Dc dc понижающий как повысить входное напряжение

Регулируемый миниатюрный DC/DC-преобразователь: получаем из USB любое напряжение от 1 до 24 В

Когда в радиолюбительском или даже профессиональном арсенале требуется регулируемый источник питания невысокой мощности, то в его качестве может выступать DC-DC преобразователь, питаемый от 5-Вольтового телефонного зарядного устройства или даже от USB-порта компьютера.

Это тем более интересно, что телефонных зарядок, от которых можно запитать такой преобразователь, в каждом доме скопилось чуть более, чем гуталина на гуталиновой фабрике. 🙂

Представленный в этом обзоре DC-DC преобразователь имеет встроенный вольтметр и позволяет получить из стандартных 5 Вольт любое напряжение от 1 до 24 Вольт (и даже чуть более, как покажет тест).

(изображение со страницы продавца на Алиэкспресс)

Основные технические параметры DC-DC преобразователя

Входное напряжение	5 В
Выходное напряжение	1 — 24 В
Выходная мощность	3 Вт (макс.)
КПД	94%
Потребляемый ток холостого хода	30 мА
Габариты	70*26*22 мм

Характеристики взяты со страницы продавца; некоторые из них по ходу обзора придётся поправлять, в том числе и в лучшую сторону, как ни странно.

Цвет индикатора напряжения может быть красным или зелёным (по выбору потребителя).

Цена преобразователя на момент обзора — около $4.6 с учетом доставки. Проверить актуальную цену или приобрести устройство можно здесь.

Внешний вид, конструкция и схемотехника DC-DC преобразователя

Преобразователь изготовлен в виде платы с USB-разъёмом, установленной в корпусе из прозрачного голубого пластика:

Прозрачность и гламурный цвет корпуса производят очень приятное впечатление. Хотя, на самом деле, корпус здесь сделан прозрачным не для красоты, а с функциональной целью: чтобы были видны показания встроенного вольтметра.

Корпус — неразборный, его половинки склеены «насмерть».

Вблизи выходных клемм на корпусе имеется оребрение, сделанное, видимо, чтобы корпус не скользил в руке. Но это оребрение оказалось не при деле: удобнее брать в руки устройство ближе к разъёму USB.

На обратной стороне обозначено функциональное назначение изделия:

Кроме того, здесь указана полярность выходных клемм и назначение расположенного с лицевой стороны многооборотного переменного резистора.

Через прозрачный корпус можно более-менее разобраться, как устроен преобразователь.

За оребрением корпуса (на его правой стороне) скрывается маленькая 6-ногая микросхема преобразователя — его главная деталь. На ней проставлена маркировка B6289M. По всей видимости, это — один из клонов популярной микросхемы для повышающих преобразователей MT3608.

Но в данном случае наш преобразователь в целом — повышающе-понижающий. Судя по наличию двух дросселей, здесь применена схема SEPIC, которая и позволяет превратить повышающий преобразователь в повышающе-понижающий.

В качестве выпрямительного диода использован диод Шоттки SS34, имеющий малую величину прямого падения напряжения.

Микросхема имеет встроенный тактовый генератор на частоту 1.2 МГц.

За измерение напряжения и индикацию отвечает «многоногая» микросхема NUVOTON N76E003AT20. Это — аналого-цифровой процессор с 12-битным АЦП. В данном случае этот процессор запрограмирован на роль вольтметра.

Между индикатором и разъёмом USB расположен элемент, обозначенный F1. Это — предохранитель (FUSE), при штатной работе устройства он не должен срабатывать. Но производитель всё-таки подстраховался на всякий случай. Кроме того, производить ещё и настоятельно рекомендует не допускать коротких замыканий.

Наконец, за регулировку напряжения отвечает голубой переменный резистор с ребристой латунной ручкой. При её вращении главное — не прикладывать излишнюю силу, когда она дошла до конечного положения.

Для установки напряжения с точностью 0.1 В вращать ручку надо очень медленно и плавно с того момента, когда напряжение начинает приближаться к требуемому значению. В принципе, миссия — выполнима.

Технические испытания DC-DC преобразователя

Первым делом проверяем реальные пределы регулировки напряжения и точность его измерения встроенным вольтметром.

Устанавливаем положение максимального напряжения:

Итого, по показаниям мультиметра напряжение составило 27.1 В, а по показаниям вольтметра преобразователя 25.9 В. Показаниям мультиметра при этом доверяем больше; ибо это — какой-никакой, а измерительный прибор всё-таки!

Погрешность встроенного вольтметра составила 4.4%. Это — не идеально, но терпимо. При установке напряжения по встроенному вольтметру просто можно учитывать этот факт «в уме».

Теперь устанавливаем минимальное напряжение:

Итого, по показаниям мультиметра напряжение составило 0.61 В, а по показаниям вольтметра преобразователя 0.5 В.

Здесь встроенный вольтметр показывает напряжение только с одной значащей цифрой, и погрешность получается куда больше, аж целых 18%.

Мораль: для очень низких напряжений всё-таки лучше контролировать его установку с помощью внешнего прибора, иначе погрешность может оказаться слишком высокой.

Но главный итог состоит в том, что диапазон регулировки выходного напряжения не только уложился в заявленные пределы, но и даже перевыполнил их! [оркестр играет туш]

При этом, исходя из схемотехники и свойств микросхемы преобразователя, можно предположить, что нижняя граница диапазона регулировки напряжения всегда будет около 0.6 В, а верхняя граница будет зависеть от разброса номиналов резисторов в схеме, но в любом случае будет выше 24 В.

Предельные режимы работы преобразователя и защита от короткого замыкания

Далее проверяем предельный отдаваемый ток преобразователя при разных выходных напряжениях. Проверка производилась только в диапазоне напряжений, официально заявленных производителем.

Проверка осуществлялась при питании от телефонного адаптера 5 Вольт / 2 Ампера; причём работоспособность адаптера при максимальном выходном тока 2 А была ранее успешно проверена.

При этой проверке возникла сложность с определением точной границы начала выхода преобразователя из режима стабилизации заданного напряжения.

Дело в том, что при превышении допустимой отдаваемой мощности защита от перегрузки и короткого замыкания в устройстве срабатывает не мгновенно, а постепенно. В связи с этим граница устойчивости режима определялась немножко «на глазок», по заметному падению напряжения выхода (более, чем на 0.1 В).

Напряжение выхода	Максимальный ток выхода	Максимальная мощность выхода
1 В	1.86 А	1.86 Вт
3 В	1.33 А	3.99 Вт
7.5 В	0.65 А	4.875 Вт
9 В	0.62 А	5.58 Вт
15 В	0.33 А	4.95 Вт
24 В	0.17 А	4.08 Вт

Приведённые здесь режимы — предельные, и длительная эксплуатация в них крайне не рекомендуется (нагрев корпуса был ощутимым).

При этой проверке выяснилось, что при установке на выходе малых напряжений и большого тока на выходе появляются колебания с частотой около 80 кГц, по форме близкие к синусу:

Здесь показана осциллограмма при выходном напряжении 1 В и токе 0.7 А; но первые признаки таких колебаний наблюдались, начиная с тока в 0.27 А.

