Повышатель напряжения. Повышающий преобразователь напряжения: принцип работы, характеристики и применение

Как работает повышающий преобразователь напряжения. Каковы основные компоненты схемы повышающего преобразователя. Какие режимы работы существуют у повышающего преобразователя. Где применяются повышающие преобразователи напряжения. Каковы преимущества и недостатки повышающих преобразователей.

Принцип работы повышающего преобразователя напряжения

Повышающий преобразователь напряжения (бустерный преобразователь) — это тип импульсного преобразователя постоянного тока, который преобразует низкое входное напряжение в более высокое выходное напряжение. Основной принцип его работы заключается в накоплении энергии в магнитном поле катушки индуктивности и последующей передаче этой энергии в нагрузку.

Схема повышающего преобразователя содержит следующие основные компоненты:

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

Работа преобразователя происходит в два такта:

1. При замкнутом ключе ток через катушку нарастает, накапливая энергию в ее магнитном поле.
2. При размыкании ключа ЭДС самоиндукции катушки складывается с входным напряжением, заряжая конденсатор до более высокого напряжения.

За счет быстрого переключения этих тактов на выходе формируется более высокое напряжение.

Режимы работы повышающего преобразователя

Повышающий преобразователь может работать в двух основных режимах:

Режим непрерывного тока (CCM)

В этом режиме ток через катушку индуктивности никогда не спадает до нуля. Преимущества режима CCM:

• Более высокий КПД
• Меньшие пульсации выходного напряжения
• Более простое управление

Режим прерывистого тока (DCM)

В этом режиме ток катушки спадает до нуля в каждом цикле. Особенности режима DCM:

• Возможность работы при малых нагрузках
• Меньшие габариты катушки индуктивности
• Более сложное управление

Выбор режима зависит от конкретного применения преобразователя.

Основные характеристики повышающего преобразователя

Ключевыми параметрами повышающего преобразователя являются:

• Коэффициент повышения напряжения
• КПД преобразования
• Выходная мощность
• Пульсации выходного напряжения
• Частота преобразования

Коэффициент повышения напряжения в режиме CCM определяется выражением:

K = Vout / Vin = 1 / (1 — D)

где D — коэффициент заполнения импульсов управления ключом.

Области применения повышающих преобразователей

Повышающие преобразователи напряжения широко используются в следующих областях:

• Источники питания электронной аппаратуры
• Системы электропривода
• Солнечные инверторы
• Светодиодные драйверы
• Портативная электроника
• Автомобильная электроника

Они позволяют эффективно повышать напряжение от низковольтных источников питания, например аккумуляторов.

Преимущества и недостатки повышающих преобразователей

Основные преимущества повышающих преобразователей:

• Высокий КПД (до 95% и выше)
• Малые габариты и вес
• Возможность получения высоких коэффициентов повышения напряжения
• Низкий уровень электромагнитных помех

Недостатки:

• Сложность схемы управления
• Необходимость использования быстродействующих силовых ключей
• Пульсации выходного напряжения

Расчет основных параметров повышающего преобразователя

При проектировании повышающего преобразователя необходимо рассчитать следующие основные параметры:

1. Индуктивность катушки
2. Емкость выходного конденсатора
3. Параметры силового ключа и диода
4. Частоту преобразования

Индуктивность катушки определяется исходя из допустимых пульсаций тока:

L = (Vin * D) / (f * ΔI)

где f — частота преобразования, ΔI — допустимые пульсации тока.

Емкость выходного конденсатора выбирается исходя из допустимых пульсаций выходного напряжения:

C = (Iout * D) / (f * ΔV)

где ΔV — допустимые пульсации выходного напряжения.

Особенности управления повышающим преобразователем

Для управления повышающим преобразователем обычно используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Основные задачи системы управления:

• Стабилизация выходного напряжения
• Ограничение максимального тока
• Обеспечение плавного пуска
• Защита от короткого замыкания

Современные микросхемы ШИМ-контроллеров позволяют реализовать все необходимые функции управления повышающим преобразователем.

