Повышающие преобразователи: Повышающий преобразователь напряжения DC DC

Содержание

Повышающие преобразователи напряжения 12-220v своими руками


Повышающие преобразователи напряжения 12-220v: в этой статье описывается как сделать самостоятельно преобразователь напряжения с 12v постоянного тока в 220v переменного тока с использованием небольшого количества компонентов. В этом проекте задействована функциональная микросхема К561ТМ2 с двух контактным D-триггером.

Повышающие преобразователи напряжения: где их можно использовать

Сфера применения такого устройства довольно широка: например, когда в доме отключили свет, а вам нужно обязательно посмотреть по телевизору футбольный матч вашей любимой команды. Или подключить зарядку телефона либо ноутбука, можно выполнять пайку каких либо электронных схем и т.д. Для этого вам потребуется всего лишь автомобильный аккумулятор и повышающий преобразователь с 12 вольт до 220 вольт переменного напряжения. Схема такого прибора приведена ниже.

Установленная в схеме данного устройства микросхема К561ТМ2 выполняет функции основного компонента. Генератор частоты 100 Гц представляет собой электронный узел обозначенный DD1.1, а частотный делитель — DD1.2. Для обеспечения нормальной работы выходного каскада собран усилитель по току, который выполнен на составных биполярных транзисторах КТ973 (VT1-VT2). Кроме этого, транзисторы Дарлингтона выполняют функции шунтирования обмоток трансформатора.

Компоненты используемые в повышающем преобразователе напряжения

Установленные по схеме биполярные транзисторы предвыходного каскада КТ973 могут быть заменены на BD140, также и мощные выходные транзисторы КТ805 можно менять на эпитаксиальные кремниевые приборы TIP41. Трансформатор силовой цепи подбирается в зависимости от предполагаемой мощности преобразователя. Представленное здесь устройство обладает мощностью в пределах 32 Вт, этого вполне хватит, чтобы пользоваться паяльником рассчитанным на 25W.

Что касается силового трансформатора, то может быть использован практически любой. Например в моем варианте задействован транс марки ТС-40-1. Естественно, две его штатные вторичные обмотки я перемотал на нужное мне напряжение. Каждая из этих обмоток выполняется двумя эмаль-проводами имеющим сечение 0.17 мм.кв каждый. Соответственно получится четыре слоя. Далее, конец 1-ой обмотки нужно соединить с концом 2-ой обмотки. Как правильно сделать расчет трансформатора с помощью специальной программы, можно посмотреть —> Здесь.

Таким образом вы получите вывод средней точки трансформатора, который пойдет на корпус. Но здесь нужно четко себе представлять, что на транс поступают импульсные сигналы прямоугольной формы. Нужно понимать, что на трансформатор подаются прямоугольные импульсы. Чтобы в выходной цепи трансформатора получить нормальный синусоидальный сигнал, для этого нужно точно выбирать конденсатор C5 путем подбора.

Если у вас имеется в наличии осциллограф, то отследить синусу на выходе лучше будет с его помощью. Вобщем выходной синусоидальный сигнал должен быть как можно больше соответствовать чистой синусе. Хотя при практическом изготовлении преобразователя выполнять такие подборы не обязательно, так как современные электронные приборы использующие импульсные блоки питания могут работать с напряжением как прямоугольной формы, так и с постоянным током.

Представленная здесь схема достаточна универсальная, то есть есть возможность устанавливать транзисторы с более высокой мощностью, чем указано в оригинальном варианте. Но тогда придется увеличить мощность и силового трансформатора, а также аккумуляторную батарею с достаточной емкостью. После такой модернизации инвертора, его суммарная мощность значительно увеличится.

В моем случае был применена аккумуляторная батарея собранная из шести литий-ионных (LI-ION) элементов, имеющая суммарную емкость 5200 мА/ч. Такого набора емкостей вполне хватит для работы с паяльником в течении порядка трех часов. Для корректной работы устройства и равномерного заряда, применяется плата балансировки литиевых аккумуляторов. Данный преобразователь имеет ток холостого хода 0.67A.

Тест платы балансировки аккумуляторов 18650

В процессе доработки прибора я решил добавить в схему коннектор USB, как дополнительную опцию, чтобы можно было заряжать мобильные устройства. Напряжение 5v на этот разъем я подал с инвертора DC-DC.

Все задействованные компоненты размещены в металлическом корпусе взятого от старого компьютерного блока питания. На фронтальной панели установлены электрическая розетка, переключатели напряжения и рода работ (Заряд-Работа). Рядом размещены: светодиодный индикатор, отображающий состояние заряда аккумулятора.



Аппарат получился надежный, неоднократно использовал его, когда в доме вырубали электроэнергию. Если к нему подключать светодиодные светильники либо энергосберегающие лампы, то прибор сможет работать продолжительное время.

Скачать preobrazovatel_kt819.lay

Повышающий преобразователь

Перечень радио-компонентов
ОБОЗНАЧЕНИЕ ТИП НОМИНАЛ КОЛИЧЕСТВО
DD1 Микросхема К561ТМ2 1
R1 Резистор 75 кОм 1
R2 Резистор 75 кОм 1
R3 Резистор 16 кОм 1
R4 Резистор 16 кОм 1
R5 Резистор 150 Ом 1
R6 Резистор 150 Ом 1
R7 Резистор 1.5 кОм 1
R8 Резистор 1.5 кОм 1
R9 Резистор 68 Ом 1
VT1 Транзистор КТ973 1
VT2 Транзистор КТ973 1
VT3 Транзистор КТ805 1
VT4 Транзистор КТ805 1
VD1 Выпрямительный диод 1N4148 1
VD2 Выпрямительный диод 1N4148 1
C1 Конденсатор 0.1 мк 1
C2 Конденсатор 0.1 мк 1
C3 Электролитический конденсатор 100 мк*16 В 1
C4 Конденсатор 0.1 мк 1

Повышающий/понижающий преобразователь напряжения своими руками

Всем доброго времени суток, уважаемые самоделкины!
В этой самоделке AKA KASYAN сделает универсальный понижающий и повышающий преобразователь напряжения.

Недавно автор собрал литиевый аккумулятор. А сегодня раскроет секрет, для какой цели он его изготовил.

Вот новый преобразователь напряжения, режим его работы - однотактный.

Преобразователь имеет небольшие габариты и достаточно большую мощность.

Обычные преобразователи делают одно из двух. Только повышают, или только понижают подаваемое на вход напряжение.
Вариант, изготовленный автором может как повысить,

так и понизить входное напряжение до требуемого значения.

У автора имеются различные регулируемые источники питания, с помощью которых он тестирует собранные самоделки.

Заряжает аккумуляторы, да и использует их для различных других задач.

Не так давно появилась идея создания портативного источника питания.
Постановка задачи была такой: устройство должно иметь возможность заряжать всевозможные портативные гаджеты.

От обычных смартфонов и планшетов до ноутбуков и видеокамер, а также справился даже с питанием любимого паяльника автора TS-100.

Естественно можно просто воспользоваться универсальными зарядными устройствами с адаптерами питания.
Но все они питаются от 220В


В случае автора требуется нужен был именно портативный источник различных выходных напряжений.

А таковых в продаже автор не нашел.

Питающие напряжения для указанных гаджетов имеют очень широкий диапазон.
Например смартфонам нужно всего 5 В, ноутбукам 18, некоторым даже 24 В.
Аккумулятор, изготовленный автором, рассчитан на выходное напряжение в 14,8 В.
Следовательно, необходим преобразователь, способный как повышать, так и понижать начальное напряжение.


Обратите внимание, некоторые номиналы указанных на схеме компонентов, отличаются от установленных на плате.


Это конденсаторы.

На схеме указаны эталонные номиналы, а плату автор делал для решения своих задач.
Во-первых, интересовала компактность.

Во-вторых, авторский преобразователь питания позволяет спокойно создать выходной ток в 3 Ампера.

AKA KASYAN большего и не надо.

Связано это с тем, что емкость примененных накопительных конденсаторов небольшая, но схема способна выдать выходной ток до 5 А.

Поэтому схема является универсальной. Параметры зависят от емкости конденсаторов, параметров дросселя, диодного выпрямителя и характеристик полевого ключа.


Замолвим пару слов о схеме. Она представляет собой однотактный преобразователь на базе шим-контроллера UC3843.

Поскольку напряжение от аккумулятора немного больше штатного питания микросхемы, в схему был добавлен 12В стабилизатор 7812 для питания шим-контроллера.

В приведенной схеме данный стабилизатор указан не был.
Сборка. Про перемычки, установленные с монтажной стороны платы.

Этих перемычек четыре, и две из них являются силовыми. Их диаметр должен быть не менее миллиметра!
Трансформатор, вернее дроссель, намотан на желтом кольце из порошкового железа.


Такие колечки можно найти в выходных фильтрах компьютерных блоков питания.
Размеры примененного сердечника.
Внешний диаметр 23,29мм.

Внутренний диаметр 13,59мм.

Толщина 10,33мм.

Скорее всего, толщина намотки изоляции 0,3мм.
Дроссель состоит из двух равноценных обмоток.

Обе обмотки наматываются медной проволокой диаметром 1,2 мм.
Автор рекомендует применять проволоку диаметром немного больше, 1,5-2,0 мм.

Витков в обмотке десять, оба провода наматываются разом, в одном направлении.

Перед установкой дросселя перемычки заклеиваем капроновым скотчем.

Работоспособность схемы заключается в правильной установке дросселя.


Необходимо правильно припаять выводы обмоток.

Просто установите дроссель, как это показано на фото.

Силовой N-канальный полевой транзистор, подойдет практически любой низковольтный.

Ток транзистора не ниже 30А.

Автор использовал транзистор IRFZ44N.

Выходной выпрямитель - это сдвоенный диод YG805C в корпусе TO220.


Важно использовать диоды Шоттки, так как они дают минимальную просадку напряжения (0,3В против 0,7) на переходе, это влияет на потери и нагрев. Их также легко найти в пресловутых компьютерных блоках питания.

В блоках они стоят в выходном выпрямителе.

В одном корпусе - два диода, которые в схеме у автора запараллелены для увеличения проходящего тока.
Преобразователь стабилизирован, имеется обратная связь.

Выходное напряжение задает резистор R3


Его можно заменить на выносной переменный резистор для удобства работы.

Преобразователь также снабжен защитой от короткого замыкания. В качестве датчика тока применен резистор R10.

Это низкоомный шунт, и чем выше его сопротивление тем меньше ток срабатывания защиты. Установлен SMD вариант, на стороне дорожек.

Если защита от КЗ не нужна, то этот узел просто исключаем.

Еще защита. На входе схемы стоит предохранитель на 10А.

Кстати, в плате контроля аккумулятора уже установлена защита от КЗ.

Конденсаторы, применяемые в схеме крайне желательно брать с низким внутренним сопротивлением.


Стабилизатор, полевой транзистор и диодный выпрямитель крепятся к алюминиевому радиатору в виде согнутой пластины.


Обязательно изолируем подложки транзистора и стабилизатора от радиатора при помощи пластиковых втулок и теплопроводящих изолирующих прокладок. Не забываем и про термопасту. А установленный в схеме диод уже имеет изолированный корпус.


Благодаря ШИМ-управлению, КПД у преобразователя весьма высокий кпд.
Например, ток холостого хода, в зависимости от питающего напряжения, находится в пределах 20мА - 40мА.


Приступим к испытаниям.
Для начала проверим диапазоны выходных напряжений.
Подадим на вход 12 В. Выходное напряжение достигает двадцати пяти. Выше поднимать нельзя, выходные конденсаторы на 25 В.

Минимальное выходное напряжение составляет 4,85 В. Следовательно, можно заряжать все USB гаджеты.


Стабилизация работает отлично! Увеличив входное напряжение до 22,2 В, выходное находится точно в установленных пределах.

Повышающий DC преобразователь MT3608 или переделываем питание РУ игрушек на литий

Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о переделке питания древненькой радиоуправляемой машины с никеля на литий с помощью повышающего преобразователя MT3608, а также встраивание «народного» зарядного модуля прямо в машинку. Кому интересно, милости прошу под кат…

Преимущества литиевых источников питания (Li-Ion/Li-Pol) над никелевыми (NiCd/NiMH):
— высокая плотность энергии. У типичной никелевой батареи 5S 6V 700mah запасенная энергия 6*0,7=4,2Wh, а у литиевого аккумулятора 3,7V 3300mah — 3,7*3,3=12,2Wh. Как мы видим и напряжение выше, и емкость больше. И это притом, что в расчет взята сборка никеля, а не один аккумулятор
— отсутствие эффекта памяти, т.е. можно заряжать их в любой момент, не дожидаясь полного разряда (в сравнении с NiCd)
— меньшие габариты при одинаковых параметрах с NiCd/NiMH
— быстрое время заряда (не боятся больших токов заряда) и понятная индикация
— низкий саморазряд (в сравнении с NiCd и обычным никелем)

В общем, причины переделки были следующими:
— большая емкость аккумулятора и как следствие более длительное время работы без подзаряда
— встроенный зарядный модуль со сравнительно небольшим временем заряда и понятными сигналами этапов процесса (заряд/заряжено)
— отсутствие эффекта памяти, т.е. можно заряжать в любой момент, не дожидаясь разряда аккумулятора
— наличие корректной защиты от переразряда
— перевод на встроенное универсальное ЗУ с питанием от адаптера/БП смартфона/планшета (USB/micro USB)

Итак, о переводе зарядки квадрокоптера Bayang под разъем USB я уже писал. Теперь очередь за машинкой. Переделывать будем стандартную ментовскую «линейку», купленную в оффлайне. Вот та самая машинка:

Питание стандартное для такого рода устройств – батарея NiCd аккумуляторов 5S 6V 700mah (пять последовательно соединенных пальчиков по 1,2V 700mah). Обычный никель в данном случае, похоже, такую нагрузку вытянуть не может, поэтому разработчики поставили кадмиевые аккумуляторы, способные отдавать большие токи.
Мне, можно сказать, повезло – батарейный отсек довольно большой, туда с легкостью можно впихнуть два Li-Ion аккумулятора ф/ф 18650:

Аккумулятор крупным планом:

Адаптер самый простой, рассчитанный на 6V 250ma, хотя тут бы не помешал на 500-600ma, ибо стоковым ЗУ аккум заряжается достаточно долго.

При заряде комплектным зарядным устройством нет индикации окончания заряда, да и вкупе с паразитным эффектом памяти использовать стоковые акки и ЗУ очень неудобно, а иногда и опасно, особенно детям. Никакой защиты от перезаряда нет:

Питание пульта ДУ от 9V кроны, т.е. 6S АААА – 6 минибаночек по 1,5V каждая. Возможно, руки дойдут и до пульта, но вроде как кроны пока хватает надолго, особой необходимости в переделке нет:

Итак, с описанием основных элементов и их недостатков разобрались, плавно переходим к доработке.

