Повышающие преобразователи постоянного тока. — Компоненты и технологии
Для получения высокого напряжения в системах с питанием от батарей или аккумуляторов используют последовательное включение нескольких питающих элементов. Однако из-за ограничений, накладываемых на габариты устройств, это не всегда возможно.
Выход — в использовании повышающих импульсных преобразователей постоянного тока. Принцип их действия основан на применении магнитного поля катушки индуктивности для поочередного запасания энергии и передачи ее в нагрузку с другим уровнем напряжения. Благодаря малым потерям они хорошо подходят для задач, где требуется высокий КПД. Для снижения пульсаций выходного напряжения к выходу преобразователя подключаются конденсаторы. Повышающие импульсные преобразователи, обсуждаемые в этой статье, используются для получения более высокого напряжения, в то время как понижающие импульсные преобразователи, обсуждавшиеся в предыдущей статье [1], нужны для получения более низкого напряжения.
Повышение напряжения становится возможным благодаря свойству катушки индуктивности противостоять изменениям тока. В процессе заряда катушка индуктивности играет роль нагрузки и запасает энергию, а в процессе разряда она играет роль источника энергии. Напряжение в фазе разряда зависит от скорости изменения тока, а не от исходного заряжающего напряжения. Это позволяет получить выходное напряжение, отличное от напряжения на входе.
Повышающий регулятор, упрощенная схема которого приведена на рис. 1, состоит из двух ключей, двух конденсаторов и катушки индуктивности.
Рис. 1. Схема повышающего преобразователя, отражающая две основные фазы его работы
Во избежание нежелательного «сквозного тока» управление ключами осуществляется таким образом, что только один из них активен в отдельно взятый момент времени.
В фазе 1 (tON) ключ В разомкнут, а ключ А замкнут. Катушка индуктивности подключена к «земле», и ток протекает от
Рис. 2. Временные диаграммы работы повышающего преобразователя
Импульсный преобразователь может работать в непрерывном или прерывистом режиме. При работе в непрерывном режиме (continuous conduction mode, ССМ) ток через катушку индуктивности никогда не падает до нуля.
При работе в прерывистом режиме (discontinuous conduction mode, DCM) ток через катушку индуктивности может падать до нуля. Уровень пульсаций тока, обозначенный на рис. 2 как ΔIL, определяется по формуле ΔIL = (VIN×tON)/L. В нагрузку попадает постоянный ток, равный среднему значению тока через катушку индуктивности, а ток пульсаций протекает через выходной конденсатор.
Схема повышающего импульсного преобразователя включает в себя генератор, контур управления с ШИМ и коммутируемые полевые транзисторы (рис. 3).
Рис. 3. Схема повышающего импульсного преобразователя
Преобразователи, в которых в качестве ключа В используется диод Шоттки, называются асинхронными, а преобразователи, в которых в качестве ключа В используется полевой транзистор, — синхронными. В схеме на рис. 3 ключи А и В реализованы с помощью внутреннего полевого транзистора с каналом N-типа и внешнего диода Шоттки соответственно, и, таким образом, она представляет собой асинхронный повышающий импульсный регулятор.
Рис. 4. Типичная схема включения ADP1612/ADP1613
Основным рабочим режимом в современных повышающих синхронных импульсных преобразователях является режим широтно-импульсной модуляции. При этом частота импульсов поддерживается постоянной, а их длительность (tON) изменяется для регулировки выходного напряжения. Средняя мощность, выдаваемая в нагрузку, пропорциональна коэффициенту заполнения импульсной последовательности:
Например, при желаемом выходном напряжении 15 В и доступном входном напряжении 5 В:
Вследствие закона сохранения энергии входная мощность равна сумме мощности, выдаваемой в нагрузку, и любых потерь. Ввиду высокой эффективности преобразования небольшими потерями при вычислении мощности можно пренебречь.
Таким образом, входной ток можно аппроксимировать выражением:
Так, например, если ток нагрузки равен 300 мА при выходном напряжении 15 В, то IIN = 900 мА при входном напряжении 5 В, то есть примерно в три раза больше выходного тока. Таким образом, с ростом выходного напряжения доступный ток нагрузки убывает.
Для стабилизации выходного напряжения в повышающих преобразователях используется обратная связь по напряжению или по току. Управляющий контур позволяет поддерживать уровень выходного напряжения при изменении нагрузки. Повышающие импульсные преобразователи для систем с малым энергопотреблением обычно работают с частотой импульсов в диапазоне от 600 кГц до 2 МГц. Работа на высокой частоте коммутации позволяет использовать катушки индуктивности меньших габаритов, однако при каждом удвоении частоты КПД падает примерно на 2%. В повышающих импульсных преобразователях ADP1612 и ADP1613 частоту коммутации можно выбрать при помощи вывода FREQ. При подключении вывода FREQ к «земле» устанавливается частота 650 кГц, при которой достигается максимальный КПД, а при подключении вывода FREQ к
Катушка индуктивности, являющаяся ключевым компонентом повышающего импульсного преобразователя, запасает энергию в интервале tON и передает эту энергию на выход через выходной выпрямитель в интервале
Ключевые спецификации и определения повышающего импульсного преобразователя
Диапазон входных напряженийДиапазон входных напряжений повышающего импульсного преобразователя определяет наименьшее полезное входное напряжение питания.
Ток по цепи заземления (рабочий ток)IQ — это постоянный ток смещения, не поступающий в нагрузку. Устройства с малым значением IQ дают больший КПД. Параметр IQ может быть указан в спецификации для различных условий работы.
Это входной ток, потребляемый при неактивном уровне сигнала на выводе разрешения. Малое значение этого тока важно для поддержания долговременной работы в режиме ожидания, когда устройство находится в «спящем» режиме.
Коэффициент заполнения импульсной последовательностиРабочий коэффициент заполнения импульсной последовательности должен быть меньше максимального коэффициента заполнения импульсной последовательности; в противном случае стабилизация выходного напряжения поддерживаться не будет.
Так, например при VIN = 5 В и VOUT = 15 В, D
Точнее — диапазон поддерживаемых выходных напряжений. Выходное напряжение повышающего импульсного преобразователя может быть фиксированным или регулируемым. Во втором случае для задания желаемого выходного напряжения используются внешние резисторы.
Предельный токВ спецификациях на повышающие импульсные преобразователи обычно указывается предельный пиковый ток, а не ток нагрузки. Обратите внимание на то, что чем больше разница между VIN и VOUT, тем меньше доступный ток нагрузки. Максимальный доступный выходной ток определяется пиковым предельным током, входным напряжением, выходным напряжением, значением частоты коммутации и номиналом катушки индуктивности.
Стабилизация по входному напряжению — это изменение выходного напряжения, вызываемое изменением входного напряжения.
Стабилизация по току нагрузкиСтабилизация по току нагрузки — это изменение выходного напряжения, вызываемое изменением выходного тока.
Мягкий запускВажно, чтобы повышающие импульсные преобразователи имели функцию мягкого запуска, которая бы обеспечивала контролируемое линейное нарастание выходного напряжения во избежание чрезмерных выбросов выходного напряжения. Интервал мягкого запуска некоторых повышающих импульсных преобразователей можно регулировать при помощи внешнего конденсатора. Когда конденсатор мягкого запуска заряжается, он ограничивает пиковый ток. Регулируемый мягкий запуск позволяет изменять время запуска в соответствии с требованиями системы.
Отключение при перегреве (Thermal Shutdown, TSD)Если температура полупроводникового перехода становится выше определенного предельного значения, схема отключения при перегреве отключает преобразователь.
Повышенная температура полупроводниковых переходов может быть следствием работы при повышенном токе, плохого охлаждения печатной платы или высокой температуры окружающей среды. Схема защиты от перегрева имеет гистерезис, который предотвращает возврат схемы в нормальный рабочий режим до тех пор, пока температура кристалла не станет ниже предустановленного значения.
Если входное напряжение становится ниже порогового значения, то микросхема автоматически отключает ключ цепи питания и переходит в режим пониженного энергопотребления. Это предотвращает возможное ошибочное поведение при низких входных напряжениях и включение мощного устройства в условиях, когда невозможно обеспечение его нормальной работы.
Заключение
ИМС повышающих импульсных преобразователей для схем с пониженным энергопотреблением избавляют разработчиков от ряда проблем при проектировании преобразователей постоянного тока, позволяя использовать апробированные решения.
Примеры расчета параметров проекта и номиналов компонентов даются в разделе технического описания ИМС, посвященном ее практическому применению. Еще больше упростить задачу проектирования позволяет инструмент проектирования ADIsimPower [4]. Дополнительную информацию можно получить, связавшись с инженерами по применению компании Analog Devices или посетив технический форум компании EngineerZone по ссылке http://ez.analog.com. Руководства по выбору повышающих импульсных преобразователей компании Analog Devices, технические описания и статьи по применению можно найти на http://www.analog.com/power.
