- Архитектура и принцип работы обратноходовых источников питания
- Analog Devices LT8304 LT8316
- Основы обратноходовых преобразователей
- Режимы работы
- Усовершенствование обратноходового преобразователя
- Заключение
- Материалы по теме
- Импульсные трансформаторы для обратноходовых преобразователей напряжения
- Кто сейчас на форуме
Архитектура и принцип работы обратноходовых источников питания
Analog Devices LT8304 LT8316
Обратноходовая топология – это универсальная, широко используемая конструкция импульсного источника питания с рядом интересных характеристик, во многих приложениях обеспечивающих высокий уровень параметров и экономию материалов
Обратноходовой преобразователь – это конструкция импульсного источника питания, которая используется более 70 лет и продолжает развиваться в наши дни. Такие источники питания, называемые также преобразователями энергии, имеют две различные рабочие фазы, в которых мощность со стороны входа передается на выход только тогда, когда коммутатор первичной стороны выключен, и его ток равен нулю или близок к нему. Перечень компонентов ядра обратноходовой конструкции довольно короток и недорог: входной конденсатор, MOSFET ключа первичной стороны, выпрямительный диод на выходе (на вторичной стороне) и выходной конденсатор. Кроме того, есть сам обратноходовой трансформатор; (конечно, как и в любом проекте, окончательная схема будет более сложной).
Конструкция обратноходового преобразователя была разработана в 1930-х и 1940-х годах и существенно усовершенствована в 1950-х годах с появлением коммерческого телевидения. В некотором смысле, она предшествовала нашей современной концепции нелинейных источников питания.
Первоначальным назначением обратноходового преобразователя было создание высокого напряжения, необходимого для питания кинескопа и других электровакуумных приборов, выполнявших функции «активной» электроники до появления транзисторов и микросхем. В результате усовершенствований, стимулируемых огромным объемом рынка телевизоров, преобразователь был оптимизирован для низкой стоимости, высокой надежности, безопасности и технологичности. Обратноходовая конструкция и ее характеристики хорошо подходят для источников питания низкой и средней мощности в диапазоне от 100 до 250 Вт.
Основы обратноходовых преобразователей
В отличие от других конструкций, где трансформатор используется только для понижения или повышения напряжения, в обратноходовом преобразователе трансформатор дополнительно служит дросселем – магнитным устройством хранения энергии. Помимо основных обмоток (первичной и вторичной), этот трансформатор имеет дополнительные обмотки, критически важные для работы с обратной связью. Отношение числа витков обмоток трансформатора выполняет две роли: устанавливает уровень выходного напряжения относительно входного и обеспечивает гальваническую изоляцию. При использовании дополнительных обмоток обратноходовая конструкция может одновременно поддерживать несколько выходов.
В основном цикле обратного хода замыкание ключа первичной стороны увеличивает ток и магнитный поток в первичной обмотке трансформатора/ дросселя, поскольку к первичной стороне подключен источник питания (Рисунок 1). Напряжение в обмотке вторичной стороны отрицательно из-за встречной ориентации первичной и вторичной обмоток. Следовательно, диод смещен в обратном направлении и блокирует протекание тока, а конденсатор вторичной стороны отдает ток в нагрузку во время рабочей фазы.
 | ||
| Рисунок 1. | В первом цикле обратноходового преобразования ключ первичнойстороны замкнут, что увеличивает ток первичной стороны и магнитный поток трансформатора/дросселя. (Источник: Википедия). | |
В следующей фазе цикла ключ разомкнут (Рисунок 2), поэтому ток первичной стороны спадает до нуля и магнитный поток прерывается. Теперь напряжение вторичной стороны становится положительным, диод открывается, и ток из вторичной обмотки трансформатора идет в конденсатор, пополняя его заряд.
 | ||
| Рисунок 2. | Во втором цикле обратноходового преобразования ключ первичной стороны разомкнут, и ток идет из вторичной обмотки трансформатора в конденсатор. (Источник: Википедия). | |
В обратноходовой схеме выходной конденсатор аналогичен ведру, которое либо наполняется (перезаряжается), либо опорожняется (питает нагрузку), но никогда не наполняется и опорожняется одновременно. Образующиеся в результате пульсации выходного напряжения должны фильтроваться конденсатором, заряд которого никогда не должен падать до нуля. Название «обратноходовой» происходит из-за резких прерываний циклов коммутации MOSFET, которые выглядят как внезапное изменение направления тока (Рисунок 3).