Два способа реализации перехода под литиевое питание:
1) Два последовательно соединенных защищенных Li-Ion аккумулятора напрямую к плате управления:

+ самый простой способ
+ высокое рабочее напряжение, а также сохранение работоспособности при практически полном разряде аккумуляторов, т.е. вся их емкость будет использоваться, даже при варианте аккумов с низким порогом разряда (2,5V)
+ отсутствие необходимости в повышающем преобразователе

– не все платы управления работают от 8,4V (две свежезаряженные банки), в некоторых случаях придется гасить вольт-полтора
– необходимо не менее двух защищенных аккумуляторов и холдеров, аккумуляторы желательны с одинаковыми параметрами (защищенные дороже незащищенных и нужны две штуки).
– невозможность/проблематичность установки встроенного модуля заряда (нужны две платки или более дорогие платы с балансировкой)
– при отсутствии модуля заряда необходимо вынимать аккумуляторы для зарядки в стороннем ЗУ (для ребенка не вариант)

Как видим, минусы довольно существенные…

2) Один или два параллельно соединенных Li-Ion аккумулятора, повышающий преобразователь MT3608 и «народная» сверхдешевая плата заряда на TP4056

+ возможность работы от одного аккумулятора
+ отсутствие необходимости в защищенных аккумуляторах (при условии использовании платы зарядки с защитой)
+ возможность встраивания платы зарядки в готовое устройство
+ возможность применять несколько разноемкостных аккумуляторов (можно запараллелить все отбраковки, которые есть в наличии)
+ полный разряд аккумулятора до конечного напряжения, т.е. использование всей полезной емкости

– более сложный способ
– дополнительные потери в преобразователе и необходимость небольшого допила повышайки для более надежной работы
– невозможность снятия больших токов с преобразователя (для мощных РУ моделек не годится)

В моем случае мне необходима была простота эксплуатации, без телодвижений с выемкой/установкой аккумуляторов, ибо это литий, поэтому я выбрал второй способ, его и рассмотрим ниже.

Необходимые компоненты для доработки и некоторый «допил»:

1) «народная» плата зарядки лития с защитой от переразряда/КЗ на основе TP4056

Плата зарядки лития с защитой от переразряда/КЗ доработки практически не требует. Объяснять принцип работы не буду, т.к. она уже обозревалась вдоль и поперек. Напомню лишь, что заряжает по стандартному алгоритму CC/CV (сначала постоянным током, затем «добивает» постоянным напряжением) током 1А (реально около 0,93А). Отключается при снижении тока до 1/10 от начального. При заряде горит красный светодиод, по окончании – синий. Зарядка отключается в районе 4,19V. Защита пропускает до 3-4А, срабатывает при снижении напряжения на банке до 2,4V. При необходимости стабильной работы на более высоких токах – необходима допайка еще одного ключа/мосфетной сборки в параллель. При использовании платы зарядки лития с защитой TP4056 мы убиваем сразу двух зайцев, ибо не нужно лезть в батарейный отсек и в отдельном специализированном ЗУ заряжать аккумулятор, а также не нужно контролировать переразряд банки.

2) один или два Li-Ion аккумулятора 3,7V

Cгодятся любые, т.к. потребление данной машинки в среднем около 1,5А, т.е. применение высокотоковых аккумуляторов здесь не обязательно. Желательно использовать аккумуляторы с заниженным порогом разряда в 2,5V – современные высокоемкие банки Sanyo/Panasonic/Samsung/LG. Народные Sanyo/Samsung 2600mah не очень подходят к данной платке, т.к. имеют несколько «завышенный» порог разряда. Я использовал банку Sanyo NCR18650BF 3350mah из ПБ Xiaomi 10000mah, о нетипичном применении которого писал в этой статье. Небольшая трудность – подпайка питающих проводов к контактам платы. Если заморачиваться не хочется, то можно приделать одно/двухслотовый холдер/бокс 1х18650:

Тогда при наличии специализированного ЗУ можно колхозить и без платы заряда, т.к. с легкостью можно достать аккумуляторы. Но если использовать будет ребенок – лучше посмотреть вариант со встроенным модулем заряда.
Если приобретать холдеры нет желания или места для них недостаточно, то придется подпаивать провода к клеммам аккумулятора, это очень просто. Желательно иметь паяльник 60-80Вт и активный флюс – паяльная или ортофосфорная кислота, которая покупается в магазинах электрики. Достаточно немного капнуть флюса на контакты, набрать жалом паяльника припой и прижать к контактам (не перегреваем!). Желательно протереть место пайки спиртиком, чтобы остатки флюса ничего не разъедали в дальнейшем. Далее просто припаиваем провода и все. В итоге получается что-то типа этого:

3) повышающий преобразователь MT3608

Уже достаточно широко расписан и вдоль, и поперек. Отмечу только, что из-за неправильной разводки платы (тонкая длинная дорожка), на выходе присутствуют большие высокочастотные пульсации, хотя со стоковым вариантом машинка работает без проблем. Благодаря уважаемым электронщикам, было найдено очень простое решение проблемы – подпайка на выходе сглаживающих керамических конденсаторов, емкостью 10-22 мкф рассчитанных на напряжение не менее 16V. Т.к. в закромах я нашел только кондеры по 1мкф, то припаял 3 штуки в параллель. Для этого сначала сдираем покрытие дорожек, лудим получившуюся полоску и затем просто подпаиваем кондеры:

По желанию можно подпаять еще электролитический конденсатор 100-220 мкф на напряжение не менее 16V.
Теперь, когда все компоненты в наличии и при желании доработаны, собираем все воедино по следующей схеме:

Получается что-то вроде этого:

Как видим, повышающий преобразователь с легкостью поднимает напряжение с 3,36V до 6,14V. С таким низким входным максимум можно выжать около 20V, хотя при большем входном, на выходе можно получить до 28V:

Отрегулировав нужное среднее выходное напряжение на уровне 7V, можно приступать к сборке. Для начала взглянем на внутренности машинки:

Внутри типичный «Китай» – все провода тонкие и всё держится на соплях. Питающие провода от аккумулятора и преобразователя лучше заменить на более качественные большего сечения – будет меньшая просадка напряжения под нагрузкой (в идеале МГТФ). Плату зарядки пристраиваем так, чтобы к ней был легкий доступ: либо под днищем машинки, либо как я – за боковой дверцей, тем более там в корпусе есть подходящий фигурный вырез для лучшего удержания платки. Не забываем вырезать рядом небольшое отверстие для индикации – прямо напротив светодиодов. Преобразователь ставим рядом:

Более детально:

Для большей надежности обе платы, а также некоторые «сопли» клеим термопистолетом, который покупается в фикспрайсе за полтинник:

Получается довольно аккуратно:

Сам аккумулятор оставляем в батарейном отсеке. Для предотвращения бултыхания аккумулятора кладем рядом пупырку или изолон:

Собираем машинку и проверяем работоспособность. При зарядке красный цвет – заряд, синий заряжен:


Запускаем – все летает. Работы на пару часов, даже появилась «пробуксовка» колес на линолеуме, :-)…

Итого: при небольших телодвижениях мы имеем увеличенное в несколько раз время работы машинки, более простые условия обслуживания и некоторую стандартизацию, ибо стоковый зарядник отправлен на покой, а его заменит универсальный адаптер/БП от смартфона/планшета. Данные комплектующие стоят копейки, особенно если заказывать по 5-10 шт, имеют хорошие ТТХ, поэтому рекомендую!

Киса:


Кому интересно, еще обзоры:

Увеличение времени работы портативной электроники с помощью преобразователя на основе SIMO

6 февраля

Понижающе-повышающие импульсные стабилизаторы производства Maxim Integrated с одной катушкой индуктивности и несколькими выходами обеспечивают до трех питающих напряжений в портативных устройствах, повышают КПД и контролируют оптимальное распределение мощности.

Перед разработчиками современной электроники стоит непростая задача:  обеспечить длительную работу портативной электроники, параллельно с уменьшением размера элементов питания. В данной статье описано, как микросхемы PMIC, содержащие DC/DC-преобразователи с уникальной архитектурой преобразования мощности SIMO, поддерживают длительный срок службы батарейки в малом форм-факторе.

Любые портативные электронные устройства, будь то наушники или умные часы,  должны работать в течение длительного времени. И это непростая задача для разработчиков: очевидно, что с уменьшением размеров батарейки уменьшается и ее емкость. Кроме того, даже если отбросить вопрос производительности, источники питания в таких применениях должны поддерживать разные напряжения для элементов внутри одного устройства, причем эти элементы могут иметь особые требования к питанию. В таких случаях может помочь импульсный стабилизатор, основанный на схеме преобразования мощности с одной катушкой индуктивности и несколькими выходами (Single-Inductor, Multiple-Output, SIMO). Стабилизатор с архитектурой SIMO и низким током покоя может продлить срок службы батарейки для электроники, когда размеры критичны.

Преимущество понижающе-повышающих преобразователей SIMO

Рассмотрим, как архитектура SIMO работает в понижающе-повышающих (Buck-boost) стабилизаторах. В традиционной архитектуре импульсных стабилизаторов с несколькими выходами для каждого из выходов требуется отдельная катушка индуктивности (рисунок 1). Такой подход явно неприемлем для портативных электронных устройств, поскольку катушки имеют большие размеры и высокую цену. Другим вариантом является использование линейных стабилизаторов: несмотря на большое рассеивание мощности, они компактные, быстрые и имеют низкий уровень шума. Существует также смешанный подход, основанный на сочетании стабилизаторов с малым значением падения напряжения (Low Dropоut regulator, LDO) и DC/DC-преобразователей. Такая конфигурация дает средние мощность и тепловыделение, но существенно проигрывает по размерам.

Рис. 1. Стандартная схема понижающе-повышающих импульсных стабилизаторов

Преимущество понижающе-повышающего преобразователя SIMO заключается в возможности стабилизировать до трех выходных напряжений в широком диапазоне с помощью всего одной катушки индуктивности. При этом стоит отметить, что понижающе-повышающая схема SIMO обеспечивает более широкий диапазон выходного напряжения, чем архитектура SIMO только с понижением. А главный недостаток понижающей архитектуры преобразования SIMO проявляется в случаях, когда уровень одного или нескольких выходных напряжений близок к уровню входного напряжения: при этом единственная катушка работает на один канал и не может обеспечить нормальную работу остальных.

В некоторых случаях отказаться от катушки индуктивности в системе нельзя. Подходящие по условиям применения из-за малых размеров LDO-стабилизаторы, тем не менее, работают только на понижение напряжения. Поэтому в разработках, где нужно повышение напряжения, лучшим решением будет использовать понижающе-повышающую архитектуру SIMO, так как она нуждается только в одной катушке. На рисунке 2 представлена блок-схема архитектуры SIMO.

Рис. 2. Блок-схема архитектуры SIMO

Током насыщения катушки (Iнас) называется значение тока, при котором индукция падает до 70% от своего значения. Iнас зависит от размера и материала сердечника и особенностей конструкции. В отличие от использования отдельных DC/DC-преобразователей, решение с одной катушкой в архитектуре SIMO дает много преимуществ:

  • снижается количество компонентов, имеющих большую высоту;
  • уменьшается площадь размещения компонентов на печатной плате;
  • появляется возможность переключения каналов выходного напряжения. Это актуально для систем, где напряжения на шинах используются в разные моменты времени. Например, в некоторых системах с Bluetooth данные можно загрузить перед тем как они активируют какую-либо функцию. Получается, что питание для радиопередачи по Bluetooth происходит в иные промежутки времени, нежели моменты активации функции. Таким образом, ток потребления в подобных системах всегда оказывается меньше общей суммы требуемых на выходе токов, что снижает требования к Iнас катушки, которым будет соответствовать SIMO, в отличие от стандартных DC/DC-преобразователей, применение которых в данном случае явно избыточно;
  • снижаются требования к мощности и номинальному току катушки, даже если каналы питания используются одновременно, так как пики потребляемой мощности редко совпадают.

Компромиссы при использовании архитектуры SIMO

В любой методологии приходится идти на определенные компромиссы, и, чтобы свести их к минимуму, крайне важно продумать все моменты в разработке с применением архитектуры SIMO. Известно, что передача энергии с одной катушки на разные выходы приведет к увеличению пульсаций во всей системе. Кроме того, при высокой нагрузке SIMO может произойти задержка в стабилизировании следующего канала из-за нехватки времени для стабилизирования предыдущего, что может еще больше увеличить пульсации. Чтобы компенсировать эти пульсации, можно использовать более высокую емкость на выходе, это поможет избежать увеличения количества проводников на печатной плате и элементов в схеме.

В портативной электронике микросхемы управления питанием (Power Management ICs, PMIC), разработанные на основе микромощных DC/DC-преобразователей с понижающе-повышающей архитектурой SIMO, могут продлить срок службы батарейки. Такие преобразователи обеспечивают уровень выходного напряжения выше, ниже или равный уровню входного, задействовав весь диапазон напряжения батарейки, так как каждый выход имеет понижающе-повышающую конфигурацию. С помощью программирования пиковых значений тока катушки для каждого выхода можно оптимизировать баланс между КПД, выходными пульсациями, электромагнитными помехами (EMI), конструкцией печатной платы и нагрузочной способностью.

На основе микромощных DC/DC-преобразователей с понижающе-повышающей архитектурой SIMO компания Maxim Integrated разработала микросхемы PMIC MAX77650 и MAX77651. Эти микросхемы имеют встроенный LDO-стабилизатор на 150 мА для питания чувствительных к шуму устройств. Чтобы минимизировать перекрестные помехи и просадку сигналов на шине, на линиях данных (SDA) и на линиях тактирования (SCL) устанавливаются последовательные резисторы (24 Ом), которые, помимо прочего, защищают входы микросхемы от скачков высокого напряжения на шине. Каждый канал в этих преобразователях имеет низкий ток покоя, равный 1 мкА по каждому выходу, что способствует увеличению срока службы батарейки. Поскольку указанные микросхемы всегда работают в режиме прерывистой проводимости (Discontinuous Conduction Mode, DCM), ток катушки падает до нуля в конце каждого цикла для дополнительной защиты от перекрестных помех и пульсаций. Специальный контроллер в схеме управления SIMO в этих преобразователях обеспечивает своевременное стабилизирование напряжения на всех выходах. Если стабилизирования не требуется, контроллер находится в режиме малого энергопотребления. При снижении напряжения на одном из выходов ниже минимального значения контроллер заряжает катушку, которая затем разряжается на соответствующий выход, пока ток в катушке не упадет до нуля. Если одновременно требуется стабилизировать напряжение на нескольких выходах, контроллер распределяет циклы разряда катушки между всеми работающими выходами, исключая неработающие.

Сравнение мощностей потребления DC/DC c SIMO и со стандартной архитектурой

Блок-схема распределения мощности в микросхеме MAX77650 показана на рисунке 3. Три из четырех нагрузок подключены к литий-ионной батарейке (Li+) через импульсный стабилизатор SIMO с высоким КПД. Четвертая нагрузка питается от LDO с выхода SIMO 2,05 В. Таким образом, на этом канале достигается КПД 90,2% (1,85 В/2,05 В). В таблице 1 приведено сравнение показателей потребления стандартной архитектуры и архитектуры SIMO. Оценочные платы доступны для обеих микросхем – MAX77650 и MAX77651.

