Преобразователь повышающий: MT3608 DC-DC module, DC-DC преобразователь, повышающий, Uвх=2…24В, Uвых= до 28В, Iвых(max)=2А

Содержание

Повышающий DC-DC преобразователь. Принцип работы.

Иногда надо получить высокое напряжение из низкого. Например, для высоковольтного программатора, питающегося от 5ти вольтового USB, надыбать где то 12 вольт.

Как быть? Для этого существуют схемы DC-DC преобразования. А также специализированные микросхемы, позволяющие решить эту задачу за десяток деталек.

Принцип работы
Итак, как сделать из, например, пяти вольт нечто большее чем пять? Способов можно придумать много — например заряжать конденсаторы параллельно, а потом переключать последовательно. И так много много раз в секунду. Но есть способ проще, с использованием свойств индуктивности сохранять силу тока.

Чтобы было предельно понятно покажу вначале пример для сантехников.

Фаза 1

Заслонка открывается и мощный поток жидкости начинает сливаться в никуда. Смысл лишь в том, чтобы этим потоком как следует разогнать турбину. Накачать ее энергией, передав энергию источника в кинетическую энергию турбины.

Фаза 2

Заслонка резко закрывается. Потоку больше деваться некуда, а турбина, будучи разогнанной продолжает давить жидкость вперед, т.к. не может мгновенно встать. Причем давит то она ее с силой большей чем может развить источник. Гонит жижу через клапан в аккумулятор давления. Откуда же часть (уже с повышеным давлением) уходит в потребитель. Откуда, благодаря клапану, уже не возвращается.

Фаза 3

Скорость турбины на излете, энергия перешла в давление в аккумуляторе. Сил продавить клапан, подпертный с той стороны набитым давлением уже не хватает. Вот вот и все встанет. Но в этот момент вновь открывается заслонка и турбина вновь разгоняется, набирает энергию из источника, превращая энергию потока в энергию вращающихся масса металла. Потребитель, тем временем, потихоньку жрет из аккумулятора.

Фаза 4

И вновь заслонка закрывается, а турбина начинает яростно продавливать жидкость в аккумулятор. Восполняя потери которые там образовались на фазе 3.

Назад к схемам
Вылезаем из подвала, скидываем фуфайку сантехника, забрасываем газовый ключ в угол и с новыми знаниями начинаем городить схему.

Вместо турбины у нас вполне подойдет индуктивность в виде дросселя. В качестве заслонки обычный ключ (на практике — транзистор), в качестве клапана естественно диод, а роль аккумулятора давления возьмет на себя конденсатор. Кто как не он способен накапливать потенциал. Усе, преобразователь готов!

Фаза 1

Ключ замкнут. Ток от источника начинает, фактически, работать на катушку. Накачивая ее энергией.

Фаза 2

Ключ размыкается, но катушку уже не остановить. Запасенная в магнитном поле энергия рвется наружу, ток стремится поддерживаться на том же уровне, что и был в момент размыкания ключа. В результате, напряжение на выходе с катушки резко подскакивает (чтобы пробить путь току) и прорвавшись сквозь диод набивается в конденстор. Ну и часть энергии идет в нагрузку.

Фаза 3

Ключ тем временем замыкается и катушка снова начинает нажирать энергию. В то же время нагрузка питается из конденсатора, а диод не дает току уйти из него обратно в источник.

Фаза 4

Ключ размыкается и энергия из катушки вновь ломится через диод в конденсатор, повышая просевшее за время фазы 3 напряжение. Цикл замыкается.

Как видно из процесса, видно, что за счет большего тока с источника, мы набиваем напряжение на потребителе. Так что равенство мощностей тут должно соблюдаться железно. В идеальном случае, при КПД преобразователя в 100%:

Uист*Iист = Uпотр*Iпотр

Так что если наш потребитель требует 12 вольт и кушает при этом 1А, то с 5 вольтового источника в преобразователь нужно вкормить целых 2.4А При этом я не учел потерь источника, хотя обычно они не очень велики (КПД обычно около 80-90%).

Если источник слаб и отдать 2.4 ампера не в состоянии, то на 12ти вольтах пойдут дикие пульсации и понижение напряжения — потребитель будет сжирать содержимое конденсатора быстрей чем его туда будет забрасывать источник.

Схемотехника
Готовых решений DC-DC существует очень много. Как в виде микроблоков, так и специализированных микросхем. Я же не буду мудрить и для демонстрации опыта приведу пример схемы на MC34063A которую уже использовал в примере понижающего DC-DC преобразователя.

Работа
Питание через токовый шунт Rsc идет в дроссель L1 оттуда через ключ (SWC/SWE) на землю и через диод D1 на накопительный конденсатор C2. C него на нагрузку. Прям как в схеме приведенной выше. Остальные элементы для задания режима работы микросхемы.

  • SWC/SWE выводы транзисторного ключа микросхемы SWC — это его коллектор, а SWE — эмиттер. Максимальный ток который он может вытянуть — 1.5А входящего тока, но можно подключить и внешний транзистор на любой желаемый ток (подробней в даташите на микросхему).
  • DRC — коллектор составного транзистора
  • Ipk — вход токовой защиты. Туда снимается напряжение с шунта Rsc если ток будет превышен и напряжение на шунте (Upk = I*Rsc) станет выше чем 0.3 вольта, то преобразователь заглохнет. Т.е. для ограничения входящего тока в 1А надо поставить резистор на 0.3 Ом. У меня на 0.3 ома резистора не было, поэтому я туда поставил перемычку. Работать будет, но без защиты. Если что, то микросхему у меня убьет.
  • TC — вход конденсатора, задающего частоту работы.
  • CII — вход компаратора. Когда на этом входе напряжение ниже 1.25 вольт — ключ генерирует импульсы, преобразователь работает. Как только становится больше — выключается. Сюда, через делитель на R1 и R2 заводится напряжение обратной связи с выхода. Причем делитель подбирается таким образом, чтобы когда на выходе возникнет нужное нам напряжение, то на входе компаратора как раз окажется 1.25 вольт. Дальше все просто — напряжение на выходе ниже чем надо? Молотим. Дошло до нужного? Выключаемся.
  • Vcc — Питание схемы
  • GND — Земля

Все формулы по расчету номиналов приведены в даташите. Я же скопирую из него сюда наиболее важную для нас таблицу:

Конденсатор С1 призван оградить питающую цепь от бросков. Потому и взят побольше. Резистор R1 у меня взят на 1.5кОм, а R2 на 13кОм, что дает нам напряжение выхода в 12 вольт. В качестве диода надо выбирать диод Шоттки. Например 1N5819. У диодов Шоттки заметно ниже падение напряженияна pn переходе, а еще ниже паразитная емкость этого перехода, что позволяет ему работать с меньшими потерями на больших частотах. Микросхема может работать на входном напряжении от 3 вольт.

Опыт
Для примера по быстрому развел микромодульчик, забирающий 5 вольт и выдающий 12 вольт. Схема уже приведена выше, а печатка получилась такой:

Вытравил, спаял…

Запитал от 5 вольт и нагрузил на 12ти вольтовую светодиодную линейку. КПД у моего преобразователя, кстати, получился так себе — не выше 50% т.к. слишком маленькая индуктивность дросселя и большая емкость конденсатора С3, но иного под рукой не оказалось.

Вот так вот. Простая схемка, а позволяет решить ряд проблем.

Повышающий преобразователь напряжения с мощностью до 400Вт

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.

Отдельное спасибо коллеге ksiman-у за предоставленную схему, думаю она здесь будет полезна.

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 узел стабилизатора питания ШИМ контроллера.

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.

На этом все, надеюсь что было полезно.

TPS61022 – повышающий DC-DC преобразователь со сверхнизким входным напряжением 0.5В и с током нагрузки до 8А

Выпущенный в начале апреля 2019г компанией Texas Instruments мощный повышающий DC-DC преобразователь напряжения TPS61022 способен работать при сверхнизком входном напряжении 0.5В. Допустимый диапазон входных напряжений составляет от 0.5В до 5.5В. Преобразователь обеспечивает ток в нагрузке до 8А и регулируемое выходное напряжение от 2.2В до 5.5В.

Выпущенный в начале апреля 2019г компанией Texas Instruments  мощный повышающий DC-DC преобразователь напряжения TPS61022 способен работать при сверхнизком входном напряжении  0.5В.  Допустимый диапазон входных напряжений составляет от 0.5В до 5.5В. Преобразователь обеспечивает ток в нагрузке до  8А и регулируемое выходное напряжение от 2.2В до 5.5В. ИС предназначена для портативных приборов и устройств с доступом к Интернету-вещей  с питанием от батарей или суперконденсаторов, напряжение которых может сильно падать в процессе работы. Предельно допустимый ток выходных ключей преобразователя не менее 6.5А во всем диапазоне рабочих температур.  Частота коммутации ШИМ составляет 1МГц при напряжении питания выше 1.5В и постепенно снижается до 0.6МГц при снижении напряжения питания ниже 1.5В. Минимальное напряжение для запуска преобразователя составляет 1.8В, а в процессе работы напряжение может падать до 0.5В. По выводу MODE можно перевести ИС либо в режим экономии питания, либо в форсированный режим ШИМ с легкой нагрузкой. При легкой нагрузке собственный ток потребления ИС составляет всего 26мкА. При выключении преобразователя нагрузка полностью отключается от источника питания. ИС имеет несколько схем защиты: защиту нагрузки от превышения напряжения свыше 5.7В, защиту от короткого замыкания в нагрущке, защиту от перегрева. Выпускается ИС в миниатюрном корпусе типа VQFN размерами 2 х 2 мм.

Основные характеристики ИС:

 

  • Входное напряжение от  0.5В до  5.5В
  • Выходное напряжение регулируется от  2.2В ло 5.5В
  • Сопротивление выходных ключей MOSFET составляет 12мОм (нижний) и 18мОм (верхний)
  • Предельная величина пепрерывного выходного тока 8А
  • Эффективность преобразования составляет 94.7% при VIN = 3.6В, VOUT = 5В и IOUT = 3А
  • Частота коммутации ШИМ изменяется от 1МГц до 0.6МГц  в зависимости от напряжения питания
  • Нестабильность выходного напряжения  ±2.5% в диапазоне температур отr –40°C до +125°C
  • Имеется вывод MODE для включения режима работы с легкой нагрузкой
  • Нагрузка подключается напрямую к источнику питания при VIN > VOUT
  • При выключении преобразователя происходит отключение нагрузки

Для заказов обращайтесь в ООО «Макро Тим» по адресу  [email protected] и по тел. +7 495 306-00-26

Повышающий DC-DC преобразователь 150 Ватт

   Повышающий DC-DC преобразователь 150 Ватт — это импульсный повышающий регулируемый стабилизатор постоянного напряжения. Имеет высокий КПД. Данный преобразователь можно применять в широком спектре устройств. К преимуществам данного преобразователя можно отнести работу в ощутимом диапазоне входного напряжения, вместе с большим КПД это дает хорошие результаты.

