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.
![Разгон турбины фото](https://virtustec.ru/upload/virtustec/1в.jpg)
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.
![Наполнение накопительной емкости фото](https://virtustec.ru/upload/virtustec/2в.jpg)
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.
![Получение энергии из накопительной емкости и разгонка турбины фото](https://virtustec.ru/upload/virtustec/3в.jpg)
Шаг 1. Индуктивность накапливает заряд. При замкнутом ключе индуктивность получает ток и копит энергию.
![Индуктивность накапливает заряд фото](https://virtustec.ru/upload/virtustec/4в.jpg)
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.
![Энергия переходит в конденсатор фото](https://virtustec.ru/upload/virtustec/5в.jpg)
Шаг 3. Энергия копится в индуктивности, заряд передается потребителю. После замыкания ключа энергия вновь начинает копиться в катушке. Потребителю поступает энергия от конденсатора.
![Энергия копится в индуктивности фото](https://virtustec.ru/upload/virtustec/6в.jpg)