Исследование основных свойств и характеристик высокоэффективных импульсных блоков питания

 

ШИМ регулирование силового каскада импульсного преобразователя  является наиболее оптимальным способом управления уровнем выходного вторичного напряжения источника питания. Схема  широтно-импульсного модулятора построена на широко распространенной микросхеме типа TL494 (позиционное обозначение по схеме импульсного блока питания- IC1). Рассмотрим схему включения ШИМ преобразователя для случая применения согласно схеме импульсного блока питания. При ссылках в описании на внутренние узлы микросхемы будут использованы наименование и нумерация элементов микросхемы, соответствующее Функциональной схеме интегрального ШИМ преобразователя типа TL494.

 

 

Рис.3. Принципиальная схема импульсного блока питания

 

 

Рис.4. Функциональная схема интегрального ШИМ преобразователя  типа TL494

 

После подачи питания  на вывод 1С 1/12 включаются внутренние каскады  микросхемы ШИМ преобразователя. Узлом, задающем частоту следования импульсов  в выходных последовательностях, является генератор пилообразного напряжения, рабочая частота которого определяется внешними элементами, соединенными с выводам IC1/5 и IC1/6. Подключение элементов производится между об шум проводом вторичной цепи и указанными выводами. KIC1/5 подсоединяется керамический конденсатор, а к

IС1/6 - резистор. Частота генерации определяется значениями этих элементов и вычисляется по соотношению. Для ее вычисления в том случае, когда используемая схема импульсного блока питания, в формулу должны быть подставлены значения сопротивления резистора R21 и емкости конденсатора С9. Частота при указанных номиналах элементов, составляет ~34 кГц. Пилообразное напряжение амплитудой 3В наблюдается на выводе IС 1/5.

Выход источника опорного напряжения +5В IC1 /14 микросхемы TL494 подсоединен к IC1 /13 - разрешающему входу для ее внутренних логических элементов DD3 и DD4. Выход опорного напряжения IC1 /14 подключен также к резистивному делителю, образованному резисторами R9 и R10. Средняя точка этого делителя соединена с входом IС 1/2 - инвертирующем входом внутреннего усилителя сигнала рассогласования DAS. Второй вход внутреннего усилителя сигнала рассогласования DAS, на который внешние сигналы подаются через вывод IС1/1, присоединен к средней точке резистивного делителя на R7, R8. Верхний по схеме вывод резистора R7 подключен к выходу вторичного канала напряжения +5 В. Номиналы сопротивлений четырех резисторов R7 - R10 одинаковы и равны 5,1 кОм. При номинальном уровне напряжения в канале +5В и стабильном уровне опорного напряжения микросхемы IC1, входные напряжения на входах DA3 имеют идентичные уровни и сигнал рассогласования (напряжение на выходе DA3) равен нулю. Отклонение уровня вторичного напряжения +5В относительно номинального уровня будет вызывать адекватное пропорциональное изменение уровня на выходе О A3, которое передается на неинвертирующий вход внутреннего компаратора DA2. На повышение уровня выходного напряжения система авторегулирования будет отвечать уменьшением длительности управляющих импульсов (диаграммы 7 и 8). На выходе же DA2 в данном случае вид положительных импульсов будет соответствовать диаграмме 4 (см. ниже), то есть их длительность будет увеличиваться. Из этой же диаграммы видно, что понижение уровня выходного напряжения вызывает уменьшение длительностей положительных импульсов, а временной интервал длительности выходных положительных импульсов возрастает.

 

Рис.5. Диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу микросхемы TL494

 

В схемотехнике узла входных  цепей на входе усилителя рассогласования известно множество подходов к выполнению конструкций делителей, через которые подключаются опорное и выходное напряжения вторичного канала +5В. Приведем два наиболее общих примера. Позиционные обозначения элементов для каждой схемы примеров индивидуальные.

Первый вариант представлен  ниже. Канал обратной связи используется для слежения за уровнями напряжений по вторичным каналам напряжений +5 и +12В. Плечо резистивного делителя напряжения, подключенное между выводом 1 микросхемы TL494 и общим проводом, состоит из набора резисторов R3 - R6 различных номиналов.

 

 

Рис.6. Схема подключения  напряжения обратной связи (вариант 1)

 

Параллельно включенными  резисторами различных номиналов  подбирается точный заданный уровень  смещения на неинвертирующем входе  внутреннего усилителя DA3 микросхемы TL494. Схемы включения составных резистивных делителей встречаются довольно часто. Точный подбор номинала сопротивлений производится группой резисторов не только в делителе обратной связи, но и в делителе, соединенном с выходом опорного напряжения микросхемы TL494. Плечи резистивных делителей, составленные из набора сопротивлений, могут подключаться как к общему проводу вторичного напряжения, так и между выходом опорного напряжения TL494/12 и одним из входов внутреннего усилителя DA3.

