Когда мешают выбросы в цепях питания, следует подумать о приоритетных режимах

Источники питания: начнем с теории

Большинство лабораторных источников питания (ИП) постоянного тока работает в режиме стабилизации напряжения/тока (СН/СТ). ИП представляет собой систему с обратной связью, которая обеспечивает стабилизацию определенного параметра. В режиме СН цепь обратной связи ИП поддерживает постоянное напряжение. В режиме СТ цепь обратной связи ИП поддерживает постоянный ток. Таким образом, если вы имеете ИП СН/СТ, это значит, что он работает в режиме СН и поддерживает постоянное напряжение в соответствии с заданным значением, пока ток, потребляемый нагрузкой, не достигнет заданного значения. Это заданное значение тока часто называют предельным значением. Как только ток ИП достигнет заданного значения, источник перейдет из режима СН в режим СТ. В режиме СТ ИП поддерживает постоянный ток в соответствии с его заданным значением, а напряжение будет уменьшаться, поскольку оно теперь не является регулируемым параметром. И наоборот, если ИП находится в режиме СТ, поддерживая постоянное значение тока, он будет находиться в этом режиме, пока напряжение на нагрузке не достигнет заданного значения напряжения. Затем ИП перейдет из режима СТ в режим СН. Оказавшись в режиме СН, ИП будет стабилизировать напряжение, как было сказано выше.

Режим работы ИП определяется сопротивлением нагрузки. При большом сопротивлении или при разомкнутой цепи ток источника очень мал или отсутствует вовсе, и ИП работает в режиме СН. Аналогичным образом, при малом сопротивлении нагрузки или при коротком замыкании ток источника будет большим, и он будет работать в режиме СТ (рис. 1).

Рис. 1. Выходная характеристика источника питания постоянного тока показывает значения Rнагр, переключающие источник в режим работы СН или СТ

Знакомство с приоритетными режимами

Помимо режимов СН и СТ, ИП может находиться в режимах приоритета напряжения (ПН) и приоритета тока (ПТ), которые определяют его поведение. В режиме ПН приоритет отдается схеме регулирования напряжения. Большинство имеющихся на рынке источников — это ИП с ПН, которые не имеют средств переключения на ПТ. Этот режим настолько распространен, что большинство инженеров даже не подозревает о существовании приоритетных режимов и просто предполагает, что все источники СН/СТ будут вести себя, как источники с ПН.

Отметим, что приоритетный режим не имеет ничего общего с режимом СН или СТ. ИП в режиме ПН может работать в режиме СТ или СН. Аналогичным образом, ИП в режиме ПТ тоже может работать в режиме СН или СТ. Приоритетный режим просто определяет поведение источника в момент перехода из СН в СТ и обратно.

Рассмотрим далее работу ИП в каждом из приоритетных режимов.

Режим с приоритетом напряжения

При включении источника в режиме с ПН сначала устанавливается напряжение, равное 0 В, а ток устанавливается равным заданному значению. Поскольку в режиме ПН приоритет отдается схеме регулирования СН, то ИП запускается в режиме СН, и регулируемым параметром является напряжение. Вначале напряжение равно 0, а затем начинает нарастать до заданного значения под управлением схемы СН, которая обеспечивает чистое напряжение с быстрым нарастанием и минимальным выбросом.

Если нагрузка обладает большим сопротивлением, т. е. R_нагр > (заданное напряжение/заданный ток), то ИП остается в режиме СН, стабилизируя напряжение, и ток будет втекать в нагрузку. При достижении напряжением заданного значения выброс будет очень мал или вообще будет отсутствовать, поскольку ИП стабилизирует напряжение.

Если нагрузка обладает малым сопротивлением, т. е. R_нагр< (заданное напряжение/заданный ток), то ИП начнет работу в режиме СН, но малое сопротивление нагрузки приведет к тому, что напряжение не сможет достичь заданного значения. Вместо этого ток нагрузки быстро достигнет заданного значения тока, источник перейдет в режим СТ, и напряжение начнет спадать. Во время короткого перехода из режима СН в режим СТ, поскольку управление берет на себя схема СТ, потребуется некоторое время для достижения заданного значения тока, что приведет к появлению кратко­временной нестабильности тока, которая может породить бросок, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Режим с приоритетом напряжения во время запуска может порождать бросок тока в момент перехода из режима СН в режим СТ

В общем случае в режиме с ПН выбросы напряжения будут минимальными, а ток в момент перехода из режима СН в режим СТ может демонстрировать выброс, поскольку стабилизация тока не является приоритетной.

Режим с приоритетом тока

При включении источника в режиме с ПТ сначала устанавливается ток, равный 0, а напряжение устанавливается равным заданному значению. Поскольку в режиме с ПТ приоритет отдается схеме регулирования СТ, то ИП запускается в режиме СТ, и регулируемым параметром является ток. Вначале ток равен 0, а затем начинает нарастать до заданного значения под управлением схемы СТ, которая обеспечивает чистый ток с быстрым нарастанием и минимальным выбросом.

Если нагрузка обладает малым сопротивлением, т. е. R_нагр< (заданное напряжение/заданный ток), то источник питания остается в режиме СТ, стабилизируя ток. При достижении током заданного значения выброс тока будет очень мал или вообще будет отсутствовать, поскольку ИП стабилизирует ток.

Если нагрузка обладает большим сопротивлением, т. е. R_нагр > (заданное напряжение/заданный ток), то ИП начнет работу в режиме СТ, но большое сопротивление нагрузки приведет к тому, что ток не сможет достичь заданного значения. Ток, протекающий через большое сопротивление, создаст на нагрузке большое напряжение, и источник быстро достигнет заданного значения напряжения и перейдет в режим СН. Во время короткого перехода из режима СТ в режим СН, поскольку управление берет на себя схема СН, потребуется некоторое время для достижения заданного значения напряжения, что приведет к появлению кратковременной нестабильности напряжения, которая может породить бросок, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Режим с приоритетом тока во время запуска может порождать бросок напряжения в момент перехода из режима СТ в режим СН

В общем случае в режиме с ПТ выбросы тока будут минимальными, а напряжение в момент перехода из режима СТ в режим СН может демонстрировать выброс, поскольку стабилизация напряжения не является приоритетной.

Заключение

Ранее приоритетные режимы реализовывались аналоговыми схемами. Поскольку для управления современными ИП применяются цифровые схемы на основе сигнальных процессоров, цифровые цепи обратной связи, ПЛИС и т. п., то приоритетные режимы можно реализовать в цифровом виде. Поэтому структурная схема такого источника не отражает того, в каком режиме он работает — с приоритетом тока или с приоритетом напряжения. Другими словами, при переходе из одного режима в другой источник питания не переключает какие-либо цепи и не подает сигналы по разным трактам. Цифровая система управления заставляет источник работать по-разному для достижения ПН или ПТ.

Итак, если вам мешают выбросы, выберите соответствующий приоритетный режим. Используйте режим с ПН, если нужно минимизировать выбросы напряжения, например при подаче питания на ядро низковольтного процессора или ПЛИС. Используйте режим с ПТ, если нужно минимизировать выбросы тока на нагрузке с малым сопротивлением, например при зарядке аккумулятора или при подаче питания на системы с конденсаторами большой емкости.