Update index.ru.md

content/posts/power_supply_basics/index.ru.md

@@ -4,9 +4,108 @@ title: "Основы проектирования источников пита
 date: 2024-03-15T15:18:00+03:00
 draft: false
 author: "YOUASSBEE"
-description: "Мой перевод книги Роберта Маммано "Основы проектирования источников питания""
+description: "Мой перевод книги Роберта Маммано - Основы проектирования источников питания"
 
 tags: ["DC/DC", "AC/DC","Железо","Источники питания"]
 categories: ["Обучающие материалы"]
 
 ---
+
+## 1 Введение
+
+Начиная эту книгу, разумно ответить на следующий вопрос: "Что такое источник питания и зачем он мне нужен?" Если бы вы задали этот вопрос среднестатистическому разработчику электронных систем, вы вполне могли бы получить ответ: "Источник питания - это мерзость, которая занимает слишком много места в моем корпусе, расходует часть доступной мне мощности, нагревает мои чувствительные схемы и пробивает дыру в моем бюджете!"
+
+Конечно, он или она говорит с точки зрения того, что источник питания не является частью системного решения, которое он или она пытается спроектировать. Ответ также заключается в игнорировании того факта, что источник питания защищает проектное решение от суровых условий электросети, обеспечивая при этом множество контролируемых, регулируемых и защищенных напряжений, которые крайне необходимы системе для выполнения ее задач.
+
+Следовательно, мы должны рассматривать источник питания, как показано на рис. 1.1, как блок, который находится между системой, предназначенной для выполнения чего-то полезного, и основным источником питания, из которого система намеревается получать необходимую энергию.
+
+![Pic_1_1](Pic_1_1.png "Рисунок 1.1 - Первая задача при проектировании любого источника питания состоит в том, чтобы получить полное представление о блоках, расположенных по обе стороны от него.")
+
+### 1.1 Источники питания
+
+Наиболее распространенным источником питания является мощность, которая поступает из розетки; это более точно называется "сетевым питанием", поскольку оно модифицируется и обеспечивается линейными трансформаторами и внутренней распределительной сетью здания. Обычно это называется питанием от сети переменного тока, но переменный ток (для цепей переменного тока) - это, пожалуй, единственное, что в нем стандартизировано.
+
+{{< admonition tip "Забавный факт" >}}
+Интересная часть истории: В конце 1890-х годов произошла крупная битва между Томасом Эдисоном, продвигавшим распределение электроэнергии с помощью постоянного тока низкого напряжения (DC), и Николой Теслой, продвигавшим высоковольтное распределение электроэнергии переменного тока. Эдисон обещал безопасность в доме, в то время как Тесла признавал экономичность преобразования уровней напряжения. Очевидно, что экономические соображения победили, и мы выиграли от этого, но в ту эпоху это была тяжелая борьба в течение нескольких лет.
+{{< /admonition >}}
+
+Первое, что следует учитывать при использовании сетевого питания - это номинальное значение как уровня напряжения, так и частоты переменного тока. Похоже, что каждая страна принимала эти решения самостоятельно, со своими номинальными значениями:
+
+* Северная Америка - 120В, 60Гц
+* Европа - 240В, 50Гц
+* Австралия - 250В, 50Гц
+* Япония - 100В, 50 или 60Гц
+* Китай - 250В, 50Гц
+* Южная Корея - 220В, 60Гц
+* Тайвань - 110В, 60Гц
+
+Поскольку мы сейчас живем в глобальном мире, нет ничего необычного в том, что требуется "работа в универсальном диапазоне", что обычно означает работу в любом месте от низкого напряжения в Японии до высокого напряжения в Австралии. Если мы добавим допуски к этим номинальным уровням, это означает, что универсальный входной диапазон составляет от 85В переменного тока до 265В переменного тока с диапазоном частот от 47Гц до 63Гц. Мы также должны учитывать возможность переходных процессов до 750В и ударов молнии до 6КВ, а также одиночных переходных процессов. (Конечно, все это гораздо более подробно описано в соответствующих руководствах.)
+
+Однако линия переменного тока - не единственный источник энергии для питания цепей и систем. Существует также широкий ассортимент источников питания постоянного тока (называемых источниками постоянного тока), большинство из которых питаются от батарей. Батареи имеют свой собственный диапазон характеристик, определяемых химическими свойствами, областью применения, окружающей средой и многими другими факторами. Несмотря на это, есть некоторые стандартные значения для отраслей, которые стоит отметить:
+
+* Телекоммуникации  - 48В
+* Серверное оборудование - 48В
+* Военная промышленность/космос - 28В
+* Промышленность - 24В
+* Автомобили (не электромобили) - 12В
+* Потребительская электроника – от 1,5В до 20В
+
+Этот список не следует рассматривать как всеобъемлющий, поскольку существует множество дополнительных стандартов, разработанных для конкретных применений (например, некоторые военные самолеты имеют стандарт 270V, а 48V был включен в некоторые европейские автомобили). Выбор 48В,  в качестве стандарта имеет некоторое значение для внутреннего распределения электроэнергии, поскольку, хоть напряжение и можно линейно менять на ток при постоянном уровне мощности, потери мощности увеличиваются экспоненциально с увеличением тока. Следовательно, при заданном уровне мощности использование более высокого напряжения приводит к меньшим потерям. Однако верхний предел для большинства систем был установлен на уровне 48В, поскольку в стандартах безопасности указано, что 60В постоянного тока является максимальным "безопасным" напряжением, и этот порог напряжения достигается, когда к 48В системам применяются максимальные допуски наихудшего случая.
+
+Местная автомобильная промышленность также в течение многих лет пыталась повысить напряжение батареи выше 12В, чтобы уменьшить потери в проводке, но пока безуспешно из-за огромных инвестиций в созданную инфраструктуру 12В. Конечно, электромобили (EV) явно выходят далеко за рамки этого значения. Для потребительских товаров большая часть того, что можно было бы считать стандартной "мощностью постоянного тока", на самом деле определяется доступным номинальным напряжением батареи, и это изменилось с увеличением использования литиевых батарей, которые варьируются от высокого номинального напряжения 4,5В и снижаются до 2,5В во время их циклов разряда.
+
+### 1.1 Системные нагрузки
+
+Требования к нагрузке на систему представляют собой самую большую проблему для разработчиков источников питания, и это самое важное, что нужно сделать правильно, прежде чем начинать новый дизайн. С массовым распространением электронных систем практически не существует стандартов в отношении требований к питанию. Каждая система отличается от других, именно поэтому так важна конструкция источника питания. Список требований к питанию может включать многие, если не все, из следующих факторов:
+
+* Количество необходимых различных напряжений
+* Номинальное напряжение каждого из них с допустимыми допусками
+* Номинальный, минимальный и максимальный ток нагрузки от каждого
+* Максимальная суммарная мощность
+* Общая эффективность при различных уровнях мощности
+* Требования к специальной последовательности запуска
+* Максимальный допустимый ток при перегрузке
+* Тип защиты от сбоев как при перегрузке по току, так и при перенапряжении
+* Регулирование напряжения, необходимое как для изменения в линии, так и для изменения в нагрузке
+* Максимальная выходная пульсация и допустимый шум
+* Реагирование на внезапные скачки нагрузки и входного напряжения
+* Плюс все остальное, что может иметь решающее значение для системы, и это, безусловно, включает в себя размер и стоимость решения
+
+### 1.1 Классификация источников питания
+
+Существует много способов классификации источников питания, но очевидным определением первого уровня является то, является ли он источником переменного тока в постоянный или постоянного тока в постоянный, при условии, что большинство электронных нагрузок сегодня требуют питания постоянным током. Хотя это игнорирует большой класс промышленных систем с приводом от переменного тока, это сделано намеренно.
+
+Преобразователь постоянного тока в постоянный используется в основном только для изменения уровня напряжения. Это можно было бы сделать с помощью неизолированной линейной или коммутационной конфигурации или, во многих случаях, с помощью межкаскадного трансформатора, который может обеспечить безопасную изоляцию, а также изменения уровня напряжения. В этой форме источник питания постоянного тока в постоянный фактически будет преобразователем постоянного тока в переменный для приведения трансформатора в действие на некоторой высокой частоте, за которым следует каскад преобразования переменного тока в постоянный для получения требуемой выходной мощности. (Давайте сократим описание от "XX в YY" и впредь будем использовать просторечный XX/YY.)
+
+Преобразователь AC/DC может быть построен с использованием только выпрямителя и фильтрующего выходного конденсатора. Однако это было бы "запрещено" для применения в линиях электропередачи по соображениям безопасности, если только оно не было бы полностью заключено в изолирующий корпус. Поэтому, из-за требований к безопасной изоляции, а также эффективного изменения уровня напряжения, силовые преобразователи обычно требуют наличие трансформатора. До эры высокочастотных импульсных режимов преобразования этот трансформатор представлял собой большой, тяжелый блок со стальным сердечником, работающий на частоте 50-60 Гц (обычно называемый "лодочным якорем").
+
+{{< admonition note "Примечание" >}}
+Автор перевода крайне не рекомендует использовать без особой необходимости Большой Железный Трансформатор, ибо это тяжелая, крупногабаритная и притом малоэффективная конструкция и должна быть заменена на современный импульсный источник питания.
+{{< /admonition >}}
+
+Однако повышение рабочей частоты трансформатора теперь превращает типичный источник питания, работающий от переменного тока, в многоступенчатую конструкцию, которая включает в себя входной выпрямитель AC/DC, преобразователь DC/AC на высокой частоте, а затем еще одно преобразование AC/DC для обеспечения требуемой выходной мощности. Кроме того, многие источники питания могут иметь дополнительные функции преобразования мощности для обеспечения таких функций, как активная коррекция коэффициента мощности (PFC) на входе источника, а также несколько выходных обмоток для обеспечения нужного количества выходных напряжений.
+
+Следующая часть этой книги начнется с процесса регулирования напряжения и представления компонентов, с которыми нам предстоит работать. Затем мы перейдем к деталям конкретных топологий силовых цепей и алгоритмов управления, используемых для обеспечения их функциональности, посвятив специальные главы описанию динамики контуров управления, магнитной технологии и устранения неисправностей. Дальше, часть книги будет посвящена смежным темам, таким как предотвращение электромагнитных помех, соблюдение стандартов безопасности и проектирование с учетом постоянно растущего спроса на более высокую энергоэффективность. Наконец, эта книга завершится практическим рассмотрением методов преобразования всей этой теории в успешно работающее оборудование.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+