Какой преобразователь лучше: обратноходовой или прямоходовой?

Введение

Битлз или Роулинг Стоунз? Майкл Джордан или Леброн Джеймс? Бифштекс глубокой или средней прожарки? Прямоходовой или обратноходовой преобразователь? Это лишь некоторые из вечных вопросов, по которым люди спорят на протяжении многих лет, энергично отстаивают свое мнение и не находят единственно верного ответа. Но, по правде говоря, в каждом из этих примеров оба варианта ответа имеют свои преимущества, а потому, правильным ответом может быть и тот и другой.
В этой статье мы сосредоточимся на прямоходовых и обратноходовых преобразователях. Мы обсудим характеристики прямоходовой топологий с активным ограничением и обратноходовой схемы, работающей в режиме непрерывных токов (continuous conduction mode), продемонстрируем преимущества и недостатки каждой из них на примере двух источников питания. В частности, мы рассмотрим PoE-источники питания (Power over Ethernet) мощностью 51 Вт, которые соответствуют стандарту IEEE 802.3bt и предназначены для телекоммуникационных приложений.

В новом стандарте максимальная мощность была увеличена до 71 Вт, благодаря чему прямоходовая топология стала более привлекательной, чем она была ранее, когда максимальная мощность составляла 25,5 Вт. В то же время появляются новые типоразмеры и технологии сердечников трансформаторов, что приводит к увеличению мощности и эффективности обратноходовых преобразователей. В результате этих улучшений, а также благодаря развитию силовых полупроводниковых ключей, требуется по-новому взглянуть на вопрос: какой же преобразователь лучше: прямоходовой или обратноходовой?

Анализ принципов работы и особенностей прямоходовых и обратноходовых преобразователей выходит за рамки данной статьи. Тем не менее, выполняемый в статье краткий обзор каждой топологии, помогает выделить сходства и различия, а также сильные и слабые стороны обоих типов преобразователей.

Немного истории

Импульсные источники питания начали развиваться параллельно трансформаторным с 40-х годов прошлого века. Но производство ИИП приостановилось, потому что оно было дорогим, а сами источники получались сложными и громоздкими.

Под конец XX века с развитием транзисторов и интегральных схем, импульсная схемотехника воскресла. В 2022 году каждый житель планеты пользуется устройствами на импульсной схемотехнике. Это обыкновенные зарядки для телефонов всех мастей, телевизоры, компьютеры, светодиодные лампочки, источники бесперебойного питания… список можно продолжать бесконечно.

Прямоходовой преобразователь с активным ограничением

Типовая схема прямоходового преобразователя с активным ограничением показана на рисунке 1. Для простоты на схеме представлены только силовые ключи, трансформатор, выходной фильтр и контроллер. Вспомогательные компоненты, например, относящиеся к обвязке контроллера, не показаны для большей наглядности.

Рис. 1. Прямоходовой преобразователь с активным ограничением

Контроллер управляет двумя силовыми МОП-транзисторами QPRI и QCLAMP, расположенными на первичной стороне. Ключи коммутируются поочередно с высокой частотой (100 кГц). Когда один силовой транзистор включен, другой должен быть выключен. Отношение части периода, в течение которого QPRI включен (QCLAMP выключен), к полному периоду коммутации называется рабочим циклом или коэффициентом заполнения D. Рабочий цикл определяет плотность следования импульсов напряжения в первичной обмотке трансформатора VPRI. Благодаря магнитной связи между обмотками эти импульсы передаются на вторичную сторону преобразователя. Напряжение на вторичной обмотке VSEC масштабируется в соответствии с коэффициентом трансформации (N), определяемым соотношением числа витков в обмотках.

Напряжение на вторичной стороне выпрямляется с помощью синхронного выпрямителя, состоящего из силовых МОП-транзисторов QFWD и QFREE. Выпрямленное напряжение поступает на выходной фильтр, образованный индуктивностью LOUT и конденсатором COUT. Этот низкочастотный LC-фильтр необходим для преобразования последовательности импульсов в постоянное напряжение на выходе источника питания. Выходное напряжение оказывается пропорциональным величине рабочего цикла D и коэффициенту трансформации N. Импульсы напряжения на вторичной обмотке (VSEC) также часто используются для управления силовыми МОП-транзисторами, которые выполняют функцию выпрямительных диодов. Такая схема называется схемой синхронного выпрямления (Synchronous Rectifcation , SR). Она обеспечивает более высокую эффективность, по сравнению с обычными диодами.