Литература
- Мараско К. Эффективное применение понижающих преобразователей постоянного тока производства компании Analog Devices // Компоненты и технологии. 2011. № 10.
- http://www.analog.com/en/power-management/switching-regulators-integrated-fet-switches/products/index.html
- http://www.analog.com/en/power-management/switching-controllers-external-switches/products/index.
html - http://designtools.analog.com/drPowerWeb/dtPowerMain.aspx
- Marasco K. How to Apply Low-Dropout Regulators Successfully. Analog Dialogue. 2009. Vol. 43. № 3.
htmlПовышающий преобразователь напряжения с мощностью до 400Вт. Преобразователи напряжения. Купоны на скидки. Характеристики, внутреннее устройство и обзоры преобразователей
Как-то так получается, что я очень редко пишу обзоры повышающих преобразователей напряжения, а уж чтобы относительно мощный, так вообще вроде впервые. Но так как меня часто спрашивают о подобных преобразователях, то я купил такой специально для обзора.В заголовке указана цена и стоимость доставки, мне в итоге доставка вышла немного меньше, так как покупал для обзоров не только этот преобразователь, но и понижающий, а также разные мелкие товары.
Преобразователь компактный, как и предыдущие упакован был в антистатический пакет.
Технические характеристики со страницы товара в родном переводе
Входное напряжение: DC8.
5V-50V
Входной ток: 15А (макс.) превышает 8А, пожалуйста, увеличьте тепловыделение
Тихий ток: 10 мА (12 В литр 20 в, выходное напряжение, чем выше ток, тем более тихий)
Выходное напряжение: 10-60 в постоянно регулируется
Постоянный диапазон: 0,2-12 А
Температура: от-40 до + 85 градусов (температура окружающей среды слишком высокая, пожалуйста, увеличьте тепловыделение)
Рабочая частота: 150 кГц
Эффективность преобразования: до 96%
Защита от перегрузки по току: Да
Защита от обратной полярности на входе: нет
Установка: резьбовые отверстия 4 2,55 мм
Размер модуля: 67 мм x48мм X 28 мм (ДхШхВ)
Один модуль: 60g
Судя по всему под «тихим током» подразумевается потребление без нагрузки, а под «тепловыделением» охлаждение. В остальном все понятно и так, входное 8.5-50 вольт, выходное 10-60 вольт, ток по входу до 15А, по выходу до 12А.
Есть упоминание защиты по току, но я об этом расскажу отдельно так как есть нюансы.
1, 2. На входе и выходе установлены обычные, дешевые клемники, что при токах до 12-15А выглядит как-то слабовато, лучше провода вообще подключить напрямую.
3. Как элемент защиты от КЗ в нагрузке или преобразователе установили предохранитель на 15 ампер, предохранитель просто запаян в плату.
4. Конденсаторы что на входе, что на выходе 220мкФ 63В, по паре на каждую сторону.
1. Для регулировки стоит два подстроечных резистора, слева регулировка напряжения, справа регулировка тока, отмечу что если регулировка тока реализована корректно, то регулировку напряжения сделали наоборот, т.е. вращение вправо уменьшает напряжение, а не увеличивает.
2. Применен один из самых распространенных ШИМ контроллеров — TL494, можно сказать классика.
3. Силовой транзистор 160N75F03, 75 вольт, 4мОм, 120А.
4. Диодная сборка MBR20100CT, оба силовых компонента установлены на отдельных радиаторах через изоляторы.
Снизу пусто, совсем пусто и кстати видно что оба регулятора установлены в нижнем плече делителя но с небольшой разницей, делитель ОС по напряжению включен в цепь выходного напряжения, а делитель ОС по току в цепь задания опорного напряжения для второго усилителя ошибки, т.
е. сигнал с шунта идет прямо на вход ШИМ контроллера.
Возможно потому и получилась путаница с направлением вращения так как в случае с ОС по напряжению увеличение номинала резистора увеличивает чувствительность ОС, а в случае с током уменьшает.
А теперь к тестам и разным странностям в работе.
1. Стартует преобразователь как и заявлено, при 8.5 вольта на входе.
2. Но если подать 8.4 вольта и менее то получаем первую странность, без нагрузки подскакивает ток потребления и выходное напряжение становится уже не 20 вольт, как было установлено, а 85… Чуть поднимаем напряжение, легкий щелчок и имеем опять 20.
3. Минимально можно установить 11.77 вольта.
4. Если поднять напряжение выше чем установленное, то на выходе оно также начнет расти независимо от установки, это особенность StepUp преобразователей, по крайней мере с обычным диодом на выходе. Именно из-за этой особенности он не сможет ограничивать ток при КЗ на выходе.
5, 6. Максимум на выходе получил 67 вольт, напряжение стабильно что при 12, что при 24 вольта.
Следует помнить, что конденсаторы стоят на 63 вольта.
Также у меня возник закономерный вопрос насчет питания ШИМ контроллера и входного напряжения. Насколько я помню, у TL494 максимальное напряжение питания 40 вольт, а заявлено входное до 50, но под радиатором нашелся компонент похожий на стабилизатор напряжения.
Так и есть, питается ШИМ контроллер напряжением 17.5 вольта, думаю это напряжение выбрано чтобы обеспечить 15-16 вольт в затворе силового транзистора, кстати на плате просматривается его драйвер на двух транзисторах.
Подал 50 вольт, ничего не сгорело 🙂
Из-за особенности данной топологии для проверки регулировки тока использовал нагрузку в виде светодиодной матрицы.
Ток регулируется относительно плавно и можно сказать что от нуля, по крайней мере можно установить около 30мА, но если попытаться установить еще меньше, то он будет нулевым.
Матрица была заявлена как 100Вт при 33-35 вольт потому я ограничился порогом в 3 ампера, при этом также можно выставить любое промежуточное.
Напомню, что такой способ регулировки яркости светодиодов не совсем корректен так как может плыть цветовая температура.
Для проверки зависимости тока от входного напряжения установил ограничение 1.5А и входное напряжение 20 вольт, затем снизил напряжение до 10 вольт, ток немного упал, потом поднял до 30 вольт и опять ток был немного ниже установленного, но что интересно, когда опять выставил входное 20 вольт ток вернулся к предварительно установленному значению. Думаю просто немного плывет опорное напряжение, но как по мне, то не критично.
Поведение преобразователя в разных режимах.
1, 2. Входное 10 вольт, на выходе 40, без проблем получил сначала 2, а потом 2.5 ампера выходного тока, при этом по входу ток был около 11А.
3, 4. Но увидел неприятную особенность, при попытке поднять ток нагрузки до 2.7 ампера источник предсказуемо ушел в режим ограничения тока, но преобразователь пытался работать дальше, при этом на входе было 6 вольт, на выходе соответственно около 5.
2-5.4, но ток по входу был 12А, а по выходу 2.7А. Судя по всему транзистор перешел в линейный режим работы и рассеивалось на нем весьма прилично. Через очень малое время напряжение по входу упало еще ниже.
Заметил я данную проблему уже когда отбирал фото так как обычно просто фотографирую процесс тестирования и не всегда замечаю что происходит.
В ходе предыдущего теста преобразователь прилично разогрелся, дал ему немного остыть и продолжил играться.
1. Входное 12 вольт, выход 19 вольт, ток 6А
2. Входное 12 вольт, выходное 24 вольта, ток 5А
3. Входное 24 вольта, выходное 36 вольт, ток 7А
4. Входное 30 вольт, выходное 48, ток 6.5А
В тестах преобразователь вел себя нормально, причем чувствовалось что запас еще есть, также обратил внимание что обычно больше греется диодная сборка чем транзистор.
Далее по задумке должен был идти тест измерения КПД, я выключил нагрузку и пошел за листиком и ручкой для записей, когда пришел, то краем глаза заметил странное моргание показания блока питания (он остался включенным).
Ток скакал от нуля до 12А, также менялось и напряжение.
Выключил, попробовал запустить снова, но БП всегда уходил в режим СС, при этом напряжение на выходе почти не менялось и составляло около 3-4 вольт.
Присмотрелся к преобразователю и увидел что расплавился пластмассовый изолятор крепежного винта, т.е. предположу такой сценарий — я экспериментировал с разными нагрузками, потом выключил нагрузку, но сделал это тогда, когда преобразователь ушел в линейный режим и не заметил этого, отошел буквально на минуту, а когда пришел, транзистор получил тепловой пробой и блок питания соответственно ограничивал ток. При этом транзистор ушел не в жесткое КЗ, а имел некое сопротивление и даже пытался работать, но увы, с ним уже все.
Мне хотелось продолжать эксперименты потому сначала попробовал поставить новенький IRF3205, преобразователь без проблем заработал, но у IRF3205 напряжение максимум 55 вольт, против 75 у родного. В итоге вспомнил что есть у меня 110N8F6 оставшиеся от электронной нагрузки, они имеют напряжение до 80 вольт, правда сопротивление у них в полтора раза больше.
