Что такое универсальный DC-DC преобразователь напряжения. Как работает SEPIC топология. Каковы преимущества и недостатки универсальных преобразователей. Где применяются DC-DC преобразователи с широким диапазоном входных напряжений. Какие характеристики важны при выборе универсального преобразователя.
Что такое универсальный DC-DC преобразователь напряжения
Универсальный DC-DC преобразователь напряжения — это электронное устройство, способное как повышать, так и понижать входное напряжение для получения стабильного выходного напряжения. Ключевая особенность таких преобразователей — возможность работы в широком диапазоне входных напряжений, как выше, так и ниже требуемого выходного напряжения.
Основные типы универсальных DC-DC преобразователей:
- SEPIC (Single Ended Primary Inductor Converter)
- Buck-Boost (комбинация понижающего и повышающего преобразователей)
- Четырехключевые преобразователи
Наиболее распространенной и эффективной топологией является SEPIC, которая обеспечивает высокий КПД и стабильную работу при изменении входного напряжения в широких пределах.
Принцип работы SEPIC преобразователя
SEPIC преобразователь использует один управляющий ключ (обычно MOSFET транзистор) и работает в импульсном режиме. Его основные компоненты:
- Две индуктивности (или одна сдвоенная)
- Два конденсатора
- Силовой MOSFET транзистор
- Выходной диод
- ШИМ-контроллер
Принцип работы SEPIC основан на периодическом накоплении энергии в магнитном поле индуктивностей и электрическом поле конденсаторов с последующей передачей этой энергии в нагрузку. Регулировка выходного напряжения осуществляется изменением скважности управляющих импульсов.
Преимущества универсальных DC-DC преобразователей
Основные достоинства универсальных преобразователей напряжения:
- Широкий диапазон входных напряжений (часто 3-35В)
- Возможность как повышения, так и понижения напряжения
- Высокий КПД (до 90-95%)
- Стабильное выходное напряжение при колебаниях входного
- Компактные размеры
- Защита от короткого замыкания и перегрузки
Эти особенности делают универсальные преобразователи незаменимыми во многих применениях, где входное напряжение может значительно изменяться.
Недостатки универсальных преобразователей
При всех достоинствах, универсальные DC-DC преобразователи имеют и некоторые недостатки:
- Более сложная схемотехника по сравнению с обычными повышающими или понижающими преобразователями
- Несколько более высокая стоимость
- Меньшая эффективность при работе в режиме только повышения или только понижения напряжения
- Более высокий уровень пульсаций на выходе (особенно для SEPIC топологии)
Однако в большинстве случаев преимущества универсальных преобразователей перевешивают их недостатки.
Области применения универсальных DC-DC преобразователей
Универсальные преобразователи напряжения находят широкое применение в различных областях электроники:
- Автомобильная электроника (стабилизация напряжения бортовой сети)
- Портативные устройства с аккумуляторным питанием
- Солнечные энергосистемы
- Промышленная автоматика
- Светодиодное освещение
- Телекоммуникационное оборудование
Везде, где требуется стабильное питающее напряжение при значительных колебаниях входного напряжения, универсальные DC-DC преобразователи оказываются оптимальным решением.
Ключевые характеристики при выборе универсального преобразователя
При выборе универсального DC-DC преобразователя следует обращать внимание на следующие параметры:
- Диапазон входных напряжений
- Диапазон выходных напряжений
- Максимальный выходной ток
- КПД преобразования
- Уровень пульсаций выходного напряжения
- Наличие защит (от КЗ, перегрузки, перегрева)
- Габариты и способ монтажа
- Диапазон рабочих температур
Правильный выбор преобразователя с учетом этих характеристик обеспечит надежную и эффективную работу вашего устройства.
Настройка и использование универсального DC-DC преобразователя
Большинство универсальных преобразователей требуют минимальной настройки перед использованием. Обычно необходимо:
- Установить требуемое выходное напряжение с помощью подстроечного резистора
- При необходимости, настроить ограничение по току
- Обеспечить адекватное охлаждение (особенно при работе на максимальной мощности)
При использовании преобразователя важно не превышать максимально допустимые значения входного напряжения и выходного тока. Также следует учитывать, что КПД преобразователя может снижаться при работе на предельных режимах.
Универсальный преобразователь напряжения или пару слов от том, что такое SEPIC
В сегодняшнем обзоре я хочу рассказать о довольно полезной вещи, универсальном преобразователе напряжения.
Что это такое, как работает и что может, как всегда под катом.
Некоторое время назад, в одном из моих обзоров я уже упоминал о таком типе преобразователей, и даже собрал для примера один из них, сегодня пришла очередь обзора готового преобразователя такого типа.
Для начала буквально пара слов о том, что же это за преобразователь такой хитрый.
Обычно преобразователи бывают трех типов.
1. Повышающий
2. Понижающий
3. Инвертирующий
Но все они не могут выдавать напряжение выше/ниже чем напряжение источника.
Например понижающий из 10 никогда не сделает 12, а повышающий из 20 не сделает 5.
Например надо 12 Вольт (к примеру питание жесткого диска или монитора), а питается это все от бортовой сети автомобиля, где может быть и 10 и 14.5.
Такую задачу чаще всего решают двумя способами.