Устраняются эти колебания, как обычно, с помощью конденсатора, подключенного к устройству снаружи, но расположить его надо близко к выходным клеммам преобразователя (оказалось достаточно 4.7 мкФ). Если этот же конденсатор установить на дальнем конце кабеля длиной 1 м (например), то колебания только слегка сглаживаются, но не устраняются.

Что касается защиты от коротких замыканий, то оптимальной её назвать нельзя. При напряжении 7.5 В ток короткого замыкания на выходе составил почти 2.5 А, а потребляемый ток — 1.55 А.

В таком режиме вся потребляемая мощность рассеивается внутри корпуса преобразователя, что опасно для его жизни и здоровья, если замыкание окажется длительным. При кратковременных замыканиях (2-3 секунды) преобразователь остаётся живым (проверено).

КПД преобразователя

КПД проверен в различных режимах работы преобразователя при мощности на выходе 3 Вт (номинал, установленный производителем). Исключение — режим с напряжением выхода 1 Вольт, в котором получить мощность выхода 3 Вт не удалось.

Напряжение выхода	КПД (Pвых. = 3 Вт)
1 В	44 %
3 В	63 %
7.5 В	77 %
9 В	91 %
15 В	75%
24 В	74 %

КПД даже в самом благоприятном варианте не дотянул до обещанных производителем 94%.

Вероятно, причина кроется в том, что применена более сложная схема устройства, чем та, под которую рассчитана микросхема преобразователя.

Она разработана для повышающих преобразователей; а использована в повышающе-понижающем преобразователе, имеющем дополнительные элементы, и, следовательно, дополнительные источники потерь.

И, последний вопрос — о пульсациях.

Ниже приведена осциллограмма пульсаций при выходном напряжении 7.5 В и токе 0.4 А:

Размах пульсаций составил около 80 мВ, т.е. примерно 1% от величины выходного напряжения.

В большинстве случаев это — приемлемая величина; но при применении преобразователя для питания устройств, чувствительных к помехам, может потребоваться их дополнительное подавление традиционным способом — с помощью конденсаторов. Конденсаторы в таких случаях желательно использовать в комбинации «керамика + электролит» и по принципу «чем больше, тем лучше».

Итоги и выводы

Даже такое простое устройство заставило вспомнить о том, что ничего идеального в этом мире нет. 🙂

Преобразователь оказался вполне работоспособным и «пригодным к употреблению», но при его применении необходимо учитывать особенности этого устройства.

Во-первых, при работе со значительными токами и малыми напряжениями следует подключать дополнительный внешний конденсатор вблизи выходных клемм (для подавления «генерации» на 80 кГц). Большой ёмкости не требуется, достаточно от 4.7 мкФ.

Во-вторых, при работе с чувствительной аппаратурой так же может потребоваться установка дополнительных конденсаторов, подавляющих пульсации; но уже с более «серьёзной» ёмкостью.

В-третьих, надо помнить о недопустимости коротких замыканий на сколь-нибудь длительное время.

И, наконец, в-четвёртых, надо помнить и о том, что при питании преобразователя не от сетевого адаптера, а от от порта USB компьютера есть ограничения на ток, отдаваемый этими портами (500 мА для USB 2, и 900 мА для USB 3). Для примерного расчёта допустимого выходного тока преобразователя может помочь приведённая в обзоре таблица с КПД устройства при разных выходных напряжениях.

Окончательный список «плюсов» и «минусов».

Плюсы:

— широкий диапазон регулировки выходного напряжения, превосходящий заявленный производителем;

— возможность использования с кратковременным превышением допустимой выходной мощности;

— наличие встроенного вольтметра;

— возможность настройки выходного напряжения с точностью до 0.1 В;

— возможность питания от широко распространённых зарядных устройств для мобильных телефонов;

— возможность питания от USB-портов компьютеров (с ограничениями по мощности);

— приятный внешний вид, малые габариты и вес.

Минусы:

— малая эффективность защиты от коротких замыканий;

— необходимость дополнительных конденсаторов для подавления помех (особенно — при малых напряжениях и высоких токах);

— КПД ниже заявленного производителем.

Приобрести этот преобразователь можно на Алиэкспресс проверить актуальную цену или купить.

Разработка boost преобразователя на DSP: принцип работы, расчеты, макетирование

Я уже писал подобную статью про топологию buck, то есть про понижающий преобразователь, сегодня рассказ пойдет о том, как сконструировать повышающий (boost) преобразователь напряжения с управлением не на аналоговом ШИМ-контроллере, а на DSP/МК. Макет будет собран на основе моего «комплекта разработчика» с STM32F334R8T6 на борту и изолированным драйвером полумоста.

Введение

В начале хотелось бы отметить один важный момент — хоть в статье и сказано, что управление происходит с помощью микроконтроллера, но это не означает, что расчет силовой части будет чем-то отличаться от расчета преобразователя с аналоговым ШИМ-контроллером. То есть, методику расчета из данной статьи вы можете смело применять при расчетах силовой части для любого boost conveter.

В реальном мире есть множество задач, которые нельзя решить с помощью применения стандартных аналоговых ШИМ-контроллеров. Мой любимый пример — преобразователь напряжения с алгоритмом MPPT. Как только наша задача выходит за рамки «стандартной» и появляется какой-то дополнительный алгоритм управления или логика работы, наступает ситуация при которой применение DSP упрощает решение задачи и одновременно удешевляет ее, а главное позволяет в принципе решить ее.

Стоит немного рассказать о задачах где вы встретите топологию boost. Сама топология известна многим и многие ее уже наверняка реализовывали, когда вам приходилось, например, из 1 ячейки li-ion АКБ получать 5В — вы использовали маломощный dc/dc boost converter. Подобные маломощные преобразователи часто применяются в цифровой электронике, IoT, автоматике, устройствах с автономным питанием и других задачах.

Второе не совсем очевидное, но крайне важное, применение — PFC или корректор коэффициента мощности. Большинство PFC это самый обычный повышающих (boost) преобразователь, который работает по специальному алгоритму, но в итоге он выпрямляет и повышает входные 85. 265VAC до +400VDC. В дальнейшем мы это дополнительно рассмотрим на примере.

Еще один часто встречающийся вариант — это мощные преобразователи dc/dc boost, например, сетевые инверторы для солнечных панелей с MPPT, которые являются одновременно и самыми дорогими и самыми востребованными, в основном применяются в СЭС на мощностях от 5 до 1500 кВт. Строятся такие преобразователи в 2 каскада, где 1-й каскад представляет из себя многофазный dc/dc boost (гуглится еще как interleaved), который получает обычно на входе постоянное напряжение 200. 600VDC и повышает его до стабильных 800VDC. Далее обычным dc/ac инвертором формируется переменное напряжение. Такие преобразователи как раз и строятся на базе DSP, а их структурная схема выглядит следующим образом:

Надеюсь вам стало понятно почему данная топология важна для разработчиков силовой электроники, а так же почему актуально научиться разрабатывать boost-преобразователи с управлением на базе DSP/МК. Теперь с ясной мотивацией можно перейти к изучению топологии.