Вообще здесь была еще одна дилемма, IRF3205 имеет больше сопротивление, но заметно меньше емкость затвора, у 110N8F6 наоборот, сопротивление немного ниже, но емкость затвора больше (9.1нФ), в идеале было бы поставить родные, они мне даже как-то понравились по параметрам как в плане сопротивления (4мОм), так и в плане емкости (6.7нФ), но у меня их нет 🙁
Кроме того добавил теплопроводящую пасту, изначально её не было. Можно было оставить как есть, но резинки имеют структуру вафельного полотенца, т.е. квадратики с углублениями, потому решил что паста не помешает. Кроме транзистора нанес пасту и под диодную сборку.
Предвижу вопрос, а не лучше ли изолировать радиатор от платы, а не транзистор от радиатора. С точки зрения отвода тепла да, так лучше, но так вы попутно получите антенну излучающую в эфир на частоте преобразования, как минимум от радиатора транзистора.
КПД измерялся в разных режимах, для начала входное 12 вольт, выходное 19 и 24 вольта, максимальная мощность по выходу была 131Вт.
Здесь и в следующем тесте шкала по горизонтали кратна току в 0.5А.
Здесь сразу три теста, входное 24 и выходное 36 вольт, а также входное 30/36 вольт и выходное 48 вольт.
Видно что преобразователь в таком режиме добрался до заявленных 96%, максимальная мощность нагрузки в тесте была 333Вт (48 вольт 8 ампер).
Заметил что есть зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, для примера на тесте с выходным напряжением 48 вольт и током 0.5-8А.
В ходе теста на прогрев плата просто лежала на столе без активного охлаждения.
Тест проводился в двух режимах, сначала при входном 12 и выходном 24 вольта, ток нагрузки 2, 3.7 и 4.5А, первые два теста по 20 минут, третий 10 минут.
Преобразователь вел себя очень даже неплохо, собственно потому я и провел третий тест с током 4.5А.
Больше всего грелся выходной диод, 85 градусов, транзистор и дроссель имели температуру примерно на 7-10 градусов меньше.
Второй тест был при входном 30 и выходном 48 вольт, два прогона по 20 минут с токами 3 и 4.
5А.
Ну здесь температура уже существенно выше, а так как и разница вход/выход больше, то увеличился нагрев транзистора и его температура превысила порог в 100 градусов.
Для большей наглядности сделал три графика потерь на преобразователе в трех режимах — 12-19В, 24-36В и 30-48В, шкала внизу кратна току нагрузки в 0.5А.
Соответственно на основании этого графика и предыдущих измерений можно оценить максимальные режимы и температуры.
Размах пульсаций по выходу измерялся как и у предыдущих преобразователей, с подключением параллельно щупу конденсаторов 1 и 0.1мкФ.
Вообще я ожидал что размах пульсаций будет большим, это характерная черта StepUp преобразователей, но как-то не думал что все будет настолько плохо.
Для начала входное напряжение 12 вольт, выходное 24, ток нагрузки 0, 1.7, 3.4 и 5.1А, при этом пульсации под нагрузкой были от 0.4 до 1 вольта!
Далее сокращенный тест в других режимах
1, 2. Входное 12 вольт, выходное 19, токи 3.5 и 7А
3, 4.
Входное 24, выходное 36 вольт, токи 3.5 и 7А
5, 6. Входное 30, выходное 48 вольт, токи 3.5 и 7А.
Фактически при указанных напряжениях и токах нагрузки выходная мощность составляла примерно 40-50 и 80-100%.
В последнем режиме размах составил 1.2 вольта. Да, конечно можно сказать что основной размах не такой и большой, а полный составляют короткие импульсы, но они довольно широкие. Виной всему и сама топология преобразователя и поганые конденсаторы и неоптимальная разводка платы.
Ну и под конец сравнительное фото четырех преобразователей, три понижающих и один повышающий
1. 10 (8) ампер
2. 20 (15) ампер
3. 12 (10) ампер
4. обозреваемый
Теперь выводы и боюсь они будут неутешительными.
Нет, преобразователь работает и по своему даже неплохо, но есть куча недоработок которые могут осложнить ему жизнь и надо их учитывать при эксплуатации.
1. При входном напряжении ниже чем 8.4 вольта работает нестабильно выдавая на выход повышенное напряжение
2.
При снижении входного напряжения под нагрузкой может перейти в линейный режим работы, спасает только отключение по входу. Проявляется с БП имеющим режим ограничения тока, с аккумуляторами вряд ли будет, но необходимо следить чтобы напряжение по входу не падало ниже 9-10 вольт.
3. Нагрев можно сказать что умеренный, но зависит от режима работы
4. Пульсации, для нормальной работы надо менять выходные конденсаторы на конденсаторы, а не их массогабаритные макеты, также хорошо бы поставить LC фильтр по выходу.
5. Защита от КЗ только в виде предохранителя, помните что выходное напряжение не может быть ниже входного более чем на 0.5-0.6 вольта.
Что сразу надо доработать:
1. Заменить выходные конденсаторы
2. Нанести теплопроводящую пасту и проверить прижим транзистора и диодной сборки
3. Для повышения КПД можно поставить более эффективную диодную сборку.
4. Желательно заменить или вообще убрать родные клемники.
Если коротко, работать будет, возможно даже будет работать неплохо, но если во время работы под нагрузкой напряжение сильно просядет и БП уйдет в режим СС, то будет беда.
При работе от аккумуляторов должен работать неплохо, но пульсации по выходу лучше все таки фильтровать.
Как вариант, можно использовать для заряда аккумуляторов, например заряжать батарею 18-20 вольт от 12 вольт аккумулятора автомобиля.
Подключаем без нагрузки, выставляем необходимое напряжение, потом выкручиваем влево регулировку тока (пока подстроечный резистор не начнет щелкать или просто около 20 оборотов), подключаем разряженную батарею (нагрузку) через амперметр выставляем ток заряда.
На этом все, надеюсь что было полезно.
Повышающий преобразователь постоянного тока с 8-32 В до 45-390 В
Для чего он нужен с такими параметрами? В принципе можно и обойтись без него, повышающий трансформатор и диодный мост могут заменить этот прибор запросто. Но небольшие габариты и возможность регулировки выходного напряжения делают этот девайс достойным того, чтобы обратить на него внимание. Утилитарное предназначение с сайта продавца:1. Зарядка конденсаторов питания электромагнитных пушек.
2. Питание электронных устройств.
3. Испытания высоким напряжением
4. Борьба с хомяками
В данном обзоре я рассмотрю его применение в тестах китайских безродных электролитических конденсаторов.
Габариты: 60х50х22
Вес: 55 грамм
Сборка-пайка на четверочку, флюс кое-где не отмыт.
Силовой Переключающий элемент — RU7088R — MOSFET, 70V, 80A
Остальные микросхемы с заботливо потертыми производителем маркировками.
Вход защищен от переплюсовки автомобильным предохранителем на 10А.
Выходная мощность 40 Ватт (Пиковая 70 Ватт)
Максимальный ток 0,2 А
Ток покоя: 15 мА
Рабочая частота: 75 кГц
Алгоритм работы: Подаем на вход 8-32 В DC, подстроечным резистором выставляем требуемое напряжение на выходе. (изменение входного напряжения в заданном диапазоне не влияет на выходное!)
По факту при 8 вольтах преобразователь работает нестабильно. При 10 В нестабильно работает под нагрузкой. Нормально работает от 12 В и выше.
Выход Мин и Макс:
Перед тем, как перейти к экспериментам, напоминаю — на разных частях платы присутствует высокое напряжение, которое опасно для ваших любимых дорогостоящих приборов!
Купил я как-то парочку конденсаторов на Алиэкспресс и написал про них обзор: Алюминиевый электролитический конденсатор 2200 мкФ 450 В Hitachi или «Hitachi»
Кому лень ходить по ссылкам: при низковольтных измерениях – отличные конденсаторы. Но аборигены mySKU.me методом запугивания убедили меня, что вряд ли они будут работать при высоком напряжении, и красивый взрыв с эффектно разлетающимися конфетти из фольги неизбежен. Я переложил на всякий случай конденсаторы из ящика стола в сейф для хранения оружия и запретил к нему подходить всем, кроме тещи.
Собрал вот такой стенд на лоджии (благо там сейчас ремонт):
Для пущего эффекта разложил все равномерно вокруг конденсатора. Подключил и токоизмерительные клещи, и термопару примотал изолентой к корпусу- я же серьезный исследователь. Камеру засунул в аквабокс.
Подготовка
Экипировался в хоккейную ракушку, маску сварщика, в бандану из противопожарной кошмы (защитил все круглое), примотал к рукам палки для скандинавской ходьбы – манипуляторы, кнопки нажимать. Позвонил в МЧС: «Не спите». «Нет, не спим», — ответили в МЧС. «Это, вообще-то, не вопрос был, а пожелание.»