Область применения обратноходового трансформатора

Обратноходовый трансформатор пользуется в ряде случаев, когда требуется питание различной аппаратуры с показателями мощности до 200 Вт. К числу такой относят:

• личные или офисные компьютеры;
• техника, гаджеты и периферия;
• типы сберегающих энергию ламп или системы ламп;
• зарядные устройства для гаджетов и техники.

Трансформаторы обратно хода часто используются в комплекте с другими устройствами. Например, с ними изготовляются конструктивные узлы инверторных источников сварочного аппарата.

Обратноходовая топология

Типовая схема обратноходового преобразователя показана на рис. 2. Контроллер управляет силовым МОП-транзистором, расположенным на первичной стороне (QPRI), и МОП-транзистором синхронного выпрямителя на вторичной стороне (QSYNC). Включение транзисторов происходит поочередно. Как и в случае с прямоходовым преобразователем, силовой ключ QPRI коммутируется с высокой частотой и изменяемым рабочим циклом D. Напряжение на первичной обмотке трансформатора VPRI передается на вторичную сторону VSEC. В отличие от рассмотренной ранее прямоходовой схемы, накопление энергии происходит непосредственно в трансформаторе в интервалах, когда включен транзистор QPRI. Затем, когда QPRI выключается, включается QSYNC, и накопленная энергия передается в нагрузку.

Рис. 2. Обратноходовой преобразователь с синхронным выпрямлением

Таким образом, транзистор QSYNC отвечает за выпрямление переменного импульсного напряжения на вторичной обмотке. Для включения и выключения QSYNC необходим сигнал управления, формируемый контроллером, который расположен на первичной стороне. Для гальванической развязки этого сигнала используется дополнительный маломощный трансформатор.

Схема фильтрации в обратноходовой топологии также отличается от схемы, применяемой в прямоходовых преобразователях. В качестве индуктивности выходного LC-фильтра выступает вторичная обмотка трансформатора. Результирующее постоянное напряжение VOUT1 на выходе источника питания оказывается пропорциональным значению D и коэффициенту трансформации N. В дополнение к основному LC-фильтру, образованному вторичной обмоткой и конденсатором COUT1, часто используют опциональный LC-фильтр, содержащий индуктивность LOUT2 и емкость COUT2. Этот низкочастотный фильтр еще больше ослабляет уровень пульсаций напряжения VOUT2 на выходе источника питания.

Как собрать: пошаговая инструкция

Для тех, кто хочет собрать импульсный блок питания своими руками, приведем несколько схем сборки.

Самый простой вариант маломощного импульсного блока питания

Рассмотрим схему импульсного блока питания мощностью до 2 Вт. Выпрямитель и фильтр в нем собраны на резисторе R1 (от 25 до 50 Ом), диоде VD1 и конденсаторе С1 (20,0 мкФ, 400 В). В качестве высокочастотного преобразователя выступает автогенератор, собранный на транзисторе VT1, трансформаторе TR1, частотозадающей цепи резисторе R2 (470 кОм) и конденсаторе С2 (3300 пкФ, 1000 В). Напряжение, снимаемое с выходной обмотки трансформатора, выпрямляется диодом VD2 и сглаживается электролитическим конденсатором С3 (47 пФ, 50 В).

В качестве сердечника для трансформатора подойдет любой от нерабочего трансформатора, использовавшегося в зарядке мобильного телефона или в другом маломощном источнике питания. Намотка происходит в следующем порядке:

• сначала мотаем 200 витков первичной обмотки медным проводом сечением 0,08-0,1 мм;
• изолируем первичную обмотку и мотаем 5 витков базовой обмотки тем же проводом;
• производим намотку вторичной обмотки. Диаметр провода – 0,4 мм. Количество витков зависит от того, какое напряжение нужно получить на выходе из расчета один виток на один вольт.

