Импульсный понижающий dc преобразователь своими руками. Высоковольтный DC-DC преобразователь

Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используются DC/DC преобразователи. Применяются они в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления и автоматики и др.

Трансформаторные блоки питания

В традиционных трансформаторных блоках питания напряжение питающей сети с помощью трансформатора преобразуется, чаще всего понижается, до нужного значения. Пониженное напряжение 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.

DC/DC преобразователи

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 1,5В до 5В, как раз выходное напряжение компьютерного USB. Подобный преобразователь небольшой мощности продается на Алиэкспресс.

Рис. 1. Преобразователь 1,5В/5В

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. Вообще DC/DC конвертеры можно разделить на несколько групп.

Классификация конвертеров

Понижающие, 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…50В. 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 конвертер иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.

Повышающие, по английской терминологии step-up или boost

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

Универсальные преобразователи - 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…14В, а требуется получить стабильное напряжение 12В.

Инвертирующие преобразователи - 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 .

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 конвертерах следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.

Понижающий конвертер чоппер - конвертер типа buck

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

Рис.2. Функциональная схема чопперного стабилизатора

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр - конденсатор Cin. В качестве ключевого элемента используется транзистор VT, он осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Это может быть либо . Кроме указанных деталей в схеме содержится разрядный диод VD и выходной фильтр - LCout, с которого напряжение поступает в нагрузку Rн.

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 3.

Рис.3. 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 (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.

На схемах, показанных на рисунках 2 и 6 ШИМ «спрятана» в прямоугольниках с надписью «Схема управления», которая выполняет некоторые дополнительные функции. Например, это может быть плавный запуск выходного напряжения, дистанционное включение или защита преобразователя от короткого замыкания.

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.

Но вернемся к нашему рисунку 3. В данном случае коэффициент D определяет, сколько времени будет открыт (фаза 1) или закрыт (фаза 2) . Для этих двух фаз можно представить схему двумя рисунками. На рисунках НЕ ПОКАЗАНЫ те элементы, которые в данной фазе не используются.

Рис.4. 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.

Рис.5. 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.

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.

Повышающие step-up или boost преобразователи

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

Рис.6. Функциональная схема повышающего преобразователя

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр Cin и поступает на последовательно соединенные L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.

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 (Рис.3). 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 Uin. 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 Cout. 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 Cout, 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.

Универсальные преобразователи - 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.

Рис.7. Функциональная схема преобразователя SEPIC

Очень похожа на схему повышающего преобразователя, показанного на рисунке 6, 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 8 (для увеличения нажмите на рисунок).

Рис.8. Принципиальная схема преобразователя SEPIC

На рисунке 9 показан внешний вид платы с обозначением основных элементов.

Рис.9. Внешний вид преобразователя SEPIC

На рисунке показаны основные детали в соответствии с рисунком 7. 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…35В. При этом выходное напряжение может настраиваться в пределах 1,23…32В. Рабочая частота преобразователя 500КГц.При незначительных размерах 50 x 25 x 12мм плата обеспечивает мощность до 25 Вт. Максимальный выходной ток до 3А.

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

На китайских торговых площадках появится интересный модуль понижающего преобразователя напряжения XL4016. Схема позволяет работать с регулированием напряжения (CV) и тока (CC). После добавления в систему источника питания (например, ненужного блока питания ноутбука, трансформатора с выпрямителем и конденсатором) модуль можно использовать в качестве регулируемого БП, или стабилизатора с фиксированным выходным напряжением.

Схема позволяет установить максимальный выходной ток или работать как источник тока (CC). Работа в режиме CC может использоваться, например, для питания светодиодов, зарядки аккумулятора (в том числе автомобильного) или питания модуля Пельтье. Многооборотные потенциометры, установленные на плате, можно заменить на более крупные и удобные, оснащенные ручкой. Импульсная система имеет высокую эффективность, но при более высоких мощностях потребуется принудительная циркуляция воздуха или больший радиатор.

