Как устроены DC DC преобразователи?

• Питание схем с использованием трансформаторных БП
• Работа DC DC преобразователя
• Виды DC DC преобразователей напряжения
• Работа DC DC преобразователя понижающего типа
• Фазы работы понижающего преобразователя
• Нюансы создания схем понижающих преобразователей
• Работа повышающих DC DC преобразователей
• Как работает универсальный DC DC преобразователь

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.

В предыдущей статье нашего блога представлен обзор и сравнительная таблица вторичных аккумуляторов.