У преобразователь предусмотрены крепежные отверстия под винт, так же установлены монтажные столбики под винт. Есть клемные зажимы, провода можна зажать в зажимную клем колодку. Возможно использование данного преобразователя с повышенными выходными токами, но для этого прийдеться улучить охлаждение и установить вентилятор для обдува.

Спецификация продукта

  • Входное напряжение, (В.) : 10 — 32
  • Выходное напряжение, (В) : 12 — 35
  • Выходной ток нагрузки, (А, номинальный) : 6
  • Выходной ток нагрузки, (А, средний) : 10 — (повышенный нагрев)
  • Выходной ток нагрузки, (А, макс) : 16 — (с использованием улучшенного радиатора и активного охлаждения)
  • Выходная мощность, (Вт) : 150
  • Класс защиты, IP : 20
  • Размер ДxШxВ, (мм) : 65x47x27
  • Вес в упаковке, (кг) : 0,0642
Характеристики
.Артикул 00000546
.Вес в упаковке (кг) 0,0642
.Входное напряжение, В 10 — 32
.Выходное напряжение, В 12 — 35
.Выходной ток нагрузки, А 6
.Класс защиты, IP 20
.Размер ДxШxВ, мм 65x47x27

Повышающий DC-DC преобразователь со взрывным характером (150 Ват входное напряжение 10-32 В, выходное 12-35 В) | DC-DC Преобразователи

Китай радует нас дешевыми и доступными товарами. В том числе и различными преобразователями. Но не все так гладко. Иногда попадаются нерабочие, а иногда и взрывоопасные экземпляры. Но об это позже. Все по порядку.

Внешний вид

Модуль изготовлен на плате красного текстолита (на самом деле это паяльная маска). Присутствует 2 мощных транзистора на больших радиаторах. дроссель на ферритовом кольце, пара конденсаторов. Имеется подстроечный резистор для настройки выходного напряжения. Светодиод для индикации, клеммы IN+, IN-, OUT+, OUT- (IN — вход, OUT — выход).

Выглядит модуль следующим образом:

Технические характеристики

ТипПовышающий DC-DC преобразователь
Входное напряжение10-32 Вольт
Выходное напряжение12-35 Вольт
Максимальный ток на входе16 Ампер
Максимальный ток на выходе10 Ампер
Выходная мощность100 Ват
Пиковая выходная мощность150 Ват
КПД94% (при напряжении на входе 16 вольт, напряжении на выходе 19 вольт с током 2,5 А)
Рабочая температураот -40 до +80%
Защита от короткого замыканияНЕТ
Защита от переплюсовкиНЕТ

Опыт реального использования

Ну для начала расскажу о грустном. Пришел мне этот модуль и решил я него проверить. Подал напряжение, нагрузил. Работает, все хорошо. После этого решил проверить как поведет себя преобразователь при падении напряжения. Так вот. При падении напряжения до 9 вольт, не выдержал один из конденсаторов и взорвался. после чего блок питания ушел в защиту а преобразователь перестал работать. Поле того как все обесточил, картина была не радостная:

Но эта досадная неприятность меня не остановила. Было решено заменить оба конденсатора и проверить работоспособность. Как оказалось, в этом и заключалась поломка. Конденсаторы были заменены на аналогичные по емкости, но с рабочим напряжением 64 вольта. Они идеально подошли по размерам. В итоге преобразователь заработал как положено, правда больше не было желания опускать напряжение ниже 10ти вольт.

теперь он работает в качестве бустера для самодельного повербанка для паяльной станции и прекрасно себя чувствует.

Вывод

Вердикт по этому бустеру следующий: если вам необходим повышающий преобразователь на токи более 2х ампер, то его можно брать. Однако, стоит помнить о низкой надежности этого устройства и быть готовым, что оно может помереть в самый неподходящий момент. Реально он отлично работает при нагрузке в 75 ват. Для установки в автомобиль я такую штуку не рекомендую использовать из-за высокого риска выхода из строя при просадках напряжения менее 10 вольт.

Где купить

Купить этот преобразиватель по цене 2-3 американских доллара в китае можно по следующим ссылкам:

Повышающий DC-DC преобразователь(150 Ват входное напряжение 10-32 В, выходное 12-35 В) в магазине Great wall

Повышающий DC-DC преобразователь(150 Ват входное напряжение 10-32 В, выходное 12-35 В) в магазин Wagwat

Повышающий DC-DC преобразователь(150 Ват входное напряжение 10-32 В, выходное 12-35 В) в магазине ElectronicFans

Повышающий DC-DC преобразователь(150 Ват входное напряжение 10-32 В, выходное 12-35 В) в магазине Fantasy Electronics CO., Ltd

 

 

Повышающий преобразователь, схема своими руками

В этой записи хочу вам рассказать, как я собрал повышающий преобразователь. Данный преобразователь рассчитан на повышение напряжения из бортовой сети автомобиля 12 вольт. Можно использовать для запитки от бортовой сети авто, приборов, которые нуждаются в повышенном напряжении питания, к примеру такие, как ноутбук, запитать какой-нибудь мощный светодиод, напряжение питания у которого выше чем 12 вольт, зарядить аккумулятор шуруповерта 18-ти вольтовый (почему бы и нет).

В моем случае такой преобразователь мне понадобился для питания ноутбука в авто, напряжение питания 19 вольт.
Схема преобразователя которую я использовал довольно популярна на просторах интернета, но все схемы тем или иным образом отличаются друг от друга. Поэтому я не стал брать чью-то схему, а нарисовал свою именно в том виде в каком она работает у меня.

Сердцем данной схемы является микросхема интегральный таймер NE555.
Диод VD2 нужен в схеме для повышения выходного напряжения, так как на выходе мне нужно 19 вольт, а стабилитрон я нашел только на 18 вольт. Падение напряжение на диоде примерно 0,5-0,6в соответственно на столько и поднимается напряжение стабилизации.
Плату рисовал под размеры определенного корпуса, думаю при желании размер можно уменьшить раз в полтора.

Хотелось бы отдельно сказать про намотку дросселя. Мотал на кольце из порошкового железа, кольцо взял от дросселя групповой стабилизации из компьютерного блока питания.

Внешний диаметр 27 мм

Внутренний диаметр 14 мм

Толщина 11 мм

В принципе мотать можно на чем угодно хоть на гантеле, хоть на стержне, но лучше всего конечно на кольце. Мотал проводом 0,6 мм в 3 жилы у меня влез 21 виток. Хочу заметить, что выходная мощность главным образом завит от провода которым намотан дроссель и от качества намотки. Толстым проводом хорошо намотать очень трудно, поэтому сделал так.

Кольцо обмотал изолентой, так как были повреждения поверхности.

Диодную сборку Шоттки (VT1) тоже взял из компьютерного блока питания 40вольт 20ампер, очень важно чтобы рабочее напряжение диода было выше выходного напряжения.

Силовой транзистор IRFZ44, есть запас и по току и по напряжению. Стабилитрон применил КС518, маломощный биполярный транзистор в цепи стабилизации КТ315.

Емкость выходных конденсаторов должна быть довольно большой, так как подключенная нагрузка питается по сути от них, а вся эта схема служит только для быстрого заряда этих конденсаторов. В моем случае 2х2200 мКф 25в.

При работе на холостом ходу напряжение слегка завышено

Но при подключении нагрузки оно в пределах нормы.

Красный мультиметр ток, черный напряжение.

Стабилизация

Вход 13,5 вольт, выход 18,5

вход 16 вольт, выход 18,5

вход 11,7 вольт, выход 18,2 (блок питания не вывозит нагрузку поэтому напруга чуть просела)

Еще раз напомню, что данный преобразователь мне нужен для питания ноутбука в автомобиле. Ноут мощностью 60 вт.
Общий вид платы.

Автор; Александр Сорокин        г.Нижний Новгород

принципы работы и уникальные решения Maxim Integrated

17 декабря 2019

Александр Русу (г. Одесса)

Общий КПД импульсного преобразователя в электронных приборах малой мощности с автономным питанием снижается в основном за счет тока утечки схемы управления. Свести этот ток практически к нулю помогут интегральные DC/DC из новой серии nanoPower производства Maxim Integrated.

На сегодняшний день найти или изготовить самостоятельно высококачественный преобразователь постоянного напряжения мощностью от нескольких ватт до нескольких киловатт не представляет особой сложности. Однако питание оборудования, потребляемая мощность которого измеряется микроваттами, уже является серьезной технической проблемой, ведь при таких уровнях потребления увеличивается относительная величина «накладных расходов» в виде затрат энергии на работу схемы управления, что приводит к ощутимому снижению КПД преобразователя в целом. Кроме этого, практически во всех современных устройствах, питающихся от батарей, активно используются энергосберегающие режимы, в которых все неиспользуемые в данный момент системы отключаются от источника энергии. А это еще больше ужесточает требования к узлам питания, ведь теперь они должны иметь еще и минимально возможный ток утечки в выключенном состоянии.

При этом количество устройств с батарейным питанием с каждым годом постоянно увеличивается, а требования к ним ужесточаются. Поэтому большинство ведущих производителей электронных компонентов регулярно предлагают инженерам новые решения в этой области.

Не осталась в стороне и компания Maxim Integrated, которая не так давно представила линейку микросхем nanoPower, отличающихся сверхмалым энергопотреблением. На сегодняшний день в этой линейке присутствуют малопотребляющие операционные усилители, компараторы, датчики температуры и другие узлы, активно использующиеся в самых разнообразных радиотехнических устройствах. Конечно же, Maxim Integrated не оставил без внимания и сектор DC/DC преобразователей напряжения, разработав в рамках данного направления целые семейства специализированных микросхем с ультрамалым энергопотреблением.

Сравнение линейного и импульсного способов преобразования

Самой популярной схемой преобразователей постоянного напряжения можно назвать понижающую, ведь в реальной аппаратуре задача уменьшения напряжения возникает намного чаще, чем увеличения или изменения его полярности. Но уменьшить входное напряжение можно двумя способами: импульсным и линейным. Поскольку каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки, а значит – и свои области применения, то разработчику необходимо их изучить.