Глава 1 — Принцип работы преобразователя по топологии boost

Повышающий boost преобразователь по своему принципу работы идентичен понижающему buck преобразователю, т.к. в обоих случаях есть две стадии работы. На 1-й стадии происходит накопление энергии в дросселе при этом нагрузка питается от выходного конденсатора. На 2-й стадии происходит передача энергии из дросселя в нагрузку и одновременно заряжается выходной конденсатор, который будет обеспечивать энергией нагрузку пока дроссель будет «перезаряжаться». Разумеется, чтобы получить все таки повышающий преобразователь необходимы схемотехнические изменения, давайте посмотрим на принципиальную схему boost преобразователя:

На первый взгляд вам может показаться, что топология не похожа на buck, но если присмотреться внимательно, то станет понятно что они близнецы. Дальше вы это увидите более наглядно, а пока давайте разберем стадии работы boost преобразователя.

Стадия накопления заряда. В момент включения преобразователя выходная емкость С2 находится под потенциалом V_in, т.к. ток проходит через дроссель L1 и диод VD1. Управляющее устройство (ШИМ-контроллер или DSP) начинает генерировать ШИМ-сигнал и подает его на затвор транзистора VT1. При открытии транзистора VT1 получается, что цепь замыкается, индуктивность L1 подключается с источнику питания и начинает накапливать энергию. Ток через VD1 не протекает, т.к. потенциал на катоде у него выше (около V_in), чем потенциал на аноде (потенциал GND, около 0В).

Тут стоит еще дополнить по стадии накопления энергии. В момент включения в выходном конденсаторе С2 практически нет запасенной энергии, но после первой стадии разряда он заряжен и потенциал на нем равен V_out, а значит на последующих стадиях накопления энергии эта емкость С2 будет обеспечивать нагрузку энергией, в результате для нагрузки не будет перебоев в получении энергии. Из этого следует, что С2 должен иметь такую емкость, чтобы запасенной энергии хватило на обеспечение питания нагрузки на длительность открытия транзистора (t_on). В соответствии из выше описанного начиная со 2-го круга повторения стадий этап накопления заряда выглядит так:

Как видите получается две замкнутые цепи. «Красная» цепь замыкается через VT1 и происходит заряд дросселя, а «зеленая» цепь замыкается через нагрузку. «Смешивание» процессов/энергии в данном случае не происходит из-за присутствия диода VD1, т.к. в любой момент времени потенциал на катоде VD1 будет выше, чем потенциал на аноде.

Теперь давайте разберемся что у нас происходит с напряжением, какую связь имеет выходное напряжение с напряжением на входе преобразователя. Как и в случае buck преобразователя наш boost имеет линейную зависимость выходного напряжения от входного, а коэффициент передачи равен коэффициенту заполнения:

Как видите взаимосвязь простая и понятная, соответственно регулировать выходное напряжение можно просто изменяя коэффициент заполнения нашего ШИМ-сигнала. Из формулы регулирования так же следует и алгоритм:

• Чтобы увеличить напряжение на выходе — необходимо увеличить коэффициент заполнения (duty);
• Чтобы уменьшить напряжение на выходе — необходимо уменьшить коэффициент заполнения (duty).

Давайте для наглядности возьмем стабилизированный источник напряжения на 10В, например, лабораторный блок питания, и подадим на транзистор VT1 ШИМ-сигнал, коэффициент заполнения которого будем менять в процессе эксперимента. Щупы осциллографа подключаются в следующие точки схемы:

Опыт №1. Входное напряжение (V_in) равно 12В, коэффициент заполнения ШИМ-сигнала составляет 0,75:

Глава 2 — Ограничения проектирования boost преобразователя

Как вы понимаете идеальной топологии не существует, иначе бы их не было так много и все использовали бы только ее, например, полный мост. В данном случае boost преобразователи так же имеют ряд особенностей, которые накладываю ограничения на использования данной топологии:

Выходное напряжение не должно превышать входное более, чем в 3. 4 раза.
Тут наверняка набегут специалисты и расскажут, как они в часах на ИН-12 с помощью MC34063 повышали напряжение boost-ом из +5В аж в целых +180В! Это конечно замечательно, но давайте прикинем коэффициент заполнения для данного случая, чтобы поднять напряжение из 5В в 180В надо заставить работать преобразователь при коэффициенте около 0,972(!). Думаю не надо рассказывать, что это плохая идея, что на большой частоте переходные процесс при коммутации транзисторов будут иметь сопоставимую длительность, а может даже и большую.

Так же при таком коэффициенте заполнения получается, что транзистор открыт почти всегда, а значит через него протекает ток и мы получаем максимально возможное значение статических потерь, а значит и низкий КПД.

К чему это собственно ведет… на малой мощности (тот самый случай с mc34063) гарантирована нестабильная работа, низкая надежность, пульсации тока и низкий КПД в совокупности с повышенным нагревом силовых элементов. На большой мощности — бабах.

Глава 3 — Расчет силовой части преобразователя

Пришло время рассчитать основные силовые элементы для сборки прототипа. В качестве источника питания я буду использовать лабораторный блок питания с выходом 12В, т.к. если кто-то захочет повторить, а ЛБП нет, то можно использовать обычный китайский Mean Well на 12В 5А. В роли наглядной нагрузки сегодня выступит лампа накаливания на 36В и мощностью 60 Вт. Я специально так подобрал источник и нагрузку, чтобы макет можно было собрать в любой деревне, при этом дешево и выдержать соотношение 1:3. Итого имеем следующие вводные данные:

• Входное напряжение: 12 В
• Выходное напряжение: 36 В
• Номинальная мощность: 60 Вт
• Частота преобразования: 100 кГц

Расчет и изготовление дросселя

Начну с самого интересно и важного, т.к. именно с расчетом силовой индуктивности обычно у разработчиков возникают проблемы. Сразу отмечу, что значение индуктивности рассчитывать буду для режима неразрывных токов (CCM).

Для начала давайте найдем максимальное значение коэффициента заполнения при котором будет работать наш преобразователь. Данное значение будет устанавливаться ШИМ-контроллером при минимальном входном напряжение. Например, я планирую запитывать преобразователь от стабилизированного блока питания, тогда V_min = V_nom. Если же вы выберете в качестве источника питания, например, свинцовый АКБ, то диапазон напряжения нем 10,2. 14,2В и в таком случае для расчетов вам нужно брать значение 10,2В, т.к. при нем будет достигаться максимальный коэффициент заполнения. Я за минимум приму значение равное 12В. Сама формула для расчета проста и выглядит следующим образом:

Теперь нам необходимо рассчитать пульсации тока в дросселе. Кто читал мою статью про buck преобразователь наверняка запомнил, что данную величину мы выбираем сами и обычно она закладывается от 20 до 50%, я же приму размах 30% и теперь найдем самое значение тока:

Теперь рассчитаем минимальное значение индуктивности, которая потребуется, чтобы оставаться в режиме неразрывных токов:

Для изготовления дросселя я возьму дроссель R26/14/11 (R — это кольцо, а цифры — габариты) из материала Kool Mu с проницаемостью 60, скачать документацию на него и купить можно тут — Лэпкос.

