Как уже отмечалось, сглаживание импульсов напряжения с помощью LC-фильтра необходимо, чтобы частота среза фильтра f 0 = 2 / была значительно меньшей, чем частота следования импульсов напряжения. Данное условие позволяет подобрать необходимые емкость и индуктивность фильтра. Впрочем, отвлечемся от формул и попытаемся объяснить принцип действия фильтра на более простом языке.

В тот момент, когда силовой ключ открыт (транзистор Т 1 открыт, транзистор Т 2 закрыт), энергия от входного источника передается в нагрузку через индуктивность L , в котором при этом накапливается энергия. Ток, протекающий при этом по цепи, изменяется не мгновенно, а постепенно, поскольку возникающая в индуктивности ЭДС препятствует изменению тока. Одновременно с этим заряжается и конденсатор, установленный параллельно нагрузке.

После того как силовой ключ закрывается (транзистор Т 1 закрыт, транзистор Т 2 открыт), ток от линии входного напряжения не поступает в индуктивность, но по законам физики возникающая ЭДС индукции поддерживает прежнее направление тока. То есть в этот период ток в нагрузку поступает от индуктивного элемента. Для того чтобы цепь замкнулась и ток пошел на сглаживающий конденсатор и в нагрузку, открывается транзистор T 2 , обеспечивая замкнутую цепь и протекание тока по пути индуктивность - емкость и нагрузка - транзистор T 2 - индуктивность.

Как уже отмечалось, с помощью такого сглаживающего фильтра можно получить напряжение на нагрузке, пропорциональное скважности управляющих PWM-импульсов. Однако понятно, что при таком способе сглаживания выходное напряжение будет иметь пульсации напряжения питания относительного некоторого среднего значения (выходного напряжения) - рис. 4. Величина пульсаций напряжения на выходе зависит от частоты переключения транзисторов, значения емкости и индуктивности.

Рис. 4. Пульсации напряжения после сглаживания LC-фильтром

Стабилизация выходного напряжения и функции PWM-контроллера

Как уже отмечалось, выходное напряжение зависит (при заданной нагрузке, частоте, индуктивности и емкости) от скважности PWM-импульсов. Поскольку ток через нагрузку динамически изменяется, возникает задача стабилизации выходного напряжения. Делается это следующим образом. PWM-контроллер, формирующий сигналы переключения транзисторов, связан с нагрузкой петлей обратной связи и постоянно отслеживает выходное напряжение на нагрузке. Внутри PWM-контроллера генерируется референсное напряжение питания, которое должно быть на нагрузке. PWM-контроллер постоянно сравнивает выходное напряжение с референсным, и если возникает рассогласование U , то данный сигнал рассогласования используется для изменения (корректировки) скважности PWM-импульсов, то есть изменение скважности импульсов ~ U . Таким образом реализуется стабилизация выходного напряжения.

Естественно, возникает вопрос: каким образом PWM-контроллер узнает о требуемом напряжении питания? К примеру, если говорить о процессорах, то, как известно, напряжение питания разных моделей процессора может быть различным. Кроме того, даже для одного и того же процессора напряжение питания может динамически изменяться в зависимости от его текущей загрузки.

О требуемом номинальном напряжении питания PWM-контроллер узнает по сигналу VID (Voltage Identifier). Для современных процессоров Intel Core i7, поддерживающих спецификацию питания VR 11.1, сигнал VID является 8-битным, а для устаревших процессоров, совместимых со спецификацией VR 10.0, сигнал VID был 6-битным. 8-битный сигнал VID (комбинация 0 и 1) позволяет задать 256 различных уровней напряжения процессора.

Ограничения однофазного импульсного регулятора напряжения питания

Рассмотренная нами однофазная схема импульсного регулятора напряжения питания проста в исполнении, однако имеет ряд ограничений и недостатков.

Если говорить об ограничении однофазного импульсного регулятора напряжения питания, то оно заключается в том, что и MOSFET-транзисторы, и индуктивности (дроссели), и емкости имеют ограничение по максимальном току, который через них можно пропускать. К примеру, для большинства MOSFET-транзисторов, которые используются в регуляторах напряжения материнских плат, ограничение по току составляет 30 A. В то же время сами процессоры при напряжении питания порядка 1 В и энергопотреблении свыше 100 Вт потребляют ток свыше 100 A. Понятно, что если при такой силе тока использовать однофазный регулятор напряжения питания, то его элементы просто «сгорят».

Если говорить о недостатке однофазного импульсного регулятора напряжения питания, то он заключается в том, что выходное напряжение питания имеет пульсации, что крайне нежелательно.

Для того чтобы преодолеть ограничения по току импульсных регуляторов напряжения, а также минимизировать пульсации выходного напряжения, используются многофазные импульсные регуляторы напряжения.

Многофазные импульсные регуляторы напряжения

В многофазных импульсных регуляторах напряжения каждая фаза образована драйвером управления переключениями MOSFET-транзисторов, парой самих MOSFET-транзисторов и сглаживающим LC-фильтром. При этом используется один многоканальный PWM-контроллер, к которому параллельно подключается несколько фаз питания (рис. 5).

Рис. 5. Структурная схема многофазного импульсного регулятора напряжения питания

Применение N-фазного регулятора напряжения питания позволяет распределить ток по всем фазам, а следовательно, ток, протекающий по каждой фазе, будет в N раз меньше тока нагрузки (в частности, процессора). К примеру, если использовать 4-фазный регулятор напряжения питания процессора с ограничением по току в каждой фазе 30 A, то максимальный ток через процессор составит 120 A, чего вполне достаточно для большинства современных процессоров. Однако если используются процессоры с TDP 130 Вт или предполагается возможность разгона процессора, то желательно применять не 4-фазный, а 6-фазный импульсный регулятор напряжения питания процессора или же использовать в каждой фазе питания дроссели, конденсаторы и MOSFET-транзисторы, рассчитанные на больший ток.