Применение повышающих преобразователей в возобновляемой энергетике

Повышающие преобразователи активно используются в системах солнечной и ветровой энергетики. Их основные задачи в этих системах:

• Согласование напряжения солнечных панелей или ветрогенераторов с напряжением аккумуляторов или сети
• Отслеживание точки максимальной мощности (MPPT)
• Стабилизация выходного напряжения при изменении освещенности или скорости ветра

Применение повышающих преобразователей позволяет значительно повысить эффективность систем возобновляемой энергетики.

Перспективы развития технологии повышающих преобразователей

Основные направления совершенствования повышающих преобразователей:

• Повышение рабочих частот для уменьшения габаритов
• Применение новых магнитных материалов
• Использование карбид-кремниевых и нитрид-галлиевых силовых ключей
• Разработка новых топологий для повышения КПД
• Совершенствование алгоритмов управления

Эти направления позволят создавать еще более эффективные и компактные повышающие преобразователи напряжения.

Как работает повышающий преобразователь напряжения

Главная » Мастерская » Теория

Опубликовано: 21.12.2021

Повышающий преобразователь напряжения (или как его еще называют — повышающий DC/DC преобразователь) работает благодаря удивительным свойствам катушки индуктивности, в роли которой выступает дроссель.

Давайте рассмотрим принцип работы повышающего преобразователя более подробно. Для этого воспользуемся простыми, но понятными схемами. 

Одними из основных элементов повышающего преобразователя являются дроссель и транзистор, которые замкнуты последовательно в одну цепь вместе с источником питания. 

В роли источника питания может выступать как аккумуляторная батарея, так и классический блок питания, включенный в сеть.

Обратите внимание: транзистор изображен на схемах в виде кнопки, чтобы можно было видеть, в каком именно положении (открытом или закрытом) он находится в данный момент.

К установленному транзистору дополнительно добавляется ШИМ-контроллер, который будет включать и отключать проводимость транзистора много раз в секунду.

По умолчанию транзистор находится в закрытом положении и электрический ток не имеет возможности протекать по цепи. 

Когда транзистор открывается, то электрический ток от источника питания направляется в сторону дросселя, но не проходит через него — вместо этого вся энергия расходуется на создание магнитного поля вокруг дросселя. 

После того, как дроссель насытил свое магнитное поле, транзистор автоматически переходит в закрытое положение. 

В результате напряжение в цепи начинает нарастать, и мы можем его использовать для наших нужд. Но для этого необходимо добавить в цепь еще два важных элемента: диод и конденсатор подходящей емкости. 

Высокое напряжение, которое образовалось после создания магнитного поля дросселя и закрытия транзистора, через диод устремляется на конденсатор.  

Обратите внимание: диод также предотвращает потерю заряда конденсатором в момент открытого транзистора, потому что он проводит электрический ток только в одном направлении.

Благодаря наличию ШИМ-контроллера и быстродействию транзистора, данный цикл повторяется тысячи раз в секунду. В результате у нас получится импульсное высокое напряжение, которое сглаживается добавленным в цепь конденсатором. Или несколькими конденсаторами. 

В современной радиоэлектронике повышающие DC/DC преобразователи с дросселем применяются в самых разных устройствах: от игрушечных машин на пульте управления до сложной вычислительной техники. 

 

 

 

Как вам статья?

Павел

Бакалавр «210400 Радиотехника» – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Написать

Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы

Рейтинг

( 2 оценки, среднее 5 из 5 )

АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.

п. электроники от бортовой сети автомобиля

Людмила, Обухов 28.01.2023АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Дуже вдячна за оперативну відповідь на запит, кваліфіковану консультацію та оперативну доставку товару, який став незамінним помічником для живлення ноутбуку та проектора від акумулятора

Eduard, Kyiv 12.01.2023АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Покупаю уже второй такой преобразователь АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля на данном сайте.
Реакция на заказ моментальная, товар в течении 1-2 дней уже на Новой Почте, ребятам большое спасибо.
Сам преобразователь позволяет более экономно использовать заряд аккумулятора, так 40 А/ч АКБ (мультигель тяговая) на АИДЕ ноут потребление 80 ВТ работает 16-18 часов на УПС, автопреобразователе 10-12 часов, и не шумит и не пикает как на УПС.

Сейчас заказал на этом сайте преобразователь с 12 на 9 В для роутера, УПС отключается без достаточной нагрузки, а так и от 9 А/ч АКБ можно запитать роутер. СПАСИБО.

Ярослав, Київ 07.01.2023АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Увечері замовив, наступного дня вже і отримав, продавцеві дякую, швидко і відповідально. Пристрій відповідає очікуванню, виробнику — велика подяка. Додайте можливість (тут же на сайті — опціонально) вибрати адаптер живлення для ноутбука і «крокодили»: так чи інакше, майже всі, хто купляє цей пристрій, цим переймаються.

Михаил, Киев 19.12.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Адаптер работает хорошо, ноутбук тянет. Прошлый отзыв касался инвертора 220в 100вт а не этого адаптера, не туда вставил отзыв.

Тетяна, Борзна, Чернігівська область 15. 11.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Замовляла адаптер.
Доставлено дуже швидко, за 2 дні.
Приємно здивувало, що передзвонили одразу після замовлення на сайті (а це було о 22:00), у той же день було оформлено замовлення.
Продавець дуже докладно про все розповів, обслуговування на найвищому рівні!

На роботу адаптера нарікань немає, працюю на ноутбуці від нього. Тепер мені не страшні віялові відключення ????

У мене ноутбук HP, гніздо не підійшло, але така проблема легко вирішується придбанням перехідника (коштує менше 100 грн.).

Ваш адаптер допоміг мені вирішити проблему віддаленої роботи в умовах відключення світла. Дуже дякую!

Однозначно рекомендую цього продавця!

Максим, Киев 06.11.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т. п. электроники от бортовой сети автомобиля

Получил быстро на следующий день
Адаптер рабочий, доволен
100 амперный аккумулятор тянет ноутбук 4 часа
Как раз на время веерных отключений
Рекомендую цена качество

Дмитро , Київ 03.11.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Получив бистро. Провірив без нагрузки працює . До комп’ютера поки що не підключав тому що у мене роз’єм інший

Игорь, Павлоград 03.11.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Заказал инвертор Аида-ноут 12-19в. Оперативно ответили, спасибо Артёму всё пунктуально рассказал. Приборчик супер, от авто аккумулятора подключил ноут и на 5-10 часов работы хватает,в зависимости от ёмкости акума.Магазин и персонально директора Артема рекомендую. Следующий товар заказал Аида 12-220в инвертор,как получу все о нём расскажу.

Александр, Київ 28.10.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Оперативно відправили автомобільний Адаптер з 12 на 19 вольт для зарядки ноутбука: вечором був запит на придбання , на наступний день отримав у відділенні Нової Пошти. Все працює

Виктор, Киев 27.10.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Купил преобразователь. Оперативно выслали. С устройством в комплекте паспорт с гарантей. Всё получил. Всё работает ! Спасибо !!!

Олег, Киев 24.10.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Товар відправили оперативно.В обід замовив, через добу отримав.Товар якісний.Оплату робив карток банку. Дякую .

Eduard, Kyiv 11.09.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Купил автомобильный преобразователь напряжения 12-19 Вольт АИДА Ноут (12-19) Спасибо коллективу магазина, название соответствует. Предлагается решение за адекватную суму, нет необходимости использовать громоздкий преобразователь в 220 в как в автомобиле так и в доме. Подключаются все ноуты через соответствующие переходники, у меня HP 6440b через переходник с 5,5мм на 7,4мм. Была бы сказка если бы были предложения переходников на этом же ресурсе. В доме нужно иметь обязательно в ситуации возникновения проблем с электричеством, любой аккумулятор, адаптор под автомобильный штекер с крокодилами.

Василь Іванович, Лубни 10.09.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Я надзвичайно вдячний Артему за його професіоналізм, вміння працювати з клієнтом. Він не тільки прийняв замовлення, а і змістовно проконсультував щодо вибраного мною товару, дав йому вичерпну характеристику. Він професіонал своєї справи!
Купував для нетбука Sony. Я скористався накладним платежем і даремно. Артеме, вам можна довіряти.
Товаром задоволений. Рекомендую.

Денис, Київ 22.08.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Замовив адаптер АИДА-НОУТ 12-19
Після його тестування залишився задоволений
Підходійшо ідеально для ноутбука Asys R515M
Найголовніше цього пристрою те що йде мінімальне навантаження на бортову електро мережу автомобіля
Після замовлення на сайті продавець зв’язався метьєво та відправив тогож дня
Хто шукає подібний пристрій рекомендую замовити саме тут

Петр, Гостомель 20.08.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т. п. электроники от бортовой сети автомобиля

Вчера заказал,сегодня получил.Очень быстро!

Максим, Київ 26.07.2022АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Необхідно було подати живлення від бортової мережі автомобіля на монітор 4к (19в постійного струму). Все працює як треба. Втрати точно менші, ніж 12-220, а потім 220-19

Геннадий, Измаил 28.07.2021АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

У жены портативный таплоп. Аккумуляторы долго не держат а постоянно нужно быть на связи. Купил для машины. Жена довольна. Всегда на связи теперь и мобильники и наладонник заряжаем родными зарядками в машине. Очень удобно.
Спасибо за девайс. Рекомендую

Юрий, Кривой Рог 18.03.2021АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т. п. электроники от бортовой сети автомобиля

Заказивал адаптер Аида-ноут.Било воскресенье перезвонил лично владелец магазина проконсультировал о товаре,в понедельник отправили по новой почте.товар отлично упакован.работает пока немного,но пока все отлично.магазин и адаптер рекомендую.

Олег, Киев 08.12.2020АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Простой повышающий преобразователь напряжения, вся схема из 5 конденсаторов,дроселя,повышающего трансформатора и пары елементов.Без корпуса издает писк,но не сильный.На выходе напряжение без нагрузки 20 вольт.
Товар доставлен быстро в течение одного дня.

Юлия, Богодухов — Харьковская 24.09.2020АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Товаром довольна, качество приличное. Жалко, что выбора разных штекеров нет, а так все отлично. Спасибо за товар. Ноут работает отлично.

Владислав Стефанович Калиновский, г. Константиновка 26.02.2020АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Получил очень быстро. Общением доволен. Все прекрасно работает. Огромное спасибо.

Руслан, Богодухов Харьковская 11.06.2018АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Заказ делал почти ночью, перезвонили сразу же и на другой день отправили, проверил все работает, даже есть гарантийный талон !!! Сам мотаюсь по четырём раёнам нужен ноут в машине, постоянно почта, програмирование, прошивка аппаратуры итд ноут старый, батарея не держит, поганяю пару тройку дней и отпишусь на износостойкость. Хозяину магазина респект и уважуха.

Василий , хуст 03.01.2018АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т. п. электроники от бортовой сети автомобиля

Здраствуйте купил блок п тания аида 18 вольт для шурика старенького горизонт подключил работайет офегено крутит саморез 150 легко спасибо продавцу пока

Валерий, Херсонская обл, Цюрупинский р-н, 27.12.2017АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Заказал данный преобразователь. На следующий день он уже был у меня. Всё работает. Отличный магазин — вежливое обслуживание,быстрая доставка, качественный товар.

Александр Владимирович, Запорожская область. 28.07.2017АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Артём, я как и обещал!)) Купил АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь. Пришло оперативно через 2 суток. Остался я доволен! У меня Ноутбук aser, включился и работает отлично!!! Устройства не большое не занимает много места! Большое вам спасибо за товар!!!

Максим, Запорожье 07. 01.2017АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Заказал сей девайс, получил оперативно! Как и подозревал- штырек в мой Асус не подошел, переходник не захотел и заказал оригинальный DC кабель для питания ноутбука Asus 4.0*1.35, перепаял. Подключил- все работает! Могу смело рекомендовать именно этот адаптер для ноутбуков, особенно по цене у него конкурентов нет!

Игорь Куйбида, Борщев 06.06.2016АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Посылку получил вовремя пользуюсь неделю работает хорошо спасибо

Сергій 22.03.2016АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Звязались через декілька хвилин. Відправили у той самий день… Чекаю…

Анатолий 12.02.2016АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т. п. электроники от бортовой сети автомобиля

Спасибо за быструю доставку и качественный преобразователь. К ноутбуку подходит без каких-либо проблем!

Роман 10.10.2015АИДА-НОУТ 12-19 Адаптер — преобразователь напряжения для питания ноутбуков и т.п. электроники от бортовой сети автомобиля

Все отлично .Связались быстро ,прибор работает.

Усилители напряжения

— Hughes Autoformers Усилители напряжения

— Hughes Autoformers

Новый пользователь

Зарегистрируйтесь

ТОЛЬКО

Продукт на рынке, обеспечивающий полную защиту от вредоносного парковочного электричества необходимо защитить наши автофургоны от скачков высокого напряжения, но большинство из нас не задумывается о разрушительном воздействии низкого напряжения».

источник: RVtravel.com

ПОЧЕМУ В ПАРКАХ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ ПРОИСХОДИТ НИЗКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ?

Парки не предназначены для современных автофургонов высокого спроса

НЕ ВЕРЬТЕ НАМ НА СЛОВО

Независимые рецензенты и профессиональные механики автофургонов согласны

REUSTOM AL

ER TESTIMONIALS

«Это спаситель от бекона. После проблем с низким напряжением в парке для автофургонов, в котором мы остановились (и любили), я, наконец, копнул глубже и купил автоформер. Я жалею только о том, что не купил его раньше».

— Рон, проверенный пользователь Hughes Autoformer

«Я думаю, что это определенно стоит своих денег, если учесть, сколько нам будет стоить ремонт всей проводки в фургоне и всех приборов, если отключится электричество, и если это произойдет. как-то не разжечь огонь. Мой муж, электрик, настоял на том, чтобы мы купили его, и мне нравится душевное спокойствие, которое он нам дает».

-Оливия В., проверенный пользователь Hughes Autoformer

«Мой автоформер оправдал мои ожидания и даже превзошел их. Напряжение в автопарке было 105, автоформер повышал напряжение до 118 и временами до 122.»

-Robert G, проверенный пользователь Hughes Autoformer

«В нашем кемпинге постоянно происходят скачки мощности. У нас напряжение колеблется от 95-120в в течении дня. Я прочитал об этом автоформере и подумал, что не помешает попробовать. Я рад, что сделал это. Это сразу подняло наше напряжение на 10%, и теперь оно остается между 110 В и 120 В».

-Майк С, проверенный пользователь Hughes Autoformer

«У меня никогда не было проблем, но я не хотел рисковать своими приборами в своем доме на колесах. Поэтому я подумал, что это может быть дешевый страховой полис по сравнению со стоимостью замены бытовой техники».

-Том К., проверенный пользователь Hughes Autoformer

«Необходимо для RV. Напряжение в моем доме на колесах класса А никогда не колебалось от 110 Вольт, несмотря на то, что частичное обслуживание обеспечивало только 102 Вольта без трансформатора Хьюза».

-Woody G, проверенный пользователь Hughes Autoformer

ЗАЩИТИТЕ СВОЙ RV NOW

… с оригинальным запатентованным Autoformer

Часто задаваемые вопросы: Усилитель напряжения «ворует» энергию?

Усилитель напряжения просто преобразует ампер в вольт. Поскольку выключатель на шесте регулирует максимальное количество энергии, которое вы можете получить, было бы невозможно «взять» больше энергии, чем количество, выделенное вам парком (если только оно не было изменено, что было бы чрезвычайно опасно, неэтично и незаконно). НИ ПРИ КАКИХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ ЗАПРЕЩАЕТСЯ ВЗЛОМЫВАТЬ СТОЛБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ В ПАРКОВКЕ.

Видео от: Change Lanes (Not Sponsored)

Усилитель напряжения — HardwareBee Semipedia

Любой, кто когда-либо работал с электроникой, знает, насколько широк диапазон номинальных напряжений на рынке. Например, внутри компьютера есть как минимум три линии питания с разным напряжением: 12 В, 5 В и 3,3 В. Они нужны потому, что номинальные напряжения разных компонентов, таких как процессоры, вентиляторы и жесткие диски, по своей сути различны: они различаются с приложением, маркой и моделью. В этом сценарии системы преобразования напряжения имеют основополагающее значение. Их работа заключается в преобразовании входного напряжения (например, основной линии) в значение постоянного тока, которое может использоваться компонентом. Изменение уровня предложения — легкая часть; проблема заключается в том, чтобы сделать это эффективным способом, поэтому существует так много топологий силовых преобразователей. В этой статье мы обсудим усилитель напряжения или сокращенно повышающий. Эта схема представляет собой импульсный источник питания (SMPS), способный выдавать напряжение выше, чем его вход, при этом фактическое значение определяется коэффициентом заполнения управляющего сигнала. Мы представим основные концепции усилителя напряжения, режимы работы и некоторые рекомендации по проектированию, не слишком углубляясь в математику схемы.

 

Основные понятия

 

Импульсные источники питания (SSPS) представляют собой схемы, сочетающие переключающие устройства, обычно полевые транзисторы, с реактивными компонентами, такими как катушки индуктивности и конденсаторы, для эффективного преобразования значения напряжения. Они спроектированы таким образом, чтобы избежать любых резистивных компонентов, которые могут способствовать потере мощности. Управляя потоком мощности, можно регулировать выходное напряжение, подобно тому, как насосная система с включением/выключением может регулировать уровень воды в контейнере. Это управление достигается за счет рабочего цикла сигнала переключения, который используется для управления транзисторами. Чтобы лучше понять механизмы, лежащие в основе наддува, давайте посмотрим на схему на рис. 1.9.0007

Рис. 1. Базовый повышающий преобразователь

 

Существует несколько способов анализа этой схемы. Сейчас мы сосредоточимся на работе в установившемся режиме, поэтому для простоты мы не будем учитывать переходный период. Операцию можно разделить на два состояния: включение и выключение. Когда переключатель включен, мы получаем следующую схему:

 

 

поле. Характеристическое уравнение индуктора утверждает, что напряжение пропорционально производной тока, поэтому ток индуктора представляет собой линейное изменение с наклоном, определяемым индуктивностью и входным напряжением. Между тем, диод имеет обратную полярность, поэтому он изолирует катушку индуктивности от нагрузки. Конденсатор отвечает за поддержание выходного напряжения. Поскольку мы анализируем установившуюся работу, мы считаем, что конденсатор уже полностью заряжен. В течение периода включения конденсатор разряжается, причем наклон пропорционален постоянной времени RC. Следовательно, пульсации напряжения пропорциональны потребляемой мощности, емкости и периоду включения. Значение напряжения на нагрузке просто:

Vload = Vc

 

После t _ON управляющий сигнал размыкает переключатель, что приводит к схеме, показанной ниже.

 

Рис. 3. Состояние выключения

 

Энергия, запасенная в магнитном поле катушки индуктивности, предотвращает резкие изменения тока, поэтому напряжение на его клеммах мгновенно инвертируется и масштабируется для сохранения текущего значения и направления. В этот момент разность потенциалов на нагрузке равна:

 

Vload = Vin + Vl – Vd

 

На этом этапе накопленная магнитная энергия будет разряжаться, а ток дросселя будет падать с наклоном, пропорциональным разнице между входным и выходным напряжениями. Конденсатор будет заряжаться частью этого тока, восстанавливая начальное напряжение с предыдущей ступени. После окончания периода t _OFF схема возвращается к рисунку 2. Тогда мы можем качественно констатировать следующее:

 

• Чтобы получить напряжение выше входного, повышающий преобразователь использует свойство индуктора, не допускающее резких изменений тока;
• Переключатель ВКЛ состояние используется для зарядки индуктора, передающего энергию магнитному полю;
• Конденсатор и диод используются для поддержания значения выходного напряжения с низкой пульсацией в состоянии ON ;
• В состоянии OFF энергия передается от катушки индуктивности к нагрузке. Чтобы сохранить текущее значение, разность напряжений на катушке индуктивности инвертирует ее полярность и добавляется к входному напряжению, повышая общий уровень.
• Комбинация В _ВХ + В _Л также заряжает конденсатор во время ВЫКЛ

 

Режимы работы

 

Непрерывный режим

 

Повышающий преобразователь может работать двумя различными способами: в непрерывном и прерывистом режимах. В режиме непрерывной проводимости (CCM) период t _OFF достаточно мал, чтобы ток дросселя не достиг нуля. На рисунке 4 показана форма тока во время непрерывной работы.

 

Рис. 4. Ускорение в непрерывном режиме

Существует несколько преимуществ (и недостатков) работы в непрерывном режиме. Первым преимуществом является простота расчетов: выходное напряжение можно оценить, просто учитывая, что постоянное напряжение на катушке индуктивности должно быть равно 0 (иначе ток будет расти бесконечно). Используя это рассуждение и учитывая очень низкую пульсацию, так что выходное напряжение можно считать постоянным, мы находим следующее уравнение:

 

Теперь, учитывая фиксированную частоту коммутации f _с , перепишем передаточную функцию, используя коэффициент заполнения ( D = 1 900 ПО /т _С ) как независимая переменная:

Следовательно, в непрерывном режиме выходное напряжение можно контролировать с помощью рабочего цикла, используя приведенное выше уравнение. Например, при рабочем цикле 50 % выходное напряжение в два раза превышает входное. Обратите внимание, что V _из прямо пропорциональны рабочему циклу, и уравнение сильно нелинейно. Мы можем изменить уравнение, чтобы рассчитать рабочий цикл для определенного выходного напряжения:

Прерывистый режим

Если ток катушки индуктивности достигает нуля до того, как система переключает состояние, тогда схема переходит в прерывистый режим (DCM). Это состояние гораздо труднее анализировать, поскольку период «мертвой зоны» между достижением тока нулевым значением и переключением также зависит от рабочего цикла. Поэтому процесс расчета напряжения совершенно другой.

Рис. 5. Бустер, работающий в прерывистом режиме

 

Чтобы избежать слишком глубокого погружения в математику, которая не является целью данной статьи, мы предоставим вывод передаточной функции читателю. Совет: рассчитайте средний ток диода по току катушки индуктивности. Средний ток диода равен среднему току нагрузки, так как постоянный ток конденсатора должен быть равен нулю в установившемся режиме. Выходное напряжение бустера в прерывистом режиме составляет: 9 В.0007

 

Обратите внимание, что это уравнение намного сложнее, чем непрерывный случай. Во-первых, зависимость от рабочего цикла квадратична. Во-вторых, выходное напряжение зависит от нескольких других параметров помимо D: дроссель L , входное напряжение, период коммутации t _с и выходной ток I _O

 

Непрерывный и прерывистый

 

Можно использовать оба режима, но непрерывный режим имеет несколько преимуществ по сравнению с прерывистым. Во-первых, передаточная функция проще и зависит только от коэффициента заполнения. Передаточная функция DCM, с другой стороны, сильно зависит от значений компонентов, а также от требуемой нагрузки, что нежелательно при работе без обратной связи. Кроме того, более высокие пульсации тока также увеличивают выходной шум и токовые усилия компонентов. Однако ДКМ обеспечивает меньшие коммутационные потери, так как включение осуществляется при нулевом токе и катушках индуктивности меньшего размера, так как максимальная индуктивность ДКМ ниже минимального L, необходимого для ККМ. Кроме того, динамика DCM обеспечивает лучшую стабильность при работе с обратной связью из-за неминимальной фазовой динамики CCM.

 

Особенности конструкции

 

Катушка индуктивности

Значение катушки индуктивности управляет пульсацией тока. Как объяснялось ранее, можно даже выбрать между CCM и DCM, выбрав правильный индуктор. Следовательно, требуемое значение индуктивности в повышающем преобразователе определяется желаемой пульсацией тока. Анализируя первый наклон кривой тока на рис. 4, мы находим следующее уравнение:

Изолируя L , мы находим требуемую катушку индуктивности:

Помимо индуктивности, компонент должен выдерживать необходимые усилия тока. Используйте максимальное среднеквадратичное значение тока для выбора сечения провода. Кроме того, потери в катушке индуктивности должны быть минимизированы, чтобы максимизировать эффективность.

 

Конденсатор

Конденсатор регулирует пульсации выходного напряжения цепи, аналогично катушке индуктивности, контролирующей пульсации тока. Связь между пульсациями напряжения и емкостью может быть получена путем расчета тока конденсатора. Этот ток равен току диода минус средний ток диода. Путем интегрирования зарядного/разрядного тока для получения изменения заряда можно найти изменение напряжения (пульсации). Пульсации напряжения:

Выделив емкость, мы получим:

Следовательно, если конструкция требует определенной пульсации напряжения при значении нагрузки R _O , емкость определяется приведенным выше уравнением. Обратите внимание, что при увеличении частоты или уменьшении рабочего цикла емкость конденсатора уменьшается. Помимо пульсаций напряжения, конденсатор должен выдерживать выходное напряжение. Кроме того, необходимо свести к минимуму паразитные сопротивления, чтобы избежать потерь и сложной динамики, поэтому следует выбирать конденсаторы с низким ESR.

 

Переключатель

Переключатель является сердцем повышающего преобразователя, поэтому ему следует уделять особое внимание. Во-первых, максимальный ток должен поддерживать пиковый ток дросселя (в два-три раза выше), а номинальное напряжение должно быть выше максимального выходного напряжения (примерно в 1,5 раза). Во-вторых, высокая скорость переключения улучшает как динамику, так и КПД устройства, поэтому желательно быстрое время включения и выключения. КПД также повышается с уменьшением сопротивления в открытом состоянии. Мощные МОП-транзисторы известны своим низким последовательным сопротивлением, поэтому они являются отличным выбором. Однако как входная, так и выходная емкости также увеличивают коммутационные потери, а полевые МОП-транзисторы с малым сопротивлением в открытом состоянии обычно имеют большие емкости. Следовательно, существует компромисс, который необходимо проанализировать перед выбором компонентов. Кроме того, большие емкости означают большие токи затвора, что влияет на схему управления.

 

Диод

В повышающих преобразователях для уменьшения потерь проводимости и улучшения динамики требуется малое прямое падение напряжения и малое время включения. Диоды Шоттки — хороший вариант. Максимальный повторяющийся ток должен быть выше, чем пиковый ток индуктора, тогда как средний номинальный ток должен учитывать среднее значение тока диода во время проводимости. Более того, максимальное обратное напряжение должно быть выше желаемого выходного напряжения за вычетом входного. Паразитные составляющие, такие как сопротивление в открытом состоянии и емкость, а также обратный ток восстановления, должны быть сведены к минимуму.