Теперь давайте узнаем сколько витков нам потребуется, чтобы получить эту минимальную индуктивность:

Это минимальное количество витков при которых преобразователь останется в режиме неразрывных токов при минимальном напряжение на входе в 12В. Для надежности давайте накинем еще несколько витков чтобы наверняка и намотаем на 3 витка больше, то есть 29 витков. Давайте узнаем какую индуктивность в итоге получим с таким количеством витков:

Мы получил новое (финальное) значение индуктивности и количество витков, давайте проверим не перемахнули ли через предел индукции для данного сердечника:

Сердечник изготовлен из материала Kool Mu для которого предел индукции составляет 0,5 Тл. Как видите с данным сердечником получился пятикратный запас. Н — надежность! Из этого можно сделать косвенный вывод, что на частоте 100 кГц через данный сердечник можно прокачать около 300 Вт.

Теперь давайте определимся с обмоточным проводом. У меня на складе есть много моего любимого провода с диаметром 0,6 мм, что соответствует сечению одной жилы 0,283 мм 2 . Средний ток в сердечнике будет около 5А, соответственно если намотать в одну жилу, то получим плотность тока равную 5А / 0,283 мм 2 = 17,66 А/мм 2 , что многовато и будет избыточный нагрев дросселя. Места для намотки много, сердечник большой, поэтому мотать буду в 2 жилы, что уменьшит плотность тока в 2 раза до значения 8,83 А/мм 2 . Это позволит получить перегрев относительно окружающей среды в пределах +20 о С.

Все параметры дросселя определили: размеры R26/14/11, материал Kool Mu, количество витков 29, обмоточный провод диаметром 0,6 мм и намотка в 2 жилы. Поехали наматывать:

Намотали, закрепили конец обмотки, лентой зафиксировали всю обмотку — готово. Осталось измерить реально значение индуктивности дросселя:

Получили требуемое значение! Теперь можно смело переходить к расчету выходной емкости. Логика в принципе простая — чем больше выходная емкость, тем ниже пульсации. Правда стоит понимать, что если емкость взять на несколько порядков больше расчетной, то постоянная времени будет слишком большой и система управления (СУ) будет работать некорректно, поэтому рассчитаем минимальное значение емкости для конденсатора (С2):

На частотах в пределах 200 кГц, где еще ставятся дешевые электролиты, я обычно умножаю данное минимальное значение на 2. 3 и устанавливаю такой номинал. В текущей задаче я использую отладочный силовой модуль, а на нем уже установлены электролиты, которые играют роль выходной емкости в топологии boost о чем в следующей главе я подробнее расскажу.

Емкость электролитов суммарная 3000 мкФ, это очень много в данной задаче, т.к. плата рассчитывалась на бОльшие мощности. При такой большой выходной емкости обратной связи приходится не сладко, но для опытов пойдет.

Осталось сказать бегло о транзисторах. Именно о транзисторах! Я использую модуль полумоста, а следовательно реализую синхронный boost converter. В модулях установлены транзисторы IPP083N10N5AKSA1 с напряжением сток-исток 100В, что дает практически трехкратный запас по напряжению и следовательно покрывает задачу — по транзистору VT1 проходим, а диод VD1 заменен аналогичным транзистором и соответственно тоже проходим.

Глава 4 — Код для управления преобразователем

Так как про алгоритмы управления я расскажу в отдельной статье, то сегодня управлять преобразователем будет все та же программа, что использовалась в статье, где рассказывалось про топологию buck, почитать можно — тут. В главе код вы сможете подробно прочитать о инициализации HRPWM и АЦП, а так же о их синхронизации.

Изменения в коде произошли лишь в одном месте, а именно в обработчике прерывания с АЦП — изменился порог отсечки, т.к. я использовал другой делитель напряжения. Ну и поправил условие чтобы не было избыточного перерегулирования:

Исходный проект для TrueSTUDIO вы найдете в конце статьи в виде архива. Теперь когда разобран принцип работы преобразователя, посчитаны все компоненты, есть управляющая программа можно приступать к сборке макета и испытывать его на работоспособность и корректность полученных результатов.

Глава 5 — Сборка макета и тестирование работы преобразователя

Приступаем к самой интересной и красочной стадии, а именно к сборке макета и проверке работоспособности. В начале статьи я упомянул о родстве buck и boost топологий, давайте сейчас это разберем, т.к. на модуле полумоста это крайне наглядно. Первым делом давайте посмотрим на схему buck преобразователя:

Зеленая рамка выделяет компоненты, которые установлены на силовом модуле полумоста, как видите тут С1 выполняет роль входной емкости, а конденсатор С2 роль выходной. Теперь давайте изобразим схему boost преобразователя:

Кто внимательный и заметил что изменилось? Да в принципе ничего не поменялось как ни странно, единственное отличие — местами поменялись вход и выход. Как видите сами топологии являются идентичными, а отсюда вытекает еще одно интересное свойство — если применена синхронная топология, то преобразователь можно работать как двунаправленный преобразователь!

Пример? Легко! Представим портативное устройство с USB и Li-ion аккумулятором. Когда USB подключен, то преобразователь работает в режиме buck и заряжает АКБ, как только отключили кабель USB преобразователь переходит в режим boost и из 4.2В поднимает в 5В от которых питается устройство. Круто же! И подобных задач, где пригодится данная особенность достаточно много.

Макет я собрал по второй схеме, а в ней конденсатор С1 это как раз выходная емкость, то есть она уже установлена и на модуль достаточно накинуть дроссель, который мы изготовили и входную емкость. В роли входной емкости С2 я применил пару электролитических конденсаторов на 4700 мкФ 25В и в итоге получился вот такой макет силовой части:

Теперь подключаем к силовой части модуль управления и источник питания, в данном случае лабораторный блок питания:

Теперь зальем прошивку в микроконтроллер, подадим питание с лабораторника, установим коэффициент заполнения 30000 из 45000, что согласно нашей формуле увеличит входное напряжение в 3 раза: V_out = 12В / (1 — 0,66) = 12/0,33 = 36,36В. После этого увидим, что лампа ярко загорелась:

Теперь подключаем осциллограф все к тем же точкам и видим следующий результат:

Как видно устройство работает корректно: напряжение действительно выросло в 3 раза, на входе потребление около 60 Вт (да, я в курсе что лампе надо 36В «переменки»), сама лампа потребляет ток 1,61 А. Для наглядности оставлю небольшое видео в работе:

Осталось выяснить насколько сильно нагревается преобразователь в данных условиях. Я предположил, что перегрев будет минимальным, т.к. все посчитано корректно, а компоненты взяты с запасом, поэтому поместил преобразователь в окружающую среду с температурой примерно +10 o С, чтобы усилить контраст температурного поля.

Методика для тестирования у меня проста и состоит из трех стадий:

• Помещаю преобразователь в среду с температурой +10 o С и жду пока он охладится и станет практически неразличимым в тепловизоре на общем фоне;
• Включаю преобразователь, даю ему поработать 5 минут и измеряю общий вид преобразователя и отдельно силовые компоненты;
• Оставляю преобразователь работать еще на 1 час и снова измеряю, смотрю насколько сильно выросли температуры компонентов.

Измерение №1 — преобразователь поместили в окружающую среду с температурой около +10 o С:

Через час работы температуры подросли и устаканились, пробовал еще измерять через 3 часа, но результат не изменился, вернее изменения на уровне погрешности измерения, поэтому эту стадию не стал добавлять. Пока же давайте посмотрим на температуры после выхода преобразователя на крейсерскую скорость в номинальный режим.

