Однотактные преобразователи напряжения могут быть реализованы с обратным и с прямым включением выпрямительного диода. Схема с обратным включением выпрямительного диода позволяет легко реализовывать DC-DC преобразователи с относительно большим напряжением на выходе. В ряде случаев применение обратноходового преобразователя позволяет уменьшить соотношение витков трансформатора, что позволяет упростить его конструкцию. В то же самое время схема с прямым включением выпрямительного диода лучше подходит для низковольтных преобразователей постоянного напряжения.
В преобразователе напряжения с обратным включением выпрямительного диода сначала происходит накопление энергии в индуктивности первичной обмотки трансформатора, затем осуществляется передача этой энергии в нагрузку. Преобразование энергии магнитного поля в ток вторичной обмотки происходит при запертом транзисторном ключе во втором такте работы схемы. Именно в этот такт работы преобразователя открывается выпрямительный диод, что и определяет название схемы.
Рассмотрим работу однотактного преобразователя напряжения с обратным включением выпрямительного диода (обратноходового преобразователя) подробнее. Его упрощенная схема приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 Однотактный преобразователь напряжения с обратным включением диода
Временные диаграммы напряжений и токов в схеме однотактного преобразователя напряжения, приведенной на рисунке 1, показаны на рисунке 2.
Рисунок 2 Временные диаграммы напряжений и токов в схеме однотактного преобразователя напряжения с обратным включением диода
Период работы обратноходового преобразователя напряжения можно разбить на три этапа. На первом этапе положительный импульс напряжения открывает транзисторный ключ, собранный на транзисторе VT1. При протекании тока по первичной обмотке трансформатора T1, на его вторичной обмотке наводится напряжение, запирающее выпрямительный диод VD1. При этом в магнитном поле трансформатора T1 происходит накопление энергии. По мере накопления энергии, ток, протекающий через его первичную обмотку и транзистор VT1, нарастает.
На втором этапе транзистор VT1 запирается, при этом ток протекает по вторичной обмотке трансформатора T1. В начальный момент времени он равен току первичной обмотки в конце предыдущего этапа. Затем, по мере расходования энергии магнитного поля ток уменьшается, поэтому ЭДС самоиндукции трансформатора T1 меняет знак на противоположный, выпрямительный диод VD1 открывается и ток вторичной обмотки заряжает конденсатор Cвых.
Третий этап начинается когда ток спадает до такой величины, что закрывается выпрямительный диод VD1. В этот момент возникают колебания паразитного контура, образованного индуктивностью первичной обмотки, межвитковой емкостью и выходной емкостью транзистора VT1. Обычно частоту преобразования выбирают таким образом, чтобы диод VD1 успевал полностью закрыться при максимальном токе потребления, когда длительность первого этапа максимальна. Это позволяет избежать броска тока в первичной обмотке (при востановлении высокого сопротивления выпрямительного диода) и перегрева диода VD1.
В современных преобразователях напряжения (DC-DC преобразователях) в качестве силового ключа обычно используется высоковольтный МДП транзистор. При его выборе, очень важно знать напряжение на его стоке. Это напряжение при применении идеального трансформатора можно определить следующим образом:
(1)
На временной диаграмме напряжения на стоке силового транзистора отчетливо виден импульс напряжения в начале второго такта, значительно превышающий рабочее напряжение, описываемое формулой (1). Напряжение этого импульса формируется за счет энергии, запасенной в магнитном поле индуктивности рассеяния трансформатора. Для ограниче
Для подавления этого импульса в схеме, приведенной на рисунке 1, используется демпфирующая цепочка Dcl Rcl Ccl. В ней энергия, запасенная в индуктивности рассеяния, заряжает конденсатор Ccl. Что интересно, то при применении недостаточно быстродействующего диода, такого как S1J фирмы Vishay General Semiconductor, часть этой энергии будет передана в нагрузку во время запирания диода. Тем самым можно немного увеличить к.п.д. преобразователя напряжения с обратным включением выпрямительного диода.
Осциллограмма напряжения на силовом ключе DC-DC преобразователя при применении демпфирующей цепочки на диоде S1J приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 Временная диаграмма напряжения на первичной обмотке трансформатора T1
В настоящее время для управления преобразователем напряжения обычно используется специализированная микросхема. В качестве примера можно назвать микросхему импульсного стабилизатора напряжения NCV898031 фирмы ON Semiconductor. Ее типовая схема включения в качестве однотактного преобразователя с обратным включением диода приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 Однотактный преобразователь напряжения на микросхеме NCV898031
По рассмотренной нами схеме реализуется большинство блоков питания современной аппаратуры. В качестве примера можно привести блок питания ноутбука, внешний вид которого приведен на рисунке 6.
Рисунок 6 Внешний вид сетевого блока питания 12В 5А
Дата последнего обновления файла 31.01.2017
