представлены простые для понимания концепции проектирования источников питания. В первой главе рассматриваются LDO-стабилизаторы и импульсный источник питания, а также наиболее распространённые неизолированные топологии, используемые для SMPS. Глава 2 посвящена специализированным топологиям, общим изолированным топологиям и расширенным изолированным топологиям источников питания. В главе 3 говорится о проектировании, затрагиваются такие темы, как цифровые источники питания, снижение электромагнитных помех, основы фильтрации и появление бесшумных коммутаторов. Фредерик Досталь В статье даётся обзор возможностей проектирования источников питания: будут рассмотрены основные и часто используемые топологии изолирован- ных и неизолированных источников питания, а также их преимущества и недостатки. Кроме того, обсуждаются вопросы электромагнитных помех и их фильтрации. Большинству электронных систем требуется некое преобразование меж- ду напряжением источника питания и напряжением схемы, которая должна быть запитана. Когда батареи разряжа- ются, напряжение падает. Преобразо- вание постоянного тока может гаран- тировать, что гораздо больше энергии, хранящейся в батарее, будет использо- ваться для питания схемы. Кроме того, с линией110 Впеременного тока, напри- мер, невозможнонапрямуюпитать такой полупроводник, как микроконтроллер. Поскольку преобразователи напря- жения, также называемые источни- ками питания, используются почти в каждой электронной системе, они на протяжении многих лет оптимизирова- лись в различных целях. Некоторые из этих целей – размер решения, эффек- тивность преобразования, устойчи- вость к электромагнитным помехам и стоимость. Глава I Простейший источник питания: LDO Одной из самых простых форм источника питания является регуля- тор с малым падением напряжения (LDO). LDO – это линейные регулято- ры, в отличие от импульсных. Линей- ные регуляторы помещают перестра- иваемый резистор между входным напряжением и выходным напряжени- ем. Это означает, что выходное напря- жение фиксируется независимо от того, как изменяется входное напряжение и какой ток нагрузки проходит через устройство. На рис. 1 показан основ- ной принцип работы этого простого преобразователя напряжения. В течение многих лет типичный пре- образователь мощности состоял из трансформатора на 50 или 60 Гц, под- ключённого к электросети, с опреде- лённым соотношением обмоток для создания нерегулируемого выходно- го напряжения – на несколько вольт выше, чем необходимое напряжение питания в системе. Затем с помощью линейного регулятора это напряжение преобразовывалось в хорошо отрегули- рованное по мере необходимости для электроники. На рис. 2 показана блок- схема этой концепции. Проблема с базовой установкой, рассмотренная на рис. 2, заключает- ся в том, что трансформатор 50/60 Гц относительно громоздкий и дорогой. Кроме того, линейный регулятор рас- сеивает довольно много тепла, поэтому общий КПД системы низок, а избавить- ся от выделяемого тепла при высокой мощности системы довольно затруд- нительно. Импульсные источники питания спешат на помощь Чтобы избежать недостатков источ- ника питания, показанных на рис. 2, были изобретены импульсные источ- ники питания (SMPS). Они не зависят от переменного напряжения 50 или 60 Гц. SMPS потребляют постоянное напряжение, иногда выпрямленное переменное напряжение, и генерируют переменное напряжение гораздо более высокой частоты, чтобы использовать трансформатор гораздо меньшего раз- мера. В неизолированных системах они могут выпрямлять напряжение с помо- щью LC-фильтра для создания постоян- ного выходного напряжения. Преимущества SMPS заключаются в небольшом размере решения и отно- сительно низкой стоимости. Генери- руемое переменное напряжение не обязательно должно быть синусои- дальным. Простая форма сигналаШИМ будет работать очень хорошо, и её лег- ко сгенерировать с помощью генерато- ра ШИМ и переключателя. До 2000 года биполярные транзисто- ры были самыми часто используемыми переключателями. Они могли работать хорошо, но имели относительно низ- кую скорость переключения. Помимо того, они были не очень энергоэффек- тивными, так как ограничивали часто- ту переключения на 50 кГц или, в луч- шем случае, на 100 кГц. Сегодня мы используем переключа- ющие МОП-транзисторы вместо бипо- лярных транзисторов, что позволяет Входное напряжение Входное напряжение V IN V OUT GND FB Линейный регулятор Регулируемый резистор Выходное напряжение Выходное напряжение V IN V OUT GND FB Линейный регулятор Промежуточное напряжение 110 V AC Линейное напряжение Выходное напряжение