Мнение эксперта
Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос

Внимание! Между половинками магнитного сердечника должен присутствовать небольшой немагнитный зазор. Обычно он уже есть на сердечниках, взятых с трансформаторов зарядных устройств смартфонов. Если его нет, положите слой бумаги между половинками сердечника.

Готовый трансформатор стягиваем изолентой или скотчем.

Однотактный, обратноходовый импульсный блок питания

Рассмотрим однотактный блок питания, сделанный по автогенераторной схеме с самовозбуждением. Напряжение на выходе – 16 В, мощность устройства – 15 Вт.

На входе устройства переменное напряжение электрической сети выпрямляется при помощи диодного моста, собранного на диодах D1-D4 (можно использовать любые диоды, рассчитанные на напряжение 400 В и ток 0,5 А, например, N4007). За сглаживание пульсаций отвечает конденсатор С1 (20 мкФ, 400 В). Для предотвращения броска тока при включении служит резистор R1 (25-50 Ом).

Начальное смещение на базе транзистора Т1 (можно использовать 13003 или 13005) устанавливается резистором R2 (470 кОм) и диодом D6 (N4007). Чтобы сгладить скачки напряжения, возникающие при закрытии Т1, в схему включены такие элементы, как: конденсатор С2 (3300 пФ 1000 В), диод D5 (N4007) и резистор R3 (30 кОм 1 Вт либо можно использовать два резистора по 15 кОм).

Импульсы положительной обратной связи, необходимые для поддержания режима автоколебаний, через резистор R4(150 Ом) и конденсатор С3(47 пФ, 50 В) подаются на базу Т1. Цепочка состоящая из Т2, R5 (1,5 кОм), Д9 (стабилитрон КС515), нужна для стабилизации напряжения.

Высокочастотный преобразователь собран по обратноходовой схеме. Когда Т1 открыт, энергия накапливается на трансформаторе, при этом диод D7 (КД213 использовать совместно с радиатором площадью 10 см2) находится в закрытом состоянии. После закрытия транзистора Т1 происходит отдача запасенной магнитной энергии, диод D7 открывается, во вторичной цепи появляется ток, конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Конденсаторы С4 (2200 пФ) и С5 (0,1 мкФ) нужны для уменьшения помех.

Стабилизация выходного напряжения происходит по схеме, описанной далее. При включении прибора в сеть запускается генератор. На вторичной обмотке появляется напряжение. Конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Когда напряжение на нем превысит 16,3 В открывается стабилитрон D9 (КС515). Транзистор Т2 (КТ603) открывается и закорачивает эмиттерный переход Т1. Транзистор Т1 закрывается, генератор перестает работать, и конденсатор С6 начинает разряжаться. Когда напряжение на С6 становится меньше 16,3 вольт, стабилитрон D9 закрывается и закрывает Т2. Благодаря этому Т1 открывается и работа генератора возобновляется.

Первичная обмотка w1 трансформатора намотана проводом 0,25 мм и имеет 179 витков. В базовой обмотке w2 присутствуют два витка, намотанных тем же проводом. Вторичная обмотка w2 состоит из 14 витков провода 0,6-0,7 мм.

Лампочки можно взять любые маломощные, рассчитанные на напряжение от 24 до 36 В и ток от 100 до 200 мА.

Мощный импульсный источник питания

Рассмотрим импульсный БП с выходной мощностью 300 Вт.

Генератором в данной конструкции является интегральная микросхема TL494. Управляющие сигналы с выхода этой ИС подаются поочередно на МОП (MOSFET) транзисторы VT1 и VT2 (IRFZ34). Импульсы с этих транзисторов через трансформатор, формирователь импульсов приходят на мощные транзисторы VT3 и VT4 (IRFP460). Преобразователь сделан на мощных транзисторах VT3 и VT4 по полумостовой схеме.

Все четыре обмотки трансформатора TR1 намотаны проводом 0,5 мм и содержат по 50 витков. В трансформаторе TR2 первая обмотка состоит из 110 витков провода диаметром 0,8 мм. Количество витков обмотки номер два зависит от желаемого напряжения на выходе, из расчета один виток на два вольта. Обмотка три наматывается 12 витками провода диаметром 0,8 мм.