 | ||
| Рисунок 3. | Формы токов в основных узлах первичной и вторичной сторон обратноходовой схемы показывают резкие смены направления и скачки. (Источник: Википедия). | |
Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет изменения коэффициента заполнения импульсов, управляющих ключом первичной стороны. В некоторых конструкциях дополнительно регулируется частота переключения (более быстрое переключение позволяет точнее отслеживать разницу между желаемым и фактическим выходным напряжением). Эта обратная связь с требуемой изоляцией между входом и выходом реализуется либо, как показано на Рисунке 4а, с помощью специальной обмотки трансформатора (традиционный и исторически первый подход), либо с помощью оптоизолятора (Рисунок 4б).
 | ||
| Рисунок 4. | В традиционной обратноходовой конструкции используется трансформатор/катушка индуктивности с как минимум двумя первичными обмотками и одной вторичной обмоткой (а). В некоторых обратноходовых конструкциях для изоляции цепи обратной связи используют оптопару, функционально эквивалентную второй обмотке первичной стороны (б). | |
Режимы работы
Обратноходовые (и многие другие типы преобразователей) могут быть спроектированы для работы в одном из двух режимов. В режиме прерывистой проводимости (discontinuous conduction mode – DCM) трансформатор может полностью размагничиваться в каждом цикле коммутации. Обычно такая схема работает на фиксированной частоте переключения с модуляцией пикового тока в соответствии с требованиями нагрузки. В режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode – CCM) ток всегда течет в трансформаторе в каждом цикле коммутации. Поэтому в трансформаторе всегда присутствует некоторая остаточная энергия, поскольку каждый цикл переключения начинается раньше, чем ток успевает полностью прекратиться.
При DCM отсутствуют потери обратного восстановления в выходном выпрямителе, так как в каждом цикле коммутации его ток спадает до нуля. Требуемое значение индуктивности первичной стороны невелико и позволяет уменьшить размеры трансформатора. Теоретически, конструкции DCM присуща более высокая устойчивость, поскольку в правой полуплоскости ее передаточной функции нет нуля. Однако в режиме прерывистой проводимости выходной ток имеет очень большие пульсации, что, соответственно, требует больших фильтров.
В отличие от DCM, CCM имеет небольшие пульсации и среднеквадратичные токи. Эти более низкие токи уменьшают потери проводимости и переключения, а меньшие пиковые токи позволяют использовать компоненты фильтров меньших размеров. Однако недостатком CCM является наличие нуля в правой полуплоскости передаточной функции, что ограничит полосу пропускания контура регулирования и ухудшит его динамический отклик. CCM также требует большей индуктивности дросселя и, следовательно, магнитного компонента большего размера.
Усовершенствование обратноходового преобразователя
Как и в случае любой конструкции источника питания, некоторые изменения и улучшения могут превратить хороший источник в очень хороший. В DCM существует мертвое время или «резонансный звон», когда ни диод, ни MOSFET не проводят ток. Этот звон возникает вследствие взаимодействия между первичной индуктивностью трансформатора и паразитной емкостью коммутационного узла. В квазирезонансной схеме пиковый ток и частота переключения регулируются таким образом, чтобы MOSFET включался в первом «провале» этих резонансных колебаний и минимизировал потери.
Современные микросхемы контроллеров сводят к минимуму многие неизбежные проблемы разработки законченных обратноходовых источников питания, улучшая при этом их характеристики. Например, выпускаемый Analog Devices контроллер обратноходового преобразователя LT8316 при входном напряжении от 20 до 600 В может непосредственно отдавать в нагрузку мощность до 100 Вт (Рисунок 5), поддерживая широкий диапазон выходных напряжений.
 | ||
| Рисунок 5. | Законченный изолированный обратноходовой преобразователь напряжения 20…600 В с выходной мощностью до 100 Вт. | |
Рекомендации, данные в техническом описании, упрощают выбор обратноходового трансформатора, предоставляя таблицу распространенных пар входных/выходных напряжений и токов с соответствующими именами поставщиков и доступными моделями стандартных трансформаторов. В результате разработать хорошую обратноходовую схему стало намного проще.