Главное в первом варианте построения делителей то, что установка  начального смещения по входам DA3 выполняется постоянными резисторами и поэтому такая схема регулировки выходного напряжения не допускает.

В этой модификации постоянный уровень напряжения задается на инвертирующем входе внутреннего усилителя DA3 микросхемы TL494. Подстройка начального уровня смещения на входе TL494/1 выполняется с помощью подстроечного резистора R3. В данном случае существует возможность подстройки выходного уровня с некоторым произвольным допуском. В принципе подстроечные резисторы так же, как и составные в предыдущем примере, могут устанавливаться в произвольном месте резистивных делителей напряжения. Заводские установки положений подстроечных резисторов изменять без крайней необходимости не рекомендуется.

Типовая схема включения  для ШИМ преобразователя типа TL494 обязательно содержит корректирующую RC цепочку, подключенную между выводом 1С 1/3 и 1С 1/2 (в соответствии с нумерацией, принятой на Принципиальной схеме импульсного блока питания). Вывод IC1/2 -вход опорного напряжения усилителя рассогласования, a IC1/3 - выход внутренних усилителей ошибки DAS и DA4.

 

 

Рис.7. Схема подключения  напряжения обратной связи (вариант  2)

 

Частотная коррекция  способствует сохранению устойчивости в работе аналоговой части ШИМ преобразователя при резких перепадах уровней выходного напряжения +5В. Резкое изменение выходного уровня может быть обусловлено синхронностью множественных переключений цифровых элементов персонального компьютера. В такие моменты может возникнуть скачок или спад напряжения, которые система авторегулирования должна будет компенсировать. Для того чтобы в моменты перепадов не возникали колебания периодического характера, установлены данные элементы коррекции. Результатом работы микросхемы IC1 является формирование последовательностей импульсов управления силовым каскадом блока питания. Эмиттеры выходных транзисторов микросхемы TL494 подключены к общему проводу. Импульсные сигналы снимаются с их коллекторов через выводы IC1/8 и IC1/11 микросхемы TL494. Коллекторной нагрузкой выходных транзисторов IC1 являются резисторы R22 и R24 с одинаковыми сопротивлениями, равными 3,9 кОм, а также базовые цепи транзисторов Q3 и 04, входящих в состав согласующего каскада. В каскаде промежуточного усилителя применяются типовые транзисторы 2SC945. Первичные обмотки W1 и W2 трансформатора Т2, соединенные последовательно, являются нагрузками для транзисторов промежуточного усилителя. Начала обмоток трансформатора Т2 на принципиальной схеме импульсного блока питания, отмечены точками. Электропитание цепей промежуточного усилителя осуществляется от того же источника, что и микросхемы IC1. Резисторы R22 и R24 подключены к накопительному конденсатору фильтра питания С17. Напряжение питания в коллекторные цепи транзисторов Q3 и Q4 подается через последовательно соединенные резистор R23, диод D11 и обмотки WI.W2 трансформатора Т2. Диод D11 катодом подключен к точке соединения первичных обмоток трансформатора Т2. Вид импульсных сигналов на коллекторах транзисторов Q3 и Q4 аналогичен представленному ниже. Импульсные последовательности одинаковы, но импульсы положительной полярности каждой из них сдвинуты по времени относительно друг друга. Эмиттеры транзисторов Q3 и Q4 объединены и подключены к последовательно соединенным диодам D24 и D25. Параллельно диодам установлен электролитический конденсатор С12. Напряжение на эмиттерах транзисторов G3 и 04 поддерживается на уровне +1,6 В. Наличие постоянного смешения эмиттеров создает условия для наиболее эффективного переключения транзисторов под воздействием импульсов, подаваемых с выходов микросхемы IС1/8 и IC1/11. На базы транзисторов Q3 и Q4 импульсные сигналы подаются с коллекторов транзисторов, входящих в состав микросхемы IC1. Напряжение насыщения у них составляет 0,3-0,4 В. Импульс напряжения низкого уровня, появляющейся на базе любого из транзисторов Q3 и Q4, устанавливает на переходе эмиттер-база обратное смещение ~1,2В, что способствует быстрому рассасыванию избыточных зарядов в базе транзистора промежуточного усилителя и его ускоренному переключению.

 

 

Рис.8. Диаграмма напряжения на коллекторах транзисторов Q7. Q8

 

Импульсы управления на коллекторах Q3 и Q4 имеют положительную полярность. Первичная обмотка W2 трансформатора Т2 синфазна вторичным обмоткам W4 и W3. Обмотки трансформатора Т2 включены таким образом, что импульсное напряжение на обмотках W1 и W5 противофазно напряжению на W2. Следовательно, при появлении на коллекторе транзистора Q3 импульса положительной полярности, открывающий импульс наблюдается и в базовой цепи транзистора Q6. Спадом импульса заканчивается временной интервал активной работы Q6, и в этот момент транзистор Q6 переходит в закрытое состояние.