Рис. 3. Распределение мощности в микросхеме MAX77650 по каждому выходному каналу с указанием тока нагрузки, КПД и мощности рассеивания

Определить наилучшие параметры SIMO можно с помощью специального калькулятора SIMO. Калькулятор выполнен в виде электронной Excel-таблицы , где требуется ввести параметры в соответствующие ячейки в верхней строке. Наиболее важные параметры выделяются желтым цветом. Красным цветом выделяются параметры, значения которых выходят за допустимые пределы. В комментариях указываются рекомендации по улучшению разрабатываемой схемы. Сравнение потребления DC/DC с SIMO и DC/DC с обычной архитектурой приведены в таблице 1.

Таблица 1. Показатели потребления DC/DC с SIMO и с обычной архитектурой

Параметр Стандартная архитектура SIMO Преимущество SIMO
Ток батарейки LI+, мА 49 43,4 Экономия 5,6 мА
КПД, % 69,5 78,4 КПД выше на 8,9%
Минимальное напряжение LI+, В 3,4 (из-за 3,3 В LDO) 2,7 Работает с меньшим напряжением батарейки

Заключение

Как показано в статье, микросхемы PMIC с импульсными стабилизаторами SIMO могут значительно продлить срок службы батарейки в портативной электронике.

Дополнительные материалы:

Статьи:

  1. Технология Maxim Integrated nanoPower: когда малый IQ имеет преимущества
  2. Контроль в спящем режиме: повышение КПД батарейного питания с помощью DC/DC MAX17225 nanoPower
  3. DC/DC-преобразователи: принципы работы и уникальные решения MaximIntegrated
  4. Один дроссель для всей системы: многоканальные преобразователи Maxim с технологиями SIMO и nanoPower
  5. Измерение мощности в режиме реального времени с помощью ИС регистратора потребляемой мощности
  6. Борцы SIMO: особенности применения SIMO-преобразователей Maxim
  7. Выбор SIMO PMIC-преобразователя для проекта портативного устройства
  8. Увеличение энергоэффективности портативных устройств при помощи SIMO PMIC-преобразователей

Новости

  1. MAX17222 — длинная жизнь для маленьких вещей
  2. MAX38640/1/2/3 – понижающие конвертеры семейства NanoPower с ультранизким током потребления
  3. MAX17270 – преобразователь NanoPower SIMO PMIC для IoT с ультранизким потреблением

 

Оригинал статьи

Перевела Софья Букреева по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Устройство DC DC преобразователя



 

DC DC преобразователи нужны для работы разнообразной электронной аппаратуры, управляющих схем, устройств коммуникации, вычислительной техники, автоматики, мобильных гаджетов и других приборов. Принцип работы DC DC преобразователей заключается в изменении выходного напряжения, причем возможно как его увеличение, так и уменьшение по отношению к значению напряжения на входе – в зависимости от используемого источника питания и напряжения, потребляемого прибором. Соответственно, инверторы бывают повышающими и понижающими.

Питание схем с использованием трансформаторных БП

В трансформаторных блоках питания преобразуется напряжение питающей электросети – как правило, трансформатор уменьшает его до требуемой величины. Уменьшенное напряжение выпрямляется при помощи диодного моста, проходит через полупроводниковый стабилизатор (при необходимости) и нивелируется конденсаторным фильтром.

Стабилизаторы обычно используются линейные. Они дешевые и содержат в обвязке минимум компонентов, но имеют скромный КПД. Частично Uвх тратится на нагревание регулирующего транзистора. Поэтому трансформаторные БП не подходят для использования в переносной электронике.

Работа DC DC преобразователя

Для приборов, электропитание которых производится от батареек или аккумуляторов, изменение напряжения до требуемой величины возможно только с использованием DC DC инверторов. Опишем вкратце, как работают DC DC преобразователи повышающего или понижающего типа. Напряжение постоянного тока с его помощью:

  • становится переменным с частотой в несколько десятков или сотен кГц;
  • увеличивается или уменьшается до требуемого значения;
  • проходит выпрямление;
  • поступает в нагрузку.

Такие инверторы называют импульсными. Они отличаются высоким КПД – от 60 до 90%, и имеют широкий диапазон Uвх. Его значение бывает меньше Uвых или гораздо выше его. Например, инвертор, увеличивающий напряжение от 1,5 до 5 В, увеличивает стандартное напряжение батарейки до Uвых, характерного для USB разъема на компьютере. Широко используются и модели, увеличивающие напряжение с 12 до 220 В. Среди понижающих моделей популярны конфигурации, уменьшающие напряжение от 12–80 В до 5 В и от 16–120 В до 12 В (напряжение автомобильного аккумулятора).

Виды DC DC преобразователей напряжения

Рассмотрим основные типы таких устройств:

  1. Понижающие (альтернативные названия – buck, chopper, step-down). Обычно имеют Uвых<Uвх. Без весомых затрат на нагревание регулирующего транзистора удается обеспечить Uвых в несколько единиц вольт при значениях Uвх=12–50 В. У подобных моделей Iвых зависит от потребления устройства и влияет на схему DC DC преобразователя.
  2. Повышающие (альтернативные названия – boost, бустеры, step-up). Имеют Uвых˃Uвх. К примеру, при Uвх=5 В удается получить Uвых до 30 В, с возможностью его высокоточной регулировки и стабилизации.
  3. Универсальные (SEPIC). Имеют Uвых, удерживаемое на фиксированном уровне. При этом есть возможность получить и Uвых<Uвх, и Uвых˃Uвх. Изделия этой группы рекомендуется использовать при напряжении на входе, меняющемся в больших диапазонах. В частности, напряжение автомобильного аккумулятора способно меняться в диапазоне от 9 до 14 В, а на выходе нужно иметь стабильное значение 12 В.
  4. Инвертирующие (inverting converter). Главная задача таких устройств – получение Uвых обратной полярности по отношению к источнику питания. Они оптимально подходят для использования в ситуациях, когда нужно 2-полярное питание, к примеру, для питания операционных усилителей.

Инверторы всех перечисленных типов бывают со стабилизацией и без нее. Uвых бывает гальванически связанным с Uвх. Есть модели с гальванической развязкой напряжений. Подходящие характеристики и особенности инвертора зависят от характеристик прибора, в составе которого он будет применяться.

Работа DC DC преобразователя понижающего типа

Как видно по функциональной схеме DC DC преобразователя класса buck, на входе Uin поступает на фильтр – расположенный здесь конденсатор Cin. Коммутацию тока на высоких частотах выполняет транзистор VT – обычный биполярный или структуры MOSFET, или IGBT. Дополнительно в функциональной схеме предусмотрен разрядный диод VD и расположенный на выходе фильтр LCout. С него напряжение идет в нагрузку Rн, которая подсоединена последовательно к элементам VT и L.

Опишем алгоритм понижения напряжения. Управляющая микросхема создает импульсы в форме прямоугольников, со стабильной частотой. На графике tи – это время импульса при открытом транзисторе, а tп – длительность паузы при его закрытом состоянии. Отношение tи/T=D – это коэффициент заполнения, который измеряется в процентах (от 0 до 100%) или долях числа (от 0 до 1). К примеру, D=50% – это то же самое, что и D=0,5. При D=1 наблюдается полная проводимость ключевого транзистора, а при D=0 ключ закрыт, т.е. наблюдается отсечка. При D=0,5 значение Uвых=0,5Uвх.

Uвых регулируется путем смены ширины импульса управления tи, фактически – за счет смены коэффициента D. Этот принцип регулировки носит название широтно-импульсной модуляции (ШИМ, в английской аббревиатуре – PWM). Стабилизация Uвых в большинстве импульсных БП осуществляется с использованием ШИМ.

Благодаря массовому распространению инверторов производители наладили изготовление ШИМ контроллеров всевозможных типов. Их выбор огромен, поэтому собирать инверторы на дискретных компонентах не приходится. К тому же, готовые инверторы умеренной мощности отличаются ценовой доступностью. Для установки в создаваемую конструкцию остается только припаять к плате проводки на вход и выход, а затем выставить нужное значение Uвых.

Фазы работы понижающего преобразователя

Коэффициент D влияет на длительность открытия или закрытия ключа:

  1. Фаза 1 – накачка. Когда ключ-транзистор разомкнут, ток от батарейки, аккумулятора или другого источника идет по направлению от дросселя L на нагрузку Rн и заряжаемый конденсатор Cout. Конденсатор и дроссель при этом копят электроэнергию. Величина тока iL плавно растет под воздействием индуктивности дросселя. Этот этап называется накачкой. Когда напряжение на нагрузке достигает фиксированной величины, транзистор VT перекрывается, и стартует этап разряда.
  2. Фаза 2 – разряд. Транзистор VT сомкнут, и дроссель не накапливает энергию, т.к. источник отключен. Изменению значения и направленности тока, идущего через обмотку дросселя, препятствует индуктивность L (эффект самоиндукции). В результате движение тока не прекращается в один миг, и происходит его замыкание по линии «диод-нагрузка». По этой причине диод VD называется разрядным. Обычно в этих целях используется быстродействующий диод Шоттки. По окончании 2-й фазы процесс циклически повторяется.

Предельное значение Uвых в этой схеме равно Uвх и не может превышать его. Для получения Uвых˃ Uвх используются повышающие преобразователи.

Нюансы создания схем понижающих преобразователей

В реальности работа схемы инвертора отличается от теоретического описания. При включении и выключении возможны промедления, активное сопротивление отлично от нуля, на работе схемы сказывается качество используемых элементов и паразитная емкость монтажа. Значение индуктивности определяет 2 режима работы понижающего преобразователя:

  1. При малой индуктивности он функционирует в режиме разрывных токов, что не позволяет использовать конвектор с источниками питания.
  2. При высокой индуктивности чоппер работает по принципу неразрывных токов, и есть возможность с использованием фильтров на выходе получить U=const с допустимыми пульсациями. В таком режиме функционируют и модели, увеличивающие напряжение.

С целью увеличения КПД вместо разрядного диода VD можно использовать транзистор MOSFET. Его в нужное время открывает управляющая схема. Такие инверторы называют синхронными и рекомендуются к использованию при достаточно большой мощности инвертора.

Работа повышающих DC DC преобразователей

Такие модели преимущественно используются при работе от источников малой мощности, к примеру, от пары-тройки батареек, а некоторые конструкционные элементы требуют напряжения 12–15 В при малом токопотреблении. Uin поступает на находящийся на входе фильтр Cin и далее – на катушку L и транзистор VT, которые последовательно соединены между собой. В месте соединения катушки и стока транзистора к ним подсоединен диод VD. К его второму выходу подсоединена нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.

Работой транзистора VT управляет микросхема, вырабатывающая управляющий сигнал неизменной частоты с настраиваемым значением D – по аналогии с работой понижающего преобразователя. Диод VD в соответствующие моменты перекрывает нагрузку от ключа.

При разомкнутом ключе вывод L, находящийся справа на схеме, соединяется с минусовым полюсом аккумулятора или другого источника питания Uin. Растущий под действием индуктивности ток от аккумулятора идет через катушку (в ней копится энергия) и разомкнутый транзистор. Одновременно диод VD перекрывает нагрузку и находящийся на выходе конденсатор, не допуская его разряда из-за открытости транзистора.

В то же время нагрузка получает питание из запасов конденсатора Cout, и напряжение на выходном конденсаторе снижается. Когда оно становится меньше заданной величины (согласно настройкам управляющей схемы), ключ-транзистор VT перекрывается, и накопленная в дросселе электроэнергия через диод VD заряжает конденсатор Cout, подпитывающий нагрузку. Электродвижущая сила самоиндукции катушки L суммируется с Uвх и идет в нагрузку, поэтому наблюдается прирост напряжения Uвых˃Uвх. Когда величина Uвых достигает заданного уровня стабилизации, управляющая схема инициирует открытие транзистора VT, и процесс циклически продолжается.

Как работает универсальный DC DC преобразователь

Принцип его работы имеет значительное сходство со схемой DC DC инвертора повышающего типа, но дополнительно используются конденсатор C1 и катушка L2. Благодаря им устройство используется в режиме уменьшения напряжения. Такие конверторы используются в ситуациях, когда Uвх имеет большой диапазон значений. Например, есть модели, преобразовывающие Uвх= 4–35 В в Uвых=1,23–32 В. Внешне универсальный преобразователь легко узнать по наличию 2-х катушек – L1 и L2.

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

 

Как работает VRM на материнской плате и видеокарте компьютера | Материнские платы | Блог

Преобразователи напряжения используются везде и всюду. Будь то огромные многотонные трансформаторы на электроподстанциях, обычные 50-герцовые трансформаторы в домашней аппаратуре или сложные импульсные схемы с умными микроконтроллерами. Любой электроприбор имеет собственные требования к питанию, да и отдельные узлы в этом приборе тоже привередливы к значениям напряжений. Вопрос — почему? Из статьи вы узнаете, зачем вообще нужны преобразователи и как работает DC-DC регулятор напряжения VRM на материнских платах и видеокартах. А еще можно посмотреть материнские платы с мощными схемами питания в каталоге.

Никакого единства…

В розетке 220 вольт, у блока питания 12 вольт, у зарядки телефона 5 вольт... Может сложиться впечатление, что инженерам нравится играть с напряжением, сначала повышая его до миллионов вольт на линиях электропередач, а потом до единиц вольт для питания центрального процессора. Почему люди не придумали какое-то единое значение напряжения и не используют его везде?

Определенно, центральный процессор — да и вообще любой другой микрочип — питать высоким напряжением прямо из розетки нельзя. Двенадцать вольт после блока питания тоже не подойдут. Во-первых, на микроскопическом уровне даже лишние пара десятых вольта могут привести к утечкам тока и повлиять на стабильность схемы. Во-вторых, чем выше напряжение, тем большее энергии расходуется на работу процессора. Поэтому с уменьшением техпроцесса разработчики стараются снизить и рабочий вольтаж. Когда-то процессоры, например, древний Intel 8086 выпуска 70-х годов, питались от 5 вольт, а современные работают всего от 1-1,4 вольта.

Блоки питания с напряжением 1 вольт на выходе — тоже не вариант, так как сила тока будет чрезмерно высокой — от нескольких десятков до сотен ампер. Ведь, снижая напряжение, растет сила тока при той же мощности. Вычислить силу тока можно, поделив мощность на напряжение.

 Большая сила тока вставляет палки в колеса при подборе проводников из-за их сопротивления. Сопротивление — эффект, когда структура проводника мешает беспрепятственному протеканию тока по нему. Заряженные частицы врезаются на полной скорости в атомы проводника, чем и вызывают сопутствующий нагрев, а сами частицы теряют энергию. Это как бег с препятствиями. Вы тоже потеряете энергию, если во время бега по густому лесу будете влетать в деревья.

Сопротивление любого провода не нулевое, причем оно увеличивается с ростом его длины. Толщина провода также влияет на сопротивление. Поэтому, чтобы передать большую мощность при низком значении напряжения и высокой силе тока, придется использовать довольно толстые провода.

К примеру, напряжение на ЛЭП специально увеличивают до сотен тысяч вольт после электростанции, чтобы передавать мегаватты электрической мощности на значительные расстояния с помощью относительно тонких проводов.

