Что такое импульсный регулятор напряжения?

Импульсные стабилизаторы являются важной схемой для эффективной генерации стабильного напряжения питания и преобразования напряжения вверх или вниз.

Генерация стабильного напряжения, способного пропускать значительные силы тока, является одной из фундаментальных задач электронного проектирования. Базовая модель низковольтной электронной схемы выглядит примерно так:

1. Напряжение с достаточной способностью управлять током предоставляется в качестве одного из основных входов системы.
2. Это входное напряжение, которое может быть слишком высоким или слишком переменным для прямого использования в схеме, преобразуется в одно или несколько регулируемых напряжений питания, величины которых соответствуют характеристикам питаемых компонентов.
3. Эти компоненты (микроконтроллеры, операционные усилители и т. д.) используют регулируемое напряжение питания для выполнения необходимых функций схемы.

Существуют различные способы добиться этого. Когда я впервые начал проектировать схемы, я по возможности использовал линейные стабилизаторы напряжения, такие как почтенный 7805. Однако в настоящее время невозможно отрицать, что импульсные регуляторы часто являются лучшим методом, и, по моему опыту, они обычно превосходный метод.

В этой статье мы обсудим номенклатуру, а затем рассмотрим основные принципы коммутационного регулирования.

Терминология импульсного регулятора

«Импульсный (напряженный) регулятор» — пожалуй, самый распространенный и узнаваемый термин для обозначения этого класса схем. Однако вы также увидите различные комбинации следующих терминов:

• Импульсный источник питания (SMPS)
• Переключатель или переключатель
• Преобразователь или регулятор
• DC / DC

На самом деле я предпочитаю «импульсный регулятор» или «импульсный источник питания», потому что «импульсный режим» более удачно передает природу этих схем: переключение — это Режим с помощью которых они выполняют свою задачу по регулированию или преобразованию напряжения.

Все эти термины страдают от двусмысленности, которая редко вызывает проблемы, но, тем не менее, их стоит отметить: «импульсный регулятор» или «импульсный источник питания» теоретически могут относиться к схеме, которая генерирует шину питания с использованием переключателей в сочетании с индуктор или конденсатор.

Индуктивные и конденсаторные импульсные источники питания

Однако на практике упомянутые выше термины зарезервированы для переключателей на основе индукторов. На рисунке 1 приведен пример импульсного регулятора режима на основе дросселя. Подавляющее большинство импульсных источников питания являются индукторными. Именно им будет уделено основное внимание в этой статье.

Рисунок 1. Базовая топология индукторного импульсного источника питания. Изображение (измененное) предоставлено Wikimedia Commons.

Коммутаторы на основе конденсаторов, такие как пример схемы на рисунке 2, обычно называются источниками питания с «зарядовой накачкой» или источниками питания с «переключаемым конденсатором». На рисунках 1 и 2 показаны примеры схем, которые создают выходное напряжение, превышающее входное.

Рисунок 2. Базовая топология импульсного источника питания на основе конденсаторов. 

Линейное регулирование напряжения

Давайте теперь подумаем о линейном стабилизаторе, как показано на рисунке 3. Линейные стабилизаторы могут только снижать напряжение, поэтому мы знаем, что входное напряжение выше выходного.

Рисунок 3. Блок-схема линейного регулирования напряжения. Авторский образ

Линейному регулятору для работы требуется небольшой ток; это называется током земли. Ток заземления часто пренебрежимо мал, поэтому давайте проигнорируем его и предположим, что ток, текущий в регулятор, равен току, вытекающему из стабилизатора в цепь питаемой нагрузки.