Выходные транзисторы  микросхемы IC1 не имеют определенных обязательных подключений эмиттерных и коллекторных электродов. Это обстоятельство позволяет изготовителям блоков питания применять разнообразные конфигурации при построении промежуточных усилителей. Для дополнительного усиления импульсных сигналов могут использоваться внешние по отношению к IC1 транзисторы, аналогичные приведенным на схемах бестрансформаторного источника питания и импульсного блока питания. Но это также не является обязательным; существуют схемы, в которых управляющие сигналы подаются от ШИМ преобразователя на согласующей трансформатор без дополнительного усиления. Применение согласующего трансформатора для передачи импульсных сигналов от схемы управления на силовые элементы преобразователя является универсальным решением. Такой подход позволяет обеспечить гальваническую развязку узла управления, подключенного к вторичной цепи питания, и осуществить преобразование сигнала управления по току. Параметры первичных обмоток согласующего трансформатора Т2 определяются напряжением питания каскада промежуточного усилителя, а также схемой подключения этих обмоток к активным элементам каскада. Требования к характеристикам вторичных обмоток трансформатора практически не изменяются у различных модификаций импульсных источников питания с внешним возбуждением силового полумостового каскада.

 

 

Рис.9. Принципиальная схема бестрансформаторного источника  питания

 

Рассмотрим три варианта схем промежуточных усилителей, встречающихся  в источниках питания для компьютеров  типа АТ/ХТ.

Особенностью данной схемы является подключение дополнительных транзисторов Q1 и Q2 каскада промежуточного усилителя к единственной первичной обмотке согласующего трансформатора Т. Начала обмоток трансформатора Т в данном примере показаны условно точками. Непременное условие, которое должно соблюдаться в соответствующей схеме, это подключение вторичных обмоток согласующего трансформатора к транзисторам Q1 и Q2.

Коллекторы выходных транзисторов VT1 и VT2 микросхемы TL494 подключены к шине источника питания, а к их эмиттерным электродам присоединены резисторы R1 и R3 соответственно. В данной конфигурациивыходные транзисторы микросхемы TL494 работают в режиме эмиттерных повторителей. При таком включении фазы импульсных сигналов на эмиттерах и базах VT1, VT2 совпадают. Форма сигналов на эмиттерах выходных транзисторов соответствует, показанным на диаграммах 7 и 8 (см. Диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу микросхемы TL494). Резисторы R1 и R2 последовательно подключены к эмиттеру VT1 и образуют делитель, к средней точке которого подключена базовая цепь внешнего усилительного транзистора Q2. Аналогичная цепь образована резисторами R3, R4 и подключена к VT2. Средняя точка второго делителя соединяется с базовой цепью транзистора Q1. Структура и элементы усилительных каскадов абсолютно идентичны.

Эмиттеры выходных транзисторов TL494 соединены через резисторы с общим проводом. Наличие резисторов в эмиттерных цепях VT1 и VT2 является фактором увеличения скорости срабатывания активных элементов, входящих в состав импульсного усилителя. Соотношение сопротивлений резисторов в делителях выбирается таким образом, чтобы уровень напряжения на базах Q1 и Q2 оказался достаточным для перевода транзисторов промежуточного усилителя в состояние насыщения.

 

 

 

Рис.10. Фрагмент схемы  промежуточного усилителя ( вариант 1)

 

Транзисторы Q1 и Q2 открываются, когда в эмиттерных цепях VT1 и VT2 действует импульс высокого уровня.

Уровни сигналов на выводах 7 и 8 микросхемы практически совпадают  со значениями напряжений на выходах  логических элементов DD5 и DD6 (см. Функциональную схему интегрального ШИМ преобразователя типа TL494). Импульсы управления подаются на базы транзисторов Q1 и Q2 через токозадающие резисторы R5, R6 и форсирующие конденсаторы С1 и С2, подключенные параллельно резисторам. Конденсаторы С1 и С2 способствуют ускоренному рассасыванию избыточных зарядов в базах транзисторов ОД и Q2 при изменении полярности входного напряжения. Ниже представлены временные диаграммы импульсных сигналов на обоих выводах конденсатора С1. Верхняя диаграмма отражает вид импульсов на делителе из резисторов R3 и R4. На средней диаграмме показана форма сигнала непосредственно на базе транзистора Q2. Отрицательные выбросы на второй диаграмме. появляющееся по спаду положительного импульса, обусловлены действием конденсатора в базовой цепи. Форма импульсных сигналов на конденсаторе С2 полностью аналогична. На нижней диаграмме приведена форма импульсов на коллекторах Q1 и Q2.

 

 

Рис.11. Диаграммы напряжений на конденсаторе С1 и коллекторе Q1