Что значит нестабилизированный блок питания
Схемы источников питания
Существует три основных типа источников питания: нестабилизированные источники питания, источники питания с линейными стабилизаторами и импульсные источники питания. Четвертый тип схем источников питания называется источник питания с импульсным стабилизатором, представляет собой гибрид между нестабилизированной и импульсной схемами и заслуживает отдельного подраздела сам по себе.
Нестабилизированные источники питания
Нестабилизированный источник питания – это самый простой тип, состоящий из трансформатора, выпрямителя и фильтра нижних частот. Эти источники питания обычно имеют большие пульсации напряжения (то есть быстро изменяющуюся нестабильность) и другой «шум» переменного напряжения, накладываемые на выходное постоянное напряжение питания. Если входное напряжение меняется, выходное напряжение будет меняться пропорционально. Преимущество нестабилизированного источника питания заключается в том, что он дешевый, простой и эффективный.
Источники питания с линейными стабилизаторами
Источник питания с линейным стабилизатором – это просто нестабилизированный источник питания, за которым следует транзисторная схема, работающая в своем «активном», или «линейном» режиме, отсюда и название линейный стабилизатор. Типовой линейный стабилизатор предназначен для вывода фиксированного напряжения для широкого диапазона входных напряжений, и на нем просто падает любое избыточное напряжение, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение на нагрузке. Это падение избыточного напряжения приводит к значительному рассеиванию мощности в виде тепла. Если входное напряжение станет слишком низким, схема утратит стабилизацию, что означает, что она не сможет поддерживать неизменное напряжение. Она может только отбрасывать избыточное напряжение, но не может восполнять недостаток напряжения в секции нестабилизированного источника. Поэтому необходимо поддерживать входное напряжение выше требуемого выходного напряжения как минимум на 1–3 вольта в зависимости от типа стабилизатора. Это означает, что мощность, эквивалентная, по крайней мере, 1–3 вольтам, умноженным на полный ток нагрузки, будет рассеиваться схемой стабилизатора, выделяя много тепла. Это делает источники питания с линейными стабилизаторами довольно неэффективными. Кроме того, чтобы избавиться от всего этого тепла, они должны использовать большие радиаторы, которые делают их большими, тяжелыми и дорогими.
Импульсные источники питания
Импульсный источник питания («импульсник») – это попытка реализовать преимущества как нестабилизированной, так и линейной стабилизированной конструкций источников питания (небольшой, эффективный и дешевый, но при этом с «чистым», стабильным выходным напряжением). Импульсные источники питания работают по принципу выпрямления входного переменного напряжения в постоянное напряжение, повторного преобразования его в высокочастотное прямоугольное переменное напряжение с помощью транзисторов, работающих как ключи (открыт/закрыт), затем понижения или повышения этого переменного напряжения с помощью небольшого трансформатора, а затем выпрямления выходного переменного напряжения трансформатора в постоянное напряжение и фильтрации до конечного выходного напряжения. Стабилизация напряжения достигается путем изменения скважности («коэффициента заполнения») преобразования постоянного напряжения в переменное на первичной обмотке трансформатора. В дополнение к меньшему весу трансформатора из-за меньшего сердечника, «ипульсники» имеют еще одно огромное преимущество по сравнению с предыдущими двумя конструкциями: этот тип источника питания может быть сделан настолько независимым от входного напряжения, что он может работать в любой системе электроснабжения в мире; эти источники питания называются «универсальными».
Недостатком импульсных источников питания является то, что они являются более сложными, и из-за своего принципа действия они имеют тенденцию генерировать много высокочастотного «шума» на линии питания. Большинство «импульсников» также имеет на выходе значительные пульсации напряжения. У более дешевых типов эти шум и пульсации могут быть такими же плохими, как и у нестабилизированного источника питания; такие низкобюджетные «импульсники» не бесполезны, потому что они по-прежнему обеспечивают стабильное среднее выходное напряжение и обладают возможностями «универсального» входа.