Фундаментальную разницу между линейным и импульсным способами уменьшения напряжения можно понять из рисунка 1. Линейный стабилизатор работает по принципу резистивного делителя напряжения. Его регулирующий элемент (транзистор VT1) функционирует в активном режиме, обеспечивая такое падение напряжения между выводами коллектора и эмиттера, чтобы выходное напряжение VOUT на нагрузке RLOAD находилось в заданных пределах. Поскольку через транзистор VT1 протекает весь ток нагрузки IOUT, КПД данной схемы будет напрямую зависеть от разницы напряжений между входом и выходом (формула 1):

$$\eta =\frac{P_{OUT}}{P_{IN}}=\frac{I_{OUT}\times V_{OUT}}{I_{OUT}\times V_{IN}}=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где РIN и POUT – соответственно, входная и выходная мощности преобразователя.

Рис. 1. Сравнение линейного и импульсного способов уменьшения напряжения

И теперь становится очевидным главный недостаток линейных стабилизаторов – чем больше разница напряжений между входом и выходом, тем меньше его КПД, причем практически вся «лишняя» мощность выделяется на регулирующем элементе VT1, что требует установки его на радиатор, размеры которого порой превосходят размеры всех остальных элементов устройства.

До недавнего времени линейные стабилизаторы строились на основе биполярных кремниевых транзисторов, у большинства из которых падение напряжения между коллектором и эмиттером физически не могло быть меньше 1 В. Для стабилизаторов с относительно высоким выходным напряжением (более 5 B) такое падение напряжения было еще вполне приемлемым, однако в современных микроконтроллерных устройствах напряжение питания которых может быть меньше 1 В, использование биполярных транзисторов в таком режиме недопустимо.

В свое время это привело к созданию линейных стабилизаторов, использующих в качестве регулирующих элементов полевые транзисторы, которые, как известно, лишены такого ограничения. Эти стабилизаторы в русскоязычной литературе получили название «стабилизаторы с низким падением напряжения», или LDO-стабилизаторы/регуляторы (Low-Drop Out Regulator). Поскольку при малой разнице напряжений между входом и выходом КПД LDO-стабилизаторов не уступает импульсным преобразователям, а их масса, габариты и уровень электромагнитных помех при этом намного меньше, они до сих пор активно используются в современной технике.

В импульсных преобразователях активный режим полупроводниковых компонентов не используется принципиально. В рассматриваемом примере (рисунок 1) транзистор VT1 работает в ключевом режиме, периодически подключая нагрузку RLOAD к источнику питания на время tON. Это означает, что выделение мощности на силовых полупроводниковых компонентах теоретически может быть сколько угодно малым и не зависит от соотношения напряжений между входом и выходом, что является главным преимуществом данных схем. К сожалению, от такого способа преобразования появляется и главный недостаток – пульсирующий характер выходного напряжения с высоким содержанием высокочастотных гармоник.

Поскольку использовать подобное напряжение для питания потребителей в большинстве случаев не представляется возможным, то на выходе импульсных преобразователей необходимо устанавливать фильтры, уменьшающие пульсации выходного напряжения. Причем в этих фильтрах должны обязательно использоваться реактивные элементы, способные накапливать энергию (активный фильтр на полупроводниковых транзисторах для этой цели не подойдет). А это означает, что импульсный преобразователь просто физически не может быть миниатюрным, ведь энергетическая емкость реактивных компонентов прямо пропорциональна массе и объему использованного в них магнитного или диэлектрического материала.

Если сравнить достоинства и недостатки линейных и импульсных преобразователей (таблица 1), то окажется, что они взаимно компенсируют друг друга. Поэтому на практике очень часто используются гибридные системы: импульсный преобразователь формирует некоторое промежуточное напряжение невысокой стабильности с относительно высоким уровнем пульсаций, а окончательная точная регулировка уже осуществляется с помощью линейных LDO-стабилизаторов.

Таблица 1. Сравнение импульсного и линейного способов преобразования

Метод Импульсный Линейный
Соотношение входного и выходного напряжений Любое Выходное напряжение не может быть больше входного
Точность стабилизации выходного напряжения Из-за того что энергия преобразуется «порциями», точность выходного напряжения зависит от характера переходных процессов и метода стабилизации Теоретически не ограничена. Практически определяется уровнем шумов и стабильностью характеристик используемых компонентов
Уровень пульсаций выходного напряжения Высокий. При использовании некоторых методов управления (гистерезисных) принципиально не может быть низким Теоретически может быть сколь угодно малым. Практически ограничен быстродействием используемых компонентов
Уровень электромагнитных помех Высокий из-за высоких скоростей изменения напряжений и токов Теоретически может быть сколь угодно малым
КПД Высокий Определяется разностью напряжений между входом и выходом
Масса и габариты Зависят от частоты преобразования. Обычно больше, чем у линейных преобразователей Зависят от уровня рассеиваемой мощности. При малых мощностях могут быть микроскопическими
Сложность схемы Сложная Относительно простая
Стоимость Относительно высокая Низкая
Основная сфера применения Преобразователи с высоким соотношением входного и выходного напряжений, преобразователи рода тока, многоканальные преобразователи и прочие Стабилизаторы для узлов, требующих прецизионного выходного напряжения с низким уровнем пульсаций и электромагнитных помех

В современном оборудовании линейные преобразователи в основном используются для питания маломощных узлов, требующих высококачественного выходного напряжения с низким уровнем пульсаций, а также в приложениях, чувствительных к уровню электромагнитных помех, а импульсные – во всех остальных случаях (по возможности).

Однако у линейных преобразователей есть один серьезный недостаток, который в ряде случаев делает их использование невозможным – выходное напряжение линейного преобразователя принципиально не может быть больше входного. А это означает, что в случаях, когда напряжение необходимо увеличить или изменить его полярность, импульсный способ преобразования является практически безальтернативным. 

Принцип работы импульсных преобразователей

На сегодняшний день существует множество импульсных преобразователей постоянного напряжения, отличающихся количеством и типом реактивных компонентов, алгоритмами преобразования и прочими характеристиками. Однако наиболее простыми, а следовательно, и наиболее популярными являются всего четыре схемы: понижающая, повышающая, инвертирующая и обратноходовая (рисунок 2). Эти преобразователи используют одинаковый принцип работы, имеют идентичное количество компонентов и отличаются лишь способом коммутации накопительного дросселя L1, от режима работы которого и зависят все характеристики схемы.

Рис. 2. Схемы наиболее популярных преобразователей

Преобразование электрической энергии происходит в два этапа. На первом этапе ключ S1 замыкается, и к дросселю L1 прикладывается некоторое напряжение VL1, под действием которого за время tON его ток возрастает на величину dI1 (формула 2, рисунок 3):

$$dI_{1}=\frac{V_{L1}}{L_{1}}\times t_{ON},\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где L1 – индуктивность обмотки, активной на первом этапе.2\times L_{1}}{2}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Рис. 3. Диаграммы напряжения и тока дросселя различных преобразователей

Поскольку на первом этапе энергия в дросселе увеличивается, то его очень часто называют этапом накопления или заряда дросселя.

После размыкания ключа S1 на выводах всех обмоток дросселя формируется ЭДС самоиндукции, полярность которой противоположна полярности, присутствовавшей на первом этапе, это означает, что дроссель L1 теперь становится не потребителем, а источником электрической энергии. Изменение полярности напряжения на обмотках приводит к открытию диода VD1, который и обеспечивает путь протекания тока на втором этапе, называемом этапом возврата, или разряда дросселя.

Поскольку количество энергии в дросселе в момент коммутации ключей не изменяется, то ток в его активной обмотке сразу после размыкания ключа S1 также будет максимальным, однако его величина IMAX2 может измениться, ведь он теперь может протекать уже по другому количеству витков (формула 4):

$$E=\frac{I_{MAX2}^2\times L_{2}}{2},\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

где L2 – индуктивность обмотки, активной на втором этапе.2\times A_{L},\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

где AL – конструктивный параметр магнитопровода.

После открытия диода напряжение на обмотке дросселя фиксируется на уровне VL2, под действием которого ток дросселя за время tOFF уменьшится на величину dI2 (формула 7):

$$dI_{2}=\frac{V_{L2}}{L_{2}}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

В квазиустановившемся режиме, когда отсутствуют какие-либо переходные процессы как в цепях питания, так и в цепях нагрузки, дроссель на втором этапе преобразования должен отдать всю энергию, накопленную на первом интервале. Это означает, что к моменту начала следующего цикла его ток должен быть таким же, как и в начале предыдущего. Для схем с однообмоточным дросселем dI1 = -dI2, но в общем случае (для обратноходового преобразователя) изменения токов обмоток определяются Законом полного тока (формула 8):

$$dI_{1}\times N_{1}=-dI_{2}\times N_{2}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Подставляя в формулу 8 соотношения 2 и 7, с учетом 6, можно получить основное уравнение 9, связывающее величины напряжений на выводах обмоток дросселя с отношением длительностей основных этапов преобразования:

$$\frac{V_{L1}}{N_{1}}\times t_{ON}=-\frac{V_{L2}}{N_{2}}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Формула 9 является основой для получения регулировочной характеристики преобразователя – зависимости выходного напряжения от относительной длительности первого этапа преобразования D = tON/(tON + tOFF). Однако для того чтобы получить эти зависимости, далее необходимо рассматривать каждую схему в отдельности.

Понижающий преобразователь

Понижающий преобразователь (Step-Down Converter, Buck Converter) обычно имеет только одну обмотку, поэтому N1 = N2. На первом этапе преобразования к дросселю приложена разница входного и выходного напряжений (VL1 = VIN – VOUT), а на втором – только выходное напряжение (VL2 = VOUT), как показано на рисунке 4. Подставляя эти значения в формулу 9, получим формулу 10:

$$\left(V_{IN}-V_{OUT} \right)\times t_{ON}=-V_{OUT}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Следовательно (формула 11):

$$V_{OUT}=V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{ON}+t_{OFF}}=V_{IN}\times D\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

Рис. 4. Принцип работы понижающего преобразователя

Из формулы 11 видно, что выходное напряжение VOUT понижающего преобразователя не может превышать входное VIN, иначе левая часть уравнения станет отрицательной, к дросселю на обоих этапах преобразования будет приложено однополярное напряжение, и схема работать не будет. 

Повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь (Step-Up Converter, Boost Converter) также обычно строится на основе однообмоточного дросселя (N1 = N2). На первом этапе преобразования, когда ключ S1 замкнут, к обмотке дросселя приложено полное напряжение питания (VL1 = VIN), а вот на втором есть разница между входным и выходным напряжениями (VL1 = VOUT – VIN), как показано на рисунке 5. Подставляя эти значения в формулу 9, получим формулу 12:

$$V_{IN}\times t_{ON}=-\left(V_{OUT}-V_{IN} \right)\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{12}{\mathrm{)}}$$

Из формулы 12 теперь можно получить уравнение для регулировочной характеристики (формула 13):

$$V_{OUT}=V_{IN}\times \frac{t_{ON}+t_{OFF}}{t_{OFF}}=V_{IN}\times \frac{1}{1-D}\qquad{\mathrm{(}}{13}{\mathrm{)}}$$

Рис. 5. Принцип работы повышающего преобразователя

Как и в понижающем преобразователе, формула 13 накладывает ограничения на соотношение напряжений VIN и VOUT. При VOUT < VIN правая часть формулы 13 изменит свой знак, и дроссель перестанет отдавать энергию. Поэтому повышающий преобразователь может только увеличивать входное напряжение.

Инвертирующий и обратноходовой преобразователи

И в инвертирующем (Inverting Converter), и в обратноходовом (Flyback Converter) преобразователях к обмоткам дросселя на первом этапе прикладывается полное входное (VL1 = VIN), а на втором – полное выходное напряжение (VL2 = VOUT), как показано на рисунок 6. Поэтому базовое уравнение для определения их регулировочных характеристик одинаково (формула 14):

$$\frac{V_{IN}}{N_{1}}\times t_{ON}=-\frac{V_{OUT}}{N_{2}}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{14}{\mathrm{)}}$$

Рис. 6. Принцип работы инвертирующего и обратноходового преобразователей

Но, поскольку инвертирующие преобразователи обычно строятся на основе однообмоточных дросселей, для которых N1 = N2, то их регулировочная характеристика при работе во всех режимах, кроме разрывного, несколько проще (формула 15):

$$V_{OUT}=-V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}=-V_{IN}\times \frac{D}{1-D}\qquad{\mathrm{(}}{15}{\mathrm{)}}$$

Ключевой особенностью обратноходового преобразователя является возможность обеспечения гальванической развязки между входом и выходом. В этом случае обмотки дросселя могут иметь разное количество витков (формула 16):

$$V_{OUT}=-V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}\times \frac{N_{2}}{N_{1}}=-V_{IN}\times \frac{D}{1-D}\times \frac{N_{2}}{N_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{16}{\mathrm{)}}$$

Для инвертирующего преобразователя, вход и выход которого имеют один общий провод, выходное напряжение VOUT по абсолютному значению может быть как больше, так и меньше входного VIN. Однако оно обязательно должно иметь обратную полярность, ведь ни продолжительность первого tON, ни второго tOFF этапов преобразования не могут быть отрицательными. Для обратноходового преобразователя обеспечение двухполярного напряжения на обмотке осуществляется правильной фазировкой обмоток и включением диода VD1. Если это правило будет нарушено, то обратноходовой преобразователь работать не будет (фактически он превратится в прямоходовой, который имеет несколько иной принцип работы).

При использовании в понижающей, повышающей и инвертирующей схемах дросселя с одной обмоткой наибольшая эффективность преобразователя будет в диапазоне 0,1 ≤ VIN…VOUT ≤ 10. Если же входное напряжение отличается от входного больше чем в 10 раз, тогда, в соответствии с формулой 9, длительность одного из этапов преобразования (tON или tOFF) будет значительно меньше другого (рисунок 7).

Рис. 7. Зависимости соотношения напряжения на входе и выходе преобразователей (VOUT/VIN) от соотношения длительностей первого и второго этапов (tON/tOFF)

При этом становится сложно как регулировать выходное напряжение, так и фильтровать его, поскольку при малых длительностях tON или tOFF увеличиваются пульсации токов, что в конечном итоге приводит к катастрофическому уменьшению КПД, вплоть до физической невозможности реализации данного режима (необходимая длительность tON или tOFF может оказаться меньше чем время включения/выключения полупроводникового компонента). Поэтому при большой разнице напряжений между входом и выходом используют автотрансформаторное включение дросселей, при котором транзистор или диод подключаются к части обмотки (рисунок 8). В этом случае N1 ≠ N2 и формулы 10…15 придется выводить заново из базового соотношения формулы 9.

Рис. 8. Понижающий преобразователь с автотрансформаторным включением дросселя, работающий при большой разнице напряжений (VIN >>VOUT)

Особенности преобразователей nanoPower

Как видно из принципа работы, максимальное значение КПД импульсных преобразователей теоретически не ограничено. Но на практике всегда будут потери из-за неидеальности элементной базы, поэтому реальное значение КПД силовой части у наилучших представителей импульсных преобразователей находится на уровне 98…99%.

Однако при расчете КПД преобразователя в целом следует учитывать также и затраты энергии на работу схемы управления. Если рассмотреть структурные схемы контроллеров, реализующих два наиболее популярных на сегодняшний день метода управления – по напряжению (рисунок 9) и по току (рисунок 10), – то можно увидеть, что для обеспечения выходного напряжения необходимого качества требуется достаточно большое количество узлов. И хоть на сегодняшний день технологии изготовления полупроводниковых микросхем находится на очень высоком уровне, тем не менее, когда мощность силовой части преобразователя ничтожно мала, ток потребления узлов управления может оказаться соизмеримым с током нагрузок.

Рис. 9. Контроллер преобразователя с методом управления по напряжению

Рис. 10. Контроллер преобразователя с методом управления по току

У контроллеров преобразователей постоянного напряжения можно выделить три основных тока, на которые следует обращать внимание при выборе: ток, потребляемый от входной IQINT, выходной IQOUT цепи в активном режиме и ток утечки ISDT, потребляемый микросхемой в выключенном состоянии (рисунок 11). Эти токи, по возможности, должны быть минимальными, ведь чем они меньше – тем выше КПД преобразователя.

Рис. 11. Пути протекания токов IQINT, IQOUT и ISDT микросхемы MAX17222

Из этих параметров наиболее важным для устройств с батарейным питанием является ток утечки ISDT. И связано это с их спецификой работы, ведь как показывает практика, большую часть времени они находятся либо в спящем (дежурном), либо в выключенном состоянии. Поскольку физически отключить схему управления преобразователя от источника питания в большинстве случаев не представляется возможным, ток утечки ISDT будет напрямую влиять на время автономной работы.

В интегральных преобразователях постоянного напряжения nanoPower основной технологией уменьшения токов IQINT, IQOUT и ISDT является тщательная проработка схемотехники внутренних узлов контроллера и процессов изготовления интегральных компонентов. Из других методов уменьшения собственного энергопотребления можно также выделить отключение резистивного делителя выходного напряжения, используемого в цепи обратной связи. Все это позволило добиться впечатляющих значений собственного энергопотребления этих узлов. Так, например, для микросхем повышающих преобразователей MAX17220/21/22/23/24/25 ток, потребляемый от цепей нагрузки (IQOUT), не превышает 300 нА, а токи, потребляемые от источника питания (IQINT, ISDT) равны всего 0,5 нА.

Кроме этого, повышающие преобразователи имеют одну специфическую особенность, на которую также необходимо обращать внимание. При использовании в качестве верхнего ключа полупроводниковых диодов или n-канальных MOSFET становится невозможным полное отключение выходного напряжения – при остановке преобразователя на его выходе присутствует напряжение питания, которое приводит к увеличению энергопотребления. Поэтому в микросхемах nanoPower реализована также технология True Shutdown, блокирующая появление напряжения на выходе преобразователей при их отключении.

На сегодняшний день в линейку малопотребляющих преобразователей nanoPower входят микросхемы для наиболее популярных схем преобразователей: понижающего и повышающего типов (таблица 2). Линейка повышающих преобразователей MAX17220…25 (рисунок 12) позволяет обеспечить нагрузку выходным напряжением 1,8…5 В, устанавливаемым путем выбора внешнего резистора RSEL с шагом 0,1 В. Входное напряжение при этом может находиться в диапазоне 0,4…5,5 В.

Высокая степень интеграции позволила использовать для микросхем MAX17220…25 миниатюрные шестивыводные корпуса WLP и µDFN и обойтись минимальным количеством внешних компонентов. Как видно из рисунка 12, кроме обязательных внешних реактивных элементов – конденсаторов CIN, COUT и накопительного дросселя, которые, во-первых технологически сложно изготовить в интегральном исполнении, а во-вторых, их параметры зависят от конкретного приложения, для работы микросхем требуется единственный внешний прецизионный (с точностью 1%) резистор RSEL, отвечающий за величину выходного напряжения.

Таблица 2. Характеристики микросхем nanoPower

Наименование Ток, потребляемый от выходных цепей IQOUT, нА Ток, потребляемый в выключенном состоянии ISDT, нА Максимальный ток накопительного дросселя, мА Выходной ток, мА Корпус Отладочная плата
MAX38640A 330 5 250 160 WLP/6 MAX38640EVKIT
MAX17220 300 0,5 225 205 WLP/6, µDFN/6 MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
MAX17222 300 0,5 500 200 WLP/6 MAX17222EVKIT
MAX17223 300 0,5 500 205 WLP/6, µDFN/6 MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
MAX17224 300 0,5 1000 205 WLP/6, µDFN/6 MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT
MAX17225 300 0,5 1000 205 WLP/6, µDFN/6 MAX17222EVKIT, MAX17220EVKIT

Рис. 12. Структурная схема микросхем MAX17220…25

В микросхемах MAX17220…25 реализован метод управления по току, поэтому величина индуктивности накопительного дросселя во многом определяет величину рабочей частоты преобразователя. Для большинства приложений на основе данных микросхем можно использовать малогабаритные дроссели в корпусе 0603 индуктивностью 2,2 мкГн с максимальным током 225 мА, 500 мА или 1 А. Все это позволяет реализовывать ультракомпактные повышающие преобразователи, занимающие на печатной плате площадь, не превышающую 6,75 мм2.

Аналогичными характеристиками обладают и микросхемы понижающих преобразователей MAX38640/41/42/43 (рисунок 13), позволяющие понижать входное напряжение 1,8…5,5 В до величины 0,7…3,3 В (микросхемы с суффиксом А) или до 0,5… 5,0 В (с суффиксом B). Так же, как и в рассмотренных выше повышающих преобразователях, для установки выходного напряжения MAX38640…43 используется единственный прецизионный резистор RSEL, а сами микросхемы требуют всего четырех внешних компонентов.

