Лекции 11-12 - Конспекты (1095380), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Это означает, что фильтрация по входу может бытьупрощена. Наконец, время отклика на изменение нагрузки уменьшается, такжекак и время установления, так что и выходной конденсатор можно выбратьме́ ньшей ёмкости.Выходы двухфазных схем имеют сдвиг по фазе, как правило, на 180°.Трёхфазных схем – на 120°. Тем не менее, выходы четырёхфазных схем, какправило, выполнены в виде двух пар, работающих в противофазе. Причинаэтого в том, что схема входных фильтров для фильтрации помех будет проще,если во входном токе не будет иметь место слишком много сдвинутых по фазеотражённых импульсов.Помимо выше рассмотренных, к достоинствами многофазных ПН такжеможно отнести:- близкий к единице коэффициент мощности, потребляемой от питающейсети;-возможностьповышениянадёжностизасчётрезервированияпреобразовательных ячеек.К недостаткам следует отнести обилие задействованных компонентов исложность организации системы.

К примеру, в настоящее время число фаз вПН, используемых для электропитания процессоров на материнских платах,может составлять несколько десятков.ИМС многофазных контроллеров в настоящее время легко доступны.Они могут быть использованы в топологии понижающих, повышающих илиSEPIC ПН. Кроме того, они содержат встроенную защиту от короткогозамыкания и схему блокировки от недопустимо повышенного входногонапряжения.31Электропитание РЭАГлава 7.2К примеру, ИМС LT3730 – типичный трёхфазный понижающийконтроллер, разработанный для ноутбуков, собранных на базе процессора"Intel". Он работает на частоте 600 кГц по каждой фазе.

Так как фазы ненакладываются друг на друга, частота пульсации составляет 1,8 МГц. Дроссельдля каждой из фаз может быть в 3 раза меньше, чем требовался бы воднофазной схеме. То же самое относится и к выходному конденсатору.Структура трёхфазного ПН с ШИМ-контроллером приведена нарисунке 7.64. Каждая фаза образована драйвером управления переключениямиМОП-транзисторов, парой самих МОП-транзисторов и сглаживающим LCфильтром.Рисунок 7.64 – Структура трёхфазного преобразователяПрименение N-фазного ПН позволяет распределить ток по всем фазам, аследовательно, ток, протекающий по каждой фазе, будет в N раз меньше токанагрузки. К примеру, если использовать трёхфазный ПН для электропитания32Электропитание РЭАГлава 7.2процессора с ограничением по току в каждой фазе 30 A, то максимальный токчерез процессор составит 90 А.

Однако если предполагается возможностьразгона процессора, то необходимо увеличить число фаз преобразования илиже использовать в каждой фазе дроссели, конденсаторы и МОП-транзисторы,рассчитанные на бо́ льший ток.В результате того, что все фазы работают с временным сдвигом друготносительно друга, пульсации выходного напряжения и тока по каждой фазетакже будут сдвинуты по временной оси друг относительно друга.

Суммарныйток, проходящий по нагрузке, будет складываться из токов по каждой фазе, ипульсации результирующего тока окажутся меньше, чем пульсации тока покаждой фазе, как это показано на рисунке 7.65.Рисунок 7.65 – Временны́ е диаграммы работы трёхфазного преобразователяПрактически все производители материнских плат в настоящее времяиспользуюттехнологиюдинамическогопереключениячислафазэлектропитания процессора.

Собственно, данная технология отнюдь не нова ибыла разработана компанией "Intel" уже достаточно давно. Однако, как эточасто бывает, появившись, данная технология оказалась невостребованной33Электропитание РЭАГлава 7.2рынком. И только когда идея снижения энергопотребления компьютерововладела умами разработчиков, вспомнили о динамическом переключении фазэлектропитания процессора.

Производители материнских плат пытаютсявыдать эту технологию за свою фирменную и придумывают ей различныеназвания. К примеру, у компании "Gigabyte" она называется Advanced EnergySaver (AES), у "ASRock" – Intelligent Energy Saver (IES), у "ASUS" – EPU, у"MSI"– Active Phase Switching (APS). Однако несмотря на разнообразиеназваний, все эти технологии реализованы абсолютно одинаково и, конечно же,не являются фирменными.

Более того, возможность переключения фазэлектропитания процессора заложена в спецификацию Intel VR 11.1 и всеШИМ-контроллеры, совместимые со спецификацией VR 11.1, поддерживаютеё.7.8 Шинные преобразователи напряженияШинный преобразователь (в зарубежной терминологии Bus Converter),известный также как ратиометрический преобразователь (Ratiometric Converter,этот термин в русскоязычной технической литературе применяется крайнередко), занимает особое место среди изолирующих ПН.Необходимость таких ПН возникла из-за сложностей в организацииэлектропитания для телекоммуникационных систем, содержащих многоразличных потребителей с разными напряжениями электропитания. Поэтомувместо того чтобы строить отдельный ИЭП для каждой шины электропитания,была предложена универсальная архитектура электропитания с промежуточнойшиной (Intermediate Bus Architecture – IBA), или архитектура распределённогоэлектропитания (Distributed Power Architecture – DBA).В этой архитектуре изолирующий ИЭП сначала преобразует напряжениев средний (промежуточный) уровень напряжения постоянного тока, которыйуже затем может быть использован для электропитания нагрузок на уровнеплаты через неизолирующие DC/DC преобразователи по технологии "точка-вточку" (POL – Point of Load).34Электропитание РЭАШинныйГлава 7.2преобразовательимеетфиксированныйкоэффициентпреобразования напряжения, как правило, 4:1, отсюда и его альтернативноеназвание – ратиометрический (от англ.

ratio – отношение). При этомпоследующие POL-преобразователи вместо широкого диапазона по входномунапряжению оптимизированы для достижения максимального КПД прибольших токах нагрузки.Шинные преобразователи могут быть выполнены на базе прямоходовойили двухтактной топологий. Кроме того, для снижения потерь в них обычновместо традиционных диодов используется синхронное выпрямление.На практике наиболее часто используют две промежуточные шинынапряжения электропитания.