Сравнение преобразователей

Сравнение количества компонентов и качества выходной фильтрации

Пожалуй, проще всего сравнивать прямоходовую и обратноходовую топологии по числу используемых компонентов. Этот пункт достаточно важен, особенно с учетом влияния, которое он оказывает на габариты и стоимость источника питания. На рис. 3 показана упрощенная схема традиционного обратноходового преобразователя. Транзистор QSYNC, используемый в схеме на рис. 2, был заменен обычным диодом. Дополнительный фильтр LC-фильтр был исключен.

Рис. 3. Упрощенная схема традиционного обратноходового преобразователя (с выпрямительными диодами)

Аналогичным образом можем получить упрощенную схему традиционного прямоходового преобразователя, в котором транзисторы синхронного выпрямителя также заменены на диоды (рис. 4). Как видно из таблицы 1, обратноходовой преобразователь является очевидным победителем по количеству используемых компонентов. По этой причине общепринятым является мнение, согласно которому обратноходовой преобразователь всегда проще и дешевле.

Рис. 4. Упрощенная схема традиционного прямоходового преобразователя (с выпрямительными диодами)

Таблица 1. Перечень компонентов, используемых в прямоходовом и обратноходовом преобразователях (в порядке уменьшения стоимости)

Тем не менее, современные прямоходовые и обратноходовые источники питания для телекоммуникационных приложений часто используют схемы синхронного выпрямления, как это показано на рисунках 1 и 2, а также двухступенчатый выходной фильтр в обратноходовых преобразователях. В результате, как видно из Таблицы 1, это сокращает разрыв по количеству компонентов и сложности реализации между двумя топологиями, что делает спорным утверждение о том, что обратноходовой преобразователь всегда проще и дешевле.

Практически повсеместное использование синхронного выпрямления обусловлено несколькими основными факторами:

• постоянным снижением стоимости силовых МОП-транзисторов и контроллеров, поддерживающих функцию синхронного выпрямления;
• уменьшением выходного напряжения и повышением выходной мощности современных источников питания.

Очевидно, что попытка использовать обычный диодный выпрямитель в преобразователях с выходным напряжением 3,3 В и током 20 А вряд ли окажется успешной. Выпрямление тока 20 А, даже с диодом Шоттки, приведет к потере приблизительно 10 Вт мощности, если прямое падение напряжения на диоде составляет 0,5 В. Выделяемое на диодах тепло будет чрезвычайно сложно отвести, не говоря уже о снижении эффективности источника питания. Это сильно контрастирует с показателями синхронного выпрямителя на МОП-транзисторах, который может без проблем иметь сопротивление около 2,5 мОм. В таком случае полевой транзистор рассеивает всего лишь около (20 А) 2 х 2,5 мОм = 1 Вт. Отвести от силового ключа мощность 1 Вт, выделяемую в виде тепла, уже намного проще. Как правило, для охлаждения диода придется использовать большой и дорогой радиатор, в то время как для охлаждения МОП-транзистора будет достаточно теплоотвода, обеспечиваемого печатной платой определенного размера.

В прямоходовых преобразователях для управления МОП-транзисторами синхронного выпрямителя в простейшем случае можно подключить выводы вторичной обмотки к затворам транзисторов, как это показано на рис/ 1. Этот метод часто называется синхронным выпрямлением с самостоятельным управлением (Self-Driven Synchronous Rectifcation, SDSR). Если напряжение на вторичной обмотке оказывается слишком высоким, то может потребоваться дополнительная схема сдвига уровней или схема ограничения, которые призваны не допустить превышения максимального напряжения на затворах МОП-транзисторов. Поскольку эти схемы относительно просты и используют недорогие компоненты, то они не учитываются в таблице 1.