И последнее. У любой электроники свое значение рабочего напряжения, а у процессора оно еще и регулируется в зависимости от нагрузки и условий работы. Так что договориться и сделать единую энергосистему с одинаковым значением напряжения попросту нереально.

Нет, без преобразователей ну никак не обойтись.

Устройство DC-DC преобразователя

Для питания микроэлектроники от постоянного напряжения используются DC-DC преобразователи, основанные на принципах широтно-импульсной модуляции — ШИМ. Их еще называют регуляторами напряжения — VRM.

Как это работает? Возьмите обычный вентилятор. Что будет, если вы его включите? Правильно, он будет дуть с одинаковой силой.

Что произойдет, если с равной периодичностью дергать рубильник — включать вентилятор всего на полсекунды, а на следующие полсекунды выключать? Двигатель вентилятора не может мгновенно набрать максимальную скорость вращения, поэтому за такой небольшой промежуток времени он как следует не разгонится. Но и остановиться за то же время он не успеет, так как продолжит крутиться по инерции. Так что вентилятор продолжит дуть, но с гораздо меньшей мощностью. Попробуйте поэкспериментировать со своим домашним вентилятором.

Выходит, если включать и выключать питание вентилятора, то вместо постоянного напряжения мы получим прерывистые импульсы той же амплитуды.

Так и работает простейший ШИМ-регулятор. Но вместо человека с выключателем используется транзистор — он то открывается на некоторое время (ВКЛ), то закрывается (ВЫКЛ). Только делает это с частотой не два раза в секунду (2 Гц), а десятки тысяч раз (10 кГц). Вы так точно не сможете. Такой транзистор называется «ключевым».

Кто-то может возмутиться: «Но, погодите, нам нужно получить напряжение в 1 вольт, а тут хоть и прерывистые, но те же 12 вольт, что и на входе! Кажется, нас обманывают!»

Действительно, таким образом питать процессор по-прежнему нельзя. Так что к ключевому транзистору (VT1) понадобятся еще несколько элементов: катушка индуктивности (L), конденсатор (C) и синхронный транзистор (VT2). Катушка и конденсатор образуют LC-фильтр.

Технически можно разделить цикл преобразования на две стадии: накачка энергии в катушку с конденсатором и стадию разряда.

Первая стадия — накачиваем энергию

Когда транзистор VT1 открыт, его собрат — синхронный транзистор VT2 — закрыт. В катушке L накапливается энергия, плавно нарастает ток и заряжается конденсатор C.

Вторая стадия — стадия разряда

Транзистор VT1 закрывается, открывается синхронный VT2 — он нужен, чтобы соединить вход катушки с отрицательным выводом нагрузки, создавая замкнутую цепь питания. Пусть мы и разорвали на этот краткий миг связь с источником питания, но катушка никуда не делась. Накопленная в катушке энергия теперь играет роль источника питания и поддерживает силу и направление тока, а конденсатор разряжается и питает нагрузку.

Затем транзистор VT1 снова открывается, а VT2 закрывается, и цикл начинается заново. Причем для наибольшей эффективности циклы повторяются с довольно высокой частотой — у современных компьютерных комплектующих миллионы раз в секунду (измеряется в мегагерцах, МГц).

Благодаря этому процессу мы получаем постоянное напряжение на нагрузке ниже, чем входное до ключевого транзистора. Импульсы как бы сглаживаются, образую близкую к прямой линию напряжения.

То, что линия напряжения не совсем прямая — это нормально. В реальных условиях идеальных LC-фильтров не бывает, и всегда присутствуют небольшие пульсации напряжения. И главное, подобрать параметры катушки и конденсатора таким образом, чтобы они не успевали разрядиться полностью к концу цикла. Тогда ток становится неразрывным.

К слову, ток на всей цепи примерно равен. А так как синхронный транзистор VT2 открыт несоизмеримо дольше — работать ему приходиться, что называется, за троих.

Как настраивается преобразователь

Уровень напряжения на нагрузке будет зависеть от длительности первой и второй стадий в рамках одного цикла. Ведь чем дольше открыт транзистор VT1, тем больше энергии успевает накопить катушка и тем выше будет по итогу напряжение после LC-фильтра.

Если мы поделим время первой стадии на длительность полного цикла, то получим коэффициент заполнения (D) от 0 до 100 %.

D = T полн. / T 1

Чтобы узнать выходное напряжение (U out), нужно коэффициент заполнения умножить на входное напряжение (U in).

А чтобы узнать коэффициент заполнения, делим U out на U in.

D = U out / U in

Простой пример: чтобы получить типичное для центрального процессора напряжение в 1,2 вольта, то, поделив на входные 12 вольт (напряжение на выходе блока питания), получим D=0,1.

1,2 / 12 = 0,1 * 100 % = 10 %

Это значит, что первая стадия (накачки энергии) займет всего 10 % времени от общей длительности цикла, а оставшиеся 90 % времени уйдут на стадию разряда.

Когда одной фазы недостаточно

В мощных преобразователях часто используется не один канал с парой транзисторов, одной катушкой и одним конденсатором, а несколько параллельно подключенных каналов.

Как мы уже выяснили, любой проводник имеет ненулевое сопротивление и нагревается. Транзистор в ключевом режиме — тоже проводник, как обычный выключатель. И сопротивление (Rds) между его входом и выходом (сток-исток) не равно нулю. Значит, чем выше ток, тем сложнее будет электронам пробиться через него, что приведет к потерям энергии и нагреву. Чтобы минимизировать этот эффект и применяются несколько фаз — нагрузка распределяется между ними поровну.

Еще один интересный способ повысить эффективность: синхронный транзистор VT2 открыт примерно в семь-восемь раз дольше чем VT1, поэтому VT2 часто дублируют и стараются подобрать более продвинутую и дорогую модель с низким Rds.

Но это еще не все. Такие каналы не просто так называют «фазами». Процесс переключения транзисторов в разных каналах происходит не одновременно, а с небольшим сдвигом по фазе.

На выходе после LC-фильтров все фазы объединяются в одну, и амплитуда пульсаций становится значительно ниже, чем было бы у каждой фазы в отдельности.

Так что даже несколько десятков каналов в преобразователе на материнской плате неправильно называть «избытком». Ведь это не только меньшие потери, но и лучшее качество напряжения. Меньше пульсаций напряжения — меньше выбросов во внутренние узлы процессора — выше стабильность всей схемы, особенно при разгоне.

Те же принципы справедливы и для графического чипа видеокарты, процессора смартфона и любой другой «тонкой» электроники. Но в этом случае разработчики уже за нас рассчитали потребляемую мощность и количество необходимых узлов. А вот при выборе материнской платы пользователь должен сам определить, что ему нужно, учесть потребляемую мощность процессора. Тем более, если в планах серьезный разгон.

Что такое повышающий преобразователь? Основы, работа, работа и конструкция повышающих преобразователей постоянного тока

Мы все сталкивались с неприятными ситуациями, когда нам требовалось немного более высокое напряжение, чем могут обеспечить наши блоки питания. Нам нужно 12 вольт, но есть только батарея на 9 вольт. Или, может быть, у нас есть питание 3,3 В, когда нашему чипу нужно 5 В. Это тоже, в большинстве случаев, текущий розыгрыш вполне приличный.

В конце концов, мы задаемся вопросом, можно ли преобразовать одно напряжение постоянного тока в другое ?

К счастью для нас, ответ - да.Можно преобразовать одно постоянное напряжение в другое, однако методы несколько хитры.

И нет, это не преобразование постоянного тока в переменный и обратно. Поскольку это слишком много шагов. Все, что имеет слишком много шагов, неэффективно; это тоже хороший жизненный урок.

Войдите в мир импульсных преобразователей постоянного тока !

Они называются режимом переключения, потому что обычно есть полупроводниковый переключатель, который очень быстро включается и выключается.

Что такое повышающий преобразователь?

Повышающий преобразователь - один из простейших типов импульсных преобразователей . Как следует из названия, он принимает входное напряжение и повышает или увеличивает его. Все, что он состоит из катушки индуктивности, полупроводникового переключателя (в наши дни это полевой МОП-транзистор, так как в наши дни можно получить действительно хорошие), диода и конденсатора. Также необходим источник периодической прямоугольной волны.Это может быть что-то простое, например таймер 555, или даже специальная микросхема SMPS, такая как знаменитая микросхема MC34063A.

Как видите, для создания повышающего преобразователя требуется всего несколько деталей. Он менее громоздкий, чем трансформатор переменного тока или индуктор.

Они такие простые, потому что изначально были разработаны в 1960-х годах для питания электронных систем самолетов. Требовалось, чтобы эти преобразователи были как можно более компактными и эффективными.

Самым большим преимуществом повышающих преобразователей является их высокая эффективность - некоторые из них могут даже доходить до 99%! Другими словами, 99% входящей энергии преобразуется в полезную выходную энергию, только 1% теряется.

Как работает повышающий преобразователь?

Пора сделать по-настоящему глубокий вдох, мы собираемся окунуться в глубины силовой электроники. Сразу скажу, что это очень полезная область.

Чтобы понять принцип работы повышающего преобразователя, необходимо знать, как работают катушки индуктивности, полевые МОП-транзисторы, диоды и конденсаторы.

Обладая этими знаниями, мы можем шаг за шагом пройти процедуру настройки повышающего преобразователя .

ШАГ - 1

Здесь ничего не происходит. Выходной конденсатор заряжается до входного напряжения минус одно падение на диоде.

ШАГ - 2

А теперь пора включить выключатель. Наш источник сигнала становится высоким, включается полевой МОП-транзистор. Весь ток направляется на полевой МОП-транзистор через катушку индуктивности.Обратите внимание, что выходной конденсатор остается заряженным, так как он не может разрядиться через диод с обратным смещением.

Источник питания, конечно, не замыкается сразу, так как катушка индуктивности заставляет ток нарастать относительно медленно. Кроме того, вокруг индуктора создается магнитное поле. Обратите внимание на полярность напряжения, приложенного к катушке индуктивности.

ШАГ - 3

МОП-транзистор выключается, и ток в катушке индуктивности резко прекращается.

Сама природа индуктора - поддерживать плавный ток; он не любит резких перепадов тока. Так что не любит резкое отключение тока. Он реагирует на это, генерируя большое напряжение с противоположной полярностью напряжения, первоначально подаваемого на него, используя энергию, запасенную в магнитном поле, для поддержания этого тока.

Если мы забудем остальные элементы схемы и обратим внимание только на символы полярности, мы заметим, что катушка индуктивности теперь действует как источник напряжения последовательно с напряжением питания.Это означает, что анод диода теперь находится под более высоким напряжением, чем катод (помните, что колпачок уже был заряжен до напряжения питания в начале) и смещен в прямом направлении.

Выходной конденсатор теперь заряжен до более высокого напряжения, чем раньше, а это означает, что мы успешно повысили напряжение постоянного тока с низкого до более высокого!

Я рекомендую вам пройти через шаги еще раз очень медленно и понять их интуитивно.

Эти шаги выполняются много тысяч раз (в зависимости от частоты генератора) для поддержания выходного напряжения под нагрузкой.

Boost Converter Operation - Тонкости

К настоящему времени у многих из вас уже есть вопросы по поводу этого упрощенного объяснения. Было много чего упущено, но это стоило того, чтобы сделать работу повышающего преобразователя абсолютно ясной. Итак, теперь, когда у нас есть это понимание, мы можем перейти к более тонким деталям.

1. Осциллятор . Вы не можете постоянно держать выходной переключатель MOSFET включенным, нет идеальной катушки индуктивности - у них есть токи насыщения.Если мы оставим переключатель MOSFET включенным дольше нескольких сотен микросекунд максимум, то произойдет короткое замыкание источника питания, сгорит изоляция индуктора, MOSFET выйдет из строя и произойдут другие неприятные вещи. Мы используем наши знания об индукторах для расчета времени, необходимого для достижения разумного тока (например, один ампер), а затем соответствующим образом настраиваем время включения генератора. Это приводит к тому, что форма волны тока индуктора выглядит как пила, отсюда и название «пилообразная».

2.Сам MOSFET. Если вы присмотритесь, во время шага 3 MOSFET видит напряжение, которое представляет собой напряжение питания плюс напряжение индуктора, что означает, что MOSFET должен быть рассчитан на высокое напряжение, что опять же означает довольно высокое сопротивление. Конструкция повышающего преобразователя всегда представляет собой компромисс между напряжением пробоя MOSFET и сопротивлением. Переключающий полевой МОП-транзистор повышающего преобразователя всегда является слабым местом, как я узнал на холодном, тяжелом опыте. Максимальное выходное напряжение повышающего преобразователя ограничено не конструкцией, а напряжением пробоя полевого МОП-транзистора.

3. Индуктор. Очевидно, никакая старая катушка индуктивности не подойдет. Индукторы, используемые в повышающих преобразователях, должны выдерживать высокие токи и иметь высокопроницаемый сердечник, чтобы индуктивность для данного размера была высокой.

Работа повышающего преобразователя

Есть еще один взгляд на работу повышающего преобразователя.

Мы знаем, что энергия, запасенная в катушке индуктивности, определяется выражением:

½ x L x I 2

Где L - индуктивность катушки, а I - максимальный пиковый ток.

Таким образом, мы сохраняем некоторую энергию в катушке индуктивности от входа и передаем ту же энергию на выход, но при более высоком напряжении (очевидно, что мощность сохраняется). Это происходит много тысяч раз в секунду (в зависимости от частоты генератора), поэтому энергия накапливается в каждом цикле, поэтому вы получаете хороший измеримый и полезный выход энергии, например, 10 Джоулей в секунду, то есть 10 Вт.

Как показывает уравнение, энергия, запасенная в катушке индуктивности, пропорциональна индуктивности, а также квадрату пикового тока.

Для увеличения выходной мощности нашей первой мыслью может быть увеличение размера индуктора. Конечно, это поможет, но не настолько, как мы думаем! Если мы увеличим индуктивность, максимальный пиковый ток, который может быть достигнут за заданное время, уменьшится или время, необходимое для достижения этого тока, возрастет (помните основное уравнение V / L = dI / dt), поэтому общая выходная энергия не увеличиваться на значительную сумму!

Однако, поскольку энергия пропорциональна квадрату максимального тока, увеличение тока приведет к большему увеличению выходной энергии!

Итак, мы понимаем, что , выбирая катушку индуктивности , представляет собой прекрасный баланс между индуктивностью и пиковым током.

С этими знаниями мы можем понять формальный метод проектирования повышающего преобразователя.

Конструкция повышающего преобразователя

ШАГ - 1

Для начала нам нужно досконально понять, что требуется для нашей нагрузки. Настоятельно рекомендуется (исходя из опыта), что если вы пытаетесь построить повышающий преобразователь вначале, очень важно знать выходное напряжение и ток независимо, продукт которых и есть наша выходная мощность.

ШАГ - 2

Когда у нас есть выходная мощность, мы можем разделить ее на входное напряжение (которое также необходимо определить), чтобы получить средний необходимый входной ток.

Мы увеличиваем входной ток на 40%, чтобы учесть пульсации. Это новое значение является пиковым входным током.

Также минимальный входной ток в 0,8 раза превышает средний входной ток, поэтому умножьте средний входной ток на 0,8.