Сначала напряжение входной сети переменноготока преобразуется в 48 В напряжения постоянного тока. Для обеспечениябесперебойногоэлектропитанияимеетсяещёирезервнаяшинасэлектропитанием от аккумуляторных батарей. Затем промежуточные 48 Впреобразуют (в отношении 4:1) в 12 В для непосредственного электропитанияPOL-преобразователей. Соответствующая структура системы электропитанияприведена на рисунке 7.66.Рисунок 7.66 – Система электропитания с промежуточной шинойАБ – аккумуляторная батарея; POL – стабилизатор типа "точка-в-точку"35Электропитание РЭАГлава 7.27.9 Резонансные схемы преобразования напряжения7.9.1 Общие сведенияРазвитиеПНпреимущественноидётпопутиминиатюризации,повышения КПД и надёжности при одновременном снижении их стоимости.Появлениеновойэлементнойбазы,атакжеразработкановыхсхемотехнических решений позволяют улучшать указанные характеристикиПН, в частности, обеспечивать рост частоты преобразования, без чего сегодняневозможно увеличить удельную мощность ИЭП.Долгое время в силовой электронике главным препятствием на путииспользования более высоких частот преобразования электрической энергиибыли практические трудности создания быстрых и достаточно мощныхсиловых ключей.

Из-за того, что невозможно достичь мгновенного включенияи выключения ключа, на нём во время переключения имеется напряжение иодновременно через него протекает ток. Другими словами, трапецеидальные, ане прямоугольные импульсы характеризуют процесс переключения. Это, всвою очередь, приводит к потерям переключения, которые сводят на неттеоретически высокий КПД идеального ключа, который мгновенно включается,имеет нулевое сопротивление во включенном состоянии и мгновенновыключается.Потери на включение транзистора можно оценить какPVT _ вкл1TDTDT uсиiсdt  f  uсиiсdt ,0(7.154)0где uси – напряжение сток-исток; iс – ток стока. Очевидно, потери напереключение будут увеличиваться с ростом частоты преобразования.Крометого,наличиеиндуктивностейрассеяниясиловоготрансформатора, а также ёмкостей и инерционности полупроводниковыхприборов приводит к индуктивному характеру нагрузки при выключениисиловых транзисторов и емкостному при их включении.

Это вызывает36Электропитание РЭАГлава 7.2значительные перегрузки полупроводниковых приборов по току и напряжению.Также большие скорости переключения тока и напряжения обуславливаютсильные импульсные помехи, проникающие через паразитную емкостнуюсвязь – как конструктивную, так и внутри элементов (эффект Миллера).Вредное влияние этих паразитных связей становится более ощутимым приповышении частоты преобразования.На рисунке 7.67 проиллюстрированы временны́ е диаграммы работырегулирующего транзистора дроссельного понижающего ПН, а также одна изжелаемых форм тока через транзистор.В общем случае высокочастотные ПН должны оптимально использоватьчастотные свойства составляющих их элементов, обеспечивать ЭМС с РЭА,защиту полупроводниковых приборов от перенапряжения и вторичного пробоя,снижение коммутационных потерь мощности и помех, создаваемых ПН.Рисунок 7.67 – Формы напряжений и токов через регулирующий транзисторХотя каждая из этих проблем имеет свои особенности, в традиционныхсхемах ПН с прямоугольной формой напряжения и тока на регулирующем37Электропитание РЭАГлава 7.2ключе все они решались путём формирования траектории переключениятранзисторов и диодов.

Формирующие цепи (демпферы и фиксаторы),обеспечивая задержку между спадом напряжения и фронтом тока транзисторапри включении и спадом тока и фронтом напряжения при его выключении,значительно снижают коммутационные потери мощности в транзисторах.Однако мощность потерь при этом не рекуперируется в ИЭП, а рассеивается вэлементах цепей. Кроме того, форма тока через транзистор остаётсяпрактически прямоугольной.

Следовательно, сохраняются все связанные с этимнедостатки (высокий уровень электромагнитных помех, перенапряжения наполупроводниковых приборах и т. д.). Номинальная мощность дросселей иконденсаторов формирующих цепей невелика, поскольку время действияформирующих цепей ограничено временем фронта и спада. При этомсущественного повышения частоты преобразования (свыше 100 кГц) непроисходит.Другой путь решения данных проблем – разработка ПН, использующихявление резонанса. Как правило, они основаны на схемах (топологиях)традиционныхПН,вкоторыевведенырезонансныеконтуры(РК),образованные дополнительными или паразитными реактивными элементами.В ПН с РК переключение транзистора происходит, когда либосоответствующее напряжение, либо ток пересекают нулевой уровень, чтопозволяетснизитьнагрузкунатранзисторы,уменьшитьуровенькоммутационных помех и практически исключить потери мощности напереключение.

В результате частота преобразования может быть повышена донескольких мегагерц.В общем случае резонансным контуром называют замкнутую цепь,содержащую компоненты, обладающие индуктивностью и ёмкостью. Вкачестве этих компонентов обычно используют соответственно дроссели иконденсаторы.

Характеристики

Список файлов лекций