Двухполярный импульсный источник питания

Если честно, до сих пор встречаю инженеров, которые путают двухполярные источники с двумя блоками в одном корпусе. На деле же двухполярный импульсный источник питания — это не просто два выхода, а синхронизированная система с общей точкой. Помню, как на тестовом стенде ООО Хэбэй Тонгке мы с коллегами три дня искали причину фоновых шумов, пока не осознали, что проблема в рассогласовании фронтов импульсов.

Конструктивные ловушки

При проектировании первого прототипа для лабораторного оборудования мы использовали трансформатор с раздельными обмотками. Казалось бы, классика — но при нагрузке 60% появились гармоники, которых по расчетам быть не должно. Разобрались только после замены сердечника на феррит с меньшим значением μ — оказалось, виноват был гистерезис.

Кстати, о теплоотводе: в компактных корпусах от tongke.ru мы сначала пытались ставить алюминиевые радиаторы с ребрами 3 мм. Но при длительной работе на полной мощности (а заказчики вечно хотят 'еще немного запаса') температура достигала 95°C. Пришлось переходить на медные основания с принудительным обдувом — дороже, но ресурс увеличился вдвое.

Самое коварное — это синхронизация ШИМ-контроллеров. В одном из заказов для медицинского оборудования пришлось отказаться от популярной микросхемы TL494 — ее задержки 120 нс вызывали перекосы по плечам. Перешли на специализированный драйвер от Analog Devices, хотя его стоимость была выше втрое.

Проблемы развязки

При тестировании источников для измерительной техники столкнулись с парадоксальной ситуацией: при подключении осциллографа помехи исчезали. Месяц проверяли схемы — оказалось, заземление через корпус прибора создавало паразитную емкостную связь. Теперь всегда тестируем через дифференциальные щупы.

Раздельные диодные сборки для каждого плеча — казалось бы, очевидное решение. Но в импульсных режимах обратное восстановление диодов вызывало выбросы до 40 В при номинале ±15 В. Спасла установка снабберных цепочек с быстрыми диодами Шоттки, хотя пришлось пересчитать все тепловые параметры.

Интересный случай был с заказом от НИИ: требовался источник с пульсациями менее 2 мВ. Стандартные LC-фильтры не помогали — мешала взаимная индуктивность. Решили проблемой размещением дросселей в перпендикулярных плоскостях и добавлением активной компенсации.

Трансформаторные тонкости

На производстве ООО Хэбэй Тонгке долго спорили о способе намотки. Трехобмоточная конструкция (одна первичная и две вторичных) давала лучшее согласование, но при перегрузке выходила из строя на 0.3 секунды раньше раздельных трансформаторов. Для критичных применений выбрали вариант с двумя магнитопроводами.

Зазор между обмотками — всегда компромисс. Увеличиваешь — растут потоки рассеяния, уменьшаешь — риск пробоя. После серии испытаний остановились на дистанции 0.8 мм с дополнительной лавсановой прокладкой, хотя по ГОСТу допускалось 0.5 мм.

Пайка выводов — отдельная история. При использовании свинцовых припоев ПОС-61 температурные циклы вызывали растрескивание контактов через 200-300 циклов. Перешли на бессвинцовые составы с серебром — надежность выросла, но пришлось менять весь технологический процесс.

Защиты и их подводные камни

Схема current sharing между плечами — вечная головная боль. Простая балансировка на резисторах работала только до 30% перекоса. Пришлось внедрять операционные усилители с коррекцией, что увеличило стоимость БП на 12%, зато обеспечило равномерность нагрузки 98%.

Защита от перенапряжения на полевых транзисторах иногда срабатывала с запозданием 8-10 мкс — достаточно для выгорания силовых ключей. Добавили быстродействующие TVS-диоды параллельно стокам, хотя это добавило паразитных емкостей.

Термокомпенсация — тот случай, когда просто поставить NTC-резистор недостаточно. В морозильной камере при -25°C один из прототипов выдавал напряжение на 15% ниже номинала. Пришлось вводить температурно-зависимый корректор опорного напряжения.

Практические кейсы

Для системы питания усилителей мощности связисты требовали КПД не менее 92%. Достигли этого только после перехода на карбид-кремниевые диоды и многослойные печатные обмотки вместо медного провода. Правда, себестоимость выросла на 25%.

В импульсных источниках для телекоммуникационного оборудования столкнулись с ЭМС-проблемами на частотах 150-200 МГГц. Стандартные экраны не помогали — пришлось разрабатывать комбинированный экран из пермаллоя и медной сетки. Сертификацию прошли со второго захода.

Любопытный заказ был от лаборатории физики плазмы — нужен был источник с переходной характеристикой менее 50 мкс. После месяца экспериментов реализовали схему с параллельным включением MOSFET и IGBT, где первые работали в импульсном режиме, а вторые — в линейном. Решение спорное, но специфика требовала именно такого подхода.

Эволюция подходов

За последние пять лет в ассортименте Хэбэй Тонгке появилось 14 модификаций двухполярных источников. От простых buck-преобразователей до резонансных LLC-топологий. Интересно, что 70% заказчиков до сих пор выбирают проверенные временем прямоходовые преобразователи, несмотря на их меньший КПД.

Сейчас экспериментируем с GaN-транзисторами — они позволяют поднять частоту коммутации до 500 кГц без критического роста потерь. Но пока не решены вопросы массового производства — выход годных кристаллов все еще низок.

Из последних наработок — гибридная система стабилизации с цифровым управлением и аналоговой коррекцией. Микроконтроллер задает базовые параметры, а операционные усилители компенсируют быстрые помехи. Решение оказалось особенно эффективным для прецизионных измерительных комплексов.