Блог

Sep 02, 2023

Что такое импульсный регулятор напряжения?

Генерация стабильного напряжения, способного пропускать значительные силы тока, является одной из фундаментальных задач электронного проектирования. Базовая модель низковольтной электронной схемы представляет собой что-то

Генерация стабильного напряжения, способного пропускать значительные силы тока, является одной из фундаментальных задач электронного проектирования. Базовая модель низковольтной электронной схемы выглядит примерно так:

Существуют различные способы добиться этого. Когда я впервые начал проектировать схемы, я по возможности использовал линейные стабилизаторы напряжения, такие как почтенный 7805. Однако в настоящее время невозможно отрицать, что импульсные регуляторы часто являются лучшим методом, и, по моему опыту, они обычно являются лучшим методом.

В этой статье мы обсудим номенклатуру, а затем рассмотрим основные принципы коммутационного регулирования.

«Импульсный (напряженный) регулятор» — пожалуй, самый распространенный и узнаваемый термин для обозначения этого класса схем. Однако вы также увидите различные комбинации следующих терминов:

На самом деле я предпочитаю «импульсный стабилизатор» или «импульсный источник питания», потому что «импульсный режим» более удачно передает природу этих схем: переключение — это режим, с помощью которого они выполняют свою задачу по регулированию или преобразованию напряжения.

Все эти термины страдают от двусмысленности, которая редко вызывает проблемы, но, тем не менее, их стоит отметить: «импульсный регулятор» или «импульсный источник питания» теоретически могут относиться к схеме, которая генерирует шину питания с использованием переключателей в сочетании с катушка индуктивности или конденсатор.

Однако на практике упомянутые выше термины зарезервированы для переключателей на основе индукторов. На рисунке 1 приведен пример импульсного регулятора режима на основе дросселя. Подавляющее большинство импульсных источников питания являются индукторными. Именно им будет уделено основное внимание в этой статье.

Коммутаторы на основе конденсаторов, такие как пример схемы на рисунке 2, обычно называются источниками питания с «зарядовой накачкой» или источниками питания с «переключаемым конденсатором». На рисунках 1 и 2 показаны примеры схем, которые создают выходное напряжение, превышающее входное.

Давайте теперь подумаем о линейном стабилизаторе, как показано на рисунке 3. Линейные стабилизаторы могут только снижать напряжение, поэтому мы знаем, что входное напряжение выше выходного.

Линейному регулятору для работы требуется небольшой ток; это называется током земли. Ток заземления часто пренебрежимо мал, поэтому давайте проигнорируем его и предположим, что ток, текущий в регулятор, равен току, вытекающему из стабилизатора в цепь питаемой нагрузки.

Теперь давайте подумаем о власти. Мы рассчитываем электрическую мощность как напряжение, умноженное на ток, и, поскольку выходной ток имеет такой же ток, но более низкое напряжение по сравнению с входным, мощность должна где-то теряться. Также можно представить, что линейный регулятор представляет собой простой резистивный элемент с падением напряжения:

$$V_{DROP} = V_{IN} – V_{OUT}$$

В этом случае рассеиваемая мощность линейного регулятора PREG составит:

$$P_{REG} = V_{DROP} \cdot I_{LOAD}$$

Фактически одним из компонентов линейного регулятора является переключатель — не электромеханический переключатель, а транзистор, способный функционировать как чисто электрический переключатель. Однако мы не называем линейный регулятор импульсным регулятором, потому что переключатель не включается и не выключается; вместо этого переключатель работает в промежуточном состоянии, в котором он имеет значительное сопротивление, и это сопротивление рассеивает мощность и позволяет снизить напряжение.

Линейное регулирование просто и высокоэффективно, но оно неэффективно. Переключатель работает в промежуточном резистивном состоянии и рассеивает потенциально большое количество энергии в виде тепла. Если вы не хотите, чтобы ваш регулятор работал как регулятор и электрический нагреватель, эта мощность тратится впустую.

Это приводит нас к концепции импульсного регулятора. Если мы сможем держать переключатель полностью включенным или полностью выключенным — другими словами, если мы сможем избежать этой промежуточной области с высоким рассеиванием мощности — мы сможем создать гораздо более эффективный регулятор. Но наше обсуждение линейного регулятора предполагает, что потерянная мощность необходима для снижения напряжения. Что делать?