Понижающий импульсный преобразователь. Понижающий DC-DC преобразователь: принцип работы, схема, расчет

Что такое понижающий DC-DC преобразователь. Как работает импульсный понижающий преобразователь напряжения. Какие элементы входят в схему понижающего преобразователя. Как рассчитать параметры понижающего DC-DC преобразователя.

Понятие и принцип работы понижающего DC-DC преобразователя

Понижающий DC-DC преобразователь (buck converter) — это импульсный преобразователь постоянного напряжения, который понижает входное напряжение до более низкого выходного напряжения. Он позволяет эффективно преобразовывать напряжение с высоким КПД, в отличие от линейных стабилизаторов.

Принцип работы понижающего преобразователя основан на периодическом подключении и отключении входного напряжения к выходу через ключевой элемент (транзистор). При этом выходное напряжение формируется с помощью LC-фильтра.

Основные этапы работы понижающего преобразователя:

1. Когда ключ замкнут, входное напряжение подается на катушку индуктивности. Ток через катушку начинает нарастать, запасая в ней энергию.
2. При размыкании ключа ток продолжает течь через катушку, диод и нагрузку за счет ЭДС самоиндукции.
3. Конденсатор сглаживает пульсации напряжения на выходе.

Таким образом, за счет переключения ключа с высокой частотой и фильтрации LC-цепью на выходе формируется постоянное напряжение, которое ниже входного.

Схема и основные компоненты понижающего преобразователя

Базовая схема понижающего DC-DC преобразователя включает следующие основные элементы:

• Силовой ключ (транзистор)
• Диод
• Катушка индуктивности
• Конденсатор
• Система управления

Силовой ключ периодически подключает входное напряжение к LC-фильтру. Диод обеспечивает путь протекания тока при закрытом ключе. Катушка индуктивности и конденсатор формируют сглаживающий LC-фильтр. Система управления формирует ШИМ-сигнал для управления ключом.

Преимущества понижающих DC-DC преобразователей

Понижающие импульсные преобразователи имеют ряд важных достоинств по сравнению с линейными стабилизаторами:

• Высокий КПД (до 95% и выше)
• Малые габариты и вес
• Низкое тепловыделение
• Возможность получения выходного напряжения ниже 1.2В
• Широкий диапазон входных напряжений

Это делает их оптимальным выбором для многих применений, особенно там, где важна эффективность и компактность.

Расчет параметров понижающего преобразователя

При проектировании понижающего DC-DC преобразователя необходимо рассчитать следующие основные параметры:

1. Коэффициент заполнения D = Vout / Vin
2. Индуктивность дросселя L = (Vin — Vout) * D / (f * ΔIL)
3. Емкость выходного конденсатора C = ΔIL / (8 * f * ΔVout)
4. Ток и напряжение силового ключа и диода

Где:

• Vin, Vout — входное и выходное напряжение
• f — частота преобразования
• ΔIL — пульсации тока дросселя
• ΔVout — пульсации выходного напряжения

Области применения понижающих преобразователей

Понижающие DC-DC преобразователи широко используются в различных областях электроники и электротехники:

• Источники питания компьютеров и мобильных устройств
• Автомобильная электроника
• Промышленная автоматика
• Телекоммуникационное оборудование
• Светодиодные драйверы
• Зарядные устройства

Они позволяют эффективно преобразовывать напряжение в широком диапазоне мощностей — от единиц ватт до киловатт.

Выбор компонентов для понижающего преобразователя

При разработке понижающего DC-DC преобразователя важно правильно подобрать основные компоненты схемы:

Силовой ключ

В качестве ключа обычно используются MOSFET-транзисторы. Основные параметры при выборе:

• Максимальное напряжение сток-исток
• Максимальный ток стока
• Сопротивление канала в открытом состоянии
• Время переключения

Диод

Для повышения КПД рекомендуется использовать диоды Шоттки. Ключевые параметры:

• Максимальный прямой ток
• Максимальное обратное напряжение
• Падение напряжения в прямом направлении

Дроссель

При выборе дросселя учитывают:

• Индуктивность
• Максимальный допустимый ток
• Сопротивление обмотки
• Габариты

Правильный выбор компонентов позволяет оптимизировать характеристики преобразователя под конкретное применение.

