Импульсные блоки питания

Первоначальное распространение импульсные блоки питания (ИПБ) получили преимущественно в телевизорах, в дальнейшем — в видеомагнитофонах, видеоаппаратуре и другой бытовой технике, что объясняется в основном двумя причинами. Во первых, чувствительность телевизоров и видеомагнитофонов к создаваемым импульсным БП помехам значительно ниже, чем например, аппаратуры звуковоспроизведения, особенно высококачественного. Во вторых, телевизионные приемники и видеомагнитофоны отличаются относительным постоянством и сравнительно небольшой величиной (10...80 Вт) мощности, потребляемой в нагрузке.

Колебания этой мощности в кинескопных телевизорах обусловлены изменениями яркости экрана при смене сюжетов и составляет не более 20 Вт (приблизительно 30 % максимальной потребляемой мощности). Для видеомагнитофонов колебания мощности, потребляемой в нагрузке возникают, в основном, только при переключении режимов работы лентопротяжного механизма (ЛПМ) и составляют не более нескольких единиц Ватт. Для примера, в стереофоническом усилителе с выходной мощностью 2 х 20 Вт колебания мощности достигают 70-80 Вт (приблизительно 70-80 % максимальной потребляемой мощности). Поэтому для этого класса радиоаппаратуры ИБП получаются более дорогостоящими из-за необходимости использования мощных двухтактных схем преобразователей (конверторов), более сложных стабилизаторов, фильтров и т.д.

В связи с этим, конструкторы как более ранних, так и современных моделей телевизоров, видеоаппаратуры и другой бытовой техники, как правило, придерживаются хорошо зарекомендовавших себя сточки зрения надежности, экономичности и простоты принципов построения импульсных блоков питания. Основные усилия направляются, в первую очередь, на совершенствование и микроминиатюризацию элементной базы, повышение надежности ИБП (в том числе путем введения различных защит) и расширение рабочего диапазона питающего их напряжения сети.

Структурная схема импульсного блока питания

На практике в конструкциях импульсных блоков питания телевизоров и видеомагнитофонов наибольшее распространение получили ИБП на основе регулируемого конвертера с бестрансформаторным входом.

Структурная схема импульсного блока питания состоит из двух основных элементов: сетевого выпрямителя СВ и преобразователя напряжения ПН.

Сетевой выпрямитель выполняет функции выпрямления напряжения сети Uc и сглаживания пульсаций, обеспечивает режим плавного заряда конденсаторов фильтра при включении БП, бесперебойной подачи энергии в нагрузку при кратковременных провалах напряжения сети ниже допустимого уровня и уменьшения уровня помех за счет применения специальных помехоподавляющих фильтров (более подробно методы борьбы с помехами в импульсных блоках питания будут рассмотрены позже).

Преобразователь напряжения включает в себя конвертор Кв и контроллер (устройства управления) К. Конвертор, в свою очередь, состоит из регулируемого инвертора И, импульсного трансформатора Т, выпрямителей В и стабилизаторов СМ вторичных питающих напряжений нагрузки Uн. Инвертор преобразует постоянное выходное напряжение СВ в переменное прямоугольной формы. Импульсный трансформатор работает на повышенной частоте (более 20 кГц) и обеспечивает автогенераторный режим инвертора, получение напряжений, необходимых для питания собственно контроллера, схем защиты и цепей нагрузки БП, а также гальваническую развязку сети с нагрузкой.

Контроллером осуществляется импульсное управление мощным транзисторным ключом инвертора (по указанным выше причинам в телевизорах и видеоаппаратуре в основном применяются только конверторы на основе однотактного инвертора с самовозбуждением (автогенераторы)). Кроме того, на контроллер возложены функции стабилизации напряжения на нагрузке, а также защита БП от перенапряжения (boost), перегрузок по выходному току, сбросов (просадок) напряжения (buck) и перегрева. В некоторых конструкциях непосредственно в схеме контроллера дополнительно реализуется функция дистанционного включения/выключения аппарата.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема импульсного блока питания

Контроллер ИБП включает в себя следующие функциональные узлы: источник питания контроллера ИПК; модулятор длительности импульсов МДИ; устройство защиты УЗ; логическую схему ЛС для объединения сигналов МДИ и УЗ; формирователь управляющего напряжения ФУН для мощного транзистора конвертора.

В контроллерах теле и видеоаппаратуры, как правило, применяются схемы ИПК на основе запускающих цепочек, кратковременно подключаемых к выходному напряжению сетевого выпрямителя с последующим переходом на питание от специальной обмотки импульсного трансформатора Т.