Для уменьшения пульсации выходного напряжения в многофазных регуляторах напряжения все фазы работают синхронно с временны м сдвигом друг относительно друга. Если T - это период переключения MOSFET-транзисторов (период PWM-сигнала) и используется N фаз, то временной сдвиг по каждой фазе составит T/N (рис. 6). За синхронизацию PWM-сигналов по каждой фазе с временным сдвигом отвечает PWM-контроллер.

Рис. 6. Временные сдвиги PWM-сигналов в многофазном регуляторе напряжения

В результате того, что все фазы работают с временны м сдвигом друг относительно друга, пульсации выходного напряжения и тока по каждой фазе также будут сдвинуты по временной оси друг относительно друга. Суммарный ток, проходящий по нагрузке, будет складываться из токов по каждой фазе, и пульсации результирующего тока окажутся меньше, чем пульсации тока по каждой фазе (рис. 7).

Рис. 7. Ток по каждой фазе
и результирующий ток нагрузки
в трехфазном регуляторе напряжения

Итак, основное преимущество многофазных импульсных регуляторов напряжения питания заключается в том, что они позволяют, во-первых, преодолеть ограничение по току, а во-вторых, снизить пульсации выходного напряжения при той же емкости и индуктивности сглаживающего фильтра.

Дискретные многофазные схемы регуляторов напряжения и технология DrMOS

Как мы уже отмечали, каждая фаза питания образована управляющим драйвером, двумя MOSFET-транзисторами, дросселем и конденсатором. При этом один PWM-контроллер одновременно управляет несколькими фазами питания. Конструктивно на материнских платах все компоненты фазы могут быть дискретными, то есть имеется отдельная микросхема драйвера, два отдельных MOSFET-транзистора, отдельный дроссель и емкость. Такой дискретный подход используется большинством производителей материнских плат (ASUS, Gigabyte, ECS, AsRock и т.д.). Однако есть и несколько иной подход, когда вместо применения отдельной микросхемы драйвера и двух MOSFET-транзисторов используется одна микросхема, объединяющая и силовые транзисторы, и драйвер. Данная технология была разработана компанией Intel и получила название DrMOS, которое буквально означает Driver + MOSFETs. Естественно, что при этом также применяются отдельные дроссели и конденсаторы, а для управления всеми фазами служит многоканальный PWM-контроллер.

В настоящее время технология DrMOS используется только на материнских платах MSI. Говорить о преимуществах технологии DrMOS в сравнении с традиционным дискретным способом организации фаз питания довольно сложно. Здесь, скорее, все зависит от конкретной DrMOS-микросхемы и ее характеристик. К примеру, если говорить о новых платах MSI для процессоров семейства Intel Core i7, то в них применяется DrMOS-микросхема Renesas R2J20602 (рис. 8). Например, на плате MSI Eclipse Plus используется 6-фазный регулятор напряжения питания процессора (рис. 9) на базе 6-канального PWM-контроллера Intersil ISL6336A (рис. 10) и DrMOS-микросхем Renesas R2J20602.

Рис. 8. DrMOS-микросхема Renesas R2J20602

Рис. 9. Шестифазный регулятор напряжения питания процессора
на базе 6-канального PWM-контроллера Intersil ISL6336A
и DrMOS-микросхем Renesas R2J20602 на плате MSI Eclipse Plus

Рис. 10. Шестиканальный PWM-контроллер
Intersil ISL6336A

DrMOS-микросхема Renesas R2J20602 поддерживает частоту переключения MOSFET-транзисторов до 2 МГц и отличается очень высоким КПД. При входном напряжении 12 В, выходном 1,3 В и частоте переключения 1 МГц ее КПД составляет 89%. Ограничение по току - 40 А. Понятно, что при шестифазной схеме питания процессора обеспечивается как минимум двукратный запас по току для DrMOS-микросхемы. При реальном значении тока в 25 А энергопотребление (выделяющееся в виде тепла) самой микросхемы DrMOS составляет всего 4,4 Вт. Также становится очевидным, что при использовании DrMOS-микросхем Renesas R2J20602 нет необходимости применять более шести фаз в регуляторах напряжения питания процессора.

Компания Intel в своей материнской плате Intel DX58S0 на базе чипсета Intel X58 для процессоров Intel Core i7 также использует 6-фазный, но дискретный регулятор напряжения питания процессора. Для управления фазами питания применяется 6-канальный PWM-контроллер ADP4000 от компании On Semiconductor, а в качестве MOSFET-драйверов - микросхемы ADP3121 (рис. 11). PWM-контроллер ADP4000 поддерживает интерфейс PMBus (Power Manager Bus) и возможность программирования на работу в режиме 1, 2, 3, 4, 5 и 6 фаз с возможностью переключения числа фаз в режиме реального времени. Кроме того, с помощью интерфейса PMBus можно считывать текущие значения тока процессора, его напряжения и потребляемой мощности. Остается лишь сожалеть, что компания Intel не реализовала эти возможности чипа ADP4000 в утилите мониторинга состояния процессора.

Рис. 11. Шестифазный регулятор напряжения питания процессора
на базе PWM-контроллера ADP4000 и MOSFET-драйверов ADP3121
на плате Intel DX58S0 (показаны две фазы питания)

Отметим также, что в каждой фазе питания применяются силовые MOSFET-транзисторы NTMFS4834N компании On Semiconductor с ограничением по току в 130 A. Нетрудно догадаться, что при таких ограничениях по току сами по себе силовые транзисторы не являются узким местом фазы питания. В данном случае ограничение по току на фазу питания налагает дроссель. В рассматриваемой схеме регулятора напряжения используются дроссели PA2080.161NL компании PULSE с ограничением по току 40 A, но понятно, что даже при таком ограничении по току вполне достаточно шести фаз питания процессора и имеется большой запас для экстремального разгона процессора.