Схема подключения модуля DC-DC

Модуль инвертора можно найти на Алиэкспрессе, его описание часто содержит параметры 9 A 300 Вт, 1,2 — 35 В. Давайте подробнее рассмотрим возможности схемы этого преобразователя и проведём тесты. На радиаторах установлены двойной диод 10A STPS2045 и цепь понижающего инвертора XL4016. Обозначение входов и выходов питания и распределение потенциометров можно найти на рисунке ниже:

Полупроводники изолированы от радиаторов, что снижает риск коротких замыканий, но также может снизить эффективность рассеивания тепла. Согласно найденному даташиту, XL4016 в корпусе TO220 имеет предел по току 8 А, возможно, в модуле был использован элемент с большей заявленной эффективностью. Двухцветный светодиод меняет свой цвет с синего на красный при выходном токе >0,8 А. После замыкания выхода с помощью амперметра удалось отрегулировать выходной ток в режиме от CC до 9 A. Работа светодиодов очень удобна и информативна. Потребляемый ток без нагрузки около 15 мА.

Электролитические конденсаторы находятся достаточно близко к радиаторам и температура может уменьшить их срок службы, в то время как большая индуктивность просто висит в воздухе, так что ее стоит закрепить клеем, чтобы не повредить печатную плату во время механических воздействий. С другой стороны платы припаян стабилизатор 5В, LM358 и резистор, используемый при измерении выходного тока.

Испытания и тесты модуля XL4016

Стабильность выходного напряжения по сравнению с выходными токами является удовлетворительной, далее пример графика выходного напряжения, установленного на 3.3V в зависимости от тока нагрузки.

Влияние входного напряжения при установке выходного крайне мало.

Зависимость эффективности КПД преобразователя от изменения выходного тока для двух выходных напряжений.

Зависимость КПД от изменения входного напряжения.

Пульсации и отклонения выходного напряжения при разных условиях эксплуатации показаны на осциллограммах далее.

Применение понижающего преобразователя

Использован был этот модуль в качестве зарядного устройства для игрового ноутбука, он отлично работает и не нагревается критично. Вход: 29 В, выход 19 В, Imax 4 А в соответствии с параметрами исходного адаптера переменного тока 220 В.

Самый большой ток снимался с модуля работающего как блок питания для радиотелефона, на котором получалось 28 В и 9 A, что очень хорошо.

В качестве зарядного устройства он работает после добавления большого радиатора к XL или замены его на радиатор большего размера, чем заводской, плюс вентилятор, который также охлаждает конденсаторы.

Безопасный диапазон тока при длительной нагрузке составляет около 7 А, при напряжении выше 32 В стабилизатор очень горячий. Перед преобразователем хорошо будет поставить большой ёмкий конденсатор по питанию.

Сегодня мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать - простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)

Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного. Импульсные преобразователи подразделяются на группы:

• - понижающие, повышающие, инвертирующие;
• - стабилизированные, нестабилизированные;
• - гальванически изолированные, неизолированные;
• - с узким и широким диапазоном входных напряжений.

Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы - они проще в сборке и не капризны при настройке. Итак, приводим для ознакомления 14 схем на любой вкус:

Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка - 2х10 витков, вторичная обмотка - 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент - дроссель L1.

Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.

Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД - 94%, ток нагрузки - до 200 мА.

Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 - накопители энергии.

8. Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM

Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД - 90%.

Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле: Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)

Интегральный инвертор напряжения, КПД - 98%.

Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.

Индуктивность первичной обмотки трансформатора Т1 - 22 мкГн, отношение витков первичной обмотки к каждой вторичной - 1:2.5.

Типовая схема стабилизированного повышающего преобразователя на микросхеме фирмы MAXIM.

Это DC-DC преобразователь напряжения с 5-13 В на входе, до 12 В выходного постоянного тока 1,5 А. Преобразователь получает меньшее напряжение и дает более высокое на выходе, чтобы использовать там где есть напряжение меньшее требуемых 12 вольт. Часто он используется для увеличения напряжения имеющихся батареек. Это по сути интегральный DC-DC конвертер. Для примера: есть литий-ионный аккумулятор 3,7 В, и его напряжение с помощью данной схемы можно изменить, чтобы обеспечить необходимые 12 В на 1,5 А.

Преобразователь легко построить самостоятельно. Основным компонентом является микросхема MC34063, которая состоит из источника опорного напряжения (температурно-компенсированного), компаратора, генератора с активным контуром ограничения пикового тока, вентиля (элемент "И"), триггера и мощного выходного ключа с драйвером и требуется только несколько дополнительных электронных компонентов в обвязку для того чтобы он был готов. Эта серия микросхем была специально разработана, чтобы включены их в состав различных преобразователей.

