Понижающий преобразователь схема: Схема понижающего преобразователя напряжения DC / DC

Содержание

Схема понижающего преобразователя напряжения DC / DC

Инвертор основан на микросхеме LM2576-Adj, относящейся к группе высокоинтегрированных чипов, поэтому для правильной работы требуется всего несколько внешних компонентов. Это универсальный понижающий преобразователь с регулируемым выходным напряжением постоянного тока до 3 А. При покупке необходимо брать микросхему именно с названием Adj. Такая же маркированная цепь без Adj настраивается на заводе на фиксированное выходное напряжение без возможности регулирования. Выходное напряжение может быть таким же, как входное напряжение или ниже. Для противоположной функции (стабилизация по минусу) с незначительной модификацией разводки необходимо использовать м/с LM2577-adj.

Схема инвертора понижающего на LM2576

Катушка с индуктивностью около 150 мкГн необходима для правильной работы инвертора. Хорошо наматывать её на тороидальный сердечник диаметром около 25 мм. Также возможно использование катушек от ПК, и других импульсных приборов.

Жёлтые маркированные сердечники полностью соответствуют данным целям. В частности, необходимо намотать 45 витков проволокой 1 мм на тороид диаметром 27 мм. Выход может быть оснащен и другой катушкой для лучшего сглаживания выходного напряжения. Конденсаторы фильтра должны быть установлены естественно на требуемое напряжение.

На практике использовался этот инвертор чтобы получить напряжение накала в лампе, которое требовалось 4 В 1 А, но только 12 В было доступно в приборе. Например гашение 8 В при 1 А с помощью резистора или какого-либо стабилизатора уже приносит значительные потери в 8 Вт! Этот же преобразователь работает с эффективностью около 75-91%, измеренная в данной схеме получилась 82%. Это означает что суммарные потери составили всего 0,72 Вт, то есть в 11 раз меньше, чем при использовании гасящего резистора!

Здесь отсутствует выходной фильтр, потому что напряжение накала не нуждается в особой фильтрации. Весь блок удобно помещается на печатной плате размером 20 x 50 мм. Для больших токов кулер может быть использован. Но в данном случае кулер не требуется, потому что схема практически не греется.

Мощный понижающий преобразователь напряжения dc схема. Модуль понижающего преобразователя напряжения DC-DC

Наверное многие помнят мою эпопею с самодельным лабораторным блоком питания.
Но меня неоднократно спрашивали что нибудь похожее, только попроще и подешевле.

В этом обзоре я решил показать альтернативный вариант простого регулируемого блока питания.
Заходите, надеюсь, что будет интересно.

Я долго откладывал этот обзор, то времени не было, что настроения, но вот дошли у меня руки и до него.
Данный блок питания имеет несколько другие характеристики чем .
Основой блока питания будет плата DC-DC понижающего преобразователя с цифровым управлением.
Но всему свое время, а сейчас собственно немного стандартных фотографий.
Пришла платка в небольшой коробочке, ненамного больше пачки сигарет.

Внутри, в двух пакетиках (пупырчатом и антистатическом) была собственно героиня данного обзора, плата преобразователя.

Плата имеет довольно простую конструкцию, силовая часть и небольшая плата с процессором (данная плата похожа на плату из другого, менее мощного преобразователя), кнопками управления и индикатором.

Характеристики данной платы
Входное напряжение — 6-32 Вольта
Выходное напряжение — 0-30 Вольт
Выходной ток — 0-8 Ампер
Минимальная дискретность установки\отображения напряжения — 0.01 Вольта
Минимальная дискретность установки\отображения тока — 0.001 Ампера
Так же данная плата умеет измерять емкость, которая отдана в нагрузку и мощность.

Частота преобразования, указанная в инструкции — 150КГц, по даташиту контроллера — 300КГц, измеренная — около 270КГц, что заметно ближе к параметру указанному в даташите.

На основной плате размещены силовые элементы, ШИМ контроллер, силовой диод и дроссель, конденсаторы фильтра (470мкФ х 50 Вольт), ШИМ контроллер питания логики и операционных усилителей, операционные усилители, токовый шунт, а так же входные и выходные клеммники.