Заключение
При выборе топологии источника питания или преобразователя существует множество разумных вариантов, каждый из которых обладает уникальным набором функций, а также положительными и отрицательными характеристиками. Они должны быть сопоставлены с приоритетами системы, их техническими характеристиками и финансовыми затратами. Обратноходовая топология является реальным конкурентом в приложениях мощностью до нескольких сотен ватт при напряжениях от единиц вольт до киловольт, и она особенно привлекательна, когда требуется несколько выходных постоянных напряжений и изоляция входа/выхода.
Материалы по теме
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Источник
Импульсные трансформаторы для обратноходовых преобразователей напряжения
Помогите понять принцип работы импульсных блоков питания.
Вопросы:
1. Чем больше мощность ИИП, тем больше размеры магнитопровода, это очевидно, но можно ли построить слабый ИИП на здоровом магнитопроводе? Смысла в этом нет, но все-таки, есть ограничение сверху: нужно передавать бОльшую мощность, бери магнитопровод побольше, нужно мало мощности, обязательно брать магнитопровод поменьше?
2. Какой общий принцип выбора количества витков? Нашел ответ
Закон Фарадея: 
говорит что напряжение на обмотке пропорционально количеству витков.
3. 
Схема китайского зарядного от мобилы. Что делает дополнительная «первичная» обмотка? У меня есть подозрение, что вот для чего: когда магнитопровод трансформатора намагничивается до отказа, падение напряжения на нем снижается на много вольт, в результате чего ток через транзистор VT1 значительно увеличивается и может его спалить. Я думаю, что эта обмотка предназначена для того, чтобы отследить момент насыщения и закрыть транзистор.
4. Какова скважность импульсов, подаваемых на первичную обмотку? Или это непостоянная величина?
5. Когда какой трансформатор лучше применять: прямоходовый, обратноходовый, и, вроде есть еще двунаправленный(?) ?
Буду очень благодарен, если проясните эти детали. Я не смог найти в интернете нормальной статьи по ИИП для в меру образованных людей: или суперзаумные рецепты, в которых трехэтажные формулы и графики, которых, похоже, даже автор не понимает, или «для дурачков»: намотайте 10 витков, потом еще 30 и еще 12, должно работать.
| Друг Кота |
 |
Карма: 121
Рейтинг сообщений: 2207
Зарегистрирован: Чт янв 10, 2008 22:01:02
Сообщений: 17450
Откуда: Московская область
Рейтинг сообщения: 0
| JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет — любой! Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc |
| Встал на лапы |
Карма: 3
Рейтинг сообщений: 8
Зарегистрирован: Вт июн 03, 2008 01:39:47
Сообщений: 131
Рейтинг сообщения: 0
| Это справедливо для всех типов преобразователей или только для обратноходовых? Чем отличаются прямоходовые от обратноходовых? В смысле, какие преимущества у одних и других? На первый взгляд не вижу никакой разницы. Двухтактные, надо понимать, это прямоходовые и обратноходовые в одном флаконе? Схему, кажется, понял. Включаем в сеть, начинает заряжаться С4, зарядившись, открывается транзистор (кстати, зачем ему 1 Ом в эмиттере?), через первичку начинает течь ток, начался импульс. Во вспомогательной обмотке возникает разность потенциалов: плюсик внизу, минус вверху. Благодаря чему начинает заряжаться С3. В какой-то момент напряжение на стабилитроне превышает допустимое и он открывается, сжирая ток, который предназначался для базы транзистора, транз закрывается. Тысяча чертей! Как это можно рассчитать было?! Что должно произойти, чтобы выгорел транзистор? Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет |
| Поставщик валерьянки для Кота |
 |
Карма: 44
Рейтинг сообщений: 369
Зарегистрирован: Вт сен 25, 2012 23:13:41
Сообщений: 2373
Откуда: г.Дзержинск Нижегородской обл.
Рейтинг сообщения: 0
| _________________ Построение источников бесперебойного питания с двойным преобразованием, широко используемых в современных хранилищах данных, на базе карбид-кремниевых MOSFETs производства Wolfspeed позволяет уменьшить мощность потерь в них до 40%, а также значительно снизить занимаемый ими объем и стоимость комплектующих. |
| Встал на лапы |
Карма: 3
Рейтинг сообщений: 8
Зарегистрирован: Вт июн 03, 2008 01:39:47
Сообщений: 131
Рейтинг сообщения: 0
| Компэл объявляет о значительном расширении складского ассортимента продукции Connfly. Универсальные коммутирующие компоненты, соединители и держатели Connfly сочетают соответствие стандарту ISO9001:2008, высокую доступность и простоту использования. На текущий момент на складе Компэл – более 300 востребованных на рынке товарных наименований с гибкой ценовой политикой. |
| Друг Кота |
| |
Карма: 121
Рейтинг сообщений: 2207
Зарегистрирован: Чт янв 10, 2008 22:01:02
Сообщений: 17450
Откуда: Московская область
Рейтинг сообщения: 0
| Это справедливо для всех типов преобразователей или только для обратноходовых? Чем отличаются прямоходовые от обратноходовых? В смысле, какие преимущества у одних и других? На первый взгляд не вижу никакой разницы. Двухтактные, надо понимать, это прямоходовые и обратноходовые в одном флаконе? Схему, кажется, понял. Включаем в сеть, начинает заряжаться С4, зарядившись, открывается транзистор (кстати, зачем ему 1 Ом в эмиттере?), через первичку начинает течь ток, начался импульс. Во вспомогательной обмотке возникает разность потенциалов: плюсик внизу, минус вверху. Благодаря чему начинает заряжаться С3. В какой-то момент напряжение на стабилитроне превышает допустимое и он открывается, сжирая ток, который предназначался для базы транзистора, транз закрывается. Тысяча чертей! Как это можно рассчитать было?! Что должно произойти, чтобы выгорел транзистор?
|
| Друг Кота |
| |
Карма: 121
Рейтинг сообщений: 2207
Зарегистрирован: Чт янв 10, 2008 22:01:02
Сообщений: 17450
Откуда: Московская область
Рейтинг сообщения: 0
|
|
| Поставщик валерьянки для Кота |
| |
Карма: 44
Рейтинг сообщений: 369
Зарегистрирован: Вт сен 25, 2012 23:13:41
Сообщений: 2373
Откуда: г.Дзержинск Нижегородской обл.
Рейтинг сообщения: 0
| Чем отличаются прямоходовые от обратноходовых? В смысле, какие преимущества у одних и других? На первый взгляд не вижу никакой разницы. Двухтактные, надо понимать, это прямоходовые и обратноходовые в одном флаконе? . Тысяча чертей! Как это можно рассчитать было?! Что должно произойти, чтобы выгорел транзистор? Разница между прямоходовыми и обратноходовыми схемами в основном в нагрузке на управляющий транзистор. В обратноходовых схемах нагрузка на ключ меньше потому, что при прямом ходе энергия, которую рассеимает транзистор, идет на запас в магнитопровод и больше никуда. А в прямоходовых, она еще тратится в нагрузку. Для двухтактных схем понятия «хода» не существует. Там другой принцип передачи энергии в нагрузку. А Вы думали, что радиоинженеры за просто так свой хлеб едят? Это очень сложная профессия, находящаяся на прежнем крае производства и граничащая с наукой. Транзистор, чаще всего в подобных схемах, летит в момент отключения нагрузки. Связано это с резким выбрасом энергии при переходных процессах отключения. Чтобы этого избежать, параллельно выходным клеммам ставят резистор балласта. _________________
|
| Модератор |
 |
Карма: 151
Рейтинг сообщений: 2561
Зарегистрирован: Сб авг 14, 2010 15:05:51
Сообщений: 16863
Откуда: г. Озерск, Челябинская обл.
Рейтинг сообщения: 0
Медали: 1
| _________________ |
| Встал на лапы |
Карма: 3
Рейтинг сообщений: 8
Зарегистрирован: Вт июн 03, 2008 01:39:47
Сообщений: 131
Рейтинг сообщения: 0
| Старичок, а вы не хотите написать статью по импульсным преобразователям для тех, кто не в теме? То есть, простым языком. У вас, судя по всему, огромный опыт в этом деле. От себя могу послужить тестером статьи: знания в этой области у меня появились относительно недавно, потому я еще могу оценить что будет понятно читателю, а что нет. 1. Нагрузка на ключ в прямоходе меньше потому, что при закрывании транзистора, часть энергии отбирается потребителем? |
| Встал на лапы |
Карма: 3
Рейтинг сообщений: 8
Зарегистрирован: Вт июн 03, 2008 01:39:47
Сообщений: 131
Рейтинг сообщения: 0
| Поставщик валерьянки для Кота |
| |
Карма: 44
Рейтинг сообщений: 369
Зарегистрирован: Вт сен 25, 2012 23:13:41
Сообщений: 2373
Откуда: г.Дзержинск Нижегородской обл.
Рейтинг сообщения: 0
| _________________ |
| Поставщик валерьянки для Кота |
| |
Карма: 44
Рейтинг сообщений: 369
Зарегистрирован: Вт сен 25, 2012 23:13:41
Сообщений: 2373
Откуда: г.Дзержинск Нижегородской обл.
Рейтинг сообщения: 0
_________________ |
| Встал на лапы |
Карма: 3
Рейтинг сообщений: 8
Зарегистрирован: Вт июн 03, 2008 01:39:47
Сообщений: 131
Рейтинг сообщения: 0
| Семантика такова, что постоянная составляющая и среднеквадратичное значение тока за период — это разные вещи. По крайней мере, название дали такое, что не соответствует истинной сути. |
| Модератор |
| |
Карма: 151
Рейтинг сообщений: 2561
Зарегистрирован: Сб авг 14, 2010 15:05:51
Сообщений: 16863
Откуда: г. Озерск, Челябинская обл.
Рейтинг сообщения: 0
Медали: 1
| зачем что-то писать, если в сети полно уже написанных книг по импульсным преобразователям. в обратноходе значительно выше токи через ключ, чем в прямоходе, при равной мощности. поэтому там нагрузка больше. кроме этого, любой трансформатор имеет такой паразитный параметр, как индуктивность рассеяния. и энергия, накопленная в этой индуктивности, приносит гораздо больший вред, чем энергия, накопленная в сердечнике. да, совершенно верно. зазор позволяет без насыщения накопить много энергии. _________________ |
| Друг Кота |
| |
Карма: 121
Рейтинг сообщений: 2207
Зарегистрирован: Чт янв 10, 2008 22:01:02
Сообщений: 17450
Откуда: Московская область
Рейтинг сообщения: 0
| Поставщик валерьянки для Кота |
| |
Карма: 44
Рейтинг сообщений: 369
Зарегистрирован: Вт сен 25, 2012 23:13:41
Сообщений: 2373
Откуда: г.Дзержинск Нижегородской обл.
Рейтинг сообщения: 0
| _________________ |
| Встал на лапы |
Карма: 3
Рейтинг сообщений: 8
Зарегистрирован: Вт июн 03, 2008 01:39:47
Сообщений: 131
Рейтинг сообщения: 0
| Так и людей на Земле живет полно, так что теперь не жить? На форуме РадиоКОТ это можно расценить как угрозу |
| Поставщик валерьянки для Кота |
| |
Карма: 44
Рейтинг сообщений: 369
Зарегистрирован: Вт сен 25, 2012 23:13:41
Сообщений: 2373
Откуда: г.Дзержинск Нижегородской обл.
Рейтинг сообщения: 0
| Точно! Лекции для студентов политеха специально даются для того, чтобы их поняли и пользовались ими в расчетах. К тому же, я дам комментарии и отвечу на вопросы, если что непонятно будет. _________________ |
| Поставщик валерьянки для Кота |
| |
Карма: 44
Рейтинг сообщений: 369
Зарегистрирован: Вт сен 25, 2012 23:13:41
Сообщений: 2373
Откуда: г.Дзержинск Нижегородской обл.
Рейтинг сообщения: 0
| _________________ | |
 | |
  | Страница 1 из 2 | [ Сообщений: 31 ] | На страницу 1 , 2 След. |
Кто сейчас на форуме
Сейчас этот форум просматривают: ikrom71, pcb432 и гости: 35
Источник
detector