Температура дросселя так же в норме, а значит индуктивность рассчитали верно и сердечник по габаритам так же применили подходящий ну да, с 5-ти кратным запасом:)), то есть он не насыщается и обмотка не перегревается с текущим значением плотности тока.

Держите лампочку в тепловизоре :))

Заключение

Сегодня я разобрал очередную топологию преобразователей, надеюсь материал вам станет полезной шпаргалкой как при разработке обычных, так и управляемых с DSP, преобразователей boost. В следующий раз планирую рассказать о не менее популярной, и возможно наиболее полезной, топологии полный мост или full bridge, расскажу о расчетах трансформатора и о том, как его изготовить.

За поддержку при создании материала для статьи традиционно хотелось бы поблагодарить компанию PCBway, которая облегчает мне процесс создания макетов своими платами и трафаретами.

И самое главное — исходники силового модуля, платы управления и самого кода как обычно доступны на всеобщее обозрение. Пока, что только в виде архивов, как руки дойдут надо наконец-то сделать репозиторий на github-е.

Как выбрать DC-DC преобразователь

Иногда создается ощущение, что стабилизаторы напряжения везде, даже там, где казалось им делать нечего. Они встречаются в повербанках, смартфонах, телевизионных приставках, USB разветвителях, роутерах и многих других устройствах.

DC-DC конвертеры продаются в виде отельных модулей, предназначенных как для радиолюбительского творчества, так для профессионального применения. В данной статье мы расскажем об особенностях этих «невидимых помощников».

Время чтения: 18 минут

Автор статьи — Андрей Кириченко

Особенности и характеристики стабилизаторов напряжения

• Топология Step-Down
• Примеры понижающих DC-DC преобразователей

• Топология Step-Up
• Примеры повышающих DC-DC преобразователей
• Модули питания DC-DC с функцией ограничения тока

1. Buck-Boost – состоят из повышающего и понижающего стабилизатора
2. Автоматическое переключение между режимами понижения и повышения
3. SEPIC — полностью универсальный конвертер

1. Гальваническая развязка входа/выхода
2. Несколько выходных напряжений
3. Инверсия выходного напряжения
4. Регулировка выходных значений
5. Индикация
6. Возможность работы с протоколами быстрого заряда Quick Charge, Power Delivery и т.п.

По списку вариантов исполнения (не считая комбинаций) существует много моделей конвертеров. А ведь бывают еще отличия, например, возможность подключения к компьютеру, сверхмалое потребление в дежурном режиме, повышенный диапазон входного напряжения, наличие синхронного выпрямителя для повышения КПД и т.д.

Следует помнить, что линейные стабилизаторы («КРЕНки») не являются конвертерами. Трансформаторы DC, например, при выходных 5 Вольт 3 Ампер и входном 15 Вольт, ток по входу будет пропорционально меньше, в отличие от линейных стабилизаторов, где ток одинаков всегда.

Понижающие модули питания постоянного тока

Топология Step-Down

Обычно понижающие конвертеры выполнены по топологии Step-Down, выходное напряжение всегда должно быть выше входного на 5-20%.

Схема топологии Step-Down

Примеры понижающих DC-DC преобразователей

Большое распространение получают компактные синхронные модули на базе MP2225, с заявленным максимальным выходным током до 5 Ампер, что при таком размере выглядит очень интересно.

DC-DC модуль питания DD4012SA «КРЕНки» позволяет заменить ей с увеличением КПД.

Синхронный преобразователь на базе MP2225 и DC-DC модуль питания DD4012SA

В радиолюбительской среде известны преобразователи на базе микросхем: LM2596S, XL4005, XL4015. Больше внимания заслуживают второй и третий вариант.

Преобразователи DC-DC имеют выходной ток до 3 или 5 Ампер, регулировку и диапазон входного напряжения от 4-5 до 30-40 Вольт. Отличием являются неплохие нагрузочные характеристики при не высокой цене.

Преобразователи на базе микросхем: LM2596S, XL4005, XL4015

На подобных платах встречаются два или три подстроечных резистора. Второй предназначен для регулировки ограничения тока, а если есть третий, то при помощи него настраивается порог индикации ограничения тока. Подобные платы используются там, где необходимо ограничение тока, например, питание мощных светодиодных матриц, заряд аккумуляторов. Иногда на такие платы ставят индикатор для отображения значений, что повышает удобство пользования, превращая его в универсальное зарядное устройство.

Платы с индикатором отображения тока и напряжения

Выпускаются более мощные версии, например, на базе популярного контроллера XL4016. Для них обычно заявляется ток нагрузки до 8-12 Ампер. Причем иногда к подобным платам добавляют ампервольтметр и получают простенький лабораторный блок питания.

Если этого мало, то, например, на рисунке ниже показан стабилизатор с ограничением тока, входным напряжением 20-70 Вольт и выходным током до 30 Ампер при 2.5-58 Вольт. Его используют для питания автомобильного холодильника от 24 Вольт аккумулятора.

Стабилизатор напряжения с ограничением тока

Ниже сравним несколько понижающих преобразователей.

Наименование модели	XL4015	XL4005	XL4016	LM2596S
Входное напряжение	4 — 38 В	5 — 32 В	4 — 38 В	3,2 — 46 В
Выходное напряжение	1,25 — 36 В	0,8 — 24 В	1,25 — 36 В	1,25 — 35 В
Выходной ток	0 — 5 A	0 — 5 A	0 — 8 A	0 — 3 A

Повышающие модули питания DC-DC

Не менее интересный и полезный сегмент устройств, хотя не такой распространенный.

Топология Step-Up

Необходимо пояснить одну особенность большинства модулей по топологии Step-Up, которая поможет не сжечь ваше устройство или стабилизатор. Преобразователи, собранные по такой топологии, не могут выдавать на выход напряжение меньше, чем входное минус падение на диоде. Если на входе у него 20 Вольт, то на выходе никак не получится менее 19.5, это важно и следует учитывать.

Если у повышающего конвертера указан максимальный выходной ток – это значение при минимальном соотношении вход/выход, а ориентироваться правильнее на максимальный входной ток и считать мощность инвертора.

Учет указанных выше особенностей позволит избежать ошибок и использовать эффективнее повышающие модули DC-DC.

Схема топологии Step-Up

Примеры повышающих DC-DC преобразователей

Выделяют пару недорогих «народных» моделей, которые перекрывают большую часть потребностей радиолюбителей.

Две первые модели построены на базе контроллеров SX1308, MT3608. Начинают они работать при напряжении в 1.8-2 Вольт, это критично для устройств с аккумуляторным питанием.

В третьем модуле применена XL6009, минимальное входное напряжение составляет 5 Вольт, выходная мощность немного выше, чем у предыдущих, но в целом они похожи, поэтому SX1308, MT3608 более интересны за счет меньшего размера.

Модули питания, построенные на базе контроллеров SX1308, MT3608 и XL6009

Использовать подобные конвертеры удобно для питания маломощных потребителей, например, светодиодной подсветки на базе 12 вольт лент от одного-двух литий-ионных аккумуляторов.

Более мощные DC-DC преобразователи на базе XL6019 имеют минимальное входное напряжение в 5 Вольт и допускают ток встроенного ключа в 5 Ампер, что в два раза больше, чем у предыдущих.