В отличие от прямоходовых преобразователей, обратноходовые преобразователи по каким-то эзотерическим причинам плохо работают со схемой синхронного выпрямления с самостоятельным управлением SDSR. В результате, как уже было сказано выше, для управления МОП-транзистором синхронного выпрямителя, расположенного на вторичной стороне, требуется дополнительный сигнальный трансформатор для передачи сигнала управления затвором. Использование новых миниатюрных трансформаторов серии LPD8035V от Coilcraft с рейтингом напряжения 1500 Vrms позволяет безболезненно решить проблему стоимости и габаритов.

Еще одной причиной сокращения разрыва по количеству используемых компонентов между двумя топологиями источников питания является добавление второго LC-фильтра в обратноходовых преобразователях. Часто можно встретить утверждение о том, что обратноходовые преобразователи являются более шумными, чем прямоходовые из-за значительных пульсаций тока во вторичных обмотках. Это означает, что если вы используете одноступенчатый LC-фильтр в обратноходовом преобразователе, то вам потребуется гораздо большая индуктивность и конденсатор, чтобы получить такой же уровень пульсаций выходного напряжения, как и у прямоходового преобразователя. На практике для решения указанной проблемы можно применять несколько подходов:

• использовать силовой трансформатор с большой индуктивностью;
• использовать большой выходной конденсатор;
• использовать двухступенчатый LC-фильтр.

Первые два варианта обычно оказываются более дорогими. При использовании двухступенчатого LC-фильтра, каждый из компонентов может выбираться исходя из оптимизации конкретного параметра схемы (низкого тока пульсации, низких потерь в сердечнике и т. д.). В результате, такой подход обеспечивает тот же уровень пульсаций напряжения при меньших габаритах и стоимости.

По указанным выше причинам современные прямоходовые и обратноходовые преобразователи мало отличаются по количеству используемых компонентов, габаритам и общей стоимости, в отличие от традиционных прямоходовых и обратноходовых источников питания. В таблице 2 показаны результаты практического сравнения габаритов и стоимости современного обратноходового преобразователя (рис. 5 сверху) и современного прямоходового преобразователя (рис. 5 снизу). Оба источника питания имеют выходное напряжение 12 В и мощность 51 Вт. Они построены на базе контроллера LT4295 PD от Analog Devices. Фотографии печатных плат представлены на рис. 5, а упрощенные принципиальные схемы на рисунках 1 и 2. Как видно из таблицы 2, обратноходовой преобразователь по-прежнему остается более компактным и менее дорогим, но разница уже не столь значительная.

Таблица 2. Сравнение характеристик реальных современных преобразователей

Рис. 5. Примеры прямоходового и обратноходового преобразователей

Как сделать расчет трансформатора однотактного обратноходового источника питания

Расчет самостоятельный необходим. Делается по определенному алгоритму. Начинается процесс с определения минимальных и максимальных значений тока, затем происходит расчет емкости конденсатора и трансформаторов. Отдельно подбираются конструктивные узды и диоды, а в самом конце рассчитывается коэффициент полезного действия трансформатора.

Определение максимального и минимального значений выпрямленного сетевого напряжения

Есть формулы для max выпрямленного сетевого U: квадратный корень из двух, умноженный на U максимального значения сети. Равняется показатель 226 для этого случая. Минимальный — квадратный корень из двух, умноженный на U минимально значения напряжения минус 2, умноженное на U прямого падения напряжения.

Выбор выпрямительных диодов

Расчет обратного показателя элементарный — он равен максимуму, который прописан выше, а именно — 226 В. Стандартная схема — U н *I н /2 U входного мин. *n,

где U н — напряжение нагрузки среднее, I н — ток нагрузки, а n – коэффициент преобразователя (принимается равным около 0,9).

Стандартно показатели для случая I пр. max = 10 A; U ОБР. MAX = 560 В.

Расчет емкости конденсатора

Емкость конденсатора рассчитывается по формуле: 0,5* U н* I н/n* U сети мин.*f сети*m* U, f сети представляет собой частоты в 400 Гр, где m – полупериоды на транзит показателя U.

Расчет максимального коэффициента заполнения

Максимум данный показатель просчитывается как дробь, в верхней части которой находится значение напряжения дополнительное (которое образовалось в закрытом состоянии после передачи энергии на нагрузку), в в нижней сумма дополненного напряжения с разностью входного U min и падающего на транзисторе трансформатора.

