Меню

Понижающий преобразователь напряжения переменного тока



Dc Dc преобразователь. Устройство и принцип работы основных схем.

Dc Dc преобразователь

Dc Dc преобразователь

Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используется Dc Dc преобразователь. Применяется он в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления, автоматики и др.

Питание схем с помощью трансформаторных блоков питания

В традиционных трансформаторных блоках питания напряжение питающей сети с помощью трансформатора преобразуется, чаще всего понижается, до нужного значения. Пониженное напряжение выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсаторным фильтром. В случае необходимости после выпрямителя ставится полупроводниковый стабилизатор.

Трансформаторные блоки питания, как правило, оснащаются линейными стабилизаторами. Достоинств у таких стабилизаторов не менее двух: это маленькая стоимость и незначительное количество деталей в обвязке. Но эти достоинства съедает низкий КПД, поскольку значительная часть входного напряжения используется на нагрев регулирующего транзистора, что совершенно неприемлемо для питания переносных электронных устройств.

Питание схем с помощью Dc Dc преобразователей

Если питание аппаратуры осуществляется от гальванических элементов или аккумуляторов, то преобразование напряжения до нужного уровня возможно лишь с помощью Dc Dc преобразователей.

Идея достаточно проста: постоянное напряжение преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается (понижается), а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Такие преобразователи часто называются импульсными.

В качестве примера можно привести повышающий преобразователь из 1,5 В до 5 В (выходное напряжение компьютерного USB).

Dc Dc преобразователь

Dc Dc преобразователь 1,5 В / 5 В

Импульсные преобразователи хороши тем, что имеют высокий КПД, в пределах 60..90%. Еще одно достоинство импульсных преобразователей широкий диапазон входных напряжений: входное напряжение может быть ниже выходного или намного выше.

Классификация Dc Dc преобразователей

Вообще Dc Dc преобразователи можно разделить на несколько групп.

Понижающий, по английской терминологии step-down или buck

Выходное напряжение этих преобразователей, как правило, ниже входного: без особых потерь на нагрев регулирующего транзистора можно получить напряжение всего несколько вольт при входном напряжении 12…50 В. Выходной ток таких преобразователей зависит от потребности нагрузки, что в свою очередь определяет схемотехнику преобразователя.

Еще одно англоязычное название понижающего преобразователя chopper. Один из вариантов перевода этого слова – прерыватель. В технической литературе понижающий преобразователь иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.

Повышающий, по английской терминологии step-up или boost

Выходное напряжение этих преобразователей выше входного. Например, при входном напряжении 5 В на выходе можно получить напряжение до 30 В, причем, возможно его плавное регулирование и стабилизация. Достаточно часто повышающие преобразователи называют бустерами.

Универсальный Dc Dc преобразователь – SEPIC

Выходное напряжение этих преобразователей удерживается на заданном уровне при входном напряжении как выше входного, так и ниже. Рекомендуется в случаях, когда входное напряжение может изменяться в значительных пределах. Например, в автомобиле напряжение аккумулятора может изменяться в пределах 9…14 В, а требуется получить стабильное напряжение 12 В.

Инвертирующий Dc Dc преобразователь — inverting converter

Основной функцией этих преобразователей является получение на выходе напряжения обратной полярности относительно источника питания. Очень удобно в тех случаях, когда требуется двухполярное питание, например для питания ОУ (операционных усилителей).

Все упомянутые преобразователи могут быть стабилизированными или нестабилизированными, выходное напряжение может быть гальванически связано с входным или иметь гальваническую развязку напряжений. Все зависит от конкретного устройства, в котором будет использоваться преобразователь.

Чтобы перейти к дальнейшему рассказу о Dc Dc преобразователях следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.

Понижающий Dc Dc преобразователь – преобразователь типа buck

Его функциональная схема показана на рисунке ниже. Стрелками на проводах показаны направления токов.

Dc Dc преобразователь

Функциональная схема чопперного стабилизатора

Входное напряжение U in подается на входной фильтр — конденсатор C in. В качестве ключевого элемента используется транзистор VT, он осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Это может быть транзистор структуры MOSFET, IGBT либо обычный биполярный транзистор. Кроме указанных деталей в схеме содержится разрядный диод VD и выходной фильтр – LC out, с которого напряжение поступает в нагрузку R н.

Нетрудно видеть, что нагрузка включена последовательно с элементами VT и L. Поэтому схема является последовательной.

Как же происходит понижение напряжения?

Широтно-импульсная модуляция – ШИМ

Схема управления вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной частотой или постоянным периодом, что в сущности одно и то же. Эти импульсы показаны на рисунке ниже.

Dc Dc преобразователь

Импульсы управления

Здесь tи время импульса, транзистор открыт, tп – время паузы, — транзистор закрыт. Соотношение tи/T называется коэффициентом заполнения duty cycle, обозначается буквой D и выражается в %% или просто в числах. Например, при D равном 50% получается, что D=0,5.

Таким образом D может изменяться от 0 до 1. При значении D=1 ключевой транзистор находится в состоянии полной проводимости, а при D=0 в состоянии отсечки, попросту говоря, закрыт. Нетрудно догадаться, что при D=50% выходное напряжение будет равно половине входного.

Совершенно очевидно, что регулирование выходного напряжения происходит за счет изменения ширины управляющего импульса tи, по сути дела изменением коэффициента D. Такой принцип регулирования называется широтно-импульсной модуляцией ШИМ (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.

Вообще конвертеры получили столь широкое применение, что фирмы производители электронных компонентов наладили выпуск ШИМ контроллеров на все случаи жизни. Ассортимент настолько велик, что просто для того чтобы их перечислить понадобится целая книга. Поэтому собирать конвертеры на дискретных элементах, или как часто говорят на «рассыпухе», никому не приходит в голову.

Более того готовые конвертеры небольшой мощности можно купить на Алиэкспрес или Ebay за незначительную цену. При этом для установки в любительскую конструкцию достаточно припаять к плате провода на вход и выход, и выставить требуемое выходное напряжение.

Сейчас вернемся к нашему понижающему конвертеру типа buck, полная схема приведена выше.

В данном случае коэффициент D определяет, сколько времени будет открыт (фаза 1) или закрыт (фаза 2) ключевой транзистор. Для этих двух фаз можно представить схему двумя рисунками. На рисунках НЕ ПОКАЗАНЫ те элементы, которые в данной фазе не используются.

Dc Dc преобразователь
Фаза 1

При открытом транзисторе ток от источника питания (гальванический элемент, аккумулятор, выпрямитель) проходит через индуктивный дроссель L, нагрузку Rн, и заряжающийся конденсатор Cout. При этом через нагрузку протекает ток, конденсатор Cout и дроссель L накапливают энергию. Ток iL ПОСТЕПЕННО ВОЗРАСТАЕТ, сказывается влияние индуктивности дросселя. Эта фаза называется накачкой.

После того, как напряжение на нагрузке достигнет заданного значения (определяется настройкой устройства управления), транзистор VT закрывается и устройство переходит ко второй фазе – фазе разряда. Закрытый транзистор на рисунке не показан вовсе, как будто его и нет. Но это означает лишь то, что транзистор закрыт.

Dc Dc преобразователь

Фаза 2

При закрытом транзисторе VT пополнения энергии в дросселе не происходит, поскольку источник питания отключен. Индуктивность L стремится воспрепятствовать изменению величины и направления тока (самоиндукция) протекающего через обмотку дросселя.

Поэтому ток мгновенно прекратиться не может и замыкается через цепь «диод-нагрузка». Из-за этого диод VD получил название разрядный. Как правило, это быстродействующий диод Шоттки. По истечении периода управления фаза 2 схема переключается на фазу 1, процесс повторяется снова. Максимальное напряжение на выходе рассмотренной схемы может быть равным входному, и никак не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное, применяются повышающие преобразователи.

Следует заметить, что на самом деле не все так просто, как написано выше: предполагается, что все компоненты идеальные, т.е. включение и выключение происходит без задержек, а активное сопротивление нулевое. При практическом изготовлении подобных схем приходится учитывать многие нюансы, поскольку очень многое зависит от качества применяемых компонентов и паразитной емкости монтажа. Только про такую простую деталь как дроссель (ну, просто моток провода!) можно написать еще не одну статью.

Пока только следует напомнить собственно о величине индуктивности, которая определяет два режима работы чоппера. При недостаточной индуктивности преобразователь будет работать в режиме разрывных токов, что совершенно недопустимо для источников питания.

Если же индуктивность достаточно большая, то работа происходит в режиме неразрывных токов, что позволяет с помощью выходных фильтров получить постоянное напряжение с приемлемым уровнем пульсаций. В режиме неразрывных токов работают и повышающие преобразователи, о которых будет рассказано ниже.

Для некоторого повышения КПД разрядный диод VD заменяется транзистором MOSFET, который в нужный момент открывается схемой управления. Такие преобразователи называются синхронными. Их применение оправдано, если мощность преобразователя достаточно велика.

Повышающий Dc Dc преобразователь – преобразователь типа boost

Повышающие преобразователи применяются в основном при низковольтном питании, например, от двух-трех батареек, а некоторые узлы конструкции требуют напряжения 12…15 В с малым потреблением тока. Достаточно часто повышающий преобразователь кратко и понятно называют словом «бустер».

Читайте также:  Фильтрация помех в цепи питания постоянного тока

Dc Dc преобразователь

Функциональная схема повышающего преобразователя

Входное напряжение U in подается на входной фильтр C in и поступает на последовательно соединенные катушку индуктивности L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка R н и шунтирующий конденсатор C out.

Транзистор VT управляется схемой управления, которая вырабатывает сигнал управления стабильной частоты с регулируемым коэффициентом заполнения D, так же, как было рассказано чуть выше при описании чопперной схемы. Диод VD в нужные моменты времени блокирует нагрузку от ключевого транзистора.

Когда открыт ключевой транзистор правый по схеме вывод катушки L соединяется с отрицательным полюсом источника питания U in. Нарастающий ток (сказывается влияние индуктивности) от источника питания протекает через катушку и открытый транзистор, в катушке накапливается энергия.

В это время диод VD блокирует нагрузку и выходной конденсатор от ключевой схемы, тем самым предотвращая разряд выходного конденсатора через открытый транзистор. Нагрузка в этот момент питается энергией накопленной в конденсаторе C out. Естественно, что напряжение на выходном конденсаторе падает.

Как только напряжение на выходе станет несколько ниже заданного, (определяется настройками схемы управления), ключевой транзистор VT закрывается, и энергия, запасенная в дросселе, через диод VD подзаряжает конденсатор C out, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции катушки L складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения.

По достижении выходным напряжением установленного уровня стабилизации схема управления открывает транзистор VT, и процесс повторяется с фазы накопления энергии.

Универсальный Dc Dc преобразователь – SEPIC

SEPIC (single-ended primary-inductor converter) или преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью.

Подобные преобразователи применяются в основном, когда нагрузка имеет незначительную мощность, а входное напряжение изменяется относительно выходного в большую или меньшую сторону.

Dc Dc преобразователь

Функциональная схема преобразователя SEPIC

Очень похожа на схему повышающего преобразователя, показанного на предыдущем рисунке, но имеет дополнительные элементы: конденсатор C1 и катушку L2. Именно эти элементы и обеспечивают работу преобразователя в режиме понижения напряжения.

Преобразователи SEPIC применяются в тех случаях, когда входное напряжение изменяется в широких пределах. В качестве примера можно привести 4V-35V to 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down Converter Regulator. Именно под таким названием в китайских магазинах продается преобразователь, схема которого показана на рисунке ниже.

Dc Dc преобразователь

Принципиальная схема преобразователя SEPIC

Ниже показан внешний вид платы с обозначением основных элементов.

Dc Dc преобразователь

Внешний вид преобразователя SEPIC

Следует обратить внимание на наличие двух катушек L1 L2. По этому признаку можно определить, что это именно преобразователь SEPIC.

Входное напряжение платы может быть в пределах 4…35 В. При этом выходное напряжение может настраиваться в пределах 1,23…32 В. Рабочая частота преобразователя 500 КГц. При незначительных размерах 50 x 25 x 12 мм плата обеспечивает мощность до 25 Вт. Максимальный выходной ток до 3 А.

Но тут следует сделать замечание. Если выходное напряжение установить на уровне 10 В, то выходной ток не может быть выше 2,5 А (25 Вт). При выходном напряжении 5 В и максимальном токе 3 А мощность составит всего 15 Вт. Здесь главное не перестараться: либо не превысить максимально допустимую мощность, либо не выйти за пределы допустимого тока.

Источник

Преобразователи напряжения. Виды и устройство. Работа

Преобразователем напряжения называется устройство, которое изменяет вольтаж цепи. Это электронный прибор, который используется для изменения величины входного напряжения устройства. Преобразователи напряжения могут повышать или понижать входное напряжение, в том числе менять величину и частоту первоначального напряжения.

Необходимость применения данного устройства преимущественно возникает в случаях, когда необходимо использовать какой-либо электрический прибор в местах, где невозможно использовать имеющиеся стандарты или возможности электроснабжения. Преобразователи могут использоваться в виде отдельного устройства либо входить в состав систем бесперебойного питания и источников электрической энергии. Они широко применяются во многих областях промышленности, в быту и других отраслях.

Устройство

Для преобразования одного уровня напряжения в иное часто используют импульсные преобразователи напряжения с применением индуктивных накопителей энергии. Согласно этому известно три типа схем преобразователей:

  • Инвертирующие.
  • Повышающие.
  • Понижающие.

Общими для указанных видов преобразователей являются пять элементов:

  • Ключевой коммутирующий элемент.
  • Источник питания.
  • Индуктивный накопитель энергии (дроссель, катушка индуктивности).
  • Конденсатор фильтра, который включен параллельно сопротивлению нагрузки.
  • Блокировочный диод.

Включение указанных пяти элементов в разных сочетаниях дает возможность создать любой из перечисленных типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходящего напряжения преобразователя обеспечивается изменением ширины импульсов, которые управляют работой ключевого коммутирующего элемента. Стабилизация выходного напряжения создается методом обратной связи: изменение выходного напряжения создает автоматическое изменение ширины импульсов.

Типичным представителем преобразователя напряжения также является трансформатор. Он преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Данное свойство трансформатора широко применяется в радиоэлектронике и электротехнике.

Устройство трансформатора включает следующие элементы:
  • Магнитопровод.
  • Первичная и вторичная обмотка.
  • Каркас для обмоток.
  • Изоляция.
  • Система охлаждения.
  • Другие элементы (для доступа к выводам обмоток, монтажа, защиты трансформатора и так далее).

Напряжение, которое будет выдавать трансформатор на вторичной обмотке, будет зависеть от витков, которые имеются на первичной и вторичной обмотке.

Preobrazovateli napriazheniia povyshaiushchii

Существуют и другие виды преобразователей напряжения, которые имеют иную конструкцию. Их устройство в большинстве случаев выполнено на полупроводниковых элементах, так как они обеспечивают значительный коэффициент полезного действия.

Принцип действия

Преобразователь напряжение вырабатывает напряжение питания необходимой величины из иного питающего напряжения, к примеру, для питания определенной аппаратуры от аккумулятора. Одним из главных требований, которые предъявляются к преобразователю, является обеспечение максимального коэффициента полезного действия.

Преобразование переменного напряжения легко можно выполнить при помощи трансформатора, вследствие чего подобные преобразователи постоянного напряжения часто создаются на базе промежуточного преобразования постоянного напряжения в переменное.
  • Мощный генератор переменного напряжения, который питается от источника исходного постоянного напряжения, соединяется с первичной обмоткой трансформатора.
  • Переменное напряжение необходимой величины снимается с вторичной обмотки, которое потом выпрямляется.
  • В случае необходимости постоянное выходное напряжение выпрямителя стабилизируется при помощи стабилизатора, который включен на выходе выпрямителя, либо с помощью управления параметрами переменного напряжения, которое вырабатывается генератором.
  • Для получения высокого кпд в преобразователях напряжения используются генераторы, которые работают в ключевом режиме и вырабатывают напряжение с использованием логических схем.
  • Выходные транзисторы генератора, которые коммутируют напряжение на первичной обмотке, переходят из закрытого состояния (ток не течет через транзистор) в состояние насыщения, где на транзисторе падает напряжение.
  • В преобразователях напряжения высоковольтных источников питания в большинстве случаев применяется эдс самоиндукции, которая создается на индуктивности в случаях резкого прерывания тока. В качестве прерывателя тока работает транзистор, а первичная обмотка повышающего трансформатора выступает индуктивностью. Выходное напряжение создается на вторичной обмотке и выпрямляется. Подобные схемы способны вырабатывать напряжение до нескольких десятков кВ. Их часто применяют для питания электронно-лучевых трубок, кинескопов и так далее. При этом обеспечивается кпд выше 80%.
В иды

Преобразователи можно классифицировать по ряду направлений.

Преобразователи напряжения постоянного тока:
  • Регуляторы напряжения.
  • Преобразователи уровня напряжения.
  • Линейный стабилизатор напряжения.
Преобразователи переменного тока в постоянный:
  • Импульсные стабилизаторы напряжения.
  • Блоки питания.
  • Выпрямители.
Преобразователи постоянного тока в переменный:
Преобразователи переменного напряжения:
  • Трансформаторы переменной частоты.
  • Преобразователи частоты и формы напряжения.
  • Регуляторы напряжения.
  • Преобразователи напряжения.
  • Трансформаторы разного рода.
Преобразователи напряжения в электронике в соответствии с конструкцией также делятся на следующие типы:
  • На пьезоэлектрических трансформаторах.
  • Автогенераторные.
  • Трансформаторные с импульсным возбуждением.
  • Импульсные источники питания.
  • Импульсные преобразователи.
  • Мультиплексорные.
  • С коммутируемыми конденсаторами.
  • Бестрансформаторные конденсаторные.
Особенности
  • При отсутствии ограничений по объему и массе, а также при высоком значении питающего напряжения преобразователи рационально использовать на тиристорах.
  • Полупроводниковые преобразователи на тиристорах и транзисторах могу быть регулируемыми и нерегулируемыми. При этом регулируемые преобразователи могут применяться как стабилизаторы переменного и постоянного напряжения.
  • По способу возбуждения колебаний в устройстве могут быть схемы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Схемы с независимым возбуждением выполняются из усилителя мощности и задающего генератора. Импульсы с выхода генератора направляются на вход усилителя мощности, что позволяет управлять им. Схемы с самовозбуждением – это импульсные автогенераторы.

Preobrazovateli napriazheniia blok

Применение
  • Для распределения и передачи электрической энергии. На электростанциях генераторы переменного тока обычно вырабатывается энергия напряжением 6—24 кВ. Для передачи энергии на дальние расстояния выгодно использовать большее напряжение. Вследствие этого на каждой электростанции ставят трансформаторы, повышающие напряжение.
  • Для различных технологических целей: электротермических установок (электропечные трансформаторы), сварки (сварочные трансформаторы) и так далее.
  • Для питания различных цепей;
Читайте также:  В чем суть метода контурных токов

— автоматики в телемеханике, устройств связи, электробытовых приборов;
— радио- и телевизионной аппаратуры.

Для разделения электрических цепей данных устройств, в том числе согласования напряжений и так далее. Трансформаторы, применяемые в данных устройствах, в большинстве случаев имеют малую мощность и невысокое напряжение.

  • Преобразователи напряжения практически всех типов широко применяются в быту. Блоки питания многих бытовых приборов, сложных электронных устройств, инверторные блоки широко используются для обеспечения требуемого напряжения и обеспечения автономного энергоснабжения. К примеру, это может быть инвертор, который может быть использован для аварийного или резервного источника питания бытовых приборов (телевизор, электроинструмент, кухонная техника и так далее), потребляющих переменный ток напряжением 220 Вольт.
  • Наиболее дорогими и востребованными в медицине, энергетике, военной сфере, науке и промышленности являются преобразователи, которые имеют выходное переменное напряжение с чистой формой синусоиды. Подобная форма пригодна для работы устройств и приборов, которые имеют повышенную чувствительность к сигналу. К ним можно отнести измерительную и медицинскую аппаратуру, электрические насосы, газовые котлы и холодильники, то есть оборудование, в составе которых имеются электромоторы. Преобразователи часто необходимы и для продления времени службы оборудования.

Источник

Рекомендации по применению понижающих DC/DC преобразователей

Ken Marasco, Analog Devices

В смартфонах, планшетных компьютерах, цифровых камерах, навигационных системах, медицинском оборудовании и множестве других портативных устройств с автономным питанием часто содержатся микросхемы, изготовленные по разным технологиям. Для работы таких устройств, как правило, требуется несколько независимых источников питания, причем напряжение каждого отличается от напряжения аккумулятора или внешнего сетевого адаптера.

На Рисунке 1 изображена типичная маломощная система, питающаяся от Li-Ion батареи. Диапазон напряжений батареи равен 3…4.2 В, в то время, как для микросхем требуются 0.8 В, 1.8 В, 2.5 В и 2.8 В. Проще всего получить необходимые напряжения с помощью LDO стабилизаторов. Но, к сожалению, вся мощность, не используемая в нагрузке, будет рассеиваться в форме тепла, делая LDO стабилизаторы неэффективными, когда VIN существенно превышает VOUT. Широко распространенная, и единственная, в случае нашего примера, альтернатива, существенно сокращающая потери – импульсный преобразователь, накапливающий энергию в магнитном поле индуктивности и отдающий ее в нагрузку при другом напряжении. Рассматриваемые в этой статье понижающие преобразователи («buck» или «step-down») позволяют получить на выходе напряжение меньшее, чем на входе. У повышающих преобразователей («boost» или «step-up»), которые мы будем рассматривать в следующей статье, наоборот, выходное напряжение больше входного. Импульсные преобразователи с внутренним ключевым МОП транзистором, называются импульсными стабилизаторами (switching regulators), в то время как преобразователи, для которых требуются внешние силовые транзисторы, называются импульсными контроллерами (switching controllers). В большинстве маломощных систем используют как LDO, так и импульсные преобразователи, и только при разумном сочетании обоих могут быть получены требуемые технические и ценовые характеристики устройства.

Рисунок 1. Типичная маломощная портативная система.

Как видно из Рисунка 2, понижающий преобразователь состоит из двух ключей, двух конденсаторов и индуктивности. Драйвер ключей должен формировать неперекрывающиеся последовательности управляющих импульсов, гарантируя, что в каждый момент времени будет замкнут только один ключ, и в схеме не будет сквозных токов. В Фазе 1 ключ B открыт, а ключ A закрыт. Катушка индуктивности подключена к входному напряжению VIN, и ток через нее течет от VIN в нагрузку. В Фазе 2 открыт ключ A, и закрыт B. Индуктивность подключена к «земле», и ток, спадая, переносит запасенную в катушке энергию в нагрузку.

Рисунок 2. Топология понижающего преобразователя (слева), форма напряжения и токов в различных точках схемы (справа).

Импульсные стабилизаторы могут работать в режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode – CCM), в котором ток индуктивности никогда не спадает до нуля, и в режиме прерывистой проводимости (discontinuous conduction mode – DCM), когда ток катушки индуктивности некоторое время может отсутствовать. В маломощных понижающих преобразователях прерывистый режим используется очень редко. Преобразователи обычно конструируют таким образом, чтобы пульсации тока (current ripple), обозначенные на Рисунке 2 как ΔIL, составляли 20 … 50% от номинального тока нагрузки.

В понижающем синхронном преобразователе, изображенном на Рисунке 3, функцию ключей A и B выполняют p- и n-канальный МОП транзисторы, соответственно. Термин «синхронный» (synchronous) указывает на то, что в качестве нижнего ключа используется МОП транзистор. Преобразователи с диодом Шоттки на месте нижнего ключа называются асинхронными, или несинхронными. В маломощных приложениях лучшую эффективность демонстрируют синхронные преобразователи вследствие меньшего падения напряжения на МОП транзисторе, по сравнению с диодом Шоттки. Однако КПД синхронного преобразователя при малой нагрузке может оказаться недопустимо низким, если нижний МОП транзистор не будет выключаться на то время, пока ток индуктивности равен нулю. Устранение этой проблемы требует дополнительных схемных решений, приводящих к усложнению микросхемы и увеличению ее цены.

Рисунок 3. Понижающий преобразователь состоит из генератора, контроллера ШИМ с петлей обратной связи и ключевых МОП транзисторов.

В современных маломощных синхронных понижающих преобразователях основным рабочим режимом является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В этом режиме частота переключения постоянна, а ширина импульсов (tON) изменяется в соответствии с требуемым выходным напряжением. Поставляемая в нагрузку средняя мощность пропорциональна коэффициенту заполнения D, что делает ШИМ эффективным средством контроля выходной мощности.

МОП ключи управляются контроллером ШИМ, для стабилизации выхода использующим обратную связь либо по току, либо по напряжению. Маломощные понижающие конвертеры обычно работают на частотах от 1 до 6 МГц. Более высокие частоты позволяют применять индуктивности меньших размеров, но расплатой за это становится снижение КПД, который падает на 2% при каждом удвоении рабочей частоты.

При малых токах нагрузки ШИМ не всегда является самым эффективным решением. Рассмотрим, к примеру, схему управления питанием видеокарты. При смене сюжетов изменяется ток нагрузки понижающего преобразователя, управляющего графическим процессором. ШИМ в режиме непрерывной проводимости способна стабилизировать питание в очень широком диапазоне выходных токов, но, по мере снижения нагрузки, КПД преобразователя стремительно падает вследствие возрастания относительной доли тока, потребляемого самим преобразователем. Поэтому в понижающих преобразователях, предназначенных для портативных приложений, используются дополнительные методы снижения мощности, такие как частотно-импульсная модуляция, или ЧИМ (pulse-frequency modulation – PFM), пропуск импульсов (pulse skipping) или же комбинация обоих методов.

При входе в экономичный режим (power-save mode – PSM) в понижающих преобразователях Analog Devices происходит следующее. К порогу ШИМ добавляется смещение, в результате которого выходное напряжение начинает подниматься и достигает величины, приблизительно на 1.5% превышающей номинальный уровень стабилизации ШИМ. В этот момент ШИМ выключается, оба ключа закрываются, и микросхема переходит в режим ожидания (idle mode). Выходной конденсатор COUT начинает разряжаться до тех пор, пока VOUT не упадет до уровня, при котором восстанавливается стабилизация ШИМ. Подключается индуктивность, и VOUT вновь начинает расти. Этот процесс повторяется до тех пор, пока ток нагрузки не превысит установленный порог.

ADP2138 – компактный понижающий DC/DC преобразователь с выходным током 800 мА и рабочей частотой 3 МГц. Типичная схема его включения показана на Рисунке 4. Рисунок 5 иллюстрирует благоприятное влияние на КПД автоматического переключения ШИМ/PSM. В некоторых случаях переменная частота переключения в режиме PSM затрудняет фильтрацию помех, поэтому многие понижающие преобразователи имеют вывод MODE (см. Рисунок 4), позволяющий пользователю принудительно включать режим ШИМ, или разрешать преобразователю переключаться между ШИМ и PSM автоматически. В отдельных микросхемах вывод MODE может предназначаться для динамического перехода в режим пониженного энергопотребления.

Рисунок 4. Типовая схема включения микросхем ADP2138/ADP2139.
Рисунок 5. Зависимость КПД преобразователя ADP2138 от тока нагрузки в режиме ШИМ с непрерывной проводимостью (а) и в режиме пониженного потребления (б).

Понижающие преобразователи улучшают КПД

Повышенный КПД продлевает время работы до смены или перезаряда батарей, что для новых портативных устройств можно считать одной из важнейших характеристик. Например, при использовании LDO стабилизатора ADP125 (Рисунок 6) Li-Ion аккумулятор способен отдавать в нагрузку ток 500 мА при напряжении 0.8 В. При этом КПД стабилизатора, равный

составляет лишь 19%. Вся неиспользуемая энергия, 81% (1.7 Вт), рассеивается корпусом в виде тепла, которое может стать причиной быстрого перегрева портативного устройства. Импульсный преобразователь ADP2138, рабочий КПД которого при входном напряжении 4.2 В и выходном 0.8 В равен 82%, позволяет повысить эффективность более чем в 4 раза и сократить выделение тепла. Вот почему в последние годы наблюдается бум разработки новых импульсных преобразователей для портативной аппаратуры.

Ключевые понятия, относящиеся к понижающим преобразователям

Диапазон входных напряжений (Input Voltage Range): Диапазон входных напряжений понижающего преобразователя определяет наименьшее допустимое напряжение источника питания. В справочниках этот параметр может быть представлен весьма широким диапазоном, но для эффективной работы схемы VIN всегда должно превышать VOUT. Например, чтобы получить стабилизированное выходное напряжение 3.3.В, входное напряжение должно превышать 3.8 В.

Собственный ток потребления, или ток общего вывода (Ground or Quiescent Current): Обозначаемый обычно буквами IQ постоянный ток, не идущий в нагрузку. Чем меньше IQ, тем выше КПД устройства. В спецификациях на микросхемы IQ может приводиться для самых разнообразных условий, включая блокировку микросхемы, режим облегченной нагрузки, режим ЧИМ или ШИМ. Поэтому лучше всего, если выбор понижающего преобразователя, наиболее подходящего для создаваемого приложения, будет основываться на фактических данных о КПД устройства при конкретных рабочих токах и напряжениях нагрузки.

Ток в режиме отключения (Shutdown Current): Входной ток, потребляемый преобразователем, отключенным по выводу разрешения. Как правило, для маломощных понижающих преобразователей этот ток значительно меньше 1 мкА. Этот параметр очень важен для портативных устройств с батарейным питанием, в которых предусмотрен спящий режим.

Точность стабилизации выходного напряжения (Output Voltage Accuracy): Понижающие преобразователи Analog Devices имеют высокую точность стабилизации. Так, благодаря заводской подстройке, погрешность устройств с фиксированным выходом при температуре 25 °C не превышает ±2%. Точность стабилизации приводится в спецификациях для различных значений температуры, входного напряжения и тока нагрузки, и для наихудшего случая выражается в процентах.

Нестабильность по входному напряжению (Line Regulation): Характеризует степень влияния изменения входного напряжения на выходное при номинальной нагрузке.

Нестабильность выходного напряжения при изменении нагрузки (Load Regulation): Этот параметр является мерой влияния изменений тока нагрузки на выходное напряжение. При медленном изменении нагрузки большинство понижающих преобразователей могут стабилизировать напряжение с очень высокой точностью.

Переходный режим при изменениях нагрузки (Load Transients): Ошибки переходного режима могут возникать при быстрых скачках тока нагрузки, вызывающих переключение режимов от ШИМ к ЧИМ, и наоборот. Параметры переходного режима не всегда приводятся в документации, но в большинстве описаний можно найти осциллограммы, иллюстрирующие реакцию на скачки нагрузки при различных рабочих условиях.

Ограничение тока (Current Limit): В понижающие преобразователи, подобные ADP2138, встроены защитные схемы, ограничивающие величину положительного тока, протекающего через p-МОП транзистор силового ключа и синхронный выпрямитель. Фактически, это означает ограничение тока, текущего от входа к выходу. Ограничитель отрицательного тока предотвращает появление в индуктивности тока обратного направления, вытекающего из нагрузки.

Мягкий старт (Soft Start): Это важная для понижающих преобразователей функция, заключающаяся в управлении скоростью нарастания выходного напряжения в целях ограничения бросков тока. Мягкий старт позволяет не допускать проседания напряжения подключенных к входу преобразователя батарей или высокоимпедансных источников питания. Внутренний цикл мягкого старта начинается после включения устройства по входу разрешения ENABLE (EN).

Время включения (Start-Up Time): Время между нарастающим фронтом сигнала разрешения и моментом достижения выходным напряжением VOUT 90% номинального уровня. Проверка этого параметра обычно выполняется при установившемся VIN при переходе вывода разрешения из состояния ВЫКЛ в состояние ВКЛ. В тех случаях, когда выводы EN и VIN соединены, время включения может существенно увеличиться, так как петле обратной связи требуется время для отработки ошибки. Время выключения понижающего преобразователя – важный параметр для приложений, в которых преобразователь часто включается и выключается, т.е., прежде всего, для портативных устройств.

Отключение при перегреве (Thermal ShutDown – TSD): Если температура перехода превышает установленный порог, защитная схема выключает преобразователь. Причиной перегрева кристалла может быть большой ток нагрузки, плохое охлаждение схемы или высокая окружающая температура. Схема защиты обязательно должна иметь гистерезис, чтобы не допускать включения преобразователя до возвращения температуры кристалла к установленному рабочему уровню.

Режим со 100% коэффициентом заполнения (100% Duty Cycle Operation): При провалах VIN, или при увеличении ILOAD понижающий стабилизатор может оказаться у порога, когда p-МОП транзистор должен быть открыт 100% времени, и VOUT начнет падать ниже требуемого уровня. ADP2138 плавно переводит схему в этот режим, а при изменении состояния входа немедленно перезапускается в режиме ШИМ, не допуская выбросов выходного напряжения.

Разрядный ключ (Discharge Switch): В некоторых устройствах при очень малой нагрузке напряжение на выходе преобразователя может сохраняться в течение некоторого времени после перевода системы в спящей режим. Если процесс последующего включения начнется до завершения разряда выходного напряжения, возможны блокировка или повреждение системы. В преобразователе ADP2139 имеется встроенный резистор сопротивлением порядка 100 Ом, через который происходит разряд выхода после подачи низкого уровня на вход EN, или при защитном отключении микросхемы.

Блокировка питания при пониженном напряжении (Undervoltage Lockout – UVLO): Эта функция гарантирует, что напряжение на нагрузку не будет подано раньше, чем входное напряжение преобразователя достигнет заданного порога. Важное значение блокировки заключается в возможности исключить подачу питания до установления рабочего уровня входного напряжения.

Приложение

Синхронные понижающие DC/DC преобразователи с выходным током 800 мА и рабочей частотой 3 МГц

Понижающие DC/DC преобразователи ADP2138 и ADP2139 оптимизированы для использования в беспроводных телефонах, персональных медиа плеерах, цифровых камерах и других портативных устройствах. Микросхемы могут работать в режиме принудительной ШИМ, в котором пульсации выходного напряжения минимальны, или же автоматически переключаться между ШИМ и PSM для увеличения КПД при облегченной нагрузке. Диапазоном входных напряжений от 2.3 до 5.5. В определяется способность преобразователей работать от стандартных источников питания, включая литиевые, щелочные и NiMH батареи. Выпускаются многочисленные опции с фиксированным выходным напряжением от 0.8 до 3.3 В, током нагрузки 800 мА и точностью 2%. Внутренний силовой ключ и синхронный выпрямитель улучшают эффективность преобразователя и сокращают количество необходимых внешних компонентов. Изображенная на Рисунке А микросхема ADP2139 отличается наличием дополнительного разрядного ключа. Микросхемы выпускаются в компактном 6-выводном корпусе WLCSP размером 1 × 1.5 мм, работают в диапазоне температур от –40 до +125 °C, и в партиях 1000 шт. продаются по $0.90 за один прибор.

Рисунок А. Функциональная схема ADP2139.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Как устроены DC DC преобразователи?

Как устроены DC DC преобразователи?

Статья обновлена: 2020-12-17

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

Преобразователь DC-DC 12-80 Вольт на 5 вольт, 2 Ампер фото

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:

    Понижающие (альтернативные названия – buck, chopper, step-down). Обычно имеют Uвых

Источник