Питание более мощной нагрузки, например, ноутбука от автомобильного аккумулятора, подойдет преобразователь QSKJ QS-1224CBD с током от 10 Ампер и мощностью до 150 Ватт.

Преобразователи на базе XL6019

Модули питания DC-DC с функцией ограничения тока

Часто необходимо иметь не только относительно большую выходную мощность, а и функцию ограничения тока. Это сильно расширяет сферу применения, позволяя заряжать аккумуляторы электровелосипедов, питать мощные светодиодные прожекторы. С повышающим стабилизатором используется все, что есть «под рукой», например, недорогие блоки питания 12 Вольт или автомобильный аккумулятор.

Но следует учитывать, что защиту от короткого замыкания такие преобразователи не имеют, ток ограничивают ровно до тех пор, пока напряжение на нагрузке не станет ниже чем напряжение источника.

Первый стабилизатор имеет мощность до 400 Ватт при максимальном токе до 12 Ампер.

QSKJ QS-2448CCBD более компактен с мощностью до 100 Ватт, все компоненты смонтированы на алюминиевой подложке, которую можно установить на радиатор для лучшего охлаждения.

Повышающий преобразователь BMM9201 кроме ограничения тока имеет еще дисплей, на который можно вывести информацию о токе или напряжении, как входном, так выходном, при помощи джампера.

Примеры повышающих преобразователей QS-2448CCBD и BMM9201

В случае если этого мало, можно использовать конвертер QSKJ QS-4884CCCV, он также имеет функцию ограничения выходного тока, но выпускается в двух вариантах, 1200 и 1800 Ватт. Причем разница в цене между ними минимальна, а ключевые отличия 1800 Ватт модели заключаются в более мощном дросселе и трех предохранителях против двух у младшей.

Обе модели имеют массивный радиатор и активное охлаждение.

Максимальный входной ток первой модели составляет 20 Ампер, а второй 25-30 Ампер, поэтому при питании от источника 12 Вольт получится только 240 или 360 Ватт.

Так как у повышающих преобразователей ток по входу выше, чем по выходу пропорционально коэффициенту преобразования, следует убедится, что сможет ли ваш источник обеспечить такой ток. Это касается всех повышающих стабилизаторов. Как пример, максимальный входной ток 10 Ампер, на выходе хотим получить 36 Вольт 5 Ампер, значит напряжение источника должно быть не менее (36х5)/10=18 Вольт без учета КПД, а так как КПД обычно около 90%, то получается надо минимум 20 Вольт, а лучше 24.

DC-DC конвертер QSKJ QS-4884CCCV

Ниже сравним несколько повышающих преобразователей.

Наименование модели	QS-4884CCCV	BMM9201	QS-2448CCBD	QS-1224CBD	XL6019	XL6009
Входное напряжение	10 — 60 В	3- 35 В	8,5 — 46 В	10 — 32 В	3 — 40 В	2 — 32 В
Выходное напряжение	13 — 97 В	3- 35 В	12 — 48 В	12 — 35 В	5 — 45 В	5 — 40 В
Выходной ток	0.5 — 22 А	0,1 — 6 A	4.5 А	10 А	5 А	2 А

DC-DC повышающе-понижающие преобразователи

Особая серия конвертеров с возможностью работать как на повышение, так и на понижение напряжения. Применяются подобные преобразователи не так часто, как повышающие или понижающие, но иногда бывают ситуации, что без них никак. Пример применения — питание устройств которым надо 12 Вольт в автомобиле, где напряжение в зависимости от ситуации может меняться от 10 до 15 Вольт.

Топология Step-Up и Step-Down

Под таким названием продаются разные варианты, но правильным является тот, где на плате стоит два независимых преобразователя. При помощи первого входное напряжение повышается до некоего фиксированного, а затем при помощи второго понижается до требуемого.

Схема топологии Step-Up и Step-Down

Подобные стабилизаторы сложны, дороги, имеют низкий КПД, конструкцию «два в одном». Но при этом у них есть преимущество — низкий уровень пульсаций на выходе.

Из-за перечисленных особенностей встречаются редко. Например, небольшая плата, с относительными характеристиками и неплохой регулируемый инвертор DPS5005, который отличается хорошими характеристиками, довольно высоким КПД.

Преобразователь напряжения DPS5005

Топология SEPIC

Достаточно старая топология, но очень интересная так как из активных компонентов требуется только один ШИМ контроллер, один силовой транзистор и диод. Отличается двумя одинаковыми дросселями, хотя встречаются с одним двухобмоточным.

Преимущества — простая схемотехника, не высокая цена, высокий КПД, чем у повышающе-понижающего, но высокий уровень пульсаций.

Как и предыдущая топология использует регулировку не только выходного напряжения, но и тока, а также функцию полного отключения выхода.

Схема топологии SEPIC

Выбор модулей подобного типа большой, сложности с выбором подходящего нет.

SEPIC на базе очень известной XL6019, вход 5-32 Вольт, выход 1.25-35 Вольт, ток нагрузки до 1.5 Ампер, имеет дополнительный фильтр для снижения пульсаций по выходу.

Более продвинутый DC-DC преобразователь ZK-SJVA-4X, у него есть не только регулировка напряжения и тока, а и индикатор, диапазон входных напряжений 5.5-30 Вольт, выход 0.5-30 при токе до 4 Ампер.

Третий преобразователь хоть и не имеет регулировки выходного тока, но имеет защиту от перегрева и мощность до 80 Ватт, а также индикатор напряжения, что также может быть удобно.

Примеры DC-DC конвертеров топологии SEPIC

Топология на базе контроллера LTC3780

Очень необычная топология конвертера, отличающаяся высоким КПД, более надежной работой, возможностью не только регулировки значений, а также минимального входного напряжения. Имеет два недостатка — цена и малый выбор моделей, так как строится в основном конвертер на базе контроллера LTC3780 производства фирмы Linear.

Данный инвертор является гибридным, содержит один ШИМ контроллер, один дроссель. Два силовых узла с синхронным выпрямлением, которые работают в зависимости от соотношения входного и выходного напряжения.

Схема топологии на базе контроллера LTC3780

Выбор моделей небольшой, различия минимальны, хотя существует сдвоенная версия, состоящая из двух модулей на одной плате, но встречается крайне редко.

Выбор моделей небольшой, различия минимальны, хотя существует сдвоенная версия, состоящая из двух модулей на одной плате, но встречается крайне редко.

Преобразователь на базе LTC3780 работает от 5-30 вольт, обеспечивая на выходе напряжение 0.5-30 вольт при токе до 8-10 ампер и мощности до 80-130 Вт.

Преобразователь на базе LTC3780 работает от 5-30 Вольт, обеспечивая на выходе напряжение 0.5-30 Вольт при токе до 8-10 Ампер и мощности до 80-130 Ватт.

Стабилизатор отлично подходит для заряда аккумуляторов, построения источников бесперебойного питания со стабилизированным выходом и вообще питания требовательных нагрузок.

Ниже сравним несколько повышающе-понижающих преобразователей.

Наименование модели	LTC3780	ZK-SJVA-4X	DPS5005
Входное напряжение	5 В — 32 В	5,5 — 30 В	6 — 55 В
Выходное напряжение	1 — 30 В	0,5 — 30 В	0 — 50 В
Выходной ток	10 A	4 А	0 — 5 А

Дополнительные особенности преобразователей

В некоторых случаях стабилизаторы могут иметь дополнительный функционал или особенности, выделяющие их на фоне других, поэтому стоит их выделить в отдельную группу.

