Современная электроника №7/2022

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 34 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2022 Рис. 3. Концепция простого понижающего преобразователя Рис. 4. Концепция простого повышающего преобразователя Рис. 5. Концепция простого инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя гораздо быстрее переключать перехо- ды. Это, в свою очередь, снижает потери при переключении, позволяя использо- вать частоты переключения до 5 МГц. Такие высокие частоты переключения позволяют использовать очень малень- кие катушки индуктивности и конден- саторы в силовом каскаде. Импульсные регуляторы имеют мно- го преимуществ. Как правило, они обе- спечивают энергоэффективное пре- образование напряжения, позволяют повышать и понижать напряжение, а также имеют относительно компакт- ные и недорогие конструкции. Недо- статки заключаются в том, что их не так просто спроектировать и оптими- зировать, и они генерируют электро- магнитные помехи из-за переключения переходов и частоты переключения. Доступность регуляторов SMPS, а также инструментов проектирования источ- ников питания, таких как LTpowerCAD и LTspice, значительно упростили этот сложный процесс проектирования. С помощью этих инструментов процесс проектирования схемы SMPS может быть полуавтоматизирован. Изоляция в источниках питания При проектировании источни- ка питания первым делом возникает вопрос о том, требуется ли гальваниче- ская развязка. Гальваническая развязка используется по нескольким причинам. Она делает схемы более безопасными, позволяет работать с плавающей систе- мой и предотвращает распростране- ние шумовых токов заземления через различные электронные устройства в одной схеме. Двумя наиболее распро- странёнными изолированными топо- логиями являются обратноходовой и прямой преобразователи. Однако для более высокой мощности используют- ся другие изолированные топологии, такие как двухтактная, полумостовая и полная мостовая. Если гальваническая развязка не требуется, то в большинстве случаев используется неизолированная топо- логия. Для изолированных топологий всегда требуется трансформатор, кото- рый имеет свойство быть дорогим, гро- моздким и часто труднодоступным в готовом виде с соответствием точным требованиям пользовательского источ- ника питания. Наиболее распространённые топологии, когда изоляция не требуется Понижающий Наиболее распространённой топо- логией неизолированного SMPS явля- ется понижающий преобразователь. Он принимает положительное вход- ное напряжение и генерирует выход- ное напряжение ниже входного. Пони- жающий преобразователь – это одна из трёх основных топологий импульсных источников питания, для которых тре- буется всего два переключателя, два кон- денсатора и катушка индуктивности. На рис. 3 показан основной прин- цип топологии понижающего преоб- разователя. Переключатель верхнего плеча подаёт импульс тока со входа и генерирует напряжение узла переклю- чения, чередующееся между входным напряжением и напряжением земли. LC-фильтр принимает это импульсное напряжение на коммутационном узле и генерирует выходное напряжение постоянного тока. В зависимости от рабочего циклаШИМ-сигнала, управля- ющего переключателем верхнего пле- ча, генерируется различный уровень постоянного выходного напряжения. Этот понижающий преобразователь постоянного тока очень энергоэффек- тивен, относительно прост в сборке и требует небольшого количества ком- понентов. Понижающий преобразователь пода- ёт импульсный ток на вход, а на выход подаётся непрерывный ток, поступа- ющий от катушки индуктивности. По этой причине понижающий регулятор очень шумит на входе и не так шумит на выходе. Понимание этого важно при проектировании систем с низким уров- нем шума. Повышающий Помимо понижающей («buck»), вто- рой базовой топологией является повы- шающая («boost») (рис. 4). В ней исполь- зуются те же пять основных силовых компонентов, что и в понижающем преобразователе, но они перегруппи- рованы таким образом, что индуктор находится на входе, а переключатель верхнего плеча – на выходе. Тополо- гия «buck» используется для повыше- ния определённого входного напряже- ния до выходного напряжения, которое выше, чем входное. При выборе повышающего преоб- разователя важно учитывать, что в его спецификациях всегда указыва- ют максимальный номинальный ток переключения, а не максимальный выходной ток. В понижающем преоб- разователе максимальный ток пере- ключения напрямую связан с макси- мально достижимым выходным током, не зависящим от соотношения между входным и выходным напряжениями. В повышающем стабилизаторе коэф- фициент напряжения напрямую влияет на возможный максимальный выход- ной ток, основанный на фиксирован- ном максимальном токе переключения. При выборе подходящей микросхемы повышающего стабилизатора необхо- димо знать не только требуемый выход- ной ток, но также входное и выходное напряжения разрабатываемой схемы. Повышающий преобразователь име- ет очень низкий уровень шума на входе, потому что индуктор на одной линии с входным соединением предотвраща- ет быстрые изменения тока. Однако на стороне выхода эта топология доволь- но шумная. Понижающе-повышающий Третья базовая топология, состоящая только из пяти основных компонентов, представляет собой инвертирующий повышающе-понижающий преобра- зователь (рис. 5). Название происхо- дит от того факта, что этот преобра- зователь принимает положительное входное напряжение и преобразует его в отрицательное выходное напря- жение. Кроме того, входное напряже- ние может быть выше или ниже абсо- лютного инвертированного выходного напряжения. Например, выходное напряжение –12 В может быть сгене- Входное напряжение Входное напряжение Входное напряжение Выходное напряжение Выходное напряжение Выходное напряжение