Сзади ничего практически и нет, только несколько силовых дорожек.

На дополнительной плате установлен процессор, микросхемы логики, стабилизатор 3.3 Вольта для питания платы, индикатор и кнопки управления.

Процессор —
Логика — 2 штуки
Стабилизатор питания —

На силовой плате установлены операционные усилители 2 штуки (такие же операционники стоит и в ZXY60xx)
ШИМ контроллер питания самой платы adj

В качестве силового ШИМ контроллера выступает микросхема . По даташиту это 12 Ампер ШИМ контроллер, так что здесь он работает не в полную силу, что не может не радовать. Однако стоит учесть, что входное напряжение лучше не превышать, это так же может быть опасно.
В описании на плату указано максимальное входное напряжение 32 Вольта, предельное для контроллера — 35 Вольт.
В более мощных преобразователях применяют слаботочный контроллер, управляющий мощным полевым транзистором, здесь все это делает один мощный ШИМ контроллер.


Приношу извинения за фотографии, никак не получалось добиться хорошего качества.

В инструкции, найденной мною в интернете, описан вход в сервисный режим, где можно изменить некоторые параметры. Для входа в сервисный режим надо подать питания при нажатой кнопке ОК, на экране будут последовательно переключаться цифры 0-2, что бы переключить настройку, надо отпустить кнопку во время отображения соответствующей цифры.
0 — Включение автоматической подачи напряжения на выход при подаче питания на плату.
1 — Включение расширенного режима, отображающего не только ток и напряжение, а и емкость, отданную в нагрузку и выходную мощность.

2 — Автоматический перебор отображения измерений на экране или ручной.

Так же в инструкции есть и пример запоминания настроек, так как у платы можно настроить лимит по установке тока и напряжения и есть память установок, но в эти дебри я уже не лез.
Так же я не трогал контактны для разъема UART, находящиеся на плате, так как даже если там что-то и есть, то программы для этой платы я все равно не нашел.

Резюме.
Плюсы .
1. Довольно богатые возможности — установка и измерение тока и напряжения, измерение емкости и мощности, а так же наличие режима автоматической подачи напряжения на выход.

2. Диапазон выходного напряжения и тока вполне достаточен для большинства любительских применений.
3. Качество изготовления не то что бы хорошее, но без явных огрехов.
4. Компоненты установлены с запасом, ШИМ на 12 Ампер при 8 заявленных, конденсаторы на 50 Вольт по входу и выходу, при заявленных 32 Вольта.

Минусы
1. Очень неудобно сделан экран, он может отображать только 1 параметр, например —
0.000 — Ток
00.00 — Напряжение
Р00.0 — Мощность
С00.0 — Емкость.
В случае последних двух параметров точка плавающая.
2. Исходя из первого пункта, довольно неудобное управление, валкодер бы очень не помешал.

Мое мнение.
Вполне достойная плата для построения простенького регулируемого блока питания, но блок питания лучше и проще использовать какой нибудь готовый.
Обзор понравился +123 +268

LM2596 — это импульсный понижающий регулируемый стабилизатор постоянного напряжения. Имеет высокий КПД. Меньше нагревается если сравнивать с модулями на линейных стабилизаторах. Источник питания может применяться в широком спектре устройств. К безусловным достоинствам относится работа в ощутимом диапазоне входного напряжения. Вместе с большим КПД это дает хорошие результаты при последовательном включении DC-DC LM2596 с химическими источниками тока, солнечными панелями или ветряными генераторами.

Дополнив преобразователь DC-DC LM2596 трансформатором, выпрямителем и фильтром получим блок питания. На входе стабилизатора напряжение должно быть большее выходного минимум на 1.5 В. При потреблении мощности от DC-DC LM2596 более десяти Вт следует применять средства охлаждения.

Предусмотрены крепежные отверстия под винт. Клеммников нет, провода придется паять. Под микросхемой есть отверстия с металлизацией для дополнительного отвода тепла на обратную сторону платы.

Технические характеристики преобразователя LM2596

  • Эффективность преобразования (КПД) : до 92%
  • Частота переключения : 150 кГц
  • Рабочая температура : от -40 до + 85 °C
  • Влияние изменения входного напряжения на уровень выхода : ± 0.5%
  • Поддержание установленного напряжения с точностью : ± 2.5%
  • Входное напряжение : 3-40 В
  • Выходное напряжение : 1.5-35 В (регулируемое)
  • Выходной ток : номинальный до 1А, от 1 до 2А заметно возрастает нагрев, предельный 3A (требуется дополнительный радиатор)
  • Размер : 45x20x14 мм

Принципиальная схема преобразователя LM2596

В некоторых модулях защитный диод D1 включен обратно-параллельно на входе, но в таком случае не нужно забывать подсоединить и предохранитель на входе, который сгорит, если перепутать полярность, также этот диод защищает от всплесков напряжения на выходе.

Существуют варианты с прямым включением диода D1 (SS34, SS54) на входе, обычно это диоды Шоттки, у этих диодов есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0. 2-0.4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.

Но дешёвые модули на базе LM2596 не имеют защитного диода, с одной стороны — это минус, так как случайно можно убить преобразователь перепутав полярность на входе, а с другой стороны — это плюс, потому что на диоде будет падать некоторое напряжение и греться при больших токах.

Подключается преобразователь очень просто, не стабилизированное напряжение подается на контакты модуля +IN, –IN (плюс и минус соответственно), а выходное напряжение снимается с контактов платы +OUT, -OUT.

С обратной стороны есть стрелка, что указывает в какую сторону идёт преобразование.

Фото галерея


Понижающие DC-DC преобразователи все чаще и чаще находят свое применение в быту, хозяйстве, автомобильной технике, а также в качестве регулируемых блоков питания в домашней лаборатории.

К примеру, на большегрузном автомобиле напряжение бортовой кабельной сети может составлять +24В, а вам необходимо подключить автомагнитолу или другое устройство с входным напряжение +12В, тогда такой понижающий преобразователь вам очень пригодится.

Множество людей заказывают с различных китайских сайтов понижающие DC-DC преобразователи, но их мощность довольно таки ограничена, ввиду экономии китайцами на сечении обмоточного провода, полупроводниковых приборах и сердечниках дросселей, ведь чем мощнее преобразователь, тем он дороже. Поэтому, предлагаю вам собрать понижающий DC-DC самостоятельно, который превзойдет по мощности китайские аналоги, а также будет экономически выгоднее. По моему фотоотчету и представленной схеме видно, что сборка не займет много времени.

Микросхема LM2596 есть ни что иное, как импульсный понижающий регулятор напряжения. Она выпускается как на фиксированное напряжение (3.3В, 5В, 12В) так и на регулируемое напряжение (ADJ). На базе регулируемой микросхемы и будет построен наш понижающий DC-DC преобразователь.

Схема преобразователя

Основные параметры регулятора LM2596

Входное напряжение………. до +40В

Максимальное входное напряжение ………. +45В

Выходное напряжение………. от 1.23В до 37В ±4%

Частота генератора………. 150кГц

Выходной ток………. до 3А

Ток потребления в режиме Standby………. 80мкА

Рабочая температура от -45°С до +150°С

Тип корпуса TO-220 (5 выводов) или TO-263 (5 выводов)

КПД (при Vin= 12В, Vout= 3В Iout= 3А)………. 73%

Хотя КПД может и достигать 94%, он зависит от входного и выходного напряжения, а также от качества намотки и правильности подбора индуктивности дросселя.

Согласно графика, взятого из , при входном напряжении +30В, выходном +20В и токе нагрузки 3А, КПД должен составить 94%.

Также у микросхемы LM2596 есть защита по току и от перегрева. Замечу, что на неоригинальных микросхемах данные функции могут работать некорректно, либо вовсе отсутствуют. Короткое замыкание на выходе преобразователя приводит к выходу из строя микросхемы (проверил на двух LM-ках), хотя тут удивляться и нечему, производитель не пишет в даташите о присутствии защиты от КЗ.

Элементы схемы

Все номиналы элементов указаны на схеме электрической принципиальной. Напряжение конденсаторов С1 и С2 выбирается в зависимости от входного и выходного напряжения (напряжение входа (выхода) + запас 25%), я установил конденсаторы с запасом, на напряжение 50В.

Конденсатор C3 — керамический. Номинал его выбирается согласно таблицы из даташита. Согласно этой таблицы емкость C3 подбирается для каждого отдельного выходного напряжения, но так как преобразователь в моем случае регулируемый, то я применил конденсатор средней емкости 1нФ.

Диод VD1 должен быть диодом Шоттки, или другим сверхбыстрым диодом (FR, UF, SF и др.). Он должен быть рассчитан на ток 5А и напряжение не меньше 40В. Я установил импульсный диод FR601 (6А 50В).

Дроссель L1 должен быть рассчитан на ток 5А и иметь индуктивность 68мкГн. Для этого берем сердечник из порошкового железа (желто-белого цвета), наружный диаметр 27мм, внутренний 14мм, ширина 11мм, ваши размеры могут отличаться, но чем больше они будут, тем лучше. Далее мотаем двумя жилами (диаметр каждой жилы 1мм) 28 витков. Я мотал одиночной жилой диаметром 1,4мм, но при большой выходной мощности (40Вт) дроссель грелся сильно, в том числе и из-за недостаточного сечения жилы. Если мотать двумя жилами, то в один слой обмотку положить не удастся, поэтому нужно мотать в два слоя, без изоляции между слоями (если эмаль на проводе не повреждена).

Через резистор R1 протекает малый ток, поэтому его мощность 0,25Вт.

Резистор R2 подстроечный, но может быть заменен на постоянный, для этого его сопротивление рассчитывается на каждое выходное напряжение по формуле:

Где R1 = 1кОм (по даташиту), Vref = 1,23В. Тогда, посчитаем сопротивление резистора R2 для выходного напряжения Vout = 30В.

R2 = 1кОм * (30В/1,23В — 1) = 23,39кОм (приведя к стандартному номиналу, получим сопротивление R2 = 22кОм).

Также, зная сопротивление резистора R2, можно рассчитать выходное напряжение.

Испытания понижающего DC-DC преобразователя на LM2596

При испытаниях на микросхему был установлен радиатор площадью ≈ 90 см² .

Испытания я проводил на нагрузке сопротивлением 6,8 Ом (постоянный резистор, опущенный в воду). Изначально на вход преобразователя я подал напряжение +27В, входной ток составил 1,85А (входная мощность 49,95Вт). Выходное напряжение я выставил 15,5В, ток нагрузки составил 2,5А (выходная мощность 38,75Вт). КПД при этом составил 78%, это очень даже неплохо.

После 20 мин. работы понижающего преобразователя диод VD1 нагрелся до температуры 50°С, дроссель L1 нагрелся до температуры 70°С, сама микросхема нагрелась до 80°С. То есть, во всех элементах есть резерв по температуре, кроме дросселя, 70 градусов для него многовато.

Поэтому для эксплуатации данного преобразователя на выходной мощности 30-40Вт и более, необходимо мотать дроссель двумя (тремя) жилами и выбирать больший по размерам сердечник. Диод и микросхема могут долговременно держать температуру 100-120°С без каких-либо опасений (кроме нагрева всего что рядом находится, в том числе и корпуса). При желании можно установить на микросхему больший по размеру радиатор, а у диода VD1 можно оставить длинные выводы, тогда будет тепло отводиться лучше, либо прикрепить (припаять к одному из выводов) небольшую пластинку (радиатор). Также нужно как можно лучше залудить дорожки печатной платы, либо пропаять по ним медную жилу, это обеспечит меньший нагрев дорожек при долгой работе на большую выходную мощность.


Сегодня мы рассмотрим инструкцию пошагового создания универсального DC DC преобразователя. Для чего нужен он нужен?

Чтобы полноценно ответить на этот вопрос, ознакомимся с характеристиками:

Входное напряжение 10–25В
Выходное напряжение 0–30В
Выходной ток до 2А (тут есть некоторые особенности, их затронем при расчете дросселя)

Как видим из характеристик, такой преобразователь можно использовать в автомобиле для повышения или понижения напряжения 12В. Также можно подключить такой самодельный DC DC преобразователь на выход компьютерного блока питания и без переделки получать с него разные напряжения.

Ну или же можно взять блок питания от ноутбука и опять же получать на выходе любое напряжение. Это очень удобно, поскольку не нужно заботиться о питающем напряжении.

Повышающий/понижающий DC DC преобразователь — схема


Тут у нас всем знакомая tl494, ей уже много лет, но она до сих пор не сдает свои позиции.

К слову, мы уже рассматривали, как создать .

Сначала была идея создать DC DC преобразователь на UС3843, но она оказалась неудачной. Плюс если делать регулировку по току, то нужно ставить второй шунт, а это снижает итоговый КПД устройства.

В изделии по схеме есть регулировка напряжения, тока, а также установлен драйвер полевика. С ним немного уменьшился нагрев.


Также можно увидеть, что ограничена максимальная ширина выходного импульса, так как при максимальном заполнении схема уходила в непонятный режим, жрала много тока, но на выходе напряжение падало.


Максимальное выходное напряжение равняется 30В.


Если нужно больше, то придется пересчитать номинал вот этих резисторов:


Причем с таким расчетом, чтобы при нужном выходном напряжении в точке делителя было 5В.


Также у нас ограничен ток, он составляет 2А. Если нужно больше, то необходимо пересчитать вот этот резистор:


Тут уже немного сложнее. Для начала необходимо выяснить сколько вольт упадет на шунте. К примеру, нам нужен ток 4А. Тогда смотрим, при каком токе на резисторе упадет 0,4В.


Теперь пересчитываем резистор. Нужно, чтобы в точке деления переменного и постоянного резистора, напряжение было 0,4В. Для этого можно воспользоваться онлайн-калькулятором.


Схему и печатную плату можно скачать ниже.

Файлы для скачивания:

Принцип работы DC DC преобразователя по схеме

Точка отсчета — устройство выключено.


Подаем питание. Ключ разомкнут, а значит ток течет через катушку индуктивности, конденсатор и диод прямо в нагрузку и выходной конденсатор.


Дальше происходит замыкание ключа. В этот момент в катушке L1 накапливается энергия. Проходной конденсатор был заряжен напряжением питания, и поскольку после замыкания ключа он оказывается включенным параллельно индуктивности L2, то он ее заряжает. Напряжение с L2 не может уйти в нагрузку, так как там стоит диод и у него на катоде напряжение выше, чем на аноде.


Теперь ключ снова размыкаем, и напряжение на L1 складывается с напряжением самоиндукции.


Таким образом, на проходной конденсатор и нагрузку идет уже повышенное напряжение.


Изменяя коэффициент заполнения ШИМ, мы изменяем выходное напряжение.


Если ширина импульса достаточно маленькая, то и величина самоиндукции меньше, а, следовательно, выходное напряжение уменьшается. Преимущество такой схемы перед обыкновенным повышающим DC DC преобразователем в том, что здесь установлен проходной конденсатор, который в случае короткого замыкания не даст выйти из строя схеме.

Монтаж повышающего/понижающего DC DC преобразователя своими руками

Как уже говорилось выше, некоторые компоненты схемы необходимо рассчитать, благо в сети есть много готовых онлайн калькуляторов.

  • Смотрите также
Как же в реальной жизни их намотать катушки с нужной индуктивностью? Те, у кого есть ESR метр скажут, что тут нет ничего сложного, мотаешь и смотришь параметры.


Но этот ESR метр показывает с очень большой погрешностью, поэтому предлагает воспользоваться программой DrosselRing. В ней вводим все необходимые параметры, а также указываем какой у нас сердечник. Если никаких нет под рукой, то достаем 2 одинаковых желтых кольца из компьютерного блока питания.


Ну и осталось намотать наши дроссели, это уже не составит особого труда.


Получилось довольно-таки неплохо. Казалось бы, все сложности уже позади, но нет, впереди еще разводка печатной платы DC DC. Преобразователя. Чтобы максимально компактно расположить все элементы, понадобится немало времени.


