Основные особенности данной схемы:

• Использование TOP227 в качестве силового ключа и контроллера
• Высокочастотный трансформатор для гальванической развязки
• Выпрямитель на быстрых диодах Шоттки
• LC-фильтр на выходе для сглаживания пульсаций
• Оптронная развязка в цепи обратной связи

Такая схема позволяет получить стабильное выходное напряжение 15В при входном напряжении 48В с обеспечением гальванической развязки.

Особенности проектирования DC-DC преобразователей с гальванической развязкой

При разработке DC-DC преобразователей с гальванической развязкой необходимо учитывать ряд важных моментов:

• Правильный выбор топологии преобразователя (обратноходовой, прямоходовой и т.д.)
• Расчет и проектирование трансформатора с учетом требуемой мощности
• Выбор частоты преобразования для оптимизации габаритов и КПД
• Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС)
• Реализация эффективного отвода тепла от силовых компонентов
• Выбор компонентов с запасом по напряжению и току

Грамотный подход к проектированию позволяет создать надежный и эффективный преобразователь с высоким КПД.

Применение DC-DC преобразователей с гальванической развязкой

DC-DC преобразователи с гальванической развязкой находят широкое применение в различных областях:

• Телекоммуникационное оборудование
• Промышленная автоматика
• Медицинская техника
• Системы бесперебойного питания
• Зарядные устройства
• Автомобильная электроника

Везде, где требуется преобразование напряжения с обеспечением электрической изоляции между входом и выходом, находят применение подобные преобразователи.

Заключение

DC-DC преобразователи с гальванической развязкой являются важным элементом современной силовой электроники. Они позволяют эффективно и безопасно преобразовывать напряжение, обеспечивая при этом электрическую изоляцию. Использование специализированных микросхем типа TOP22x значительно упрощает разработку таких преобразователей, позволяя создавать компактные и надежные устройства.

Преобразователи напряжения, компактные, мощные, с гальванической развязкой

Сначала о том, зачем вообще нужны подобные преобразователи.
1. Для получающего распространение электротранспорта, скутеров, велосипедов и т.п.
2. Для питания устройств имеющих повышенные требования к надежности преобразователя.

Меня неоднократно спрашивали по поводу преобразователей для использования в мелком электротранспорте, батарея там часто имеет напряжение около 60 Вольт и большинство продаваемых преобразователей не могут работать при таком напряжении.
Кроме того стоит вопрос о защите от пробоя ключевого транзистора если речь идет о StepDown, потому я обычно советовал покупать преобразователь с гальванической развязкой, но не из-за развязки как таковой, а из-за того, что у таких преобразователей шанс получить что-то опасное на выходе на порядки ниже.

В общем заказал я три варианта преобразователей, тем более цена реально копеечная. Два заказывались у одного продавца и один у второго, собственно потому пришли в двух пакетах. При этом каждый преобразователь лежал в родной ячейке вырезанной из вспененного полиэтилена, собственно изначально они и идут в таких ячейках, только больших.

Итак представляю участников теста.
1. RBQ-31251 — Выходное 9.7 Вольта, ток до 40 Ампер, цена $2.81, ссылка.
2. QBW018A0B, Выходное 12 Вольт, ток до 18 Ампер, цена $5.47, ссылка
3. RBQ-8,2/45 — Выходное 8.2 Вольта, ток до 45 Ампер, цена $3.12, ссылка.

Все преобразователи согласно даташитам (о них позже) имеют одинаковый диапазон входного напряжения 36-75 Вольт и одинаковый размер 57.9 х 36,8мм, а как минимум два соответствуют индустриальному стандарту Quarter brick: (57.9x 36.810.6 mm).

Блочки увесистые, от 50 до почти 100 грамм.

Начну описание с моделей RBQ-31251 и RBQ-8,2/45. Изначально я не обратил внимания, но уже при получении понял, что по сути это одна и та же модель, отличающаяся только выходным напряжением и наличием радиатора у RBQ-31251.

Снизу платы полностью идентичны.

Можно было бы предположить, что и маркировка должна быть очень похожа, но нет, общего у них только фирма производитель и серия — RBQ.

Первым идет RBQ-8,2/45, сначала описание с даташита производителя. Даташит не конкретно на эту модель, а на другую, но из той же серии. Кстати, в даташите стоит пометка — Discontinued, т.е. официально данный преобразователь не производится и продаются складские залежи.

А вот так он выглядит в реальности.

Размеры печатной платы и назначение контактов.

При довольно простой функциональности устройства компонентов установлено довольно много, при этом часть из них закрыта небольшим радиатором.

Трансформатор и дроссель дополнительно зафиксированы герметиком.

Контакты довольно мощные, при этом явно медь и судя по всему имеется золочение, но какая же у них теплопроводность… Мне пришлось взять мощный паяльник чтобы припаять тестовые провода к выходным контактам, при этом был заметен нагрев большей части платы.
Слева вход, справа выход.

Со стороны входа три контакта, средний — включение преобразователя и здесь сделаю небольшую оговорку, есть преобразователи включаемые единицей, а есть нулем, зависит от индекса. Я поначалу подал питание на первый преобразователь, но не работает, потом на второй, подумал уже что брак. Когда не захотел работать и третий, то здесь уже стало понятно что просто я делаю что-то не так. Выяснилось что включаются данные модели нулем, т.е. для включения надо соединить средний контакт с минусом входа.

Виной всему схема из даташита, где показана логика для другого типа сигнала управления 🙂

Управляет работой блока питания ШИМ контроллер LM5035.

При этом данный контроллер управляет не только первичной, а и вторичной стороной, а точнее работой синхронного выпрямителя.

Насколько я могу судить, выходные транзисторы управляются через этот мелкий трансформатор.

По сути данная плата представляет собой обычный блок питания, только на низкое входное напряжение, есть привычный оптрон и межобмоточный конденсатор.
На вторичной стороне есть несколько мест под резисторы, предположу что таким образом задается выходное напряжение.

Кроме того на странице продавца есть несколько фото, где сначала показан резистор на плате, номиналом 2кОм.

А затем совет, мол если вместо этого резистора включить последовательно постоянный 1.5 кОм и переменный 4.7 кОм, то выходное напряжение можно менять в диапазоне 6-10 Вольт. Причем на странице преобразователя с 9.7 выходным диапазон 6-10. а с 8.2 Вольта смещен в меньшую сторону и составляет 3.4-8.7 Вольта, но резисторы нужны не 1.5 кОм + 4.7 кОм, а 2 и 10.

итого выходит:
Модель с выходным 9.7 Вольта можно регулировать в диапазоне 6-10 Вольт с резисторами 1.5 и 4.7 кОм.
Модель с выходным 8,2 Вольта можно регулировать в диапазоне 3.4-8.7 Вольта с резисторами 2 и 10 кОм.

На выходе стоят транзисторы AON6240, 40 Вольт, 85 Ампер, 1.6 мОм.
По входу FDMS86322, 80 Вольт, 60 Ампер, 7.65мОм.
Ну и еще всякие мелкие детальки.

Второй преобразователь представляет собой почти полную копию, ключевое отличие в том, что у него есть небольшой радиатор, закрывающий одну из сторон платы.

Под радиатором такая же плата как показано выше, фото со страницы товара.

Присутствуют дополнительные стойки, а выводы для подключения имеют увеличенную длину.

Думаю вы уже обратили внимание на непривычно толстую печатную плату. Измеренная толщина составляет около 3.5мм против 1.5мм у обычных плат и как вы понимаете, сделано это не просто так.

Все дело в том, что у данных преобразователей трансформатор и выходной дроссель интегрированы в печатную плату, т.е. здесь нет привычного провода, а его роль выполняет многослойная печатная плата.

Подобное решение встречается там, где надо получить компактное и высокоэффективное решение, а также в военной технике.

Преимуществ много.
1. Лучше связь между обмотками
2. Меньше индуктивность рассеяния
3. Возможность уменьшить толщину изделия
4. Выше технологичность.

При этом можно кроме обмоток интегрировать и их систему охлаждения, если так можно выразиться. Подробнее здесь.

Чаще всего используются Ш-образные магнитопроводы.

Кроме того есть несколько вариантов изготовления.
1. Трансформатор в виде отдельного изделия.
2. Также как п1, только магнитопровод утоплен в окно печатной платы.
3. Гибридный, часть обмоток в виде отдельной платы, часть в составе основной. На мой взгляд лучше подходит для высоковольтных изделий.
4. Полностью интегрированный трансформатор/дроссель, все обмотки являются частью основной платы. У обозреваемых преобразователей как раз этот вариант.

Для подобных применений выпускаются и специальные магнитопроводы, отличающиеся малой высотой. Более подробно почитать можно здесь, очень полезная статья на сайте одной харьковской фирмы.

Выше я написал по поводу улучшения связи между обмотками, попробую буквально в нескольких словах объяснить этот нюанс.
1. Самый неправильный вариант расположения обмоток, на разных частях одного магнитопровода. Для импульсной техники не подходит. Если вы попробуете так сделать какой нибудь трансформатор для импульсного БП, то скорее всего жизнь у него будет яркой, но недолгой.

А дальше идет вид в разрезе каркаса и показаны слои обмоток.
2. Самый простой вариант, одна обмотка над другой, работает, но на малых мощностях. Собственно проблемы не зависят от мощности, просто при большой мощности они ярче проявляются, обычно в виде повышенного нагрева снаббера (гасителя паразитных выбросов) так как из-за плохой связи между обмотками энергия медленнее переходит в нагрузку и довольно большая часть уходит в первичную сторону (я сильно упростил).
3. Чтобы улучшить ситуацию, часто мотают сначала первую часть первичной обмотки, потом вторичную, а затем вторую часть первичной. При этом первичная обмотка как бы «обнимает» вторичную и обеспечивает лучше связь между обмотками, т.е. в момент переключения транзистора инвертора в нагрузку ток пойдет быстрее (если можно так выразиться) и снабберу достанется меньше.
4. А это пример «намотки» планарного трансформатора, можно добиться того, чего почти никогда не делают в обычных трансформаторах, многослойного бутерброда. Дело в том, что при обычной намотке такое реализовать сложно технологически, зато для планарного трансформатора это не представляет сложности. Здесь связь между обмотками почти идеальна, соответственно у такого решения выше КПД, а также меньше выбросы в первичную сторону и меньше работы снабберу.

Кстати, неправильная намотка трансформатора это частая ошибка новичков, которые еще не понимают, что важно не только соотношение витков обмоток, а и их правильная укладка, причем чем мощнее БП, тем эта проблема вылазит сильнее. Собственно это примерно то же самое что трассировка печатной платы, где надо не только соединить компоненты согласно схеме, а и учесть взаимное влияние дорожек друг на друга.

Перейдем ко второму типу преобразователя, в данном случае он рассчитан на более популярное напряжение — 12 Вольт и обеспечивает ток до 18 Ампер.
В данном случае ситуация немного проще, есть родной даташит.

Внешний вид не сильно отличается от предыдущего, формфактор тот же, как и входное напряжение.

Кстати насчет входного напряжения, в описании указан диапазон 36-75 Вольт, при этом в графе — максимальные значения указано также 75 Вольт и 80 Вольт если преобразователь находится в «спящем» режиме. Некоторые продавцы не советуют подавать больше чем 60 Вольт, я бы рекомендовал ограничиться напряжением 65, максимум 70.

Трансформатор здесь поменьше, но и мощность ниже почти в два раза, около 200 Ватт.

Радиаторов на плате здесь уже нет.

Так как формфактор преобразователя стандартен, то соответственно и размеры такие же как у предыдущего.

Контакты для подключения здесь уже немного попроще, что любопытно, торец вывода проводит ток, но при этом внутри выглядит как текстолитовый стержень обернутый фольгой, не паяется, но имеет отличную теплопроводность.

Плата имеет точно такое же расположение контактов и их назначение, т.е. можно выпаять один модуль и спокойно запаять другой если нужны иные параметры.

Кроме того у преобразователей подобного типа есть иногда и возможность параллельного включения, для чего в некоторых модификациях есть соответствующий контакт для синхронизации работы. В итоге платы можно собирать в виде бутерброда.
Кстати, когда искал пример, попалась плата как была показана ранее, производства Murata.

Как я уже писал, радиаторов здесь нет, потому все компоненты «как на ладони». Слева входная часть, справа выходная.

Выше на фото видна маркировка модуля, интересно что сначала я нашел даташит на такой же модуль, но другого производителя и уже потом скачал даташит со страницы продавца, как говорится — найдите отличия.
Хотя даташит от Tyco выпущен на 4 года раньше, да и вообще получается интересная ситуация, вот уже 14 лет как производятся интересные высокоэффективные преобразователи напряжения, а «в массы» идет обычно нечто в суперэконом вариантах.

Здесь также применен планарный трансформатор и дроссель.

По компонентам сказать особо нечего, отмечу лишь то, что плата имеет два оптрона, один для обратной связи, второй для защиты от превышения напряжения на выходе.

Ну а теперь тесты и начну я с модели RBQ-8,2/45, модель RBQ-31251 проверять особо смысла не вижу так как они как близнецы, ну разве что в варианте с радиатором можно будет снять мощность немного побольше без принудительного охлаждения.

И сразу небольшое расстройство, потребляемая мощность.
В дежурном режиме потребление около полуватта, чем выше входное напряжение, тем меньше потребляемая мощность. На мой взгляд многовато, особенно при автономном питании. Кроме того наделся что можно использовать вход старта именно для перевода в микропотребляющий режим, а не размыкать цепь питания. Вы возможно спросите, а почему не рвать просто цепь питания. Так вот в этом и есть проблема, контакты обычных выключателей и реле рассчитаны максимум на 30 Вольт постоянного тока. а здесь элементарно может быть в два раза больше.

Соединяем вход управления с минусом питания и преобразователь стартует. На выходе 8.271 Вольта.

А вот мощность, потребляемая без нагрузки меня реально удивила, около 4 Ватт, причем с ростом входного напряжения ток падает, но мощность все равно немного растет.
Примерно то же самое происходит и под нагрузкой, при снижении входного напряжения мощность немного снижается, при повышении растет.

Теперь можно грубо оценить КПД и зависимость выходного напряжения от тока потребления.
На входе имеем 70.3 Ватта, на выходе 65.1 при токе потребления почти 8 Ампер, КПД получается около 92.6%
При токе 16 Ампер на входе 136.7 Ватта, на выходе 130.8, КПД около 95.7%

Через 20 минут преобразователь нагрелся почти до 90 градусов, дальше рост температуры остановился.

Для проверки при больших токах потребления мне пришлось взять более мощный блок питания и нагрузку которая может нагружать током до 40 Ампер при мощности до 300 Ватт.
В итоге
Ток по выходу 23.9 Ампера. напряжение 8.195 Вольта, КПД около 98%
При токе 31.9 Ампера напряжение просело до 8.163 Вольта, КПД получился 97.7%

При таких мощностях требуется уже активное охлаждение, преобразователь хоть и имеет высокий КПД, но через некоторое время начинает перегреваться.

И максимум что я смог нагрузить, ток 37.9 Ампера. мощность около 300 Ватт, КПД примерно 97.9%

Конечно расчет КПД имеет большую погрешность так как влияет точность измерения сразу четырех параметров, но все равно результат неплох.

При обдуве небольшим вентилятором и выходной мощности 300 Ватт температура составила около 60 градусов.

Размах пульсаций и их форма почти никак не отличатся что без нагрузки, что при токе в 38 Ампер.
Осциллограммы получены при токе — 0, 8, 16, 24, 32, 38 Ампер.

Тесты второго преобразователя будут немного короче.
1. В «спящем» режиме он потребляет в два раза больше, что весьма грустно 🙁
2, 3, 4. В режиме работы без нагрузки потребляемая мощность больше чем у предыдущего и также зависит от входного напряжения.

Без нагрузки выходное напряжение немного выше заявленного и составляет почти 12.2 Вольта.

КПД и выходное напряжение при токе нагрузки 6, 12 и 18 Ампер.
1. 95,4%
2. 95%
3. 95.5%

Форма и размах пульсаций вообще никак не меняется что при работе без нагрузки, что при максимальном токе и составляет около 100 мВ.

Тест на перегрев проходил при токе в 10 Ампер с пассивным охлаждением.

Результаты так себе, примерно через 15 минут преобразователь прогрелся до 102 градусов, еще через некоторое время до 111, дальше температура почти не менялась.

Прогрев влияет и на выходное напряжение, в холодном и горячем состоянии разница составила около 0.1 Вольта.

При половинной нагрузке преобразователь стабильно работает в диапазоне 36-60 Вольт, при этом в диапазоне 48-60 Вольт потребление никак не меняется, а при 36 немного падает.

А вот при полной нагрузке преобразователь стабильно работал только при 44-45 Вольт на входе, если понизить еще, то срабатывала защита. Потребляемая мощность (а следовательно и КПД) в диапазоне 45-60 Вольт одинакова.

Кроме всего прочего второй преобразователь был случайно проверен на защиту от КЗ, отработала на ура, преобразователь ушел в защиту и ждал пока ему перезапустят питание.

Есть версии подобных преобразователей и с более габаритным радиатором, которые могут отдавать до 500 Ватт.

Пора подвести итоги. Вообще когда начинал писать обзор, то думал что он будет раза в три короче, но как-то неожиданно разросся 🙁

Теперь по преобразователям.
У первого не очень удобные варианты выходных напряжений, но по крайней мере они были в наличии и стоили недорого. Зато в данном случае это фирменные устройства с высоким КПД, большим выходным током и качественной сборкой.
При комнатной температуре RBQ-8,2/45 может отдавать до 15-16 Ампер без дополнительного охлаждения.
С RBQ-31251 думаю можно рассчитывать на 20-, может даже 25 Ампер так как у него имеется дополнительный радиатор.
Ну а по поводу цены вообще речи нет, за эти деньги обычно продают что нибудь на базе китайских ШИМ контроллеров и с худшими параметрами.

А вот с QBW018A0B (12 Вольт 18 Ампер) ситуация похуже, думаю что без принудительного охлаждения вряд ли получится долго снимать более 8 Ампер. Как вариант, можно установить на него радиатор.

По всем преобразователям есть только одно существенное нарекание, ток потребления в «дежурном» режиме и в рабочем без нагрузки. На мой взгляд 0.5-1 Ватт в выключенном состоянии и около 4 без нагрузки это очень много и если с первым еще как-то можно смириться, да даже просто поставить электронный выключатель, то вот второе исправить не получится, данные модели явно ориентированы на работы при больших токах.

На этом у меня все, надеюсь что добыл полезную информацию и возможно она будет кому нибудь полезна.

Спонсором данного обзора выступил посредник yoybuy.com, который взял на себя оплату доставки.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

mysku.ru

Проектирование маломощного DC-DC для организации дежурного питания. Часть 3 / Habr

Пролог

Задача, которую необходимо решить

Помните! Во всех последующих схемах будет высокое напряжение! Вам стоит очень осторожно работать, если надумаете повторять.

Как можно реализовать гальваническую развязку:

2) Использую оптроны. Данный метод реализует оптическую развязку, применяется он в управляющих цепях. Устроен оптрон просто — внутри него находится светодиод и фототранзистор. Они ничем не связаны, кроме светового потока. Когда мы зажигаем светодиод оптрона, он освещает фототранзистор и он уже пропускает ток. Развязка тут очевидна! Свет никак не пропускает электричество, поэтому две половины оптрона никак не связаны электрически.
Такой финт ушами схемотехнический прием позволяет нам в случае поломки силовой части не дать высокому напряжению попасть на управляющие микросхемы, а они у нас дорогие. Максимум сгорят оптроны, вернее фототранзистор в нем. Нам придется заменить в управление всего одну деталь вместо целой платы с десятками элементов.

Рисунок 2 — Оптрон РС817 как средство развязки управляющей цепи

Вернемся к задаче… Сравнивая текст выше с нашей задумкой об ИБП, я думаю вы уже догадались, что гальваническая развязка нам понадобится во всех силовых блоках. Что нам нужно сделать:

1) Развязать вход ИБП с DC шиной на которой сидят аккумуляторы, представьте себе что они скажут если вместо 56 В они получат 310 В — явно не спасибо;

2) Развязать DC шину с выходом устройства, постоянный ток нам там не нужен, а 230 В переменки на АКБ тем более;

3) Изолировать электрически все управляющие модули (мозги) от высоковольтных цепей для их целости в случае аварии, а так же снижения уровня помех от силовых элементов.
Из тезисов выше необходимо сделать следующий вывод: нужно реализовать отдельное питание управляющих элементов и силовых узлов.

Для решения этой задачи нам понадобится 2 линии «+15 В»: одна будет питать платы управления, другая силовые ключи. Сразу уточню для чего нам надо +15 В в силовых модулях — полевой транзистор, как и IGBT открывается напряжением. Типичное напряжение необходимое для открытия ключа как раз 12-18В, мы выберем «золотую середину». Реализуем мы это просто — намотаем 2 вторичные обмотки, которые будут работать независимо друг от друга. Стабилизировать можно только один выход, т.к. обмотки идентичны и напряжения на них при равной скважности будут равны.

Рисунок 3 — Использование двух изолированных обмоток на одном трансформаторе

Так же нам стоит вспомнить, что сделав блок дежурного питания, который из входных 230В AC сделает на 15В DC мы не решим всей проблемы, т.к. в случае пропадания напряжение во входной сети мы останемся без наших 15 В и все наши управляющие элементы погаснут вместе с ИБП. Думаю такое устройство и ИБП будет сложно назвать.
Эту проблему можно решить несколькими путями, но я пойду по самому сложно (относительно) пути — дополнительный блок питания (DC-DC), который позволит нам преобразовать наши 48В DC в необходимые 15В DC. С задачей вроде все прояснилось:

а) AC-DC преобразователь 220 — 15 В, мощностью 60 В, что позволит нам без труда снять ток 4А, которого будет более чем достаточно в данном случае для открывания транзисторов;

б) DC-DC преобразователь 48 — 15 В, такой же мощностью в 60 Вт.

Понижающий обратноходовый DC-DC преобразователь

Теперь самая схема данного маломощного ИИП:

Пройдемся по схеме:

1) Предвидя вопрос «где мать его же ваш ККМ или PFC?», отвечу сразу — PFC у меня общий на все устройство и запитка этого ИИП от 230В идет после него, так что можно не ставить. Если вы будете использовать этот блок питания в других конструкциях, то входной фильтр все таки нужен, хотя бы ферритовое кольцо на провод питания;

2) Классический выпрямитель: диодный мост и электролитический конденсатор — дешево и сердито. Единственная особенность перед диодным мостом стоит конденсатор с маркировкой «Х1», что это такое подробно расскажет гугл, а я лишь скажу, что он отлично работает в борьбе с помехами и импульсами, а Х1 — это тип. Так что советую его ставить во всех ИИП на входе. После данного узла мы получим — 310 В постоянного напряжения. Ибо вся импульсная техника работает с постоянным током.

Рисунок 5 — Узел выпрямителя импульсного источника питания (ИИП)

3) Трансформатор имеет на своем борту 4 обмотки: 1 первичная + 2 вторичные + 1 самопитания. Обмотка самопитания не имеет гальванической развязки, т.к. не является выходной, поэтому «земля» высоковольтной части и данной обмотки объединены.

4) Узел с микросхемой TOP227. Тут особое внимание необходимо уделить разводке на плате цепи С8-R1: эти два элемента должны находиться как можно ближе к ноге С (control).

Рисунок 6 — Цепь обратной связи микросхемы TOP227

5) Параллельно первичной обмотке мы видим два хитрых диода: супрессор и импульсный диод. Обычно в этот момент налетают «профессионалы» с доказательствами уровня канала Рен-ТВ не аргументированным утверждением: «Надо ставить снаббер!» Ребята, снаббер действительно имеет смысл в сварочных инверторах для получения необходимой формы ВАХ. В ИИП настал век супрессоров. Эти 2 хитрых диода будут защищать нашу микросхему от выбросов ЭДС, которые могут превысить предельные 700 В для внутреннего ключа TOP227. Работают они просто: супрессор тот же стабилитрон, только быстрее и мощнее, поэтому он погасит все импульсы выше 400 В, а поможет ему в этом импульсный диод, который имеет очень маленькое время пробоя. Советую применять подобную связку во всех ИИП — это обезопасит ваши транзисторы, которые достаточно дорогие.

Рисунок 7 — Защита силового ключа от высоковольтных выбросов на первичной обмотке трансформатора

6) Выпрямители в данной схеме стандартные: однополупериодный выпрямитель из одного диода, электролит, дроссель и пара конденсаторов после. Такой достаточно простой выпрямитель и средняя ОС позволяют получить пульсации не выше 20-25 мВ. Однополупериодный выпрямитель — не самая эффективная штука, но он простой и на маленькой мощности занял свою заслуженную нишу.
Как мы видим у нас есть 3 «земли»: GND — высоковольтная сторона + обмотка самопитания, GND2 и GND3 — две независимые земли, такая схемотехника позволила получить 2 гальванически развязанные обмотки, как от сети, так и друг от друга. Одна будет питать цифровую часть, другая — силовую.

Рисунок 8 — Однополупериодный выпрямитель во вторичных цепях

7) Обратная связь по напряжению вполне себе «классическая» — построена она на легендарной TL431, схема из даташита на нее. R10 и R2 — образуют делитель напряжения, путем подстройки R2 можно изменять коэф. деления и соответственно напряжение на выходе. R6 и VD5 выполняют роль индикации напряжения на выходе для визуальной оценки работоспособности блока.

Рисунок 9 — Обратная связь по напряжению построенная на TL431 и PC817

8) Последнее что стоит упомянуть, а по важности первое, конденсаторы С7 и С13 объединяют «земли», это необходимо для стабильной работы ОС. Они не связывают «земли» гальванически. Так же упомяну, что это не простые конденсаторы, а тип «Y2». Подробно о них будет там же, где и о Х1. Этот конденсатор способен выдерживать высоковольтные пульсации, а так же выравнивает потенциалы на «землях».

Как это все работает

Приведу некую пародию на диаграмму состояний:

На схеме видно, что +310 В на первичную обмотку подается абсолютно всегда. Для того, чтобы протекал ток остается подключить «землю» на другой конец первичной обмотки. Возникнет разность потенциалов и ток потечет. Как мы видим на схемке, что выходной транзистор TOP227 принимает 2 состояния: открытое «1» — подключает землю к первичной обмотке, закрытое «0» — отключает землю от первичной обмотки и тем самым прерывает ток. Все эти изменения идут с частотой 100 кГц, то есть очень быстро. Ваш К.О.
В момент когда состояние «1», ключ открыт и в первичной обмотке протекает ток — идет запасание энергии, первичная обмотка как и обычный дроссель запасает энергию в магнитном поле. В этот момент на вторичных обмотках тока нету. Когда состояние меняется на «0» и ток в первичной обмотке перестает протекать, то происходит «выброс» энергии через сердечник во вторичную обмотку и там возникает ток благодаря ЭДС самоиндукции. В общем-то по первичной обмотке все.
Во вторичной мы получаем пульсирующий ток, чтобы получить его равномерным мы используем конденсаторы и дроссель. В момент состояния «0», когда ток во вторичной обмотке есть они запасают излишки энергии. Когда состояние «1» и тока во вторичных обмотках нету, то запасенная энергия из конденсаторов и дросселя начинает «высвобождаться» и создают ток — компенсируя его отсутствие в обмотке.
Фух… надеюсь объяснил понятно. Просьба тем, кто особо сильно соображает не кидаться тапками в некоторые псевдо-ляпы, они допущены лишь для выработки понимания работы импульсного трансформатора!

А теперь собственно к нему…

Рисунок 11 — Расчет параметров намотки для нашего трансформатора

Рисунок 12 — Наматываем первичную обмотку

Рисунок 13 — Намотали первичную обмотку

Рисунок 14 — Наматываем обмотку самопитания ИИП

Рисунок 15 — Намотали вторичные силовые обмотки, они уже в несколько проводов

Рисунок 16 — После намотки всех слоев изолируем, остается одеть сердечник и склеить его

Теперь к печатным платам:

Рисунок 17 — Верхний слой печатной платы

Рисунок 18 — Нижний слой печатной платы

Рисунок 19 — Выводим модель платы для выявления косяков шелкографии

Теперь вид первого прототипа, он кустарный (выполнен фоторезистом + сплав Вуда), был выполнен в одностороннем варианте и с одной вторичной силовой обмоткой. Именно на таких макетах все обкатывается. Фото конечно образца с заводскими платами и прочим будет в отдельной статье-фотосессии! А пока:

Рисунок 20-22 — Плата первого рабочего прототипа на котором удалось получить необходимый ток в 4А и 18 мВ пульсаций

Проектирование DC-DC преобразователя (48-60 В) в 15 В по топологии Push-Pull

Рисунок 23 — Принципиальная схема DC-DC преобразователя по топологии Push-Pull

Рисунок 24 — Таблица расчета трансформатора для преобразователя. Ток 1А выбран, т.к. этому модулю в случае отключения придется питать лишь половину блоков устройства

Рисунок 25 — Верхний слой платы

Рисунок 26 — Нижний слой платы

Рисунок 27 — Модель печатной платы для оценки корректности шелкографии

Эпилог

Спасибо всем кто читает и активно обсуждает мои статьи! Продолжение как всегда следует…

UPD

Выслушав критику и советы со стороны читателей решил добавить второй вариант разводки флайбэка.

Рисунок 28 — Нижняя сторона платы

Рисунок 29 — Верхняя сторона платы

Рисунок 30 — Плата без заливки полигонов

Часть 4.1
Часть 4.2
Часть 5
Часть 6

habr.com

Миниатюрное решение для изолированного DC/DC-преобразователя

При построении любого типа промышленных интерфейсов одним из вопросов, решаемых разработчиками, является вопрос о необходимости применения гальванической развязки. И в большинстве случаев ответ на данный вопрос зависит от необходимости решения таких задач, как повышение электробезопасности, уменьшение влияния синфазных помех, защита от высоковольтных воздействий, реализация разрыва «земляной» петли и т.п. Следующий вопрос, который приходиться решать после того, как выяснена необходимость реализации гальванической развязки и выбраны элементы для реализации изолированного интерфейса — как обеспечить питание сигнальной линии. На сегодняшний день для реализации изолированных DC/DC-преобразователей существует множество решений, но, в большинстве своем, для построения изолированного интерфейса необходимо бюджетное малогабаритное решение. Для такого применения Texas Instruments предлагает драйверы SN6501 и TPS55010. По применению микросхемы условно можно разделить по мощности нагрузки: SN6501 предназначена для мощностей менее 0,5 Вт, а TPS55010 — для мощностей менее 2 Вт. Отличия в выходной мощности определяются корпусом и внутренней схемой, так SN6501 выполнена по схеме двухтактного преобразователя в корпусе SOT23, а TPS55010 представляет собой драйвер трансформатора для реализации Flybuck-архитектуры и выполнена в 16-выводном QFN-корпусе (3х3 мм).

Общие сведения об SN6501

SN6501 — это драйвер трансформатора, разработанный для бюджетных малогабаритных изолированных DС/DC-преобразователей и реализующий двухтактную схему управления. Данный драйвер выполнен в корпусе SOT23-5. В состав микросхемы входят тактовый генератор, схема управления транзисторами и два N-канальных МОП-транзистора. Схема управления транзисторами включает частотный делитель и логическую схему, которая обеспечивает выходные комплементарные сигналы без перекрытия временных интервалов (рисунок 1).

Рис. 1. Блок-схема и временные диаграммы выходных сигналов SN6501

Выходная частота генератора подается на асинхронный делитель, который обеспечивает два комплиментарных выходных сигнала S и /S пониженной частоты со скважностью 50%. Последующая логика добавляет «мертвую зону» между высокими уровнями двух сигналов. Полученные в результате сигналы G1 и G2 представляют собой сигналы управления затворами выходных транзисторов Q1 и Q2. Как показано на рисунке 2, перед тем, как на любой из затворов подается управляющий сигнал (G1, G2) с уровнем логической единицы, в него добавляется короткий интервал, на протяжении которого оба сигнала находятся в «низком» состоянии, а оба транзистора, соответственно, в высокоимпедансном. Этот короткий период необходим для предотвращения замыкания между выводами первичной обмотки и обеспечивает режим работы без перекрытия временных интервалов.

Рис. 2. Форма выходных сигналов

Общие сведения о TPS55010

TPS55010 представляет собой драйвер трансформатора, предназначенный для работы по оригинальной Flybuck-топологии. Микросхема выполнена в малогабаритном корпусе QFN c термопадом. Внутренняя схема включает в себя регулируемый генератор (0,100…2 МГц), с возможностью синхронизации от внешнего сигнала, схему ШИМ, полумост, температурную защиту, защиту по напряжению (рисунок 3). Для установки выходного напряжения используется встроенный полумост с токовым управлением. Также в схеме предусмотрена возможность плавного запуска, что обеспечивается подсоединением конденсатора к выводу SS.

Рис. 3. Структурная схема TPS55010

При включении TPS55010 по топологии Flybuck трансформатор подключается так же, как в обратноходовом преобразователе, в то время как соотношение между входным и выходным напряжением определяется как у обычного понижающего трансформатора/преобразователя. Т.е выходное напряжение определяется напряжением первичной цепи, и нет необходимости в использовании дополнительной опторазвязки (рисунок 4). Высокая эффективность преобразователя (более 80%) определяется использованием встроенных MOSFET-транзисторов для реализации полумоста.

Рис. 4. Типовая схема включения TPS55010

С целью упрощения разработки для совместной работы с микросхемой TPS55010 доступны готовые трансформаторы, выпускаемые фирмой Wurth (#750311880 с коэффициентом трансформации 1:2,5 и гальванической развязкой 2,5 кВ, #750311780 с коэффициентом трансформации 1:8, биполярным выходом и гальванической развязкой 2 кВ).

Далее более подробно рассмотрим принцип работы двухтактного преобразователя, использующегося в SN6501, и особенности выбора компонентов.

Принцип работы двухтактного преобразователя

Одним из способов передачи напряжения с первичной во вторичную цепь в DC/DC-преобразователях является использование двухтактного преобразователя совместно с трансформатором с выводом от средней точки.

Принцип работы двухтактного преобразователя проиллюстрирован на рисунке 5. В первой фазе, когда Q₁ замкнут, напряжение V_IN создает условие для прохождения тока через нижнюю часть первичной обмотки, тем самым создавая негативное напряжение относительно средней точки. В тоже время, на верхней половине первичной обмотки напряжение положительно относительно средней точки и удерживает предыдущее значение тока через Q₂, который в текущем состоянии разомкнут. Таким образом, два источника напряжения, каждый из которых имеет напряжение V_IN, включены последовательно и создают потенциал, равный 2 V_IN относительно земли. Напряжение той же полярности, что в первичной обмотке, будет и во вторичной. Следовательно, диод CR₁ будет смещен в прямом направлении положительным потенциалом верхней части вторичной обмотки. Ток вторичной обмотки будет протекать через диод CR₁, заряжать конденсатор и возвращаться на заземленную среднюю точку через нагрузку R_L.

Рис. 5. Фазы переключения двухтактного преобразователя

Во второй фазе (рисунок 5), когда Q₂ замкнут, Q₁ переключается в высокоимпедансное состояние, и полярность напряжений в первичной и вторичной обмотках меняется. В данном случае нижний конец первичной обмотки находится под потенциалом 2 V_IN относительно земли. Теперь CR₂ смещен в прямом направлении, тогда как CR₁ обратно смещен, и ток протекает с нижнего конца вторичной обмотки, заряжая емкость через диод CR₂, и возвращается через нагрузку к центральному выводу.

Эффект намагничивания сердечника

Для уменьшения потерь источника питания в магнитном материале необходимо учитывать эффект намагничивания сердечника. На рисунке 6 показана кривая идеального намагничивания для двухтактного преобразователя, где B — плотность магнитного потока, а H — сила магнитного поля. Когда Q₁ находится в проводящем состоянии, магнитный поток меняется от А к А’, а когда Q₂ замыкается — поток возвращается обратно от А’ к А. Разница в потоке, а, соответственно, и плотность, пропорциональны произведению напряжения первичной обмотки V_P на время t_ON, в течение которого оно было приложено: B » V_P ґ t_ON.

Рис. 6. Кривая намагничивания сердечника и эффект саморегуляции положительным температурным коэффициентом «RDS-on»

Данное произведение важно, так как определяет намагниченность сердечника во время каждого цикла переключения. Если произведение напряжения и времени для двух фаз работы преобразователя не является идентичным, то несимметричность плотности потока приведет к смещению B-H-кривой относительно изначального положения. Если баланс не восстановить, то смещение будет увеличиваться с каждым последующим циклом, и постепенно трансформатор перейдет в область насыщения.

Однако, благодаря положительному температурному коэффициенту сопротивления канала МОП-транзистора, выходной транзистор SN6501 саморегулирует разбаланс «V ґ t». В случае большего времени ton протекающий ток постепенно нагревает транзистор, что ведет к увеличению R_DSon. Большее сопротивление приводит к увеличению V_DS. А так как напряжение первичной обмотки является разницей между постоянным входным напряжением V_IN и падением напряжения на МОП-транзисторе, V_P = V_IN — V_DS, напряжение V_P,постепенно уменьшается, тем самым восстанавливая баланс.

Рекомендации по разработке DC/DC-преобразователя

Ниже приведены рекомендации по выбору компонентов для разработки эффективного двухтактного преобразователя с высокой токовой нагрузкой.

Следует отметить, что, в противоположность популярному убеждению, выходное напряжение (V_OUT) нерегулируемого преобразователя значительно уменьшается при большом изменении тока нагрузки. Разница между V_OUT при минимальной нагрузке и V_OUT при максимальной нагрузке может превышать диапазон напряжения питания подключаемых микросхем. Поэтому для обеспечения стабильного, не зависящего от нагрузки, питания при сохранении максимально возможной эффективности рекомендуется совместно с двухтактным преобразователем использовать линейный регулятор с малым падением напряжения. Примеры схем преобразователя показаны на рисунках 8-13.

Рис. 8. Изолированный RS-485-интерфейс с питанием линии на SN6501

Рис. 9. Изолированный RS-485-интерфейс с питанием линии, реализованным на базе TPS55010

Рис. 10. Изолированный RS-232-интерфейс

Рис. 11. Изолированный цифровой интерфейс

Рис. 12. Система измерения температуры с изолированным SPI-интерфейсом

Рис. 13. Изолированный I²C-интерфейс для реализации системы сбора информации с 4 входами и 4 выходами

Выбор линейного LDO-регулятора

При выборе линейного регулятора напряжения необходимо учитывать следующие требования:

• Токовая нагрузочная способность регулятора должна немного превышать специфицированный ток нагрузки в изделии. Как пример- для тока нагрузки 100мА необходимо выбирать регулятор с токовой способностью 100…150мА. Хотя регулятор с большими токами также возможно использовать, однако это приведет к меньшей эффективности, так как обычно такие регуляторы имеют большее падение напряжения.

• Для получения максимальной эффективности внутреннее падение напряжения регулятора (V_DO) на рабочем токе нагрузки должно быть минимальным. Для бюджетных 150мА-регуляторов оно обычно равно ~150мВ на 100мА. При этом следует обратить внимание на то, для каких условий дано это значение, поскольку такое низкое значение, как правило, специфицируется при комнатной температуре и может увеличиваться в несколько раз при изменении температуры, что, в свою очередь, увеличивает требования к входному напряжению.

Минимальное входное напряжение, достаточное для поддержания работоспособности регулятора, определяется следующим образом: V_Imin = V_DOmax + V_OUTmax. То есть, чтобы определить требуемое в худшем случае V_I, мы должны взять максимальные значения V_DO и V_OUT, специфицированные для данного регулятора на заданном токе и сложить их вместе. Также следует убедиться, что выходное напряжение выпрямителя на заданную токовую нагрузку равняется или превышает V_Imin. В противном случае любое изменение на входе регулятора будет передаваться без изменений на выход, так как регулятор не сможет обеспечить стабилизацию и будет вести себя как обычный проводник.

Максимальное входное напряжение регулятора должно быть больше, чем напряжение на выходе выпрямителя без нагрузки. При соблюдении данного условия нет отражения тока в первичную обмотку, таким образом, нивелируется влияние падения напряжения на R_DSon и достигается максимальное напряжение на первичной обмотке. Тем самым достигается максимальное напряжение на вторичной обмотке: V_Smax = V_INmax ґ n, где V_INmax — максимальное входное напряжение преобразователя, а n — коэффициент трансформации. Таким образом, чтобы предотвратить возможное повреждение регулятора, его максимальное входное напряжение должно быть выше V_Smax. В таблице 1 показаны максимальные значения напряжения вторичной обмотки при различных коэффициентах трансформации, широко используемых в двухтактных преобразователях с выходным током 100 мА.

Таблица 1. Требуемые максимальные значения входных напряжений LDO для различных конфигураций двухтактного преобразователя

Выбор выпрямительного диода

Для обеспечения максимально возможного напряжения на выходе преобразователя, выпрямительный диод должен обладать малым прямым падением напряжения. Также, когда диод используется в режиме переключения с высокой частотой, например, для SN6501 — с частотой 450 кГц, он должен обеспечивать быстрое время восстановления. Диоды Шоттки обладают обоими этими свойствами, поэтому рекомендуется использовать их в устройствах двухтактного преобразователя. Примером такого диода может быть MBR0520L либо STP0520Z с типовым падением 300 мВ при токе 100 мА. Для больших выходных напряжений, таких как ±10 В и выше, подойдет MBR0530, обеспечивающий работу при напряжениях 30 В.

Выбор конденсатора

В представленных ниже схемах (рисунки 8…13), все емкости являются конденсаторами с многослойной керамикой (MLCC). В качестве развязывающего конденсатора по питанию используется емкость в диапазоне 10…100 нФ. Входной сглаживающий конденсатор, присоединенный к центральному выводу первичной обмотки, поддерживает в ней рабочие токи во время переключения. Для обеспечения минимальных выбросов этот конденсатор должен быть номиналом 10…22 мкФ. При двухсторонней разводке печатной платы со специально предусмотренной земляной шиной этот конденсатор должен располагаться рядом с центральным выводом обмотки, что обеспечит минимальную индуктивность проводника. При четырехслойной печатной плате с отдельными слоями «земли» и V_IN, конденсатор может быть установлен в точке подачи питания на плату. В этом случае, чтобы обеспечить минимальную индуктивность проводника при подключении конденсатора к слоям питания, необходимо использовать как минимум два параллельных переходных отверстия в каждой точке перехода.

Сглаживающий конденсатор на выходе выпрямителя обеспечивает минимальные выбросы выходного напряжения. Величина данного конденсатора должна быть порядка 10…22 мкФ. Конденсатор на входе регулятора является необязательным, хотя, исходя из практики аналоговых схем, использование малого номинала ~47…100 нФ позволяет улучшить подавление шумов и стабильность работы схемы при переходных процессах.

Выбор конденсатора на выходе регулятора зависит от требований к стабильности регулятора при заданной нагрузке. Данный конденсатор стабилизирует внутреннюю цепь управления и указывается в паспорте микросхемы. В большинстве случаев будет достаточным применение керамического конденсатора емкостью 4,7…10 мкФ с малым эффективным сопротивлением. Так для семейства TPS763xx достаточно использовать конденсатор 4,7 мкФ.

Выбор трансформатора

Одним из критериев выбора трансформатора изолированного DC/DC-преобразователя является произведение Vt. Правильно выбранная величина данного параметра позволит предотвратить насыщение катушки трансформатора. Для этого произведение Vt трансформатора должно быть больше, чем максимальное произведение Vt, прилагаемое драйвером. Максимальное напряжение, выдаваемое SN6501, это номинальное напряжение входа +10%. Максимальное время, в течение которого данное напряжение прикладывается к первичной обмотке драйвером SN6501- это полупериод минимально возможной частоты при заданном входном напряжении. Таким образом, минимальные требования к произведению Vt трансформатора определяются следующим соотношением:

,

Применительно к использованию драйвера SN6501, получаем:

для напряжения питания 3,3 В и

для напряжения питания 5 В.

Для большинства маломощных трансформаторов с выводом средней точки значения параметра Vt находятся в диапазоне 22…150В мкс при типовых размерах 10х12мм. В то же время трансформаторы, разработанные специально для PCMCIA, обеспечивают наименьшие значения 11В мкс и поставляются в значительно уменьшенном размере 6х6мм.

Несмотря на то, что большинство доступных трансформаторов удовлетворяют требованиям к Vt и могут использоваться совместно с SN6501, перед окончательным выбором трансформатора в разрабатываемый источник следует также учесть другие важные параметры, такие как напряжение изоляции, мощность трансформатора, коэффициент трансформации.

В зависимости от требований изделия к величине гальванической развязки выбирается трансформатор, обеспечивающий необходимую изоляцию в диапазоне 0,5…6 кВ.

Также трансформатор должен обладать коэффициентом трансформации, который позволит разрабатываемому преобразователю работать при необходимых токах нагрузки и во всем диапазоне температур.

Минимальный коэффициент трансформации определяется отношением минимального напряжения во вторичной обмотке к минимальному напряжению в первичной обмотке, умноженному на корректирующий коэффициент, который учитывает эффективность трансформатора:

Значение V_Smin (рисунок 7) должно быть таким, чтобы при максимальном падении на диоде V_Fmax обеспечить достаточное напряжение на входе регулятора для его дальнейшей работы.

Рис. 7. Схема к расчету минимального коэффициента трансформации

Используя данные из предыдущего раздела для вычисления минимального входного напряжения регулятора и добавляя к этому значению V_Fmax, получаем минимально необходимое напряжение вторичной обмотки.

Для расчета минимального напряжения в первичной обмотке V_Pmin необходимо вычесть максимально возможное напряжение «сток-исток» транзисторного ключа V_DSmax, из минимально возможного напряжения на центральном выводе V_INmin. В то же время следует учесть, что V_DSmax является произведением максимального значения R_DSon и I_D для заданного напряжения питания.

Таким образом, получаем:

Используя выражения для V_Pmin и V_Smin, получаем выражение для расчета минимального коэффициента трансформации:

Как пример расчета минимального коэффициента трансформации возьмем схему преобразователя с входным напряжением V_IN = 3,3 В и выходным напряжением V_OUT = 5 В. В качестве остальных элементов схемы выберем выпрямительный диод MBR0520L и линейный стабилизатор TPS76350. Из спецификаций на устройства для нагрузки 100 мА и температуры 85С° получаем следующие значения: V_Fmax = 0,2 В, V_DOmax = 0,2 В, V_OUTmax = 5,175 В. Так как напряжения питания SN6501 — 3,3 В, получаем V_INmin = 3,234 В, также из спецификации на SN6501 берем значения R_DSmax = 3 Ом и I_Dmax = 150 мА. Подставляя вышеперечисленные данные в формулу для коэффициента трансформации, получаем минимальное значение:

Большинство доступных коммерческих трансформаторов для двухтактных преобразователей из 3…5 В имеют коэффициент трансформации 2,0…2,3, с точностью ±3%

Примеры готовых трансформаторов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Трансформаторы для использования с SN6501  

Примеры готовых решений

На рисунках 8…13 приведены схемы применения SN6501 и TPS55010 для реализации изолированных интерфейсов в системах с напряжением питания 3,3 В. Для систем с 5 В-питанием необходимо будет только изменить коэффициент трансформации и подобрать нужный регулятор там, где это требуется.

Примеры реализации изолированных интерфейсов RS-485 для коммуникации с контроллером MSP430, построенных на базе трансиверов ISO3082/88, показаны на рисунках 8 и 9. Более подробную информацию о трансиверах для реализации промышленных интерфейсов вы найдете в отдельной статье номера.

На рисунках 10…13 показаны примеры реализации коммуникации с контроллерами MSP430 при помощи микросхем цифровых изоляторов ISO7242, ISO7641, ISO1541.

В приведенных примерах для стабилизации изолированного выходного напряжения 5 В используются различные типы линейных регуляторов TPS76350, LP2985-50, LP2981-50, принципы выбора которых описаны в статье ранее. Следует также отметить использование источников прецизионного опорного напряжения REF5025 и REF5040 (рисунки 12, 13), использование которых совместно с ЦАП/АЦП позволяет разрабатывать высокоточные системы измерения.

Выводы

Использование компактных драйверов SN6501(SOT23-5) и TPS55010 (QFN16) совместно с доступными низкопрофильными трансформаторами позволяет реализовать простое малогабаритное решение гальванически развязанного источника питания. Такое решение успешно используется для обеспечения питания различного типа промышленных интерфейсов (CAN, RS-485, SPI и т.д.). Для обеспечения быстрой разработки гальванически развязанных интерфейсов и проверки функциональности данного решения Texas Instruments предоставляет как образцы самих драйверов, так и типовые проекты и отладочные платы.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: [email protected]

Наши информационные каналы

www.compel.ru

Корпусированные DC/DC-преобразователи с гальванической развязкой — Продукция

www.prosoft.ru

Пара небольших преобразователей напряжения с гальванической развязкой и двуполярным выходом

Начну с того, почему я их купил.
В процессе подготовки базы для новой электронной нагрузки решил что хорошо бы аналоговую часть питать все таки от двуполярного напряжения, что сразу снимает сложности при работе с очень малыми напряжениями, которые будут на токоизмерительных шунтах во время измерения малых токов. Ну а чтобы не привязываться к общей земле, взял те что с гальванической развязкой. Кроме того понравилась цена.

Вообще было заказано три типа преобразователей, но третий тип не соответствует заголовку так как не имеет ни гальванической развязки, ни двуполярного выхода (хотя самих напряжений два), потому о нем я расскажу в следующий раз.
Упаковано все в привычные прозрачные пакеты.

Первым идет Tyco ME005BK, покупал пару, один стоит около 1.33-1.4 доллара (на момент покупки 1.25 доллара) — ссылка.

Преобразователь фирменный, соответственно есть полный даташит, но если коротко, то:
Входное напряжение — 48 Вольт
Полный диапазон входного напряжения — 39.5-60 Вольт
Выходное напряжение — +-12 Вольт
Выходной ток — 210мА

Как можно заметить, в отличие от показанных ранее преобразователей данная модель ориентирована на работу с одним «базовым» напряжением — 48 Вольт, потому все тесты будут проходить именно при этом напряжении.

Упакован преобразователь в небольшой корпус, залитый снизу мягким компаундом.

Габаритный чертеж.

Преобразователи выпускаются (скорее выпускались) с разными выходными напряжениями, причем как в однополярном, так и двуполярном исполнении, мой вариант выделен.

Собственно тестов будет не очень много, постараюсь как-то относительно кратко.
Для начала проверил перегрузочную способность, выход подключен полностью, т.е. 24 Вольта.
При заявленных 210мА преобразователь спокойно выдает 300, но при большем токе уходит в защиту. Напряжение при этом держится очень стабильно, проседая только при перегрузке.

Без нагрузки потребление составляет около 0.45 Ватта, дальше соответственно при токе 100-150-210-250-300мА.

И в виде таблицы.

Еще одним тестом идет проверка стабилизации напряжения при 100% несимметричности нагрузки, т.е. один полюс нагружен полностью, второй без нагрузки.
1, 2. Положительный полюс измеряем, отрицательный нагружаем, слева без нагрузки.
3, 4. Отрицательный измеряем, положительный нагружаем.

При этом в первом случае напряжение на нагруженном канале было 11.64 Вольта, во втором 11.11.

Лично на мой взгляд результат очень неплох, тем более что я не планирую использовать его в таком режиме.

Несколько осциллограмм.
1. 12 Вольт без нагрузки
2. 24 Вольта без нагрузки
3. 12 Вольт с полной нагрузкой
4. 24 Вольта с полной нагрузкой.

Осциллограммы отрицательного и положительного полюса не отличаются, потому привожу только положительный.
Не скажу что результат хороший, но даже меньше заявленного в даташите.

В работе теплый, слева примерно после 10 минут, справа спустя еще 20 минут.

Второй модуль производства Martek power, он в три раза мощнее, рассчитан на более широкий диапазон входного напряжения 36-75 Вольт, но на выходе имеет те же +-12 Вольт, стоит сейчас около 0.9 доллара (на момент заказа 1.56) — ссылка.
Внешне довольно сильно похож на предыдущий преобразователь, но здесь корпус не герметичный, есть отверстия для вентиляции, но здесь и мощность в 3 раза больше.

Общие технические характеристики из даташита.

Выпускается преобразователь под три варианта входного напряжения — 12, 24 и 48 Вольт и под три варианта выходного +-5, 12 и 15 Вольт, итого 9 моделей
В моем случае модель со входным 48 и выходным +- 12 Вольт

Габаритные размеры модуля и расположение контактов.
Кроме того есть два варианта исполнения, с возможностью отключения и без, у меня полный вариант, т.е. со входом управления.

При трехкратной разнице в мощности он имеет почти такие же размеры что и предыдущий.

Вскрытие показало, что пациент умер от вскрытия верхняя часть корпуса одновременно является радиатором, довольно продуманная конструкция.

Чуть детальнее.

Логика работы управляющего входа отличается от тех преобразователей, которые я показывал ранее.
1. Вход инверсный, включается подачей напряжения
2. При отключенном входе управления преобразователь работает, но я все равно на всякий случай соединил потом управляющий вход с + питания.

1, 2. Потребление в дежурном режиме при 36 и 62 Вольта
3, 4. Потребление в рабочем режиме без нагрузки при 36 и 62 Вольта.

При заявленном выходном токе 630мА тянет спокойно до 800 мА, дальше уход в защиту, но до этого момента все просто идеально.

А вот при нагрузке только по одному выходу как-то не очень красиво работает.
1, 2. Измеряем положительный полюс, нагружаем отрицательный, слева напряжение без нагрузки. При этом на нагруженном напряжение просело до 10.67 Вольта, а на не нагруженном поднялось до 13.44
3, 4. Измеряем отрицательный полюс, нагружаем положительный. Вот здесь и вылезла проблема, при токе нагрузки 500-600 мА преобразователь уходит в защиту, если нагрузить на ток 400мА то работает но на не нагруженном поднимается выше 16 Вольт, а на нагруженном падает до 7.9.

Понятно что данные преобразователи скорее всего рассчитывали на равномерную нагрузку, но как-то уж совсем большой перекос выходит.

Потребление при разных токах нагрузки (25, 50 и 100%) и входном напряжении 36 и 60 Вольт.

КПД в виде таблицы и графика.

Так как здесь по одному каналу нагружать было не очень удобно, измерял общее напряжение, осциллограммы при 0, 33, 6 и 100% нагрузки, входное напряжение 48 Вольт.
Кроме того параллельно выходам были установлены конденсаторы 100мкФ 25 Вольт Samwha RD, так как и описании модуля было указано что необходимы внешние конденсаторы.
Присутствует ярко выраженный всплеск, хотя основной размах не такой и большой, думаю что в данном случае простейший LC фильтр сильно улучшит картину, но вполне может быть что он образовался из-за земляной петли с электронной нагрузкой.
Даташит декларирует размах до 60мВ, но как я понимаю, при напряжении 12 Вольт (один полюс).

Нагрев модуля при полной нагрузке через 10 минут после включения и еще через 17, максимальная температура составила 85 градусов. Входное напряжение было 48 Вольт.

Не могу сказать, блоки БУ или просто из старых запасов, так как даташит на первый датируется 2008 годом, а на самих блоках дата выпуска не указана. При их цене на мой взгляд результат неплохой. В плане нагрузочной способности все с запасом, пульсации могли бы быть и поменьше, придется ставить по выходу фильтры, но это я делал бы в любом случае. В остальном меня все устроило.
Первый модуль весит 24 грамма, второй 16 грамм, потому наверное вторые более выгодны как в плане соотношения цена/мощность, так и в плане стоимости доставки.

На этом у меня все, надеюсь что обзор был полезен.

www.kirich.blog

Мощный DC-DC преобразователь | Поделки своими руками для автолюбителей

Сегодня рассмотрим очередной DC-DC преобразователь напряжения который позволит заряжать или питать ноутбук от автомобильной бортовой сети 12 вольт.  Схем похожих преобразователей в сети очень много, мы рассмотрим на мой взгляд один из лучших вариантов.  Ещё инверторы такого планы часто применяются для питания мощных светодиодов от пониженного источника поэтому некоторые образцы имеют функцию ограничения тока.

Зачем делать то, что можно купить, ещё и за несколько долларов, такие вопросы задают многие люди…, отвечу просто,  во-первых, собрать своими руками гораздо быстрее, чем ждать пару месяцев посылку из Китая и, во-вторых ничто не сравнится с той радостью, которую приносит работа конструкции которою ты создал собственными руками.  Плюс ко всему наша конструкция будет надёжная.

Давайте рассмотрим схему и принцип её работы.

Это однотактный, повышающий стабилизатор напряжения с защитой от коротких замыканий, в просто народи — Бустер. Принцип работы схож с обратно — ходовым преобразователем, но у последнего дроссель состоит минимум из двух обмоток и между ними имеется гальваническая развязка.

Основой схемы является популярнейший однотактный ШИМ-контроллер из семейства UC38, в данном случае это UC3843.  На вход схемы подаем напряжение, скажем 12 Вольт, а на выходе получаем 19, которые необходимо для зарядки почти любого ноутбука.

Вообще диапазон входных и выходных напряжений для этой схемы довольно широк, вращением подстроечного многооборотного резистора R8 с лёгкостью можно получить иные напряжения на выходе. Я выставил чуть меньше 18, так как данный преобразователь мне нужен для иных целей.

Микросхема генерирует прямоугольные импульсы с частотой около 120-125 килогерц, этот сигнал поступает на затвор ключа и тот срабатывает. Когда открыт транзистор в дросселе накапливается некоторая энергия, после закрытия ключа дроссель отдаёт накопленную энергию, это явление называют самоиндукцией, которая свойственна индуктивным нагрузкам.

Важно заметить, что напряжение самоиндукции может быть в разы, а то и в десятки раз больше напряжения питания, всё зависит от индуктивности конкретного дросселя.  На выходе схемы установлен однополупериодный выпрямитель для выпрямления всплесков самоиндукции в постоянный ток , который накапливается в выходных конденсаторах.

Питание нагрузки осуществляется запасенной в конденсаторах энергией, такой инвертор очень экономичен благодаря ШИМ управлению, потребление холостого хода всего 15-20 миллиампер.

Используя осциллограф мы можем увидеть, как меняется скважность импульсов на затворе полевого транзистора в зависимости от выходной нагрузки, чем больше выходная мощность, тем больше длиться рабочий цикл транзистора, то есть в дроссель поступает больше энергии, а следовательно больше и энергия самоиндукции.

Теперь о конструкции…  Микросхема — ШИМ установлена на панельку для без паечного монтажа, если собираетесь использовать такой преобразователь в автомобиле, то советую микросхему запаять непосредственно на плату, так как в машине всегда есть вибрация.

Полевой транзистор… Тут большой выбор, использовать можно ключи с током от 20 ампер напряжением не менее 50 вольт. Я просто воткнул мой любимый IRFZ44, которого с головой хватит.

Кстати о мощности…, В принципе схема может отдать 150 вт без проблем, но естественно для этого нужен более мощный транзистор скажем irf3205 и соответствующий дроссель, в моём варианте схема будет под нагрузкой не более 50 Ватт, хотя с таким раскладом компонентов 100 Ватт снять можно.

Далее по счёту идёт накопительный дроссель, его индуктивность 40 мкГн, ничего не мотал, просто взял один из дросселей выходного фильтра компьютерного блока питания. Диаметр провода 0,9 мм. Количество витков 25. В принципе он особо не критичен, индуктивность может отличаться, размеры кольца и количество витков тоже.

Выходной выпрямитель — это сдвоенный Диод шоттки, подойдут сборки с током от 10 ампер с обратным напряжением не менее 40-45 Вольт.
Схема имеет защиту от коротких замыканий, она построена на базе датчика тока в лице низкоомного резистора подключённого в цепь истока полевого ключа, в моём случае это 2-х ваттный резистор сопротивлением 0,1 Ом.После окончательной сборки транзистор и выпрямитель устанавливают на общий теплоотвод не забываем и про изоляцию между ними. Печатная плата довольно компактная, монтаж плотный.

Печатную плату в формате lay. можно скачать здесь.

Автор; АКА Касьян.

xn--100—j4dau4ec0ao.xn--p1ai

Недорогой и удобный DC-DC преобразователь.

В жизни любого радиолюбителя, да и не только, бывают ситуации, когда не помешал бы небольшой, компактный и недорогой понижающий преобразователь напряжения, этот обзор как раз о таком устройстве.

Давно присмотрел себе такие преобразователи, но покупать в оффлайновых магазинах по 4 бакса не давало земноводное. После этого встречал такие преобразователи на одном из радиолюбительских форумов, цена была около 10 долларов за 10 штук. Во время распродажи 25 марта на Али решил прикупить.
Честно, выбирал по цене, т.е. самые дешевые, допускаю что есть еще дешевле, но на тот момент это было самое выгодное предложение.
Внимание. Сейчас у продавца лот стоит 7.5 бакса, но за 5 штук, а когда покупал я, лот был 10 штук, будьте внимательны.

Параметры заявленные продавцом (впрочем они одинаковы для всех таких плат).
Входное напряжение — 3,2-40 Вольт (производитель микрухи рекомендует 4.5-40)
Выходное напряжение — 1,25-35 Вольт (естественно при условии что входное напряжение превышает выходное хотя бы на 3 Вольта, да и выходной конденсатор тогда совсем впритык будет)).
Выходной ток — до 3 Ампер (Я бы не был так оптимистичен, с учетом установленных компонентов 2 Ампера мне думается более реально).
Эффективность до 92% (при определенных условиях вполне реально)
Напряжение выставленное изначально — 5 Вольт.

Размеры платы — длина 41мм, ширина 21мм, высота по самому высокому компоненту 15мм.

Посылку получил на днях, пришла она в коробочке, где в кусок пупырки был завернут мой заказ, основное — преобразователи, ну и еще пара вещей по мелочи.
Обзор мелочей я сделаю позже, а о преобразователях решил рассказать сейчас.
Итак вид того, как это пришло —

У продавца видимо либо что то не то с математикой, либо он понял понятие скидки по своему, ибо пришло 9 штук вместо 10 заказанных, 10% он себе сэкономил. Я ему отписал об этом, пока жду ответа.
Напомнило мне историю, подслушанную на вещевом рынке
Наш торгаш хотел купить шарфики на продажу, долго торговался с китайцем о скидке, выторговал 20%, когда получил заказ, то был сильно удивлен, так как каждый шарфик был на 20% меньше.

Каждый преобразователь был упакован в индивидуальный запаянный антистатический пакетик

Внешний вид платы явно отличается от выложенного на странице продавца.
Основное отличие — обычные дешевые алюминиевые конденсаторы на входе и выходе.
Если кому интересно, то их параметры таковы

Входной 100х50в, ЭПС — 0.13 Ома, реальная емкость 102 мкФ
Выходной 220х35В, ЭПС — 0.077 Ома, реальная емкость 225 мкФ.
Оба 105 градусные.
Фирма производитель какой то нонейм Chengx (даже не известный многим китайский Chang).
Я бы заменил их на что то более приличное, так как микросхема ШИМ критична к их качеству и зашунтировал керамикой.
Микросхема LM2596S — описание — www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2596.pdf‎
Схема почти согласно даташиту (привел максимально похожую схему, разница в номинале входного конденсатора, типе диода и неверно указан номинал дросселя, так как маркировка 330 это 33 мкГн).

Схема

Стоимость отдельно такой микросхемы у нас около 2.5 бакса.
Дроссель установлен на 33 мкГн, по размерам похож на дроссели с рабочим током около 3 Ампер (размеры 12х12х7мм).

На плате так же стоит многооборотный подстроечный резистор, обеспечивающий довольно точную подстройку, и диод Шоттки, как по мне (да и по мнению производителя микросхемы ШИМ стабилизатора) мелковат,
Установлен SS36, но после сравнения размеров с даташитом я больше склоняюсь что это перемаркированный SS26 — www.vishay.com/docs/88748/88748.pdf‎
Если захочется повысить КПД, уменьшить нагрев и увеличить надежность, то лучше его заменить на что то более мощное (в описании микрухи рекомендуют 1N5825).
Контактные площадки входа и выхода промаркированы.

Обратная сторона платы используется как радиатор, непосредственно под микросхемой сделана сетка из отверстий с металлизацией для отвода тела на обратную сторону платы. Плата при тестировании практически не нагревалась.

Естественно мне захотелось проверить эффективность данного преобразователя.
На фото ниже ток по входу при условии что на выходе установлено 5 Вольт (как наиболее часто используемое для разных девайсов), нагрузка 5 Ом (ток 1 Ампер, мощность 5 Ватт), на входе выставлено стабильное напряжение 12 Вольт (опять же, как наиболее часто встречающееся). Ток по входу 0.5 Ампера, что дает нам потери в виде 1 Ватта или около 83% КПД.

Во втором примере на выходе выставлено 10 Вольт, сопротивление нагрузки 10 Ом, соответственно ток 1 Ампер и мощность 10 Ватт. На вход поданы стабилизированные 15 Вольт. Ток по входу составил 0.74 Ампера, потери при этом составили 1.1 Ватта, КПД около 90%.

Понятно что измерения имеют некоторую погрешность, но они очень близки к реальным.
Не уверен что во второй раз я бы покупал такие преобразователи у этого продавца, хотя цена меня устроила. Но невнимательность (9 шт вместо 10), и не очень хорошие конденсаторы по входу и выходу, которые лучше заменить нивелируют преимущества низкой цены.
Необходимый диод можно выпаять из неисправного компьютерного БП, да и сам по себе он стоит недорого, конденсаторы так же чаще всего найдутся в хозяйстве любого радиолюбителя, но лучше попробовать уточнить у продавца, какие стоят (хотя с китайцами это бывает проблематично).

С другой стороны, если покупать у нас все это, то цена даже с этими недостатками отличная, но лучше покупать лотом из 10 шт, так как при меньших количествах цена будет почти такая же как в магазинах.

В общем резюме, сами платки к покупке очень рекомендую, по поводу конкретно этих и у данного продавца — решать Вам, недостатки я расписал как мог.

P.S. При относительно несложной доработке (добавление нескольких резисторов, транзистора и конденсатора) можно сделать стабилизацию выходного тока и получить драйвер для питания светодиодов, правда КПД упадет.
Ниже схема доработки этой платы для стабилизации выходного тока.
В качестве нагрузки светодиод из этого обзора — mysku.ru/blog/aliexpress/24091.html

Схема добавления режима стабилизации тока

Собственно схема. Расчетный ток около 0.6 Ампера, легко переделать на другой заменив только резистор R1. Резистор расчитывается исходя из того что I out = 0.6/R1. Т.е. при номинале 1 Ом будет 0.6 Ампера, при номинале 0.5 Ома будет 1.2 Ампера.

Фотография ниже, подтверждает расчеты.
На входе 20 Вольт, при увеличении выходного напряжения подстроечным резистором, ток после достижения порогового напряжения светодиода плавно увеличивается, при достижении порога стабилизации рост останавливается, дальнейшее увеличение выходного напряжения не приводит к изменению тока.

Извиняюсь за качество фотографий, темновато вышло.
Если что забыл, пишите, попробую добавить.

upd. Продавец вернул деньги за недостающую плату.

UPD, Сейчас у продавца лот стоит 7.5 бакса, но за 5 штук, а когда покупал я, лот был 10 штук, будьте внимательны.

mysku.ru