Сравнение эффективности

Другое распространенное убеждение заключается в том, что прямоходовые источники питания намного эффективнее, чем обратноходовые. Раньше такое утверждение было вполне обоснованным. Это достаточно просто объяснялось тем, что прямоходовые преобразователи имеют в два раза больше полевых транзисторов, диодов и магнитных компонентов (трансформаторов и индуктивностей), как видно из рисунков 3 и 4. С удвоенным количеством элементов легче выполнить оптимизацию каждого отдельного компонента и равномерно распределить рассеиваемую мощность.

Например, трансформатор обратноходового преобразователя выполняет две функции: обеспечивает гальваническую развязку и выступает в качестве индуктивности LC-фильтра. В то время как в прямоходовых источниках питания за это отвечают разные компоненты: гальваническую развязку обеспечивает трансформатор, а в LC-фильтре используется отдельная индуктивность. Это позволяет выбирать индуктивности с более низким сопротивлением и трансформатор с меньшим размером сердечника, что приводит к уменьшению уровня потерь.

Другим примером получения дополнительного преимущества от использования удвоенного числа компонентов является использование силовых транзисторов. Как видно из рисунков 3 и 4, в прямоходовом преобразователе на первичной стороне используется два МОП-транзистора, а у обратноходового только один. Точно также и выпрямитель прямоходового преобразователя содержит два диода, в то время как в обратноходовом только один. Это ставит обратноходовой преобразователь в невыгодное положение, так как ток на его первичной стороне коммутируется одним МОП-транзистором, а выпрямление тока на вторичной стороне обеспечивается единственным диодом. В прошлом разработчикам источников питания приходилось применять дорогие, громоздкие и неэффективные силовые компоненты. Это приводило к высокой рассеиваемой мощности, повышенному тепловыделению и, следовательно, к снижению КПД источника питания.

Использование современных технологий и компонентов значительно сократило разрыв в эффективности между двумя топологиями. Например, применение схемы синхронного выпрямления с современными полевыми транзисторами привело к значительному уменьшению вклада потерь выпрямителя в общие потери источника питания. Благодаря длительному процессу развития и совершенствованию МОП-транзисторов, силовые ключи на первичной стороне преобразователей также вносят все меньший вклад в общий уровень потерь. Увеличение разнообразия форм и размеров сердечников, а также доступных материалов привело к появлению компактных, эффективных и бюджетных трансформаторов для обратноходовых преобразователей. Примером использования новых сердечников являются трансформаторы Coilcraft, в частности серия POE51Q-12E для обратноходовых преобразователей и серия FCT1-120Q3SE для прямоходовых преобразователей, которые соответствуют требованиям стандарта IEEE 802.3bt. Результатом всего вышесказанного становится незначительный 1,5% разрыв в уровне эффективности между преобразователями, сравнение которых приведено в таблице 2. Графики зависимостей КПД от нагрузочного тока для этих преобразователей показаны на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость КПД от тока нагрузки

Выбросы напряжения на силовом транзисторе первичной стороны

По уровню выбросов напряжения на силовом ключе преимущество находится на стороне прямоходовых преобразователей с активным ограничением. Это является следствием нескольких факторов, но в первую очередь определяется более эффективной борьбой с влиянием индуктивности рассеяния трансформатора.

Индуктивность рассеяния является результатом неполной магнитной связи между первичной и вторичной обмотками, из-за чего не весь магнитный поток проходит через обе обмотки. Большие трансформаторы обычно характеризуется повышенной утечкой магнитного потока. Так как при равной выходной мощности габариты трансформаторов обратноходовых преобразователей обычно больше, чем у прямоходовых источников питания, то это приводит к более высокой индуктивности рассеяния.

Рис. 7. Индуктивность рассеяния в обратноходовом преобразователе

В эквивалентных схемах замещения индуктивность рассеяния обычно представляется в виде отдельной индуктивности (LLKG), которая включается последовательно с первичной обмоткой, как показано на рис. 7. Когда силовой МОП-транзистор на первичной стороне отключается, ток, протекающий в LLKG, не может измениться скачком. Он начинает протекать через относительно небольшую паразитную емкость стока транзистора (CPARASITIC), что вызывает колебания паразитного LC-контура с быстрым скачком напряжения (рис. 8). Этот скачок напряжения оказывается приложенным к стоку и может превысить рейтинг напряжения сток-исток силового ключа.

