Принцип работы повышающего DC-DC конвертеров
DC-DC преобразователи необходимы для увеличения или уменьшения выходного напряжения по отношению к его значению на входе. Они востребованы в сфере электроники, телекоммуникационных устройствах, вычислительных машинах, мобильных аппаратах. Принцип их работы несложен: постоянное напряжение трансформируется в переменное, увеличивается либо уменьшается, после чего выпрямляется и поступает в нагрузку. DC-DC конвертеры отличаются высоким КПД (порядка 60–90%) и широким диапазоном напряжений на входе.
Виды DC-DC преобразователей
Основные типы DC-DC преобразователей – это:
- конвертеры на коммутируемых конденсаторах, без индуктивности. Они успешно применяются для питания нагрузок малой мощности. Не нуждаются в дорогостоящих моточных компонентах, в связи с чем дают возможность изготавливать небольшие модули питания бюджетной категории. Бывают с неизменным и регулируемым напряжением.
- модели с индуктивностью. Они лишены гальванической развязки между входом и выходом и оснащены изолированным источником питания. Перемена напряжения (повышение, уменьшение, инвертирование с обратной полярностью) определяется положением ключа. Основными составляющими зачастую являются полевые транзисторы разнообразных видов (FET) и биполярные транзисторы IGBT с изолированным затвором. Среди моделей с индуктивностью распространены:
- понижающие импульсные конвертеры – они имеют транзистор, для управления которым используется широтно-импульсный модулятор;
- повышающие импульсные конвертеры – принцип работы DC-DC преобразователей этого типа будет рассмотрен далее;
- конвертеры с произвольным Uвых – также дают возможность получить и увеличенное, и уменьшенное значение;
- конвертеры с регулируемым Uвых – они позволяют поддерживать нужное значение Uвых, в частности, схема регулируемого преобразователя DC-DC актуальна для устройств с напряжением, задаваемым Li-Ion АКБ.
- конвертеры с гальванической развязкой. Оснащены импульсными трансформаторами с совокупностью обмоток. Не имеют связи между цепями входа и выхода. Отличаются значительной разницей потенциалов между Uвх и Uвых.
Схема DC-DC преобразователя напряжения
Рассмотрим особенности работы и микросхемы DC-DC преобразователей, повышающих напряжение. Для начала проведем аналогию с сантехнической системой.
Шаг 1. Разгон турбины. При открытой заслонке происходит слив воды, частично энергия передается турбине, приводя ее во вращение.
Шаг 2. Наполнение накопительной емкости. После закрытия заслонки часть воды под действием приведенной в действие турбины открывает клапан и попадает в накопительную емкость. Остальная вода идет к потребителю, но с увеличенным давлением от накопительной емкости. Клапан не допускает обратного хода водного потока.
Шаг 3. Получение энергии из накопительной емкости и разгонка турбины. Из-за снижения скорости турбины водный поток уже не способен продавить клапан, а в накопительной емкости есть достаточные запасы. После этого заслонка вновь приоткрывается, и вода незамедлительно приводит турбину в действие. Поступление потока к потребителю не останавливается, поскольку он поступает из накопительной емкости. Аналогично выглядит и схема подключения DC-DC преобразователя. Роль турбины исполняет индуктивный дроссель. Своеобразной заслонкой, управляющей потоком, выступает транзистор, роль клапана отведена диоду, а накопительной емкостью выступает конденсатор. Принцип работы идентичен описанному выше.
Шаг 1. Индуктивность накапливает заряд. При замкнутом ключе индуктивность получает ток и копит энергию.
Шаг 2. Энергия переходит в конденсатор. При разомкнутом ключе катушка держит запасенную энергию в магнитном поле. Ток стремится удержаться на прежнем уровне, а избыточная энергия из индуктивности увеличивает напряжение и открывает путь через диод. Частично энергия следует к потребителю, а частично копится в конденсаторе.
Шаг 3. Энергия копится в индуктивности, заряд передается потребителю. После замыкания ключа энергия вновь начинает копиться в катушке. Потребителю поступает энергия от конденсатора.