Модулятор длительности импульсов (МДИ) формирует импульсную последовательность с заданным соотношением длительности импульса к длительности паузы (скважностью). В зависимости от способа управления мощным транзистором конвертора в МДИ могут использоваться следующие виды модуляции: фазо-импульсная (ФИМ); частотно-импульсная (ЧИМ); широтно-импульсная (ШИМ). В импульсных БП наиболее широкое применение нашли МДИ на основе ШИМ благодаря простоте схемной реализации, а также потому, что в ШИМ-преобразователях напряжения частота коммутации остается неизменной, а изменяется только длительность импульса. В ФИМ- и ЧИМ-преобразователях частота коммутации в процессе регулирования изменяется, что является их основным недостатком, ограничивающим применение в ИБП ТВ и ВМ (помехи).

Рис. 2. Структурная схема модулятора длительности импульсов

Принципы построения и работу МДИ на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ-модулятора) рассмотрим подробнее. В состав МДИ входят следующие функциональные узлы (рис. 2): источник опорного напряжения ИОН; усилитель сигнала ошибки (рассогласования) УСО; задающий генератор ЗГ; генератор пилообразного напряжения ГПН; ШИМ-компаратор ШК.

Рис. 3. Эпюры, характеризующие работу ШИМ-модулятора

ШИМ-модулятор работает следующим образом. ЗГ генерирует колебания прямоугольной формы (рис. 3, а) с частотой, равной рабочей частоте преобразователя напряжения. Формируемое из этих колебаний в ГПН пилообразное напряжение Uп (рис. 3, б) поступает на вход ШИМ-компаратора ШК, на другой вход которого поступает сигнал с выхода усилителя сигнала ошибки. Выходной сигнал УСО Uош пропорционален разности между опорным напряжением и напряжением, вырабатываемым цепью обратной связи Uoc. Таким образом, напряжение Uош является сигналом рассогласования, уровень которого изменяется пропорционально изменению тока нагрузки Iн или выходного напряжения Uвых БП (см. рис. 1). В результате такого построения схемы образуется замкнутая цепь регулирования уровня выходного напряжения.

ШИМ-компаратор является линейно-дискретным функциональным узлом МДИ. Вход, на который поступает пилообразное напряжение, является опорным, а второй — управляющим. Выходной сигнал ШК—импульсный. Длительность выходных импульсов (рис. 3., в) определяется уровнем превышения управляющего сигнала Uош над опорным Uп и изменяется в процессе работы в соответствии с изменением входного управляющего сигнала. Модулированные по длительности выходные импульсы ШК через логическую схему ЛС (см. рис. 1) поступают на формирователь управляющего напряжения ФУН, в котором формируется сигнал упарвления переключением мощного ключевого транзистора конвертора.

Стабилизация выходного напряжения Uн реализуется за счет того, что при изменении выходного напряжения преобразователя, напряжение обратной связи Uoc также изменяется, вызывая изменение длительности импульсов на выходе ШК, а это, в свою очередь, вызывает изменение мощности, отдаваемой во вторичные цепи. Это обеспечивает стабильность выходного напряжения ПН по среднему значению.

Одним из основных требований к импульсным блокам питания является обеспечение гальванической развязки питающей сети и нагрузки, связанной по цепям обратной связи с устройством защиты УЗ и усилителем сигнала ошибки УСО.

В качестве элементов развязки в настоящее время применяются опто-электронные пары (оптроны) либо трансформаторы. Несомненными преимуществами оптронной развязки по сравнению с трансформаторной являются ее технологичность, малые габариты и возможность передавать сигналы в широком спектре частот.

Однако трансформаторная развязка позволяет обойтись меньшим числом промежуточных усилителей в контроллере ИБП, осуществить более простое согласование с высоковольтными источниками сигналов обратной связи (например, в блоках питания телевизоров, использующих для ШИМ-регулирования импульсы обратного хода строчной развертки). Тем не менее, в настоящее время конструкторы при разработке импульсных блоков питания все большее предпочтение отдают оптронным цепям развязки.

В заключение отметим, что главной тенденцией совершенствования импульсных блоков питания бытовой видеоаппаратуры является переход от конструкций на дискретных элементах к конструкциям блоков питания, практически полностью выполненных на интегральных микросхемах. В первую очередь это касается схем контроллеров ИБП и стабилизаторов вторичных напряжений нагрузки. Отдельно необходимо сказать о мощных высоковольтных транзисторных ключах. В настоящее время все чаще применяются ИМС-контроллеры со встроенным силовым ключом, причем биполярные транзисторы вытесняются мощными КМОП-транзисторами. Главные преимущества КМОП ключей — это более простое управление ими, повышенная устойчивость ко вторичному пробою из-за снижения вероятности локального nepeгреваa кристалла, повышенная (до 0,1 -1,0 МГц) частота переключения (в них не происходит накопление заряда).

В следующем материале рассмотрим подробнее принципы построения и особенности работы импульсных блоков питания на примере конкретных принципиальных схем.