Principios y tendencias de desarrollo de las fuentes de alimentación conmutadas
Principios básicos de las fuentes de alimentación conmutadas
Las fuentes de alimentación conmutadas se clasifican según principios de control y generalmente tienen los siguientes tres modos de funcionamiento:
1) Modulación de ancho de pulso tipo, denominado tipo PulseWidth Modulación (abreviado como PWM). Su característica principal es que el período de conmutación es constante y el ciclo de trabajo se ajusta cambiando el ancho del pulso para lograr la estabilización del voltaje. En esencia es un modulador de ancho de pulso. El período de conmutación fijo proporciona comodidad para diseñar circuitos de filtro. Sin embargo, su desventaja es que está limitado por el tiempo mínimo de conducción del interruptor de alimentación y el voltaje de salida no se puede ajustar en un rango amplio. Además, el extremo de salida generalmente debe conectarse a una carga falsa (también llamada; precarga) para evitar que el voltaje de salida durante condiciones sin carga
Aumente. En la actualidad, la mayoría de las fuentes de alimentación conmutadas integradas adoptan el modo PWM.
2) Método de modulación de frecuencia de pulso, denominado modulación de frecuencia de pulso (PulseFrequency Modulation, abreviado como PFM). Su característica es fijar el ancho del pulso y ajustar el ciclo de trabajo cambiando la frecuencia de conmutación para lograr la estabilización del voltaje. En esencia, es un modulador de frecuencia de pulso. En el diseño del circuito, se debe usar un generador de ancho de pulso fijo para reemplazar el generador de ondas de diente de sierra en el modulador de ancho de pulso, y se debe usar un convertidor de voltaje a frecuencia (como un oscilador controlado por voltaje VCO) para cambiar la frecuencia. . Su principio de estabilización de voltaje es: cuando el voltaje de salida Uo aumenta, el ancho de pulso de la señal de salida del controlador permanece sin cambios pero el período se vuelve más largo, de modo que el ciclo de trabajo disminuye y Uo disminuye. El rango de ajuste del voltaje de salida de la fuente de alimentación conmutada PFM es muy amplio y no es necesario conectar el extremo de salida a una carga falsa.
3) El método de modulación híbrida se refiere a un método en el que el ancho del pulso y la frecuencia de conmutación no son fijos y pueden cambiar entre sí. Es un método híbrido de PWM y PFM. Contiene modulador de ancho de pulso y modulador de frecuencia de pulso. Dado que y T se puede ajustar de forma independiente, el rango de ajuste del ciclo de trabajo es el más amplio, lo que es adecuado para fabricar fuentes de alimentación conmutadas con voltajes de salida para uso en laboratorio que se pueden ajustar en un amplio rango.
Los tres modos de trabajo anteriores se denominan colectivamente modo "Control de relación de tiempo" (TRC). Cabe señalar que el modulador de ancho de pulso se puede utilizar como un circuito integrado independiente (como el modulador de ancho de pulso UC3842) o integrado en un convertidor CC/CC (como el circuito integrado del regulador de conmutación LM2576, y también puede). Ser integrado en convertidores AC/DC (como el circuito integrado de fuente de alimentación conmutada monolítica TOP250). Entre ellos, los reguladores de conmutación son convertidores de potencia CC/CC y las fuentes de alimentación conmutadas son generalmente convertidores de potencia CA/CC.
Tendencias de desarrollo:
1) Miniaturización, delgadez, ligereza y alta frecuencia. El volumen y el peso de la fuente de alimentación conmutada están determinados principalmente por los componentes de almacenamiento de energía (componentes magnéticos y condensadores). Por lo tanto, la miniaturización de la fuente de alimentación conmutada tiene como objetivo esencialmente reducir el volumen de los componentes de almacenamiento de energía tanto como sea posible. Dentro de un cierto rango, aumentar la frecuencia de conmutación no solo puede reducir efectivamente el tamaño de los condensadores, inductores y transformadores, sino también suprimir las interferencias y mejorar el rendimiento dinámico del sistema. Por lo tanto, la alta frecuencia es la principal dirección de desarrollo de las fuentes de alimentación conmutadas.
2) Alta fiabilidad. Las fuentes de alimentación conmutadas utilizan docenas de veces más componentes que las fuentes de alimentación de servicio continuo, lo que reduce la confiabilidad. Desde la perspectiva de la vida útil, la vida útil de componentes como condensadores electrolíticos, optoacopladores y extractores de aire determina la vida útil de la fuente de alimentación. Por lo tanto, es necesario centrarse en el aspecto del diseño, utilizar la menor cantidad de dispositivos posible, mejorar la integración y utilizar tecnología modular para satisfacer las necesidades de los sistemas de energía distribuida y mejorar la confiabilidad del sistema.
3) Bajo nivel de ruido. Una de las desventajas de las fuentes de alimentación conmutadas es su alto nivel de ruido. Si simplemente busca alta frecuencia, el ruido también aumentará. El uso de la tecnología de bucle de conversión resonante parcial puede, en principio, aumentar la frecuencia y reducir el ruido. Por lo tanto, reducir el impacto del ruido tanto como sea posible es otra dirección de desarrollo de las fuentes de alimentación conmutadas.
4) Adoptar diseño y control asistidos por ordenador. Utilizando la tecnología CAA y CDD para diseñar la última topología de conversión y parámetros óptimos, la fuente de alimentación conmutada tiene la estructura más simple y las mejores condiciones de trabajo. La introducción de la detección y el control por microcomputadora en el circuito puede formar un sistema de monitoreo multifuncional, que puede detectar, registrar y emitir alarmas automáticamente en tiempo real.
5) Tecnología de bajo voltaje de salida. Con el desarrollo continuo de la tecnología de fabricación de semiconductores, los microprocesadores y los dispositivos electrónicos portátiles funcionan a temperaturas cada vez más bajas, lo que requiere que los futuros convertidores CC-CC proporcionen voltajes de salida bajos para adaptarse a los requisitos de suministro de energía de los microprocesadores y dispositivos electrónicos portátiles. El desarrollo de fuentes de alimentación conmutadas siempre ha estado estrechamente relacionado con el desarrollo de dispositivos semiconductores y componentes magnéticos. La realización de alta frecuencia requiere dispositivos semiconductores de alta velocidad correspondientes y componentes electromagnéticos de alta frecuencia con un rendimiento excelente. Desarrollar nuevos dispositivos de alta velocidad como MOSFET e IGBT de potencia, desarrollar materiales magnéticos de bajas pérdidas para altas frecuencias, mejorar la estructura y los métodos de diseño de componentes magnéticos, mejorar la constante dieléctrica de los condensadores de filtro y reducir su resistencia en serie equivalente, etc. para interruptores Siempre hay un gran impulso hacia la miniaturización de las fuentes de alimentación.
En resumen, en el campo de la tecnología de fuente de alimentación conmutada, las personas están desarrollando tecnología de circuitos de baja pérdida y nuevos componentes. Los dos se promocionan mutuamente y promueven la fuente de alimentación conmutada a productos de pequeño tamaño. Tasa de crecimiento del mercado de más de dos dígitos cada año, dirección delgada, de alta frecuencia, bajo ruido y alta confiabilidad.