Алгоритм - Учебный центр

Версия сайта для слабовидящих
Заполните форму ниже! Мы вам перезвоним!

Нажав на кнопку "Отправить", Я даю своё согласие на автоматизированную обработку указанной информации, распространяющейся на осуществление всех действий с ней, включая сбор, передачу по сетям связи общего назначения, накопление, хранение, обновление, изменение, использование, обезличивание, блокирование, уничтожение и обработку посредством внесения в электронную базу данных, систематизации, включения в списки и отчетные формы.


Базовые принципы организации импульсных регуляторов напряжения (DC-DC Converter понижающего типа).

Базовые принципы организации импульсных регуляторов напряжения (DC-DC Converter понижающего типа).

Базовая схема понижающего преобразователя постоянного тока представлена на рис. 1. Регуляторы такого типа в современной импортной литературе получили название Buck Converter или Buck Regulator. Транзистор Q1 в этой схеме является ключом, который, замыкаясь/размыкаясь, создает из постоянного напряжения импульсное напряжение.

 

Рис. 1.

При этом амплитуда формируемых импульсов равна 12В. Для повышения эффективности преобразования, Q1 должен переключаться с высокой частотой (чем выше частота, тем эффективнее преобразование). В реальных схемах регуляторов системных плат частота переключения транзисторов преобразователя может находиться в диапазоне от 80 кГц до 2 МГц.

Далее, полученное импульсное напряжение сглаживается дросселем L1 и электролитическим конденсатором C1. В результате, на C1создается постоянное напряжение, но меньшей величины. При этом величина созданного постоянного напряжения будет пропорциональна ширине импульсов, полученных на выходе Q1. Если транзистор Q1 открывается на большее время, то энергия, накопленная на L1, также будет больше, что, в итоге, приводит к повышению напряжения на C1. Соответственно, и, наоборот – при меньшей длительности открытого состояния транзистора Q1 , напряжение на С1 снижается. Этот метод регулирования постоянного напряжения получил название широтно-импульсная модуляция - ШИМ (PWM – Pulse Width Modulation).

Очень важным элементом схемы является диод D1. Этим диодом поддерживается ток нагрузки, создаваемый дросселем L1, в те периоды времени, когда транзистор Q1 закрыт. Другими словами, при открытом Q1, ток дросселя и ток нагрузки обеспечивается источником питания, а в дросселе при этом накапливается энергия. После закрывания транзистора Q1, ток нагрузки поддерживается за счет энергии, накопленной на дросселе. Этот ток протекает через D1, т.е. энергия дросселя расходуется на поддержание тока нагрузки (см. рис. 2).

 

Рис. 2.

Однако в практических схемах понижающих регуляторов, формирующих мощные токи, возникают некоторые проблемы. Дело в том, что большинство диодов не обладает достаточным быстродействием, а также имеют относительно большое сопротивление открытого p-n перехода. Все это не имеет решающего значения при малых токах нагрузки. А вот при больших токах, все это приводит к значительным потерям, сильному разогреву диода D1, всплескам напряжения и к возникновению обратных токов через диод при переключениях транзистора Q1. Именно поэтому данная схема была доработана с целью повышения быстродействия и снижения потерь, в результате чего вместо диода D1 стали использовать еще один транзистор – Q2 (рис. 3).

 

Рис. 3.

Транзистор Q2, являясь МОП-транзистором, имеет очень малое сопротивление открытого канала и обладает высоким быстродействием. Так как Q2 выполняет функцию диода, то он работает синхронно с Q1, но строго в противофазе, т. е. в момент запирания Q1, транзистор Q2 открывается, и, наоборот, при открытом Q1, транзистор Q2 – закрыт (см. рис. 4).

 

Рис. 4.

Именно такое решение и является единственно возможным для организации преобразователей напряжения современных системных плат, где требуются очень большие токи для питания ядра процессора.

Производители элементной базы выпускают специализированные микросхемы, предназначенные для построения импульсных регуляторов напряжения системных плат персональных компьютеров. Применение подобных специализированных микросхем позволяет улучшить характеристики регуляторов, обеспечить их высокую компактность и снизить стоимость, как самих регуляторов, так и стоимость их разработки. На сегодняшний день можно выделить три типа микросхем, использующихся в регуляторах напряжения системных плат, предназначенных для питания ядра процессора:

  • основной контроллер (Main Controller), который называют еще, как ШИМ-контроллером (PWM-Controller) или регулятором напряжения (Voltage Regulator);

  • драйвер управления МОП-транзисторами (Synchronous-Rectifier MOSFET Driver);

  • комбинированный контроллер, совмещающий в себе функции и ШИМ-контроллера, и драйвера МОП-транзисторов.

Многоканальная архитектура регулятора напряжения с использованием нескольких параллельных каналов организована так, чтобы ключи разных каналов переключались с фазовым смещением, т.е. они должны открываться поочередно. Это позволило сделать так, чтобы каждый канал поддерживал выходной ток регулятора в строго отведенный период времени. Другими словами, сглаживающие конденсаторы будут подзаряжаться постоянно, но от разных каналов в разные моменты времени. Так, например, при использовании 4-х канального регулятора, выходные конденсаторы подзаряжаются четыре раза за один тактовый период контроллера, т.е. импульсные токи отдельных каналов смещены по фазе друг относительно друга на 90° (см. рис. 5). Это соответствует увеличению частоты преобразования в 4 раза, и если частота переключения транзисторов каждого канала равна 1.5 МГц, то частота импульсов на сглаживающем конденсаторе будет составлять уже 6 МГц.

 

Рис. 5.


Лицензия