Теперь, когда у нас есть пиковый и минимальный ток, мы можем рассчитать общее изменение тока, вычитая пиковый и минимальный ток.

ШАГ - 3

Теперь посчитаем рабочий цикл преобразователя, то есть соотношение времени включения и выключения генератора.

Продолжительность включения определяется по формуле из этого учебника:

D.C. = (Vout - Vin) / (Vout)

Это должно дать нам разумное десятичное значение, больше 0, но меньше 0,999.

ШАГ - 4

Теперь пора определиться с частотой генератора. Это было включено как отдельный шаг, потому что источником сигнала может быть что угодно, от таймера 555 (где частота и рабочий цикл полностью находятся под вашим контролем) или контроллера ШИМ с фиксированной частотой.

Как только частота определена, мы можем узнать общий период времени, взяв обратное.

Теперь период времени умножается на значение рабочего цикла, чтобы получить время включения.

ШАГ - 5

Поскольку мы определили время включения, входное напряжение и изменение тока, мы можем подставить эти значения в формулу индуктора, которая была немного изменена:

L = (V * dt) / dI

Где V - входное напряжение, dt - время включения, а dI - изменение тока.

Не беспокойтесь, если значение индуктивности не является общедоступным, используйте ближайшее доступное стандартное значение. После небольшой настройки система должна работать нормально.

Выбор деталей

1. Коммутационный транзистор

Я не упоминал тип, поскольку он полностью основан на приложении. Конечно, в наши дни полевые МОП-транзисторы используются во всех приложениях, поскольку они очень эффективны, но могут быть ситуации, когда из-за простоты может быть достаточно обычного биполярного транзистора.

Я повторю то, что говорил ранее - выбирает транзистор с напряжением пробоя, превышающим максимальное выходное напряжение преобразователя .

Также может быть хорошим выбором взглянуть на таблицу данных MOSFET и определить входную емкость / емкость затвора. Чем ниже это значение, тем проще требования к вождению. Все, что ниже 3500 пФ, приемлемо и в меру легкое в управлении.

Лично я выбрал IRF3205 с включенным сопротивлением 8 миллиОм и напряжением пробоя 55 В, с управляемой входной емкостью 3247 пФ, помимо того, что это легко доступная деталь.

Также на схеме не упоминался специальный драйвер затвора MOSFET. Опять же, я * очень * рекомендую его использовать. Это сэкономит вам много времени и потерь. Моя рекомендация - TC4427. Он имеет два драйвера в одном корпусе DIP8, которые можно легко подключить параллельно для увеличения тока привода.

2. Выходной диод

Хотя это может показаться тривиальным, при токах, с которыми мы имеем дело (или иногда напряжении), выбор диода играет большую роль в эффективности.

К сожалению, обычный 1N4007 не работает, так как он слишком медленный. Так же как и мощный 1N5408. Я пробовал оба в проектах, над которыми работал, оба работали ужасно, так как они были такими медленными. Не стоит даже пытаться.

Я использую UF4007 с тем же номинальным напряжением, что и 1N4007 (1000 В обратный).

Если вы собираете преобразователь низкого напряжения (скажем, с 3,3 В на 5 В), то предпочтительным диодом будет диод Шоттки, например 1N5822.

Заключение

Чтение этой статьи, как мне кажется, равносильно чтению лекции по энергосистемам, надеюсь, вы станете более осведомленными.Как всегда, лучший способ научиться - это действительно что-то построить. Теперь у вас есть знания, необходимые для создания и использования повышающего преобразователя!

Повышающие преобразователи

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Поймите принципы работы повышающих преобразователей.
  • • Переключающий транзистор
  • • Цепь маховика
  • Обратите внимание на ограничения выходного напряжения.
  • Распознавайте разные источники входного сигнала.
  • Поймите взаимосвязь между шириной импульса переключения и выходным напряжением.

Повышающий преобразователь

Импульсные источники питания могут использоваться для многих целей, включая преобразователи постоянного тока в постоянный. Часто, хотя источник постоянного тока, такой как батарея, может быть доступен, его доступное напряжение не подходит для питаемой системы. Например, двигатели, используемые в электромобилях, требуют гораздо более высоких напряжений, порядка 500 В, чем те, которые могут питаться от одной батареи.Даже если бы использовались батареи батарей, дополнительный вес и занимаемое пространство были бы слишком велики, чтобы быть практичным. Решением этой проблемы является использование меньшего количества батарей и повышение доступного постоянного напряжения до необходимого уровня с помощью повышающего преобразователя. Другая проблема с батареями, большими или маленькими, заключается в том, что их выходное напряжение изменяется по мере использования доступного заряда, и в какой-то момент напряжение батареи становится слишком низким для питания питающей цепи. Однако, если этот низкий выходной уровень можно снова повысить до полезного уровня с помощью повышающего преобразователя, срок службы батареи может быть продлен.

Вход постоянного тока в повышающий преобразователь может поступать от многих источников, а также от батарей, например, выпрямленного переменного тока от сети или постоянного тока от солнечных панелей, топливных элементов, динамо-машин и генераторов постоянного тока. Повышающий преобразователь отличается от понижающего преобразователя тем, что его выходное напряжение равно или превышает его входное напряжение. Однако важно помнить, что, поскольку мощность (P) = напряжение (V) x ток (I), если выходное напряжение увеличивается, доступный выходной ток должен уменьшаться.

Рис.3.2.1 Базовая схема повышающего преобразователя

На рис. 3.2.1 показана принципиальная схема повышающего преобразователя. Однако в этом примере переключающий транзистор представляет собой силовой полевой МОП-транзистор, при переключении мощности используются как биполярные силовые транзисторы, так и полевые МОП-транзисторы, причем выбор определяется током, напряжением, скоростью переключения и соображениями стоимости. Остальные компоненты такие же, как и в понижающем преобразователе, показанном на рис. 3.1.2, за исключением того, что их положение было изменено.

Повышающий преобразователь Работа

Рис. 3.2.2 Работа повышающего преобразователя при включении

На рис. 3.2.2 показано действие схемы во время начального высокого периода высокочастотной прямоугольной волны, подаваемой на затвор полевого МОП-транзистора при запуске. В это время полевой МОП-транзистор проводит ток, замыкая короткое замыкание с правой стороны L1 на отрицательную входную клемму питания. Следовательно, ток течет между положительной и отрицательной клеммами питания через L1, который накапливает энергию в своем магнитном поле.В остальной части цепи практически не протекает ток, поскольку комбинация D1, C1 и нагрузки представляет собой гораздо более высокий импеданс, чем путь непосредственно через полевой МОП-транзистор с высокой проводимостью.

Рис. 3.2.3 Токовый путь при выключенном МОП-транзисторе

На рис. 3.2.3 показан путь тока во время низкого периода цикла прямоугольной волны переключения. Поскольку полевой МОП-транзистор быстро выключается, внезапное падение тока заставляет L1 производить обратную ЭДС. с противоположной полярностью по отношению к напряжению на L1 в течение периода включения, чтобы ток продолжал течь.Это приводит к появлению двух напряжений: напряжения питания V IN и противоэдс (V L ) на L1, последовательно соединенных друг с другом.

Это более высокое напряжение (V IN + V L ), теперь, когда нет пути тока через MOSFET, смещает D1 в прямом направлении. Результирующий ток через D1 заряжает C1 до V IN + V L за вычетом небольшого прямого падения напряжения на D1, а также питает нагрузку.

Рис. 3.2.4 Токовый путь с MOSFET на

Рис.3.2.4 показывает действие схемы во время полевого МОП-транзистора в периоды после первоначального запуска. Каждый раз, когда полевой МОП-транзистор проводит, катод D1 более положительный, чем его анод, из-за заряда на C1. Таким образом, D1 выключен, поэтому выход схемы изолирован от входа, однако нагрузка продолжает получать питание V IN + V L от заряда на C1. Хотя заряд C1 уходит через нагрузку в течение этого периода, C1 перезаряжается каждый раз, когда MOSFET выключается, таким образом поддерживая почти постоянное выходное напряжение на нагрузке.

Теоретическое выходное напряжение постоянного тока определяется входным напряжением (V IN ), деленным на 1 минус рабочий цикл (D) сигнала переключения, который будет некоторым числом от 0 до 1 (соответствует от 0 до 100%) и поэтому может быть определена по следующей формуле:

Пример:

Если прямоугольная волна переключения имеет период 10 мкс, входное напряжение составляет 9 В, а включение составляет половину периодического времени, то есть 5 мкс, то выходное напряжение будет:

В ВЫХ = 9 / (1-0.5) = 9 / 0,5 = 18 В (минус падение напряжения на выходном диоде)

Поскольку выходное напряжение зависит от рабочего цикла, важно, чтобы он точно контролировался. Например, если рабочий цикл увеличился с 0,5 до 0,99, полученное выходное напряжение будет:

В ВЫХ = 9 / (1- 0,99) = 9 / 0,01 = 900 В

Однако до достижения этого уровня выходного напряжения, конечно, может возникнуть серьезное повреждение (и задымление), поэтому на практике, если схема не предназначена специально для очень высоких напряжений, изменения в рабочем цикле сохраняются намного ниже, чем указано в этом примере.

Рис. 3.2.5 Работа повышающего преобразователя

Нажмите кнопку воспроизведения, чтобы начать.

Просмотрите пути тока в периоды включения и выключения переключающего транзистора. Обратите внимание, что работа в течение первого периода включения отличается от более поздних периодов, потому что конденсатор (C) не заряжается до конца первого периода включения.

Посмотрите, как магнитное поле вокруг индуктора растет и схлопывается, и наблюдайте за изменением полярности напряжения на L.

Наблюдайте за эффектом пульсации во время включения и выключения переключающего транзистора.

См. Входное напряжение и обратную ЭДС. В L сложите, чтобы получить выходное напряжение больше входного.

Щелкните паузу, чтобы удерживать видео во включенном или выключенном состоянии.

Нажмите «Воспроизвести», чтобы продолжить воспроизведение видео с точки удержания.

I.C. Повышающий преобразователь

Рис. 3.2.6 Типичный I.C. Повышающий преобразователь (LM27313)

Из-за легкости, с которой повышающие преобразователи могут подавать большие перенапряжения, они почти всегда включают некоторую регулировку для управления выходным напряжением, и их много I.Cs. изготовленные для этой цели Типичный пример I.C. Повышающий преобразователь показан на рис. 3.2.6, в данном примере - LM27313 от Texas Instruments. Этот чип разработан для использования в системах с низким энергопотреблением, таких как КПК, фотоаппараты, мобильные телефоны и устройства GPS.

В этой схеме соответствующая часть выходного напряжения (V OUT ), зависящая от отношения R2: R3, используется в качестве образца и сравнивается с опорным напряжением внутри I.C. Это создает напряжение ошибки, которое используется для изменения рабочего цикла генератора переключения, позволяя получить диапазон автоматически регулируемых повышающих напряжений от 5 В до 28 В.

LM27313 содержит внутренний генератор, работающий на фиксированной частоте около 1,6 МГц. Переключающий транзистор FET также является внутренним и переключает ток через L1 через клемму SW. Также обратите внимание, что для D1 используется диод Шоттки с подходящим номинальным напряжением и током, чтобы минимизировать потери из-за прямого падения напряжения на диоде и обеспечить высокую скорость переключения. I.C. также имеет функцию отключения (SHDN), управляемую внешней логикой, с помощью которой повышающий преобразователь может быть отключен, когда он не требуется, для экономии заряда батареи.

Цепи защиты

Другие функции безопасности, обеспечиваемые I.C. отключение по перегрузке по току, при котором переключатель отключается от цикла к циклу, если обнаруживается слишком большой ток, и возможность отключения по перегреву.

Стабильность

Еще одна проблема, с которой сталкиваются разработчики высокочастотных повышающих преобразователей, - это стабильность, поскольку на частотах МГц отрицательная и положительная обратная связь может возникать просто из-за электромагнитных полей, излучаемых между компонентами внутри схемы, особенно когда компоненты схемы находятся в непосредственной близости, как в макеты поверхностного монтажа.Поэтому C2 добавляется для повышения стабильности и предотвращения возможных колебаний из-за возникновения нежелательной положительной обратной связи.

Пониженно-повышающие преобразователи

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Поймите необходимость выбора конструкции преобразователя постоянного тока в постоянный.
  • Изучите принципы работы преобразователей Buck-Boost.
  • • Переключающие транзисторы.
  • • Системы управления коммутацией.
  • Поймите взаимосвязь между различными конструкциями преобразователей.
  • • Понижающие преобразователи.
  • • Повышающие преобразователи.
  • • Преобразователи Buck-Boost.
  • Обратите внимание на ограничения выходного напряжения.
  • Распознать типичные коммерческие I.Cs. с использованием технологии Buck Boost.

Пониженно-повышающие преобразователи

Понижающий-повышающий преобразователь - это тип импульсного источника питания, который объединяет в одной цепи принципы понижающего преобразователя и повышающего преобразователя.Как и другие конструкции SMPS, он обеспечивает стабилизированное выходное напряжение постоянного тока от входа переменного или постоянного тока.

Понижающий преобразователь, описанный в модуле источников питания 3.1, выдает на выходе постоянный ток в диапазоне от 0 В до чуть меньшего входного напряжения. Повышающий преобразователь будет производить выходное напряжение в диапазоне от того же напряжения, что и на входе, до уровня, намного превышающего входное.

Однако существует множество приложений, например, системы с батарейным питанием, где входное напряжение может широко варьироваться, начиная с полной зарядки и постепенно снижаясь по мере разрядки батареи.При полной зарядке, когда напряжение батареи может быть выше, чем фактически необходимо для цепи, на которую подается питание, понижающий стабилизатор будет идеальным для поддержания постоянного напряжения питания. Однако по мере уменьшения заряда входное напряжение падает ниже уровня, требуемого схемой, и аккумулятор необходимо выбросить или перезарядить; на этом этапе идеальной альтернативой был бы регулятор наддува, описанный в модуле источника питания 3.2.

Комбинируя эти две конструкции регулятора, можно получить схему регулятора, которая может выдерживать широкий диапазон входных напряжений, как выше, так и ниже, чем требуется для схемы.К счастью, как понижающие, так и повышающие преобразователи используют очень похожие компоненты; их просто нужно переставить, в зависимости от уровня входного напряжения.

Рис. 3.3.1 Комбинированные понижающий и повышающий преобразователи

На рис. 3.3.1 объединены общие компоненты понижающей и повышающей схем. Добавлен блок управления, который определяет уровень входного напряжения, а затем выбирает соответствующее действие схемы. (Обратите внимание, что в примерах в этом разделе транзисторы показаны как полевые МОП-транзисторы, обычно используемые в высокочастотных преобразователях мощности, а диоды показаны как типы Шоттки.Эти диоды имеют низкое напряжение прямого перехода в проводящем состоянии и могут переключаться на высоких скоростях).

Работа в качестве понижающего преобразователя

Рис. 3.3.2 Работа в качестве понижающего преобразователя во время периода «включено» Tr1

Основная работа понижающего повышающего преобразователя показана на рис. 3.3.2 - 3.3.5

На рис. 3.3.2 показана схема, работающая как понижающий преобразователь. В этом режиме Tr2 отключается, а Tr1 включается и выключается высокочастотной прямоугольной волной от блока управления.Когда на затворе Tr1 высокий уровень, ток течет через L, заряжая его магнитное поле, заряжая C и питая нагрузку. Диод Шоттки D1 ​​выключен из-за положительного напряжения на его катоде.

Рис. 3.3.3 Работа в качестве понижающего преобразователя во время периода отключения Tr1

На рис. 3.3.3 показано протекание тока во время понижающего режима цепи, когда блок управления выключает Tr1. Первоначальным источником тока теперь является индуктор L. Его магнитное поле коллапсирует, спина e.м.ф. Создаваемое коллапсирующим полем, меняет полярность напряжения на L, что включает D1, и ток течет через D2 и нагрузку.

По мере того, как ток из-за разряда L уменьшается, заряд, накопленный в C в течение периода включения Tr1, теперь также добавляется к току, протекающему через нагрузку, сохраняя V OUT достаточно постоянным в течение периода отключения. Это помогает свести амплитуду пульсаций к минимуму и V OUT близко к значению V S .

Работа в качестве повышающего преобразователя

Рис. 3.3.4 Работа в качестве повышающего преобразователя во время периода включения Tr2

В режиме повышающего преобразователя Tr1 постоянно включается, и высокочастотный прямоугольный сигнал подается на затвор Tr2. Во время периодов включения, когда Tr2 проводит, входной ток течет через индуктивность L и через Tr2, непосредственно обратно к отрицательной клемме питания, заряжая магнитное поле вокруг L. Пока это происходит, D2 не может проводить, поскольку его анод удерживается на потенциал земли из-за сильнопроводящего Tr2.В течение периода включения нагрузка полностью обеспечивается за счет заряда конденсатора C, накопленного в предыдущих циклах генератора. Постепенный разряд C во время включенного периода (и его последующая подзарядка) составляет величину высокочастотных пульсаций выходного напряжения, потенциал которых составляет приблизительно V S + V L .

Период выключения

Рис. 3.3.5 Работа в качестве повышающего преобразователя во время периода отключения Tr2

В начале периода отключения Tr2 L заряжается, а C частично разряжается.Катушка индуктивности L теперь генерирует противоэдс. и его значение, которое зависит от скорости изменения тока при переключении Tr2 и от величины индуктивности, которой обладает катушка; поэтому обратная ЭДС может быть любым напряжением в широком диапазоне, в зависимости от конструкции схемы. В частности, обратите внимание, что полярность напряжения на L теперь изменилась на противоположную, и, таким образом, добавляется к входному напряжению V S , давая выходное напряжение, которое, по крайней мере, равно или больше входного напряжения. D2 теперь смещен в прямом направлении, и ток схемы обеспечивает ток нагрузки и в то же время повторно заряжает конденсатор до V S + V L , готового к следующему периоду включения Tr2.

Посмотрите, что схема Buck-Boost на самом деле представляет собой просто комбинацию схем понижающего и повышающего режимов.

Посмотрите, как с помощью простого блока управления можно управлять работой схемы как в понижающем, так и в повышающем режимах.

Просмотрите пути тока в периоды включения и выключения переключающего транзистора в любом режиме.

Посмотрите, как магнитное поле вокруг индуктора растет и схлопывается, и наблюдайте за изменением полярности напряжения на L.

Наблюдайте за эффектом пульсации во время включения и выключения переключающего транзистора.

В режиме Boost смотрите входное напряжение V S и обратную э.д.с. В L сложите, чтобы получить выходное напряжение больше входного.

Щелкните паузу, чтобы приостановить анимацию в любое время.

Варианты схемы

Существует ряд вариаций этой базовой схемы понижающего ускорения, некоторые конструкции, работающие на более низких частотах или при высоких напряжениях, могут использовать биполярные транзисторы вместо полевых МОП-транзисторов; на низких частотах более высокая скорость переключения полевых МОП-транзисторов является меньшим преимуществом.Кроме того, в высоковольтных конструкциях кремниевые диоды могут использоваться вместо диодов Шоттки из-за более высоких возможностей обратного напряжения кремниевых диодов. Другой вариант - использовать синхронное переключение, когда вместо использования диодов, которые просто реагируют на полярность напряжения на них, четыре синхронизированных (блоком управления) полевых МОП-транзисторов выполняют все переключения.

Блок управления может также выполнять защиту от перегрузки по току и перенапряжения, а также функции обычного генератора и широтно-импульсной модуляции для регулирования выходного напряжения.

Другим широко используемым средством является «пропуск импульсов», когда блок управления предотвращает зарядку одним или несколькими импульсами генератора, когда он определяет, что ток нагрузки низкий. Это снижает общий ток, потребляемый от источника питания (обычно от батареи), что продлевает срок службы батареи.

Пониженно-повышающий преобразователь I.Cs. обычно используются для выполнения функций блока управления. Они варьируются от очень маломощных и высокоэффективных I.Cs. для портативных устройств, таких как мобильные телефоны и автомобильные приложения, такие как серия TPS63000 от Texas Instruments и LTC3789 от Linear Technology, до больших промышленных высокомощных преобразователей постоянного тока в постоянный, обеспечивающих выходную мощность в несколько киловатт.

Как работают повышающие преобразователи | Проекты самодельных схем

Повышающий преобразователь (также называемый повышающим преобразователем) представляет собой схему преобразователя постоянного тока в постоянный, которая предназначена для преобразования входного постоянного напряжения в выходное постоянное напряжение с уровнем, который может быть намного выше, чем уровень входного напряжения.

Однако процесс всегда сохраняет соотношение P = I x V, что означает, что по мере того, как на выходе преобразователя увеличивается входное напряжение, на выходе пропорционально уменьшается ток, что приводит к тому, что выходная мощность почти всегда равна входная мощность или меньше входной мощности.

Как работает повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь - это разновидность импульсного источника питания или импульсного источника питания, который в основном работает с двумя активными полупроводниками (транзистором и диодом) и с минимум одним пассивным компонентом в виде конденсатора или индуктор или оба для большей эффективности.

Катушка индуктивности здесь в основном используется для повышения напряжения, а конденсатор вводится для фильтрации флуктуаций переключения и уменьшения пульсаций тока на выходе преобразователя.

Входной источник питания, который может потребоваться повышать или повышать, может быть получен от любого подходящего источника постоянного тока, такого как батареи, солнечные панели, двигатели, генераторы и т. Д.
Принцип работы

Индуктор в повышающем преобразователе играет важную роль. увеличения входного напряжения.

Ключевой аспект, который становится ответственным за активацию повышающего напряжения от индуктора, связан с его присущим ему свойством сопротивляться или противодействовать внезапно индуцированному току через него, а также из-за его реакции на это с созданием магнитного поля и последующим разрушением магнитное поле.Разрушение приводит к высвобождению накопленной энергии.

Этот процесс, описанный выше, приводит к сохранению тока в катушке индуктивности и отбрасыванию этого сохраненного тока на выходе в виде обратной ЭДС.

Схема драйвера релейного транзистора может считаться отличным примером схемы повышающего преобразователя. Обратный диод, подключенный к реле, вводится для короткого замыкания обратной обратной ЭДС от катушки реле и для защиты транзистора всякий раз, когда он выключается.

Если этот диод убрать и диодный конденсаторный выпрямитель подключен к коллектору / эмиттеру транзистора, повышенное напряжение с катушки реле может быть собрано на этом конденсаторе.

Процесс в конструкции повышающего преобразователя дает выходное напряжение, которое всегда выше входного.

Конфигурация повышающего преобразователя

Обращаясь к следующему рисунку, мы можем увидеть стандартную конфигурацию повышающего преобразователя, рабочий образец можно понять, как указано ниже:

Когда показанное устройство (которым может быть любой стандартный силовой BJT или МОП-транзистор) При включении ток от входного источника питания поступает в катушку индуктивности и течет по часовой стрелке через транзистор, завершая цикл на отрицательном конце входного источника питания.

Во время вышеупомянутого процесса индуктор испытывает внезапное введение тока через себя и пытается сопротивляться притоку, что приводит к накоплению некоторого количества тока в нем за счет генерации магнитного поля.

В следующей последовательности, когда транзистор выключен, проводимость тока прерывается, снова вызывая внезапное изменение уровня тока на катушке индуктивности. Катушка индуктивности реагирует на это, отбрасывая или высвобождая накопленный ток.Поскольку транзистор находится в положении ВЫКЛЮЧЕНО, эта энергия проходит через диод D и через показанные выходные клеммы в виде напряжения обратной ЭДС.

Катушка индуктивности выполняет это, разрушая магнитное поле, которое было создано в ней ранее, когда транзистор находился в режиме включения.

Однако описанный выше процесс высвобождения энергии реализуется с противоположной полярностью, так что входное напряжение питания теперь становится последовательным с напряжением обратной ЭДС индуктора.И, как мы все знаем, когда источники питания соединяются последовательно, их сетевое напряжение складывается, чтобы получить больший общий результат.

То же самое происходит в повышающем преобразователе во время режима разряда катушки индуктивности, создавая выходной сигнал, который может быть объединенным результатом напряжения обратной ЭДС индуктора и существующего напряжения питания, как показано на диаграмме выше.

Это объединенное напряжение приводит к повышению выход или повышенный выход, который проходит через диод D и конденсатор C, чтобы в конечном итоге достичь подключенной нагрузки.

Конденсатор C играет здесь довольно важную роль, во время режима разряда катушки индуктивности конденсатор C накапливает в нем высвобожденную объединенную энергию, а во время следующей фазы, когда транзистор снова выключается и катушка индуктивности находится в режиме накопления, конденсатор C пытается поддерживать равновесие, поставляя нагрузке свою накопленную энергию. См. Рисунок ниже.

Это обеспечивает относительно стабильное напряжение для подключенной нагрузки, которая может получать питание как в периоды включения, так и в периоды выключения транзистора.

Если C не включен, эта функция отменяется, что приводит к снижению мощности нагрузки и снижению КПД.

Вышеупомянутый процесс продолжается, когда транзистор включается / выключается с заданной частотой, поддерживая эффект повышающего преобразования.

Режимы работы

Повышающий преобразователь может работать в основном в двух режимах: непрерывном режиме и прерывистом режиме.

В непрерывном режиме ток катушки индуктивности никогда не должен достигать нуля во время процесса разрядки (пока транзистор выключен).

Это происходит, когда время включения / выключения транзистора рассчитано таким образом, что катушка индуктивности всегда быстро подключается обратно к входному источнику питания через включенный транзистор, прежде чем она сможет полностью разрядиться через нагрузку и конденсатор. C.

Это позволяет катушке индуктивности постоянно генерировать повышающее напряжение с эффективной скоростью.

В прерывистом режиме время включения транзистора может быть настолько большим, что катушка индуктивности может полностью разряжаться и оставаться неактивной между периодами включения транзистора, создавая огромные пульсации напряжения на нагрузке и конденсаторе. С.

Это может сделать выход менее эффективным и с большим количеством колебаний.

Лучшим подходом является вычисление времени включения / выключения транзистора, которое дает максимальное стабильное напряжение на выходе, что означает, что нам нужно убедиться, что катушка индуктивности переключена оптимальным образом, чтобы она не включалась слишком быстро, что может не позволить для оптимальной разрядки и не включайте его слишком поздно, что может привести к неэффективной разрядке.

Расчет, индуктивность, ток, напряжение и рабочий цикл в повышающем преобразователе

Здесь мы обсудим только непрерывный режим, который является предпочтительным способом работы повышающего преобразователя, давайте оценим вычисления, связанные с повышающим преобразователем в непрерывном режиме. режим:

Пока транзистор находится во включенной фазе, входное напряжение источника (

) прикладывается к катушке индуктивности, вызывая нарастание тока () через катушку индуктивности в течение периода времени, обозначенного (t).Это может быть выражено следующей формулой:

ΔIL / Δt = Vt / L

К тому времени, когда состояние ВКЛ транзистора вот-вот перейдет, и транзистор вот-вот выключится, предполагаемый ток накопление в катушке индуктивности можно определить по следующей формуле:

ΔIL (on) = 1 / L 0ʃDT
или
Vidt = DT (Vi) / L

Где D - рабочий цикл. Чтобы понять его определение, вы можете обратиться к нашему предыдущему посту, связанному с понижающим преобразователем.

L обозначает значение индуктивности катушки индуктивности в Генри.

Теперь, когда транзистор находится в выключенном состоянии, и если мы предположим, что диод предлагает минимальное падение напряжения на нем, а конденсатор C достаточно большой, чтобы обеспечивать почти постоянное выходное напряжение, тогда выходной ток (

) можно вывести с помощью следующего выражения

Vi - Vo = LdI / dt

Кроме того, изменения тока (

), которые могут происходить через катушку индуктивности во время ее разряда (состояние транзистора), могут быть представлены как :

ΔIL (выкл.) = 1 / L x DTʃT (Vi - Vo) dt / L = (Vi - Vo) (1 - D) T / L

Предполагая, что преобразователь может работать в относительно устойчивых условиях , величина тока или энергии, накопленной внутри катушки индуктивности в течение цикла коммутации (переключения), может считаться постоянной или с одинаковой скоростью, это может быть выражено как:

E = ½ L x 2IL

выше также означает, что, поскольку ток во всем период коммутации или в начале состояния ВКЛ и в конце состояния ВЫКЛ должен быть идентичным, их результирующее значение изменения текущего уровня должно быть нулем, как указано ниже:

ΔIL (вкл) + ΔIL (выкл.) = 0

Если мы подставим значения ΔIL (вкл.) И ΔIL (выкл.) В приведенную выше формулу из предыдущих вычислений, мы получим:

ΔIL (вкл.) - ΔIL (выкл.) = Vidt / L + (Vi - Vo) (1 - D) T / L = 0

Дальнейшее упрощение дает следующий результат: Vo / Vi = 1 / (1 - D)

или

Vo = Vi / (1 - D)

Вышеприведенное выражение четко указывает на то, что выходное напряжение в повышающем преобразователе всегда будет выше, чем входное напряжение питания (во всем диапазоне рабочего цикла, от 0 до 1)

Перестановка членов По сторонам приведенного выше уравнения мы получаем уравнение для определения рабочего цикла в рабочем цикле повышающего преобразователя.

D = 1 - Vo / Vi

Приведенные выше оценки дают нам различные формулы для определения различных параметров, задействованных в работе повышающего преобразователя, которые можно эффективно использовать для расчета и оптимизации точной конструкции повышающего преобразователя.

Расчет ступени мощности повышающего преобразователя


Для расчета ступени мощности повышающего преобразователя необходимы следующие 4 правила:

1. Диапазон входного напряжения: Vin (мин.) И Vin (макс.)

2.Минимальное выходное напряжение: Vout

3. Максимальный выходной ток: Iout (макс.)

4. Схема IC, используемая для создания повышающего преобразователя.
Это часто является обязательным, просто потому, что для расчетов должны быть сделаны определенные схемы, которые не могут быть упомянуты в таблице данных.

В случае, если эти ограничения известны, обычно имеет место приближение силового каскада
.