Теперь давайте подумаем о власти. Мы рассчитываем электрическую мощность как напряжение, умноженное на ток, и поскольку выходной сигнал имеет равный ток но более низкое напряжение относительно входа мощность должна где-то теряться. Также можно представить, что линейный регулятор представляет собой простой резистивный элемент с падением напряжения:

$$V_{DROP} = V_{IN} – V_{OUT}$$

При этом рассеиваемая мощность линейного регулятора P_REG это:

$$P_{REG} = V_{DROP} cdot I_{LOAD}$$

Фактически одним из компонентов линейного регулятора является переключатель — не электромеханический переключатель, а транзистор, способный функционировать как чисто электрический переключатель. Однако мы не называем линейный регулятор импульсным регулятором, потому что переключатель не включается и не выключается; вместо этого переключатель работает в промежуточном состоянии, в котором он имеет значительное сопротивление, и это сопротивление рассеивает мощность и позволяет снизить напряжение.

Линейное регулирование просто и высокоэффективно, но оно неэффективно. Переключатель работает в промежуточном резистивном состоянии и рассеивает потенциально большое количество энергии в виде тепла. Если только вы не хотите, чтобы ваш регулятор работал как регулятор и электрический обогреватель, эта мощность тратится впустую.

Импульсное регулирование напряжения

Это приводит нас к концепции импульсного регулятора. Если мы сможем держать переключатель полностью включенным или полностью выключенным — другими словами, если мы сможем избежать этой промежуточной области с высоким рассеиванием мощности — мы сможем создать гораздо более эффективный регулятор. Но наше обсуждение линейного регулятора предполагает, что потерянная мощность необходима для снижения напряжения. Что делать?

Здесь на помощь приходит индуктор. Индуктор накапливает и выделяет энергию таким образом, что ток через индуктор не может измениться мгновенно. Включение/выключение приводит к тому, что ток индуктора постепенно увеличивается и уменьшается. Когда катушка индуктивности объединяется с конденсатором, полученный LC-фильтр может сглаживать форму сигнала включения/выключения до относительно стабильного напряжения. Величина сглаженного напряжения определяется рабочим циклом сигнала включения/выключения.

Например, давайте посмотрим на рисунок 4. После фильтрации разные рабочие циклы (в этом примере 10%, 50% и 90%) соответствуют разным уровням напряжения постоянного тока (обозначены красными кривыми). Эти уровни напряжения постоянного тока не являются идеально ровными, поскольку после фильтрации остается некоторая пульсация.

Рисунок 4. Уровни напряжения постоянного тока в зависимости от рабочего цикла ШИМ. Авторский образ

Таким образом, мы можем включать и выключать переключатель на высокой частоте, а затем использовать широтно-импульсную модуляцию и фильтрацию для создания желаемого выходного напряжения постоянного тока. Мы также можем отслеживать сигнал обратной связи и регулировать рабочий цикл ШИМ в соответствии с условиями нагрузки. Это основной режим работы в схемах импульсных регуляторов: индуктивная фильтрация для обеспечения постоянного тока нагрузки, несмотря на коммутационное действие; обратная связь и ШИМ для регулирования напряжения.

Несмотря на то, что переключатель работает на высокой частоте, он по-прежнему проводит большую часть времени в состояниях с низким рассеиванием мощности (т. е. в полностью включенном и полностью выключенном состояниях). Вот почему импульсные регуляторы могут быть намного более эффективными, чем линейные регуляторы.

Конечно, есть много деталей и вариаций, о которых я не упомянул, но если вы все это понимаете, у вас есть прочный фундамент для дальнейшего изучения.

Пример схемы импульсного стабилизатора напряжения: понижающий преобразователь

На рисунке 5 показана базовая топология понижающего преобразователя, также известного как понижающий преобразователь. Он использует режим переключения для уменьшения величины входного напряжения постоянного тока. (Обратите внимание, что, строго говоря, это не стабилизатор напряжения, поскольку он не включает в себя подсистему обратной связи, необходимую для поддержания стабильного напряжения, несмотря на переменные условия нагрузки.)

Рисунок 5. Пример схемы импульсного стабилизатора напряжения: понижающий преобразователь.