Рис. 8. Выброс напряжения в обратноходовом преобразователе

Прямоходовой преобразователь с активным ограничением борется с проблемой выбросов напряжения при коммутациях особым способом. Для этого используется дополнительная цепь, образованная конденсатором CCLAMP и МОП-транзистором QCLAMP, как показано на рис. 1. Когда основной силовой транзистор первичной стороны QPRI отключается, ток индуктивности рассеяния перенаправляется в CCLAMP с помощью QCLAMP. Емкость CCLAMP значительно выше, чем паразитная емкость основного силового транзистора QPRI. При правильном выборе CCLAMP и своевременном включении транзистора QCLAMP выброс напряжения на стоке основного транзистора QPRI практически отсутствует, как показано на рис. 9. В таблице 2 приведены максимальные перенапряжения для МОП-транзисторов первичной стороны рассматриваемых преобразователей.

Рис. 9. Выброс напряжения в прямоходовом преобразователе

Меньшие габариты трансформатора, по сравнению с обратноходовыми преобразователями, и схема активного ограничения выбросов при коммутациях являются причинами того, что перенапряжения на силовом МОП-транзисторе первичной стороны прямоходового преобразователя оказываются ниже. Этот факт позволяет выбирать транзисторы с меньшим рейтингом напряжения. С другой стороны, так как сопротивление открытого канала МОП-транзистора RDS(on) экспоненциально и обратно пропорционально номинальному напряжению, то прямоходовые источники питания вновь получают дополнительное преимущество по уровню эффективности. На рис. 10 отчетливо видно, что перегрев силового транзистора QPRI в прямоходовом преобразователе оказывается существенно ниже.

Рис. 10. Распределение температуры на примере рассматриваемых преобразователей

Существенные выбросы напряжения являются одним из очевидных недостатков обратноходовых преобразователей. Учитывая критическое влияние перенапряжений на рейтинг изоляции источника питания становится очевидным, почему хорошая конструкция трансформатора должна быть оставлена на усмотрение экспертов. Инженеры Coilcraft знают о всех компромиссах, возникающих при проектировании современных обратноходовых и прямоходовых источников питания. Кроме многолетнего опыта, полученного при разработке нестандартных решений по индивидуальным требованиям заказчиков, широкая производственная база Coilcraft также обеспечивает качество, доступность и конкурентную стоимость продукции.

Преимущества транзисторов CoolMOS P7

Первое, что бросается в глаза при сравнении характеристик семейств CoolMOS P7 и CoolMOS C3, это повышенное значение пробивного напряжения 950 В для CoolMOS P7. Конечно, рост запаса по напряжению на 50 В является важным преимуществом, особенно при отсутствии снабберной цепи. Однако у новых транзисторов есть и целый ряд других достоинств [1].

Снижение сопротивления открытого канала. Сопротивление открытого канала (Rси) определяет потери проводимости. При этом важно учитывать зависимость Rси от температуры кристалла. Испытания показывают, что CoolMOS C3 демонстрируют более значительный рост Rси при нагреве по сравнению с CoolMOS P7. Более того, при температуре 80°С сопротивление CoolMOS P7 оказывается на 10% меньше (рисунок 6). При температуре 100°С преимущество достигает 15%.

Рис. 6. Сравнение зависимости сопротивлений открытого канала для CoolMOS P7 и CoolMOS C3 [1]
Уменьшение энергии включения. В квазирезонансных преобразователях коммутация силовых транзисторов происходит при нулевом токе и минимальном напряжении, что приводит к уменьшению энергии включения Eon почти до нуля. Вместе с тем потери, связанные с Eoss, никуда не исчезают и вносят значительный вклад в общие потери при включении транзистора.
По сравнению с семейством CoolMOS C3, новые транзисторы CoolMOS P7 обеспечивают меньшее значение Eoss при работе с напряжениями выше 50 В (рисунок 7). А при напряжении 400 В преимущество достигает 50%.

Рис. 7. Сравнение энергии Eoss для CoolMOS P7 и CoolMOS C3 [1]
Уменьшение заряда затвора. Заряд затвора Qз определяет потери, связанные с управлением силовым транзистором: чем меньше заряд, тем меньше потери. С другой стороны, чем меньше потери, тем выше может быть частота коммутации, и тем компактнее будут габариты преобразователя за счет уменьшения размеров пассивных компонентов (трансформатора, конденсаторов).
При стандартном управляющем напряжении 8 В заряд затвора для CoolMOS P7 оказывается на 50% меньше, чем у CoolMOS C3 (рисунок 8).

Рис. 8. По сравнению с семейством CoolMOS C3, транзисторы CoolMOS P7 отличаются меньшим зарядом затвора [1]
Малое и точное значение порогового напряжения. Пороговое напряжение для транзисторов CoolMOS P7 составляет около 3 В, а его разброс не превышает ±0,5 В (рисунок 9). Это позволяет уменьшить потери мощности на управление за счет снижения напряжения включения.

Рис. 9.Сравнение cток-затворных характеристик CoolMOS P7 и CoolMOS C3 [1]
Важным преимуществом CoolMOS P7 становится предсказуемая реакция при возникновении аварийного пробоя.

Основное правило выбора между прямоходовым и обратноходовым преобразователем

В современных источниках питания ставятся под сомнение некоторые традиционные эмпирические правила выбора между прямоходовой топологией с активным ограничением и обратноходовой топологией, работающей в режиме непрерывных токов. Тем не менее, все же можно сделать некоторые промежуточные выводы, по крайней мере, в случае с источниками питания для телекоммуникационных приложений.

Современные прямоходовые преобразователи, как правило, более эффективны. Первая причина этого заключается в том, что схема активного ограничения позволяет использовать МОП-транзисторы с меньшим рейтингом напряжения и, как следствие, с более низким сопротивлением открытого канала RDS(on). Другая причина состоит в удвоении числа силовых компонентов. Например, в прямоходовых преобразователях используется два магнитных компонента: гальваническую развязку обеспечивает трансформатор, а в LC-фильтре используется отдельная индуктивность. Из рис. 10 видно, что нагрев магнитных элементов в прямоходовом преобразователе оказывается ниже, чем нагрев единственного трансформатора в обратноходовом источнике питания. Аналогичным образом распределение токовой нагрузки по двум силовым транзисторам обеспечивает повышение эффективности прямоходовых преобразователей по сравнению с обратноходовыми. Это особенно важно при создании источников питания с высоким нагрузочным током и низким выходным напряжением. Использование двух МОП-транзисторов в синхронном выпрямителе прямоходового преобразователя также позволяет эффективнее работать при большой токовой нагрузке.

Увеличение числа силовых компонентов помогает повысить эффективность прямоходового преобразователя, однако, с другой стороны, по этой же причине его стоимость оказывается выше. Кроме того, увеличение числа компонентов неизбежно приводит к росту площади печатной платы.

Можно ли сделать импульсный блок питания своими руками?

Иногда покупка готового импульсного блока питания является экономически нецелесообразной. В таком случае, если вы разбираетесь в электронике и умеете паять, можете сами сделать импульсный БП. Он пригодится для питания различного низковольтного электроинструмента, чтобы избежать расходования ограниченного ресурса дорогой аккумуляторной батареи. Можно также сделать зарядное устройство для смартфона, ноутбука или других мобильных гаджетов.

Прежде чем приступить к изготовлению источника питания, нужно знать, где он будет использоваться. В зависимости от области его применения определяется мощность изделия. Мощность должна выбираться с запасом. Считается, что импульсный блок питания имеет самый высокий КПД при нагрузке 60-90%.

Кроме того, требуется выбрать схему источника питания, а также определить, должно ли на выходе быть стабильное напряжение и нужно ли для этого вводить обратную связь. Обратите внимание на его номинальные параметры: напряжение, ток и мощность.