Все вроде бы готово. Обратил внимание, что ветер стих, смолкли птицы, перестал плакать маленький ребенок за стеной, только несмазанные детские качели внизу заунывно скрипели потревоженные чьей-то беспечной рукой… Хотел перекреститься, но куда-там, чертовы палки…
Включил, наблюдал в щелочку, напряжение росло. На электродах конденсатора, у меня-то нервы железные. За несколько секунд напряжение достигло максимума в 394 В, температура на корпусе электролита не менялась в течении 10 минут. Т. е. конденсатор прошел тест на живучесть. Порадовался, но чувство легкого разочарования осталось…
После выключения питания конденсатор довольно долго разряжается. Ускорение этого процесса с помощью металлического предмета приводит к вспышке, хлопку и порче металлического предмета.
Если не удалось использовать китайский электролит в качестве китайской петарды, придется его использовать по прямому назначению.
Что можно и нужно измерить? Правильно – ток утечки при заданном напряжении. У меня максимально возможное 394 В, на нем и будем мерить.
У идеального конденсатора ток утечки стремится к нулю. В реальности все не так, поэтому смотрим в таблицу и выбираем оттуда значение, которое ток не должен превышать. Для моего конденсатора 2200 мкФ на 394 вольтах не более 5,5 мА.
Схема подключения приборов при измерении:
Методика измерения — замыкаете накоротко амперметр, полностью заряжаете конденсатор, контролируя напряжение вольтметром. После полного заряда размыкаете амперметр – он показывает ток утечки. Если уверенны в своем амперметре, то можете его входы не замыкать, тогда еще и ток заряда посмотрите.
Для испытуемого конденсатора ток утечки в норме. От этого он не стал японским, но его смело можно использовать.
Выводы:
Не знаю, годен ли обозреваемый в качестве источника питания, пульсации я осциллографом не смотрел, но заряжать конденсаторы, пытать шпионов и убивать хомяков данным устройством можно.
Плюсы:
+ работает
+ приличный изменяемый диапазон выходного напряжения
+ есть возможность выбора входного напряжения
Минусы:
— можно предъявить претензии к качеству пайки и отмывки платы. Не критично, но все же.
Если нужен источник высокого напряжения, можно брать.
Повышающие импульсные преобразователи напряжения DC-DC
Казалось бы, всё просто как бублик: слепили из простых и доступных ингредиентов генератор, присовокупили к нему повышающий трансформатор, мостик, всякие там дела… Вот, собственно, и всё — дело сделано, сказка сказана, можно закрывать тему.
— Но мы же не можем прямо тут… У нас же есть какие-то морально-этические принципы…
— Так сегодня ж понедельник!
— Понедельник, конечно, но не до такой же степени. Поэтому говорить будем много,
нудно и обстоя- тельно.
А обсудим мы на этой странице повышающие преобразователи напряжения, не омрачённые такими редко любимыми в радиолюбительских кругах моточными изделиями, как силовые (или импульсные) трансформаторы.
Начнём с устройств, выполненных на цепях диодно-конденсаторных умножителей напряжения.
Рис.1
Простой преобразователь напряжения на одной К561ЛН2-микросхеме с минимальным числом навесных элементов можно собрать по схеме,
приведённой на Рис.1.
Преобразователь содержит задающий генератор, реализованный на первых двух инверторах КМОП микросхемы DD1, и буферного выходного
каскада, предназначенного для увеличения выходного тока преобразователя и выполненного на включённых параллельно оставшихся элементов ИМС.
Диоды VD1, VD2, а так же конденсаторы С2, С3 образуют цепь удвоения напряжения.
При указанных на схеме номиналах элементов — генератор импульсов, работает на частоте 10 кГц. При напряжении питания 10В —
выходное напряжение составляет 17В при токе нагрузки 5мА, 16В при токе 10мА, 14,5В при токе 15мА.
Значение КПД и величину выходного напряжения преобразователя можно увеличить за счёт использования в выпрямителе-умножителе напряжения
германиевых диодов, либо диодов Шоттки.
А для получения отрицательного выходного напряжения — элементы удвоителя напряжения следует включить в соответствии
с правой частью рисунка Рис.1.
Для увеличения мощности повышающих преобразователей между генератором и умножителем вводятся дополнительные биполярные или полевые транзисторы с максимальным допустимым током, превышающим ток нагрузки.
Рис.2
Устройство, представленное на Рис.2, образуют задающий генератор, собранный на логических элементах DD1.1 и DD1.2,
буферные ступени DD1.3, DD1.4, усилители тока VT1, VT2 и выпрямитель-удвоитель напряжения на диодах VD1, VD2 и конденсаторах
С2, СЗ.
При питании преобразователя от источника постоянного тока напряжением 12 В его выходное напряжение при токе нагрузки 30 мА будет
около 22 В (напряжение пульсаций — 18 мВ).
При токе нагрузки 100 мА выходное напряжение уменьшается до 21 В, а при 250 мА — до 19,5 В.
Без нагрузки преобразователь потребляет от источника питания ток не более 2 мА.
Транзисторы VT1 и VT2 преобразователя могут быть любыми из указанных на схеме серий, а также ГТ402В или ГТ402Г, ГТ404В или ГТ404Г.
С германиевыми транзисторами выходное напряжение преобразователя будет больше примерно на 1 В.
Для получения больших выходных напряжений применяются схемы преобразователей напряжения с многокаскадными умножителями.
Рис.3
На Рис.3 приведена схема экономичного преобразователя напряжения для питания варикапов, опубликованная в журнале Радио №10, 1984,
И. Нечаевым.
«Преобразователь не содержит намоточных деталей, экономичен и прост в налаживании. Устройство состоит из генератора прямоугольных
импульсов на микросхеме DD1, умножителя напряжения на диодах VD1-VD6 и конденсаторах СЗ-С8, параметрического стабилизатора
напряжения на транзисторах VT1-VT3.
В качестве стабилитронов используются эмиттерные переходы транзисторов. Режим стабилизации наступает при токе 5…10мкА.
Помимо указанных на схеме, в преобразователе можно использовать микросхемы К176ЛЕ5 и К176ЛА9, транзисторы КТ315, КТ316 с любым
буквенным индексом, диоды Д9А, Д9В, Д9Ж. Конденсаторы С1-С7 — КЛС или KM, C8 — К50-6 или К50-3, резисторы МЛТ или ВС.
Налаживание преобразователя сводится к подбору транзисторов VT1 — VT3 с требуемым напряжением стабилизации.
При изменении напряжения питания приёмника от 6,5 до 9В потребляемый преобразователем ток увеличивается с 0,8 до 2,2мА, а выходное
напряжение — не более чем на 8…10мВ.
При необходимости выходное напряжение преобразователя можно повысить, увеличив число звеньев умножителя напряжения и число
транзисторов в стабилизаторе».
В последнее время для преобразования напряжения всё чаще применяют импульсные преобразователи с использованием индуктивных
накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД и обладают возможностью получения повышенного, пониженного
или инвертированного выходного напряжения.
Как это работает?
Рис.4
На рисунке Рис.4 (слева) изображён импульсный повышающий преобразователь напряжения, способный повышать выходное напряжение от напряжения источника питания до величины в десятки раз превышающей его.
При замыкании ключа, выполненного на транзисторе Т, через цепь: источник питания — индуктивность — замкнутый ключ начинает протекать ток. При этом, в связи с явлением самоиндукции, ток через индуктивность не может измениться моментально, так как в это время идёт постепенный запас энергии (ЭДС) в магнитном поле катушки.
При размыкании ключа — ток начинает течь по другому контуру: источник питания-индуктивность-диод-нагрузка. Поскольку источник питания и катушка в этой цепи соединены последовательно, то их ЭДС складываются. Таким образом происходит повышение напряжения.
Величина выходного напряжения подобных преобразователей малопредсказуема и зависит от нескольких факторов: сопротивления нагрузки, добротности катушки, и энергии, которая успела запастись в ней за время замыкания ключа. Именно поэтому напряжение в цепи без нагрузки может достигать значительных величин, порой приводящих к пробою ключевого транзистора.
Так как же регулировать напряжение на выходе таких преобразователей?
Очень просто — запасать в дросселе ровно столько энергии, сколько необходимо для того, чтобы создать необходимое напряжение на нагрузке.
Производится это посредством регулировки длительности импульсов открывающих транзистор (временем в течении которого открыт транзистор).
Уровень выходного напряжения преобразователя описывается формулой Uвых = K×Uвх/(1-D), где
D — это величина, обратная скважности, и равная отношению периода времени, когда ключ открыт, к общему периоду
импульсного сигнала, управляющего ключевым транзистором, а
К — коэффициент, прямо пропорциональный сопротивлению нагрузки и обратно пропорциональный сопротивлению открытого ключа,
а также сопротивлению потерь катушки индуктивности.