Существуют преобразователи с USB выходом для заряда или питания различных планшетов, смартфонов, получающих питание от USB.

Есть очень простые, особенность которых заключается только в низкой цене и возможности получить 5 Вольт от одного Li-Ion аккумулятора.

Бывают многоканальные понижающие, как QSKJ QS-1205CBUM. Но его особенность не в количестве каналов, а в наличии весьма современного ШИМ контроллера с синхронным выпрямлением и внешними силовыми транзисторами, что позволило получить выходной ток до 8 Ампер с высоким КПД. Также у него есть защита от неправильной полярности питания, «обманки» на каждом порту для корректного определения различными моделями смартфонов.

Конвертер MH-KC24 компактный, похож на первый, но имеет свою «фишку» — поддерживает работу с Quick Charge устройствами. Данный преобразователь также является понижающим, максимальное выходное напряжение 12 вольт.

DC-DC преобразователи с USB выходом

Модули питания DC-DC фирмы YZXStudio

Отдельно стоят в списке USB зарядных устройств модулей фирмы YZXStudio, помимо правильной схемотехники, качественных комплектующих и четкой работы они поддерживают большое количество протоколов быстрого заряда.

ZC822 — младшая модель, поддерживает QC/PD и выходную мощность до 27 Ватт.

ZC823 — поддерживает только QC/PD, возможность обеспечить 60 Вольт при выходном напряжении 20 Вольт.

ZC826P — редкий преобразователь, помимо функций быстрого заряда он является обратимым. Если его вход подключен к аккумулятору, а к USB Type-C выходу подключить не нагрузку, а блок питания, то конвертер начнет работать в обратную сторону и будет заряжать аккумулятор. Фактически имея такой преобразователь и аккумулятор можно самому сделать повербанк с мощным выходом, поддержкой большого количества протоколов. При этом обратимый преобразователь может выдавать от 5 до 20 Вольт при питании от 12 Вольт.

DC-DC модули питания ZC822, ZC823, ZC826 фирмы YZXStudio

Также фирма YZXStudio предлагает для своих устройств кросс-платы, установив в которые показанные модули можно сделать многоканальное зарядное устройство. Именно потому все модули имеют одинаковый размер и расположение разъемов.

Модули питания DC-DC фирмы muRata

Все больше распространение получает малый электротранспорт — гироборды, электросамокаты, электровелосипеды, скутеры, возникает необходимость получить от его батареи низкое напряжение.

В продаже существует много понижающих конвертеров собранных по топологии Step-Down. Но низкая надежность, отсутствие гальванической развязки может печально закончится для подключаемых устройств, его элементарно может пробить накоротко, а на нагрузке вы получите полное напряжение батареи.

Именно для таких применений рекомендуют фирменные модули производства muRata. Данные модули использовались для телекоммуникационного оборудования, но сейчас они встречаются и просто в продаже, причем за небольшую цену. Ключевое — качество конвертера, гальваническая развязка. Недостатки — фиксированное выходное напряжение, хотя и его при желании можно подстроить.

Из наиболее интересных — muRata HPH-12/30-D48NHL2-Y который при входном 36-75 Вольт выдает на выход 12 Вольт с током до 30 Ампер или 360 Ватт.

DC-DC преобразователь muRata HPH-12/30-D48NHL2-Y

Модули питания DC-DC фирмы RCNUN

Также выпускаются преобразователи для тяжелых условий эксплуатации, например, в автомобилях, катерах. Обычно такие модули имеют герметичное исполнение, корпус в виде радиатора при большой выходной мощности, дополнительные цепи защиты.

Например, большой ассортимент подобных преобразователей выпускает фирма RCNUN. Они бывают понижающие, повышающие, универсальные, регулируемые, с фиксированным напряжением, просто с проводами, с клеммниками и USB разъемами.

DC-DC преобразователи напряжения RC120503, RC8-40S1210, RC12240540 фирмы RCNUN

Как можно наблюдать из статьи, выбор топологий, моделей и вариантов исполнения DC-DC преобразователей действительно огромен, а ведь показана лишь меньшая часть из того, что сейчас выпускается.

Теперь главная задача, подобрать то, что необходимо для определенного применения. Надеемся, что данная статья сможет вам в этом помочь.

Как устроены DC DC преобразователи?

DC DC преобразователи нужны для работы разнообразной электронной аппаратуры, управляющих схем, устройств коммуникации, вычислительной техники, автоматики, мобильных гаджетов и других приборов. Принцип работы DC DC преобразователей заключается в изменении выходного напряжения, причем возможно как его увеличение, так и уменьшение по отношению к значению напряжения на входе – в зависимости от используемого источника питания и напряжения, потребляемого прибором. Соответственно, инверторы бывают повышающими и понижающими.

Питание схем с использованием трансформаторных БП

В трансформаторных блоках питания преобразуется напряжение питающей электросети – как правило, трансформатор уменьшает его до требуемой величины. Уменьшенное напряжение выпрямляется при помощи диодного моста, проходит через полупроводниковый стабилизатор (при необходимости) и нивелируется конденсаторным фильтром.

Стабилизаторы обычно используются линейные. Они дешевые и содержат в обвязке минимум компонентов, но имеют скромный КПД. Частично Uвх тратится на нагревание регулирующего транзистора. Поэтому трансформаторные БП не подходят для использования в переносной электронике.

Работа DC DC преобразователя

Для приборов, электропитание которых производится от батареек или аккумуляторов, изменение напряжения до требуемой величины возможно только с использованием DC DC инверторов. Опишем вкратце, как работают DC DC преобразователи повышающего или понижающего типа. Напряжение постоянного тока с его помощью:

• становится переменным с частотой в несколько десятков или сотен кГц;
• увеличивается или уменьшается до требуемого значения;
• проходит выпрямление;
• поступает в нагрузку.

Такие инверторы называют импульсными. Они отличаются высоким КПД – от 60 до 90%, и имеют широкий диапазон Uвх. Его значение бывает меньше Uвых или гораздо выше его. Например, инвертор, увеличивающий напряжение от 1,5 до 5 В, увеличивает стандартное напряжение батарейки до Uвых, характерного для USB разъема на компьютере. Широко используются и модели, увеличивающие напряжение с 12 до 220 В. Среди понижающих моделей популярны конфигурации, уменьшающие напряжение от 12–80 В до 5 В и от 16–120 В до 12 В (напряжение автомобильного аккумулятора).

Виды DC DC преобразователей напряжения

Рассмотрим основные типы таких устройств:

1. Понижающие (альтернативные названия – buck, chopper, step-down). Обычно имеют Uвых<Uвх. Без весомых затрат на нагревание регулирующего транзистора удается обеспечить Uвых в несколько единиц вольт при значениях Uвх=12–50 В. У подобных моделей Iвых зависит от потребления устройства и влияет на схему DC DC преобразователя.
2. Повышающие (альтернативные названия – boost, бустеры, step-up). Имеют Uвых˃Uвх. К примеру, при Uвх=5 В удается получить Uвых до 30 В, с возможностью его высокоточной регулировки и стабилизации.
3. Универсальные (SEPIC). Имеют Uвых, удерживаемое на фиксированном уровне. При этом есть возможность получить и Uвых<Uвх, и Uвых˃Uвх. Изделия этой группы рекомендуется использовать при напряжении на входе, меняющемся в больших диапазонах. В частности, напряжение автомобильного аккумулятора способно меняться в диапазоне от 9 до 14 В, а на выходе нужно иметь стабильное значение 12 В.
4. Инвертирующие (inverting converter). Главная задача таких устройств – получение Uвых обратной полярности по отношению к источнику питания. Они оптимально подходят для использования в ситуациях, когда нужно 2-полярное питание, к примеру, для питания операционных усилителей.

Инверторы всех перечисленных типов бывают со стабилизацией и без нее. Uвых бывает гальванически связанным с Uвх. Есть модели с гальванической развязкой напряжений. Подходящие характеристики и особенности инвертора зависят от характеристик прибора, в составе которого он будет применяться.

Работа DC DC преобразователя понижающего типа

Как видно по функциональной схеме DC DC преобразователя класса buck, на входе Uin поступает на фильтр – расположенный здесь конденсатор Cin. Коммутацию тока на высоких частотах выполняет транзистор VT – обычный биполярный или структуры MOSFET, или IGBT. Дополнительно в функциональной схеме предусмотрен разрядный диод VD и расположенный на выходе фильтр LCout. С него напряжение идет в нагрузку Rн, которая подсоединена последовательно к элементам VT и L.

Опишем алгоритм понижения напряжения. Управляющая микросхема создает импульсы в форме прямоугольников, со стабильной частотой. На графике tи – это время импульса при открытом транзисторе, а tп – длительность паузы при его закрытом состоянии. Отношение tи/T=D – это коэффициент заполнения, который измеряется в процентах (от 0 до 100%) или долях числа (от 0 до 1). К примеру, D=50% – это то же самое, что и D=0,5. При D=1 наблюдается полная проводимость ключевого транзистора, а при D=0 ключ закрыт, т.е. наблюдается отсечка. При D=0,5 значение Uвых=0,5Uвх.

Uвых регулируется путем смены ширины импульса управления tи, фактически – за счет смены коэффициента D. Этот принцип регулировки носит название широтно-импульсной модуляции (ШИМ, в английской аббревиатуре – PWM). Стабилизация Uвых в большинстве импульсных БП осуществляется с использованием ШИМ.

Благодаря массовому распространению инверторов производители наладили изготовление ШИМ контроллеров всевозможных типов. Их выбор огромен, поэтому собирать инверторы на дискретных компонентах не приходится. К тому же, готовые инверторы умеренной мощности отличаются ценовой доступностью. Для установки в создаваемую конструкцию остается только припаять к плате проводки на вход и выход, а затем выставить нужное значение Uвых.

Фазы работы понижающего преобразователя

Коэффициент D влияет на длительность открытия или закрытия ключа:

1. Фаза 1 – накачка. Когда ключ-транзистор разомкнут, ток от батарейки, аккумулятора или другого источника идет по направлению от дросселя L на нагрузку Rн и заряжаемый конденсатор Cout. Конденсатор и дроссель при этом копят электроэнергию. Величина тока iL плавно растет под воздействием индуктивности дросселя. Этот этап называется накачкой. Когда напряжение на нагрузке достигает фиксированной величины, транзистор VT перекрывается, и стартует этап разряда.
2. Фаза 2 – разряд. Транзистор VT сомкнут, и дроссель не накапливает энергию, т.к. источник отключен. Изменению значения и направленности тока, идущего через обмотку дросселя, препятствует индуктивность L (эффект самоиндукции). В результате движение тока не прекращается в один миг, и происходит его замыкание по линии «диод-нагрузка». По этой причине диод VD называется разрядным. Обычно в этих целях используется быстродействующий диод Шоттки. По окончании 2-й фазы процесс циклически повторяется.

Предельное значение Uвых в этой схеме равно Uвх и не может превышать его. Для получения Uвых˃ Uвх используются повышающие преобразователи.

Нюансы создания схем понижающих преобразователей

В реальности работа схемы инвертора отличается от теоретического описания. При включении и выключении возможны промедления, активное сопротивление отлично от нуля, на работе схемы сказывается качество используемых элементов и паразитная емкость монтажа. Значение индуктивности определяет 2 режима работы понижающего преобразователя:

1. При малой индуктивности он функционирует в режиме разрывных токов, что не позволяет использовать конвектор с источниками питания.
2. При высокой индуктивности чоппер работает по принципу неразрывных токов, и есть возможность с использованием фильтров на выходе получить U=const с допустимыми пульсациями. В таком режиме функционируют и модели, увеличивающие напряжение.

С целью увеличения КПД вместо разрядного диода VD можно использовать транзистор MOSFET. Его в нужное время открывает управляющая схема. Такие инверторы называют синхронными и рекомендуются к использованию при достаточно большой мощности инвертора.

Работа повышающих DC DC преобразователей

Такие модели преимущественно используются при работе от источников малой мощности, к примеру, от пары-тройки батареек, а некоторые конструкционные элементы требуют напряжения 12–15 В при малом токопотреблении. Uin поступает на находящийся на входе фильтр Cin и далее – на катушку L и транзистор VT, которые последовательно соединены между собой. В месте соединения катушки и стока транзистора к ним подсоединен диод VD. К его второму выходу подсоединена нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.

Работой транзистора VT управляет микросхема, вырабатывающая управляющий сигнал неизменной частоты с настраиваемым значением D – по аналогии с работой понижающего преобразователя. Диод VD в соответствующие моменты перекрывает нагрузку от ключа.

При разомкнутом ключе вывод L, находящийся справа на схеме, соединяется с минусовым полюсом аккумулятора или другого источника питания Uin. Растущий под действием индуктивности ток от аккумулятора идет через катушку (в ней копится энергия) и разомкнутый транзистор. Одновременно диод VD перекрывает нагрузку и находящийся на выходе конденсатор, не допуская его разряда из-за открытости транзистора.

В то же время нагрузка получает питание из запасов конденсатора Cout, и напряжение на выходном конденсаторе снижается. Когда оно становится меньше заданной величины (согласно настройкам управляющей схемы), ключ-транзистор VT перекрывается, и накопленная в дросселе электроэнергия через диод VD заряжает конденсатор Cout, подпитывающий нагрузку. Электродвижущая сила самоиндукции катушки L суммируется с Uвх и идет в нагрузку, поэтому наблюдается прирост напряжения Uвых˃Uвх. Когда величина Uвых достигает заданного уровня стабилизации, управляющая схема инициирует открытие транзистора VT, и процесс циклически продолжается.

Как работает универсальный DC DC преобразователь

Принцип его работы имеет значительное сходство со схемой DC DC инвертора повышающего типа, но дополнительно используются конденсатор C1 и катушка L2. Благодаря им устройство используется в режиме уменьшения напряжения. Такие конверторы используются в ситуациях, когда Uвх имеет большой диапазон значений. Например, есть модели, преобразовывающие Uвх= 4–35 В в Uвых=1,23–32 В. Внешне универсальный преобразователь легко узнать по наличию 2-х катушек – L1 и L2.