Достоинства микросхемы MC34063A

• Работа от 3 до 40 В входа
• Низкий ток в режиме ожидания
• Ограничение тока
• Выходной ток до 1,5 A
• Выходное напряжение регулируемое
• Работа в диапазоне частот до 100 кГц
• Точность 2%

Описание радиоэлементов

• R - Все резисторы 0,25 Вт.
• T - TIP31-NPN силовой транзистор. Весь выходной ток проходит через него.
• L1 - 100 мкГн ферритовые катушки. Если придётся делать самостоятельно, нужно приобрести тороидальные ферритовые кольца наружным диаметром 20 мм и внутренним диаметром 10 мм, тоже 10 мм высотой и проволоку 1 - 1,5 мм толщиной на 0,5 метра, и сделать 5 витков на равных расстояниях. Размеры ферритового кольца не слишком критичны. Разница в несколько (1-3 мм) приемлема.
• D - диод Шоттки должен быть использован обязательно
• TR - многовитковый переменный резистор, который используется здесь для точной настройки выходного напряжения 12 В.
• C - C1 и C3 полярные конденсаторы, поэтому обратите внимание на это при размещении их на печатной плате.

Список деталей для сборки

1. Резисторы: R1 = 0.22 ом x1, R2 = 180 ом x1, R3 = 1,5 K x1, R4 = 12K x1
2. Регулятор: TR1 = 1 кОм, многооборотный
3. Транзистор: T1 = TIP31A или TIP31C
4. Дроссель: L1 = 100 мкГн на ферритовом кольце
5. Диод: D1 - шоттки 1N5821 (21V - 3A), 1N5822 (28V - 3A) или MBR340 (40В - 3A)
6. Конденсаторы: C1 = 100 мкФ / 25V, C2 = 0.001 мкФ, C3 = 2200 мкФ / 25V
7. Микросхема: MC34063
8. Печатная плата 55 x 40 мм

Заметим, что необходимо установить небольшой алюминиевый радиатор на транзистор T1 - TIP31, в противном случае этот транзистор может быть поврежден из-за повышенного нагрева, особенно на больших токах нагрузки. Даташит и рисунок печатной платы

Входные напряжения до 61 В, выходные напряжения от 0.6 В, выходные токи до 4 А, возможность внешней синхронизации и настройки частоты, а также подстройки тока ограничения, подстройка времени плавного запуска, комплексные защиты нагрузки, широкий рабочий диапазон температур – все эти особенности современных источников питания достижимы при помощи новой линейки DC/DC-преобразователей производства .

В настоящий момент номенклатура микросхем импульсных регуляторов производства компании STMicro (рисунок 1) позволяет создавать источники питания (ИП) со входными напряжениями до 61 В и выходными токами до 4 А.

Задача преобразования напряжения не всегда проста. Каждое конкретное устройство предъявляет свои требования к регулятору напряжения. Иногда главную роль играет цена (потребительская электроника), габариты (портативная электроника), эффективность (устройства с батарейным питанием) или даже скорость разработки изделия. Эти требования зачастую противоречат друг другу. По этой причине не существует идеального и универсального преобразователя напряжения.

В настоящее время применяется несколько типов преобразователей: линейные (стабилизаторы напряжения), импульсные DC/DC-преобразователи, схемы с переносом заряда и даже источники питания на гальванических изоляторах.

Однако наиболее распространенными остаются линейные регуляторы напряжения и понижающие импульсные DC/DC-преобразователи. Основное отличие функционирования этих схем видно из названия. В первом случае силовой ключ работает в линейном режиме, во втором – в ключевом. Основные достоинства, недостатки и области применения этих схем приведены ниже.

Особенности работы линейного регулятора напряжения

Принцип работы линейного регулятора напряжения хорошо известен. Классический интегральный стабилизатор μA723 был разработан еще в 1967 году Р. Видларом. Несмотря на то, что электроника с тех пор ушла далеко вперед, принципы функционирования остались практически неизменными .

Стандартная схема линейного регулятора напряжения состоит из ряда основных элементов (рисунок 2): силового транзистора VT1, источника опорного напряжения (ИОН), схемы компенсационной обратной связи на операционном усилителе (ОУ). Современные регуляторы могут содержать дополнительные функциональные блоки: схемы защиты (от перегрева, от перегрузки по току), схемы управления питанием и др.

Принцип работы таких стабилизаторов достаточно прост. Схема обратной связи на ОУ сравнивает величину опорного напряжения с напряжением выходного делителя R1/R2. На выходе ОУ формируется рассогласование, определяющее напряжение «затвор-исток» силового транзистора VT1. Транзистор работает в линейном режиме: чем больше напряжение на выходе ОУ, тем меньше напряжение «затвор-исток», и тем больше сопротивление VT1.

Такая схема позволяет компенсировать все изменения входного напряжения. Действительно, предположим, что входное напряжение Uвх увеличилось. Это вызовет следующую цепочку изменений: Uвх увеличилось → Uвых увеличится → напряжение на делителе R1/R2 возрастет → выходное напряжение ОУ увеличится → напряжение «затвор-исток» уменьшится → сопротивление VT1 увеличится → Uвых уменьшится.

В результате при изменении входного напряжения выходное напряжение меняется незначительно.

При уменьшении выходного напряжения происходят обратные изменения значений напряжений.

Особенности работы понижающего DC/DC-преобразователя

Упрощенная схема классического понижающего DC/DC-преобразователя (преобразователь I типа, buck-converter, step-down converter) состоит из нескольких основных элементов (рисунок 3): силового транзистора VT1, схемы управления (СУ), фильтра (Lф-Cф), обратного диода VD1 .

В отличие от схемы линейного регулятора транзистор VT1 работает в ключевом режиме.

Цикл работы схемы состоит из двух фаз: фазы накачки и фазы разряда (рисунки 4…5).

В фазе накачки транзистор VT1 открыт и через него протекает ток (рисунок 4). Происходит запасание энергии в катушке Lф и конденсаторе Сф.

В фазе разряда транзистор закрыт, ток через него не протекает. Катушка Lф выступает в качестве источника тока. VD1 – диод, который необходим для протекания обратного тока.

В обеих фазах к нагрузке прикладывается напряжение, равное напряжению на конденсаторе Сф.

Приведенная схема обеспечивает регулирование выходного напряжения при изменении длительности импульса:

Uвых = Uвх × (tи/T)

Если величина индуктивности мала, ток разряда через индуктивность успевает достичь нуля. Такой режим называют режимом прерывистых токов. Он характеризуется увеличением пульсаций тока и напряжения на конденсаторе, что приводит к ухудшению качества выходного напряжения и росту шумов схемы. По этой причине режим прерывистых токов используется редко.

Существует разновидность схемы преобразователя, в которой «неэффективный» диод VD1 заменен на транзистор. Этот транзистор открывается в противофазе с основным транзистором VT1. Такой преобразователь называется синхронным и имеет больший КПД.

Достоинства и недостатки схем преобразования напряжений

Если бы одна из приведенных схем обладала абсолютным превосходством, то вторую бы благополучно забыли. Однако этого не происходит. Это значит, что обе схемы имеют преимущества и недостатки. Анализ схем стоит проводить по широкому кругу критериев (таблица 1).

Таблица 1. Преимущества и недостатки схем регуляторов напряжения

Электрические характеристики. Для любого преобразователя основными характеристиками являются КПД, ток нагрузки, диапазон входного и выходного напряжений.

Значение КПД для линейных регуляторов невелико и обратно пропорционально входному напряжению (рисунок 6). Это связано с тем, что все «лишнее» напряжение падает на транзисторе, работающем в линейном режиме. Мощность транзистора выделяется в виде тепла. Низкий КПД приводит к тому, что диапазон входных напряжений и выходных токов линейного регулятора относительно невелики: до 30 В и до 1 А.

КПД импульсного регулятора значительно выше и меньше зависит от входного напряжения. При этом не редкостью являются входные напряжения более 60 В и нагрузочные токи более 1 А.

Если используется схема синхронного преобразователя, в котором неэффективный обратный диод заменен транзистором, то КПД будет еще выше.

Точность и стабильность выходного напряжения. Линейные стабилизаторы могут иметь чрезвычайно высокую точность и стабильность параметров (доли процента). Зависимость выходного напряжения от изменения входного и от тока нагрузки не превышает единиц процентов.

Импульсный регулятор по принципу функционирования изначально имеет те же источники погрешности, что и линейный регулятор. Кроме того, на отклонение выходного напряжения может существенно сказываться величина протекающего тока.

Шумовые характеристики. Линейный регулятор обладает умеренной шумовой характеристикой. Существуют низкошумящие прецизионные регуляторы, используемые в высокоточной измерительной технике.

Импульсный стабилизатор сам по себе является мощным источником помех, так как силовой транзистор работает в ключевом режиме. Генерируемые помехи делятся на кондуктивные (передающиеся по линиям питания) и индуктивные (передаются через непроводящие среды).

От кондуктивных помех избавляются при помощи фильтров нижних частот. Чем выше рабочая частота преобразователя, тем проще избавиться от помех. В измерительных схемах импульсный регулятор часто используют совместно с линейным стабилизатором. В этом случае уровень помех значительно сокращается.

Избавиться от вредного воздействия индуктивных помех гораздо сложнее. Эти помехи возникают в катушке индуктивности и передаются по воздуху и непроводящим средам. Для их устранения используют экранированные индуктивности, катушки на тороидальном сердечнике. При разводке платы применяют сплошную заливку полигоном земли и/или даже выделяют отдельный слой земли в многослойных платах. Кроме того, сам импульсный преобразователь максимально удаляется от измерительных схем.

Эксплуатационные характеристики. С точки зрения простоты схемной реализации и разводки печатной платы линейные регуляторы предельно просты. Кроме самого интегрального стабилизатора требуется всего пара конденсаторов.

Импульсный преобразователь потребует как минимум внешнего L-C-фильтра. В ряде случаев требуется внешний силовой транзистор и внешний обратный диод. Это приводит к необходимости расчетов и моделирования, а топология печатной платы существенно усложняется. Дополнительное усложнение платы происходит из-за требования к ЭМС.

Стоимость. Очевидно, что в силу большого количества внешних компонентов импульсный преобразователь будет иметь большую стоимость.

В качестве вывода можно определить преимущественные области применения обоих типов преобразователей:

• линейные регуляторы могут применяться в маломощных низковольтных схемах с высокими точностью, стабильностью и требованиями к малым уровням шумов. Примером могут быть измерительные и прецизионные схемы. Кроме того, малые габариты и низкая стоимость итогового решения могут идеально подойти для портативной электроники и бюджетных устройств.
• импульсные регуляторы идеально подойдут для мощных низко- и высоковольтных схем в автомобильной, промышленной и бытовой электронике. Высокий КПД зачастую делает использование DC/DC безальтернативным для портативных устройств и устройств с батарейным питанием.

Иногда возникает необходимость использовать линейные регуляторы при высоких входных напряжениях. В таких случаях можно воспользоваться стабилизаторами производства компании STMicroelectronics, обладающими рабочими напряжениями более 18 В. (таблица 2).

Таблица 2. Линейные регуляторы STMicroelectronics с высоким входным напряжением

Если принято решение о построении импульсного ИП, то следует выбрать подходящую микросхему преобразователя. Выбор осуществляется с учетом ряда основных параметров.

Основные характеристики понижающих импульсных DC/DC-преобразователей

Перечислим основные параметры импульсных преобразователей.

Диапазон входных напряжений (В). К сожалению, всегда есть ограничение не только на максимальное, но и на минимальное входное напряжение. Значение этих параметров всегда выбирается с некоторым запасом.

Диапазон выходных напряжений (В). В силу ограничения на минимальную и максимальную длительность импульса, диапазон значений выходного напряжения ограничен.

Максимальный выходной ток (А). Данный параметр ограничивается целым рядом факторов: максимальной допустимой рассеиваемой мощностью, конечным значением сопротивления силовых ключей и др.

Частота работы преобразователя (кГц). Чем выше частота преобразования, тем проще произвести фильтрацию выходного напряжения. Это позволяет бороться с помехами и снижать значения номиналов элементов внешнего L-C-фильтра, что приводит к увеличению выходных токов и к уменьшению габаритов. Однако рост частоты преобразования увеличивает потери на переключение силовых ключей и увеличивает индуктивную составляющую помех, что явно нежелательно.

КПД (%) является интегральным показателем эффективности и приводится в виде графиков для различных значений напряжений и токов.

Остальные параметры (сопротивление каналов интегральных силовых ключей (мОм), собственный ток потребления (мкА), тепловое сопротивление корпуса и др.) являются менее важными, но их также следует учитывать.

Новые преобразователи производства компании STMicroelectronics имеют высокие входное напряжение и КПД, и их параметры могут быть рассчитаны при помощи бесплатной программы eDesignSuite.

Линейка импульсных DC/DC от ST Microelectronics

Портфолио DC/DC STMicro­electro­nics постоянно расширяется. Новые микросхемы преобразователей имеют расширенный диапазон входных напряжений до 61 В ( / ), высокие выходные токи, выходные напряжения от 0.6 В ( / / ) (таблица 3).

Таблица 3. Новые DC/DC STMicroelectronics

Все новые микросхемы импульсных преобразователей имеют функции плавного старта, защиты от перегрузки по току и перегрева.