Рис. 13. Структурная схема микросхем MAX38640…43

Для ускорения выхода продуктов на рынок компания Maxim Integrated предлагает разработчикам максимальную поддержку, не ограничивающуюся только предоставлением всей необходимой технической документации. Так, например, на официальном сайте компании присутствуют математические модели, с помощью которых можно изучить электрические процессы разрабатываемых схем в специализированных средах разработки: автономной EE-Sim® OASIS Simulation Tool на основе ядра SIMPLIS® и онлайновой EE-Sim Design And SimulationTool. Обе среды ориентированы на разработку импульсных источников питания и позволяют на основе предлагаемых шаблонов собрать виртуальный аналог разрабатываемой схемы менее чем за 5 минут.

Кроме этого, для оценки реальных возможностей микросхем nanoPower компания Maxim Integrated предлагает специализированные отладочные платы. Так, например, для микросхем MAX17220…25 доступна отладочная плата MAX17222EVKIT (рисунок 14), состоящая из двух независимых частей, содержащих одну и ту же микросхему MAX17222, но изготовленную в разных корпусах: µDFN и WLP. В каталогах Maxim Integrated присутствует также аналогичная отладочная плата MAX17220EVKIT с установленными микросхемами MAX17220 (в двух вариантах корпусов) и MAX38640EVKIT с установленной микросхемой MAX38640A в корпусе WLP.

Рис. 14. Внешний вид отладочной платы MAX17222EVKIT

Заключение

Питание от батарей является далеко не тривиальной задачей, ведь для обеспечения максимально возможного времени автономной работы необходима тщательная проработка не только силовой части, но и узлов управления. Однако, как показывает практика, эти задачи целиком и полностью ложатся на плечи производителей электронных компонентов, ведь, как видно из материалов данной статьи, конечным разработчикам остается лишь адаптировать готовые решения под конкретное приложение.

Дополнительные материалы:

Статьи:

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

Новости

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

 

•••

Наши информационные каналы

Повышающие преобразователи

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

Повышающий преобразователь

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

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

Рис.3.2.1 Базовая схема повышающего преобразователя

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

Повышающий преобразователь Работа

Рис. 3.2.2 Работа повышающего преобразователя при включении

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

Рис. 3.2.3 Токовый путь при выключенном полевом МОП-транзисторе

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

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

Рис. 3.2.4 Токовый путь с MOSFET на

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

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

Пример:

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

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

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

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

Однако, прежде чем этот уровень выходного напряжения будет достигнут, это, конечно, может привести к серьезным повреждениям (и появлению дыма), поэтому на практике, если схема не предназначена специально для очень высоких напряжений, изменения в рабочем цикле сохраняются намного ниже, чем указано в этом примере.

Рис. 3.2.5 Работа повышающего преобразователя

Нажмите кнопку воспроизведения, чтобы начать.

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

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

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

См. Входное напряжение и обратную ЭДС. В L добавить, чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное напряжение.

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

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

I.C. Повышающий преобразователь

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

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

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

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

Цепи защиты

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

Устойчивость

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

Как работают повышающие преобразователи | Проекты самодельных схем

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

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

Как работает повышающий преобразователь

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

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

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

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

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

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

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

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

Процесс в конструкции повышающего преобразователя приводит к выходному напряжению, которое всегда выше входного.

Конфигурация повышающего преобразователя

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

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

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

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

Катушка индуктивности выполняет это, разрушая магнитное поле, которое было создано в ней ранее, когда транзистор находился во включенном состоянии.

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

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

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

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

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

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

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

Режимы работы

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

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

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

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

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

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

Лучшим подходом является вычисление времени включения / выключения транзистора, которое дает максимально стабильное напряжение на выходе, то есть нам нужно убедиться, что катушка индуктивности оптимально переключается, так что она не включается слишком быстро, что может не позволить для оптимальной разрядки и не включать его слишком поздно, что может привести к неэффективной разрядке.

Расчет индуктивности, тока, напряжения и рабочего цикла в повышающем преобразователе

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

Пока транзистор находится в фазе включения, входное напряжение источника (

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

ΔIL / Δt = Vt / L

К тому времени, когда транзистор переходит в состояние ВКЛ, и транзистор собирается выключиться, предполагается, что ток накопление в индукторе может быть задано следующей формулой:

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

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

L обозначает значение индуктивности катушки индуктивности в Генри.

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

) можно вывести с помощью следующего выражения

Vi — Vo = LdI / dt

Кроме того, изменения тока (

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

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

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

E = ½ L x 2IL

выше также означает, что, поскольку ток на всем протяжении период коммутации или в начале состояния ON и в конце состояния OFF должны быть идентичными, их результирующее значение изменения текущего уровня должно быть нулем, как указано ниже:

ΔIL (on) + ΔIL (выкл.) = 0

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

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

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

или

Vo = Vi / (1 — D)

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

Перемешивание членов По сторонам в приведенном выше уравнении мы получаем уравнение для определения рабочего цикла в рабочем цикле повышающего преобразователя.

D = 1 — Vo / Vi

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

Расчет ступени мощности повышающего преобразователя


Для расчета ступени мощности повышающего преобразователя необходимы следующие 4 правила:

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

2.Минимальное выходное напряжение: Vout

3. Максимальный выходной ток: Iout (макс.)

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

Если эти ограничения известны, обычно имеет место приближение к силовому каскаду
.

Оценка максимального тока переключения


Первичным шагом для определения тока переключения должно быть определение рабочего цикла D для минимального входного напряжения.Используется минимальное входное напряжение, главным образом потому, что это приводит к максимальному току переключения.

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

Vin (min) = минимальное входное напряжение

Vout = требуемое выходное напряжение

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

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

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

Расчет Ток пульсации


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

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

S выбор данного руководства по применению для расчета ступени мощности повышающего преобразователя.

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

Vin (min) = наименьшее входное напряжение

D = рабочий цикл, измеренный в уравнении 1

f (s) = наименьшая частота переключения преобразователя

L = предпочтительное значение индуктивности

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

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

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

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

D = рабочий цикл, рассчитанный в первом уравнении

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

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

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

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

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

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

D = рабочий цикл, измеренный ранее.

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

Выбор индуктора


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

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

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

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

Vin = стандартное входное напряжение

Vout = предпочтительный выход напряжение

f (s) = минимальная частота переключения преобразователя

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

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

Дельта I (L) = (от 0,2 до 0,4) x Iout (макс.) X Vout / Vin ———- (6)

Дельта I (L) = прогнозируемый ток пульсаций индуктора

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

Определение выпрямительного диода


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

I (f) = Iout (max) ———- (7)

I (f) = типичный
прямой ток выпрямительного диода

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

Диоды Шоттки

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

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

P (d) = I (f) x V (f) ———- (8)

I (f) = средний прямой ток выпрямителя диод

В (f) = прямое напряжение выпрямительного диода

Настройка выходного напряжения

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

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

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

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

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

I (fb) = ток смещения обратной связи из техпаспорта

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

Основная проблема с меньшими номиналами резисторов — это повышенные потери мощности в резистивном делителе, за исключением того, что актуальность может быть несколько повышена.

Исходя из вышеуказанного убеждения, резисторы разработаны следующим образом:

R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ———- (10)

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

R1, R2 = резистивный делитель.

В (fb) = напряжение обратной связи из таблицы данных

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

Vout = планируемое выходное напряжение

Выбор входного конденсатора


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

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

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

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

Выбор выходного конденсатора

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

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

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

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

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

Cout (min) = наименьшая выходная емкость

Iout (max) = оптимальный выходной ток для использования

D = рабочий цикл, рассчитанный по уравнению 1

f ( s) = наименьшая частота переключения преобразователя

Delta Vout = идеальная пульсация выходного напряжения

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

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

Delta Vout (ESR) = альтернативная пульсация выходного напряжения, возникающая из-за конденсаторов ESR

ESR = эквивалентное последовательное сопротивление используемого выходного конденсатора

Iout (max) = максимальный выходной ток использования

D = рабочий цикл, вычисленный в первом уравнении

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

Уравнения для оценки ступени мощности повышающего преобразователя


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

Vin (мин) = наименьшее входное напряжение

Vout = ожидаемое выходное напряжение

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

Ток пульсации индуктора:


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

Vin (min ) = наименьшее входное напряжение

D = рабочий цикл, установленный в уравнении 14

f (s) = номинальная частота переключения преобразователя

L = указанное значение индуктивности

Максимальный выходной ток номинального IC:

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

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

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

D = рабочий цикл, оцененный в уравнении 14

Максимальный ток переключения для конкретного приложения:

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

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

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

D = рабочий цикл, вычисленный в уравнении 14

Приближение индуктивности: L = Vin x (Vout — Vin) / Delta I (l) xf (s) x Vout —- —— (18)

Vin = общее входное напряжение

Vout = планируемое выходное напряжение

f (s) = наименьшая частота переключения преобразователя

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

Оценка тока пульсации индуктора:

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

Delta I (l) = прогнозируемый ток пульсации индуктора

Iout (макс.) = Максимальный выходной ток, важный для

Типичный прямой ток выпрямительного диода:

I (f) = Iout (max) ———- (20)

Iout (max) = оптимальный выходной ток, соответствующий полезность

Рассеиваемая мощность в выпрямительном диоде:

P (d) = I (f)
x V (f) ———- (21)

I (f) = типичный прямой ток выпрямительного диода

В (f) = прямое напряжение выпрямительного диода

Ток при использовании резистивного делителя цепи для позиционирования выходного напряжения:

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

I (fb) = ток смещения обратной связи из техпаспорта

Значение резистора между выводом FB и GND:

R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ———- (23)

Значение резистора между выводом FB и Vo ut:

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

V (fb) = напряжение обратной связи из техпаспорта

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

Vout = искомое выходное напряжение

Наименьшая выходная емкость, в противном случае предварительно назначенная в листе данных:

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

Iout (max) = максимально возможный выходной ток программы

D = рабочий цикл, вычисленный в уравнении 14

f (s) = наименьшая частота переключения преобразователя

Delta Vout = ожидаемая пульсация выходного напряжения

Повышенная пульсация выходного напряжения из-за ESR:

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

ESR = параллельное последовательное сопротивление используемого выходного конденсатора

Iout (макс. ) = оптимальный выходной ток

D = рабочий цикл, определенный по уравнению 14

Delta I (l) = ток пульсации индуктора по уравнению 15 или уравнению 19

О Swagatam

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

Импульсный преобразователь постоянного тока

»Примечания по электронике

— краткое изложение или учебное пособие по схеме и работе повышающего или повышающего регулятора с использованием методов импульсного источника питания.


Схемы источника питания SMPS Праймер и руководство Включает:
Импульсный источник питания Как работает SMPS Понижающий понижающий преобразователь Повышающий повышающий преобразователь Конвертер Buck Boost

См. Также: Обзор электроники блока питания Линейный источник питания Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания


Одним из преимуществ технологии импульсного источника питания является то, что ее можно использовать для создания повышающего или повышающего преобразователя / регулятора.

Повышающие преобразователи или регуляторы

используются во многих случаях от небольших источников питания, где может потребоваться более высокое напряжение, до гораздо более высоких требований к мощности.

Часто существуют требования к напряжению выше, чем обеспечивается доступным источником питания — напряжения для усилителей мощности ВЧ в мобильных телефонах — лишь один из примеров.

Основы повышающего повышающего преобразователя

Схема повышающего преобразователя во многом похожа на понижающий преобразователь. Однако топология схемы повышающего преобразователя немного отличается.Основная схема повышающего преобразователя или повышающего преобразователя состоит из катушки индуктивности, диода, конденсатора, переключателя и усилителя ошибки со схемой управления переключателем.

Схема повышающего повышающего преобразователя работает за счет изменения количества времени, в течение которого индуктор получает энергию от источника.

На основной блок-схеме работы повышающего преобразователя можно увидеть, что выходное напряжение, возникающее на нагрузке, воспринимается усилителем считывания / ошибки и генерируется напряжение ошибки, которое управляет переключателем.

Обычно переключатель повышающего преобразователя управляется широтно-импульсным модулятором, переключатель остается включенным дольше по мере того, как нагрузка потребляет больше тока и напряжение имеет тенденцию падать, и часто используется генератор фиксированной частоты для управления переключением.

Работа повышающего преобразователя

Повышающий преобразователь работает относительно просто.

Когда переключатель находится в положении ON, выход индуктора соединен с землей, и на него подается напряжение Vin.Ток индуктора увеличивается со скоростью Vin / L.

Когда переключатель переводится в положение ВЫКЛ, напряжение на катушке индуктивности изменяется и становится равным Vout-Vin. Ток, протекающий в катушке индуктивности, спадает со скоростью, равной (Vout-Vin) / L.

На принципиальной схеме повышающего преобразователя можно увидеть формы сигналов тока для различных областей схемы, как показано ниже.

Из диаграмм формы сигналов видно, что входной ток повышающего преобразователя выше, чем выходной ток.Предполагая, что он идеально эффективен, то есть повышающий преобразователь без потерь, выходная мощность должна равняться входной мощности, то есть Vin ⋅ Iin = Vout ⋅ Iout. Из этого видно, что если выходное напряжение выше входного, то входной ток должен быть выше выходного.

На самом деле ни один повышающий преобразователь не будет работать без потерь, но уровень КПД около 85% и более достижим для большинства источников питания.


Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Что такое повышающие, повышающие и понижательно-повышающие преобразователи постоянного тока?

Понижающие, повышающие и понижательно-повышающие преобразователи постоянного тока

широко используются в энергетике. поставлять конструкции, и были в течение многих лет. Они популярны благодаря своей простоте, невысокой стоимости и высокой стоимости. эффективность. Не используется трансформатор в конструкции и поэтому нет изоляции между входным напряжением и выходное напряжение.

В этом посте я объясню различия между этими тремя преобразователями и проведу общий обзор того, как они работают.(Следует отметить, что на упрощенной схеме показаны диоды и переключатели, в действительности полевые транзисторы используются в качестве синхронных выпрямителей для снижения потерь и повышения эффективности).

Понижающий преобразователь снижает напряжение и выходное напряжение ниже чем входное напряжение. См. Рисунок 1.

Рисунок 1: Понижающий преобразователь

Когда транзистор S включен, энергия накапливается в катушке индуктивности L в виде тока. течет к нагрузке, и конденсатор C заряжается.Когда S выключен, запасенная энергия в L высвобождается, и ток течет в нагрузку и циркулирует через диод D. Конденсатор C также подает энергию на нагрузку. Это повторяется на высоких частотах, более 100 000 раз в секунду. Продолжительность включения S определяет выходное напряжение.

Повышающий преобразователь увеличивает напряжение, а выходное напряжение выше входного напряжения. См. Рисунок 2.


Рисунок 2: Повышающий преобразователь

Когда транзистор S включен, ток течет через индуктивность L, через транзистор S обратно на вход.В течение этого периода энергия накапливается в индуктор. Когда транзистор S выключен, катушка индуктивности действует источник напряжения последовательно с входным напряжением. Накопленная в индукторе энергия циркулирует через диод D в нагрузку. Это заряжает конденсатор C до более высокого уровня, чем входное напряжение. Опять же, продолжительность включения S определяет выходное напряжение.

Эта топология повышающего преобразователя также используется в большинстве систем управления коэффициентом мощности (PFC). секции источников питания AC-DC.Управляющая ИС, конечно, другая, так как ее Цель состоит в том, чтобы гарантировать, что потребляемый переменный ток имеет синусоидальную форму. При высоком линейном напряжении более 240 В переменного тока Входной ток постоянного тока может быть выше, чем напряжение на конденсаторе C. Это уменьшит повышающий преобразователь PFC. производительность и коэффициент мощности будут немного ухудшены.

Понижающий-повышающий преобразователь представляет собой комбинацию понижающего и повышающего преобразователя. конвертер. Выходное напряжение может быть выше или ниже входного.См. Рисунок 3.

Рисунок 3: Понижающий преобразователь

Как видите, схема более сложная и состоит из большего количества компонентов. S2, L и D2 — это повышающий преобразователь (S1 включен), а S1, L и D1 — понижающая секция (S2 выключен).

Многие производители, такие как TDK-Lambda, предлагают как повышающие, так и понижающие конвертеры. С меньшим количеством компонентов и сложность, понижающий преобразователь будет предлагать более низкую стоимость, более высокую эффективность и либо меньший корпус, либо большая выходная мощность.

Рис. 4. Преобразователь TDK-Lambda i7C, 300 Вт, понижающий-повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный

Силовой парень


Силовая электроника

— Что такое повышающий преобразователь

Я знаю, что спрашивающий принял ответ, но я не думаю, что его достаточно в его нынешнем виде, поэтому я предлагаю то, что я считаю лучшим подходом к делу. Основная проблема в том, что я думаю, что статья в вики тоже могла бы быть лучше. В нем указано, что повышающий преобразователь относится к типу SMPSU ….

… содержащий по крайней мере два полупроводниковых переключателя (диод и транзистор) и по крайней мере один элемент накопления энергии, конденсатор, катушку индуктивности или их комбинацию.

Я думаю, что единственная разумная форма повышающего преобразователя, используемого в электронике, всегда содержит катушку индуктивности и конденсатор. Вот более разумная диаграмма, показанная позже в той же статье вики: —

Перед первым замыканием переключателя можно увидеть, что конденсатор и резистор подключены к входящему источнику питания (\ $ V_I \ $) через диод.Это предварительно заряжает конденсатор до \ $ V_I \ $ минус одно падение напряжения на диоде (0,6 В для обычных диодов и, возможно, 0,3 В для диода Шоттки). Текущий расход составляет примерно \ $ \ dfrac {V_I} {R} \ $.

Когда переключатель в первый раз замыкается, ток катушки индуктивности увеличивается от \ $ \ dfrac {V_I} {R} \ $ до более высокого значения. Здесь следует отметить, что диод не позволяет переключателю выделять энергию из выходного конденсатора, поскольку он имеет обратное смещение.

Когда переключатель размыкается, ток в катушке индуктивности хочет продолжать течь в том же направлении, и самый простой путь — через диод, который подталкивает «новую» энергию к конденсатору (слегка заряжая его).Часть этой энергии поступает в резистор / нагрузку, но большая часть заряжает конденсатор (в обычных приложениях).

После нескольких циклов напряжение конденсатора теперь начинает подниматься выше, чем входящее питание, и это то, что пытается сделать повышающий стабилизатор.

Предполагая, что сопротивление нагрузочного резистора имеет фиксированное значение, а отношение метки к промежутку остается постоянным (ради этого объяснения), наступает момент, когда количество энергии, используемой нагрузочным резистором (за цикл переключения), соответствует количеству энергии освобожден от индуктора.Равновесие достигнуто и можно сказать следующее: —

Накопленная энергия при зарядке индуктора x частота коммутации = мощность, рассеиваемая в нагрузочном резисторе.

Это простой повышающий преобразователь постоянного тока. Преобразователи CCM оставляют остаточную энергию в катушке индуктивности и работают при более высоком среднем токе катушки индуктивности, что выходит за рамки этого простого объяснения.

Например, если нагрузка потребляла 10 Вт, а переключатель переключался на частоте 100 кГц, энергия индуктора сохранялась (и высвобождалась) = \ $ \ dfrac {10} {100,000} \ $ = 100 \ $ \ mu J \ $.Конечно, в диоде будут небольшие потери, но это уравнение энергии позволяет вам рассчитать размер необходимой катушки индуктивности и рабочий цикл переключателя.

Если сопротивление нагрузки увеличивается, чтобы поддерживать такое же напряжение на выходе, рабочий цикл переключателя должен снизиться, а если сопротивление нагрузки уменьшается, рабочий цикл переключателя должен увеличиваться, чтобы поддерживать такое же напряжение на выходе.

Как успешно применять повышающие (повышающие) регуляторы постоянного тока

Питание портативных электронных устройств, таких как смартфоны, системы GPS-навигации и планшеты, может поступать от низковольтных солнечных панелей, батарей или переменного тока. источники питания постоянного тока.Системы с батарейным питанием часто устанавливают ячейки последовательно для достижения более высоких напряжений, но это не всегда возможно из-за нехватки места. Импульсные преобразователи используют магнитное поле катушки индуктивности, чтобы поочередно накапливать энергию и передавать ее нагрузке с другим напряжением. С низкими потерями они являются хорошим выбором для высокой эффективности. Конденсаторы, подключенные к выходу преобразователя, уменьшают пульсации выходного напряжения. Преобразователи Boost или повышающие — рассмотренные здесь — обеспечивают более высокое напряжение; Преобразователи buck или понижающие преобразователи , описанные в предыдущей статье 1 , обеспечивают более низкое выходное напряжение.Переключающие преобразователи, которые включают в себя внутренние полевые транзисторы в качестве переключателей, называются переключающими регуляторами, 2 , в то время как устройства, требующие внешних полевых транзисторов, называются переключающими контроллерами. 3

На рис. 1 показана типичная система с низким энергопотреблением, питающаяся от двух последовательно соединенных батареек AA. Полезный выход батареи варьируется от 1,8 В до 3,4 В, тогда как для работы ИС требуется 1,8 В и 5,0 В. Повышающие преобразователи, которые могут повышать напряжение без увеличения количества ячеек, питают WLED-подсветку, микро-жесткие диски, аудио и периферийные USB-устройства, а понижающий преобразователь питает микропроцессор, память и дисплей.

Рисунок 1. Типичная портативная система малой мощности.

Тенденция катушки индуктивности противостоять изменениям тока позволяет использовать функцию усиления. При зарядке индуктор действует как нагрузка и накапливает энергию; при разряде действует как источник энергии. Напряжение, создаваемое во время фазы разряда, связано со скоростью изменения тока, а не с исходным зарядным напряжением, что позволяет использовать разные уровни входного и выходного напряжения.

Регуляторы повышения напряжения

состоят из двух переключателей, двух конденсаторов и катушки индуктивности, как показано на рисунке 2.Неперекрывающиеся приводы переключателей обеспечивают одновременное включение только одного переключателя, чтобы избежать нежелательного сквозного тока. В фазе 1 ( t ON ) переключатель B разомкнут, а переключатель A замкнут. Индуктор подключен к земле, поэтому ток течет от V IN к земле. Ток увеличивается из-за положительного напряжения на катушке индуктивности, а энергия накапливается в катушке индуктивности. На Фазе 2 ( t OFF ) переключатель A разомкнут, а переключатель B замкнут. Индуктор подключен к нагрузке, поэтому ток течет от V IN к нагрузке.Ток уменьшается из-за отрицательного напряжения на катушке индуктивности, и энергия, накопленная в катушке индуктивности, разряжается в нагрузку.

Рис. 2. Топология понижающего преобразователя и рабочие формы сигналов.

Обратите внимание, что работа регулятора переключения может быть непрерывной или прерывистой. При работе в режиме непрерывной проводимости (CCM) ток индуктора никогда не падает до нуля; при работе в режиме прерывистой проводимости (DCM) ток индуктора может упасть до нуля.Пульсация тока , показанная как Δ I L на рисунке 2, рассчитывается с использованием Δ I L = ( V IN × t ON ) / L . Средний ток катушки индуктивности течет в нагрузку, а ток пульсации течет в выходной конденсатор.

Рис. 3. Повышающий регулятор объединяет в себе генератор, контур управления ШИМ и переключающие полевые транзисторы. Регуляторы

, которые используют диод Шоттки вместо переключателя B, определены как асинхронный (или несинхронный), в то время как регуляторы, которые используют полевой транзистор в качестве переключателя B, определены как синхронный .На рисунке 3 переключатели A и B были реализованы с внутренним полевым транзистором и внешним диодом Шоттки, соответственно, для создания асинхронного повышающего регулятора. Для маломощных приложений, требующих изоляции нагрузки и низкого тока отключения, можно добавить внешние полевые транзисторы, как показано на рисунке 4. Если на контакте EN устройства ниже 0,3 В, регулятор отключается и полностью отключается вход от выхода.

Рисунок 4. Типовая схема приложений ADP1612 / ADP1613.

Современные маломощные синхронные понижающие стабилизаторы используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) в качестве основного режима работы.ШИМ поддерживает постоянную частоту и изменяет ширину импульса ( t ON ) для регулировки выходного напряжения. Средняя передаваемая мощность пропорциональна рабочему циклу D, что делает это эффективным способом подачи питания на нагрузку.

В качестве примера для желаемого выходного напряжения 15 В и доступного входного напряжения 5 В

D = (15-5) / 15 = 0,67 или 67%.

Энергия сохраняется, поэтому входная мощность должна равняться мощности, подаваемой на нагрузку, за вычетом любых потерь.Предполагая очень эффективное преобразование, небольшую потерю мощности можно не учитывать при основных расчетах мощности. Таким образом, входной ток может быть приблизительно равен

.

Например, если ток нагрузки составляет 300 мА при 15 В, I IN = 900 мА при 5 В — в три раза больше выходного тока. Следовательно, доступный ток нагрузки уменьшается по мере увеличения напряжения наддува.

В повышающих преобразователях

используется обратная связь по напряжению или по току для регулирования выбранного выходного напряжения; контур управления позволяет выходу поддерживать регулирование в ответ на изменения нагрузки.Повышающие регуляторы малой мощности обычно работают в диапазоне от 600 кГц до 2 МГц. Более высокие частоты переключения позволяют использовать катушки индуктивности меньшего размера, но эффективность падает примерно на 2% с каждым удвоением частоты переключения. В повышающих преобразователях ADP1612 и ADP1613 (см. Приложение) частота переключения выбирается по выводам: 650 кГц для максимальной эффективности или 1,3 МГц для самых маленьких внешних компонентов. Подключите FREQ к GND для работы на 650 кГц или к VIN для работы на 1,3 МГц.

Катушка индуктивности, ключевой компонент повышающего регулятора, накапливает энергию в течение времени на выключателя питания и передает эту энергию на выход через выходной выпрямитель в течение времени выключено .Чтобы сбалансировать компромисс между низкой пульсацией тока катушки индуктивности и высокой эффективностью, в таблице данных ADP1612 / ADP1613 рекомендуются значения индуктивности в диапазоне от 4,7 мкГн до 22 мкГн. Как правило, индуктор с более низким значением имеет более высокий ток насыщения и более низкое последовательное сопротивление для данного физического размера, но более низкая индуктивность приводит к более высоким пиковым токам, что может привести к снижению эффективности, более высокой пульсации и увеличению шума. Часто лучше запускать наддув в режиме прерывистой проводимости, чтобы уменьшить размер индуктора и улучшить стабильность.Пиковый ток индуктора (максимальный входной ток плюс половина тока пульсаций индуктора) должен быть ниже номинального тока насыщения индуктора; а максимальный входной постоянный ток регулятора должен быть меньше действующего значения номинального тока катушки индуктивности.

Key Boost Regulator Технические характеристики и определения

Диапазон входного напряжения : Диапазон входного напряжения повышающего преобразователя определяет наименьшее используемое входное напряжение питания. В технических характеристиках может быть указан широкий диапазон входного напряжения, но входное напряжение должно быть ниже V OUT для эффективной работы.

Ток заземления или покоя : Постоянный ток смещения не подается на нагрузку ( I q ). Чем ниже I q , тем выше эффективность, но I q можно указать при многих условиях, включая выключение, нулевую нагрузку, работу PFM или работу PWM, поэтому лучше всего смотреть на работу эффективность при определенных рабочих напряжениях и токах нагрузки, чтобы определить лучший регулятор наддува для применения.

Ток выключения : Входной ток, потребляемый, когда разрешающий контакт установлен в положение ВЫКЛ. Низкий I q важен для длительного времени ожидания, когда устройство с батарейным питанием находится в спящем режиме.

Рабочий цикл переключателя : Рабочий цикл должен быть ниже максимального рабочего цикла, иначе выходное напряжение не будет регулироваться. Например, D = ( V OUT — V IN ) / V OUT В IN = 5 В и В OUT = 15 В, D = 67%. ADP1612 и ADP1613 имеют максимальный рабочий цикл 90%.

Диапазон выходного напряжения : Диапазон выходных напряжений, поддерживаемых устройством. Выходное напряжение повышающего преобразователя может быть фиксированным или регулируемым с использованием резисторов для установки желаемого выходного напряжения.

Current Limit : В повышающих преобразователях обычно указывается предел пикового тока, а не ток нагрузки.Обратите внимание, что чем больше разница между V IN и V OUT , тем ниже доступный ток нагрузки. Предел пикового тока, входное напряжение, выходное напряжение, частота переключения и значение индуктивности — все это устанавливает максимальный доступный выходной ток.

Линейное регулирование : Линейное регулирование — это изменение выходного напряжения, вызванное изменением входного напряжения.

Регулировка нагрузки : Регулировка нагрузки — это изменение выходного напряжения для изменения выходного тока.

Плавный запуск : Для регуляторов повышения важно иметь функцию плавного пуска , которая регулирует выходное напряжение при запуске, чтобы предотвратить чрезмерные выбросы выходного напряжения при запуске. Плавный пуск некоторых повышающих преобразователей можно регулировать с помощью внешнего конденсатора. Когда конденсатор плавного пуска заряжается, он ограничивает допустимый пиковый ток. Благодаря регулируемому плавному запуску время запуска может быть изменено в соответствии с требованиями системы.

Тепловое отключение ( TSD ): Если температура перехода поднимается выше указанного предела, цепь теплового отключения отключает регулятор. Постоянно высокие температуры перехода могут быть результатом сильноточной работы, плохого охлаждения печатной платы или высокой температуры окружающей среды. Схема защиты включает гистерезис, поэтому устройство не вернется к нормальной работе до тех пор, пока температура на кристалле не упадет ниже заданного предела после теплового отключения.

Блокировка при пониженном напряжении ( UVLO ): Если входное напряжение ниже порога UVLO, ИС автоматически отключает выключатель питания и переходит в режим пониженного энергопотребления. Это предотвращает потенциально неустойчивую работу при низких входных напряжениях и предотвращает включение силового устройства, когда схема не может им управлять.

Заключение

Маломощные повышающие стабилизаторы

избавляют от необходимости беспокоиться о переходном преобразователе постоянного тока в постоянный за счет проверенной конструкции.Расчетные расчеты доступны в разделе «Приложения» спецификации, а средство проектирования ADIsimPower 4 упрощает задачу для конечного пользователя. За дополнительной информацией обращайтесь к разработчикам приложений Analog Devices или посетите EngineerZone на ez.analog.com за помощью. Руководства по выбору буст-регуляторов, спецификации и примечания по применению от Analog Devices можно найти на сайте www.analog.com/power.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Повышающие импульсные преобразователи постоянного тока
работают на частотах 650/1300 кГц

Повышающие преобразователи ADP1612 и ADP1613 способны подавать более 150 мА при напряжении до 20 В при работе, соответственно, от одной 1.Питание от 8 до 5,5 В и от 2,5 до 5,5 В. При интеграции силового переключателя 1,4-A / 2,0-A, 0,13 Ом с токовым режимом с широтно-импульсной модуляцией их выход изменяется менее чем на 1% при изменении входного напряжения, тока нагрузки и температуры. Рабочая частота выбирается выводом и может быть оптимизирована для достижения высокого КПД или минимального размера внешних компонентов: при 650 кГц они обеспечивают КПД 90%; на частоте 1,3 МГц их схемная реализация занимает наименьшее пространство, что делает их идеальными для использования в условиях ограниченного пространства в портативных устройствах и жидкокристаллических дисплеях.Регулируемая схема плавного пуска предотвращает пусковые токи, обеспечивая безопасные и предсказуемые условия пуска. ADP1612 и ADP1613 потребляют 2,2 мА в состоянии переключения, 700 мкА в состоянии без переключения и 10 нА в режиме отключения , . Доступные в 8-выводных корпусах MSOP, они рассчитаны на температуру от –40 ° C до + 85 ° C и стоят 1,50 долл. США / 1,20 долл. США за 1000 шт.

Рисунок A. Функциональная блок-схема ADP1612 / ADP1613.

Рекомендации

() Информацию обо всех компонентах ADI можно найти на сайте www.analog.com. )

1 http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/applying-dc-to-dc-step-down-buck-regulators.html.

2 www.analog.com/en/power-management/switching-regulators-integrated-fet-switches/products/index.html.

3 www.analog.com/en/power-management/switching-controllers-external-switches/products/index.html.

4 www.analog.com/en/design-center/interactive-design-tools/adisimpower.HTML

Ленк, Джон Д. Упрощенная конструкция импульсных источников питания . Elsevier / Newnes. 1996.

Мараско, К. «Как успешно применять понижающие (понижающие) регуляторы постоянного тока». Аналоговый диалог . Выпуск 45. Июнь 2011.

Мараско, К. «Как успешно применять регуляторы с малым отсевом». Аналоговый диалог . Том 43, Номер 3. 2009 г.

Повышающий преобразователь постоянного тока

| Протокол

Повышающие преобразователи

используются в электронике для генерации выходного напряжения постоянного тока, которое больше входного постоянного тока, тем самым повышая напряжение питания.Повышающие преобразователи часто используются в источниках питания для белых светодиодов, аккумуляторных батареях для электромобилей и во многих других приложениях. Повышающий преобразователь накапливает энергию в магнитном поле индуктора и передает ее нагрузке с помощью схемы переключения. Передача энергии от магнитного поля индуктора позволяет увеличить выход постоянного тока за одну стадию. Это видео проиллюстрирует конструкцию повышающего преобразователя и исследует, как изменение рабочего состояния преобразователя влияет на его выходное напряжение.

Эта простая схема повышающего преобразователя состоит из источника входного постоянного напряжения, подключенного к катушке индуктивности и переключателю. Переключатель может быть биполярным транзистором, полевым МОП-транзистором или другим подобным электронным устройством, которое попеременно подключает и отключает индуктор от общей линии источника питания. Блокирующий диод соединяет катушку индуктивности с конденсатором, который фильтрует пульсации выходного напряжения. Увеличение емкости уменьшает пульсации. При достаточно большой емкости на выходе становится постоянное постоянное напряжение.Последовательность цифровых импульсов открывает или закрывает переключатель. Импульс имеет скважность, которая представляет собой отношение времени включения к периоду. Коэффициент заполнения может варьироваться от нуля или увеличиваться до единицы со временем. Когда импульс включен, переключатель замыкается, и индуктор подключается к источнику питания. В этом состоянии клемма индуктора, подключенная к выходу источника питания, имеет более высокий потенциал, а клемма, подключенная к общей клемме, имеет более низкий потенциал. Теперь ток течет через катушку индуктивности, линейно возрастая со временем для достаточно высоких частот переключения.В течение этого времени напряжение индуктора определяется как положительное, потому что наклон тока в зависимости от времени положительный. Индуктор накапливает энергию, пропорциональную квадрату тока в его магнитном поле. Чем дольше индуктор подключен к источнику питания, тем больше увеличивается ток и тем больше энергии он накапливает. Когда переключатель размыкается, ток через катушку индуктивности должен продолжать течь в том же направлении. Этот ток также уменьшается, потому что теперь индуктор отдает энергию нагрузке.Напряжение на катушке индуктивности становится отрицательным, потому что наклон тока во времени отрицательный. В результате полярность катушки индуктивности меняется и теперь добавляется к входному напряжению «V in», создавая более высокий потенциал на выходе. Схема в этом состоянии смещает диод в прямом направлении, а катушка индуктивности разряжает ток, часть идет на нагрузку, а часть — на конденсатор, который затем накапливает заряд. Когда переключатель снова замыкается, диод становится смещенным в обратном направлении, отключая катушку индуктивности от выхода и предотвращая короткое замыкание нагрузки.За это время индуктор перезаряжается, и вместо него конденсатор подает ток на нагрузку. Этот цикл зарядки и разрядки конденсатора дает среднее выходное напряжение с некоторой пульсацией. При достаточно высоких частотах переключения время заряда и разряда конденсатора короткое, и выходное напряжение достигает установившегося напряжения с относительно небольшой пульсацией. Этот цикл переключения повторяется бесконечно и является основой работы повышающего преобразователя. В идеале среднее выходное напряжение увеличивается по мере увеличения коэффициента заполнения, а коэффициент заполнения, равный единице, создает бесконечное напряжение.Однако паразитные элементы и сопротивления в повышающем преобразователе ограничивают полезные значения D максимум примерно 0,7 или 0,8. Если D достаточно велико, в работе схемы преобладают паразитные эффекты, и выходное напряжение уменьшается, даже если D продолжает увеличиваться. В следующих экспериментах мы изучим, как повышающий преобразователь увеличивает напряжение в режиме непрерывной проводимости, также называемом CCM, состоянии, когда катушка индуктивности все время работает с ненулевым током.

Выходное напряжение в этом эксперименте ограничено 50 В постоянного тока или меньше.Используйте только указанные рабочие циклы, частоты, входные напряжения и нагрузки. В этих экспериментах используется плата полюсов питания HiRel Systems, которая предназначена для экспериментов с различными топологиями схем преобразователей постоянного тока. При выключенном переключателе подачи сигнала S90 подключите источник сигнала +/- 12 В к разъему J90. Установите перемычки выбора ШИМ-управления J62 и J63 в положение разомкнутого контура. Отрегулируйте источник питания постоянного тока на положительное напряжение 10 вольт, но не подключайте выход источника питания к плате.Затем постройте схему, как показано, с нижним полевым МОП-транзистором, верхним диодом и магнитной платой BB. Запишите значение индуктора на магнитной доске BB. Нагрузочный резистор представляет собой потенциометр мощности. Используйте мультиметр, чтобы измерить его сопротивление, установив его на 20 Ом. Затем подключите потенциометр между клеммами V1 + и COM. Установите блок переключателей S30 следующим образом: PWM на нижний MOSFET, используйте встроенный PWM и отключите нагрузку. Подключите дифференциальный пробник осциллографа между клеммой 16, которая является затвором нижнего полевого МОП-транзистора, и клеммой 12, которая является источником.Включите переключатель S90. Последовательность импульсов, управляющая полевым МОП-транзистором, должна появиться на экране осциллографа. Выберите ось времени осциллографа, чтобы отобразить несколько периодов этой формы волны. Установите потенциометр регулировки частоты RV60 на частоту переключения 100 килогерц. Установите потенциометр коэффициента заполнения RV64 так, чтобы время включения импульсов составляло одну микросекунду, что соответствует коэффициенту заполнения 0,1.

Подключите источник питания постоянного тока к входным клеммам V2 + и COM. Для измерения тока индуктора подключите дифференциальный зонд между клеммами CS5 и COM.Чтобы измерить напряжение на нагрузочном резисторе RL, подключите другой дифференциальный пробник между клеммами V1 + и COM. Выходное напряжение должно быть треугольной формы. Нарастание вверх происходит, когда переключатель повышающего преобразователя разомкнут, а катушка индуктивности передает энергию нагрузке. Нисходящие линейные изменения возникают, когда переключатель замкнут, катушка индуктивности отключена от выхода, а конденсатор подает энергию на нагрузку. Ток индуктора представляет собой треугольную волну, которая линейно нарастает во время включения последовательности импульсов, а затем линейно снижается в течение времени выключения.Смещение — это средний ток. Используя встроенные измерительные функции осциллографа, измерьте среднее значение выходного напряжения и среднее значение тока катушки индуктивности. Повторите эти шаги с входным источником питания постоянного тока, установленным на восемь, 12 и 14 вольт. Для фиксированной продолжительности включения по мере увеличения входного напряжения выходное напряжение идеального повышающего преобразователя должно увеличиваться пропорционально.

В этой части эксперимента измеряется скважность последовательности импульсов вместо тока катушки индуктивности.Подключите щупы осциллографа к клеммам 16 и 12, которые являются затвором и истоком нижнего полевого МОП-транзистора соответственно. Подключите входной источник питания постоянного тока к клеммам V2 + и COM. Как и раньше, выходное напряжение представляет собой треугольную волну, возникающую в результате попеременной подачи тока через индуктор и конденсатор на нагрузку. Напряжение затвора-истока полевого МОП-транзистора представляет собой последовательность цифровых импульсов с частотой 100 килогерц, периодом 10 микросекунд и временем включения в одну микросекунду. Измерьте среднее значение выходного напряжения и время включения между затвором и источником напряжения, а также показания входного тока и напряжения от источника постоянного тока.Повторите этот тест после регулировки потенциометра продолжительности включения RV64, чтобы импульсный поток имел время включения, равное двум, четырем и шести микросекундам, что соответствует скважности 0,2, 0,4 и 0,6 соответственно.

По мере увеличения продолжительности включения D выходное напряжение повышающего преобразователя также увеличивается. В идеале, если D имеет значение 0,2, тогда входное напряжение 10 вольт генерирует выходное напряжение около 12,5 вольт. Если D равно 0,4, то выходное напряжение будет около 16,6 вольт. Если D равно 0,6, то выход будет около 25 вольт.В общем, выходное напряжение меньше, чем ожидалось при идеальном соотношении, потому что паразитные элементы создают неидеальные падения напряжения и неучтенные потери энергии. Когда скважность приближается к единице, теоретическое выходное напряжение становится бесконечно большим. В действительности выходное напряжение ограничено примерно в три или четыре раза входным напряжением, а влияние паразитных и неидеальных компонентов вызывает уменьшение выходного напряжения после того, как D становится достаточно высоким.

Повышающие преобразователи генерируют выходное напряжение, превышающее входное, и многие приложения включают их для повышения гибкости при выборе источников питания.Напряжение от солнечной панели меняется в зависимости от положения солнца, погодных условий и тени. Повышающие преобразователи обычно используются для увеличения переменной выходной мощности массива солнечных панелей, чтобы обеспечить постоянное напряжение для подачи в электрическую сеть. Системы с батарейным питанием часто используются для питания устройств без использования шнура питания. Чтобы добиться необходимого более высокого выходного напряжения, аккумуляторные элементы часто собирают друг с другом.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *