Тенденция к сокращению объемов схемотехнических работ наблюдается практически во всех областях проектирования электронных приборов, будь то техника связи, компьютерная техника, управляющая техника, измерительная и контрольная техника. То же самое можно сказать и относительно области создания вторичных источников электропитания. Наиболее сильно подобной унификации подверглась элементная база ИВЭП небольшой мощности (единицы и десятки ватт), несколько хуже дело обстоит в области ИВЭП с мощностями в сотни ватт. Мощные же источники питания (более киловатта) и сегодня, как правило, представляют собой уникальные конструкции, требующие индивидуального подхода к разработке. Чтобы обеспечить конкурентоспособные параметры таких источников, необходима детальная проработка не только электрических схем, но также и учет возможного расположения элементов, большие объемы предварительного макетирования, испытания. Короче говоря, мощные ИВЭП представляют собой класс электронных устройств с нетрадиционным подходом к схемотехнике. Тем не менее, и здесь предпринимаются определенные успешные попытки по созданию унифицированной элементной базы, типовых схемных решений - по разработке все тех же "кирпичиков"…

Но не будем останавливаться на тенденциях развития мощных ИВЭП, поговорим об ИВЭП небольшой мощности Как показывает многолетний опыт, именно этот класс источников питания в наибольших объемах потребляется разработчиками электронной техники. Итак, пусть читатель, хоть немного знакомый с принципами построения маломощных ИВЭП, сам судит о преимуществах схемотехники ХХI века. Традиционные ИВЭП малой мощности, более полувека использующиеся в составе электронной техники, как всем известно, предельно просты. Это - трансформатор, рассчитанный на частоту питающей сети 50 Гц, диодный выпрямитель, регулирующий элемент (со схемой стабилизации или без оной) и фильтр пульсаций (индуктивно-емкостной или емкостной). Пара десятков деталей, высокая надежность и высокая ремонтопригодность. И правда, чему тут ломаться? Но вместе с тем не будем забывать и о недостатках, таких, как большие массы и габариты, низкий КПД. Тем не менее, до сих пор эти ИВЭП на основе непрерывного принципа стабилизации, с успехом используются в промышленной и бытовой аппаратуре, а также в аппаратуре специального назначения.

В 60-х годах ХХ века на рынке ИВЭП появились импульсные стабилизаторы и источники питания, работающие на высоких частотах (20 кГц и более) и обладающие сравнительно более перспективными показателями масс, габаритов и КПД. Принцип действия импульсных источников также сегодня хорошо известен всем: преобразование энергии осуществляется на высокой частоте, а регулирующие элементы работают не в непрерывном, а в ключевом режиме, что позволяет значительно уменьшить размеры индуктивных, емкостных и охлаждающих составных частей ИВЭП.

Но никакое преимущество не дается даром - платить нужно за любой выигрыш. Платой за преимущество импульсных ИВЭП стало усложнение схем их построения, что привело к уменьшению надежности, увеличению стоимости. Выявилось также несовершенство существовавшей на тот момент элементной базы - по своим характеристикам она просто не поспевала за схемотехникой. Диоды и транзисторы оказались слишком "медленными", сильно нагревались и часто выходили из строя. Ограниченная номенклатура более-менее подходящих элементов также стесняла разработчика. Именно указанные обстоятельства породили большое количество сильно теоретизированных публикаций на тему схемотехники импульсных ИВЭП. Авторы публикаций предлагали всевозможные, часто экзотические, методы повышения эффективности и надежности импульсных источников питания. Шли такие исследования и в нашей стране. Показательный пример: если читателю попадется на глаза книга по схемотехнике импульсных ИВЭП, выпущенная в 70-х - 80-х гг, пусть он не удивляется обилию сложных схем и километровых расчетных формул на ее страницах. Всему виной элементная база, которую эксплуатировали на пределе возможностей. К счастью, все эти сложности уже стали достоянием истории.

Примерно десять лет назад на рынке комплектующих для ИВЭП произошла настоящая революция, воплотившая в жизнь самые смелые мечты разработчиков 60-х. Ведущие мировые фирмы начали массовый выпуск комплектующих, по своим свойствам приближающимся к идеальным. Появились специальные импульсные диоды с малым временем обратного восстановления, управляемые полупроводниковые ключи (транзисторы MOSFET и IGBT), силовые полупроводниковые модули и сборки, включающие в себя несколько согласованных по электрическим свойствам ключевых и неуправляемых (вспомогательных) элементов, драйверы для управления силовыми ключами, элементы защиты от опасных перенапряжений, микросхемы управления, комбинированные микросхемы. Сравнительно новыми устройствами, выполненными в интегральном исполнении, являются появившиеся на рынке корректоры коэффициента мощности с импульсным принципом действия, элетронные балласты для продления срока службы ламп дневного света, преобразователи для электропривода, интеллектуальные импульсные зарядные устройства для аккумуляторных батарей, устройства, чувствительные к уровню напряжения (супервизоры и мониторы питания). Нерешенным остается только вопрос применения готовых индуктивных элементов. Как известно, при проектировании импульсного источника индуктивные элементы, будь то фильтр радиопомех, развязывающий трансформатор или дроссель, в подавляющем большинстве случаев необходимо разрабатывать индивидуально. Некоторые зарубежные фирмы, правда, выпускают готовые индуктивные элементы, но до российского потребителя они доходят плохо, а значит ему, как и прежде, необходимо эти элементы разрабатывать. Впрочем, данная разработка куда проще, чем разработка электрической схемы ИВЭП. В рамках данной статьи едва ли возможно охватить все аспекты производимой в мире элементной базы современных ИВЭП. Остановимся лишь на нескольких общих и наиболее употребительных фрагментах. Огромный класс устройств, как мы знаем, являют собой стабилизаторы напряжения. Для них разработаны готовые микросхемы, включающие в себя полноценную схему управления с элементами обратной связи, высококачественным ключом и схемой защиты от короткого замыкания, перегрузки. Разработчику остается только, следуя рекомендациям технического описания, подключить несколько навесных элементов - и готов замечательный, надежный, малогабаритный импульсный стабилизатор. Как показывает практика, стабилизаторы с выходным током до 5 А обычно содержат внутренний ключевой элемент, а то время как исполнения на более высокие токи требуют подключения внешнего транзистора. И опять здесь никакой сложности - выбери подходящий, подключи к выводам и готово!

Зачастую разработчику удобно изготовить стабилизатор на фиксированное значение напряжения, выбрав его из стандартного ряда 3,3; 5; 9; 12; 15; 18; 24; 27; 30… Зная это, производители элементной базы выпускают готовые микросхемы, снабженные минимальным количеством внешних выводов, и разработчику остается только выбрать подходящий стабилизатор из ряда. Бывает, однако, что требуется спроектировать регулируемый источник с возможностью подстройки выходного напряжения, дистанционного управления. В таком случае тоже несложно подобрать микросхему с соответствующим набором выводов. Предложение велико, а значит критерий выбора находится в плоскости "цена-возможности".

Сегодня разработаны и массово производятся микросхемы для всех возможных импульсных схем стабилизаторов и инверторов напряжений: для понижающих, повышающих и инвертирующих стабилизаторов, для фли-бак конверторов, для пуш-пулов, мостов и полумостов. Есть даже такие интересные экземпляры, которые легко использовать в любом включении.

Как уже было сказано, огромной проблемой до настоящего времени был выбор хорошего ключевого элемента. Биполярные транзисторы требовали для своего управления большие затраты энергии, не позволяли повысить рабочие частоты ИВЭП. Сегодня от этих элементов можно смело отказываться в пользу полевых транзисторов MOSFET и комбинированных транзисторов IGBT. В значительной степени эти слова относятся все же к транзисторам MOSFET, поскольку пока транзисторы IGBT предпочтительнее использовать в схемах управления электродвигателями. Обладая малым сопротивлением в открытом состоянии, высокими скоростями переключения и минимальными затратами на управление, эти транзисторы стремительно занимают свое место в качестве отлаженного "кирпичика" ИВЭП.

Другая проблема, существовавшая многие годы, - проблема управления ключевыми элементами. Мало того, что биполярные транзисторы, как токовые приборы, требуют значительных затрат на управления, но еще схемотехника источников питания не всегда позволяет простыми методами согласовать потенциалы схемы управления и ключа. Обычно проблема решалась применением сигнальных развязывающих трансформаторов. Сегодня налажен выпуск так называемых драйверных микросхем, на которые можно подавать логический сигнал со схемы управления, подключив выходы к управляющим электродам ключей. Драйвер сам "разбирается" с потенциалами сигналов, не позволяет напряжению на управляющих электродах выйти за безопасные рамки. Драйверы обычно имеют дополнительные входы защитного отключения, при помощи которых можно достаточно простыми методами реализовать защиту ИВЭП от перегрузок и КЗ. Некоторые драйверы, предназначенные для работы в полумостовых и мостовых схемах, имеют механизм автоматической защитной паузы (dead time) при переключении силовых элементов.

Так как драйверные микросхемы являются сравнительно молодым направлением разработки "кирпичиков" силовой электроники, в мире пока работает не так много фирм, которые производят драйвера. Из наиболее известных следует назвать International Rectifier (IR), Motorola. Драйверы серий IR21xx и IR22xx, производимые фирмой IR, получили заслуженное признание у отечественного разработчика. Кроме того, что немаловажно, эти микросхемы быстро дешевеют, а значит, становятся доступнее. К сожалению, отечественные разработки в области драйверов пока даже не начались, а надо бы, чтобы они шли уже полным ходом. Как справедливо отмечено в статье о перспективах модернизации отечественной элементной базы ("Электрическое питание" №1, 2001 г), создание отечественных драйверов - насущная, назревшая потребность.

Любая импульсная схема ИВЭП содержит в своем составе полупроводниковые диоды. Эти "кирпичики", используемые в высокочастотных цепях, должны обладать хорошими вентильными свойствами, то есть быстро "открываться" и так же быстро "закрываться". Преимущества быстрых диодов HEXFRED, выпускаемых фирном IR, очевидны - при достаточно больших токах диоды обладают временами обратного восстановления в десятки наносекунд. Здесь же можно упомянуть диоды Шоттки, которые рекомендуется применять в низковольтных ИВЭП для повышения из КПД. Номенклатура быстрых диодов и диодов Шоттки огромна, и разработчику остается только подобрать подходящий по заранее определенным свойствам. Не следует также забывать и о традиционных стандартных диодах, которые по-прежнему применяются в ИВЭП в качестве первичных выпрямителей.

С повышением частоты преобразования растет и опасность влияния паразитных параметров. Например, индуктивные выбросы, возникающие при переключении силовых элементов, легко могут вывести последние из строя, пробить их. Поэтому разработке элементов защиты от этих выбросов уделяется в настоящее время большое внимание. Надо сказать, что достигнуты значительные успехи в этой области. На рынке сегодня можно приобрети варисторы и более перспективные диоды TRANSIL (производитель - фирма SGS-Thomson microelectronics). Выбор защитного элемента осуществляется по критерию достижения напряжения пробоя, а также по допустимой мощности рассеяния. Значительно уменьшились габариты электролитических конденсаторов, повысилась их надежность и устойчивость к климатическим факторам. Разработчик сегодня может подобрать очень удобные для конструирования малогабаритные конденсаторы с аксиальным расположением выводов и малой собственной индуктивностью. Но все еще насущной остается проблема создания электролитических конденсаторов с рабочим напряжением более 450 В, что необходимо для источников с трехфазным входом 380 В 50 Гц. Отечественная промышленность пока не блещет широкой номенклатурой конденсаторов для ИВЭП, но уже сегодня предлагается интересный тип К50-77 (фирма "Элеконд") с подходящими для таких применений параметрами.

Отдельный разговор - конструктивное исполнение элементов. Здесь наблюдается великое разнообразие корпусов. Обратите внимание, скажем, на корпуса, представленные в книге "Short form catalog 1999-2000" фирмы IR и убедитесь, что разработчиками элементной базы хорошо продуманы не только электрические параметры, но и разработаны прекрасные, удобные в размещении корпуса. Здесь же приведены все необходимые для тепловых расчетов справочные данные.

Кстати, о тепловых расчетах. Несмотря на то, что принцип "детского конструктора" уже прочно утвердился в области ИВЭП малой мощности, расчетные методы тепловых режимов элементов сохранились в первозданном виде. Тем не менее, сегодня они легко подвергаются автоматизации с помощью тех же пакетов компьютерного математического моделирования MathCAD или MatLab.

Внедрение новых принципов конструирования ИВЭП требует от разработчиков и нового подхода к организации этого процесса. Принципы тридцатилетней давности далеко не всегда могут быть применены к времени нынешнему. Конечно, как и прежде, разработчик должен обладать исчерпывающими знаниями о том, как работает каждый "кирпичик" его схемы, уметь правильно соединять "кирпичики", выстраивая из них "стенку". Но это еще не залог успеха. Согласитесь, что тридцать лет назад разработчики работали в условиях, когда вся элементная база лежала "как на ладони" - то есть держалась в памяти. Сегодня мы имеем одних фирм-производителей многие сотни по всему миру, чего уж говорить об огромной номенклатуре замечательных по своим свойствам элементов и изделий. При детальном рассмотрении, конечно, оказывается, что разными фирмами производится примерно одно и то же, разве что названия разные… Тем не менее, "модульный" подход предполагает большую работу по анализу рынка компонентов, выбора из них наиболее подходящих и доступных. Следовательно, разработчику просто необходимо оперативно получать информацию. Сделать это возможно только в сети Интернет. Ведущие мировые фирмы, как известно, содержат хорошие серверы, с которых возможно "скачать" документацию. А ее объем и качество достойны самой высокой оценки! Прекрасные "выжимки" из технических условий (datasheet`s), предоставляющие разработчику "пищу для размышлений" в сжатом виде, информация по применению (design notes), бюллетени о новинках и отчеты по надежности… Отечественные "замотные" ТУ здесь, к сожалению, и близко не стоят. Зачастую наши предприятия, уставшие от простоев и нищеты, пытаются поправить свое финансовое положение тем, что продают ксерокопии своих технических условий по баснословным ценам. Впрочем, возможно, что рыночные отношения все же заставят и отечественного производителя электронных компонентов повернуться к потребителю, освоить принципы "детского конструктора", предоставить бесплатно информацию о применении.

Второй подход, к которому надо стремиться современному разработчику, - по возможности использование в изделиях продукции одной фирмы. Например, знакомые нам IR, Motorola, IXYS, SGS-Thomson microelectronics производят всю необходимую гамму компонентов для ИВЭП, за исключением, конечно, индуктивных и "рассыпухи". Конкретных советов по поиску информации в Интернете автор не дает. Например, можно заглядывать на информационные порталы http://www.gaw.ru или http://www.chipinfo.ru , а также на конференции http://www.telesys.ru . Там можно получить первичную информацию, пообщаться с коллегами. "Продвинутые" пользователи смогут пользоваться сервисом поисковых систем http://www.rambler.ru (раздел "Электроника") и других, а также получать документацию "у производителя" - с фирменных официальных сайтов.

Очень важное преимущество "детского конструктора" - взаимозаменяемость компонентов, производимых разными фирмами. Если, к примеру, не удалось приобрести транзистор одной фирмы, можно, особо не задумываясь, приобрести у другой фирмы элемент с близкими параметрами. Работать схема будет точно так же. И последнее. Играя в схемотехнические "конструкторы", не стоит слишком увлекаться ими и видеть только в них одних будущее электроники. Принцип модульного конструирования хорош только тогда, когда нужно быстро и недорого решить тривиальную задачу. Нестандартные изделия требуют, как правило, и нестандартных подходов. Другими словами, и в ХХI веке нужно "соединять голову с руками".