Технология динамического переключения фаз

Практически все производители материнских плат в настоящее время используют технологию динамического переключения числа фаз питания процессора (речь идет о платах для процессоров Intel). Собственно, данная технология отнюдь не нова и была разработана компанией Intel уже достаточно давно. Однако, как это часто бывает, появившись, данная технология оказалась невостребованной рынком и долгое время лежала в «запасниках». И только когда идея снижения энергопотребления компьютеров овладела умами разработчиков, вспомнили о динамическом переключении фаз питания процессора. Производители материнских плат пытаются выдать эту технологию за свою фирменную и придумывают ей различные названия. К примеру, у компании Gigabyte она называется Advanced Energy Saver (AES), у ASRock - Intelligent Energy Saver (IES), у ASUS - EPU, у MSI - Active Phase Switching (APS). Однако, несмотря на разнообразие названий, все эти технологии реализованы абсолютно одинаково и, конечно же, не являются фирменными. Более того, возможность переключения фаз питания процессора заложена в спецификацию Intel VR 11.1 и все PWM-контроллеры, совместимые со спецификацией VR 11.1, поддерживают ее. Собственно, у производителей материнских плат выбор здесь небольшой. Это либо PWM-контроллеры компании Intersil (например, 6-канальный PWM-контроллер Intersil ISL6336A), либо PWM-контроллеры компании On Semiconductor (например, 6-канальный PWM-контроллер ADP4000). Контроллеры других компаний применяются реже. Контроллеры и Intersil, и On Semiconductor, совместимые со спецификацией VR 11.1, поддерживают динамическое переключение фаз питания. Вопрос лишь в том, как производитель материнской платы использует возможности PWM-контроллера.

Естественно, возникает вопрос: почему технологию динамического переключения фаз питания называют энергосберегающей и какова эффективность ее применения?

Рассмотрим, к примеру, материнскую плату с 6-фазным регулятором напряжения питания процессора. Если процессор загружен несильно, а значит, потребляемый им ток невелик, вполне можно обойтись двумя фазами питания, а потребность в шести фазах возникает при сильной загрузке процессора, когда потребляемый им ток достигает максимального значения. Действительно, можно сделать так, чтобы количество задействованных фаз питания соответствовало потребляемому процессором току, то есть чтобы фазы питания динамически переключались в зависимости от загрузки процессора. Но не проще ли использовать все шесть фаз питания при любом токе процессора? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно учесть, что любой регулятор напряжения сам потребляет часть преобразуемой им электроэнергии, которая выделяется в виде тепла. Поэтому одной из характеристик преобразователя напряжения является его КПД, или энергоэффективность, то есть отношение передаваемой мощности в нагрузку (в процессор) к потребляемой регулятором мощности, которая складывается из мощности, потребляемой нагрузкой, и мощности, потребляемой самим регулятором. Энергоэффективность регулятора напряжения зависит от текущего значения тока процессора (его загрузки) и количества задействованных фаз питания (рис. 12).

Рис. 12. Зависимость энергоэффективности (КПД) регулятора напряжения
от тока процессора при различном количестве фаз питания

Зависимость энергоэффективности регулятора напряжения от тока процессора при неизменном количестве фаз питания выглядит следующим образом. Первоначально, с ростом тока нагрузки (процессора), КПД регулятора напряжения линейно возрастает. Далее достигается максимальное значение КПД, а при дальнейшем увеличении тока нагрузки КПД постепенно уменьшается. Главное, что значение тока нагрузки, при котором достигается максимальное значение КПД, зависит от количества фаз питания, а следовательно, если использовать технологию динамического переключения фаз питания, то КПД регулятора напряжения питания всегда можно поддерживать на максимально высоком уровне.

Сравнивая зависимости энергоэффективности регулятора напряжения от тока процессора для различного количества фаз питания, можно сделать вывод: при малом токе процессора (при незначительной загрузке процессора) более эффективно задействовать меньшее количество фаз питания. В этом случае меньше энергии будет потребляться самим регулятором напряжения и выделяться в виде тепла. При высоких значениях тока процессора использование малого количества фаз питания приводит к снижению энергоэффективности регулятора напряжения. Поэтому в данном случае оптимально применять большее количество фаз питания.

С теоретической точки зрения использование технологии динамического переключения фаз питания процессора должно, во-первых, снизить общее энергопотребление системы, а во-вторых - тепловыделение на самом регуляторе напряжения питания. Причем, по заявлениям производителей материнских плат, данная технология позволяет снизить энергопотребление системы на целых 30%. Конечно же, 30% - это число, взятое с потолка. Реально технология динамического переключения фаз питания позволяет снизить суммарное энергопотребление системы не более чем на 3-5%. Дело в том, что данная технология позволяет экономить электроэнергию, потребляемую лишь самим регулятором напряжения питания. Однако основными потребителями электроэнергии в компьютере являются процессор, видеокарта, чипсет и память, и на фоне суммарного энергопотребления этих компонентов энергопотребление самого регулятора напряжения достаточно мало. А потому, как ни оптимизируй энергопотребление регулятора напряжения, добиться существенной экономии просто невозможно.

Маркетинговые «фишки» производителей

На что только не идут производители материнских плат, дабы привлечь к своей продукции внимание покупателей и мотивированно доказать, что она лучше, чем у конкурентов! Одна из таких маркетинговых «фишек» - увеличение фаз питания регулятора напряжения питания процессора. Если раньше на топовых материнских платах применялись шестифазные регуляторы напряжения, то сейчас используют 10, 12, 16, 18 и даже 24 фазы. Действительно ли нужно так много фаз питания, или это не более чем маркетинговый трюк?