1. Повышают до 15-20, а потом понижают до необходимого.
2. Ставят повышающе-понижающий преобразователь, он же Buck-Boost, он же SEPIC.
Первый тип уже обозревал коллега Ksiman.
Я же расскажу о втором.
Сначала немного общей информации.
Пришел преобразователь вместе с другим товаром и был упакован просто в пакетик с защелкой.
На сайте магазина заявлено
Входное напряжение — 4V-35V
Выходное напряжение — 1.23V-32V
Выходной ток — 3A максимум
Максимальная мощность — 25 Ватт
Что означают данные характеристики.
Выходной ток не может быть более 3 Ампер при условии что выходная мощность не может быть более 25 Ватт.
Т.е. ограничивать надо то, во что раньше «упремся».
Можно получить на выходе 10 Вольт 2.5 Ампера (25 Ватт), или 5 Вольт 15 Ватт (3 Ампера).
На самом деле характеристики отличаются от заявленных, но об этом немного позже.
Выглядит платка вполне аккуратно, видно подстроечный резистор для регулировки выходного напряжения (ток не регулируется и не ограничивается).
Также на плате видно два дросселя, один из признаков SEPIC преобразователя, хотя и необязательный. иногда делают один дроссель с двумя обмотками, но он тоже на вид отличается.
Ну и печатная платка вид сверху 🙂
Снизу пусто. Видны межслойные переходы, позволяющие отводить тепло на нижнюю сторону платы, но как то расположены они нелогично, скорее всего они больше играют роль именно электрического соединения.
Думаю что размеры платы проще понять по такому фото 🙂
Так, с внешним видом закончили, теперь попробуем разобраться подробнее, что же это такое.
Мне конечно очень хотелось бы расписать подробно что это и как оно работает. Но все дело в том, что описать совсем просто такой тип преобразователей тяжело, мало того, я даже когда подготавливал материалы к обзору, то натыкался на противоречивые описания.
Для начала блок схема собственно этого типа преобразователя. Стоит отметить, что существует два варианта топологии данного типа преобразователя, я приведу ту, к которой относится обозреваемая плата.
Дальше я попробую «дать слово» специалистам с большим опытом.
В процессе поисков я наткнулся на описание, которое на мой взгляд наиболее точное. Ссылка на оригинал статьи, а ниже я процитирую краткое описание принципа работы.
На схеме силовой ключ в состоянии — замкнут. Когда ключ замкнут, входная индуктивность заряжается от источника, а вторая индуктивность заряжается от конденсатора, выходной конденсатор в это время обеспечивает ток нагрузки.
В это время энергия в нагрузку не поступает, полярности токов в катушках и напряжений на конденсаторах обозначены на схеме.
Тот факт, что обе индуктивности, L1 и L2, при замкнутом ключе отключены от нагрузки, усложняет регулировочные характеристики, как мы увидим далее.
После размыкания ключа схема приобретает несколько другой «вид».
Если простыми словами, то схема работает за счет взаимной перекачки энергии между компонентами, позволяет как повышать напряжение, так и понижать его.
Для лучшего понимания я покажу где на плате все эти элементы.
Кстати, один из признаков SEPIC преобразователя — один ключевой элемент (не важно, транзистор или силовой ШИМ) и один диод.
Я начертил схему данной платы. номиналы пары компонентов могут немного отличаться от реальных, но в основном все соответствует.
Из минусов сразу отмечу то, что подстроечный резистор подключен к выходу, а не к общему проводу.
Такое подключение крайне не рекомендуется, так как в случае пропадания контакта при регулировке на выход будет подано максимальное выходное напряжение.
Основой данной платы является небольшой ШИМ контроллер, который уже управляет мощным полевым транзистором и контролирует выходное напряжение.
В качестве ШИМ контроллера применен FP5139, ссылка на даташит.
Данный ШИМ контроллер работает на частоте 500КГц, что весьма неплохо. Диапазон входного напряжения 1.8-15 Вольт, что также приятно, особенно нижний порог в 1.8 Вольта. Думаю прикупить себе отдельно этих микрух.
Управляет контроллер полевым транзистором 088N04L, это 40 Вольт, 50 Ампер, 8.8мОм транзистор который может управляться сигналом логического уровня (обычно это 5 Вольт).
Также отличительным признаком SEPIC преобразователя является емкий керамический конденсатор.
Вообще, SEPIC отличается от других преобразователей тем, что содержит больше компонентов.
У классических повышающих, понижающих, инвертирующих преобразователей три основных элемента, но включенных в разной комбинации — дроссель, транзистор, диод.
Здесь к этой связке добавлен еще один дроссель и конденсатор.
Выходной диод на плате — SK86, весьма неплохой диод, заявлен максимальный ток до 8 Ампер.
Дальше я перешел к тестам.
Когда собрал такой «стенд», то мне даже жалко стало преобразователь.
Порвут ведь как Тузик грелку, подумал я, и как показала практика, не сильно был далек от истины.
Первое включение.
Сразу расскажу что вообще означает куча цифр на экранах.
Слева блок питания.
Верхний ряд — Выходное напряжение, выходной ток.
Нижний ряд — Выходная мощность, отданное количество мАч в нагрузку (но нам это неважно в данном случае)
Справа электронная нагрузка.