На выходе дорогих импульсных источников питания пульсаций нет, а шум почти такой же низкий, как у некоторых линейных стабилизаторов; эти «импульсники», как правило, стоят также дорого, как и источники питания с линейными стабилизаторами. Причиной использования дорогого «импульсника» вместо хорошего источника с линейным стабилизатором является необходимость универсальной совместимости с системами электроснабжения или высокая эффективность. Высокая эффективность, малый вес и малые размеры – вот причины, по которым импульсные источники питания практически повсеместно используются для питания цифровых компьютерных схем.
Источники питания с импульсными стабилизаторами
Источник питания с импульсным стабилизатором – это альтернатива схеме с линейным стабилизатором: нестабилизированный источник питания (трансформатор, выпрямитель, фильтр) представляет собой «начало» схемы, а транзистор, работающий строго в режимах открыт/закрыт (насыщение/отсечка), передает питание постоянным напряжением на большой конденсатор так, чтобы поддерживать выходное напряжение между верхним и нижним установленными значениями. Как и в импульсных источниках питания, транзистор в импульсном стабилизаторе никогда не пропускает ток, находясь в своем «активном», или «линейном», режиме в течение какого-либо существенного промежутка времени, что означает, что в таком стабилизаторе будет теряться очень мало энергии в виде тепла. Однако самым большим недостатком этой схемы стабилизации является вынужденное наличие некоторых пульсаций напряжения на выходе, так как постоянное напряжение изменяется между двумя контрольными значениями напряжения. Кроме того, эти пульсации напряжения изменяются по частоте в зависимости от тока нагрузки, что затрудняет окончательную фильтрацию выходного напряжения питания.
Схемы импульсных стабилизаторов, как правило, немного проще схем импульсных источников питания, и им не нужно работать с большими мощностями.
Нестабильный импульсный блока питания
Нестабильный блок питания может вызвать серьезные системные проблемы, такие как слышимый шум от пассивных компонентов, неожиданное дрожание частоты переключения, сильные колебания выходного напряжения во время переходных процессов нагрузки и отказы в полупроводниковых переключателях.
Нестабильный импульсный блок питания: советы по диагностике и стабилизации
Хотя существуют разные причины нестабильности, не настроенная компенсационная сеть является причиной большинства проблем нестабильности в импульсных блоках питания. В этой статье дается руководство о том, как определить, является ли источником нестабильности не настроенная компенсационная сеть, и предлагаются быстрые советы по повышению стабильности нестабильных источников питания.
Нестабильный переходный отклик: мера стабильности блока питания
Переходные характеристики импульсного блока питания характеризуются двумя основными критериями: полосой пропускания (BW) и запасом по фазе (PM). Более широкая полоса пропускания приводит к быстрой переходной реакции. С другой стороны, высокое значение фазовой модуляции означает лучшую стабильность. Для получения приемлемых переходных характеристик требуются широкая полоса пропускания и высокая PM. Однако существует компромисс между BW и PM. Методы увеличения BW обычно уменьшают PM, и наоборот.
На рис. 1 показан типичный переходной отклик блока питания с широкой полосой пропускания и низкой PM. Когда происходит переход нагрузки, выходное напряжение проходит несколько колебаний, прежде чем установится на регулируемом напряжении. Количество колебаний выходного напряжения во время переключения нагрузки является хорошим показателем стабильности блока питания. Количество колебаний напрямую связано с PM и, следовательно, стабильностью блока питания.
Компенсационные сети в коммутационных регуляторах
Обычно для коммутирующих регуляторов широко используются два типа компенсационных сетей: Тип II и Тип III. В компенсационных сетях типа II применяется установка нулевого полюса для достижения желаемых BW и PM. Для дальнейшего улучшения переходной характеристики регулятора используется компенсационная сеть типа III. В компенсационных сетях типа III добавлен дополнительный набор нулевых полюсов, который помогает достичь более широкой полосы пропускания или более высоких значений PM. На рисунке 2 показана схема компенсационной сети типа III.
Цель этой статьи — показать, как можно использовать простые методы для стабилизации и исправить другие проблемы, которые имеет нестабильный блок питания. Обратите внимание, что предложенные методы будут эффективны только в том случае, если источником нестабильности является не настроенная компенсационная сеть.
Два типа импульсных регуляторов, описанные ниже, относятся к реализации сети компенсации. Это два типа: импульсные регуляторы с внешней компенсационной сетью и импульсные регуляторы с внутренней компенсационной сетью. На рисунке 3 показаны типичные схемы применения для этих двух типов источников питания.
Нестабильный блок питания: наличие регулятора для стабилизации
Как обсуждалось ранее, нестабильность импульсного регулятора можно проверить, посмотрев на его переходную реакцию на изменение нагрузки.
На рис. 1 показан в качестве примера нестабильный блок питания, в котором наблюдается несколько колебаний выходного напряжения при переходе нагрузки. На рис. 4 показан график Боде для блока питания изображенного на рисунке 1. В этом примере полоса пропускания составляет 65 кГц, а PM — только 16°.
Чтобы получить источник питания с приемлемыми переходными характеристиками, рекомендуется полоса пропускания не более 10% от частоты переключения и PM 60°. Частота переключения блока питания на рисунке 1 составляла 400 кГц. Это ограничивает допустимую полосу пропускания до 40 кГц. На рисунке 4 высокая полоса пропускания 65 кГц приводит к небольшой PM (только 16°).
На рисунке 4 показано, что кривая амплитуды (синяя) достигает 0 дБ, когда фазовая кривая (красная) уже спускается. Для надлежащей PM и хорошей стабильности точка 0 дБ на кривой амплитуды должна появиться до того, как фазовая кривая начнет снижаться.
Представленные ниже методы позволят читателям быстро исправить нестабильные импульсные источники питания, а также предложат методы, позволяющие увидеть, может ли уменьшение полосы пропускания улучшить стабильность. Если стабильность улучшается по мере того, как BW значительно уменьшается, это подтверждение того, что источником нестабильности была ненастроенная компенсационная сеть.
Регулирующие органы с внешними компенсационными сетями
Нестабильный блок питания с внешними компенсационными сетями, цепь которой размещается на выводе COMP. В этом сценарии быстрый способ увидеть, вызваны ли колебания на выходе ненастроенной компенсационной схемой, — для этого нужно установить большой конденсатор на вывод COMP.
Эта емкость на выводе COMP вводит низкочастотный полюс в контур управления, что значительно ограничивает полосу пропускания. Чем больше значение этого конденсатора, тем ниже полоса пропускания. На рисунке 5 показан эффект добавления большой емкости на вывод COMP. Типичный диапазон для конденсатора на выводе COMP составляет от 100 нФ до 1 мкФ.
Регуляторы с внутренней компенсационной сетью
Для регуляторов с внутренней компенсационной сетью вывод COMP недоступен. Следовательно, необходимо использовать внешние регуляторы, чтобы уменьшить полосу пропускания и улучшить стабильность. Наиболее эффективный метод ограничения полосы пропускания импульсного регулятора с внутренней компенсационной схемой — это использование резистора, последовательно соединенного с выводом обратной связи (называемого резистором серии FB).
На рисунке 6 показано влияние добавления резистора серии FB. Этот резистор сдвигает кривую амплитуды вниз с незначительным влиянием на фазовую кривую. Следовательно, он эффективно ограничивает полосу пропускания и увеличивает стабильность, которой не имеет нестабильный блока питания. Чем больше резистор серии FB, тем больше уменьшение полосы пропускания. Типичные резисторы серии FB должны находиться в диапазоне от 5 кОм до 100 кОм.
Проверка предлагаемых методов поиска и устранения нестабильного блока питания
В этой статье, в этом примере будут использоваться две части. MPM3530 — это понижающий силовой модуль на 55v/3 А с внешней компенсационной сетью от Monolithic Power Systems (MPS). На рисунке 7 (а) показана типовая схема применения MPM3530. На рисунке 7 (b) показан MPQ4420, синхронный понижающий стабилизатор на 36v/2А от MPS с внутренней компенсационной сетью.
Чтобы продемонстрировать эффективность добавления большого конденсатора на вывод COMP, рассмотрим MPM3530. В этом примере компоненты компенсационной сети выбраны так, что регулятор становится нестабильным. Для этого увеличьте сопротивление R3 на рис. 7 (а) с 2,53 кОм до 16 кОм. На рисунке 8 показан переходной отклик MPM3530 и его график Боде. Большое количество колебаний на выходе означает низкую стабильность. Небольшая величина PM всего 2° на графике Боде подтверждает низкую стабильность.
