Dc dc преобразователь повышающий своими руками. DC-DC преобразователь повышающий своими руками: пошаговая инструкция по созданию

Как собрать повышающий DC-DC преобразователь. Какие компоненты нужны для преобразователя постоянного тока. На что обратить внимание при выборе элементов схемы. Как рассчитать параметры DC-DC преобразователя.

Принцип работы повышающего DC-DC преобразователя

Повышающий DC-DC преобразователь позволяет получить на выходе напряжение выше входного. Принцип его работы основан на накоплении энергии в катушке индуктивности и последующей передаче этой энергии в нагрузку.

Основные этапы работы повышающего преобразователя:

1. Ключ замыкается, ток через катушку нарастает, в ней накапливается энергия.
2. Ключ размыкается, ЭДС самоиндукции катушки складывается с входным напряжением.
3. Суммарное напряжение через диод заряжает выходной конденсатор.
4. Цикл повторяется с высокой частотой (десятки-сотни кГц).

Регулировка выходного напряжения осуществляется изменением скважности управляющих импульсов ключа. Чем больше скважность, тем выше выходное напряжение.

Выбор компонентов для повышающего DC-DC преобразователя

Для сборки простого повышающего преобразователя понадобятся следующие основные компоненты:

• Микросхема контроллера (например, MC34063)
• Силовой ключ (полевой или биполярный транзистор)
• Катушка индуктивности
• Диод Шоттки
• Входной и выходной конденсаторы
• Резисторы для задания выходного напряжения

Каковы критерии выбора этих компонентов? Рассмотрим основные параметры.

Выбор микросхемы контроллера

При выборе микросхемы контроллера следует учитывать:

• Диапазон входных напряжений
• Максимальный выходной ток
• Частоту преобразования
• Наличие защитных функций
• Тип корпуса

Популярные микросхемы для простых повышающих преобразователей — MC34063, LM2577, LM2585.

Выбор силового ключа

Для силового ключа важны следующие параметры:

• Максимальное напряжение сток-исток (коллектор-эмиттер)
• Максимальный ток
• Сопротивление канала в открытом состоянии
• Время переключения

Часто используются полевые транзисторы IRFZ44N, IRF3205 или биполярные транзисторы TIP41C, 2SC5200.

Расчет параметров катушки индуктивности

Катушка индуктивности — ключевой элемент повышающего преобразователя. Как правильно рассчитать ее параметры?

Индуктивность катушки можно определить по формуле:

L = (V_in * D) / (f * ΔI)

где:

• V_in — входное напряжение
• D — рабочий цикл ключа
• f — частота преобразования
• ΔI — допустимые пульсации тока (обычно 20-30% от среднего тока)

Ток насыщения катушки должен быть выше максимального тока нагрузки. Сопротивление обмотки должно быть минимальным для снижения потерь.

Выбор диода и конденсаторов

Какие параметры важны при выборе остальных компонентов схемы?

Диод Шоттки

Для диода Шоттки критичны следующие характеристики:

• Максимальное обратное напряжение (выше выходного напряжения)
• Максимальный прямой ток (выше тока нагрузки)
• Минимальное падение напряжения
• Быстродействие

Часто используются диоды 1N5819, 1N5822, MBR1060.

Входной и выходной конденсаторы

При выборе конденсаторов обращают внимание на:

• Емкость (достаточную для сглаживания пульсаций)
• Допустимое напряжение
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)
• Допустимый ток пульсаций

Обычно применяют электролитические или керамические конденсаторы с низким ESR.

Расчет элементов обратной связи

Для задания выходного напряжения используется делитель напряжения на резисторах. Как рассчитать его параметры?

Сопротивления резисторов делителя можно определить по формуле:

R2 = R1 * ((V_out / V_ref) — 1)

где:

• R1 — нижний резистор делителя (обычно 1-10 кОм)
• V_out — требуемое выходное напряжение
• V_ref — опорное напряжение микросхемы

Важно выбрать резисторы с минимальным допуском для точной установки напряжения.

Особенности компоновки и монтажа

Какие нюансы необходимо учесть при сборке повышающего DC-DC преобразователя?

• Силовые цепи должны быть максимально короткими
• Входной и выходной конденсаторы нужно располагать максимально близко к силовым элементам
• Катушку индуктивности следует размещать подальше от чувствительных цепей
• Необходимо обеспечить хороший теплоотвод для силовых компонентов
• Желательно использовать двухстороннюю печатную плату с заземляющим полигоном

Правильная компоновка позволит снизить помехи и улучшить КПД преобразователя.

Настройка и проверка работы преобразователя

После сборки схемы необходимо провести ее настройку и проверку. Какие этапы включает этот процесс?

1. Проверка монтажа и отсутствия коротких замыканий
2. Подача входного напряжения через ограничивающий резистор
3. Контроль потребляемого тока
4. Измерение выходного напряжения
5. Проверка формы выходного напряжения осциллографом
6. Измерение КПД при различных нагрузках
7. Проверка теплового режима компонентов

При обнаружении отклонений от расчетных параметров необходимо выявить и устранить их причину.

Типовые проблемы и их устранение

С какими проблемами можно столкнуться при сборке повышающего DC-DC преобразователя?

• Отсутствие выходного напряжения — проверить правильность подключения компонентов
• Низкое выходное напряжение — проверить расчет делителя обратной связи
• Большие пульсации на выходе — увеличить емкость выходного конденсатора
• Перегрев компонентов — проверить расчет силовых элементов, улучшить теплоотвод
• Нестабильная работа — проверить паразитные связи на плате, улучшить компоновку

Тщательный анализ и устранение причин неполадок позволит добиться стабильной работы преобразователя.