Конечно, многофазные регуляторы напряжения питания имеют свои неоспоримые преимущества, но всему есть разумный предел. К примеру, как мы уже отмечали, большое количество фаз питания позволяет использовать в каждой фазе питания компоненты (MOSFET-транзисторы, дроссели и емкости), рассчитанные на низкий ток, которые, естественно, дешевле компонентов с высоким ограничением по току. Однако сейчас все производители материнских плат применяют твердотельные полимерные конденсаторы и дроссели с ферритовым сердечником, которые имеют ограничение по току не менее 40 A. MOSFET-транзисторы также имеют ограничение по току не ниже 40 A (а в последнее время наблюдается тенденция перехода на MOSFET-транзисторы с ограничением по току в 75 А). Понятно, что при таких ограничениях по току на каждой фазе волне достаточно применять шесть фаз питания. Такой регулятор напряжения теоретически способен обеспечить ток процессора более 200 А, а следовательно, энергопотребление более 200 Вт. Понятно, что даже в режиме экстремального разгона достичь таких значений тока и энергопотребления практически невозможно. Так зачем же производители делают регуляторы напряжения с 12 фазами и более, если питание процессора в любом режиме его работы способен обеспечить и шестифазный регулятор напряжения?

Если сравнивать 6- и 12-фазный регуляторы напряжения, то теоретически при использовании технологии динамического переключения фаз питания энергоэффективность 12-фазного регулятора напряжения будет выше. Однако разница в энергоэффективности будет наблюдаться только при высоких токах процессора, которые на практике недостижимы. Но даже если и удается достичь столь высокого значения тока, при котором будет различаться энергоэффективность 6- и 12-фазного регуляторов напряжения, то эта разница будет столь мала, что ее можно не принимать в расчет. Поэтому для всех современных процессоров с энергопотреблением 130 Вт даже в режиме их экстремального разгона волне достаточно 6-фазного регулятора напряжения. Применение 12-фазного регулятора напряжения не дает никаких преимуществ даже при использовании технологии динамического переключения фаз питания. Зачем же производители начали делать 24-фазные регуляторы напряжения - остается только гадать. Здравого смысла в этом нет, видимо, они рассчитывают произвести впечатление на технически неграмотных пользователей, для которых «чем больше, тем лучше».

Кстати, нелишне будет отметить, что сегодня не производится 12- и тем более 24-канальных PWM-контроллеров, управляющих фазами питания. Максимальное количество каналов в PWM-контроллерах равно шести. Следовательно, когда применяются регуляторы напряжения с количеством фаз более шести, производители вынуждены устанавливать несколько PWM-контроллеров, которые работают синхронно. Напомним, что управляющий PWM-сигнал в каждом канале имеет определенную задержку относительно PWM-сигнала в другом канале, но эти временные смещения сигналов реализуются в пределах одного контроллера. Получается, что при применении, к примеру, двух 6-канальных PWM-контроллеров для организации 12-фазного регулятора напряжения фазы питания, управляемые одним контроллером, попарно объединены с фазами питания, управляемыми другим контроллером. То есть первая фаза питания первого контроллера будет работать синхронно (без временного сдвига) с первой фазой питания второго контроллера. Динамически переключаться фазы будут, скорее всего, тоже попарно. В общем, получается не «честный» 12-фазный регулятор напряжения, а скорее гибридная версия 6-фазного регулятора с двумя каналами в каждой фазе.

Принцип последовательной стабилизации напряжения состоит в том, что формируется постоянное напряжение, минимальное значение которого превышает требуемый уровень стабилизированного напряжения. Разность этих напряжений падает на мощном регулирующем транзисторе, который включается последовательно с нагрузкой. Мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе, является достаточно большой. Это определяет относительно невысокий, особенно при стабилизации малых напряжений, коэффициент полезного действия, часто не превышающий 50%.

Существенно больших значений коэффициента полезного действия стабилизатора напряжения можно достичь, если регулирующий постоянное напряжение транзистор заменить импульсным коммутатором. Среднее значение выходного напряжения в такой схеме регулируется тем, что коммутатор периодически открывается и закрывается, а отношение времени его открытого состояния к периоду повторения может регулироваться. После коммутатора в такую схему включается фильтр, сглаживающий пульсации выходного напряжения. Чтобы не возникало потерь мощности, используют, как правило, фильтры LC-типа. Описанный принцип предусматривает включение коммутатора в цепь вторичной обмотки сетевого трансформатора, поэтому такие стабилизаторы напряжения называют вторичными.

В сетевых источниках питания следует учитывать мощность потерь силового трансформатора. Она может быть существенно снижена, если рабочая частота трансформатора составляет несколько килогерц, так как при этом его обмотки имеют меньшее число вигков. Сетевое напряжение выпрямляется и сглаживается непосредственно на первичной стороне, а затем с помощью транзисторного коммутатора преобразуется в высокочастотное переменное напряжение, которое и подается на соответственно рассчитанный силовой трансформатор. Для стабилизации выпрямленного сетевого напряжения на первичной стороне силового трансформатора используют импульсный транзисторный регулятор с изменяемой длительностью включения коммутатора. Такие стабилизаторы называют первичными. Они имеют высокий коэффициент полезного действия, доходящий до 80%. Еще одно преимущество таких источников питания состоит в том, что значительно снижаются габариты и вес используемых в них силовых трансформаторов.

16.5.1. ВТОРИЧНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

На рис. 16.30 показана принципиальная схема регулирования выходного напряжения с помощью импульсного стабилизатора. Транзистор Ту переключается с частотой около 20 кГц из полностью запертого в полностью открытое состояние. Диод D предотвращает появление высокого напряжения самоиндукции дросселя при закрывании транзистора, так как ток дросселя, замыкаясь через диод, может продолжать течь по нему. Таким образом, в течение времени, когда транзистор Т

Рис. 16.30. Принцип работы импульсного вторичного стабилизатора.

закрыт ток нагрузки обеспечивается не только за счет емкости конденсатора, но и за счет самоиндукции дросселя. Это обусловливает хорошее сглаживание выходного напряжения без потерь мощности.

На рис. 16.31 представлена блок-схема устройства управления стабилизатора. Оно осуществляет сравнение выходного напряжения с опорным; если выходное напряжение меньше опорного, то модулятор устройства управления увеличивает отношение времени открытого состояния транзистора к периоду тактового генератора для импульсов управляющего напряжения Частота импульсов управляющего напряжения остается при этом постоянной. Она задается тактовым генератором.

Для расчета импульсного регулятора напряжения выясним, как зависит от времени ток, протекающий через дроссель. При этом будем сначала исходить из того, что емкость конденсатора бесконечно велика и пульсации выходного напряжения поэтому равны нулю.

Рис. 16.31. Блок-схема устройства управления.

Согласно закону электромагнитной индукции

В течение времени, когда коммутирующий транзистор заперт,

Ток дросселя, таким образом, снижается линейно во времени:

В течение времени, когда коммутирующий транзистор открыт,

В это время ток дросселя возрастает также линейно во времени:

График зависимости тока дросселя от времени изображен на рис. 16.32.

Согласно формулам (16.17) и (16.18),

Рис. 16.32. Временная диаграмма напряжений и токов в импульсном стабилизаторе напряжения.

Из этого соотношения следует

Таким образом, выходное напряжение импульсного стабилизатора напряжения прямо пропорционально коэффициенту заполнения импульсов коммутатора и не зависит от выходного тока, пока

Ток через открытый коммутирующий транзистор равен сумме тока нагрузки и тока заряда конденсатора. Отношение

будет тем больше, чем меньше величина индуктивности дросселя Величину а следует ограничивать значением 1,2, чтобы не завышать требуемых параметров транзистора коммутатора. Для определения величины рассмотрим соотношение, очевидное из рис. 16.32,

где величина сопротивления нагрузки.

При конечной величине емкости конденсатора на выходе стабилизатора будут иметь место пульсации напряжения. Ток заряда конденсатора составляет

Периоды заряда и разряда конденсатора соответствуют на рис. 16.32 заштрихованным областям на графике тока Для величины напряжения пульсаций выходного напряжения справедливо следующее соотношение:

Подставив соответствующие выражения из формул (16.19) и (16.20), получим

Так как здесь не учитывается омическое сопротивление конденсатора, то фактически измеренная величина напряжения пульсаций окажется несколько превышающей рассчитанную величину.

В отличие от непрерывного последовательного стабилизатора напряжения средний ток, протекающий через коммутирующий транзистор, получается меньшим, чем выходной ток. Пренебрегая потерями, можно записать следующее соотношение баланса мощности

Отсюда следует, что

Расчет импульсного стабилизатора напряжения следует проиллюстрировать числовым примером. Допустим, что требуется стабилизированное напряжение 5 В при токе нагрузки 5 А. Нестабилизированное входное напряжение равно 10 В. Частота генератора возбуждения составляет Выберем в качестве коэффициента перерегулирования тока величину При этих параметрах из формулы (16.21) получим величину индуктивности дросселя Максимальная величина накапливаемой такой индуктивностью энергии составляет Эту величину необходимо знать для выбора сердечника дросселя.

Допустим, что напряжение пульсаций выходного напряжения не должно превышать Тогда из формулы (16.22) минимально необходимая величина емкости конденсатора С составит

Импульсный стабилизатор с повышением напряжения

В описанной выше схеме стабилизатора, которая изображена на рис. 16.30, выходное напряжение всегда ниже входного.

Рис. 16.33. Схема импульсного стабилизатора для повышения входного напряжения.

Рис. 16.34. Схема импульсного стабилизатора для получения отрицательного выходного напряжения при положительном входном напряжении.

Изменив расположение элементов в схеме, можно, используя свойство самоиндукции получить выходное напряжение большее, чем входное. Когда в схеме, изображенной на рис. 16.33, транзистор запирается, потенциал на его коллекторе поднимается до величины, превышающей входное напряжение. При этом через диод D заряжается конденсатор С. Как и при выводе соотношений (16.17) и (16.18), для величины выходного напряжения можно записать

Остальные параметры схемы получаются так же, как соответствующие параметры ранее рассмотренной цепи стабилизатора.

Импульсный стабилизатор с инвертированием напряжения

Использование явления самоиндукции позволяет также при помощи импульсного регулятора напряжения получить из положительного входного напряжения отрицательное выходное. Схема такого варианта стабилизатора представлена на рис. 16.34. Когда транзистор закрывается, вследствие явления самоиндукции на коллекторе транзистора появляется отрицательный потенциал. При этом диод D открывается, и конденсатор заряжается до некоторого отрицательного напряжения. Для величины выходного напряжения справедливо следующее соотношение:

Устройство управления для всех трех схем стабилизаторов одинаково. Оно может быть выполнено в виде монолитной интегральной схемы, например типа TL 497 фирмы Texas Instruments или фирмы Fairchild.

Импульсные регуляторы напряжения

Преобразователи постоянного напряжения

К преобразователям постоянного напряжения относятся импульсные регуляторы напряжения и широтно-импульсные преобразователи.

Импульсные регуляторы напряжения применяются для регулирования постоянного напряжения. По сравнению с другими методами регулирования они обеспечивают лучшие энергетические характеристики, имеют меньшую массу и габариты.

