Импульсные источники питания (SMPS) стали стандартом в современной электронике благодаря высокому КПД, компактности и гибкости применения. Однако их проектирование связано с рядом сложностей: от правильного выбора топологии и компонентов до грамотной разводки печатной платы и обеспечения электромагнитной совместимости.
Принципы работы и ключевые компоненты
Работа SMPS основана на высокочастотном переключении силовых транзисторов.
Основные узлы:
входной выпрямитель и фильтр;
силовой ключ (MOSFET/IGBT);
трансформатор или дроссель;
выпрямитель и фильтр на выходе;
система обратной связи.
Топологии могут быть понижающими (buck), повышающими (boost), обратноходовыми (flyback), прямоходовыми (forward) и мостовыми. Выбор зависит от мощности и требований к изоляции.
Ключевые компоненты
Силовые транзисторы (MOSFET, IGBT) – выбор зависит от частоты и мощности.
Дроссели и трансформаторы – выбор сердечника и правильная намотка критически важны для снижения потерь
Намотку многослойных обмоток вести Z-образно (рис. a), то есть с переходом к начальному витку обмотки. При использовании С-образной намотки (рис. b) происходит увеличение индукции рассеяния.
Конденсаторы – электролиты, керамика, тантал; важно учитывать ESR и температурную стабильность.
Диоды Шоттки или синхронные выпрямители – снижают потери на выпрямлении.
ШИМ-контроллеры – задают стабильность работы.
Разводка печатной платы
Разводка печатной платы является одной из самых критичных задач. Ошибки в компоновке
приводят к перегреву, ЭМИ и даже к разрушению компонентов. Основные рекомендации:
минимизировать длину токовых контуров;
ставить конденсаторы максимально близко к силовым ключам;
правильно разводить землю (сигнальная и силовая);
использовать широкие дорожки для силовых цепей;
вводить экранирование при необходимости;
проектировать с учетом тепловых потоков и отведения тепла.
Полигоны питания и заземления обеспечивают низкоимпедансные соединения, создавая путь для отвода тепла от важных частей системы.
Сквозные переходные отверстия на полигонах земли около силового элемента – хорошее решение для улучшения теплоотвода.
Типичные ошибки проектирования
Неправильный выбор номиналов компонентов – ведет к пульсациям и перегреву.
Длинные дорожки в силовых цепях – создают паразитные индуктивности.
Отсутствие раздельных «земель» – приводит к шумам и самовозбуждению.
Недостаточное охлаждение – сокращает срок службы компонентов.
Экономия на входных фильтрах – источник ЭМИ и проблем с сертификацией.
Использование специализированных микросхем
Фирма Power Integrations предлагает интегральные решения, содержащие транзистор, контроллер, защиту и функции энергосбережения в одном корпусе. Это снижает количество внешних компонентов и упрощает проектирование. Программа PI Expert Suite позволяет автоматически рассчитать схему и оптимизировать трансформатор.
ЭМС и защита
SMPS являются источником помех, поэтому важны фильтрация и экранирование.
Применяются:
сетевые фильтры (дроссели + конденсаторы);
варисторы и TVS-диоды для защиты от всплесков;
правильное расположение фильтров и дросселей.
Располагать конденсаторы «радиально-симметрично» относительно источника пульсирующего тока. Так нагрузка пульсирующего тока будет распределяться равномерно между этими контенсаторами.
Современные тенденции
Использование GaN и SiC транзисторов – выше частоты, меньшие потери.
Миниатюризация и интеграция – компактные решения для зарядных устройств и серверов.
Цифровое управление – микроконтроллеры и DSP позволяют гибко адаптировать режим работы и мониторинг.
Выводы
Проектирование импульсных источников питания – это комплексная задача, включающая
правильный выбор топологии, компонентов, грамотную разводку и обеспечение ЭМС. Ошибки на любом этапе могут привести к снижению надежности и выходу из строя. Использование современных материалов (GaN, SiC), специализированных микросхем и систем автоматизированного проектирования значительно повышает шансы на успешный результат.
placidity_master
простите, а что классические ШИМ БП работают на низкочастотном режиме? и понятие сильно растяжимое, что такое высокочастотный в данном контексте? 10 ГГц ? 1 ГГц ?
поправьте меня, но вроде SMPS это относиться к
КВАЗИ-РЕЗОНАНСНЫМ блокам питания,
где ШИМ контроллер подстраивается под частоту резонанса трансформатора в совокупности с конденсатором, который образует LC колебательный контур.
ну если так проектировать, тогда будет бомба замедленного действия. которая рано или поздно устроит пожар.
блок питания начинается с ЗАЩИТЫ.
плавкий предохранитель по ТОКУ, а в "некитай" БП ещё ставят предохранитель по ТЕМПЕРАТУРЕ. на случай отказа активного охлаждения, или если БП работает в не правильный условиях даже при пассивном охлаждении.
и опять, же, сначала идут дроссели фильтрации
с X и Y снаберными конденсаторами.
потом: защита от перенапряжения.
(о которой вспомнили к концу статьи)
потом идёт NTC резистор если нет PPFC/APFC.
А ПОТОМ идёт выпрямитель.
потому что диоды могут порождать гармонические
шумы в момент закрытия ,
и шуметь в "эфир" таким нельзя. (кроме китайГ).
если БП слабенький, то дальше действительно может идти
сглаживающий конден. или если БП обратно ходовой.
Если БП прямоходовой и достаточно мощный,
то перед основной ёмкостью должен идти корректор мощности.
чтоб синус в сети поменьше превращать в трапецию.
и не устраивать "иголки" по току, особенно это важно
при больших мощностях, если допустим БП на 2 кВт,
то вместо "примерно плавных" 10 А, будут скачки до 20..30 А.
поэтому в мощных БП идёт активный корректор мощности.
который через ШИМ, и ещё один ключевой транзистор,
стараются входной синус нагружать равномерно.
требования к изоляции отражаются на конструкции изоляции трансформатора, а не от мощности.
статью то походу даже не перечитывали после публикации?
почему слово стабильность в отдельной строке?
"и так сойдёт...."
и ни слова о том что танталы старых образцов при больших пульсациях могут устроить КЗ и взрыв/пожар.
статья написана ИИ.бредо генератором ?
не стыдно такое публиковать ?
в каких случаях что именно выбирают ?
не просто же так в разных случаях разный способ.
ШИМ контроллер является ОДНИМ из пунктов задающих стабильность работы,
а вообще стабильность зависит от всей архитектуры преобразователя в целом, не правильные конденс. быстро высохнут/потекут/вскипят, и не важно какой там ШИМ.
а про толщину медной фольги ИИ видимо не в теме.
грамотные переходные в первую очередь решают
проблему короткого пути для большого тока, и для ВЧ тока.
а короткий путь тоже способствует меньшему нагреву.
ой, "только они, и никто более..."
статья очень сильно походит на не связанный
бреднабор фактов.очень забавный ИИ бред.
смотрим википедию:
каким местом это к БП относиться ??
(сарказм.мод.он) :
"аднаазначааа, лепим 10ГГц, и получаем 146%"
можно хоть один пример ком. успешного проекта,
где DSP процессинг применяется для систем питания ?
я не считаю себя крутым спецом,
но мне было бы стыдно публиковать такую статью.