Особенности проектирования понижающих преобразователей

При разработке понижающих DC-DC преобразователей необходимо учитывать ряд важных моментов:

• Выбор оптимальной частоты преобразования
• Минимизация паразитных индуктивностей в силовых цепях
• Обеспечение эффективного охлаждения силовых компонентов
• Снижение уровня электромагнитных помех
• Обеспечение устойчивости системы регулирования

Грамотный учет этих факторов позволяет создать надежный и эффективный преобразователь с оптимальными характеристиками.

Современные тенденции в развитии понижающих DC-DC преобразователей

Основные направления совершенствования понижающих преобразователей включают:

• Повышение рабочих частот до мегагерцового диапазона
• Применение синхронных выпрямителей вместо диодов
• Использование GaN и SiC транзисторов
• Внедрение цифровых систем управления
• Миниатюризация и повышение уровня интеграции

Эти технологии позволяют создавать все более компактные и эффективные преобразователи для современной электронной аппаратуры.

схемы, принцип работы ✮ Расчет мощности понижающего ДС/ДС преобразователя

Ваш город: Москва

Ваш или ближайший к вам город: Москва

Часы работы 9:00-18:00

Главная страница

Статьи

Принцип работы понижающего DC/DC преобразователя, схемы подключения

08.10.2011

Мощный понижающий преобразователь напряжения DC/DC, схема которого включает высокочастотный транзистор, входной и выходной L-C фильтры, силовой трансформатор, микросхему управления, представляет собой импульсный конвертер, преобразующий постоянное напряжение большего значения в постоянное напряжение меньшего значения. Современные устройства дополнительно выполняют стабилизацию характеристик, снижают уровень пульсаций, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных электроцепей. Некоторые модели могут регулировать напряжение на нагрузке, выдавать отрицательное напряжение, что выгодно выделяет их на фоне обычных линейных регуляторов.

Понижающие преобразователи напряжения применяются в следующих сферах:

• батарейные зарядные устройства;
• мультимедийные проигрыватели, компьютерные игровые консоли;
• распределенные систем электропитания;
• мониторы и телевизоры.

Содержание

• Принцип работы понижающих конвертеров
• Как рассчитать характеристики преобразователя?
• Схема подключения преобразователя
• Критерии выбора преобразователя
• Итоги

Основным элементом устройств является силовой ключ, в роли которого выступает биполярный, MOSFET или IGBT транзистор. Он может находиться в двух положениях — открытом и закрытом. В первом состоянии ток протекает через ключ, во втором — нет. Таким образом, принцип работы понижающего DC/DC преобразователя заключается в следующем:

1. Когда транзистор открыт, электроток от источника питания протекает по контуру ключ-индуктивность-нагрузка. При этом происходит нарастание тока от минимального до максимального значения.
   Энергия от источника передается в нагрузку, параллельно накапливается в катушке индуктивности и конденсаторе. Происходит так называемая фаза накачки.
2. При закрытии ключа, катушка отдает накопленную энергию нагрузке — наступает фаза разряда. Ток через транзистор не протекает, а течет по контуру индуктивность-диод-нагрузка. Диод необходим для протекания обратного электротока. В некоторых схемах вместо него используется MOSFET транзистор. Это решение позволяет повысить КПД системы. Такая схема ДС/ДС понижающего преобразователя называется синхронной.
3. Управление временем открытия и закрытия ключа осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции. Отношение времени импульса к общему времени цикла (импульс + пауза) называется коэффициентом заполнения. Изменяя его, можно регулировать величину выходного напряжения.

Рассмотрим пример расчета модуля конвертера с ШИМ-управлением, неизменной частотой коммутации и непрерывным током, протекающим через катушку.

В качестве исходных данных используются величины входного (Uвх) и выходного напряжения (Uвых), максимального выходного тока (Iмах) и частоты коммутации (N). Рассчитаем катушку индуктивности по формуле:

L = (Uвх — Uвых)* Uвых/ Uвх (мах)*1/N*1/LIR*Iмах, где LIR — это коэффициент пульсации, который определяется соотношением размаха токовых пульсаций в катушке к выходному электротоку конвертера.

Если принять Uвх = 7…24 В, Uвых = 2 В, Iмах = 7 А, N = 300 кГц, размах пульсаций = 300 мА, то получим L = 2,91 мкГн.