У данного типа преобразователей полярность выходного напряжения, совпадает с полярностью входного.
На рисунке Рис.4 (справа) приведена упрощённая схема инвертирующего преобразователя напряжения, имеющего полезное
свойство — работать как в режиме понижения напряжения, так и в режиме повышения.
Полярность его выходного напряжения противоположна полярности входного.
Так же как и в предыдущем случае, во время замыкания ключа Т происходит процесс накопления энергии катушкой индуктивности.
Диод Д препятствует попаданию напряжению от источника питания в нагрузку.
Когда ключ закрывается, энергия индуктивности начинает перетекать в нагрузку.
При этом ЭДС самоиндукции, направлена таким образом, что на концах катушки формируется полярность, противоположная первичному источнику
питания. Т. е. на верхнем конце обмотки катушки формируется отрицательный потенциал, на противоположном конце — положительный.
Уровень выходного напряжения равен: Uвых = K×Uвх×D/(1-D).
С теорией завязываем, резко переходим к схемам электрическим принципиальным повышающих преобразователей напряжения с индуктивными накопителями на борту.
Рис.5
На Рис.5 приведена очень простая и красивая схема преобразователя напряжения 1,5 в 15 вольт, содержащая всего 2
транзистора, выполняющих как функцию генератора сигнала, управляющего ключевым транзистором, так и самого ключевого транзистора.
Вот что пишет автор конструкции, приведённой в зарубежном издании.
«В качестве источника используется элемент питания напряжением 1,5 В, а на выходе схемы получается напряжение 15 В.
Схема ещё хороша тем, что очень проста для повторения и не имеет дефицитных деталей.
Рассмотрим принцип работы. Итак, при замыкании тумблера SA1 на резисторе R1 возникает падение напряжения. Как следствие, через базу
транзистора VT1 потечёт ток и оба транзистора (VT1, VT2) будут находится в открытом состоянии. В начальный момент времени, на коллекторе
VT2 будет практически нулевое напряжение и через него и катушку L1 потечет нарастающий ток. Этот ток будет непрерывно увеличиваться
пока транзистор VT2 не перейдет в режим насыщения. Следствием это будет увеличение напряжения на коллекторе транзистора VT2,
что неизменно приведет к возрастанию напряжения на резисторе R2. В результате, транзистор VT1 закроется, после чего закроется и второй
транзистор VT2.
После того, как ток прекратит движение через катушку L1, на коллекторе транзистора VT2 образуется большое положительного напряжения,
которое двигаясь через диод Шоттки VD1, будет заряжать конденсатор C1. Стабилитрон VD2 в схеме преобразователя напряжения играет роль
ограничителя зарядного напряжения на конденсаторе C1 и поддерживает его на уровне 15 В.
После того, как магнитное поле катушки L1 исчезает, напряжение на транзистора VT2 падает до уровня источника питания, т. е. до 1,5 Вольт.
После чего оба транзистора переходят в открытое состояние, а через катушку L1 снова потечет нарастающий ток.
Частота работы устройства около 10 кГц. При исправных деталях и правильном монтаже, простой преобразователь напряжения начинает
работать сразу. Допускается замена деталей очень близких по характеристикам».
Много разнообразных преобразователей напряжения реализуется на базе интегрального таймера NE555.
Рис.6
Схема одного из вариантов такого преобразователя приведена на Рис.6. Для получения высоковольтных импульсов он использует
накопительный дроссель.
«На таймере DA1 собран генератор импульсов с частотой повторения около 40 кГц (она определяется сопротивлением резисторов R1, R2
и емкостью конденсатора С1). Эти импульсы поступают на транзистор VT1, работающий в режиме переключения. Когда он открыт, в катушке
индуктивности L1 накапливается энергия за счет протекающего через VTI тока. Когда транзистор закрывается, на катушке L1 возникает
импульс напряжения, амплитуда которого в несколько раз превышает напряжение питания (в авторской конструкции она была около 80 В).
Эти импульсы напряжения выпрямляются диодом VD1, а выпрямленное напряжение фильтруется, а затем стабилизируется стабилитроном VD2.
Транзистор VT1 желательно подобрать из числа предназначенных для использования в переключающих схемах. Он, в частности, должен иметь
высокое допустимое напряжение коллектор-эмиттер (не ниже 100 В). Высокое обратное допустимое напряжение должен иметь и диод VD1.
Стабилитрон VD2 — малой мощности на требуемое выходное напряжение (в авторской конструкции — на 30 В). Таймер DA1 имеет аналог
отечественного производства — КР1006ВИ1. Подробной информации о катушке индуктивности в первоисточнике нет. Отмечается лишь, что
она выполнена на незамкнутом броневом магнитопроводе из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью медным проводом
диаметром 0,1 мм.
При налаживании конструкции может возникнуть необходимость подобрать резистор R3 по наибольшему выпрямленному напряжению».
Рис.7
«Ещё одна схема очень простого преобразователя постоянного напряжения с минимумом элементов, обеспечивающего несколько миллиампер
тока напряжением 400…425В при потребляемом токе 80…90 мА от источника 9 В, приведена на Рис.7.
На таймере NE555 выполнен мультивибратор на частоту 14 кГц. КПД устройства сильно зависит от добротности катушки индуктивностью 1 мГн.
Дроссель имеет индуктивность 1000мкГн. Толщина провода не столь важна, поскольку выходной ток схемы ничтожный. Такое устройство может
быть пригодно для тех приборов, где нужно получить повышенное напряжение, но размеры ограничены».
Достаточно часто приходится видеть устройства преобразователей на NE555 со встроенной схемой стабилизации выходного напряжения. Однако, кто интересуется, тот знает, что импульсные преобразователи со стабилизацией гораздо лучше работают на недорогих микросхемах серии UC384x, которые представляют из себя широтно-импульсные контроллеры и специально спроектированы для работы в преобразователях постоянного напряжения. Схема такого устройства приведена на Рис.8.
Рис.8
L1 намотана на кольце из порошкового железа d=24мм и содержит 24 витка провода диаметром 1мм. Выходная частота работы микросхемы при указанных номиналах элементов работы — 75-80 кГц.
Устройство было изготовлено и довольно подробно протестировано в сравнении с аналогичным преобразователем на микросхеме NE555
уважаемым Александром Сорокиным на странице форума https://www.drive2.ru/c/470856784697885156/.
Вот что пишет автор:
«Стабилизация выходного напряжения на микросхеме UC3845 работает прекрасно во всем диапазоне нагрузок. Напряжение холостого хода в пределах нормы (19.2 вольта для ноутбука), при 10Вт на выходе напряжение 18,94в, при 85Вт 18,8в т.е. просадка всего 0,1в и это прекрасно».
Ну и конечно не следует обходить вниманием специализированные микросхемы, представляющие собой практически готовые повышающие DC-DC преобразователи. Примером такой ИМС является TL499A (Рис.9).
Рис.9
С помощью этого импульсного источника питания можно получить напряжение от 1,5 до 15V при выходном токе до 50мА, для питания портативной
аппаратуры от источника напряжением ЗV (два элемента «АА» или один литиевый элемент).
В основе схемы DC/DC конвертор на микросхеме TL499A. У микросхемы есть два входа, в данном случае используется только один — вывод 3,
для подачи входного напряжения с целью его повышения.
Кстати, это напряжение не обязательно должно быть ЗV, может быть и 5V, а может быть и 1,5V (при работе от одного гальванического
элемента), потому что минимальное входное
напряжение микросхемы 1,1V, а максимальное 10V. При этом выходное напряжение поддерживается стабильным.
Установка и стабилизация выходного напряжения происходит при помощи компаратора (вывод 2), наблюдающего за выходным напряжением,
которое поступает на него через делитель на резисторах R2 и R3. Подстроечным резистором R2 выставляется уровень выходного напряжения
в диапазоне от 1,5 до 15V.
О проблеме запуска светодиодных модулей при работе с DC-DC преобразователем
Из эти двух примеров мы можем сказать, что проблемы запуска при совместной работе двух источников связаны с фактическим рабочим диапазоном DC-DC преобразователя. При низком пусковом напряжении DC-DC преобразователя первый источник питания может не работать так, как от него ожидается и, таким образом, создавать различные проблемы при запуске.Решение проблемы запуска
Если лампы имеют проблемы аналогичные описанным выше, предлагается применить несколько решений:
— Выбрать DC—DC преобразователь с мягким стартом или с функцией задержки запуска
DC-DC преобразователь с мягким стартом после включения постепенно увеличивает выходную мощность до номинального уровня. Это помогает уменьшить пусковой ток DC-DC преобразователя и предотвратит соответствующие проблемы запуска первого источника питания. Задержки запуска при этом нет, но, поскольку номинальная мощность начинает потребляться уже после того, как первый источник способен выдавать номинальное выходное напряжение, это также позволяет предотвратить проблемы, связанные с несогласованным временем запуска источников питания.
— Использование диммирующей функции или входа дистанционного отключения DC—DC преобразователя, если они предусмотрены
Включение преобразователя при помощи входа дистанционного отключения или функции «dim off»(функциональность, которая позволяет диммировать преобразователь до минимального значения) только после того, как первый источник питания успешно запустился, также поможет предотвратить проблемы, связанные с несогласованным временем запуска первого и второго преобразователей напряжения. Обычно светодиод питания на сетевом источнике зажигается менее чем за 0,5 секунд. Ручное или автоматическое включение с задержкой в 0,5 секунд второго DC-DC преобразователя также поможет решить проблемы запуска.
Принцип работы и разновидности DC-DС преобразователей
Что такое DC/DC преобразователь постоянного тока или описание принципа работы DC/DC преобразователей применяемых для построения источников питания
DC/DC преобразователи питания постоянного тока широко применяются в различных электронных приборах, вычислительной технике, устройствах телекоммуникации, автоматизированных системах управления (АСУ), мобильных устройствах и т.д.
DC/DC преобразователи применяются для изменения выходного напряжения как в большую, так и в меньшую сторону, относительно напряжения на входе.
Типы DC DC преобразователей
DC-DC модуль
Buck-boost DC-DC Модуль преобразования напряжения
Сегодня на рынке существует различные типы DC/DC конвертеров, которые используются потребителями.
- DC/DC преобразователи без индуктивности.
Для питания маломощных нагрузок выгодно использовать преобразователи на коммутируемых конденсаторах. Использование таких устройств не требует наличия дорогих моточных компонентов, поэтому они позволяют создать дешевые и компактные модули питания. Подобные преобразователи могут быть как с фиксированным напряжением, так регулируемые.
- DC/DС преобразователи с индуктивностью.
Большой популярностью пользуются преобразователи без гальванической развязки между входом и выходом. В данном типе DC-DC конвертера находится единичный изолированный источник питания. В зависимости от положения ключа, напряжение может повышаться, понижаться или инвертироваться в напряжение с обратной полярностью. Ключевыми элементами часто выступают биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и полевые транзисторы разного типа (FET).
Среди конвертеров с индуктивностью можно встретить следующие типы:
- Понижающий импульсный DC-DC преобразователь. В роли ключа выступает транзистор, управляемый с помощью широтно-импульсного модулятора.
- Повышающий импульсный DC-DC преобразователь. Его особенности мы рассмотрим ниже.
- Преобразователь с регулируемым выходным напряжением. Такие устройства позволяют получить как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе. Зачем это нужно? Например, для использования в устройствах, где напряжение задается Li-ионной батареей. Со временем, когда батарея ослабевает, её напряжение уменьшается, но использование такого преобразователя позволяет всегда поддерживать заданное значение на выходе.
- Преобразователь с любым выходным напряжением. Они способны производить как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе. Зачем они нужны? Например, для использования в схемах, где напряжение задается Li-ионной батареей. Они имеют напряжение 3,3 В. Со временем эксплуатации ее напряжение уменьшается, и поэтому есть смысл преобразовывать его до 3,3В на выходе. Примером такого устройства является Buck-boost DC DC преобразователь от Террател.
Рис. Составные узлы DC-DC преобразователя
- DC/DC преобразователь с гальванической развязкой.
В таких преобразователях постоянного тока применяются импульсные трансформаторы с несколькими обмотками, благодаря чему отсутствует связь между входной и выходной цепями.
Для таких устройств характерна большая разница потенциалов между входным и выходным напряжением. Например, они используются в блоках питания импульсных фотовспышек, которые имеют на выходное напряжение около 400В.
Принцип работы DC-DC преобразователя
Описания принципа работы DC/DC преобразователя рассмотрим на следующем примере.
Итак, у нас есть 5В постоянного тока из которых нам необходимо получить большее напряжение. Существует несколько вариантов решения данной задачи. Например, параллельно заряжать конденсаторы, а потом последовательно их переключать. Причем делать это надо очень быстро, по несколько раз в секунду. Конечно, на практике это нереально, поэтому существуют специальные DC/DC преобразователи для решения этой задачи.
Чтобы понять, что такое DC/DC конвертер и какой у него принцип роботы, представим вариант работы системы подачи воды потребителю.
Этап 1 – Процесс разгона турбины.
Для начала нам необходимо разогнать турбину. Для этого открывается заслонка, и вода быстро сливается, передавая часть своей энергии турбине, благодаря чему последняя начинает раскручиваться.
Этап 2 – Заполнение емкости накопителя воды и давления.
Заслонка закрывается. Порция воды, толкаемая раскрученной турбиной-маховиком, приоткрывает клапан и наполняет емкость накопителя воды и давления. Другая часть воды направляется к потребителю, только уже с повышенным давлением от емкости-накопителя. При этом клапан препятствует обратному ходу воды в сторону турбины в случае возникновения большего давления от емкости накопителя.
Этап 3 – Получение энергии из емкости накопителя давления и разгон турбины.
Скорость турбины начинает падать. Давления воды уже не достаточно для продавливания клапана, а энергии в емкости накопителя воды накоплено достаточно. Затем, заслонка открывается снова, и вода начинает быстро раскручивать турбину. При этом поток воды к потребителю не прекращается, так как он получает её из емкости накопителя.
Дальше цикл раскрутки турбины и заполнения емкости накопителя воды и давления повторяется.
По аналогичному принципу работает любой DC DC преобразователь.
Ниже представлена электрическая схема DC DC преобразователя, на которой мы рассмотрим принцип его работы.
При этом роль турбины в электрической схеме DC DC преобразователя выполняет индуктивный дроссель. Вместо заслонки, которая управляет потоком воды, применяется транзистор. Роль клапана выполняет диод, а конденсатор является емкостью для накопителя давления.
Как работает DC DC преобразователь? Все аналогично.
Этап 1 – Накопление заряда индуктивностью.
Ключ замкнут. Индуктивность, получая ток от источника, накапливает энергию.
Этап 2 – Передача энергии в конденсатор.
Ключ размыкается, при этом катушка удерживает накопленную энергию в магнитном поле. Ток старается остаться на том же уровне, но дополнительная энергия из индуктивности подымает напряжение, тем самым открывая путь через диод. Часть энергии попадает к потребителю, а остальная накапливается в конденсаторе.
Этап 3 – Накопление энергии в индуктивности и передача заряда потребителю.
Затем ключ замыкается, и энергия снова начинает накапливаться в катушке. Потребитель, в это время, получает энергию из конденсатора.
Область применения DC/DC преобразователей и дросселей
В различных электронных устройствах, работающих от автономных источников энергии, необходимые уровни напряжений, возможно, получить только с использованием DC/DC преобразователей постоянного тока.
DC/DC конвертеры, преобразователи или дроссели напряжения постоянного тока широко применяются в различных портативных электронных приборах, вычислительной технике, телекоммуникационном оборудовании, автоматизированных системах управления АСУ, автомобилестроении и т.д.
Повышающий преобразователь постоянного тока в параллельный
В своем посте вы сказали, что хотите 1А на 12В, и что вы рассчитали, что вам нужно 3,24А без потерь. Вы не указали, какое входное напряжение вы использовали, но его можно рассчитать. 12 В * 1 А / 3,24 А = 3,7 В 3,7 В намного ниже минимального входного напряжения 5,0 В, указанного в техническом описании. Таким образом, ваше снабжение, вероятно, не будет работать правильно.
Что касается второй проблемы распараллеливания буст-регуляторов. Да, это может быть сделано.
Выходной сигнал повышающего преобразователя XL6009, как и большинства повышающих преобразователей, содержит выходной диод. Если несколько XL6009 подключены параллельно, этот диод предотвратит протекание выходного тока одного источника обратно в другие. Теперь, чтобы убедиться, что расходные материалы распределяют нагрузку, нужно добавить какую-то обратную связь. Самый простой способ — добавить небольшой последовательный резистор на выходе каждого источника питания, а затем соединить другую сторону каждого резистора вместе, чтобы подать нагрузку.
Допустимое отклонение эталонного напряжения XL6009 составляет чуть менее 3%, при условии, что для установки выходного напряжения 12 В используется делитель, состоящий из двух резисторов 1%, тогда общий допуск на выходе составляет ± 5%. Таким образом, выход каждого источника питания будет 12 В ± 0,6 В постоянного тока плюс пульсация.
Предположим, что у вас на самом деле был вход 5 В и что эффективность была 92%, как указано в спецификации. Таким образом, если вы хотите 1A при 12 В на выходе = 12 Вт, то вам нужно будет ввести 12 В * 1A / 92% / 5 В = 2,6 А. В этом случае вам, вероятно, нужно будет только параллельные два источника.
Вы хотите, чтобы распределение нагрузки было сбалансировано таким образом, чтобы ни одному источнику питания не требовалось более 2 А на входе при наихудшем выходном напряжении, которое составляет 12,6 В на источнике с высоким выходным током и 11,4 В на другом источнике. На входе 2A источник питания может выдавать выход 2A * 5 В * 92% / 12,6 В = 730 мА. 2 = 1,38 Вт в худшем случае. Поэтому вам, вероятно, понадобится резистор 2 Вт.
Согласно этому наихудшему сценарию совместного использования выходное напряжение, включая падение на резисторе, составило бы 12,6 В — 2,6 Ом * 730 мА = 11,14 В.
При одинаковом распределении напряжения в обоих выходах 11,4 В при 500 мА ваш выходной сигнал может составлять всего 11,4 В — 500 мА * 2,6 Ом = 10,1 В.
Если оба источника питания имеют одинаковую выходную мощность 12,6 В без нагрузки, выходная мощность может достигать 12,6 В.
Если вы хотите немного отойти от входа 2А для наихудшего случая, вы можете увеличить значение резистора выше 2,6 Ом, чтобы создать более равномерное распределение в ущерб эффективности.
| AS1383 | Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный, 200 мА, 3,5 МГц | AS1383 | ||||||||||||||
| AS1340 | Повышающий преобразователь HV DC-DC, 50 В, выходное отключение при отключении | 2.С 7 по 50 | от 2,7 до 50 | 100 | 90 | 30 | Фиксированная частота, асинхронный. | 1000 | Есть | Есть | Выходной разъединитель, регулируемое выходное напряжение | ТДФН (3×3) -8 | AS1340 |
Эффективная топология повышающего преобразователя постоянного тока на основе конденсатора зарядного насоса для системы возобновляемых источников энергии
В попытке удовлетворить глобальный спрос системы возобновляемых источников энергии (ВИЭ) проявили к ней интерес из-за доступности ресурсов , особенно солнечные фотоэлектрические системы, которые были важны на протяжении многих лет из-за снижения затрат на ватт, повышения эффективности и высокой доступности.Фотоэлектрические системы в отдаленных и сельских районах очень полезны там, где нет электроснабжения. В этом сценарии силовые электронные преобразователи являются неотъемлемой частью систем возобновляемой энергии, особенно для электронных устройств, которые работают от возобновляемых источников энергии и системы хранения энергии (топливный элемент и батареи). В этой статье предлагается новая топология конденсатора накачки заряда (CPC), основанная на методе повышающего DC-DC преобразователя (DCBC) с высоким коэффициентом усиления с динамическим моделированием.Чтобы подтвердить эффективность представленной топологии, в лаборатории был разработан прототип, на вход которого подавалось 10 В постоянного тока, а выходное напряжение 80 В постоянного тока достигалось на стороне нагрузки. Кроме того, экспериментальный результат показывает, что напряжение в переключателях MOSFET намного меньше по сравнению с обычным повышающим преобразователем с теми же параметрами, что и предлагаемый преобразователь.
1. Введение
Солнечная фотоэлектрическая система (ФЭ), обладающая огромным потенциалом для выработки электроэнергии непосредственно из солнечного света, рассматривается как средство обеспечения будущего с помощью чистых и экологически чистых возобновляемых источников [1–3].Однако у фотоэлектрических панелей, батарей и выходного напряжения топливных элементов меньше. Чтобы решить эту проблему, устанавливается повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный, повышающий низкое входное напряжение, чтобы потребовать более высокого усиления выходного напряжения, как показано на Рисунке 1 [4]. В 2019 году мир превысит примерно 900 миллионов мобильных устройств с более чем 500 миллионами пользователей. В связи с повышением спроса на энергию и ростом цен на обычную электроэнергию для поставщиков телекоммуникационных услуг становится сложной задачей поддерживать свою существующую инфраструктуру, а также расширять ее. во многих сельских районах, где доступ к обычному электричеству находится не на востоке по многим причинам.Благодаря технологическому развитию технологий использования возобновляемых источников энергии, в частности солнечной и ветровой, они оказались экономичными и надежными источниками питания телекоммуникационных систем в удаленных местах, где обычный доступ к сети недоступен или труднодоступен, а солнечная энергия может обеспечить защиту система связи защиты от любого повреждения или кибератаки по сравнению с электрической сетью, как показано на Рисунке 2 [5]. Поэтому важно использовать фотоэлектрические технологии (автономные, сетевые и удаленные солнечные электростанции).В этом сценарии важную роль играет повышающий преобразователь с высоким повышением [6, 7]. В литературе представлено много типов повышающих преобразователей для достижения повышающего напряжения на нагрузке [8]. Эти преобразователи работают с очень высоким рабочим циклом, что приводит к увеличению потерь преобразователя; Кроме того, используются многие компоненты схемы, снижающие общую эффективность системы [9]. В высоком сигнале PWM переключатели MOSFET вызывают неисправность из-за короткого времени проводимости [10, 11]. По сравнению с классическими схемами понижающего, повышающего и понижающего-повышающего преобразователей трансформаторные преобразователи могут достигать более высоких коэффициентов преобразования с меньшими потерями [12, 13].То же относится и к преобразователям со связанными катушками индуктивности [14].
Пропорция витков трансформатора или связанных катушек индуктивности помогает реализовать более высокие коэффициенты шага [15, 16].
Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный с подключенным дросселем [17, 18] и обратноходовым преобразователем с активными фиксаторами в [19], основным ограничением этих преобразователей являются проблемы, связанные с трансформатором. Большое передаточное число витков и требования к изоляции высокого напряжения увеличивают индуктивность рассеяния и паразитную емкость обмотки.В моменты переключения паразитный трансформатор приведет к скачкам высокого напряжения на переключателях [20]. Скачки напряжения и тока приводят к увеличению потерь и снижению надежности, а также могут повредить компоненты схемы [21–23]. Подробно обсуждается исследование некоторых преобразователей постоянного тока в постоянный [24]. В нем описывается, что мостовой преобразователь может быть более эффективным. Недостатком этой конструкции является то, что мягкое переключение трудно достичь. В этом преобразователе нет подходящего значения для демпфирующих конденсаторов для всего рабочего диапазона.Кроме того, в этом преобразователе требуется выходной дроссель, который может вызвать скачки напряжения на диодах. [25].
Наконец, преобразователь постоянного тока в постоянный с конструкцией трансформатора представлен в литературе, и недостатки этого преобразователя, включая потери в сердечнике трансформатора, могут быть значительно большими, а конструкция обмотки трансформатора сложна; Кроме того, эффективность низкая, а цена высокая. Переключение полупроводниковых устройств усугубило эту проблему, поскольку более высокие потери в сердечнике трансформатора при высоких частотах переключения затрудняют определение размеров трансформатора при одновременном соответствующем увеличении плотности мощности.Кроме того, присущий эффект взаимной связи между соседними обмотками трансформатора делает эти топологии менее подходящими для приложений с множеством входов или выходов [26–28]. Однако эта проблема может быть решена только путем подключения демпфирующих цепей к переключателям или использования паразитного трансформатора в качестве резонансного резервуара и использования этих преобразователей как резонансных преобразователей с мягкой коммутацией.
2. Сопутствующие работы
2.1. Принцип работы схем повышающего преобразователя
Популярными и обычно используемыми преобразователями являются обычные повышающие преобразователи постоянного тока в постоянный.Основная идея этих традиционных схем повышающего преобразователя заключается в разделении входного постоянного напряжения на точный ШИМ-сигнал для получения ожидаемого напряжения на стороне нагрузки. Сигнал ШИМ обычных повышающих преобразователей обычно поддерживается на постоянной скорости. На рисунке 3 показана обычная схема повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный [27]. Эти схемы имеют скромную сборку, но имеют некоторые ограничения, позволяющие избежать их использования в приложениях с высокой мощностью. Для более высокого коэффициента преобразования постоянного напряжения обычные преобразователи работают с более высоким коэффициентом заполнения, что приводит к увеличению потерь в компонентах схемы и имеет тенденцию к снижению общей эффективности системы [29, 30].Более высокий рабочий цикл может также вызвать отказ переключателей из-за короткого времени проводимости [31].
В уравнениях. (1), (2) где — скважность активного переключателя, однако фактический коэффициент преобразования намного ниже, когда влияние эквивалентного последовательного сопротивления катушки индуктивности, прямого падения напряжения на диоде, прямого сопротивления диода, сопротивления переключателя во включенном состоянии составляет учтено [28]. Эффект от всех этих неидеальностей заключается в том, что усиление напряжения от входа к выходу редко превышает 1.5–2.
3. Предлагаемый метод
3.1. Описание схемы
В этой статье представлены новые повышающие преобразователи постоянного тока в постоянный на основе конденсатора накачки заряда для высокого усиления напряжения. Комбинация функций CPC-DCBC с ячейкой умножения напряжения (CPC) не существует ни в одной из доступных топологий усиления высокого напряжения преобразователя постоянного тока в постоянный. Основным преимуществом представленной топологии является возможность достижения высокого коэффициента усиления по напряжению без работы с более высокой продолжительностью включения.
Существенные особенности предлагаемых преобразователей доказаны экспериментально в лаборатории с низкими коммутационными потерями и одноступенчатой без сильноточного прерывания.Конструкция рекомендованного преобразователя приведена на рисунке 4, где. — входное напряжение, четыре конденсатора (,, и), два переключателя MOSFET (ad), катушки индуктивности (,, и) и диоды (,, и). Представленная топология работает в режиме непрерывной проводимости (CCM), когда все компоненты работают в режиме ожидания.
4. Принцип работы
4.1. Состояние I (-)
В этом состоянии, как показано на рисунке 5, когда переключатели и включены, диод работает с прямым смещением, а диоды и с обратным смещением соответственно.Индуктор увеличивается за счет входного напряжения, и ток катушки увеличивается линейно в то же время (), установленное на катушке индуктивности, и ток катушки индуктивности увеличивается линейно, соответственно. В этом состоянии конденсаторы и работают последовательно, в результате чего напряжение на конденсаторах катушки индуктивности уменьшается на, а их ток уменьшается в этом состоянии. Это состояние выводится в уравнениях. (3) — (8).
4.2. Состояние II (-)
В этом состоянии, как показано на рисунке 6, когда оба полупроводника переключаются и выключены, диод смещен в обратном направлении.Ток через катушку индуктивности, разряженный к нагрузке посредством. В то же время, индуктор, также высвобождаемый для нагрузки, такой же, как индуктор, и напряжение на индукторе, заряженное для нагрузки В этом состоянии индуктивности и линейно уменьшаются, а соответственно увеличиваются; это состояние выводится уравнениями. (9) — (13).
5. Предлагаемый коэффициент преобразования напряжения преобразователя
В предлагаемых индукторах преобразователя, и, применяя метод второго баланса вольт в каждом состоянии, связь между предлагаемыми преобразователями приведена ниже в уравнениях.(14) — (20). Установившееся поведение напряжения индукторов и их токов показано на рисунке 7 выше.
Напряжение напряжения на переключателе MOSFET в уравнениях. (21) — (24)
5.1. Предлагаемый анализ потерь мощности преобразователя
Общие потери мощности в преобразователе равны потерям в каждом компоненте преобразователя Таблица 1.
«, и.
Аналогично для и,
5.2. Анализ постоянного тока предлагаемого преобразователя
Прерывистый режим проводимости (DCM) возникает при пульсации переключения в индуктивном токе, который слишком велик, что приводит к протеканию обратного тока в диодах.Как мы знаем, дидо может проводить обратный ток, поэтому преобразователь переходит в режим DCM.
Режим DCM обычно встречается в преобразователе с одноквадрантным переключателем. Условием для работы CCM является то, что среднее значение проводника должно быть больше половины размаха пульсаций. Конвертер может перейти в DCM, как показано ниже.
Для режима CCM,
Для режима DCM,
Между двумя вышеуказанными условиями находится граница Ч / Б CCM и DCM, которая задается
В предлагаемом преобразователе имеется три катушки индуктивности.Для катушек индуктивности CCM значение для режима CCM можно получить ниже.
Поскольку путь высвобождения энергии из индуктора разряжается переключателями, эти переключатели являются двунаправленными, поэтому в катушке индуктивности нет режима DCM из-за пульсаций тока. Проще говоря, увеличение пульсации не вызывает DCM, потому что MOSFET переключается и проводит обратный ток. Однако значение индуктивности должно быть достаточно большим, чтобы избежать проблемы реверсирования тока.
Увеличение теории пульсаций тока в катушках индуктивности и вызывает режим DCM как свободно вращающиеся диоды и не могут проводить обратный ток.Следовательно, для DCM в предлагаемом преобразователе есть ступень 3 rd , которая, а также вместе с другими переключающими компонентами, как показано на рисунке 8 ниже. каждый период переключения. Состояние I и состояние II аналогичны режиму CCM, а состояние III приведено ниже, когда все переключатели выключены.
Как известно, V 3 = V 2 и V s = V 1 , поэтому
Ток через катушки индуктивности приведен ниже на рисунке 9 в установившемся режиме.
В режиме DCM коэффициент преобразования постоянного тока определяется как
После применения второго закона баланса напряжений на всех индукторах получаем
5.3. Динамическое моделирование для представленного преобразователя
Для динамического моделирования предполагается, что пульсации тока катушки индуктивности и напряжения конденсатора очень малы. Эквивалентная схема представленного преобразователя показана ниже на рисунке 10, полученном из рисунка 5.
Затем, применяя теорию схем на рисунке 7, это получено по формуле.(37).
Уравнение (37) может быть записано как Ур. (38) без учета потерь.
где — нормальное значение вектора состояния, — матрица в, и — вектор в;, тогда как резистивная нагрузка является и является функцией переключателя с двоичным значением, равным [0, 1]. Это означает, что когда значение переключателя равно [0], переключатель выключен, а когда значение равно [1], переключатель включен. Вышеприведенное уравнение основано на нелинейном, а матрица — на управляющем сигнале. Метод процесса линеаризации позволил получить предложенное поведение преобразователя при малых возмущениях вокруг рабочей точки.Следовательно, номинальная установившаяся операционная система предлагаемого преобразователя может быть записана, задав (8), и может быть записана, как показано в уравнениях. (49) — (55).
Напряжение на конденсаторе
Ток на катушке индуктивности равен
где и,, и к номинальному входному напряжению, поэтому мы можем записать соотношение между напряжением и рабочим циклом, как показано ниже (46), (47).
где и, поэтому мы также можем записать как (48), (49).
После замены Ур. (39) — (45) и (46), (47) в уравнение.(40), мы можем вывести линейный режим после предположения, что возмущения достаточно меньше и нелинейных членов можно избежать, так что мы можем написать уравнение. (50).
Уравнение (50) может быть записано как Ур. (51).
где — вектор состояния, — постоянная матрица, — вектор входного напряжения, и. Если пренебречь входным напряжением возмущения, матрицу можно удалить и записать как (62).
6. Результаты и обсуждение
6.1. Результаты моделирования и обсуждение
На рисунках 11 (a) и 11 (b) представлены результаты моделирования предложенной топологии и обычного повышающего преобразователя.Эти результаты моделирования выполнены в Matlab Simulink при тех же параметрах, как показано. На рисунке 11 (a) показаны результаты моделирования как обычного повышающего преобразователя, так и предлагаемого преобразователя CPC, где входное напряжение, подаваемое на оба преобразователя, равно 10 В, и можно видеть, что выходное напряжение предлагаемого преобразователя выше, чем по сравнению с обычным преобразователем, которое составляет 80 В по сравнению с выходным напряжением 25 В обычного повышающего преобразователя, что очень мало. На рисунке 11 (b) мы можем видеть, что напряжение традиционного повышающего преобразователя такое же, как и выходное напряжение, как указано в формуле.(2). Тем не менее, напряжение рекомендованной топологии преобразователя CPC очень низкое. Из результатов моделирования очень ясно, что представленный преобразователь имеет много преимуществ по сравнению с обычным преобразователем, например, высокий коэффициент усиления по напряжению и более низкое напряжение переключения полупроводников, как показано на рисунке 11 (b). В традиционном повышающем преобразователе, если мы дадим 10 В в качестве входного напряжения для достижения выходного напряжения в соответствии с предложенной топологией обычного повышающего преобразователя, он будет работать с более высокой продолжительностью включения, что приведет к увеличению потерь компонентов, связанных с цепи и снизит общую эффективность системы.Более высокий рабочий цикл может вызвать отказ или неисправность переключателей из-за короткого времени проводимости.
6.2. Результаты экспериментов и обсуждение
Для проверки принципа работы и исследования эффективности рекомендованной топологии преобразователя CPC был разработан лабораторный прототип с параметрами схемы: V; V; кГц; мкм H; Ом ; соответственно, как показано на рисунке 12, а предлагаемые типы компонентов преобразователя и их стоимость представлены в таблице 2.Экспериментальные результаты рекомендованного преобразователя CPC показаны на рисунке 13, где установлен рабочий цикл предлагаемой топологии CPC, и он работает в режиме CCM. На рисунке 13 (a) показаны сигналы переключения предполагаемого преобразователя, а на рисунке 13 (b) показано входное напряжение. На рисунке 13 (c) показано, что выходное напряжение преобразователя составляет около 78 В, что очень близко к уравнению усиления напряжения рекомендованного преобразователя. По выходному напряжению видно, что рекомендованная топология преобразователя CPC обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению без более высокой продолжительности включения.