Простой AC/DC источник питания без индуктивных компонентов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2019

Texas Instruments

Одной из наиболее распространенных задач при создании промышленного источника питания является преобразование переменного напряжения в постоянное. Превращение переменного напряжения в постоянное необходимо практически каждому приложению – от зарядных устройств сотовых телефонов до микроволновых печей. Нередко это преобразование происходит с использованием трансформатора и выпрямителя, как показано на Рисунке 1. В этой схеме напряжение понижается трансформатором во столько раз, во сколько различается число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Рисунок 1.	Простейший способ преобразования переменного напряжения в постоянное с использованием трансформатора и линейного регулятора.

Решение с трансформатором имеет ряд недостатков. Как вы, вероятно, знаете, трансформатор работает, преобразуя магнитный поток в электрический ток. В результате этого преобразования трансформатор создает много электромагнитных помех. Кроме того, пульсации выходного напряжения трансформатора очень велики, и для их фильтрации требуется конденсатор большой емкости. В случае маломощных приложений возможен более простой и менее затратный подход, позволяющий отказаться от индуктивных компонентов. Подобно тому, как два резистора образуют делитель напряжения, можно использовать конденсатор для создания сопротивления переменному току (реактивного сопротивления), на котором будет падать напряжение, прежде чем оно достигнет источника питания. Эта конфигурация обычно называется решением с гасящим конденсатором.

Типичная схема с гасящим конденсатором нуждается в стабилитроне, который принимает на себе необходимый приложению ток, когда нагрузка не подключена. Этот стабилитрон должен быть таким, чтобы входное напряжение линейного регулятора (LDO) не превышало максимального допустимого значения.

Один из недостатков топологии с гасящим конденсатором заключается в том, что ее КПД не очень высок из-за того, что на резисторе и LDO регуляторе очень много энергии рассеивается в виде тепла. Но даже если LDO регулятор не стабилизирует напряжение, КПД все равно низок из-за мощности, рассеиваемой в стабилитроне.

Рисунок 2.	Схема с гасящим конденсатором и LDO регулятором для входного напряжения 110 В AC, выходного напряжения 5 В DC и тока нагрузки 30 мА.

Чтобы улучшить КПД этой системы, нужно оптимизировать три основных компонента: демпфирующий резистор, стабилитрон и падение напряжения на LDO регуляторе. Уравнение 1 показывает, как рассчитать КПД базового решения с гасящим конденсатором, показанного на Рисунке 2.

(1)

P_OUT – выходная мощность,
P_IN – входная мощность,
V_OUT – выходное напряжение.

Поскольку решение с гасящим конденсатором является весьма распространенной конфигурацией источника питания в промышленных приложениях, таких, например, как электронные приборы учета и средства автоматизация производства, компания TI разработала микросхему, ориентированную на оптимизацию КПД и размеров схем, использующих архитектуру с гасящим конденсатором. В микросхему TPS7A78 интегрированы многие из дискретных компонентов, требуемых для реализации такой архитектуры, включая активный мостовой выпрямитель. В регуляторе TPS7A78, разработанном специально для работы с использованием гасящего конденсатора, предусмотрен ряд функций, повышающих общий КПД системы. Например, TPS7A78 содержит каскад с коммутируемыми конденсаторами, понижающий входное напряжение в четыре раза и, соответственно, во столько же раз уменьшающий входной ток, что позволяет использовать гасящий конденсатор меньшего размера. Это дает возможность уменьшить габариты решения, его стоимость и потребляемую мощность.

Рисунок 3.	Решение с гасящим конденсатором и микросхемой TPS7A78 для тока нагрузки 30 мА.

Чтобы понять, насколько выше может быть КПД схемы, основанной на TPS7A78, чем при использовании гасящего конденсатора и линейного регулятора, давайте сравним традиционное решение, показанное на Рисунке 2, с решением на TPS7A78, показанным на Рисунке 3. В традиционном решении с гасящим конденсатором и линейным регулятором КПД системы составляет 11%. КПД схемы на основе TPS7A78, если микросхема сконфигурирована для питания такой же нагрузки, может превышать 40% благодаря меньшему входному току, проходящему через гасящий конденсатор, и меньшему сопротивлению демпфирующего резистора.

Материалы по теме