Новая электроника

Гальванически изолированные источники питания используются во многих приложениях. Для этого есть разные причины.

В некоторых цепях гальваническая развязка необходима из соображений безопасности. В других схемах функциональная изоляция используется для блокировки любых помех сигналам.

Гальванически изолированный источник питания обычно проектируется с обратноходовым преобразователем. Эти регуляторы имеют очень простую конструкцию. На рис. 1 показана типичная конструкция такого регулятора с обратноходовым контроллером ADP1071.

Мы видим, что это обратный преобразователь, потому что точки на преобразователе не совпадают. Используется выключатель питания на первичной стороне (Q1). Кроме того, требуется схема выпрямителя вторичной стороны. Это можно реализовать с помощью диода Шоттки, но для более высокой эффективности обычно используется активный ключ (Q2 на рисунке 1). Соответствующий контроллер ADP1071 отвечает за управление переключателями и обеспечивает гальваническую развязку цепи обратной связи FB.

Рисунок 1. Типовой обратноходовой стабилизатор (обратноходовой преобразователь) для мощности примерно до 60 Вт.

Хотя обратноходовые преобразователи очень популярны, эта топология имеет практические ограничения. Трансформатор Т1 на рисунке 1 на самом деле не используется в качестве классического трансформатора. Когда Q1 находится во включенном состоянии, ток через вторичную обмотку Т1 не течет. Энергия тока первичной стороны почти полностью сохраняется в сердечнике трансформатора.

Аналогично тому, как понижающий преобразователь сохраняет энергию в дросселе (индукторе), обратный преобразователь делает это в трансформаторе. Когда Q1 находится в выключенном состоянии, на вторичной стороне Т1 возникает ток. Это снабжает выходной конденсатор COUT и выход энергией. Эту концепцию очень легко реализовать, но она имеет ограничения при более высокой мощности. Трансформатор Т1 используется как элемент накопления энергии. По этой причине трансформатор также можно называть связанным индуктором (дросселем). Для этого необходимо, чтобы трансформатор мог хранить необходимую энергию. Чем выше энергетический класс блока питания, тем крупнее и дороже трансформатор. В большинстве случаев верхний предел составляет примерно 60 Вт.

Если для более высокой мощности требуется гальванически изолированный источник питания, подходящим выбором будет прямоходовой преобразователь. Концепция показана на рисунке 2. Здесь трансформатор действительно используется как классический трансформатор. В то время как ток течет через Q1 на первичной стороне, ток также возникает на вторичной стороне. Таким образом, трансформатору не требуется обеспечивать какую-либо емкость хранения энергии. На самом деле, верно обратное. Необходимо гарантировать, что трансформатор всегда разряжается во время отключения Q1, чтобы он случайно не достиг насыщения после нескольких циклов.

Рисунок 2. Прямой стабилизатор (прямой преобразователь) для мощности примерно до 200 Вт.

Для той же мощности прямоходному преобразователю требуется трансформатор меньшего размера, чем обратноходовому преобразователю. Это делает прямой преобразователь практичным и удобным для использования даже при уровнях мощности ниже 60 Вт. Одним из недостатков является то, что сердечник трансформатора должен освобождаться от непреднамеренно накопленной энергии в каждом цикле, что реализуется с помощью подключения активного зажима с переключателем Q4 и конденсатором CC на рисунке 2. Для прямого преобразователя также обычно требуется дополнительный дроссель L1 на выходной стороне. . Однако благодаря этому выходное напряжение также может иметь меньшие пульсации, чем у обратноходового преобразователя при том же уровне мощности.

Рисунок 3. Пример схемы с ADP1074, смоделированной в LTspice.

Микросхемы управления питанием, такие как ADP1074 от Analog Devices, предлагают очень компактное решение для разработки прямого преобразователя.

Эта архитектура обычно используется, когда требуются уровни мощности выше примерно 60 Вт. Ниже 60 Вт прямой преобразователь также может быть лучшим выбором, чем обратноходовой преобразователь, исходя из сложности схемы и достижимого КПД. Для упрощения принятия решения о том, какую топологию использовать, рекомендуется провести моделирование с помощью бесплатного симулятора LTspice. На рисунке 3 показана схема моделирования схемы прямого преобразователя ADP1074 в среде моделирования LTspice.