1. Установленный ток, Напряжение отключения (в данном случае неважно)
2. Измеренный ток нагрузки, измеренное входное напряжение (выходное напряжение преобразователя).
3. Принятая емкость (неважно в данном случае), мощность нагрузки (ток х напряжение).
4. Неважно.
Дальше я погонял преобразователь в разных режимах. Режимы выбирались отчасти спонтанно, параллельно измерял температуру основных компонентов и записывал в табличку.
Входное напряжение я не поднимал выше 14 Вольт, ниже расскажу почему так.
Судя по результатам измерений температуры я могу сказать, что плата не выдает заявленных характеристик.
Но небольшой нюанс. Не выдает она их из-за перегрева, мощности силовых элементов хватает чтобы выдавать их в течении короткого времени, но при длительном перегревается.
Можно конечно сделать радиатор, но охлаждать надо транзистор, два дросселя и диод, это сложно 🙁
Кроме того было замечено небольшое снижение выходного напряжения по мере прогрева преобразователя, обусловлено это часто тем, что применены не прецизионные резисторы и их сопротивление«плывет» от нагрева, но изменение не очень большое и им можно пренебречь.
Так как данный тип преобразователей отличается от других решения более высоким КПД, то я решил проверить и его.
В качестве демонстрации я сделал небольшой эксперимент. Для более наглядной демонстрации я выставлял такой режим работы, чтобы входная мощность была всегда равна 10 Ватт (ну или около того). в таком режиме выходная мощность будет равна КПД преобразователя.
На самом деле КПД будет выше, так как в таком варианте не учтены потери на проводах. Но так как они короткие, то врядли погрешность превысит пару процентов.
Еще несколько фото в разных режимах, повышение, понижение и с разным значением напряжений.
Кстати, по предыдущим фотографиям можно также посчитать КПД. Для этого надо измеренную мощность нагрузки (справа) разделить на измеренную мощность источника (слева).
Например на БП 15.45, на нагрузке 12.3. 12.3 / 15.45 = 0.796
Но уже даже так можно сказать, что КПД выше чем у комбинации повышающий + понижающий преобразователь.
Выше я писал что ограничил входное напряжение на уровне в 14 Вольт.
Сделано это было не просто так.
Дело в том, что я сначала начал тестировать, а только потом перерисовал схему.
Изначально я думал что производитель просто сделал все по схеме из даташита и транзистор на плате для управления включением/выключением (кстати, преимущество SEPIC в том, что выход можно отключить, например step-up отключить нельзя) и входное напряжение не должно превышать 15 Вольт (из даташита на контроллер). Хотел еще ругаться что указали диапазон входного 35 Вольт.
Но начав разбираться со схемой я понял, что производитель поступил хитрее, он поставил на плате стабилизатор питания на примерно 9.5 В. Я допускаю что так сделано не на всех платах, будьте внимательны.
Сбил меня с толку именно регулирующий транзистор стабилизатора так как в схеме из даташита тоже есть транзистор.
Кстати, джампер на плате управляет включением/выключением преобразователя.
Разобравшись со схемой я решил продолжить тесты, но не успев даже начать я спалил плату.
Мощный транзистор ушел в КЗ, я даже не понял как это произошло.
Порывшись в загашниках нашел какую то материнскую плату, откуда выпаял полевой транзистор в таком же корпусе. Разница в том, что он только до 30 Вольт 🙁
Быстро перепаял, благо ничего больше из строя не вышло.
Кстати. Данный преобразователь в какой то степени является «безопасным», так как при выходе из строя силового транзистора он не подаст на выход полное напряжение питания как в случае с step-down.
Как еще один нюанс, данный тип преобразователей имеет выше пульсации на выходе (в сравнении с другими типами), но гораздо меньшие по входу, что дает преимущество при работе от аккумуляторов.
А вот дальше я захотел не только продолжить тесты, но и попробовать разобраться, почему вышел из строя транзистор.
В процессе тестов было замечено, что чем выше входное напряжение, тем ниже КПД.
Например при выходном 15 Вольт КПД составил для входного 20 Вольт 80%, а для 26 Вольт всего 62%.
Причем чем выше выходное, тем КПД еще меньше.
При 20 Вольт выходного я легко получал входной ток более 2 Ампер и КПД ниже 40%.
После этого я вспомнил, что около транзистора была небольшая капелька припоя, которой до пробоя не было, а выходное напряжение после последнего эксперимента составляло 25 Вольт, а я и на входе накрутил почти 30, он даже пискнуть не успел.
Т.е. получается что транзистор буквально «спекся». Вызвано это скорее всего тем, что индуктивности начали входить в режим насыщения.
SEPIC конечно может работать в широком диапазоне напряжений, но оптимальный диапазон все таки привязан к примененным компонентам и нельзя охватить все.
Эксперименты показали, что чем ниже выходное напряжение, тем выше я могу поднять входное.
При 10 Вольт на выходе я легко накрутил 27 Вольт на входе, выше поднимать не стал так как максимальное напряжение транзистора всего 30.
Вообще это нормально и просто надо учитывать при использовании. Т.е. это скорее особенность чем неисправность.
Расписывать плюсы и минусы не буду, думаю все понятно просто из обзора, но немного сведу полученную информацию вместе.
1. Преобразователь работает и обеспечивает КПД выше чем у комбинации повышающий + понижающий преобразователь.
2. Характеристики платы завышены, но при желании можно получить и 3 Ампера, и 25 Ватт, все зависит от комбинации входного и выходного напряжения.
3. Компоненты применены очень неплохие. Но дроссели должны быть рассчитаны на больший ток, а транзистор надо дополнительно охлаждать.
4. Плата содержит стабилизатор питания ШИМ контроллера, благодаря чему входное напряжение может быть увеличено выше 15 Вольт.
5. При определенной комбинации входного и выходного напряжения происходит пробой силового транзистора. 🙁
В общем плата вполне работоспособна, но с некоторыми ограничениями о которых написано выше.
Подходит для питания устройств с небольшим потребляемым током в широком диапазоне входного напряжения, но для мощных устройств не пойдет из-за перегрева.
В интернете видел небольшой обзор этой платы, там результат немного другой, но скорее непонятно было то, что там указано насчет защиты. У меня она сработала один раз, напряжения на выходе не было пока не отключил питание платы, но как она определяет перегрузку я не понимаю, так как датчиков тока нет, хотя в даташите защита от КЗ заявлена и она срабатывала…
Надеюсь что обзор был интересен и полезен, если интересно, могу проверить работу в других комбинациях напряжений.
Небольшая скидка
Магазин дал еще купонов на скидку в 8%, может будет полезно
WSKD89, WS9H7T, WSNHZR, WSYZK7, WS3X3L
Товар для написания обзора предоставлен магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.
DC-DC преобразователь, отличия и как выбрать подходящий. Товары из Китая
Преобразователи напряжения, иногда создается ощущение что они везде, даже там, где казалось бы им делать нечего.
Их вы можете встретить в повербанках, смартфонах, ТВ боксах, компьютерах, USB хабах, роутерах и многих других устройствах.
Но кроме этого преобразователи продаются в виде отдельных модулей, предназначенных как для радиолюбительского творчества, так и для вполне профессионального применения и собственно об этих «невидимых помощниках» и пойдет сегодня разговор.
Как обычно, напоминаю, чтобы быть постоянно в курсе новых тем в блоге, рекомендую подписаться на мой инстаграмм, где я буду выкладывать уведомления о всех новых темах и возможно писать просто о чем-то интересном — ссылка на аккаунт
Преобразователи напряжения делятся на три основные группы:
1. Понижающие
2. Повышающие
3. Универсальные
При этом третий тип делится на три подгруппы:
1. Состоящие из двух, повышающего, затем понижающего, их чаще всего называют Buck-Boost.
2. Универсальные, работают автоматически переключаясь между режимом понижения и повышения
3. SEPIC, полностью универсальный преобразователь
Также преобразователи могут иметь дополнительные возможности:
1.
Гальваническую развязку входа и выхода
2. Несколько выходных напряжений
3. Инверсию выходного напряжения
4. Регулировку по току и/или напряжению
5. Индикацию
6. Возможность работы с протоколами быстрого заряда Quick Charge, Power Delivery и т.п.
Уже просто по списку вариантов исполнения (не считая комбинаций) можно понять, что моделей преобразователей существует великое множество, а ведь бывают еще отличия, например возможность подключения к компьютеру, сверхмалое потребление в дежурном режиме, повышенный диапазон входного напряжения, наличие синхронного выпрямителя для повышения КПД и т.д.
Также следует помнить, что линейные стабилизаторы («КРЕНки») не являются преобразователями. Преобразователи, это упрощенно «трансформаторы постоянного тока», например при выходных 5 вольт 3 ампера и входном 15 вольт, ток по входу будет пропорционально меньше, в отличие от линейных стабилизаторов, где ток одинаков всегда.
Понижающие преобразователи напряжения.
Обычно они выполнены по топологии Step-Down, входное напряжение всегда должно быть выше выходного примерно на 5-20%.
В последнее время большое распространение получают компактные синхронные преобразователи на базе MP2225, с заявленным максимальным выходным током до 5 ампер, что при таком размере выглядит очень интересно, ссылка на первый и второй модули.
Кроме того есть по своему необычный DC-DC модуль питания DD4012SA, который выполнен в виде «КРЕНки» и позволяет заменить ей с увеличением КПД.
Неплохо в радиолюбительской среде известны преобразователи на базе микросхем LM2596S, XL4005, XL4015, при этом больше внимания заслуживают второй и третий вариант. Дело в том, что контроллеры серии обычно являются оригиналами, хотя и китайской разработки, а вот LM2596 часто подделывают.
Данные модели преобразователей имеют выходной ток до 3 или 5А, регулировку напряжения и диапазон входного напряжения от 4-5 и до 30-40 вольт, ключевое отличие, неплохие нагрузочные характеристики при не сильно высокой цене.
Иногда на подобных платах вы встретите два, а то и три подстроечных резистора, второй обычно предназначен для регулировки ограничения тока, а если есть третий, то при помощи него настраивается порог индикации ограничения тока. Подобные платы используются там, где необходимо ограничение тока, например питание мощных светодиодных матриц, заряд аккумуляторов. При этом иногда на такие платы ставят индикатор для отображения напряжения и тока, что еще больше повышает удобство пользования превращая его по сути в универсальное зарядное устройство., П
Первая плата, вторая и третья.
Выпускаются и более мощные версии, например на базе популярного контроллера XL4016, для них обычно заявляется ток нагрузки до 8-12А, причем иногда к подобным платам добавляют ампервольтметр и получают простенький лабораторный блок питания.
Если и этого мало, то например справа показан преобразователь с ограничением тока, входным напряжением 20В-70В и выходным током до 30А при 2.5-58 вольт, такой уже можно использовать для питания автомобильного холодильника от 24В аккумулятора.
Первая плата, вторая и третья
Повышающие преобразователи
Не менее интересный и полезный сегмент устройств, хотя и не такой распространенный.
Здесь сразу стоит пояснить одну особенность большинства преобразователей по топологии Step-Up, которая возможно поможет не сжечь ваше устройство или преобразователь. Дело в том, что преобразователи собранные по такой топологии не могут выдать на выход напряжение меньше чем входное минус падение на диоде, т.е. если на входе у него 20 вольт, то на выходе никак не получите менее 19.5, это важно и следует учитывать.
Также имейте в виду, что если у повышающего преобразователя указан какой-то максимальный выходной ток, то это скорее всего ток при минимальном соотношении вход/выход, а ориентироваться правильнее на максимальный входной ток и считать мощность преобразователя.
Учет указанных выше особенностей позволит избежать ошибок и использовать повышающие преобразователи более эффективно и безопасно.
Сразу можно выделить пару «народных» моделей, которые при очень низкой стоимости перекрывают большую часть потребностей самодельщиков.
Две первые модели построены на базе контроллеров SX1308 и MT3608, полезно то, что начинают они работать при напряжении в 1.8-2 вольта и это критично для устройств с аккумуляторным питанием.
В третьем преобразователе применена XL6009, здесь минимальное входное напряжение 5 вольт, выходная мощность немного выше чем у предыдущих, но в целом они очень похожи, потому SX1308 и MT3608 более интересны за счет меньшего размера.
Использовать подобные преобразователи удобно для питания маломощных потребителей, например светодиодной подсветки на базе 12 вольт лент от одного-двух литий-ионных аккумуляторов.
Более мощные преобразователи на базе XL6019 также имеют минимальное входное напряжение в 5 вольт и допускают ток встроенного ключа в 5А, что примерно в два раза больше чем у предыдущих.
Если требуется питать еще более мощную нагрузку, например ноутбук от автомобильного аккумулятора, здесь подойдет преобразователь QSKJ QS-1224CBD с током от 10 ампер и мощностью до 150Вт.
Первая плата и вторая, в качестве третьего варианта порекомендую немного другую, но также полезную, у меня имеется и ее обзор.
Очень часто возникает необходимость иметь не только относительно большую выходную мощность, а и функцию ограничения тока. Это сильно расширяет сферу применения позволяя заряжать аккумуляторы электровелосипедов, питать мощные светодиодные прожекторы. Причем с повышающим преобразователем можно использовать буквально то что есть «под рукой», например недорогие 12 вольт блоки питания или же автомобильный аккумулятор.
Но следует обязательно учитывать, что защиты от КЗ такие преобразователи не имеют и ток ограничивают ровно до тех пор пока напряжение на нагрузке не станет ниже чем напряжение источника.
Первый преобразователь имеет мощность до 400Вт при максимальном токе до 12 ампер
QSKJ QS-2448CCBD более компактен, но имеет мощность до 100Вт (190 при дополнительном охлаждении), при этом компоненты смонтированы на алюминиевой подложке которую можно установить на радиатор для лучшего охлаждения.
А вот повышающий преобразователь BMM9201 кроме ограничения тока имеет еще и дисплей, на который можно вывести информацию о токе или напряжении, причем как входном, так и выходном, для чего есть специальный джампер.
В случае если и этого мало, можно использовать преобразователь QSKJ QS-4884CCCV, он также имеет функцию ограничения выходного тока, но выпускается в двух вариантах, 1200 и 1800Вт. Причем разница в цене между ними минимальна, а ключевые отличия 1800Вт модели заключаются в более мощном дросселе и трех предохранителях против двух у младшей.
Обе модели имеют массивный радиатор и активное охлаждение.
Максимальный входной ток первой модели составляет 20 ампер, а второй около 25-30, потому при питании от источника в 12 вольт вы получите только 240 или 360Вт.
Кроме того, так как у повышающих преобразователей ток по входу выше чем по выходу пропорционально коэффициенту преобразования, то следует убедится, что ваш источник сможет такой ток обеспечить. Это касается всех повышающих преобразователей. Как пример, максимальный входной ток преобразователя 10 ампер, на выходе хотим получить 36 вольт 5 ампер, значит напряжение источника должно быть не менее (36х5)/10=18 вольт без учета КПД, а так как КПД обычно около 90%, то получается надо минимум 20 вольт, а лучше 24.
Универсальные преобразователи.
Особая серия преобразователей, ключевой особенностью которых является возможность работы как на повышение, так и на понижение напряжения. применяются подобные преобразователи не так часто как повышающие или понижающие, но иногда бывают ситуации что без них никак. Пример применения — питание устройств которым надо 12 вольт в автомобиле, где напряжение в зависимости от ситуации может меняться от 10 до 15 вольт.
Основных вариантов здесь три.
Step-Up Step-Down.
Под таким названием продаются разные варианты, но правильным является тот, где на плате стоит два независимых преобразователя. При помощи первого входное напряжение повышается до некоего фиксированного, а затем при помощи второго понижается до требуемого.
Подобные преобразователи сложны, имеют низкий КПД, а так как имеют конструкцию «два в одном», то и цена не радует.
Но при этом у них есть преимущество, низкий уровень пульсаций на выходе.
Из-за перечисленных особенностей встречаются редко, например небольшая платка, с не очень хорошими характеристиками и весьма неплохой регулируемый преобразователь DPS5005, который отличается хорошими характеристиками и довольно высоким КПД.
SEPIC
Достаточно старая топология, но очень интересная так как из активных компонентов требуется только один ШИМ контроллер, один силовой транзистор и диод, отличительная черта — два одинаковых дросселя, хотя встречаются вариант с одним двухобмоточным.
Преимущества — простая схемотехника, не очень высокая цена, более высокий КПД чем у повышающе-понижающего, но и более высокий уровень пульсаций.
Как и предыдущий, может иметь возможность регулировки не только выходного напряжения, но и тока, а также функцию полного отключения выхода.
Выбор преобразователей подобного типа большой, потому сложности подобрать подходящий нет.
SEPIC на базе очень известной XL6019, вход 5-32 вольта, выход 1.25-35, ток нагрузки до 1.5А, простой и недорогой, имеет дополнительный фильтр для снижения пульсаций по выходу.
Более продвинутый DC-DC преобразователь ZK-SJVA-4X, здесь уже есть не только регулировка напряжения и тока, а и индикатор, диапазон входных напряжений 5.5-30 вольт, выход 0.5-30 при токе до 4 ампера.
Третий преобразователь хоть и не имеет регулировки выходного тока, но имеет защиту от перегрева и мощность до 80Вт, а также индикатор напряжения, что также может быть удобно.
Универсальный преобразователь.
Очень необычная топология преобразователя, отличающаяся высоким КПД, более надежной работой, возможностью не только регулировки напряжения и тока, а также и минимального входного напряжения. Имеет пожалуй только два недостатка, цена и малый выбор моделей так как строится в основном на базе контроллера LTC3780 производства фирмы Linear.
Данный преобразователь является гибридным и содержит один ШИМ контроллер, один дроссель, но два силовых узла с синхронным выпрямлением, которые работают в зависимости от соотношения входного и выходного напряжения.
Выбор моделей небольшой и отличия между ними минимальны, хотя существует сдвоенная версия состоящая из двух модулей на одной плате, но встречается крайне редко.
Преобразователь на базе LTC3780 работает от 5-30В обеспечивая на выходе напряжение 0.5-30В при токе до 8-10А и мощности до 80-130Вт.
Преобразователь отлично подходит для заряда аккумуляторов, построения источников бесперебойного питания со стабилизированным выходом и вообще питания требовательных нагрузок.
Преобразователи имеющие дополнительные особенности.
В некоторых случаях преобразователи могут иметь дополнительный функционал или какие-то особенности выделяющие их на фоне других, потому стоит их выделить в отдельную группу.
Преобразователи с USB выходом для заряда или питания различных планшетов, смартфонов и просто любых устройств получающих питание от USB.
Есть очень простые, особенность которых заключается только в низкой цене и возможности получить 5 вольт от одного LiIon аккумулятора.
Бывают многоканальные понижающие, как QSKJ QS-1205CBUM, но его особенность не в количестве каналов, а в наличии весьма современного ШИМ контроллера с синхронным выпрямлением и внешними силовыми транзисторами, что позволило получить выходной ток до 8А с высоким КПД. Кроме того у него есть защита от неправильной полярности питания и «обманки» на каждом порту для корректного определения различными моделями смартфонов.
Преобразователь MH-KC24 очень компактный, похож на первый, но также имеет свою «фишку», поддерживает работу с Quick Charge устройствами. Данный преобразователь также является понижающим, максимальное выходное напряжение 12 вольт.
Отдельно стоят в списке USB зарядных устройств преобразователи фирмы YZXStudio, кроме правильной схемотехники, качественных комплектующих и четкой работы они имеют поддержку большого количества протоколов быстрого заряда.
ZC822 — младшая модель, поддерживает QC/PD и выходную мощность до 27Вт
ZC823 — здесь уже не только QC/PD, а и возможность обеспечить 60 вольт при выходном напряжении 20 вольт.
ZC826P — очень редкий преобразователь, помимо функций быстрого заряда он является обратимым, если его вход подключен к аккумулятору, а к USB Type-C выходу подключить не нагрузку, а блок питания, то преобразователь начнет работать в обратную сторону и будет заряжать аккумулятор. Фактически имея такой преобразователь и аккумулятор можно самому сделать повербанк с мощным выходом и поддержкой большого количества протоколов. При этом преобразователь может выдавать от 5 до 20 вольт при питании от 12 вольт, соответственно является универсальным обратимым.
К сожалению на алиэкспресс их уже нет, есть похожий, причем не 60, а 120Вт — ссылка
Обзоры этих преобразователей, раз, два, три.
Также фирма YZXStudio предлагает для своих устройств кросс-платы, установив в которую показанные модули можно сделать многоканальное зарядное устройство «на свой вкус». Именно потому все модули имеют одинаковый размер и расположение разъемов.
В последнее время все больше распространение получает малый электротранспорт, это гироборды, электросамокаты, электровелосипеды, скутеры и возникает необходимость получить от его батареи низкое напряжение.
При этом в продаже есть много понижающих преобразователей собранных по топологии Step-Down, но низкая надежность и отсутствие гальванической развязки может печально закончится для подключаемых устройств, его банально может пробить накоротко, а на нагрузке вы получите полное напряжение батареи.
Именно для таких применений можно рекомендовать к применению фирменные модули производства Murata. Данные модули использовались для телекоммуникационного оборудования, но сейчас их можно встретить и просто в продаже, причем за небольшую цену. Ключевое — высокое качество изготовления, гальваническая развязка, из недостатков — фиксированное выходное напряжение, хотя и его при желании можно немного подстроить.
Из наиболее интересных — muRata HPH-12/30-D48NHL2-Y который при входном 36-75 вольт выдает на выход 12 вольт с током до 30 ампер или 360Вт.
Обзор этих преобразователей — ссылка
Также выпускаются преобразователи для тяжелых условий эксплуатации, например в автомобилях, катерах. Обычно такие преобразователи имеют герметичное исполнение, корпус в виде радиатора при большой выходной мощности, дополнительные цепи защиты.
Например большой ассортимент подобных преобразователей выпускает фирма RCNUN, даже просто перечисление вариантов займет половину статьи, рекомендую зайти в их магазин. Они бывают понижающие, повышающие, универсальные, регулируемые и с фиксированным напряжением, просто с проводами, с клемниками и USB разъемами.
В качестве примера можно назвать
RC120503 — вход 6-20 вольт, выход 5 вольт 3 ампера
RC8-40S1210 — вход 8-40 вольт, выход 12 вольт 10 ампер
RC12240540 — вход 8-36 вольт, выход 5 вольт 40 ампер
Как можно наблюдать, выбор топологий, моделей и вариантов исполнения преобразователей действительно огромен, а ведь показана лишь крошечная часть из того, что сейчас выпускается.
Теперь главная задача, подобрать то, что надо для определенного применения и надеюсь что данная статья в этом сможет помочь.
Универсальный регулятор преобразователя Buck-Boost DC-DC 400W
Входное напряжение:
17–85 В • Выходное напряжение: с 18 до 60 В (Регулируем этого преобразователя-регулятора, как понижающего, так и повышающего, упрощает обычные проблемы преобразования энергии постоянного тока в постоянный. Основные характеристики этого регулируемого повышающе-понижающего преобразователя:- Принимает любое входное напряжение от 17 до 85 В
- Обеспечивает любое выходное напряжение от 18 до 60 В
- Генерирует 400 Вт с очень высокой эффективностью, до >96%
- С дополнительными функциями, регулируемыми или управляемыми
- Преимущества нашей бесплатной помощи «Интеграция и управление»
- Компактный и с несколькими механическими презентациями.
Примеры применения с использованием нашего инновационного универсального повышающе-понижающего преобразователя постоянного тока: Технические данные для этого регулируемого повышающе-понижающего преобразователя 400 Вт
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
- Входное напряжение «В в »: от 17 до 85 В ( случайное максимальное : 806 В)
- Ноль входа и выхода: общий
- Выходное напряжение «В из »: от 18 до 60 В
- ручная регулировка со встроенной осью на 10 оборотов (триммер)
- заводская настройка по запросу
- внешняя регулировка через сопротивление (опция)
- контроль в соответствии с выбранным V из диапазона (опционально)
- Выходная мощность «P out »: 400 Вт, независимо от V out (от 24 до 60 В) и V in (от 17 до 85 В)
- Выходной ток «i вых »: от 0 до 17 А
- i выход макс.
(от 7 до 17 А) определяется выбранным вами выходным напряжением и мощностью 400 Вт - стандартное ограничение i из : по икоте, как только P из достигает ≈ 405W
- опциональное ограничение i из по постоянному току, от <1А до 17А, с регулировкой: либо со встроенной осью «10 витков», либо внешней, либо с регулируемым диапазоном
- i выход макс.
- Регулирование линии и нагрузки: лучше, чем 5.10 -3
- Номинальный КПД: от 94 до > 96 %
- Время запуска: < 250 мс
- Время динамического отклика (i из = от 50 до 100%): < 1 мс
- Пульсация: ≤ 1% от В вне
- Частота переключения: фиксированная ≈ 230 кГц
ЗАЩИТЫ
- Защита от перегрузок и коротких замыканий: стандартная, по икоте (импульсный i out ), ≈ 2,5A RMS
- Опциональное дополнительное ограничение при постоянном токе, регулируемое от <1A до 17A, для V out ≥ 18V
- Тепловая защита (автоматический сброс)
- Вибрации и удары: уплотнение от IP65 до IP67 (в зависимости от выбранного исполнения)
ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
- Хранение/эксплуатация: от – 55°C до + 115°C / от – 40°C до + 85°C
- Температурный коэффициент: 2,10 -4 / °C
- Термическое сопротивление «Rt»: от 7°C/Вт до 2°C/Вт, в зависимости от выбранного случая
- Как рассчитать повышение температуры «ΔT°» при естественной конвекции:
- ΔT° = потери (в Вт) x Rt (в °C/Вт)
- Потери ≤ 25 Вт для P из = 400 Вт (и ≤ 10 Вт для P из = 100 Вт), так как минимальный КПД варьируется от >9От 4% до >91%, когда P из изменяется от 400 Вт до 100 Вт
- ΔT° делится на 2 при импульсном воздействии воздуха со скоростью 2 м/с
СТАНДАРТЫ И СПЕЦИФИКАЦИИ
- Маркировка CE; UL60950-1/EN60950-1; РоХС
- Среднее время безотказной работы: > 500 000 часов при 25°C
ОПЦИИ
- См. разделы «Выходное напряжение» и «Выходной ток»
- Пульт дистанционного управления «вкл/выкл»
- Другие презентации
Механические характеристики – корпуса
Дополнительные радиаторы/рассеиватели ≤ 1,5°C/Вт, доступны по запросу.
Презентация в формате PDF для этого преобразователя-регулятора DC-DC BUCK-BOOST.
См. также наш универсальный повышающе-понижающий регулятор 2,8 кВт DC-DC — Генератор постоянного напряжения или постоянного тока — Вход: от 8 до 60 В / 50 А; выход: от 0 до 60 В / от 0 до 50 А / 2,8 кОм
В настоящее время в разработке: Мини-регуляторы с очень высокой эффективностью ,
- buck ≤ 350 Вт; вход: от 12 до 36В; выход ≤ Vin – 3В; эффективность: до 98%
- буст 120Вт; вход: от 9 до 15В; выход: 24 или 36 или 48В; КПД: до 95%.
Универсальный преобразователь постоянного тока в постоянный
Универсальный преобразователь постоянного тока в постоянный Введение: Это простой универсальный DC/DC преобразователь (схема, которая преобразует постоянное напряжение в другое постоянное напряжение). Входное напряжение может быть около 9 В.- 18 В, а выходное напряжение можно выбрать по необходимости в диапазоне примерно 3 — 50 В.
Выходное напряжение может быть как ниже, так и выше входного. Он подходит для широкого спектра целей, таких как питание оборудования
(ноутбуки, усилители, портативные телевизоры, USB-устройства 5 В, устройства 24 В …)
от бортовой сети 12В автомобильного аккумулятора или солнечной батареи, зарядка аккумуляторов от солнечных батарей и так далее.
Описание схемы: Инвертор DC/DC построен по топологии интегрального инвертора Cuk (в моем
статья о преобразователях
является топологией F). В качестве схемы управления IO1 используется известная микросхема UC3843 (щелкните для просмотра описания в формате PDF).
В инверторе используется трансформатор (если хотите двойной дроссель) Tr1. Он должен иметь коэффициент поворота ровно 1:1. Он намотан двумя одинаковыми проводами одновременно на
железно-порошковый (железная пыль) тороидальный сердечник (кольцо). Подойдет желто-белая жила (материал 26) или зелено-синяя жила (материал 52). Оба материала имеют проницаемость 75. Сердечники можно получить, например, из ПК.
AT или ATX или от других SMPS или импульсных преобразователей мощности.
Диаметр провода, количество витков и размер сердечника зависят от выходного напряжения и мощности. Пример трансформера вы можете увидеть на фотографиях ниже.
Выходное напряжение определяется резистором R1. Вы можете рассчитать желаемое выходное напряжение по формуле:
R1 = (U из — 2,5) . 1880 г.
Напряжение в вольтах, сопротивление в омах. Внимание — Никогда не включайте питание без резистора R1!
Номинальное напряжение C8 и C9 выбирают в соответствии с выходным напряжением. Мощность C1, C2, C6, C8 и C9 можно регулировать в зависимости от желаемой мощности инвертора.
C1, C6 и C8 должны быть с низким ESR. T1 представляет собой низковольтный полевой МОП-транзистор N-типа с минимально возможным сопротивлением в закрытом состоянии. T1 и D1 во время работы видят сумму входного и выходного напряжения и должны быть рассчитаны как минимум в 1,25 раза больше максимального предполагаемого напряжения.
Рабочая частота около 90-95 кГц. Инвертор подходит для мощности от нескольких ватт до десятков ватт.
Требуемые параметры должны быть адаптированы к силовым компонентам (D1, T1, Tr1 и электролиты). Для более высокой мощности также поместите
T1 и D1 на радиаторе. R2 определяет порог ограничения тока. Если этот порог выбран в соответствии с используемыми силовыми компонентами
и охлаждения, преобразователь постоянного тока устойчив к перегрузкам и короткому замыканию.
Принципиальная схема универсального DC/DC преобразователя.
преобразователь с выходным напряжением 5В.
Тестирование DC/DC преобразователя с входным напряжением 12В, выходным напряжением 5В и током 3А, мощностью 15Вт.
T1 — 09N03LA (SMD), D1 — SBL2045CT.
Тестирование преобразователя — входное напряжение 12В, выходное напряжение 15В и ток 4А, выходная мощность 60Вт.