Оценка максимального тока переключения


Первичным шагом для определения тока переключения будет определение рабочего цикла D для минимального входного напряжения.Минимальное входное напряжение используется в основном потому, что это приводит к максимальному току переключения.

D = 1 - {Vin (min) xn} / Vout ---------- (1)

Vin (min) = минимальное входное напряжение

Vout = требуемое выходное напряжение

n = КПД преобразователя, например ожидаемое значение может составлять 80%.

КПД учитывается при вычислении рабочего цикла просто потому, что преобразователь должен также отображать рассеиваемую мощность. Эта оценка предлагает более разумный рабочий цикл по сравнению с формулой без коэффициента эффективности.

Нам необходимо, возможно, допустить предполагаемый допуск 80% (который может быть непрактичным для наихудшего случая КПД повышающего преобразователя
), следует рассмотреть или, возможно, обратиться к разделу «Обычные характеристики» в техническом паспорте выбранного преобразователя.

Расчет Ток пульсаций


Последующее действие для вычисления максимального тока переключения будет заключаться в вычислении тока пульсаций индуктора.

В техническом описании преобразователя обычно упоминается конкретная катушка индуктивности или множество катушек индуктивности, которые используются для работы с ИС.Следовательно, мы должны либо использовать предложенное значение индуктивности для расчета тока пульсаций, если ничего не представлено в таблице данных, то значение, оцененное в списке индукторов.

S выбор данной инструкции по применению для расчета ступени мощности повышающего преобразователя.

Delta I (l) = {Vin (min) x D} / f (s) x L ---------- (2)

Vin (min) = наименьшее входное напряжение

D = рабочий цикл, измеренный в уравнении 1

f (s) = наименьшая частота переключения преобразователя

L = предпочтительное значение индуктивности

Затем необходимо определить, сможет ли предпочтительная ИС обеспечить оптимальный выход
текущий.

Iout (макс.) = [I lim (min) - Delta I (l) / 2] x (1 - D) ---------- (3)

I lim ( min) = минимальное значение ограничения тока
задействованного переключателя (выделено в таблице данных
)

Delta I (l) = ток пульсации индуктора, измеренный в предыдущем уравнении

D = рабочий цикл, рассчитанный в первом уравнении

In В случае, если оценочное значение оптимального выходного тока выбранной IC, Iout (max), ниже ожидаемого максимального выходного тока системы, действительно необходимо использовать альтернативную IC с немного более высоким управлением током переключения.

При условии, что измеренное значение для Iout (max), вероятно, на оттенок меньше ожидаемого, вы можете применить набранную ИС с индуктором с большей индуктивностью, когда он все еще находится в предписанной серии. Большая индуктивность уменьшает ток пульсаций, следовательно, увеличивает максимальный выходной ток с конкретной ИС.

Если установленное значение выше наилучшего выходного тока программы, вычисляется наибольший ток переключения в оборудовании:

Isw (max) = Delta I (L) / 2 + Iout (max) / ( 1 - D) --------- (4)

Delta I (L) = ток пульсаций индуктора, измеренный во втором уравнении

Iout (max), = оптимальный выходной ток, необходимый для электросети

D = рабочий цикл, измеренный ранее.

Фактически, это оптимальный ток, которому необходимо противостоять индуктору, включенному (ым) переключателю (ам) в дополнение к внешнему диоду.

Выбор индуктора


Иногда в технических паспортах приводятся многочисленные рекомендуемые значения индуктивности. В такой ситуации вам следует предпочесть катушку индуктивности с этим диапазоном. Чем больше значение индуктивности, тем выше максимальный выходной ток, в основном из-за уменьшения тока пульсаций.

Уменьшенное значение индуктивности, уменьшенное - размер решения. Имейте в виду, что катушка индуктивности действительно должна всегда иметь лучший номинальный ток, в отличие от максимального тока, указанного в уравнении 4, из-за того, что ток увеличивается с уменьшением индуктивности.

Для элементов, у которых не указан диапазон индуктивности l, на следующем рисунке показан надежный расчет подходящего индуктора;

L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (L) xf (s) x Vout --------- (5)

Vin = стандартное входное напряжение

Vout = предпочтительный выход напряжение

f (s) = минимальная частота переключения преобразователя

Delta I (L) = прогнозируемый ток пульсаций индуктора, см. ниже:

Ток пульсаций индуктора просто не может быть измерен с помощью первого уравнения, только потому, что индуктор ls не опознано.Звуковое приближение для тока пульсации индуктора составляет от 20% до 40% выходного тока.

Delta I (L) = (от 0,2 до 0,4) x Iout (max) x Vout / Vin ---------- (6)

Delta I (L) = прогнозируемый ток пульсаций индуктора

Iout (макс.) = Оптимальный выходной ток
ток, необходимый для приложения

Определение выпрямительного диода


Чтобы снизить потери, диоды Шоттки действительно должны считаться хорошим выбором.
Расчетный прямой ток, который считается необходимым, соответствует максимальному выходному току:

I (f) = Iout (max) ---------- (7)

I (f) = типичный
прямой ток выпрямительного диода

Iout (max) = оптимальный выходной ток, важный в программе.

Диоды Шоттки

имеют значительно больший пиковый ток по сравнению с нормальным номиналом.Поэтому повышенный пиковый ток в программе не вызывает большого беспокойства.

Второй параметр, который необходимо контролировать, - это рассеиваемая мощность диода. Он состоит из:

P (d) = I (f) x V (f) ---------- (8)

I (f) = средний прямой ток выпрямителя диод

В (f) = прямое напряжение выпрямительного диода

Настройка выходного напряжения

Большинство преобразователей распределяют выходное напряжение с помощью резистивного делителя напряжения (который может быть встроен
, если они являются стационарными преобразователями выходного напряжения) .

При назначенном напряжении обратной связи V (fb) и токе смещения обратной связи I (fb) делитель напряжения имеет тенденцию быть вычисленным
.

Ток с помощью резистивного делителя может быть примерно в сто раз больше, чем ток смещения обратной связи:

I (r1 / 2)> или = 100 x I (fb) ------ ---- (9)

I (r1 / 2) = ток в цепи резистивного делителя на GND

I (fb) = ток смещения обратной связи из техпаспорта

Это увеличивает погрешность менее 1% для оценка напряжения.Кроме того, сила тока значительно больше.

Основная проблема с резисторами меньшего номинала - это повышенные потери мощности в резистивном делителе, за исключением того, что актуальность может быть несколько увеличена.

С учетом вышеизложенного, резисторы разработаны, как указано ниже:

R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (10)

R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (11)

R1, R2 = резистивный делитель.

В (fb) = напряжение обратной связи из таблицы данных

I (r1 / 2) = ток, связанный с резистивным делителем на GND, установленный в уравнении 9

Vout = планируемое выходное напряжение

Выбор входного конденсатора


Наименьшее значение для входного конденсатора обычно указывается в техническом паспорте.Это наименьшее значение имеет жизненно важное значение для стабилизации входного напряжения в результате наличия пикового тока, необходимого для импульсного источника питания.

Наиболее подходящим методом является использование керамических конденсаторов с пониженным эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR).

Диэлектрический элемент должен быть X5R или выше. В противном случае конденсатор может потерять большую часть своей емкости из-за смещения постоянного тока или температуры (см. Ссылки 7 и 8).

Фактически значение может быть увеличено, если входное напряжение слишком шумное.

Выбор выходного конденсатора

Лучший способ - найти конденсаторы с малым ESR, чтобы уменьшить пульсации выходного напряжения. Керамические конденсаторы являются правильными типами, когда диэлектрический элемент относится к типу X5R или более эффективному.

В случае, если преобразователь имеет внешнюю компенсацию, можно использовать конденсатор любого типа с номиналом выше минимально рекомендованного в таблице данных, но каким-то образом компенсация должна можно изменить для выбранной выходной емкости.

Для преобразователей с внутренней компенсацией, рекомендуемые значения индуктивности и конденсатора должны быть адаптированы, или информация в таблице данных для адаптации выходных конденсаторов может быть принята с соотношением L x C.

При вторичной компенсации следующие уравнения могут помочь в регулировании значений выходных конденсаторов для запланированных пульсаций выходного напряжения:

Cout (min) = Iout (max) x D / f (s) x Delta Vout - -------- (12)

Cout (min) = наименьшая выходная емкость

Iout (max) = оптимальный выходной ток для использования

D = рабочий цикл, рассчитанный по уравнению 1

f ( s) = наименьшая частота переключения преобразователя

Delta Vout = идеальная пульсация выходного напряжения

ESR выходного конденсатора увеличивает пульсацию на черту, предварительно заданную уравнением:

Delta Vout (ESR) = ESR x [Iout (max) / 1 -D + Delta I (l) / 2] ---------- (13)

Delta Vout (ESR) = пульсации альтернативного выходного напряжения, возникающие из-за конденсаторов ESR

ESR = эквивалентное последовательное сопротивление используемого выходного конденсатора

Iout (макс.) = Наибольший выходной ток использования

D = рабочий цикл, вычисленный в первом уравнении

Delta I (l) = ток пульсации индуктора из уравнения 2 или 6

Уравнения для оценки ступени мощности повышающего преобразователя


Максимальный рабочий цикл:
D = 1 - Vin (мин) xn / Vout ---------- (14)

Vin (мин) = наименьшее входное напряжение

Vout = ожидаемое выходное напряжение

n = КПД преобразователя, т.е.г. расчетное значение 85%

Ток пульсации индуктора:


Delta I (l) = Vin (min) x D / f (s) x L ---------- (15)

Vin (min ) = наименьшее входное напряжение

D = рабочий цикл, установленный в уравнении 14

f (s) = номинальная частота переключения преобразователя

L = указанное значение индуктивности

Максимальный выходной ток номинального IC:

Iout ( max) = [Ilim (min) - Delta I (l)] x (1 - D) ---------- (16)

Ilim (min) = наименьшее значение текущего ограничения интеграла ведьма (предлагается в техническом паспорте)

Delta I (l) = ток пульсации индуктора, установленный в уравнении 15

D = рабочий цикл, оцененный в уравнении 14

Максимальный ток переключения для конкретного приложения:

Isw (max) = Delta I (l) / 2 + Iout (max) / (1 - D) ---------- (17)

Delta I (l) = ток пульсаций индуктора, оцененный по уравнению 15

Iout (max ), = максимально возможный выходной ток требуется в энергосистеме

D = рабочий цикл, вычисленный в уравнении 14

Приближение индуктора:

L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (l) xf (s) x Vout ---- ------ (18)

Vin = общее входное напряжение

Vout = плановое выходное напряжение

f (s) = наименьшая частота переключения преобразователя

Delta I (l) = прогнозируемый ток пульсаций индуктора, см. Уравнение 19

Оценка тока пульсации индуктора:

Дельта I (l) = (0.От 2 до 0,4) x Iout (max) x Vout / Vin ---------- (19)

Delta I (l) = прогнозируемый ток пульсации индуктора

Iout (max) = максимальный выходной ток, важный для

Типичный прямой ток выпрямительного диода:

I (f) = Iout (max) ---------- (20)

Iout (max) = оптимальный выходной ток, соответствующий Утилита

Рассеиваемая мощность в выпрямительном диоде:

P (d) = I (f)
x V (f) ---------- (21)

I (f) = типичный прямой ток выпрямительного диода

В (f) = прямое напряжение выпрямительного диода

Ток при использовании резистивного делителя сети для позиционирования выходного напряжения:

I (r1 / 2)> или = 100 x I (fb) - --------- (22)

I (fb) = ток смещения обратной связи из таблицы данных

Значение резистора между выводом FB и GND:

R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (23)

Значение резистора между выводом FB и Vo ut:

R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (24)

V (fb) = напряжение обратной связи из техпаспорта

I ( r1 / 2) = ток
из-за резистивного делителя на GND, вычисленный в уравнении 22

Vout = искомое выходное напряжение

Наименьшая выходная емкость, в противном случае предварительно назначенная в техническом паспорте:

Cout (мин) = Iout (max) x D / f (s) x Delta I (l) ---------- (25)

Iout (max) = максимально возможный выходной ток программы

D = рабочий цикл, вычисленный в уравнении 14

f (s) = наименьшая частота переключения преобразователя

Delta Vout = ожидаемые пульсации выходного напряжения

Избыточные пульсации выходного напряжения из-за ESR:

Delta Vout (esr) = ESR x [Iout (макс.) / (1 - D) + Delta I (l) / 2 ---------- (26)

ESR = параллельное последовательное сопротивление используемого выходного конденсатора

Iout (макс. ) = оптимальный выходной ток

D = рабочий цикл, определенный в уравнении 14

Delta I (l) = ток пульсаций индуктора из уравнения 15 или 19

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, схемотехник / печатная плата дизайнер, производитель.Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть запрос, связанный со схемой, вы можете взаимодействовать с ним через комментарии, я буду очень рад помочь!

Понижающий повышающий преобразователь Теория работы и применения

Понижающий повышающий преобразователь - это преобразователь постоянного тока в постоянный. Выходное напряжение преобразователя постоянного тока в постоянный ток меньше или больше входного напряжения. Выходное напряжение по величине зависит от рабочего цикла.Эти преобразователи также известны как повышающие и понижающие трансформаторы, и эти названия происходят от аналогичных повышающих и понижающих трансформаторов. Входные напряжения повышаются / понижаются до некоторого уровня больше или меньше входного напряжения. Благодаря низкой энергии преобразования входная мощность равна выходной мощности. Следующее выражение показывает минимум конверсии.

Входная мощность (Pin) = Выходная мощность (Pout)

Для повышающего режима входное напряжение меньше выходного напряжения (Vin

Vin Iout

В понижающем режиме входное напряжение больше, чем выходное напряжение (Vin> Vout). Отсюда следует, что выходной ток больше входного. Следовательно, повышающий преобразователь является понижающим режимом.

Vin> Vout и Iin

Что такое повышающий понижающий преобразователь?

Это тип преобразователя постоянного тока в постоянный, имеющий величину выходного напряжения.Оно может быть больше или меньше величины входного напряжения. Понижающий повышающий преобразователь аналогичен схеме обратного хода, а вместо трансформатора используется одиночный индуктор. В понижающем повышающем преобразователе есть два типа преобразователей: понижающий преобразователь, а другой - повышающий преобразователь. Эти преобразователи могут выдавать диапазон выходного напряжения, превышающий входное. На следующей схеме показан базовый понижающий повышающий преобразователь.

Понижающий повышающий преобразователь

Принцип работы пониженно-повышающего преобразователя

При работе преобразователя постоянного тока в постоянный ток индуктивность на входном сопротивлении имеет неожиданное изменение входного тока.Если переключатель включен, то индуктор питает энергию от входа и накапливает энергию магнитной энергии. Если переключатель замкнут, он разряжает энергию. Выходная цепь конденсатора считается достаточно высокой, чем постоянная времени RC-цепи на выходном каскаде. Огромная постоянная времени сравнивается с периодом переключения и удостоверяется, что в установившемся состоянии выходное напряжение постоянного тока Vo (t) = Vo (константа) присутствует на клеммах нагрузки.

В понижающем повышающем преобразователе есть два различных типа принципа работы.

  • Понижающий преобразователь.
  • Повышающий преобразователь.

Работа понижающего преобразователя

На следующей диаграмме показан рабочий режим понижающего преобразователя. В понижающем преобразователе первый транзистор включен, а второй транзистор выключен из-за высокой частоты прямоугольной волны. Если на выводе затвора первого транзистора больше, чем ток проходит через магнитное поле, заряжается C, и он питает нагрузку. D1 - это диод Шоттки, и он выключен из-за положительного напряжения на катоде.

Рабочий понижающий преобразователь

Катушка индуктивности L является начальным источником тока. Если первый транзистор выключен с помощью блока управления, тогда ток течет в понижающем режиме. Магнитное поле индуктора схлопывается, и создается обратная ЭДС, коллапсирующее поле меняет полярность напряжения на индукторе. Ток протекает в диоде D2, нагрузка и диод D1 будут включены.

Разряд индуктора L уменьшается за счет тока.Во время первого транзистора в одном состоянии находится заряд аккумулятора в конденсаторе. Ток протекает через нагрузку и в период выключения поддерживает Vout в разумных пределах. Следовательно, он сохраняет минимальную амплитуду пульсаций, и Vout приближается к значению Vs

Boost Converter Working

В этом преобразователе первый транзистор постоянно включен, а для второго транзистора прямоугольная волна высокой частоты подается на вывод затвора. Второй транзистор находится в проводящем состоянии, когда во включенном состоянии и входной ток течет от катушки индуктивности L через второй транзистор.Отрицательный вывод заряжает магнитное поле вокруг индуктора. Диод D2 не может проводить, потому что анод находится на потенциальной земле из-за высокой проводимости второго транзистора.

Работа повышающего преобразователя

При зарядке конденсатора С нагрузка прикладывается ко всей цепи в состоянии ВКЛ, и она может создавать более ранние циклы генератора. Во время включения конденсатор C может регулярно разряжаться, и выходное напряжение может иметь высокую частоту пульсаций. Приблизительная разность потенциалов определяется приведенным ниже уравнением.

VS + VL

В период выключения второго транзистора индуктивность L заряжается, а конденсатор C разряжается. Катушка индуктивности L может создавать противоэдс, и ее значения зависят от скорости изменения тока второго транзисторного ключа. Величина индуктивности, которую может занимать катушка. Следовательно, обратная ЭДС может создавать любое другое напряжение в широком диапазоне, определяемом конструкцией схемы. Следовательно, полярность напряжения на катушке индуктивности L теперь изменилась.

Входное напряжение дает выходное напряжение и, по крайней мере, равно или выше входного напряжения. Диод D2 смещен в прямом направлении, и ток, приложенный к току нагрузки, перезаряжает конденсаторы до VS + VL, и он готов для второго транзистора.

Режимы понижающих повышающих преобразователей

В понижающем повышающем преобразователе есть два различных типа режимов. Ниже приведены два разных типа повышающих преобразователей.

  • Режим непрерывной проводимости.
  • Режим прерывистой проводимости.
Режим непрерывной проводимости

В режиме непрерывной проводимости ток от конца до конца индуктора никогда не достигает нуля. Следовательно, индуктор частично разряжается раньше, чем цикл переключения.

Режим прерывистой проводимости

В этом режиме ток через индуктор стремится к нулю. Следовательно, индуктор полностью разрядится в конце циклов переключения.

Применение понижающего повышающего преобразователя
  • Используется в саморегулирующихся источниках питания.
  • Есть бытовая электроника.
  • Используется в аккумуляторных системах питания.
  • Приложения адаптивного управления.
  • Применение усилителя мощности.
Преимущества понижающего повышающего преобразователя
  • Он обеспечивает более высокое выходное напряжение.
  • Низкий рабочий цикл воздуховода.
  • Низкое напряжение на полевых МОП-транзисторах

Таким образом, речь идет о работе схемы повышающего преобразователя и ее приложениях. Информация, представленная в статье, является базовой концепцией повышающих преобразователей.Если у вас есть какие-либо вопросы относительно этой концепции или реализации электротехнических проектов, пожалуйста, прокомментируйте в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос. Каковы функции понижающих повышающих преобразователей?

Источники фото:

Конструкция повышающего преобразователя | Детали

Цель: разработать повышающий преобразователь, который выдает 170 В постоянного тока при 0,15 А от источника постоянного тока 12 В.

У Adafruit есть хороший калькулятор повышающего преобразователя, если вы используете простую версию с одним дросселем.Для питания моего повышающего преобразователя я хотел бы использовать сетевой адаптер на 12 В постоянного тока. Я не знаю, но подозреваю, что выходное напряжение адаптера упадет под нагрузкой, поэтому я просто собираюсь указать минимальное входное напряжение 8 В постоянного тока. Минимальное и максимальное выходное напряжение - 170 В постоянного тока, выходной ток - 0,15 А, я укажу пульсирующее напряжение на выходе 2 В и частоту переключения 150 кГц. Ненавижу низкочастотные преобразователи с их нытьем. Заткнись уже, конвертер!

Это дает мне требуемую индуктивность не менее 17.5uH, способный обрабатывать 4,25 А. Также рабочий цикл (время включения до общего времени) 0,953. Это исключает популярный MC36033, который имеет максимальный рабочий цикл 0,857.

TL; DR: После процедуры проектирования я получил следующее:

В таблице данных LM3478 представлена ​​хорошая серия процедур проектирования для различных топологий преобразователей. Вот один для повышающего преобразователя:


Частота переключения

Сначала выберите частоту переключения между 100 кГц и 1 МГц.Я выбрал 150 кГц , потому что хотел, чтобы он был выше минимума, но не настолько быстрым, чтобы все мои компоненты были сверхбыстрыми.


Рабочий цикл

Затем вычислим рабочий цикл D. Мы получили это из калькулятора Adafruit, 0,953 . Также удобен обратный рабочий цикл (отношение времени простоя к общему периоду), D '= 1 - D.

Обратите внимание, что преобразователь будет регулировать рабочий цикл на основе выходного напряжения и тока переключения, так что это только значение для расчета.


Минимальная индуктивность

Вычислите минимальную требуемую индуктивность. Опять же, это из калькулятора Adafruit, но вот формула:

Итак, при максимальном входном напряжении 12 В и выходном токе 0,15 А я получаю L> 12 мкГн . Обратите внимание, что калькулятор Adafruit (на мой взгляд, правильно) использует наименьший из двух возможных рабочих циклов на основе минимального входного и выходного напряжения, потому что это приведет к наивысшей минимальной индуктивности.В любом случае я выбрал L = 22uH как удобное значение.


Максимальный ток индуктора

Вычислите максимальный ток, протекающий через индуктор. Опять же, Adafruit дает это как 4,25 А, но формула:

И поэтому я получаю ток 4,92 А . Опять же, Adafruit правильно использует D на основе максимального входного напряжения, но я использую более высокое значение для дополнительного запаса прочности.

Итак, основываясь на индуктивности и токе, я могу выбрать индуктор, который может выдерживать этот ток.Таким образом, я выбрал Bourns 2105-H-RC, способный на 7А.


Резистор регулировки частоты

LM3478 использует следующую формулу:

При выбранной мной частоте 150 кГц я получаю 135,4 кГц . Я выбрал резистор 133k 1%, который немного увеличивает частоту до 152 кГц. Я продолжу использовать в расчетах 150 кГц, поскольку это не имеет большого значения.


Токоизмерительные резисторы

Один из них - резистор, который проходит между переключателем и землей.Этот резистор защищает схему от токов перегрузки. Мы используем максимальный ток катушки индуктивности, указанный выше, плюс дополнительный запас 20%, чтобы установить порог перегрузки:

И поэтому я получил резистор считывания 0,014 Ом . Я выбрал стандартный резистор 0,015 Ом (Stackpole BR3FB15L0). С этим резистором предел тока будет 5,52 А, что находится в пределах максимально требуемых 4,92 А и 7 А спецификации для катушки индуктивности.

Есть второй резистор, который проходит между токовым контактом преобразователя и токовым резистором.В таблице данных рекомендуется добавить этот резистор, когда рабочий цикл превышает 50%, чтобы предотвратить субгармонические колебания (то есть колебания ниже частоты переключения), вызванные нестабильностью в контуре. Никаких плаксивых преобразователей!

Сначала мы вычисляем максимальный резистор считывания для стабильности контура в токовом режиме (стабильность контура всегда хорошо):

Я получаю максимальное сопротивление считывания 0,004 Ом. Выбранный нами чувствительный резистор больше этого в 3,75 раза, поэтому нам нужно добавить второй резистор «компенсации наклона»:

Это дает 6.325 кОм в качестве резистора компенсации наклона минимум .

Проблема в том, что добавление этого резистора изменяет ограничение тока:

Теперь мы должны изменить как резистор считывания, так и резистор компенсации крутизны так, чтобы ограничение тока было нормальным, а резистор компенсации крутизны был выше минимального. Выполнение этого (без математических расчетов) показывает, что невозможно выбрать резистор с разумной чувствительностью, сохраняя при этом хороший предел тока .

Причина тому - безумно низкое максимальное сопротивление считывания сверху. Есть два способа увеличить это максимальное чувствительное сопротивление: увеличить частоту или увеличить индуктивность. Это также имеет эффект понижения тока индуктора. Так что это действительно хорошо.

Таким образом, вместо максимального сопротивления считывания 0,004 Ом, давайте получим это значение выше 0,015 Ом, чтобы мы могли использовать хороший резистор считывания тока, который я нашел. Это означает повышение частоты (или индуктивности) как минимум в 3 раза.75. Поскольку мне нравится выбранный мной индуктор, давайте поднимем частоту со 150 кГц до 600 кГц и попробуем снова.

Наши модифицированные значения для этой частоты:



Новый предел тока, конечно, не изменился по сравнению с предыдущим, потому что мы выбрали тот же чувствительный резистор. Однако теперь нам не нужен резистор компенсации наклона, и все довольны.


Выбор диода

Диод должен выдерживать максимальный ток индуктивности. Он также должен выдерживать обратное смещение выходного напряжения за вычетом входного напряжения.И диод Шоттки рекомендуется для высокой скорости. Я выбрал диод Power Integrations LQA10T300, который имеет максимальное обратное смещение 300 В и ограничение тока 10 А. В таблице данных также указано, что он способен выдерживать ток 1 А / нс, поэтому, предположительно, он может отключить ток 3,62 А за 3,62 нс.


Выбор MOSFET

Посмотрите на частоту, а затем на рабочий цикл. Время выключения составляет 0,047 / 600 кГц = 78 нс.

В таблице данных LM3478, однако, отсутствует возможность выбора полевого МОП-транзистора.Помимо способности выдерживать выходное напряжение на стоке (макс. Vds) и тока катушки индуктивности (макс. Id) и возможности в первую очередь включать полевой МОП-транзистор (порог Vgs <7,2 В), единственные реальные рекомендации относятся к низкое сопротивление во включенном состоянии и чтобы он был «быстрым». Очевидно, что такой переключатель должен отключиться задолго до 78 нс.

Я выбрал полевой МОП-транзистор STMicro IRF630. Он может выдерживать минимум 200 В на сток и имеет порог затвора не более 4 В. Он может выдерживать токи до 9А и имеет сопротивление в открытом состоянии 0.35 Ом.

Может ли эта штука переключаться достаточно быстро? Никто не узнает, пока мы не попробуем. Если нет, существуют микросхемы, специально разработанные для управления затворами MOSFET при более высоких токах, чтобы быстро их включать и выключать.


Выбор выходного конденсатора

Вам нужно что-то большое с низким ESR. Я выбрал Panasonic EZP-E50256LTA, 25 мкФ, 500 В, ESR 8,8 МОм.


Компенсация

На преобразователе есть вывод COMP, на который вы последовательно подключаете резистор и конденсатор.Они нужны для повышения стабильности конвертера. Преобразователь представляет собой контур обратной связи, и такие контуры обратной связи должны быть стабильными, иначе ваш источник питания может выйти из строя на определенных частотах. Мы будем следовать указаниям по применению 1286, Компенсация за повышающий преобразователь LM3478. Если вы ничего не знаете о теории управления, возможно, вы захотите пропустить этот раздел. Проблема в том, что без знания теории управления будет сложно выбрать компоненты компенсации. Может начать с этого списка видео?

Итак, давайте взглянем на примечание по применению, чтобы увидеть, как выглядит передаточная функция без этой компенсации.

Мы видим, что есть два нуля, один полюс и один комплексный полюс:

Первый ноль, z1, вызван выходным конденсатором с его ESR. Второй ноль, z2, вызван индуктивностью и нагрузкой на источник питания. Полюс обусловлен выходным конденсатором с нагрузкой, а сложный полюс - действием переключения.

Определим местонахождение нулей:

Отсюда мы имеем (я покажу частоты в Гц, а не рад / с):

Обратите внимание, что второй ноль - это ноль правой плоскости.Это означает, что по усилению он действует как ноль, а по фазе - как полюс.

Далее мы располагаем простой полюс следующим образом:

И так:

А теперь сложный полюс. Нам нужно найти Q - коэффициент затухания. Если бы Q было бесконечно, то объект начал бы вибрировать на куски и загореться на половине частоты переключения. Но, конечно, это не так.

Помня, что VSL = 92 мВ из таблицы, у нас есть:

И, конечно, этот полюс расположен на половине частоты переключения:

Теперь, когда у нас есть полюсная и нулевая частоты, нам нужно знать, что такое постоянный ток. усиление есть.Это:

, где VFB - пороговое напряжение обратной связи, 1,26 В из таблицы данных. Итак, у нас есть:

Хорошо, на этом этапе я мог бы нарисовать график Боде вручную, но у меня есть Mathematica, поэтому я просто оставлю это здесь:

Верхний график - это усиление в дБ относительно частоты в Гц. , а внизу - сдвиг фазы в градусах в зависимости от частоты в Гц. Вы можете увидеть резонанс на половине частоты переключения.

Запас по фазе составляет 180 градусов плюс фаза, при которой усиление равно единице (0 дБ).Мы видим, что единичное усиление происходит на частоте 2,81 кГц, а запас по фазе составляет 1,551 радиан (88,9 градуса). Это нормально, поскольку в примечании к приложению говорится, что нам нужен запас по фазе от 30 до 100 градусов.

Запас усиления равен минус усилению, при котором фаза составляет -180 градусов. Здесь мы видим, что запас по усилению составляет 3,5 = 10,9 дБ на частоте 289 кГц.

Эти запасы важны, потому что полюса и нули смещаются при изменении нагрузки и входного напряжения, и без этих полей ваша схема может работать нестабильно.Однако поля не могут быть слишком большими, иначе система не будет быстро реагировать на изменения.

В таблице данных об этом не говорится, но в идеале запас усиления должен быть где-то между 6 и 12 дБ. И это действительно так.

Итак, фактически, этот преобразователь с компонентами пока не требует схемы компенсации, и мы можем оставить вывод COMP неподключенным.


Что ж, на самом деле нет никаких выводов, пока я не получу детали для сборки этой штуки. Это будет работать? Узнаем в следующем журнале проекта.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *