Импульсный понижающий преобразователь напряжения: Импульсный преобразователь напряжения понижающий

Импульсный преобразователь напряжения понижающий

Обзор для тех, кто умеет держать в руках паяльник.
Преобразователь напряжения — это полезное устройство, преобразующее одно напряжение в другое. Устройство универсальное и применить его можно например в авто для снижения бортового напряжения с 12-24V до 5V или например для использования 19V БП ноутбука при питании светодиодной подсветки на 12V.

Пришла плата в запечатанном антистатическом пакете.

Собрана схема на базе широко распространённого интегрального импульсного регулируемого стабилизатора LM2596S-ADJ с рабочей частотой 150kHz, выходным током до 3A и КПД 73-93%.
Схема преобразователя стандартная.

Диапазон допустимого входного напряжения микросхемы от 4,5V до 40V, но за счёт применения конденсаторов на 35V, входное напряжение не должно превышать 35V.
Обращаю внимание, что надпись на входном конденсаторе 100V обозначает вовсе не рабочее напряжение, а ёмкость 100uF и напряжение 35V!
Выходной конденсатор — полимерный, что позволяет снизить пульсации выходного напряжения.
Измеренный ESR входного конденсатора на частоте 1кГц — 0,15Ом, выходного полимерного конденсатора почему-то 0,25Ом. На частоте 150кГц он должен показать себя получше.
Диод Шоттки SK34 на 3A/40V, но по габаритам похож скорее на SK24.
Печатная плата очень компактная и полупроводники плохо охлаждаются, поэтому длительный максимальный отдаваемый ток не должен превышать 1,5A, при этом плата всё равно сильно греется за счёт довольно низкого КПД. Если ток превышать — микросхема перегревается и срабатывает её встроенная термозащита — выходное напряжение периодически пропадает на секунду и затем восстанавливается.




Печатная плата не до конца отмыта от флюса, пайка местами неаккуратная.

Выходное напряжение можно регулировать в пределах 1,25V-34V подстроечным многооборотным резистором.
Минимальная разница напряжений вход-выход 1,6V при нагрузке 2А.
Ток потребления без нагрузки при напряжении питания 12V — 7mA.
Подключение входного и выходного напряжений производится посредством пайки. Пятаки только с одной стороны, металлизации нет.

Во время работы, преобразователь тихонько шипит. Это происходит из-за отсутствия компенсационного конденсатора в цепи обратной связи. На плате место под его установку — есть.

После его установки, никаких шумов от преобразователя не слышно.

Измерение температуры микросхемы на разных токах

В режиме КЗ

ток в начале достигает почти 4А

а затем по мере прогрева падает до 3,2А

При этом диод греется гораздо больше микросхемы (примерно до 180гр). Т.о. в режиме КЗ преобразователь долго не проработает. Ток потребления преобразователем в режиме КЗ — 0,4А при питающих 12V, мощность выделяемая на плате 4,8W

Осциллограммы на выходе — всё печально…
Нагрузка 1А. Частота преобразователя около 65kHz, амплитуда пульсаций 0,2V

Нагрузка 1,5А. Частота преобразователя около 35kHz, амплитуда пульсаций 0,25V

Нагрузка 2А. Частота преобразователя около 18kHz, амплитуда пульсаций почти 0,40V

Выходит, микросхема LM2596 не является оригинальной — частота работы гораздо ниже и сильно зависит от нагрузки.
Если требуется повышенный ток при высоком КПД преобразования, лучше использовать синхронные преобразователи, типа:
aliexpress.com/item/DC-DC-Buck-Step-Down-Converter-Module-High-Efficiency-Input-16-40V-Output-1-0-12V/552641779.html
aliexpress.com/item/Low-ripple-DC-4-30V-to-1-2-30V-Voltage-Step-Down-Converter-Car-LED-Laptop/1337105991.html
aliexpress.com/item/DC-DC-Buck-Converter-Adjustable-4-30V-to-1-2-30V-Constant-Current-Solar-Charger-LED/1333604459.html

Вывод: простое полезное устройство для умеющих паять экспериментаторов.

Понижающий преобразователь напряжения на LM2596 из каменного века.

Как то достаточно давно, сидя в машине подумал: а чего это я заряжаю телефон через автомобильную зарядку установленную в прикуриватель. Ведь «потребителей» частенько бывает больше чем один, да и само гнездо прикуривателя бывает нужно. Сформулировал для себя ТЗ: питание от борт сети через замок зажигания, выход 1-3 порта с током до 2 А. Поискал в интернете и оказалось что я далеко не первый кто озадачился проблемой и даже больше, реализовал ее различными способами.

Для моей затеи нужен был стабилизатор напряжения выдерживающий напряжение бортсети и ток до 3 Ампер. Вариантов реализации на самом деле огромное количество, но все они сводятся к одному — импульсный понижающий преобразователь. Почему импульсный? Потому что у него КПД максимальное. Значить греться в преобразователе будет почти нечему и размеры обещают быть минимальные.

Понижающий преобразователь предназначен для понижения напряжения до необходимого значения. Его силовые элементы работают в ключевом режиме, по простому включено, выключено. В момент включения энергию накапливает дроссель (катушка на сердечнике), в момент когда силовой элемент (транзистор) выключен, дроссель отдает запасенную энергию в нагрузку. Как только дроссель отдаст накопленную энергию, схема контролирующая напряжение на выходе включит силовой транзистор и процесс повторится.

В настоящий момент все зарядные устройства для телефонов и планшетов вставляемые в гнездо прикуривателя выполнены по схеме с импульсным понижающим преобразователем.

Доставка и внешний вид:
Плата пришла в запаянном антистатическом пакете, вроде бы повод порадоваться, но на самом деле должно восприниматься как должное.
Качество пайки вполне себе качественное. Незначительные остатки флюса на обратной стороне на выводах переменного резистора.
Переменный резистор многооборотный, позволяет точно подстроить выходное напряжение.

Предусмотрены крепежные отверстия под винт. Клеммников нет, провода придется паять. Под микросхемой есть отверстия с металлизацией для дополнительного отвода тепла на обратную сторону платы.

Схема проще не придумаешь:

Единственное что у китайцев номиналы дросселя и конденсаторов отличаются.

Видимо что есть в наличии, то и ставят. Хуже уже не будет.

На скорую руку припаял провода и нагрузку в виде проволочного резистора 2.2 Ом 10 Вт.
Для ограничения температуры при нагреве, резистор был помещен в воду.

На стенде доступно 2 напряжения 12 Вольт и 24 Вольта. Первое включение провел без нагрузки, для регулировки выходного напряжения, что бы не сжечь платку. Вращая винт резистора добился напряжения на выходе 5 Вольт.
Нагрузка 2.2 Ом подразумевает ток 2.27 Ампера, что укладывается в заявленные параметры платы а так же мои потребности с небольшим запасом, поскольку я раздобыл сдвоенный разъем с дохлой материнской платы:

По 1 Амперу на порт.

10 минут работы под нагрузкой и дикий нагрев платы. Фото с тепловизора:

Обратная сторона

Ахтунг! Температура 115С на диоде и 110С на микросхеме (сторона с деталями) и 105С с обратной стороны.

Температура дросселя около 70С, многовато, но в насыщение не входит.
Предельная температура для диода 150С, а для микросхемы 125С.

Ни в какие ворота не лезет. Начал думать что это брак или в очередной раз я купил дешевую фигню.
Скачал документацию на микросхему и обнаружил что этот преобразователь имеет паршивенькое КПД. А все из за того, что ключевой элемент в микросхеме является биполярный транзистор, который хоть и работает в ключевом режиме, но в открытом состоянии на нем падает прилично напряжения.
Повышение напряжения на входе до 24 Вольт ситуацию никак не спасло.
График КПД при токе нагрузки 3 Ампера:

Т.е. примерно 80% при питании от борт сети автомобиля. Выходит на микросхеме выделяется при нагрузке 3 А 3.7Вт, а еще греется диод и дроссель. Заменой диода (3А 40В) и дросселя (47мкГн), а так же установкой радиатора можно было бы решить проблему с нагревом, но к чему такие усилия, когда за те же деньги можно взять более продвинутые понижающие преобразователи.

Попытка исправить ситуацию:
На обратную сторону через теплопроводящий клей установил небольшой радиатор (распилил радиатор от неисправного блока питания компьютера).


Диод планировал брать там же из «дежурки» С дросселем немного сложнее, но думаю нашел бы с большим сечением обмоточного провода (учитывая приличный разброс индуктивности в применяемых китайцами дросселях).
Попытка включить и снять показания температуры привела к краху =) я перепутал полярность и спалил микросхему. Сэкономил, надо было штук 5 сразу брать на эксперименты, а лучше не брать вообще, ибо этот древний преобразователь настолько ужасен что в конкретно примененной плате даже 50% характеристик не отрабатывает.

Hint

На просторах сети обнаружил нетипичное применение микросхеме LM2596 — усилитель звуковой частоты класса D! Сигнал подается на вход 4 «обратная связь». Частота дискредитации правда не более 150 КГц. Ни в коем случае не призыв собирать усилитель на базе преобразователя, для этого есть специализированные микросхемы =)

Выводы неутешительны:
Плата в том виде, как она продается не оправдывает заявленные характеристики. Причем зависимость от тока нагрузки гораздо выше, чем от изменения напряжения. Доработать плату можно заменив половину деталей, но какой в этом смысл?

Все же если вам нужен понижающий преобразователь (step down), то лучшей альтернативой обозреваемому были бы преобразователи собранные на микросхемах: LM2577, LM 2678 и аналогичных. На данный момент я уже заказал несколько плат на пробу заявлено КПД 96%

Ps

Пока я очень долго планировал поставить на машину USB порты, моя машинка поехала в утиль 🙁

но все же нашлось еще место, куда бы я поставил преобразователь взамен трансформаторному блоку питания:
Это раз (там где креативненькая надпись):

Это два (передняя планка с USB портами выдрана из старого корпуса от компьютера стенки «корпуса» оргстекло):

Специально к обзору изготовил нагрузочную платку для проверки зарядных устройств (даже спалил парочку, не выдержали нагрузки). на али такие продаются готовые около 1$:

Котэ:

Понижающий преобразователь напряжения с выходным током до 20А

Понадобился мне для одного из проектов мощный понижающий преобразователь напряжения и решил я его перед применением немного протестировать.
Небольшой осмотр, тесты, выводы.

На самом деле задача у меня была получить ток до 40А при напряжении 4.8-5 вольт, причем нагрузку можно разделять и можно использовать 2 преобразователя по 20А. Но рисковать заказывая сразу пару не очень хотелось и решил взять для начала на пробу один.

К слову, вообще это уже второй такой заказанный преобразователь, некоторое время назад я уже пытался его заказать, но прислали вариант на 10А и самое обидное то, что заметил я это уже когда прошли все сроки защит. Пришлось повторить заказ, но уже в другом магазине.

Упаковка простейшая, конверт и антистатический пакет, преобразователь компактный, размеры 60х52х28мм.

Заявленные параметры (со страницы товара)
Входное напряжение: от 6 В до 40 В постоянного тока (от 10 В до 40 в предлагается)
Выходное напряжение: 1,2 В до 36 В постоянного тока
Выходной ток: 20А (макс.), 15А (рекомендуется)
Эффективность: 95% (24В до 12В, 20А)
Выходная пульсация: ≤ 50 мВ
Способ подключения: терминал
Защита от короткого замыкания: самовосстановление (не может долгое замыкание)
Размер: 60x53x27 мм/2,36×2,08×1,06″

Внешне выглядит относительно аккуратно, ничего не болтается, не висит, радиаторы прикручены небольшими винтиками, а не висят на выводах компонентов. Есть четыре крепежных отверстия.

1. Со стороны входа имеется винтовой клемник, выключатель и светодиод индикации включения. Выключатель коммутирует сигнал управления ШИМ контроллером, клемник так себе, какой-то «жиденький»
2. Со стороны выхода такой же терминал, рядом два подстроечных резистора для установки выходного напряжения и ограничения тока.
3. Входные конденсаторы 2шт 470мкФ 50 вольт
4. Выходные конденсаторы 3шт 270мкФ 35 вольт с закосом «под фирму», хотя вполне может статься что и оригинал, сложно так сказать.
5, 6. Преобразователь с синхронным выпрямлением, соответственно на радиаторах установлены два полевых транзистора, а не транзистор + диодная сборка. Транзисторы одинаковые — NCE8290, N-канальные, 82В 90А 8.5мОм, что в принципе даже неплохо.

Компоновка не сильно плотная, но тем не менее, не очень удачная, конденсаторы стоят впритирку к силовому дросселю, который в работе обычно довольно сильно греется.

ШИМ контроллер, операционный усилитель, шунт и остальная мелочь находится снизу платы.

Справа вверху виден ШИМ контроллер — LM25116, ниже шунт 4мОм и ОУ для усиления сигнала с него — LM321

Из ключевых особенностей ШИМ контроллера — синхронное выпрямление, встроенный драйвер с током до 3.5А, питание до 42 вольта, настраиваемое ограничение тока и выходное напряжение в диапазоне 1. 21-36 вольт.
Если коротко, весьма интересный контроллер.

В даташите имеется схема типового включения, но собственно здесь ничего необычного, виден как контроллер, так и силовые транзисторы, а также токоизмерительный шунт. Отмечу что в даташите есть два примера включения и в обоих контроллер и силовая часть питаются от разных источников, у обозреваемого преобразователя источник один, что также допускается, но диапазон входного напряжения при этом ограничен максимальным для контроллера, т.е. 42 вольта.

В реальности с выходным напряжением все немного похуже.
1, 2. Если минимальное в общем-то соответствует заявленному, хотя без нагрузки и болтается в идапазоне примерно 1.24-1.45 вольта.
3. То вот максимально я смог получить только 30 вольт.
4. При том что на входе было установлены максимально заявленные в описании 40 вольт, так что это не ограничение из-за входного напряжения, а не совсем корректно рассчитанный делитель обратной связи.

Потребление вы выключенном состоянии практически нулевое. Во включенном, но без нагрузки в диапазоне 12-24 вольта ток около 20мА, но при входных 36 заметно поднимается и составляет уже 60мА. Измерение в данном случае грубое, но не думаю что это критично.

Ограничение тока работает, но минимум можно выставить только около 700мА, максимум что смог проверить, 12.2А, выше не стал поднимать, предохранители к мультиметру стоят дорого. При некоторых значениях тока преобразователь тихонько пищал.

Далее шла проверка точности поддержания напряжения при токах нагрузки от 5 до 20А. Для начала выставил на выходе 5 вольт.

И затем измерил выходное напряжение при токах 5, 10, 15 и 20А. Мультиметр был подключен к проводникам печатной платы под клеммником.
В диапазоне токов 0-20А просадка напряжения составила 0.12 вольта. Не скажу что это плохо, но при малых выходных напряжениях уже заметно.

Такая же проверка, но при выходном 12 вольт, входное было 24 вольта.
Сначала без нагрузки

Затем при токах 5, 10, 15 и 20А.
Имеем ту же разницу в 0.12 вольта, предположу что имеется проблема с корректностью разводки печатной платы.

Пока гонял преобразователь в разных режимах и делал фото для обзора, заметил что появился нагрев и был удивлен что температура довольно высокая, хотя не сказал бы что предварительные тесты заняли много времени.

Кроме того, обратил внимание на заметную зависимость КПД от входного напряжения, а точнее, от разницы вход/выход.
Для примера на входе 12 вольт, на выходе 5 вольт и ток 20А, при этом преобразователь потребляет 114.5Вт.

При 24 вольта по входу уже 117.3Вт, а если поднять входное до 36 вольт, то еще больше, 121.6Вт.
Т.е. при выходном 5 вольт 20А и изменении входного напряжения в диапазоне 12-36 вольт имеем от 114.5 до 121.6Вт.
В моем случае входное будет 10-14 вольт, потому все нормально, но возможно кому-то будет критично.

КПД измерялся в нескольких режимах, ниже три графика для выходного 5 вольт и входного 12, 24 и 36 вольт, по горизонтали ток нагрузки от 2. 5 до 20А кратно 2.5А.

Результаты довольно грубые так как входная мощность оценивалась по показаниям блока питания, а значит влияло падение на проводах от него к преобразователю, думаю реально КПД примерно на 1% выше.

Здесь также три графика, но в других режимах, пара с выходным 12 вольт и входным 24 и 36 вольт, а также вариант с выходным 24 вольта и входным 36 вольт (верхний график).
Отмечу что в тесте 36-24 вольта был ток нагрузки 15А и соответственно выходная мощность почти 360Вт при максимальной заявленной 300Вт.

Как я писал ранее, преобразователь ощутимо греется, для проверки я провел тест при выходном напряжении 5 вольт, входном 12 вольт и токах нагрузки 10 и 15А. Отмечу что этот один из наиболее оптимальных режимов, в других нагрев может быть еще больше.
1. На момент начала теста преобразователь был уже немного прогрет.
2. Через 20 минут при токе 10А нагрев в пределах нормы.
3. Еще через 20 минут при токе 15А нагрев стал более заметным, максимальную температуру имел входной транзистор — 106 градусов.

По результатам теста рекомендую либо ограничивать выходной ток, либо подумать об активном охлаждении.

Пульсации.
В общих чертах очень даже неплохо, я как-то ожидал худшего.
Выходное напряжение 5 вольт, входное 12.
1. Без нагрузки
2, 3, 4. При токах 5, 10 и 20А

На самом деле в спектре пульсаций присутствовали «иголки», но так как тест производился с насадкой на измерительный щуп (1мкФ+0.1мкФ), то их не видно.
Ниже осциллограмма с прямым включением щупа при токе 20А и соотношении вход выход 12-5.

Те же токи нагрузки, 5, 10 и 20А, но соотношение вход/выход другое, слева 30-5 вольт, справа 24-12 вольт.

Если присмотреться к вышеприведенным осциллограммам, то думаю можно заметить что «горизонт завален», т.е. каждый последующий импульс выше или ниже предыдущего.
Меня заинтересовал этот момент и я увеличил время развертки в итоге получив такую вот не очень приятную картинку. Видно что общий размах пульсаций около 80мВ, проявляется такое при выходном напряжении 12 вольт и выше, а также при токах около 15А и более, нижняя осциллограмма сделана при выходном напряжении 12 вольт, входном 24 вольта и токе 15А.

Под конец обзора сравнительное фото других преобразователей в том же формфакторе, посередине повышающий, справа понижающий, но на 10А. Думаю также написать небольшие обзоры, если кому-то интересно.

В качестве итогов скажу, что в общих чертах преобразователь работает, но есть довольно много замечаний.
1. Нагрев, более 15А с него длительно не снять без дополнительного охлаждения, но это указано в описании. Но даже 15А это уже работа близко к предельным значениям, особенно при большой разнице вход/выход.
2. Регулировка тока только от 0.7А
3. Выходное напряжение до 30 вольт при заявленных 36.
4. Входные конденсаторы низкого качества.
5. Клемники хилые, особенно под заявленные 20А.

Если коротко, то производитель взял в общем-то неплохую элементную базу, но в итоге получил средненький преобразователь, думаю что часть проблем кроется в ошибках трассировки.

На этом пока все, надеюсь что было полезно.

Советы по проектированию понижающих преобразователей

28 ноября 2007

 

 

Импульсные понижающие преобразователи являются неотъемлемой частью современной электроники. Они способны преобразовывать напряжения источников питания (типичные значения от 8 до 25 В) в более низкое стабилизированное напряжение (типичные значения от 0,5 до 5 В). Понижающие преобразователи передают маленькие порции энергии, используя переключатель, диод, дроссель и несколько конденсаторов. Несмотря на то, что размеры и уровень шумов импульсных преобразователей значительно больше, чем у их линейных аналогов, импульсные понижающие преобразователи в большинстве случаев имеют более высокий КПД.

Несмотря на широкое распространение, проектирование понижающих преобразователей может стать сложной задачей, как для начинающих проектировщиков источников питания, так и для специалистов среднего уровня. Это связано с труднодоступностью большинства практических методов и некоторых алгоритмов расчета схем. И хотя некоторые из расчетов можно легко найти в спецификациях микросхем, даже эти сведения иногда печатаются с ошибками.

Производители понижающих преобразователей включают в помощь инженерам в качестве пункта спецификации типовую схему применения, которая, в свою очередь, зачастую определяет конкретные типы и количество компонентов для разработки прототипа. Но подробное описание методики выбора компонентов производители предоставляют редко, предполагая, что потребитель в точности копирует предлагаемый вариант. В случае снятия с производства какого-либо из основных компонентов схемы или необходимости замены на более дешевый вариант, у потребителя не оказывается под рукой методики выбора эквивалента.

В данной статье рассматривается только одна топология понижающего стабилизатора — с фиксированной частотой коммутации, широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и работой в режиме непрерывного тока (РНТ). Обсуждаемые принципы могут быть применены к другим топологиям, но приводимые уравнения непосредственно к ним применять нельзя. Чтобы рассмотреть сложные моменты проектирования понижающих преобразователей, мы приводим пример, который включает подробный анализ расчетов параметров различных компонентов. Потребуются четыре параметра схемы: диапазон входного напряжения, стабилизированное выходное напряжение, максимальный выходной ток и частота коммутации преобразователя. На рис. 1 наряду со схемой и основными требуемыми компонентами приведен список этих параметров.

Рис. 1. Стандартная схема понижающего преобразователя с рабочими параметрами

Выбор дросселя

Расчет значения дросселя является самым критичным моментом в проектировании понижающего импульсного преобразователя. Сначала предположим, что преобразователь работает в РНТ, что является типичным случаем. РНТ означает, что когда коммутирующий элемент закрыт, дроссель разряжается не полностью. Приведенные ниже уравнения справедливы для идеального коммутирующего элемента (нулевое сопротивление открытого ключа и бесконечное — закрытого, нулевое время переключения) и идеального диода:

 (Ур. 1)

где f_SW — частота коммутации понижающего преобразователя, а LIR — коэффициент тока дросселя, выраженный как процент от выходного тока I_OUT (т.е. для пульсирующего тока с размахом 300 мА при выходном токе 1 А получаем LIR = 0,3 А/1 А = 0,3).

LIR, равный 0,3, говорит о хорошем соотношении КПД и реакции на изменение нагрузки. Увеличение постоянной LIR — повышение пульсаций тока дросселя — улучшение динамики переходных характеристик, а уменьшение LIR — следовательно, снижение пульсаций тока — замедление переходных процессов. На рис. 2 приведены переходные характеристики и ток дросселя для определенной величины тока нагрузки при значении LIR от 0,2 до 0,5. Верхний график на рисунке — пульсации выходного напряжения по переменному току, 100 мВ/дел. Средний график — ток нагрузки, 5 А/дел. Нижний — ток дросселя, 5 А/дел. Масштаб времени для всех графиков — 20 мкс/дел.

Рис. 2. При увеличении LIR с 0,2 до 0,5 динамические свойства преобразователя улучшаются

Максимальный ток дросселя определяет требуемое номинальное значение его тока насыщения, который, в свою очередь, обусловливает габариты дросселя. Насыщение сердечника дросселя снижает КПД преобразователя, повышая при этом температуру дросселя, МОП-транзистора и диода. Расчет максимального рабочего тока дросселя можно выполнить по нижеприведенной формуле:

  где

Для значений, приведенных на рис. 1, индуктивность, рассчитанная по этим формулам, равна 2,91 мкГн (LIR=0,3). Выбираем наиболее близкое к расчетному типовое значение, например, 2,8 мкГн, затем проверяем, что номинальное значение тока насыщения выше, чем расчетное значение максимального тока (IPEAK = 8,09 А).

Выбираем достаточно большое номинальное значение тока насыщения (в данном случае 10 А), чтобы компенсировать отклонения параметров схемы и разницу между действительными и расчетными значениями компонентов. Приемлемым для этого будет запас в 20% от расчетного номинального значения с учетом ограничения физических размеров дросселя.

Дроссели такого размера и с таким номиналом тока, как правило, имеют диапазон сопротивления постоянному току (СПТ) от 5 до 8 мОм. Для минимизации потерь мощности выбирайте дроссель с наименьшим СПТ. Хотя спецификации разных поставщиков отличаются, всегда для расчетов используйте максимальные значения СПТ, а не типовые, потому что максимум гарантируется для наихудших условий.

ВЫБОР ВЫХОДНОГО КОНДЕНСАТОРА

Выходной конденсатор требуется для минимизации выбросов напряжения и пульсаций на выходе понижающего преобразователя. Большие выбросы вызываются недостаточной выходной емкостью, а большие пульсации напряжения — недостаточной емкостью и высоким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) выходного конденсатора. Максимально-допустимые выбросы напряжения и амплитуда пульсаций обычно определяются во время разработки. Таким образом, для обеспечения требований к пульсациям необходимо включать выходной конденсатор с достаточной емкостью и низким ESR.

Проблема выброса (когда выходное напряжение превышает напряжение стабилизации во время внезапного отключения полной нагрузки от выхода) требует, чтобы выходной конденсатор был достаточно большим для предотвращения передачи энергии дросселя, уровень которой выше определенного максимума. Величина превышения выходного напряжения может быть рассчитана по следующей формуле:

 (Ур. 2) 

Преобразуя уравнение 2 получим:

 (Ур. 3)

где C₀ равно выходной емкости, а DV равно максимуму выброса выходного напряжения.

Приняв значение максимума перерегулирования по напряжению 100 мВ и решив уравнение 3, получим расчетную выходную емкость 442 мкФ. Поправка на типичное допустимое отклонение конденсатора (20%) дает практическое значение выходной емкости около 530 мкФ. Ближайшее стандартное значение — 560 мкФ.

Пульсации на выходе при использовании только этой емкости рассчитываются по следующей формуле:

 

Основное влияние на пульсации оказывает ESR выходного конденсатора. Результат может быть подсчитан следующим образом:

  

Знайте, что выбор конденсатора с очень низким значением ESR может стать причиной нестабильной работы преобразователя. Показатели, влияющие на стабильность, меняются от одной ИС к другой, поэтому при выборе выходного конденсатора обязательно прочтите технические условия и обратите особое внимание на разделы, имеющие отношение к стабильности преобразователя.

Складывая пульсации выходного напряжения, обусловленные значением емкости (первое слагаемое в уравнении 4) и ESR выходного конденсатора (второе слагаемое), получаем суммарное значение пульсаций выходного напряжения для понижающего преобразователя:

 (Ур. 4)

Преобразуя уравнение 4 для нахождения ESR, получаем:

 (Ур. 5) 

Неплохой понижающий преобразователь обычно имеет уровень пульсаций выходного напряжения менее 2% (40 мВ в нашем случае). Для выходной емкости 560 мкФ уравнение 5 дает максимальное расчетное значение ESR 18,8 мОм. Поэтому выбирайте конденсатор с ESR меньше 18,8 мОм и емкостью, равной или большей 560 мкФ. Для получения эквивалента ESR менее 18,8 мОм можно включить параллельно несколько конденсаторов с низким значением ESR.

Рис. 3. Влияние эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) выходного конденсатора на пульсации выходного напряжения

На рис. 3 представлена зависимость пульсаций выходного напряжения от значений выходной емкости и ESR. Так как в нашем примере используются танталовые конденсаторы, влияние ESR на пульсации преобладает.

ВЫБОР ВХОДНОГО КОНДЕНСАТОРА

Диапазон пульсаций тока входного конденсатора определяет его значение и физические размеры. Следующая формула рассчитывает, какой должна быть величина пульсаций тока входного конденсатора:

Рис. 4. Пульсации тока на входном конденсаторе

Рис. 4 представляет график зависимости пульсаций тока конденсатора (в долях выходного тока) от входного напряжения понижающего преобразователя (показанного как отношение выходного напряжения к входному). Наихудшим является случай, когда входное напряжение V_IN = 2V_OUT (V_OUT /V_{IN = 0,5}), который приводит к максимальным пульсациям тока I_OUTMAX /2. Входная емкость конденсатора, требуемая для понижающего преобразователя, зависит от полного сопротивления источника питания. Для лабораторных источников питания общего применения обычно достаточно от 10 до 22 мкФ на каждый ампер тока нагрузки. Для параметров схемы рис. 1 можно подсчитать, что пульсации входного тока составят 3,16 А. Исходя из этого, можно начать с полной входной емкости 40 мкФ, а потом по результатам испытаний скорректировать это значение.

Танталовые конденсаторы — неудачный выбор для входных фильтров. Они обычно выходят из строя «с замыканием», что означает — неисправный конденсатор создает короткое замыкание на своих выводах и, следовательно, повышает опасность возгорания. Керамические или алюминиевые электролитические конденсаторы предпочтительнее, потому что свободны от такого рода дефектов.

Керамические конденсаторы являются лучшим выбором в случае ограниченного пространства печатной платы или высоты компонентов, но они могут стать причиной генерации схемой акустического звона. Такой высокочастотный шум вызывается вибрацией керамического конденсатора, установленного на печатную плату, благодаря сегнетоэлектрическим свойствам и пьезоэффекту, вызванному пульсациями напряжения. Смягчить проблему могут полимерные конденсаторы. Они также подвержены отказам с коротким замыканием, но намного надежнее танталовых и поэтому подходят в качестве входных конденсаторов.

ВЫБОР ДИОДА

При выборе диода ограничивающим фактором является рассеиваемая мощность. Средняя мощность для наихудшего случая может быть рассчитана по формуле:

 (Ур. 6)  

где V_D — падение напряжения на диоде при заданном выходном токе I_OUTMAX.

(Для кремниевых диодов типичное значение — 0,7 В, для диодов Шоттки — 0,3 В). Выбранный диод должен быть способен рассеивать энергию. Для обеспечения надежной работы во всем диапазоне входного напряжения необходимо, чтобы максимум обратного повторяющегося напряжения был больше максимального входного напряжения (V_RRM і V_INMAX). Справочное значение прямого тока диода должно соответствовать или превышать максимум выходного тока (т.е. I_FAV і I_OUTMAX).

ВЫБОР МОП-ТРАНЗИСТОРА

Инженеры часто просто выбирают ИС стабилизатора со встроенным МОП-транзистором. К сожалению, большинство производителей считает, что расходы на размещение мощных МОП-транзисторов в одном корпусе с преобразователем непомерно высоки, поэтому интегрированные схемы обычно характеризуются максимальными выходными токами не более 3…6 А. Для более мощных схем единственной альтернативой обычно является внешний МОП-транзистор.

Перед тем как выбрать соответствующий прибор, необходимо определить максимальную температура перехода (T_JMAX) и максимальную температуру окружающей среды (T_AMAX) внешнего МОП-транзистора. T_JMAXне должна превышать 115…120°C, а T_AMAX не должна превышать 60°C. Максимальная температура окружающей среды 60°C может показаться высокой, но, как правило, понижающие преобразователи монтируются на шасси, где такая температура не является необычной. Максимально допустимый подъем температуры для МОП-транзистора можно рассчитать по формуле:

 (Ур. 7)

Подставив приведенные выше значения T_JMAX и T_AMAX в уравнение 7, получим максимальный подъем температуры для МОП-транзистора 55°C. Максимальная мощность, рассеиваемая МОП-транзистором, может быть рассчитана, исходя из допустимого максимума подъема температуры МОП-транзистора:

(Ур. 8)

Тип корпуса МОП-транзистора и параметры радиатора влияют на тепловое сопротивление «переход-среда» (Θ_JA). Если в спецификации нет данных о Θ_JA, для стандартного корпуса SO-8 (проволочные соединения, корпус без медного основания), установленного на 30-граммовую медную пластину площадью 6,5 см², достаточно точным будет значение 62°C/Вт. Между значением Θ_JA и массой радиатора нет обратной линейной зависимости, и степень уменьшения значения Θ_JA быстро падает при использовании медного радиатора площадью больше 6,5 см². Подставив в уравнение 8 Θ_JA = 62°C/Вт, получим допустимую рассеиваемую мощность около 0,89 Вт.

Мощность, рассеиваемая МОП-транзистором, является следствием ненулевого сопротивления открытого канала сток-исток и потерь коммутации. Потери от сопротивления открытого канала могут быть рассчитаны по формуле:

 (Ур. 9)

Так как в большинстве справочников приводится максимальное сопротивление открытого канала только для 25°C, вам может понадобиться оценка значения этого параметра при T_JHOT. Для практических расчетов достаточно точное значение максимума сопротивления при любой температуре обеспечивает применение температурного коэффициента 0,5%/°C. Таким образом, сопротивление открытого канала при высокой температуре подсчитывается следующим образом:

 (Ур. 10)

Допуская, что потери открытого канала составляют приблизительно 60% от всех потерь, приходящих на долю МОП-транзистора, и преобразуя с учетом этого уравнение 10 в уравнение 11, максимально допустимое сопротивление открытого канала при 25°C:

 (Ур. 11)

Потери коммутации составляют меньшую часть рассеиваемой мощности МОП-транзистора, но, тем не менее, они тоже должны быть приняты в расчет. Следующий расчет потерь коммутации дает достаточно грубое приближение и поэтому не заменяет оценку в лабораторных условиях. Предпочтителен тест с применением термодатчика, закрепленного на транзисторе P1 для достоверного контроля температуры.

 (Ур. 12)

где C_RSS — проходная емкость (затвор-сток) транзистора P1, — максимальный втекающий/вытекающий ток управления затвором, а P1 — МОП-транзистор верхнего плеча. Приняв ток управления затвором 1 А (значение из справочных данных драйвера затвора/контроллера) и проходную емкость 300 пФ (из спецификации на МОП-транзистор), получаем из уравнения 11 максимальное значение R_DS(ON)25°C около 26,2 мОм. Пересчет и суммирование потерь канала и коммутации дает в конечном результате значение рассеиваемой мощности 0,676 Вт. Используя эту цифру, можно подсчитать, что максимально допустимый подъем температуры для данного МОП-транзистора составляет 101°C. Это значение находится в пределах допустимого температурного диапазона.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ПОНИЖАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Минимизация потерь мощности продлит срок службы батареи и уменьшит теплоотдачу преобразователя. Следующие формулы обеспечивают расчет потерь мощности на каждом участке преобразователя.

Потери на ESR входного конденсатора:

Потери на диоде, сопротивлении открытого МОП-транзистора и потери коммутации определяются по формулам 6, 9 и 12.

Потери на СПТ дросселя:

Потери на ESR выходного конденсатора:

Потери на медных печатных проводниках: эти потери трудно подсчитать точно, но рис. 5 дает грубую оценку величины сопротивления квадратного участка меди на печатной плате. С помощью рис. 5 можно использовать простое уравнение рассеяния мощности I²R, чтобы подсчитать потери.

Рис. 5. Сопротивление одной унции меди в форме квадрата примерно равно 0,5 мОм

Следующее уравнение суммирует все потери преобразователя и учитывает их в выражении КПД преобразователя:

 Допуская, что потери меди могут составлять 0,75 Вт, КПД данного преобразователя равен 69,5%. Замена кремниевого диода на диод Шоттки увеличивает КПД до 79,6%, а применение вместо диодов синхронного выпрямителя на МОП-транзисторе повысит КПД до 85% при полной нагрузке.

Рис. 6. Анализ потерь преобразователя

На рис. 6 приведен анализ потерь мощности преобразователя. Удвоение массы меди до 60 г или утроение до 90 г минимизирует потери меди и тем самым увеличивает КПД с 86 до 87%.

Тщательная компоновка печатной платы является важным фактором в минимизации потерь коммутации и стабильности работы понижающего преобразователя. В качестве отправной точки придерживайтесь следующих рекомендаций:

• Сильноточные цепи, особенно у выводов заземления, необходимо выполнять как можно короче.
• Минимизируйте длину проводников, идущих к дросселю, МОП-транзистору и диоду/синхронному выпрямителю.
• Шины питания и линии подключения нагрузки должны быть короткими и широкими. Такой подход является весьма важным для достижения высокого КПД.
• Размещайте узлы и проводники, чувствительные к наводкам тока и напряжения, вдали от узлов коммутации.

ПРОВЕРКА ХАРАКТЕРИСТИК

Разрабатывая или модифицируя схему понижающего импульсного стабилизатора (который работает в РНТ с использованием ШИМ), для расчета параметров основных компонентов и требуемых характеристик можно применить уравнения, приведенные в этой статье. Для проверки электрических и тепловых характеристик окончательного варианта всегда необходимо проводить лабораторные испытания схемы. Для удовлетворительной работы схемы правильная разводка печатной платы и рациональное размещение компонентов являются таким же важным моментом, как и правильный выбор компонентов.

По вопросам получения технической информации
обращайтесь в компанию КОМПЭЛ.
E-mail: [email protected]

Новые приемопередатчики интерфейса RS-485

Компания Maxim Integrated Products представила полудуплексные приемо-
передатчики интерфейса RS-485 MAX13487E/ MAX13488E. Особенностью данных микросхем является наличие функции AutoDirection Control, которая автоматически разрешает работу драйвера при передаче данных. В связи с наличием этой функции отпадает необходимость в управляющем входе разрешения передатчика, что приводит к экономии занимаемого пространства и сокращению количества компонентов в измерительных, автомобильных и промышленных устройствах с гальванической развязкой.

Микросхема MAX13487E обеспечивает защиту от разрядов статического электричества (РСЭ) ±15 кВ по методике испытаний стандарта IEC 61000-4-2 Air-Gap Method. В то же время обе микросхемы обеспечивают защиту от разрядов статического электричества ±15 кВ при испытаниях по методике Human Body Model. Передатчики микросхемы MAX13487E имеют ограничение скорости нарастания выходного напряжения и обеспечивают пониженный уровень ЭМИ. Они предназначены для работы в условиях повышенного уровня внешних помех и позволяют безошибочно передавать данные со скоростью до 500 кбод. Скорость передачи данных микросхемы MAX13488E составляет до 16 Мбод. Кроме того, полное входное сопротивление приемников этих микросхем составляет 1/4 стандартного значения, что дает возможность подключать к сети до 128 трансиверов.

Расширенный рабочий диапазон температур микросхем MAX13487E/MAX13488E составляет от -40 до 85°C. Микросхемы выпускаются в стандартном 8-выводном корпусе SOIC.

•••

Наши информационные каналы

Повышающий/понижающий DC-DC преобразователь своими руками

Приветствую, Самоделкины!
Если вы искали схему универсального dc-dc преобразователя, то эта статья для вас. Сегодня мы, вместе с Романом (автором YouTube канала «Open Frime TV»), соберем преобразователь по топологии Sepic.

Если воспользоваться поиском, то думаю первым в списке будет ролик известного видеоблогера-самодельщика АКА КАСЬЯНА (YouTube канал «AKA KASYAN») по сборке повышающего/понижающего dc-dc преобразователя.

Только там схема с одним дросселем и нет регулировки тока. Версия же Романа собрана по топологии Sepic, более детально ознакомимся чуть позже. А сейчас давайте разберемся для чего нужен такой преобразователь.

Начнем с характеристик:
Входное напряжение от 10В до 25В;
Выходное напряжение от 0 до 30В;
Выходной ток до 2А (тут есть некоторые особенности, их затронем при расчете дросселя).

Как видим из характеристик, такой преобразователь можно использовать в автомобиле для повышения или понижения напряжения 12В. Также можно подключить такой самодельный dc-dc преобразователь на выход компьютерного блока питания и без переделки получать с него разные напряжения.

Ну или же можно взять блок питания от ноутбука и опять же получать на выходе любое напряжение. Это очень удобно, не нужно заботиться о питающем напряжении.

Теперь переходим непосредственно к схеме устройства.

Тут у нас всеми знакомая tl494, ей уже много лет, но она до сих пор не сдает свои позиции.

С самого начала автор хотел делать dc-dc преобразователь на UС3843, но толи они оказались бракованные, толи еще что-то, но нормальной работы автору добиться не удалось.

Плюс если делать регулировку по току, то нужно ставить второй шунт, а это снижает итоговый КПД устройства.

Роман (автор сегодняшней самоделки) пришел к данной схеме не сразу, а после общения с автором YouTube канала «RED Shade», который подсказал в каком направлении думать. И вот перед вами итоговая схема устройства:

В ней есть регулировка напряжения, тока, а также установлен драйвер полевика. С ним немного уменьшился нагрев.

Также можно увидеть, что ограничена максимальная ширина выходного импульса, так как при максимальном заполнении схема уходила в непонятный режим, жрала много тока, но на выходе напряжение падало.

Максимальное выходное напряжение равняется 30В.

Если нужно больше, то придется пересчитать номинал вот этих резисторов:

Причем с таким расчетом, чтобы при нужном выходном напряжении в точке делителя было 5В.

Также у нас ограничен ток, он составляет 2А. Если нужно больше, то необходимо пересчитать вот этот резистор:

Тут уже немного сложнее. Для начала необходимо выяснить сколько вольт упадет на шунте.

К примеру, нам нужен ток 4А. Тогда смотрим, при таком токе на резисторе упадет 0,4В.

Хорошо, теперь пересчитываем резистор. Нам нужно чтобы в точке деления переменного резистора и постоянного, напряжение было 0,4В.

Для этого идем в онлайн калькулятор и начинаем подбирать резистор.

Как видим, это несложно. Теперь давайте поговорим о том, как же это все работает. Точка отсчета — устройство выключено.

Итак, подаем питание. Ключ разомкнут, а значит ток течет через катушку индуктивности, конденсатор и диод прямо в нагрузку и выходной конденсатор.

Дальше происходит замыкание ключа.


В этот момент в катушке L1 накапливается энергия. Проходной конденсатор был заряжен напряжением питания, и так как после замыкания ключа он оказывается включенным параллельно индуктивности L2, то он ее заряжает.
Напряжение с L2 не может уйти в нагрузку, так как там стоит диод и у него на катоде напряжение выше, чем на аноде.

Теперь ключ снова размыкаем, и напряжение на L1 складывается с напряжением самоиндукции.

Таким образом, на проходной конденсатор и нагрузку идет уже повышенное напряжение.

Изменяя коэффициент заполнения ШИМ, мы изменяем выходное напряжение.

Если ширина импульса достаточно маленькая, то и величина самоиндукции меньше, а, следовательно, и выходное напряжение уменьшается. Преимущество такой схемы перед обыкновенным повышающим dc-dc преобразователем в том, что здесь установлен проходной конденсатор, который в случае короткого замыкания не даст выйти из строя схеме.

Теперь идем дальше. Как уже говорилось выше, некоторые компоненты схемы необходимо рассчитать, благо уже есть сайт с готовым онлайн калькулятором, он нереально облегчает жизнь.

Как видим, сюда необходимо ввести свои данные.

Автор же попытался рассчитать в максимально широком диапазоне и вот что получилось:

В расчете мы получили некоторые индуктивности катушек.

Но как же в реальной жизни их намотать с нужной индуктивностью? Обладатели ESR метра скажут, что тут нет ничего сложного, мотаешь и смотришь параметры.

Но этот ESR метр показывает с очень большой погрешностью, поэтому автор предлагает воспользоваться программой Старичка.

В ней вводим все необходимые параметры, а также указываем какой у нас сердечник. Если никаких нет под рукой, то достаем 2 одинаковых желтых кольца из компьютерного блока питания.


Ну и осталось намотать наши дроссели, это уже не составит особого труда.

Получилось довольно-таки неплохо. Казалось бы, все сложности уже позади, но нет, впереди еще разводка печатной платы. На нее автор потратил ни один вечер, чтобы максимально компактно расположить все элементы.

Для крепления можно сделать плату немного больше и добавить по бокам отверстия, но это уже на ваше усмотрение.

Плата готова, просверлены отверстия, настала очередь запайки. Тут есть один важный момент, необходимо поднять силовые элементы выше над платой, так как потом невозможно будет достать отверткой.

Теперь необходимо установить транзистор и диод на радиатор. Автор будет использовать вот такой алюминиевый профиль, он имеет неплохие габариты и сможет нормально охлаждать схему.


Ну и в конце традиционно у нас тесты. Подаём на схему сначала напряжение равное 12В. На выход подключена нагрузка в виде лампы накаливания мощностью 100Вт, рассчитанная на напряжение 36В. Мультиметр следит за выходным напряжением.


Как видим, мы спокойно можем выставить любое напряжение начиная от 0 и заканчивая практически 30 вольтами, тут сказывается большая индуктивность, которую, по словам автора, ему лень было перематывать.
Теперь посмотрим ограничение тока.

Как видим, наша схема отлично справляется. Теперь произведем короткое замыкание.

Это вообще без проблем, идёт просто ограничение заранее выставленного тока. Ну и самый важный тест — выставляем на выходе среднее значение в 15В и начинаем изменять входное напряжение.


Как видим, сначала мы его уменьшали, а теперь начали увеличивать, но выходное напряжение держится на заданном уровне.
Ну вот и все, надеюсь вам понравилось. Благодарю за внимание. До новых встреч!

Видео:

Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Источники питания. Часть 2 — Импульсные преобразователи

DC-DC преобразование
Для изменения напряжения постоянного тока с минимальными потерями используются DC-DC преобразователи, работающие по принципу Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ, она же PWM по басурмански). Если не читал мои прошлые статьи, где я подробно разжевал принцип работы ШИМ, то я кратенько тебе напомню. Основной принцип тут в том, что напряжение подается не сплошным потоком, как в линейных стабилизаторах, а краткими импульсами и с большой частотой.

Готовый девайс

То есть у тебя на выходе ШИМ контроллера, например, сначала в течении десяти микросекунд напряжение, к примеру, двенадцать вольт, потом идет пауза. Скажем, те же десять микросекунд, когда на выходе напряжения вообще нет. Затем все повторяется, словно мы быстро-быстро включаем и выключаем рубильник.

Таким образом у нас получаются прямоугольные импульсы. Если вспомнить матан, а конкретно интегрирование, то после интегрирования этих импульсов мы получим площадь под фигурой очерченной импульсами. Таким образом, меняя ширину импульсов и пропуская их через интегратор, можно плавно менять напряжения от нуля до максимума с любым шагом и практически без потерь.
В качестве интегратора служит конденсатор, он заряжается на пике, а на паузах будет отдавать энергию в цепь. Также туда всегда последовательно ставят дроссель, который тоже служит источником энергии, только он запасает и отдает ток. Поэтому такие преобразователи при небольших габаритах легко питают мощную нагрузку и при этом почти не расходуют энергию на лишний нагрев.

Если не догнал, то я для простоты переложил это в понятное «канализационное русло». Смотри на картинку, где ключевой транзистор ШИМ контроллера похож на вентиль, он открывает и закрывает канал. Конденсатор это банка, накапливающая энергию. Дроссель это массивная турбина, которая, будучи разогнанной потоком, при открытом вентиле, за счет своей инерции прогоняет воду по трубам и после закрытия вентиля.

Конечно, самостоятельно разработать такой источник питания сложно, требуется неслабое образование в области электроники, но не стоит напрягаться по этому поводу. Умные дядьки из Motorola, STM, Dallas и прочих Philips’ов придумали все за нас и выпустили уже готовые микросхемы содержащие в себе ШИМ контроллер. Тебе остается его лишь припаять и добавить обвески, которая задает параметры работы, причем изобретать самому ничего не надо, в datasheet’ах подробно расписано что и как подключать, какие номиналы выбирать, а иногда даже дают готовый рисунок печатной платы. Надо лишь немного знать английский 🙂

Принцип работы импульсного БП

Схема нашего преобразователя

Рисунок печатной платы

А сейчас, в порядке практического задания, под моим чутким руководством, ты построишь себе универсальный зарядник для сотового телефона, который можно будет подключать к любому источнику постоянного или переменного напряжения от 8 до 40 вольт. И неважно, что это будет, хоть бортовая сеть автомобиля, связка батареек или какой-нибудь совершенно левый блок питания от свитча или модема, лишь бы не меньше восьми и не больше сорока вольт.

Анализируем задание
Итак, по техзаданию, у нас на входе напряжение может быть как постоянным, так и переменным. А на входе DC-DC должно быть всегда постоянное. Что делать? Правильно, выпрямлять! Перечитай про выпрямители в первой части статьи и воткни на входе схемы диодный мост. Можно и без него, но тогда источники переменного тока отпадают как класс, да и тебе придется каждый раз определять полярность питающего источника, а это моветон. Поскольку после моста напряжение все равно будет пульсирующим, то повесь в параллель конденсатор. Он его немного сгладит.
Дальше ШИМ контроллер, я рекомендую широко распространенный и любимый всеми электронщиками МС34063х, где на месте «х» может быть любая буква, обычно «А». Тебе он нужен в DIP-8 корпусе, с длинными выводами который. Надеюсь, ты уже выучил все популярные типы корпусов и теперь сразу представляешь себе как он выглядит. Дальше открываем с диска даташитину и смотрим схему понижающего преобразователя, зовется она Step-Down. Подключаем ее как есть, не меняя ничего. Общий или земля у нас это традиционно минус, а плюс Vin. Выходом служит Vout в качестве плюса, а в качестве минуса все тот же общий провод. Вот тут главное не перепутать подключение к мобильнику. Поэтому посмотри тестером полярность подачи напряжения на разъем твоей мобилы.

Точный расчет – главное качество инженера!
Такс, схему мы набросали, осталось только ее сконфигурировать. Это не цифровое устройство, поэтому конфигурация тут задается установкой необходимых номиналов резисторов. Резистор Rsc я обычно заменяю на перемычку из куска провода. Его величина определяет перегрузочную способность. При перемычке преобразователь выдаст все, на что он способен, но может сгореть если от него потребовать невозможное. Наличие там резистора на 0.33 ома заставит преобразователь заглохнуть при предельной для него перегрузке, чем выше сопротивление Rsc тем при меньшей нагрузке заглохнет преобразователь. Иногда полезно, когда тебе надо ограничить максимальный выходной ток со стороны источника.

Дроссель L1 выбирается только исходя из индуктивности и перегрузочного тока. На схеме указан дроссель индуктивностью 220 микроГенри, а ток у него должен быть не меньше 500-600 миллиампер (средний ток зарядки любого современного сотового). Дроссель можно купить готовый, можно намотать самому. В принципе величина индуктивности может очень сильно варьироваться от 50 до 300 микроГенри, работать будет, но КПД возможно снизится. Главное, чтобы по току проходил, иначе будет сильно греться, а потом и вовсе сгорит.

Диод купи тот же, который и указан в схеме, благо он не редкость. Если не найдешь точно такой, то возьми любой диод Шоттки с расчетным током не меньше одного ампера. Диод Шоттки отличается от обычного диода тем, что у него дикое быстродействие. При смене направления напряжения он закрывается в порядке быстрей чем обычный, не допуская даже малейших утечек тока в обратную сторону. Через него будет замыкаться цепь катушка – конденсатор – нагрузка, когда транзистор в микросхеме закроется.

Теперь надо задать выходное напряжение. Для этого тебе надо взять тестер и померить сколько вольт выдает твой зарядник для сотового. У меня все зарядники выдают примерно по 7 вольт. Порывшись в даташите нахожу формулу зависимости выходного напряжения от резисторов R1 и R2
Для Step-Down схемы выглядит она так: Vout=1.25(1+R2/R1). Чтобы получить напряжение в 7 вольт сопротивление R2 должно быть 4.7 кОм, а R1 должен быть равен 1 кОм. Получим 7.125 вольта, но это не страшно, невелика погрешность и эти излишки все равно упадут где-нибудь на потерях в проводах. Собственно вот и все, вот мы и разработали с тобой универсальный преобразователь для своих девайсов. Теперь осталось только протравить плату и спаять.

Главное НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ СОВАТЬ этот зарядник в РОЗЕТКУ, т.к. там напряжение 220 вольт, а наша схема расчитана на 40 вольт максимум!

Именно два таких преобразователя на 3.3 и на 5 вольт стоят в силовом блоке моего робота.

Кстати, если покопаешься в даташите, то найдешь там и повышающую схему, зовется Step-Up.
Если выкинуть нафиг диодный мост (за ненужностью) и собрать всю конструкцию по Step-Up схеме, то ты сможешь заряжать сотовый телефон от трех, а то и двух пальчиковых батареек, если хватит трех вольт для раскачки микросхемы. Также тебе никто не мешает порыться в инете и найти DC-DC преобразователь, работающий от 1, а то и от 0.5 вольт и сделать на нем повышающий преобразователь.

Полная версия статьи опубликована в журнале «Хакер» за август 2008

Схема понижающего преобразователя постоянного тока

В этом проекте мы собираемся создать схему понижающего преобразователя с использованием Arduino и N-канального MOSFET с максимальной допустимой силой тока 6 ампер. Мы собираемся понизить 12 В постоянного тока до любого значения от 0 до 10 В постоянного тока. Мы можем контролировать значение выходного напряжения, вращая потенциометр.

Понижающий преобразователь — это преобразователь постоянного тока в постоянный, который понижает напряжение постоянного тока . Это похоже на трансформатор с одним отличием; тогда как трансформатор понижает напряжение переменного тока, понижающий преобразователь понижает напряжение постоянного тока.КПД понижающего преобразователя ниже, чем у трансформатора.

Ключевые компоненты понижающего преобразователя: mosfet; n-канальный или p-канальный и высокочастотный генератор прямоугольных импульсов (таймер IC или микроконтроллер). Здесь в качестве генератора импульсов используется Arduino, для этой цели также можно использовать микросхему таймера 555. Здесь мы продемонстрировали понижающий преобразователь , контролируя скорость двигателя постоянного тока с помощью потенциометра , а также проверили напряжение с помощью мультиметра. Посмотрите Video в конце этой статьи.

Требуемые компоненты:

1. Arduino Uno
2. IRF540N
3. Индуктор (100Uh)
4. Конденсатор (100 мкФ)
5. Диод Шоттки
6. Потенциометр
7. 10 кОм, резистор 100 Ом
8. нагрузка
9. Аккумулятор 12 В

Принципиальная схема и подключения

:

Выполните соединения, как показано на принципиальной схеме выше для понижающего преобразователя постоянного тока .

1. Подключите одну клемму индуктивности к источнику МОП, а другую — к светодиоду последовательно с резистором 1 кОм.Нагрузка подключается параллельно этому устройству.
2. Подключите резистор 10 кОм между затвором и истоком.
3. Подключите конденсатор параллельно нагрузке.
4. Подключите положительный полюс батареи к сливу, а отрицательный — к отрицательной клемме конденсатора.
5. Подключите клемму p диода к минусу аккумулятора, а клемму n напрямую к источнику.
6. Вывод PWM Arduino идет к затвору mosfet
Вывод
7. GND Arduino идет к источнику mosfet. Подключите его туда, иначе схема не будет работать.
8. Подключите крайние клеммы потенциометра к контакту 5 В и контакту GND Arduino соответственно. А клемма стеклоочистителя к аналоговому выводу A1.

Функция Arduino:

Как уже объяснялось, Arduino отправляет тактовые импульсы на базу полевого МОП-транзистора. Частота этих тактовых импульсов составляет ок. 65 кГц. Это вызывает очень быстрое переключение МОП-транзистора, и мы получаем среднее значение напряжения. Вы должны узнать об АЦП и ШИМ в Arduino, что поможет понять, как высокочастотные импульсы генерируются Arduino:

Функция MOSFET:

Mosfet используется для двух целей:

1. Для быстрого переключения выходного напряжения.
2. Для обеспечения высокого тока с меньшим тепловыделением.

Функция индуктора:
Индуктор используется для управления скачками напряжения, которые могут повредить МОП-транзистор. Индуктор накапливает энергию, когда МОП-транзистор включен, и высвобождает эту накопленную энергию, когда МОП-транзистор выключен. Так как частота очень высока, значение индуктивности, необходимое для этой цели, очень низкое (около 100 мкГн).

Функция диода Шоттки:
Диод Шоттки замыкает контур тока, когда МОП-транзистор выключен, обеспечивая тем самым плавную подачу тока на нагрузку.Кроме того, диод Шоттки рассеивает очень мало тепла и отлично работает на более высокой частоте, чем обычные диоды.

Функция светодиода:
Яркость светодиода указывает на пониженное напряжение на нагрузке. Когда мы вращаем потенциометр, яркость светодиода меняется.

Функция потенциометра:

Когда вывод стеклоочистителя потенциометра отклоняется в другое положение, напряжение между ним и землей изменяется, что, в свою очередь, изменяет аналоговое значение, полученное на выводе A1 Arduino.Это новое значение затем отображается в диапазоне от 0 до 255 и затем передается на вывод 6 Arduino для ШИМ.

** Конденсатор сглаживает напряжение, подаваемое на нагрузку.

Почему резистор между затвором и истоком?

Даже малейший шум на затворе полевого МОП-транзистора может включить его, поэтому, чтобы этого не произошло, всегда рекомендуется подключать резистор большого номинала между затвором и истоком.

Расшифровка кода:

Полный код Arduino для генерации высокочастотных импульсов приведен в разделе кода ниже.

Код

прост и не требует пояснений, поэтому здесь мы объяснили только несколько частей кода.

Переменной x назначается аналоговое значение, полученное от аналогового вывода A0 Arduino

.

х = analogRead (A1); 

Переменной w назначается сопоставленное значение от 0 до 255. Здесь значения АЦП Arduino сопоставлены с 2 до 255 с использованием функции map в Arduino.

ш = карта (х, 0,1023,0,255); 

Нормальная частота ШИМ для вывода 6 составляет прибл.1 кГц. Эта частота не подходит для использования в качестве понижающего преобразователя. Следовательно, эту частоту необходимо увеличить до очень высокого уровня. Это может быть достигнуто с помощью однострочного кода в настройке void:

TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000001; // изменить частоту ШИМ на 65 кГц ок. 

Работа понижающего преобразователя постоянного тока:

При включении цепи MOSFET включается и выключается с частотой 65 кГц. Это заставляет индуктор накапливать энергию, когда МОП-транзистор включен, а затем передавать эту накопленную энергию на нагрузку, когда МОП-транзистор выключается.Поскольку это происходит на очень высокой частоте, мы получаем среднее значение импульсного выходного напряжения, зависящее от положения клеммы стеклоочистителя потенциометра относительно клеммы 5 В. И по мере того, как это напряжение между клеммой стеклоочистителя и землей увеличивается, увеличивается и отображаемое значение на контакте № ШИМ. 6 из Arduino.

Допустим, это отображаемое значение равно 200. Тогда напряжение ШИМ на выводе 6 будет:

[(200 * 5) / 255] = 3,921 вольт 

И поскольку полевой МОП-транзистор является устройством, зависящим от напряжения, это напряжение ШИМ в конечном итоге определяет напряжение на нагрузке.

Здесь мы продемонстрировали понижающий преобразователь путем вращения двигателя постоянного тока и на мультиметре , посмотрите видео ниже. Мы контролировали скорость двигателя с помощью потенциометра и контролировали яркость светодиода с помощью потенциометра.

Лучший источник питания с понижающим преобразователем — Отличные предложения по источникам питания с понижающим преобразователем от глобальных продавцов блоков питания с понижающим преобразователем

Отличные новости !!! Вы попали в нужное место для питания понижающего преобразователя напряжения.К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку этот лучший источник питания с понижающим преобразователем в кратчайшие сроки станет одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что купили блок питания понижающего преобразователя напряжения на AliExpress.Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в блоке питания понижающего преобразователя и думаете о выборе аналогичного товара, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам решить, стоит ли доплачивать за высококачественную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца.Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести блок питания с понижающим преобразователем напряжения по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

Лучшее регулирование напряжения и тока понижающего преобразователя — Отличные предложения по регулированию напряжения и тока понижающего преобразователя от глобальных продавцов регулирования напряжения и тока понижающего преобразователя

Отличные новости !!! Вы находитесь в нужном месте для регулирования напряжения и тока понижающего преобразователя.К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку этот лучший понижающий преобразователь напряжения и регулирования тока вскоре станет одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что получили регулировку напряжения и тока понижающего преобразователя на AliExpress.Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в регулировании напряжения и тока понижающего преобразователя и думаете о выборе аналогичного товара, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам решить, стоит ли доплачивать за высококачественную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца.Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести понижающий преобразователь напряжения и тока по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

Интегрированный пониженно-повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный с управлением по I2C | Статья

.

СТАТЬЯ

Дэйв Бейкер

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Март 2020 г. — MP8859 — это синхронный повышающий преобразователь с четырьмя переключателями.Он поддерживает широкий диапазон входного напряжения от 2,8 В до 22 В (при токах до 4 А) и диапазон выходного напряжения от 1 В до 20,47 В с шагом 10 мВ (при токах до 3 А). Рабочие параметры легко настраиваются через удобный интерфейс I2C MP8859 — эти функции делают его пригодным для устройств с питанием от USB (PD и портативных устройств с батарейным питанием.

) Приложения

USB PD обычно требуют выходного напряжения от 5 В до 20 В (например, 5/9/15/20) в зависимости от подключенного конечного устройства. Входное напряжение питания преобразователя может быть зафиксировано на уровне 12 В (например.г. для внутреннего порта USB PD на ноутбуке), или он может отличаться, если источником напряжения является внутренний аккумулятор (например, портативное зарядное устройство USB PD) (см. рисунок 1) . Конечные устройства часто подключаются к USB-разъему в горячем режиме через кабель, а это означает, что повышающий-понижающий преобразователь должен иметь быстрый динамический отклик, чтобы справиться с внезапным изменением нагрузки. Компенсация падения напряжения регулирует любые падения напряжения, вызванные сопротивлением кабеля USB.

Рисунок 1: Зарядное устройство USB PD

Для многих портативных устройств с батарейным питанием требуется топология постоянного / повышающего понижающего / повышающего повышающего напряжения для создания стабильного фиксированного выходного напряжения.С аккумуляторным блоком начальное напряжение может сначала превышать выходное напряжение, а затем упасть ниже выходного напряжения по мере разряда аккумулятора.

Одним из примеров является цифровая камера, в которой преобразователь постоянного тока в постоянный должен подавать питание на двигатель оптического масштабирования. Камера должна обеспечивать постоянное напряжение при высоких мгновенных токах для быстрого масштабирования (см. Рисунок 2) . Поскольку напряжение батареи зависит от оставшегося заряда, повышающий-понижающий преобразователь может обеспечить надежную работу, предлагая хороший динамический отклик и плавный переход между понижающим и повышающим режимами.

MP8859 — это интегрированный повышающий понижающий преобразователь, подходящий для широкого спектра таких приложений.

Особенности и преимущества

• Широкий диапазон рабочего входного напряжения от 2,8 до 22 В
• Диапазон выходного напряжения от 1 В до 20,47 В (5 В по умолчанию) с разрешением 10 мВ через I2C
• Выходной ток 3 А или входной ток 4 А
• Четыре полевых МОП-транзистора с низким RDS (ON) с внутренним питанием
• Частота переключения 500 кГц
• Защита от перенапряжения на выходе (OVP) с режимом икоты
• Защита от короткого замыкания на выходе (SCP) с режимом икоты
• Предупреждение о перегреве и отключение
• Интерфейс I2C с контактом ALT
• Четыре настраиваемых адреса I2C
• Одноразовая программируемая (OTP) энергонезависимая память для настроек по умолчанию
• Конфигурируемая компенсация падения напряжения в линии I2C, режим PFM / PWM, плавный пуск, защита от сверхтока (OCP)
• EN Отключение, настраиваемый выходной разряд
• Доступен в упаковке QFN-16 (3 мм x 3 мм)
• li сертифицировано, li2367: E322138 li60950-1 / li60950-1-07: E500002-A1-CB-1

Рисунок 2: Цифровая камера с увеличением

Рисунок 3: Блок-схема MP8859

Принципы работы

Устройство использует управление с постоянным временем включения (COT) в понижающем режиме и постоянное время выключения в повышающем режиме, обеспечивая быстрый переходный отклик нагрузки и плавный переход между понижающим и повышающим режимами.MP8859 обеспечивает автоматическое переключение между режимами частотно-импульсной модуляции (PFM) и широтно-импульсной модуляции (PWM) в зависимости от выходной нагрузки, либо устройство может быть установлено в режим принудительной PWM. Режим Auto-PFM / PWM помогает максимизировать эффективность при малой нагрузке, в то время как режим принудительной PWM обеспечивает минимальную пульсацию на выходе. Настраиваемый предел постоянного тока на выходе предоставляет приложению дополнительные возможности.

На рис. 4 показана структура четырех внутренних мостов MOSFET и внешнего индуктора.Когда VIN превышает VO, преобразователь работает в понижающем режиме. Когда VIN приближается к VO, он работает в повышающем режиме, а когда VIN опускается ниже VO, он работает в повышающем режиме (см. Рисунок 5) .

Рисунок 4: Топология

Рисунок 5: Режимы работы

MP8859 имеет оценочный комплект, который включает демонстрационную плату, интерфейс связи USB-I2C и программное обеспечение с графическим интерфейсом (см. Рисунок 6) . Дополнительную информацию можно найти здесь

Рисунок 6: Оценочный комплект MP8859

MP8859 Производительность

MP8859 использует передовые полупроводниковые технологии MPS для обеспечения высокой эффективности преобразования.При входном напряжении 12 В и выходном напряжении 9 В / 1,5 А КПД достигает 97% в режиме принудительной ШИМ понижающей частоты (см. Рисунок 7) .

Рисунок 7: Кривая эффективности (V _IN = 12 В, V _OUT = 5–20 В, принудительный режим PWM)

Для входного напряжения 5 В и выходного напряжения 9 В / 0,5 А КПД достигает 96% в режиме форсированного усиления ШИМ (см. Рисунок 8) .

Рисунок 8: Кривая эффективности (V _IN = 5 В, V _OUT = от 5 до 9 В, принудительный режим PWM)

Для обеспечения высокой стабильности выходного напряжения MP8859 может поддерживать регулировку нагрузки в пределах ± 0.10% при полной нагрузке (см. Рисунок 9) . Рисунок 9: Регулирование нагрузки в зависимости от тока нагрузки

Рисунок 9: Регулирование нагрузки в зависимости от тока нагрузки

Параметры устройства по умолчанию

Одноразовая программируемая (OTP) энергонезависимая память MP8859 хранит настройки по умолчанию для каждой из конфигурируемых опций устройства, которые загружаются во время запуска. Заводские настройки по умолчанию можно найти в таблице данных MP8859.

Индивидуальные изменения этих значений по умолчанию могут быть доступны по запросу и зависят от каждого случая.Свяжитесь с MPS FAE, чтобы обсудить изменения настроек по умолчанию.

Заключение

MP8859 — это универсальный понижающе-повышающий преобразователь, подходящий для различных устройств USB PD или портативных аккумуляторных батарей, требующих выходных токов до 3А. Возможность настройки I2C позволяет быстро адаптировать MP8859 за счет ускорения оценки и сокращения времени разработки.

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Расчет рабочего цикла понижающего преобразователя

В этой статье я поделюсь с вами методами, которые я использовал при выводе рабочего цикла понижающего преобразователя.Мы рассмотрим идеальный и реальный сценарии. При определении рабочего цикла идеального понижающего преобразователя вам не нужно учитывать падения напряжения на переключающем элементе и задерживающем диоде. С другой стороны, при выводе рабочего цикла реального понижающего преобразователя учитываются падения напряжения.

Ниже представлена ​​типичная принципиальная схема понижающего преобразователя. В обычном понижающем преобразователе ШИМ применяется к переключающему устройству, которое является N-канальным MOSFET на рисунке ниже.

Ниже представлены осциллограммы тока понижающего преобразователя.К ним относятся ток полевого МОП-транзистора зеленым цветом, ток диода желтым цветом и ток катушки индуктивности красным цветом. Нижняя осциллограмма синего цвета — это сигнал ШИМ. Я рассмотрю здесь два способа определения рабочего цикла понижающего преобразователя. Первый — использовать уравнение напряжение / ток индуктора, а затем выполнить интегрирование. Второй — использовать метод вольт-секундного баланса. На самом деле рабочий цикл и токи понижающего преобразователя можно определить по форме сигнала. Таким образом, очень важно знать формы волны.Ниже представлены осциллограммы токов понижающего преобразователя, работающих в CCM.

Форма волны, используемая при определении рабочего цикла понижающего преобразователя

Расчет рабочего цикла понижающего преобразователя с использованием формы кривой тока индуктора

Теперь давайте начнем вычислять рабочий цикл понижающего преобразователя, используя кривую тока катушки индуктивности выше.

Это очень важно. Этот вывод рабочего цикла понижающего преобразователя действителен только для работы в CCM и граничном режиме. В DCM это использовать нельзя.

Когда сигнал ШИМ высокий, ток катушки индуктивности будет линейно нарастать, как указано выше. Когда сигнал PWM низкий, ток катушки индуктивности будет линейно спадать. Таким образом, уровень нарастания и спада тока одинаков.

Анализ на тонну

Увеличение тока можно выразить как

.

Интегрировать для устранения dt

Для импульса или сигнала ШИМ время высокого логического уровня (Ton), деленное на период (Tsw), называется рабочим циклом.

Выражающая тонна

Заменить Ton в уравнение di _ton

Во время высокого уровня PWM включается MOSFET Q1, и контур напряжения будет

.

Выражение VL _на

Заменить на ди _тонну даст

Анализ на выходе

Ток затухания выражается уравнением

Интегрировать для устранения dt

заменить тонну на

Затем

Во время низкого уровня ШИМ полевой МОП-транзистор отключается, и катушка индуктивности меняет полярность, а диод смещается в прямом направлении.Напряжение петли будет

Выражение VL _off

Замена на di _{на тофф} даст

Уравнивание di _тонн и di _toff

Заключительный этап определения коэффициента заполнения этого понижающего преобразователя — уравнять токи нарастания и затухания индуктора, полученные выше.

А реальный рабочий цикл понижающего преобразователя составляет

Учитывая, что падение напряжения на полевом МОП-транзисторе и диоде равно нулю,

идеальный рабочий цикл будет

Где;

VD1 — падение напряжения на диоде

VOUT — выходное напряжение понижающего преобразователя

VQ1 — Падение напряжения MOSFET

VIN — входное напряжение понижающего преобразователя

Расчет рабочего цикла понижающего преобразователя с использованием концепции вольт-секундного баланса

Этот подход на самом деле является сокращением по сравнению с предыдущим методом.В этой концепции используется произведение напряжения индуктора и времени. Произведение напряжения катушки индуктивности во время PWM high и Ton равно произведению напряжения катушки индуктивности во время PWM low или Toff, как показано на рисунке ниже.

Форма волны, используемая при определении рабочего цикла понижающего преобразователя с использованием метода вольт-секундного баланса

Математически

Напряжения катушки индуктивности во время Ton и Toff приведены ниже в соответствии с первым методом.

Так

Toff можно выразить как

Замена в уравнение выше даст

Замещающая тонна

Результат будет

Таким образом, уравнение рабочего цикла равно

.

С учетом идеальных значений

Результат аналогичен предыдущему методу.

Заключение

Вычисление рабочего цикла понижающего преобразователя может быть выполнено через форму волны тока катушки индуктивности, а затем выполнено интегрирование. Это долгий метод. Чтобы получить рабочий цикл, необходимо уравнять линейное нарастание и спад тока индуктора.

Эта техника очень фундаментальна и требует больших аналитических навыков. Однако, как только вы это освоите, вы сможете определить рабочие циклы любой топологии. Другой метод, который можно использовать для определения рабочего цикла понижающего преобразователя, — это вольт-секундный метод.На самом деле это краткий путь к фундаментальному подходу и каким-то образом вытекает из него. Какой бы метод вы ни использовали, вы получите тот же результат.

Связанные

Понижающий понижающий регулятор

»Примечания к электронике

— краткое изложение или руководство по схеме и работе понижающего или понижающего стабилизатора с использованием методов импульсного источника питания.

---

Схемы источников питания SMPS Праймер и руководство Включает:
Импульсный источник питания Как работает SMPS Понижающий понижающий преобразователь Повышающий повышающий преобразователь Конвертер Buck Boost

См. Также: Обзор электроники блока питания Линейный источник питания Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания

---

Поскольку мощность является ключевым параметром во многих конструкциях, широко используются понижающие или понижающие регуляторы.

Хотя резистор позволяет сбросить напряжение, теряется мощность, и в таких приложениях, как многие элементы с батарейным питанием, используемые сегодня, потребление энергии является решающим элементом.

В результате широко используются понижающие преобразователи режима переключения или, как их чаще называют, понижающие стабилизаторы.

Линейный шаг вниз

Самая простая форма понижающего перехода — это использование резистора в качестве делителя потенциала или понижающего напряжения. В некоторых случаях стабилитрон также может использоваться для стабилизации напряжения.

Проблема с этой формой понижающего преобразователя напряжения или понижающего преобразователя заключается в том, что она очень расточительна с точки зрения мощности. Любое падение напряжения на резисторе будет рассеиваться в виде тепла, и любой ток, протекающий через стабилитрон, также будет рассеивать тепло. Оба эти элемента приводят к потере ценной энергии.

Базовый понижающий преобразователь или регулятор

Основная схема понижающего преобразователя или понижающего преобразователя состоит из катушки индуктивности, диода, конденсатора, переключателя и усилителя ошибки со схемой управления переключателем.

Схема понижающего регулятора работает, изменяя время, в течение которого индуктор получает энергию от источника.

На базовой блок-схеме можно увидеть работу понижающего преобразователя или понижающего стабилизатора, что выходное напряжение, возникающее на нагрузке, воспринимается усилителем считывания / ошибки и генерируется напряжение ошибки, которое управляет переключателем.

Обычно переключатель управляется широтно-импульсным модулятором, переключатель остается включенным дольше, поскольку нагрузка потребляет больше тока и напряжение имеет тенденцию падать, и часто используется генератор фиксированной частоты для управления переключением.

Понижающий преобразователь

Когда переключатель в понижающем стабилизаторе включен, на индуктивности появляется напряжение Vin — Vout. Используя уравнения индуктивности, ток в индукторе будет расти со скоростью (Vin-Vout) / L. В это время диод D имеет обратное смещение и не проводит.

Когда переключатель размыкается, ток все еще должен течь, так как индуктор работает, чтобы поддерживать тот же ток. В результате ток по-прежнему течет через индуктивность в нагрузку.Затем диод D формирует обратный путь с текущим через него током Idiode, равным Iout.

При разомкнутом переключателе полярность напряжения на катушке индуктивности изменилась, и, следовательно, ток через катушку индуктивности уменьшается с крутизной, равной -Vout / L.

Понижающая схема понижающего преобразователя может быть дополнительно объяснена путем изучения форм колебаний тока в разное время в течение всего цикла.

На диаграмме осциллограмм тока понижающего преобразователя / импульсного стабилизатора можно увидеть, что ток катушки индуктивности складывается из тока диода и тока входа / переключения.Ток течет либо через переключатель, либо через диод.

Также стоит отметить, что средний входной ток меньше среднего выходного тока. Этого следовало ожидать, потому что схема понижающего преобразователя очень эффективна, а входное напряжение больше, чем выходное напряжение. Если предположить идеальную схему, то входная мощность будет равна выходной мощности, то есть Vin ⋅ In = Vout ⋅ Iout. Хотя в реальной схеме будут некоторые потери, для хорошо спроектированной схемы следует ожидать уровней эффективности более 85%.

Также видно, что на выходе установлен сглаживающий конденсатор. Это гарантирует, что напряжение не будет заметно меняться, особенно во время переключения и переключения. Также потребуется сглаживать возникающие всплески переключения.

Регулятор входной и выходной фильтрации

Ключевым аспектом импульсных регуляторов питания является входная и выходная фильтрация. Это особая проблема из-за переключения, которое происходит на входе.

В действительности пульсация напряжения на выходе зависит не только от сглаживания выходного сигнала, но, что более важно, от конденсатора входного фильтра.