Заключение

Сборка повышающего DC-DC преобразователя своими руками — увлекательный процесс, позволяющий глубже понять принципы преобразования электрической энергии. При правильном подходе к выбору компонентов и соблюдении основных правил проектирования можно создать эффективное устройство для различных применений.

Какие еще вопросы у вас остались по сборке повышающих DC-DC преобразователей? Я буду рад предоставить дополнительные разъяснения по любым аспектам этой темы.

Схемы стабилизаторов и преобразователей напряжения, самодельные инверторы (Страница 3)

Переменное напряжение

Мощный блок питания на микросхеме LM317 и транзисторе КТ818 (2-30V)

Cхема мощного блока питания на микросхеме LM317 и транзисторе КТ818, позволяет получить на выходе напряжение от 2 до 30 Вольт при токе до 5А. Позволит питать различные самодельные устройства, заряжать аккумуляторы и аккумуляторные батареи.

7 26134 17

Схема преобразователя напряжения из +9В в +400В (К176ИЕ12, BS170)

Старая отечественная микросхема К176ИЕ12 выпускалась для работы в качестве задающего генератора в цифровых электронных часах. Она генерирует импульсы частотой 1 Гц, 2 Гц, периодом в одну минуту, а так же импульсы для опроса четырехразрядного динамического индикатора. Но на основе этой микросхемы …

3 2487 0

Схема простого самодельного инвертора напряжения, из аккумулятора на 12В в 220В

Обзор и принципиальная схема самодельного простого и мощного инвертора напряжения с +12В на 220 Вольт переменки.

Не изобретая велосипед, взял за основу стандартную схему на основе микросхемы К561ТМ2. Схема широко известна во всевозможных комбинациях в паре с биполярными транзисторами.

2 8217 2

Двуполярный DC-DC преобразователь напряжения +5В в +-20В для питания от батарей

Принципиальная схема самодельного DC-DC преобразователя напряжения для получения +-20В из +5В, можно использовать в батарейной радиоаппаратуре. Многие приборы и устройства, сделанные на операционных усилителях требуют двуполярного источника питания с относительной большой разностью потенциалов …

4 3391 1

Автогенерация двух последовательно включенных транзисторов, схема преобразователя напряжения

Такой автогенератор изобретен 25.12.84 г. и описан в авторском свидетельстве СССР№1368950. Н02М 7/538, G05F1/08 под названием «Преобразователь напряжения В.Ю. Солонина». В нем впервые реализована автоматическая (с помощью автогенерации) передача электричества порциями через .

..

1 2512 0

DC-DC преобразователь напряжения 12В в 40В на таймере серии 555

При выборе схемы DC-DC преобразователя сейчас обычно используют специализированные микросхемы, которых, в настоящее время выпускается великое множество. И все-же не имея возможности приобрести нужную специализированную микросхему DC-DC можно собрать на элементной базе об щего назначения …

2 5185 5

DC-DC преобразователь напряжения 5В от USB-порта в 9В (LM3578AM)

Схема простого преобразователя напряжения для питания устройств на 9В от USB-порта компьютера или ноутбука. В настоящее время USB является универсальным портом компьютера, к которому подключаются самые разные устройства. На USB выведен достаточно мощный источник напряжения 9V, поэтому многие …

0 1576 0

DC-DC преобразователь напряжения 12В в 28В для питания индикаторов

Согласитесь, очень удобно, когда на приборной панели вашего автомобиля есть цифровые электронные часы, с хорошо видимым контрастным дисплеем с четкими цифрами, не раздражающими зрение, гармонично сочетающиеся с дизайном приборной панели. К сожалению, найти в торговой сети автомобильные часы …

1 1518 0

DC-DC преобразователь напряжения для питания варикапов (3В в 27В)

Принципиальная схема для питания варикапов от низковольтного источника питания на 3В. Конструируя аппаратуру с низковольтным питанием, в которой имеются варикапы, сталкиваешься с проблемой получения повышенного (20-40V) напряжения высокой стабильности. Здесь приводится описание стабильного …

1 2260 0

Управление трехфазным двигателем в однофазной сети (PS11036, IRPT2060A, IR2130)

В области силовых приборов “законодателями» являются фирмы INTERNATIONAL RECTIFIER — сокращенно IR и MITSUBISHI Electric — сокращенно ME, а также INFENION Technologies — IT. Я привожу наименование фирм-изготовителей для того, чтобы пользователи могли ориентироваться при выборе …

3 12943 2

 1  2 3 4  5  6  7  … 26 

Підвищувальний перетворювач MT3608 DC-DC 2 -24 В до 5-28 В, до 2 А, вхід micro USB — купити за найкращою ціною в Запоріжжі від компанії «РадіоКухня»

Опис

Підвищувальний DC/DC-перетворювач 2A micro USB

Зверніть увагу, можливо Вас зацікавить інший аналогічний модуль, зібраний за тією самою схемою, але без роз’єму microUSB.  Підвищувальний перетворювач DC-DC з MT3608.

Підвищувальний DC/DC-перетворювач напруги стане в пригоді, коли джерело живлення має недостатню напругу для Вашого пристрою.

Призначений для отримання напруги до 28 вольт з струмом навантаження до 2A від низьковольтного джерела напруги.

На вхід напруга від 2 до 24 В. Регулятор на платі перетворювача дає змогу вибрати необхідний рівень вихідної напруги до 28 В.

Джерелом живлення підвищувального DC/DC перетворювача напруги можуть слугувати:

сонячна батарея;

вітрогенератор

ручна динамомашина генератор;

мобільний зовнішній акумулятор

блок живлення AC/DC з виходом від 2 до 24 В.

За допомогою DC/DC перетворювача Ви легко зможете отримати необхідний Вашому пристрою рівень напруги

Застосування підвищувального регульованого перетворювача напруги:

Для радіоаматорів під час конструювання різних джерел живлення своїми руками.

У походах, подорожах, експедиціях, поїздках для забезпечення електроживлення, освітлення та заряджання різних пристроїв.

Під час проєктування та ремонту електронних пристроїв.

Для створення мобільного зарядного пристрою, що працює від батарейок або акумуляторів AA, AAA, Li-Ion акумулятора. Такий зарядний пристрій може бути використаний для живлення й заряджання різних мобільних пристроїв.

Як регулятор напруги для різного електрообладнання.

Може використовуватися в комплексі із сонячними батареями, вітрогенераторами

Характеристики:

• Максимальний вихідний струм: 2A
• Номінальний струм: 1А
• Вхідна напруга: 2В ~ 24В
• Максимальна вихідна напруга: 28В
• Ефективність: до 93%

 

Ми раді привітати Вас в інтернет-магазині Радіокухня
Щоб Ваша покупка була максимально швидкою та комфортною, ознайомтеся з умовами роботи нашого магазину

1. Ми не відправляємо замовлення накладеним платіжом
2. За замовчуванням ми не перекличаємо покупцям. Всі необхідні дані для оплати замовлення Ви отримаєте на електронну пошту та СМС (або Viber) на номер вказаний під час оформлення замовлення
3. Ми не вживаємо замовлення телефоном. Набагато швидше та комфортніше оформити замовлення на сайті
4. Ми не записуємо дані клієнта телефоном (ФІО, адреса доставки, електронну пошту) Щоб уникнути помилок усі дані пересилаються СМС або електронною поштою.
5. Замовлення актуальне (чекає оплати) три дні, після чого змінюється.

Характеристики

Інформація для замовлення

Создание работающего источника питания постоянного тока

Скачать PDF

Abstract

В этой статье обсуждаются важные аспекты проектирования источника питания постоянного тока. Темы включают выбор правильного преобразователя постоянного тока для приложения; емкость затвора МОП-транзистора; высокие частоты переключения и размер компонентов; уравнения и расчеты; выбор периферийных компонентов; размещение компонентов и компромиссы; заземление; регулирование нагрузки и линии; температурная чувствительность.

См. также:

• Указания по применению 2031, «Учебное пособие по преобразователю постоянного тока в постоянный»
• Поваренная книга блока питания

Введение

Первая схема преобразователя постоянного тока разработчика обычно имеет одну общую черту с первыми попытками в любой другой области: у нее мало шансов удовлетворительно работать при первом включении. Это может показаться мрачной оценкой, но тем не менее она отражает реалии конструкции импульсных блоков питания. Преобразователи постоянного тока представляют собой сложные системы. Даже при упрощении высокоинтегрированными ИС они по-прежнему требуют обширных расчетов компонентов и тщательного выбора ИС контроллера. Кроме того, они чувствительны к компоновке платы и паразитным компонентам (т. е. характеристикам компонента, которые не являются идеальными, например, к сопротивлению конденсатора или емкости MOSFET-переключателя).

Существует несколько исчерпывающих источников информации о конструкции DC-DC. В инженерных учебниках описывается теория управления, петлевая компенсация и другие очень подробные аналитические методы. В технических паспортах преобразователей постоянного тока приведены конкретные формулы и некоторая информация о компоновке. Доступно меньше информации для руководства общей конструкцией преобразователей постоянного тока на основе интегральных схем от начала до конца.

Эта статья заполняет пробелы в информации о первом проекте источника питания постоянного тока. Это результат неудач и удач автора с десятками схем питания.

Выбор устройства

После того, как выбраны начальные характеристики конструкции DC-DC (например, диапазон входного напряжения, выходное напряжение, выходной ток), первым шагом является выбор ИС преобразователя. Желаемая топология DC-DC сузит этот выбор. Если входное напряжение больше выходного, выберите понижающую (т. е. понижающую) топологию. Если входное напряжение меньше, чем выходное напряжение, выберите форсированную (т. е. повышающую) конфигурацию. Если диапазоны входного напряжения выше и ниже выходного напряжения, необходим повышающе-понижающий преобразователь или преобразователь SEPIC. Наконец, если выходное напряжение отрицательное, используется инвертирующая топология.

Обратите внимание, что выходной сигнал повышающего преобразователя постоянного тока будет повышаться вместе с входным напряжением, когда входное напряжение превышает то, что было установлено для выходного напряжения. Точно так же понижающий преобразователь не может обеспечить желаемый выходной сигнал, когда входное напряжение меньше выходного. Когда это происходит, говорят, что он «в отсеве».

Многие требования нагрузки постоянного тока могут быть удовлетворены с помощью ИС преобразователя постоянного тока, которые включают в себя встроенные переключатели питания. Большинство таких ИС включают полевые МОП-транзисторы, но в некоторых используются биполярные транзисторы. Допустимый ток нагрузки новых внутренних микросхем MOSFET DC-DC может выдерживать до 25 А (например, MAX8655 и MAX8686). Устройство с внутренним переключателем, если оно доступно, обычно предпочтительнее как из-за общей простоты, так и (часто) из-за более низкой общей стоимости.

Для приложений с высокой мощностью или высоким напряжением, которые превосходят возможности внутренних MOSFET-устройств, потребуются внешние MOSFET-переключатели. Преобразователи постоянного тока, предназначенные для управления внешними силовыми ключами, обычно называются «контроллерами». Эти ИС включают в себя драйверы для быстрой зарядки и разрядки емкости затвора внешнего МОП-транзистора. Способность быстро заряжать и разряжать затвор MOSFET имеет решающее значение для достижения высокоэффективного преобразования. Коммутатор хочет проводить как можно меньше времени в переходе между состояниями «включено» и «выключено», потому что в это время потери мощности самые большие. Большинство контроллеров DC-DC указывают максимальную емкость затвора, которую они могут использовать. (См. раздел «Емкость затвора MOSFET» ниже.)

В дополнение к топологии, напряжению и току, вероятно, есть и другие характеристики приложения, которые определяют выбор DC-DC IC. Например, в большинстве автомобильных приложений преобразователь постоянного тока должен выдерживать условия холодного пуска и сброса нагрузки, а также диапазон температур от -40°C до +125°C. Инструмент параметрического поиска в режиме онлайн от Maxim помогает выбрать характеристики и технические характеристики преобразователя.

Емкость затвора МОП-транзистора

Производители мощных полевых МОП-транзисторов указывают в своих спецификациях различные динамические параметры и параметры переключения в дополнение к характеристикам по постоянному току, таким как сопротивление во включенном состоянии. В большинстве случаев при использовании внешних МОП-транзисторов с преобразователями постоянного тока общий заряд затвора (Q _G ) представляет основной интерес. Выбирайте МОП-транзисторы, для которых Q _G находится в пределах диапазона, рекомендованного производителем преобразователя постоянного тока. Использование типичного значения Q _G MOSFET подходит для большинства случаев. Максимальное число обычно чрезмерно консервативно. Спецификация Q _G используется при управлении n-канальным или p-канальным MOSFET нижнего плеча с открытым стоком, или, другими словами, когда источник MOSFET не изменяет напряжение во время переключения.

В цепях, где напряжение источника изменяется во время коммутации, более полезным динамическим параметром является емкость обратной передачи (C _RSS ). C _RSS используется для расчета коммутационных потерь в n-канальном МОП-транзисторе высокого плеча понижающего преобразователя в соответствии со следующим уравнением:

PD(переключение) = (C _RSS × V _IN(MAX) ² × f _SW × I _{НАГРУЗКА} )/I _ВОРОТ

Где I _GATE — пиковый ток истока и стока затвора, а f _SW — частота коммутации.

ШИМ и другие схемы управления

Наиболее популярной схемой управления преобразователем постоянного тока является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Преобразователи PWM поддерживают постоянную частоту переключения в широком диапазоне нагрузок. Такое поведение может быть важно, когда шум переключения может мешать другим процессам в системе. Ограничение шума известным диапазоном частот часто уменьшает помехи.

Следующей наиболее распространенной схемой управления является частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), при которой преобразователь подает коммутационные импульсы только тогда, когда этого требует нагрузка. Преобразователи PFM отлично подходят для приложений, требующих низкого тока покоя и высокой эффективности при очень малых нагрузках. В ИС некоторых преобразователей используются обе схемы, чтобы сочетать хорошую эффективность в режиме ожидания с низким уровнем шума.

Частоты переключения IC DC-DC преобразователей и контроллеров находятся в диапазоне от 65 кГц до более 4 МГц. В общем, вероятно, лучше избегать устройств, работающих ниже 100 кГц, так как такие частоты характерны для старых устройств с низкой эффективностью. Более высокая частота коммутации позволяет уменьшить внешние компоненты, а также снизить пиковые токи и потери I ² R, но увеличиваются потери в сердечнике, токи заряда затвора и коммутационные потери. (См. раздел «Высокая частота коммутации уменьшает размер компонентов».) Если приложение требует минимально возможных размеров, ищите преобразователи с частотой коммутации 1 МГц и выше. В противном случае просто выберите устройство, соответствующее критериям мощности, и убедитесь, что его частота переключения не мешает работе других компонентов системы.

Высокая частота переключения уменьшает размер компонента

Постоянной тенденцией в преобразователях постоянного тока является повышение частоты переключения для достижения меньших размеров компонентов. Когда в секунду происходит больше циклов переключения, энергия на цикл переключения (и размер компонентов, хранящих эту энергию) может быть меньше. Значения индуктора, например, могут быть ниже. Поведение индуктора определяется следующими уравнениями:

В _Д = L × (di/dt)

Вт _Д = (Д × i ² )/2

Например, рассмотрим понижающий преобразователь, работающий на частоте 500 кГц с катушкой индуктивности 10 мкГн. Изменение частоты на 1 МГц позволяет использовать ровно половину индуктивности, или 5 мкГн, для достижения такой же передачи мощности. Хотя значение индуктивности уменьшается вдвое, требования к току остаются прежними. Второе уравнение показывает, что мы только что вдвое уменьшили требуемый запас энергии катушки индуктивности. Поскольку индуктивность пропорциональна квадрату числа витков, уменьшение индуктивности наполовину означает, что количество витков уменьшается до 70,7% от исходного числа. Уменьшение витков также пропорционально снижает сопротивление постоянному току (DCR), поэтому результирующая катушка индуктивности меньше и имеет более низкое DCR.

Более высокая частота переключения также уменьшает размер выходного конденсатора. В приведенном выше примере необходимая емкость составляет 67 мкФ на частоте 500 кГц, но только 33 мкФ на частоте 1 МГц. Спецификация пульсирующего тока остается неизменной.

После выбора конкретного типа устройства (понижающего, повышающего и т. д.) сделайте окончательный выбор, обратившись к веб-сайтам производителей преобразователей постоянного тока. Всегда проверяйте веб-сайт производителя на наличие последних технических данных. Находясь там, найдите примечания по применению, которые относятся к устройству, которое вы рассматриваете. Они служат ориентиром и часто включают в себя схемы, которые можно использовать с небольшими изменениями или без них. Из заметок по применению и листов технических данных вы можете получить уравнения, которые определяют конструкцию вашего устройства.

Расчетные уравнения

Листы технических данных преобразователя постоянного тока должны содержать уравнения, полезные для проектирования вашей схемы. Макромодели или файлы электронных таблиц для расчета значений компонентов также могут быть доступны на веб-странице продукта. Внимательно прочитайте спецификацию IC, чтобы убедиться, что вы выбрали правильные уравнения для требуемой производительности и режима работы. После того, как основные параметры проекта известны и у вас есть правильные уравнения, лучшим инструментом для оценки уравнений является электронная таблица, такая как Excel 9. 0060 ® или инженерно-математическая программа, такая как MathCAD. Инструмент Maxim EE-Sim ^® создает интерактивную схему с высокоэффективным механизмом моделирования. Если выбранное устройство имеет модель EE-Sim, используйте ее для расчета соответствующих компонентов для вашего проекта.

Табличные расчеты

Электронные таблицы являются эффективным базовым инструментом проектирования преобразователей постоянного тока. Они могут даже служить грубыми симуляторами схем, а их функция «Решение» может помочь оптимизировать значения компонентов. При использовании с уравнениями преобразователя постоянного тока электронная таблица позволяет использовать итеративный подход, который облегчает выбор компонентов, быстро указывая причинно-следственные связи.

В качестве примера рассмотрим MAX1742, понижающий преобразователь с внутренним переключателем. В разделе «Процедура проектирования» технического паспорта содержится необходимая информация и порядок расчетов. Мы предполагаем постоянный вход 5 В, выход 3,3 В с максимальным током нагрузки 500 мА и рабочей частотой 500 кГц.

По возможности используйте определенные имена переменных. По мере ввода большего количества уравнений определяйте результаты этих вычислений с помощью большего количества имен. Выбирайте имена, чтобы вы могли легко запомнить, что они означают, когда позже будете проверять расчеты.

Сначала в верхней части нового рабочего листа введите имена для всех предопределенных значений (рис. 1). Эти имена могут включать V _INMIN , V _INMAX , V _OUT , I _OUT , FREQ (частота) и другие термины, связанные с преобразователем. В ячейках непосредственно под ячейками, содержащими эти имена, определите имена ячеек, чтобы они соответствовали именам, введенным выше.

Рисунок 1. Использование имен ячеек в электронных таблицах.

Чтобы определить имя ячейки: выберите ячейку, которую нужно назвать, перейдите в меню «Вставка» и выберите «Имя», затем «Определить» в подменю. В Excel появляется диалоговое окно, предлагающее (в качестве имени по умолчанию) текст непосредственно над выбранной ячейкой. Чтобы назвать ячейку, нажмите OK в этом диалоговом окне. Перемещайтесь по строке, пока не будут названы все эти поля. Эта процедура именования позволяет обращаться к V _INMAX в ваших расчетах вместо ячейки A2. Обратите внимание, что на рис. 1 выбрана ячейка A2 со значением 5. Имя ячейки указано прямо над строкой с меткой A. Затем просмотрите процедуру проектирования и выберите все требуемые значения компонентов (таблица 1). Обратите внимание, что исходные значения электронной таблицы были преобразованы в единицы СИ для ясности.

Таблица 1. Исходные расчеты компонентов

В ИНМАКС	В ИНМИН	В ВЫХОД	I ВЫХОД	Частота
5	5	3,3	0,5	500 кГц

Сначала вычислить R _TOFF .

В ПМОС	В НМОП	т ВЫКЛ	Р ТОФФ
45 мВ	35 мВ	673ns	66,3 кОм

Выберите значение для LIR, затем рассчитайте L и I _PEAK .

LIR_INIT	л	I ПИК
30%	14,8 мкГн	575 мА

Далее рассчитываются параметры выходного конденсатора.

I РЯБЬ	ESR_МИН	С ВЫХОД_МИН
529,6 мА	0,22 Ом	6,73 мкФ

Расчет плавного пуска

т нержавеющая сталь	С нержавеющая сталь
100 мс	0,22 мкФ

Выбор компонентов

Используя значения из таблицы 1, выберите периферийные компоненты преобразователя постоянного тока. Ознакомьтесь с рекомендациями в листе технических данных, чтобы убедиться, что каждый компонент подходит для данной задачи. Если расчетное значение индуктивности недоступно, выберите следующее меньшее стандартное значение. Если расчетное значение конденсатора недоступно, выберите следующий больший стандартный размер.

Катушка индуктивности выбирается в первую очередь на основе значения индуктивности, сопротивления постоянному току (DCR) и требования к пиковому току. Также убедитесь, что катушка индуктивности предназначена для работы на желаемой частоте переключения. Если эти данные не предоставлены, выберите другую катушку индуктивности, для которой данные доступны. Катушки индуктивности доступны в версиях для поверхностного монтажа и сквозного монтажа, но в целом типы поверхностного монтажа обеспечивают лучшие характеристики, особенно при высоких частотах переключения. В нашем примере у нас близкое совпадение с Coiltronics 9.0060® Thin-Pac TP1-150, дроссель 15 мкГн с током насыщения 0,73 А.

Входной конденсатор уменьшает как пиковый ток, потребляемый от входного источника питания, так и излучаемый шум на другие элементы системы. В большинстве спецификаций либо предлагаются конкретные значения, либо приводятся уравнения для расчета номинала входного конденсатора. Убедитесь, что номинальный пульсирующий ток конденсатора близок к выбранной частоте коммутации. Для нашего примера на 500 кГц конденсатор может быть с органическим электролитом, органическим полимером, керамическим или танталовым типом.

Танталовые конденсаторы могут резко реагировать на большие мгновенные скачки напряжения и высокие скачки тока, поэтому не используйте тантал для обхода входа, когда входная мощность будет подключаться через механический переключатель. Вход нашей схемы от регулируемого источника питания, поэтому нам не нужно беспокоиться об этом ограничении. Поэтому мы выбираем конденсатор, который соответствует требованиям к номинальному току пульсаций и напряжению, например, конденсатор серии AVX ^® TPS емкостью 100 мкФ в корпусе размера C, рассчитанный на 10 В и ток пульсаций 742 мА. Ток пульсаций входного конденсатора в понижающем преобразователе можно приблизительно представить как:

I _{RIPPLE_CIN (RMS)} = [I _OUT /V _IN ][V _OUT (V _IN — V _OUT )] ^{64 1/2}

1

В качестве отправной точки выберите конденсатор, соответствующий рекомендуемому минимальному значению 22 мкФ, и убедитесь, что он соответствует требуемому номинальному напряжению. В нашем примере конденсатор 33 мкФ серии AVX TPS в корпусе размера C рассчитан на работу при напряжении 10 В. Его максимальное ESR составляет 0,375 Ом, что близко к целевому значению.

Конденсатор плавного пуска и Т _OFF Резистор не имеет особых требований; выберите их из ближайших доступных стандартных значений. Чтобы завершить выбор компонентов, выберите оставшиеся значения из типичной прикладной схемы или схемы оценочного комплекта (EV).

Новый взгляд на электронную таблицу

Поскольку конденсаторы и катушки индуктивности имеют ограниченное число стандартных значений, ближайшее доступное значение может отличаться от расчетного значения более чем на 20 %. В этом случае электронная таблица должна быть пересчитана с фактическими значениями, чтобы убедиться, что схема по-прежнему соответствует проектным задачам. Как показано в Таблице 2, дальнейшие поправки не требуются, поскольку наш R _TOFF и выбор катушки индуктивности оказывают минимальное влияние на рабочую точку схемы.

Таблица 2. Проверка фактических значений компонентов

Рассчитать t OFF и частоту, используя выбранное значение R TOFF .
Р ТОФФ	т ВЫКЛ	Частота
68 кОм	688нс	488,8 кГц
Рассчитайте LIR и I PEAK  используя выбранное значение L.
Л	ЛИР	I ПИК
15 мкГн	30,3%	576 мА

Размещение компонентов

При компоновке печатной платы для этого примера вы должны сначала разместить микросхему преобразователя постоянного тока (например, MAX1742), катушку индуктивности, а также входные и выходные конденсаторы. Затем переместите эти компоненты так, чтобы входной конденсатор оказался ближе к входным контактам MAX1742; катушка индуктивности расположена близко к выводу LX микросхемы; а выходной конденсатор находится рядом с катушкой индуктивности и заземляющими выводами микросхемы. Оптимизация положения всех этих компонентов может потребовать компромиссов в зависимости от расположения выводов микросхемы. В микросхемах DC-DC преобразователей Maxim расположение выводов тщательно выбрано для обеспечения производительности схемы и простоты компоновки печатной платы.

Наиболее критическим узлом в большинстве случаев является точка соприкосновения между входным и выходным конденсаторами и заземляющий вывод микросхемы. Эти три основания должны располагаться очень близко, обычно в пределах 10 мм друг от друга (рис. 2а и 2б). Во время цикла заряда (рис. 2а) ток течет от входного конденсатора через ключ верхнего плеча, катушку индуктивности, выходной конденсатор, через заземляющий слой и обратно во входной конденсатор. Во время разрядного цикла (рис. 2b) ток продолжает течь через катушку индуктивности, выходной конденсатор, через заземляющий слой, обратно через заземляющий контакт ИС, через переключатель нижнего плеча и обратно в катушку индуктивности.

Рис. 2. На этих диаграммах показаны пути прохождения тока во время циклов заряда (а) и разряда (б) понижающего преобразователя постоянного тока в постоянный.

Поскольку этот циркулирующий ток может мешать другим цепям, длина его пути должна быть короткой (короткие пути также способствуют стабильной работе и эффективности). Слишком большая длина пути в заземляющей части (во время любого цикла) может поставить под угрозу опорную схему для других элементов схемы. Это условие также может привести к плохому регулированию, чрезмерной пульсации выходного сигнала и даже нестабильности. Расположение заземления входного конденсатора, заземления выходного конденсатора и заземления микросхемы рядом друг с другом сводит к минимуму эти нежелательные эффекты.

Другим важным соображением для заземления токоведущих компонентов является использование нескольких параллельных переходных отверстий печатной платы, если заземляющая пластина находится на другом слое печатной платы. Это особенно важно для конденсаторов входных и выходных фильтров. Одиночное переходное отверстие часто добавляет сопротивление и индуктивность последовательно с конденсатором, снижая его эффективность.

Заземление питания

После размещения компонентов в соответствии с указанными выше критериями общая земля соединяется либо широкими дорожками, либо многоугольником из сплошной меди. Используйте как можно больше меди, чтобы создать путь с низким импедансом между элементами.

Местная земля

Типичная прикладная схема для многих ИС преобразователей постоянного тока указывает несколько символов для земли — это отличный совет о том, как выполнить успешную компоновку схемы. Один из различных символов часто указывает на локальную заземляющую плоскость и обычно называется SGND или AGND. Элементы, которые подключаются к локальной заземляющей пластине, могут включать в себя эталонные байпасные конденсаторы, резисторы-делители и резисторы, которые задают рабочие точки (например, резистор R _TOFF в примере), но не должны включать сильноточные заземления, такие как заземления из переключать МОП-транзисторы.

Локальная заземляющая пластина представляет собой сплошной медный многоугольник, который лучше всего соединить с заземляющей пластиной питания в только в одной точке , обычно это контакт с названием PGND. Локальные заземляющие пластины предотвращают загрязнение малошумящей локальной заземляющей пластины коммутируемыми токами. Эти коммутационные токи часто превышают 10А.

Наземная плоскость

Поскольку многие системы полагаются на отдельную заземляющую пластину для всех компонентов на печатной плате, часто возникает соблазн использовать для этой цели заземляющую пластину секции преобразователя постоянного тока. Этого искушения следует избегать. Упомянутые выше коммутационные токи могут вызывать помехи заземления на плате, создавать чрезмерные электромагнитные помехи, вызывать недопустимые логические состояния, повышать уровень шума и вызывать нестабильность. Надлежащим интерфейсом между схемой преобразователя постоянного тока и заземляющей пластиной является одно сквозное отверстие (или небольшая группа из нескольких переходных отверстий), ведущая от залитой медью силовой земли к заглубленной заземляющей пластине.

Маршрутизация сигналов

После завершения начальной схемы заземления выполните необходимые соединения для первых четырех критических компонентов, а затем разместите и проложите оставшиеся компоненты. Полезный подход состоит в том, чтобы вывести все некритические сигналы на обратную сторону печатной платы с помощью небольших переходных отверстий, оставив верхнюю часть платы для разводки критических сильноточных дорожек.

При прокладке несиловых дорожек на печатных платах учитывайте компоненты постоянного и переменного тока сигнала. Помните, что каждая дорожка представляет собой резистор и катушку индуктивности, а также может иметь емкостную связь с другими дорожками. Использование каждого сигнала в схеме определяет оптимальную ширину и длину дорожки. Высокоскоростные и сильноточные сигналы требуют коротких и широких дорожек. Более длинные и тонкие дорожки приемлемы для менее критичных сигналов, таких как низкоскоростная логика. Проложите высокоскоростные коммутационные узлы подальше от чувствительных аналоговых областей, таких как компенсационная сеть и узел обратной связи. Также старайтесь, чтобы сети компенсации и обратной связи были как можно меньше, чтобы предотвратить появление шумов. Если это предусмотрено, обратитесь к рекомендациям по компоновке и заземлению на печатной плате комплекта электромобиля для получения дополнительной помощи.

Проверка

После того, как преобразователь завершен и прототипы плат собраны, общий дизайн должен быть проверен на соответствие первоначальным критериям. Если план был тщательно реализован с учетом обсуждаемых вопросов, шансы на первоначальный успех высоки. Но даже добросовестный дизайн может потребовать «доработки». При внесении изменений сверяйтесь с расчетами или моделями, чтобы убедиться, что какая-либо другая важная характеристика не подвергается риску. Например, вы можете решить, что выходная пульсация приемлема при меньшей емкости выходного фильтра, но такое изменение также может повлиять на стабильность.

Эффективность

Эффективность часто является ключевым параметром производительности преобразователя постоянного тока, особенно для устройств, работающих от батареи, и особенно для блоков питания в портативных компьютерах и небольшом портативном оборудовании. Эффективность блока питания ноутбука напрямую влияет на срок службы батареи, но также влияет и на рассеиваемую мощность; она должна быть согласована с ограничениями по теплоотводу. Обратите внимание, что преобразователь постоянного тока мощностью 50 Вт при КПД 85% по-прежнему рассеивает 8,8 Вт тепла внутри корпуса.

В ноутбуках эффективность важна в широком диапазоне условий эксплуатации. Примеры включают низкий заряд батареи, полный заряд батареи и зарядку батареи как в режиме ожидания, так и в рабочем состоянии. В других приложениях критические точки эффективности зависят от того, как используется устройство. Эффективность при небольшой нагрузке и рабочий ток покоя могут быть наиболее важными для небольших портативных устройств, таких как персональный глюкометр, в то время как эффективность при полной нагрузке и тепловыделение наиболее важны для сетевого оборудования.

Регулирование нагрузки

Способность преобразователя оставаться в пределах заданного допуска выходного напряжения независимо от нагрузки называется регулированием нагрузки. Он применяется при постоянном токе, но также включает в себя быстрые переходные процессы, например, возникающие в высокоскоростных процессорах. Вы должны убедиться, что выходное напряжение остается в пределах спецификации при нагрузке токами в диапазоне от нуля до максимума. Убедитесь, что выходное напряжение не ниже минимального значения при быстром изменении нагрузки от минимальной до максимальной. Убедитесь, что он не превышает своего максимального значения, когда ток нагрузки падает с максимального до минимального. Обратите внимание, что характеристики регулирования сети и нагрузки, приведенные в большинстве таблиц электрических характеристик в спецификациях, измерены при постоянном токе, в то время как переходные характеристики обычно показаны на типичных рабочих кривых. Дополнительные сведения см. в примечаниях по применению 752, «Создание быстрых переходных процессов при нагрузке» и 3453, «Проверка источника питания на переходные процессы в сети и при нагрузке».

Линейный регламент

Способность источника питания поддерживать стабилизацию выходного напряжения при изменении входного напряжения называется линейной стабилизацией. Опять же, его следует исследовать как при постоянном токе, так и при быстром переходном процессе переменного тока. Переходный процесс возникает, когда портативный компьютер переключается с питания адаптера переменного тока на внутреннюю батарею и обратно. В некоторых системах изменение напряжения может достигать 10 В. Убедитесь, что выходное напряжение остается в пределах спецификации, когда входное напряжение изменяется от минимального до максимального. Убедитесь, что ступенчатые изменения входного напряжения не вызывают пиков или провалов выходного напряжения, превышающих технические характеристики выходного напряжения.

Температурная чувствительность

Может быть удобно оценить систему на лабораторном столе и оценить ее готовность к применению, но еще одно критическое условие требует изучения: производительность в наихудшем диапазоне рабочих температур. Работоспособность в соответствии с указанными выше электрическими критериями должна измеряться при самых высоких и самых низких температурах, с которыми система может столкнуться во время работы. Следите за параметрами, которые резко изменяются, а также за теми, которые приближаются к верхнему или нижнему пределу в зависимости от температуры.

Лучший способ оценить температуру системы — использовать климатическую камеру. Камера позволяет проводить эксперименты с компьютерным управлением в широком диапазоне температур и с точностью до 1°C или выше. В тех случаях, когда камера невозможна, вы все равно можете получить представление о характеристиках перегрева с помощью менее сложного оборудования. Обычные тепловые пушки и даже фены полезны для нагрева цепи во время тестирования. Чтобы охладить контур значительно ниже температуры окружающей среды, обрызгайте его холодным спреем сжатого инертного газа (предлагается во многих технических каталогах). При охлаждении компонентов избегайте образования конденсата. Если происходит конденсация, помните, что колебание схемы может быть вызвано влагой на печатной плате, а не чувствительностью схемы к температуре.

Заключение

Конструкция источника питания постоянного тока не является ни ракетостроением, ни общеизвестным фактом. Список характеристик, которые необходимо учитывать при успешном проектировании, может показаться устрашающим, но методический подход может привести к созданию работающей схемы с минимальной итерацией. Применяя принципы, изложенные в этой статье, вы сможете устранить большинство типичных ошибок при первом проектировании.

Maxim предлагает комплекты EV для большинства своих преобразователей постоянного тока. Бесплатный инструмент моделирования EE-Sim от Maxim также можно использовать для более надежных конструкций источников питания, и он доступен для растущего числа устройств источников питания.

10. Повышающий преобразователь и двунаправленное преобразование постоянного тока в постоянный — преобразование электроэнергии EE2E11

Как мы кратко обсуждали в прошлой лекции. Ток дросселя в повышающем преобразователе по-прежнему сохраняет треугольную форму в установившемся режиме, когда применяется допущение CCM. Когда переключатель замкнут (включено), входное напряжение подается на индуктор, поэтому наклон тока индуктора равен

\[ m_1 = \frac{V_s}{L}. \]

Теперь ток диода равен нулю, так как он смещен в обратном направлении \(v_c\).

Когда переключатель разомкнут (в выключенном состоянии), диод смещен в прямом направлении и, поскольку он включен последовательно с катушкой индуктивности, \(i_d = i_L\). Теперь напряжение на индукторе равно \(v_L = V_s-V_c\), поэтому наклон тока индуктора равен

\[ m_2 = \frac{V_s-V_o}{L}. \]

В установившемся режиме среднее напряжение на катушке индуктивности должно быть равно нулю, т.е. затененные области A и B должны быть равны. Исходя из этого, мы сможем получить коэффициент передачи напряжения.

В соответствии с предположением об установившемся состоянии (площади A и B равны, среднее напряжение индуктора равно нулю или \(\Delta i_L\) одинаковы при расчете по двум наклонам), мы имеем

\[ m_1 DT_s + m_2(1-D)T_s = 0, \]

таким образом вычисляется коэффициент передачи напряжения

\[ \frac{V_o}{V_s} = \frac{V_c}{V_s} = \frac{1}{1-D}. \]

Так как используются идеальные компоненты, схема без потерь, поэтому имеем

\[ \frac{I_o}{I_s} = 1-D. \] 9{T_s} (i_L-I_o) \mathrm{d}t. \]

Приведенные выше два уравнения должны быть равны, т. е.

\[Di_o = (1-D)(i_L-I_o) \longrightarrow \frac{I_o}{I_L} = 1-D,\]

и мы знаем \(I_L = I_{s}\), поэтому \( \frac{I_s}{I_L} = 1-D\), что согласуется с текущим коэффициентом передачи, который мы получили из эквивалентности мощности на последнем слайде.

Во время цикла выключения минимальный ток, протекающий через конденсатор, равен

\[\начать{разделить} \начать{выравнивать} I_{cmin,off} &= I_{Lmin} -I_o = I_{s} — \frac{1}{2}\Delta i_L -I_o \\ &= I_{s} — \frac{1}{2}\frac{V_s DT_s}{L} — (1-D)I_{s} = D(I_s — \frac{1}{2}\frac{ V_s T_s}{L}). \end{выравнивание} \конец{разделить}\]

По-видимому, при входном токе \(I_s \geq \frac{V_sT_s}{L}\) или выходном токе \(I_o \geq (1-D)\frac{V_sT_s}{L}\) конденсатор ток в выключенном состоянии (область B) не становится отрицательным. Как показано здесь, накопленный и выпущенный заряд за один цикл равен

.