Пиковый ток катушки индуктивности вычисляем по формуле:

Iпик = Iмах + (LIR* Iмах)/2 = 8,05 А.

Выбор выходного конденсатора выполняется таким образом, чтобы величина пульсаций напряжения на выходе преобразователя и амплитуда выбросов при резком изменении тока нагрузки находились в заданных пределах. При подборе диода необходимо ориентироваться на рассеиваемую им мощность. Максимальный прямой ток диода не должен достигать наибольшего выходного тока конвертера.

Для максимального снижения потерь и повышения устойчивости работы устройства важно правильно разместить компоненты преобразователя и выполнить грамотную трассировку печатной платы. Вот несколько общих рекомендаций:

• нужно уменьшить длину общего и других проводников с большими токами. Длина проводников, который подключены к транзистору, диоду и катушке должна быть минимальной;
• проводники питающей цепи должны быть короткими и широкими;
• проводники в измеряющих цепях необходимо размещать подальше от коммутационных элементов.

Рассмотрим особенности подключения мощного понижающего преобразователя напряжения DC/DC, схема которого включает гальваническую развязку. Подобные устройства выполнены обычно в корпусах, рассчитанных на установку в 19-дюймовые стойки или шкафы. Подключение осуществляется в такой последовательности:

1. Подсоединяем нагрузку к клеммнику с помощью медного кабеля подходящего сечения.
2. Подключает к клеммнику сеть питания. Кабель должен быть обесточенным и иметь рекомендуемое производителем конвертера сечение. Важно соблюдать полярность соединения.
3. При необходимости подсоединяем линию внешней сигнализации, сообщающей об аварийном состоянии преобразователя.
4. Выполняем тест работы конвертера. Проверяем наличие и величину выходного напряжения.

При установке конвертера важно, чтобы не перекрывались вентиляционные отверстия на панелях устройства. Для эффективного охлаждения внутренних компонентов рекомендуется регулярно проводить замену вентиляторов. Следует учесть, что многие модели допускают параллельную работу нескольких преобразователей для питания общей нагрузки, а также рассчитаны на работу на холостом ходу.

При выборе импульсного понижающего преобразователя ключевыми параметрами являются:

• диапазон входного напряжения;
• выходное напряжение. Оно может быть фиксированным или регулируемым. Диапазон регулировки ограничен минимальной и максимальной длительностью импульса;
• максимальный выходной ток. Он зависит от наибольшей допустимой рассеиваемой мощности, сопротивления силовых ключей и других факторов;
• частота работы конвертера. Чем она выше, тем проще выполнять фильтрацию выходных параметров и бороться с помехами. В то же время, возрастание частоты приводит к увеличению потерь на переключение транзистора;
• коэффициент полезного действия.

В статье были рассмотрены основные схемы ДС/ДС понижающего преобразователя, представлены рекомендации по выбору и подключению устройств.

Читайте также

21.08.2015

Google потерял часть данных пользователей из-за удара молнии

Удар молнии, попавший в один из центров обработки данных Google в Бель…

27.07.2014

Проектирование распределительных сетей объектов с учетом особенностей однофазных нелинейных нагрузок

Расширяющиеся масштабы внедрения однофазных потребителей с нелинейным …

26.10.2011

KONZEPT Energietechnik G. m.b.H.

Краткая информация о фирме-изготовителе.

21.08.2015

Сравнительный анализ DC-DC модулей питания (конверторов) на отечественной и импортной элементной базе

Приведены результаты сравнительного анализа блоков питания, производим…

12.07.2012

Как правильно выбрать бытовой стабилизатор напряжения

В статье рассмотрены основные конструкции бытовых стабилизаторов перем…

11.07.2014

Электрические сети и сбои электропитания

Глава из книги Генерального директора ООО «А и Т Системы» …

27.04.2016

Питание компьютерного и телекоммуникационного оборудования постоянным током

В статье приведен отчет об опыте эксплуатации различного компьютерного…

17.11.2011

Грозозащитные разрядники

Сравнение конструкций разрядников различных производителей.

Ваш или ближайший к вам город

Москва

Да, все верно

Выбрать другой

Ваш или ближайший к вам город

Импульсный понижающий dc dc преобразователь в категории «Электрооборудование»

Импульсный стабилизатор преобразователь напряжения понижающий ток 5A DC-DC CC/CV XL4015

Доставка из г. Мукачево

по 125 грн

от 2 продавцов

250 грн

125 грн

Купить

Чип AOZ1021AI Z1021AI SOP-8, DC-DC Преобразователь напряжения понижающий js

Доставка по Украине

95.50 грн

73.53 грн

Купить

Justshop

Чип AOZ1021AI Z1021AI SOP-8, DC-DC Преобразователь напряжения понижающий dl

Доставка по Украине

103.34 грн

79.57 грн

Купить

DeleryShop

DC понижающий преобразователь LM2596 2xUSB 5В 3A

На складе в г. Умань

Доставка по Украине

105 грн

Купить

Интернет-магазин «FreeBuy.in.ua»

Понижающий преобразователь XL4015 DC 5А 1.25-36V

На складе в г. Умань

Доставка по Украине

67 грн

Купить

Интернет-магазин «FreeBuy.in.ua»

Преобразователь понижающий, повышающий ZK-4KX DC-DC 0,5-30V 4A

На складе

Доставка по Украине

по 485 грн

от 3 продавцов

555 грн

485 грн

Купить

MegaDeals — Оптовый интернет магазин

Преобразователь стабилизатор напряжения понижающий модуль с регулировкой напряжения тока DC-DC 4,5-40V LM2596

Доставка из г. Мукачево

по 125 грн

от 2 продавцов

250 грн

125 грн

Купить

Понижающий преобразователь DC-DC 8-60В на 1-36В 15А 200Вт

Доставка из г. Полтава

469.99 грн

Купить

МегаШара — Интернет-магазин

Модуль 20A 300W понижающий buck step down DC-DC преобразователь с регулировкой тока и напряжения

На складе в г. Днепр

Доставка по Украине

425 грн

Купить

Интернет-магазин радиодеталей Radioformat

Радиоконструктор Преобразователь DC-DC понижающий M235

Заканчивается

Доставка по Украине

91 грн

Купить

Электро Радио Груп — 1-й магазин электрики и радиоэлектроники

DC-DC синхронный понижающий преобразователь LT3800

На складе в г. Николаев

Доставка по Украине

1 112 грн

Купить

Интернет-магазин Co-Di

Импульсный Блок питания, AC-DC преобразователь 220-36В 7А 250ВТ

На складе в г. Умань

Доставка по Украине

583 грн

Купить

Интернет-магазин «FreeBuy.in.ua»

LT3800 синхронный понижающий DC-DC преобразователь 8-60В

На складе в г. Николаев

Доставка по Украине

1 069 грн

Купить

Интернет-магазин Co-Di

Понижающий преобразователь XL4016 MH-ET LIVE DC-DC 200W 8 А ампер

Доставка по Украине

451 грн

Купить

🆉🅰🅱🅰🆅🅺🅰 🆂🅷🅾🅿

Модуль XL4016 12A 300W понижающий DC-DC преобразователь с регулировкой тока и напряжения на XL4016

На складе в г. Днепр

Доставка по Украине

240 грн

Купить

Интернет-магазин радиодеталей Radioformat

Смотрите также

Преобразователь напряжения понижающий XL4015 5-32 на 1-30В ампер/вольтметр, 102914

На складе в г. Ровно

Доставка по Украине

335 грн

Купить

Интернет магазин » Горячий Стиль «

Преобразователь понижающий 300Вт 9A 32В DC-DC

На складе в г. Умань

Доставка по Украине

234 грн

Купить

Интернет-магазин «FreeBuy.in.ua»

Понижающий DC-DC USB преобразователь 6-24В в 5В 3А

На складе в г. Кропивницкий

Доставка по Украине

45 грн

Купить

Sxemki.com

Понижающий преобразователь mini 360 (3А) DC-DC

На складе в г. Ивано-Франковск

Доставка по Украине

25 грн

Купить

Интернет магазин «Покупочка»

Преобразователь тока 12 А, DC-DC, понижающий.

Доставка из г. Острог

248.60 грн

Купить

Mehanika

Импульсный Блок питания, AC-DC преобразователь 220-24V 6А 150W

На складе в г. Умань

Доставка по Украине

403 грн

Купить

Интернет-магазин «FreeBuy.in.ua»

Модуль 8A 100W понижающий DC-DC преобразователь с регулировкой напряжения на XL4016E1

На складе в г. Днепр

Доставка по Украине

158 грн

Купить

Интернет-магазин радиодеталей Radioformat

DC-DC понижающий преобразователь напряжения 96В в 12В, 25A

Доставка по Украине

1 862 грн

Купить

Интернет-магазин Co-Di

Блок питания понижающий AC 220V — DC 5V / 12V 1A YS-1202CN3 импульсный преобразователь модуль

Доставка из г. Кривой Рог

279 грн

Купить

Онлайн-магазин «КласМагаз»

Преобразователь DC-DC понижающий 9-90В — 5В 3А

На складе в г. Полтава

Доставка по Украине

206.10 грн

Купить

IT Electronics

Понижающий DC-DC 9A преобразователь с регулировкой тока 9А 7-40В

Доставка по Украине

423 грн

Купить

🆉🅰🅱🅰🆅🅺🅰 🆂🅷🅾🅿

DC-DC понижающий преобразователь напряжения 36-72В в 12В, 10A

На складе в г. Николаев

Доставка по Украине

994 грн

Купить

Интернет-магазин Co-Di

DC Понижающий преобразователь LM2596S

На складе

Доставка по Украине

45 грн

Купить

Tenzor

Преобразователь DC-DC понижающий 9-90В — 5В 3А

На складе в г. Полтава

Доставка по Украине

206.10 грн

Купить

Интернет магазин «E-To4Ka»

Понижающие преобразователи

(встроенный переключатель) | TI.

com

Поскольку понижающие (понижающие) преобразователи постоянного тока имеют контроллер с одним или несколькими встроенными полевыми транзисторами и внешним дросселем, они обеспечивают баланс гибкости и простоты использования. Просмотрите наш обширный портфель понижающих преобразователей постоянного тока в постоянный и используйте соответствующие инструменты проектирования для решения задач проектирования источников питания для любых приложений.

Выбор по номинальному входному напряжению

Новые продукты

параметрический фильтр Посмотреть все продукты

ТПС568231 НОВЫЙ

ТПС568231 АКТИВНЫЙ

Синхронный понижающий преобразователь с 3,8 В на 17 В, 8 А с управлением D-CAP3

Прибл. цена (USD) 1ку | 1.4

ТПС62993-К1 НОВЫЙ

ТПС62993-К1 АКТИВНЫЙ

Автомобильный, 3–10 В, 3 А, низкий IQ, синхронный понижающий преобразователь

Прибл. цена (USD) 1ку | 0,61

ТПС62992-К1 НОВЫЙ

ТПС62992-К1 АКТИВНЫЙ

Автомобильный, от 3 В до 10 В, 2 А, низкий IQ, синхронный понижающий преобразователь

Прибл. цена (USD) 1ку | 0,54

LM5012 НОВЫЙ

LM5012 АКТИВНЫЙ

Вход от 6 до 100 В, асинхронный понижающий DC/DC преобразователь на 2,5 А со сверхнизким IQ

Прибл. цена (USD) 1ку | 1.08

LM5012-Q1 НОВЫЙ

LM5012-Q1 АКТИВНЫЙ

Автомобильная промышленность, входное напряжение от 6 В до 100 В, асинхронный понижающий преобразователь постоянного тока на 2,5 А

Прибл. цена (USD) 1ку | 1,5

LM5013 НОВЫЙ

LM5013 АКТИВНЫЙ

Вход от 6 до 100 В, асинхронный понижающий DC/DC преобразователь на 3,5 А со сверхнизким током покоя (IQ)

Прибл. цена (USD) 1ку | 1,543

Технические ресурсы

Руководство по выбору

Руководство по выбору

Краткое справочное руководство по понижающим преобразователям (версия B)

В этом кратком справочном руководстве рассматриваются устройства с входным напряжением до 100 В и выходным током до 40 А. .

документ-pdfAcrobat PDF

Видео серия

Серия видеороликов

Основы электроэнергетики — архитектуры понижающих регуляторов

В этой серии представлен обзор архитектур понижающих регуляторов, включая: многофазный, гистерезисный, COT, режим тока или эмулированный ток и режим напряжения.

Руководство по выбору

Руководство по выбору

Руководство по выбору преобразователей постоянного/постоянного тока SWIFT (Rev. G)

Встроенные полевые МОП-транзисторы с низким сопротивлением во включенном состоянии, высокая точность регулирования выходного напряжения и расширенный набор функций позволяют использовать понижающие преобразователи SWIFT™ для питания самых передовых цифровых сигнальных процессоров и ПЛИС в отрасли.

документ-pdfAcrobat ПДФ

Ресурсы для проектирования и разработки

Инструмент для проектирования

WEBENCH® Power Designer

WEBENCH® Power Designer создает индивидуальные схемы электропитания в соответствии с вашими требованиями. Среда предоставляет вам комплексные возможности проектирования источников питания, которые экономят ваше время на всех этапах процесса проектирования.

Инструмент моделирования

PSpice® for TI инструмент проектирования и моделирования

PSpice® for TI — это среда проектирования и моделирования, помогающая оценить функциональность аналоговых схем. В этом полнофункциональном пакете для проектирования и моделирования используется модуль аналогового анализа от Cadence®. Доступный бесплатно PSpice для TI включает в себя одну из самых больших библиотек моделей в (…)

Инструмент для проектирования

Инструмент Power Stage Designer™ для наиболее часто используемых импульсных источников питания

Power Stage Designer ^TM — это инструмент на основе JAVA (требуется JAVA 8 или OpenJDK 8), который помогает инженерам ускорить разработку своих источников питания путем расчета напряжений и токов в 20 топологиях в соответствии с данными пользователя. Кроме того, Power Stage Designer содержит инструмент для построения графиков Боде и (…)

Основы, работа, конструкция и эксплуатация

Много раз в мире электроники мы сталкиваемся с необходимостью уменьшить одно напряжение постоянного тока до более низкого. Например, нам может понадобиться питание микроконтроллера 3,3 В от шины питания 12 В. Решение простое, мы просто добавляем микросхему линейного стабилизатора 3,3 В, например LD1117, с шиной 12 В, и она регулирует напряжение до 3,3 В. Мы уже изучили работу регуляторов напряжения в нашей предыдущей статье.

 

Теперь предположим, что нам нужно запитать светодиодную ленту от той же шины 3,3 В. Светодиоды легко потребляют около 20 мА каждый, поэтому длинная полоса легко съест ампер или около того. Если рассчитать мощность, рассеиваемую регулятором:

P = (V _в – V _вых ) * I _вых

Рассеиваемая мощность получается около 8,7 Вт! Теперь это ОЧЕНЬ большая мощность для рассеивания небольшого линейного регулятора. Если мы подсчитаем КПД, который представляет собой просто выходную мощность, деленную на входную мощность, то получится жалкие 38%! Обычно линейные стабилизаторы напряжения имеют очень низкий КПД по сравнению с импульсными стабилизаторами.

Теперь мы остро нуждаемся в том, чтобы найти что-то, что могло бы понижать постоянное напряжение и делать это эффективно!

 

Знакомство с понижающими преобразователями

К счастью, такое устройство уже существует, и оно называется понижающим преобразователем или понижающим регулятором напряжения . Это тип преобразователя постоянного тока , поэтому он выполняет задачу, используя несколько транзисторных переключателей и катушку индуктивности. Типичная схема понижающего преобразователя показана на изображении выше.

 

Он очень похож на повышающий преобразователь, но расположение катушки индуктивности и транзистора меняется. Переключатель, показанный на приведенной выше схеме, обычно представляет собой переключатель силовой электроники, такой как MOSFET, IGBT или BJT. Переключатель будет переключаться (включаться и выключаться) с помощью сигнала ШИМ.

 

Работа понижающего преобразователя немного похожа на работу ШИМ-диммирования. Мы все слышали о приглушении света с помощью ШИМ-сигнала. Небольшой рабочий цикл означает, что среднее напряжение, воспринимаемое нагрузкой, мало, а когда рабочий цикл высокий, среднее напряжение также высокое.

 

Но среднее напряжение — это не то, что нам нужно — необработанный сигнал PWN колеблется между высоким уровнем напряжения и землей, чего не хотела бы чувствительная нагрузка (например, микроконтроллер). Конечно, подключение RC-фильтра к прямоугольному источнику делает выход чистым. Уровень напряжения фильтра зависит от скважности ШИМ-сигнала – чем выше скважность, тем выше выходное напряжение.

 

Итак, теперь у нас есть чистое выходное напряжение. На приведенном ниже графике необработанный ШИМ-сигнал показан синим цветом, а отфильтрованные выходы — красным и фиолетовым.

Теперь мы могли бы просто использовать его как понижающий преобразователь, но есть один существенный недостаток — резистор в RC-фильтре ограничивает ток и тратит энергию в виде тепла, что не лучше, чем в примере с линейным регулятором напряжения.

 

Чтобы решить эту проблему, мы обратимся к другому типу фильтра напряжения, LC-фильтру, который выполняет ту же работу, что и RC-фильтр, но заменяет R на L, другими словами, резистор на индуктор. Катушка индуктивности сопротивляется изменениям тока, а конденсатор сопротивляется изменениям напряжения, в результате чего на выходе получается плавный постоянный ток.

Теперь у нас есть преобразователь, способный понижать постоянное напряжение и делать это эффективно!

 

Работа понижающего преобразователя

Работу понижающего преобразователя можно разбить на несколько этапов.

ШАГ – 1:

Переключатель включается и пропускает ток к выходному конденсатору, заряжая его. Поскольку напряжение на конденсаторе не может возрастать мгновенно, а индуктор ограничивает зарядный ток, напряжение на крышке во время цикла переключения не является полным напряжением источника питания.

 

ШАГ – 2:

Теперь переключатель выключается. Поскольку ток в катушке индуктивности не может внезапно измениться, катушка индуктивности создает на ней напряжение. Это напряжение позволяет заряжать конденсатор и питать нагрузку через диод, когда ключ выключен, поддерживая текущий выходной ток в течение всего цикла переключения.

Эти два шага повторяются много тысяч раз в секунду, что приводит к непрерывному выводу.

 

Проектирование понижающего преобразователя

ШАГ – 1

Определите входное напряжение, выходное напряжение и ток.

Рабочий цикл преобразователя определяется по формуле:

DC = V _out /V _in

ШАГ – 2

Определить выходную мощность, то есть произведение выходного напряжения и тока . Это также входная мощность по закону сохранения энергии (хотя и не совсем так — ничто не эффективно на сто процентов!).

ШАГ — 3

Теперь разделите выходную мощность на выбранную частоту переключения, чтобы получить мощность, передаваемую за импульс.

Поскольку о катушках индуктивности проще говорить с точки зрения энергии, теперь мы можем предположить, что выходная мощность — это просто выходная энергия в секунду. Итак, если выходная мощность нашего преобразователя составляет 30 Вт, то мы можем сказать, что выходная энергия составляет тридцать джоулей в секунду.

ШАГ — 4

Теперь, когда у нас есть энергия на импульс, мы можем рассчитать индуктивность, используя входной ток и энергию:

L = 2E/I ²

Где E — энергия, передаваемая за импульс, а I — квадрат входного тока.

Используя значения индуктивности, частоты и рабочего цикла, теперь мы можем приступить к созданию простого повышающего преобразователя.

 

Выбор деталей

МОП-транзистор

Поскольку переключатель находится на стороне высокого напряжения, использование N-канального МОП-транзистора или биполярного NPN-транзистора не сработает, если только у нас нет самозагружаемого драйвера затвора. Хотя это возможно, это довольно сложно.

В этих обстоятельствах рекомендуется использовать устройство P-канала, они значительно упрощают требования к вождению, но помните, что они включаются при низком уровне ворот, поэтому потребуется инвертированный сигнал. Можно использовать IRF5210, у него приличное сопротивление 60 мОм и V _DS -100 В, чего должно быть достаточно для большинства приложений. Тем не менее, есть много более качественных устройств, выбор которых полностью зависит от разработчика в зависимости от конкретного приложения.

Не забудьте использовать драйвер затвора для уменьшения коммутационных потерь!

 

ДИОД

Поскольку этот диод не должен работать с очень высокими напряжениями, а скорее с большими токами, было бы хорошим выбором конструкции использовать диод Шоттки с низким падением прямого напряжения, чтобы обеспечить эффективность.