Принцип импульсного регулирования заключается в том, что источник постоянного тока периодически подключается к нагрузке с некоторой частотой. Длительность интервала подключения t u за один период T определяет величину напряжения на нагрузке. Нагрузке (если она активная) придаётся индуктивный характер с помощью дросселя L . Параметры цепи выбирают таким образом, чтобы постоянная времени цепи нагрузки значительно превышала период коммутации тока. При этом в цепи нагрузки обеспечивается непрерывное протекание тока с допустимой пульсацией.

Схема импульсного регулятора понижающего типа приведена на рис. 3.1 (a), временные диаграммы работы этой схемы – на рис. 3.1 (б).

При включённом транзисторе VT ток дросселя нарастает практически по линейному закону от I min до I max . Напряжение на дросселе при этом равно:

а на нагрузке

при условии, что .

При выключенном транзисторе ток дросселя уменьшается от I max до I min , при этом напряжение на дросселе обеспечивает значение напряжения на нагрузке:

().

.

Следовательно, изменяя коэффициент заполнения управляющих импульсов, можно регулировать напряжение на нагрузке в пределах 0…E П .

С учётом падений напряжения на транзисторе и диоде реальное максимальное напряжение составляет (0.9 … 0.95)E П .

Если нагрузка имеет индуктивный характер (например, двигатель постоянного тока), то требуемое значение пульсаций тока достигается за счёт выбора частоты коммутации транзистора VT . Абсолютная величина равна:

,

и максимальное значение достигается при К З = 0.5 . С учётом этого требуемое значение частоты коммутации для обеспечения требуемого коэффициента пульсации тока равно:

.

При активном характере сопротивления нагрузки в цепь включается дроссель с индуктивностью L , который определяет пульсации тока в нагрузке. Для уменьшения индуктивности дросселя параллельно нагрузке включается конденсатор. Для обеспечения непрерывного характера тока дросселя величина должна удовлетворять условию:

При наличии конденсатора переменная составляющая тока дросселя (треугольная по форме) замыкается через конденсатор. Падение напряжения на конденсаторе, обусловленное током первой гармоники, определяет пульсации напряжения на нагрузке:

Для треугольной формы тока амплитуда первой гармоники максимальна при К З = 0.5 и составляет (согласно разложению в ряд Фурье):

.

Следовательно,

;

При использовании в качестве коммутирующего элемента мощных полевых транзисторов MOSFET и IGBT частота коммутации может составлять десятки – сотни килогерц.

При использовании тиристоров частота коммутации не превышает нескольких килогерц. Схема импульсного регулятора на незапираемом тиристоре с принудительной коммутацией приведена на рис. 3.2.

Для запирания основного тиристора VS1 используются вспомогательный тиристор VS2 и коммутирующий конденсатор С . Предварительно конденсатор С заряжается по цепи VS2 – R – Lн до напряжения питания. После включения VS1 конденсатор перезаряжается по цепи VS1 – VD1 – Lк – С , причём переходной процесс носит колебательный характер. Наличие диода VD1 приводит к тому, что в цепи протекает только первый положительный полупериод тока конденсатора, после чего напряжение на конденсаторе не изменяется. Для выключения тиристора VS1 включается тиристор VS2 и конденсатор С разряжаясь по цепи VS2 , VS1 выключает, приложенным в обратном направлении напряжением, тиристор VS1 . При этом напряжение на нагрузке скачком увеличится до значения E+Uc . Ток нагрузки на интервале коммутации остаётся неизменным, поэтому напряжение на конденсаторе изменяется по линейному закону. Когда конденсатор С разрядится до нуля, на аноде тиристора VS1 вновь нарастает прямое напряжение со скоростью . Для надёжного запирания тиристора VS1 время разряда конденсатора должно быть больше времени выключения тиристора.

Далее напряжение на нагрузке продолжает линейно снижаться до полного перезаряда конденсатора С через тиристор VS2 . Когда ток тиристора VS2 уменьшится до нуля, он выключится. Ток нагрузки замыкается по цепи диода VD 0 .

Наличие “всплесков” напряжения на нагрузке требует выбирать полупроводниковые приборы на двойное напряжение питания. Кроме того, диапазон регулирования напряжения уменьшается, так как при малых коэффициентах заполнения эти “всплески” не позволяют снизить напряжение меньше определённого уровня.

В схеме импульсного регулятора с мягкой коммутацией основной тиристор VS1 шунтируется в обратном направлении диодом VD2 (рис. 3.3).

Процесс перезаряда конденсатора С происходит так же, как и в предыдущей схеме. После включения тиристора VS2 в цепи C – Lк – VS2 – VS1 – C возникает колебательный переходной процесс перезаряда конденсатора. Когда мгновенное значение разрядного тока конденсатора равно мгновенному току нагрузки, тиристор VS1 обесточивается и далее разность токов конденсатора и нагрузки замыкается по диоду VD2 . К основному тиристору VS1 приложено обратное напряжение, равное прямому падению напряжения на диоде VD2 . Ток через VD2 должен протекать в течение времени, достаточного для выключения основного тиристора VS1 . Когда ток конденсатора станет меньше тока нагрузки происходит дополнительный заряд конденсатора током нагрузки, и напряжение на нагрузке уменьшается по линейному закону, на этом интервале разностный ток нагрузки и конденсатора замыкается через диод VD 0 . Мгновенное значение напряжения на нагрузке не превышает величину Е .

Включение параллельно основному тиристору обратного диода позволяет отдавать мощность нагрузки в источник электропитания. Такой режим возможен при переходе двигателя постоянного тока в генераторный режим (режим динамического торможения). Вместе с тем, за счёт низкого обратного напряжения, приложенного к основному тиристору, увеличивается время выключения тиристора.

Схема импульсного регулятора, позволяющего регулировать напряжение на нагрузке от E П и выше, приведена на рис. 3.4.

Повышение напряжения на нагрузке осуществляется за счёт энергии дросселя, включённого последовательно в цепь нагрузки. При включенном транзисторе VT дроссель подключается к источнику постоянного напряжения, ток дросселя линейно нарастает от I min до I max . Напряжение на дросселе практически равно E П .

Закрытый диод разделает схему на два участка. Ранее заряженный конденсатор С разряжается на нагрузку, обеспечивая непрерывность тока нагрузки.

При закрытом транзисторе ток дросселя замыкается через открывшийся диод уменьшается от I max до I min . Напряжение на дросселе меняет полярность и по отношению к нагрузке включено последовательно согласно с источником питания:

, (),

где .

Из равенства нулю среднего значения напряжения на дросселе следует:

Регулировочная характеристика (рис. 3.5) повышающего импульсного регулятора нелинейная, причём её вид зависит от соотношения сопротивлений элементов схемы (транзистора, диода, дросселя) и сопротивления нагрузки. При увеличении этого соотношения максимум напряжения уменьшается и устойчивая работа регулятора возможна до определённой величины коэффициента заполнения управляющих импульсов.

Среднее значение тока диода равно току нагрузки:

Среднее значение тока дросселя, а, следовательно, и источника постоянного напряжения равно:

.

Среднее значение тока транзистора равна:

.

Все полупроводниковые приборы должны быть выбраны на напряжение не меньше, чем максимальное значение напряжения на нагрузке.

Импульсные регуляторы для двигателей постоянного тока кроме регулирования величины напряжения, подаваемого на двигатель, должны выполнять ещё функции реверсирования (изменения полярности выходного напряжения) и динамического торможения (возврат энергии в источник постоянного напряжения при переходе двигателя в генераторный режим). Эти функции выполняются с помощью преобразователей постоянного напряжения с широтно-импульсным управлением.

Преобразователь представляет собой мостовую схему на полностью управляемых ключах, которые зашунтированы обратными диодами (рис. 3.6).

Обратные диоды используются для возврата энергии в источник, поэтому если источник постоянного напряжения не обладает двусторонней проводимостью (например, выпрямитель), то выход источника необходимо зашунтировать конденсатором С соответствующей ёмкости.

Основные параметры преобразователя определяются алгоритмом управления ключами. Различают три способа управления ключами:

Симметричный;

Несимметричный;

Поочерёдный.

При симметричном управлении ключи коммутируются попарно в противофазе. При включении ключей К1 и К4 напряжение на двигателе равно E П и имеет положительную полярность; при включении К2 и К3 напряжение на двигателе меняет полярность, оставаясь таким же по величине. Среднее значение напряжения на нагрузке определяется с учётом напряжений обеих полярностей (рис. 3.7 (а)).

Величина напряжения определяется коэффициентом заполнения управляющих импульсов: для одной пары ключей (К1 и К4 ) равен K З , а для другой (К2 и К3 ) – 1-K З :

.

В интервале изменения K З от 0 до 0.5 напряжение на нагрузке изменяется от -E П до 0, а в интервале от 0.5 до 1 – от 0 до E П .

Форма тока нагрузки имеет такой же характер, как и в импульсных регуляторах: при включённых ключах К1 и К4 ток нагрузки линейно нарастает от I min до I max , когда К1 и К4 закрыты, то ток нагрузки, определяемый индуктивностью нагрузки, через диоды VD2 и VD3 возвращает в источник энергию, запасённую в индуктивности, и уменьшается от I max до I min .

При работе нагрузки (двигатель постоянного тока) в генераторном режиме, когда э.д.с. якоря E Я больше Е П , ток нагрузки меняет своё направление и при включённых ключах К1 и К4 ток нагрузки через диоды VD1 и VD4 возвращает энергию в источник, при этом ток уменьшается от -I max до -I min , а при включенных ключах К2 и К3 ток нагрузки увеличивается от -I min до -I max , запасая энергию в индуктивности нагрузки. При изменении коэффициента заполнения управляющих импульсов изменяется величина энергии, возвращаемой в источник.

Симметричный способ управления характеризуется повышенными пульсациями тока нагрузки вследствие изменения напряжения на нагрузке от -E П до +E П , и непропорциональной зависимостью напряжения на нагрузке от коэффициента заполнения.

При несимметричном методе управления для положительной полярности напряжения на нагрузке ключи К1 и К2 управляются в противофазе, ключ К4 постоянно открыт, а К3 – постоянно закрыт. Для отрицательной полярности напряжения – наоборот: К3 и К4 управляются в противофазе, К2 – открыт, К1 – закрыт. Далее рассматривается работа преобразователя при положительной полярности напряжения на нагрузке (рис 3.7 (б)).

При открытом ключе К1 ток нагрузки увеличивается от I min до I max , напряжение на нагрузке равно +E П . Когда К1 закрывается, ток нагрузки замыкается через К4 и VD2 , уменьшаясь от I max до I min , при этом напряжение на нагрузке практически равно нулю. Коэффициент заполнения управляющих импульсов может изменяться от 0 до 1, при этом напряжение на нагрузке меняется от 0 до +E П :

При работе нагрузки в генераторном режиме при открытом К1 ток нагрузки через диоды VD1 и VD4 возвращает энергию в источник, а при открытом К2 ток нагрузки замыкается через К2 и VD4 , накапливая энергию в индуктивности нагрузки.

При недостаточно высокой граничной частоте коммутации ключей увеличить частоту пульсаций тока в нагрузке в два раза позволяет поочерёдный способ управления ключами. Если нет необходимости осуществлять режим возврата энергии в источник, то управляющее напряжение подаётся только на ключи одной диагонали: для положительного напряжения на К1 и К4 , для отрицательного – на К2 и К3 .

Форма управляющего напряжения показана на рис. 3.8 (а).

Длительность импульса изменяется в пределах от до , а паузы управляющих напряжений сдвинуты на половину периода . Напряжение на нагрузке равно напряжению питания, когда оба ключа открыты, и равно нулю, когда один из ключей закрыт. Ток нагрузки при этом замыкается через другой открытый ключ и соответствующий обратный диод. Такая ситуация возникает два раза за период управляющего напряжения, поэтому частота пульсаций напряжения и тока в нагрузке в два раза выше. Изменение длительности управляющих импульсов от до соответствует изменению коэффициента заполнения импульсов напряжения на нагрузке от 0 до 1.

Если управлять ключом К2 в противофазе с ключом К1, а ключом К3 в противофазе с ключом К4, то преобразователь может работать в режиме возврата энергии в источник при работе двигателя постоянного тока в генераторном режиме (рис. 3.8 (б)).

И ТРАНЗИСТОРНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Ключи на биполярных транзисторах составляют основу большинства импульсных и цифровых схем, с их помощью реализуются широко используемые схемы транзистор-транзисторной логики ТТЛ. Наибольшее распространение получил ключ с общим эмиттером (рис. 5.1), в котором нагрузка R К включена в цепь коллектора транзистора.

Рисунок 5.1 - Схема транзисторного ключа

В ключевом режиме транзистор находится в двух основных состояниях.

1 Состояние (режим) отсечки (ключ разомкнут). При этом через транзистор протекает минимальный ток I К = I КО » 0. Для того, чтобы транзистор находился в состоянии отсечки, необходимо сместить в обратном направлении эмиттерный переход транзистора, т.е. для транзистора n-p-n типа выполнить условие U БЭ < 0. Это достигается либо при U ВХ < 0, либо подачей на базу постоянного напряжения смещения Е СМ, которое обеспечит U Б < 0 при U ВХ = 0.

Мощность, теряемая на транзисторном ключе в режиме отсечки Р К = U К I К, очень мала ток как мал ток.

2 Состояние (режим) насыщения (ключ замкнут). В этом режиме оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, т.е. электрическое сопротивление цепи коллектор - эмиттер очень мало (близко к нулю). Ток через транзистор в режиме насыщения определяется резистором R .К:

I КН = (Е К - U КН)/R К » Е К / R К, (5.1)

так как U КН » 0.

Режим насыщения достигается при

I Б = I БН = I КН / K I = I КН / h 21Э. (5.2)

Для надежного насыщения транзистора необходимо, чтобы условие (5.2) выполнялось при минимальном значении статического коэффициента усиления h 21Э = h 21Э min для транзисторов данного типа. При этом входное напряжение должно удовлетворять условию

U ВХ /R 1 - Е СМ / R 2 ³ I БН g = gI КН / h 21Эmin (5.3)

где g - степень насыщения (g = 1,2...2).

Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощность, теряемая на транзисторном ключе Р К = U К I К очень мала, так как мало напряжение U КЭН. Напряжение U КЭН приводится в справочниках. Для создания электронных ключей следует выбирать транзисторы с малым U КЭН << Е К.

Ключевые элементы применяются также в импульсных регуляторах напряжения, имеющих высокий КПД. Регулировать среднее значение напряжения на нагрузке можно изменением параметров импульсов. Наибольшее распространение получили широтно-импульсный способ регулирования, при котором амплитуда и период следования импульсов постоянны, а изменяется длительность импульса и паузы, а также частотно-импульсный метод, при котором постоянны амплитуда и длительность импульса, а изменяется период следования импульсов.

Импульсные регуляторы широко применяют как регуляторы и стабилизаторы напряжения, используемые для питания обмоток возбуждения электрических машин, электродвигателей постоянного тока, нагревательных элементов и других устройств и процессов, допускающих питание импульсным напряжением.

Импульсные регуляторы выполняются на тиристорах или транзисторах.

Транзисторный импульсный регулятор напряжения содержит генератор импульсов, параметры которых могут регулироваться вручную или автоматически, а на выходе генератора включен транзистор, работающий в ключевом режиме.

Отношение периода следования импульсов Т к длительности импульса t И называется скважностью Q И = Т/t И. Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения a = 1/Q И = t И /Т.

Среднее напряжение на нагрузке

U Н.СР = aЕ, (5.4)

где Е - напряжение питания выходного транзистора и последовательно включенной нагрузки.

Действующее значение напряжения

U Н..Д = ÖaЕ. (5.5)

Для активной нагрузки существенно действующее значение напряжения. Для нагрузки типа двигателя постоянного тока и нагрузки, работающей со сглаживающими фильтрами, важно среднее значение напряжения.

Если нагрузка носит индуктивный характер, то она должна шунтироваться диодом, включенным в обратном направлении. Диод защищает выходной транзистор от перенапряжений, возникающих в индуктивности при резком спаде тока в момент запирания транзистора. При этом ток в нагрузке становится непрерывным, протекая то от источника питания Е, когда ключ замкнут, то через шунтирующий диод, когда ключ разомкнут, за счет энергии, запасенной в индуктивности.

При идеальном ключе напряжение на нагрузке имеет форму прямоугольных импульсов, а ток пульсирует, изменяясь по экспоненциальной зависимости с постоянной времени t = L Н /R Н.

5.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает:

Транзистор КТ808ГМ;

Набор резисторов;

Источники регулируемого напряжения;

Импульсный регулятор напряжения с широтно-импульсной модуляцией;

Вольтметры и миллиамперметры;

Электронный осциллограф.