На рисунке 9 показано, что происходит с переходной характеристикой после добавления конденсатора емкостью 1 мкФ к выводу COMP. Сильные колебания на выходе гаснут, что означает улучшение стабильности. График Боде показывает, что BW, как и ожидалось, значительно снизилась. Уменьшение BW приводит к значительному увеличению PM, что, в свою очередь, улучшает стабильность.
Однако улучшение стабильности достигается за счет более медленного отклика; время установления выходного напряжения значительно увеличилось с 300 мкс до 2 мс. Также обратите внимание, что из-за более медленной реакции на изменение нагрузки максимальное падение напряжения увеличивается до 700 мВ по сравнению с 15 мВ на Рисунке 8.
Как показано на Рисунке 7 (b), вывод COMP недоступен в регуляторах с внутренней компенсационной сетью, таких как MPQ4420. На рисунке 10 показана переходная характеристика MPQ4420 без резистора серии FB (например, R3 установлен на 0 Ом на рисунке 7 (a)). Сильные колебания выходного напряжения при переходе нагрузки демонстрируют низкую стабильность. Глядя на график Боде, полоса пропускания составляет 72 кГц, в то время как PM только 11°. Так как частота переключения MPQ4420 по умолчанию составляет 410 кГц, полоса пропускания должна быть ограничена ниже 41 кГц.
На рисунке 11 показано, как изменение сопротивления R3 с 0 Ом до 51 кОм значительно снижает колебания во время переходной характеристики. Как и ожидалось, введение резистора серии FB сместило кривую амплитуды вниз, что означает более низкую полосу пропускания и более высокую PM. В этом сценарии новая полоса пропускания составляет 21 кГц, а PM улучшилась с 11° до 43,5°.
Дальнейшее улучшение переходной характеристики блока питания
Несмотря на более высокую стабильность и меньшее количество колебаний на выходе, показанном на рисунке 12, PM все еще ниже целевого значения 60°. Дальнейшее сокращение полосы пропускания не приведет к дополнительному увеличению PM и еще больше замедлит время отклика. Как было сказано ранее, более низкая полоса пропускания также увеличивает величину провала напряжения.
Дополнительный регулятор можно использовать для улучшения PM, не замедляя работу регулятора, жертвуя BW. Это решение представляет собой конденсатор прямой связи (CFF).
Поскольку это внутренняя компенсационная сеть Типа II, она не обеспечивает повышения фазы. Если требуется повышение фазы, добавьте CFF в сеть обратной связи (см. Рисунок 12). CFF добавляет еще один ноль к компенсационной сети, что может повысить PM без уменьшения BW. Фактически, если конденсатор выбран правильно, PM может быть улучшен, а BW также может быть увеличена для достижения более быстрой переходной характеристики.
На рисунке 13 показаны переходная характеристика и график Боде для MPQ4420 с резистором серии FB 19 кОм и CFF 220 пФ. Как показано здесь, полоса пропускания увеличилась до 40 кГц, что составляет ровно 10% от частоты переключения, а PM достигла 78°, что соответствует целевому PM 60°.
На Рисунке 13 показано, что есть только одно провисание выходного напряжения, что подтверждает хорошую стабильность устройства. Время отклика также сократилось примерно до 60 мкс, а пониженное напряжение уменьшилось до 8 мВ.
Заключение
В этой статье мы предоставили несколько простых советов, чтобы диагностировать и решать проблемы нестабильности в импульсных источников питания. Были предложены отдельные методы стабилизации регуляторов с внешней компенсационной сетью по сравнению с регуляторами с внешней компенсационной сетью. Эффективность предложенных методов была проверена путем их применения к MPM3530 и MPQ4420 от MPS, и в этой статье было продемонстрировано, как конденсатор прямой связи может еще больше улучшить переходную характеристику импульсного стабилизатора.
Блоки питания
1. Нестабилизированные блоки питания – выходное напряжение зависит от тока нагрузки.
.jpg "1(1)")