Для крепления можно сделать плату немного больше и добавить по бокам отверстия, но это уже на ваше усмотрение.


Плата готова, просверлены отверстия, настала очередь запайки. Тут есть один важный момент: необходимо поднять силовые элементы выше над платой, так как потом их невозможно будет достать отверткой.


Теперь необходимо установить транзистор и диод на радиатор. Мы используем вот такой алюминиевый профиль, он имеет неплохие габариты и сможет нормально охлаждать схему.

Преобразователь напряжения со стабилизированным выходным напряжением

Источники питания

Преобразователь напряжения с индуктивным накопителем энергии, позволяющий поддерживать на выходе стабильное регулируемое напряжение, показан на рис. 4.13.

Рис. 4.13. Схема преобразователя напряжения со стабилизацией

Схема содержит генератор импульсов, двухкаскадный усилитель мощности, индуктивный накопитель энергии, выпрямитель, фильтр, схему стабилизации выходного напряжения. Резистором R6 устанавливают необходимое выходное напряжение в пределах от 30 до 200 В.

 

Аналоги транзисторов: ВС237В—КТ342А, КТ3102; ВС307В— КТ3107И; BF459—КТ940А.

Два варианта — понижающего и инвертирующего преобразователей напряжения [4. 1] показаны на рис. 4.14. Первый из них обеспечивает выходное напряжение 8,4 В при токе нагрузки до 300 мА, второй — позволяет получить напряжение отрицательной полярности (-19,4 В) при таком же токе нагрузки. Выходной транзистор VT3 должен быть установлен на радиатор.

Аналоги транзисторов: 2N2222—KT3117A; 2N4903—KT814.

Преобразователь напряжения (рис. 4.12) позволяет получить на выходе стабилизированное напряжение 30 В [4.9]. Напряжение такой величины используется для питания варикапов, а также вакуумных люминесцентных индикаторов.

Рис. 4.12. Схема преобразователя напряжения с выходным стабилизированным напряжением 30 В

На микросхеме DA1 типа КР1006ВИ1 по обычной схеме собран задающий генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы с частотой около 40 кГц. К выходу генератора подключен транзисторный ключ VT1, коммутирующий катушку индуктивности L1. Амплитуда импульсов при коммутации катушки зависит от качества ее изготовления. Во всяком случае напряжение на ней достигает десятков вольт. Выходное напряжение выпрямляется диодом VD1. К выходу выпрямителя подключен П-образный RC-фильтр и стабилитрон VD2. Напряжение на выходе стабилизатора целиком определяется типом используемого стабилитрона. В качестве «высоковольтного» стабилитрона можно использовать цепочку стабилитронов, имеющих более низкое напряжение стабилизации.

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения, использующий в качестве задающего генератора микросхему КР1006ВИ1 (DA1) и имеющий защиту по току нагрузки, [4.1] показан на рис. 4.15. Выходное напряжение составляет 10 В при токе нагрузки до 100 мА. При изменении сопротивления нагрузки

Рис. 4.14. Схемы стабилизированных преобразователей напряжения

Рис. 4.15. Схема понижающего преобразователя напряжения

на 1% выходное напряжение преобразователя изменяется не более чем на 0,5%.

Аналоги транзисторов: 2N1613 — КТ630Г, 2N2905 — КТ3107Е, КТ814.

Далее

Начало темы


Повышающе-понижающий преобразователь напряжения для заряда аккумуляторной батареи на борту электрического самолета

Письма в ЖТФ, 2020, том 46, вып. 15 12 августа

12

Повышающе-понижающий преобразователь напряжения для заряда

аккумуляторной батареи на борту электрического самолета

©С.И. Мошкунов, В.Ю. Хомич, Е.А. Шершунова ¶

Институт электрофизики и электроэнергетики РАН, Санкт-Петербург, Россия

¶E-mail: [email protected]

Поступило в Редакцию 2 декабря 2019 г.

В окончательной редакции 2 декабря 2019 г.

Принято к публикации 27 апреля 2020 г.

Разработан мощный импульсный преобразователь постоянного напряжения для заряда аккумуляторных

сборок на борту гибридных и электросамолетов, позволяющий осуществлять полный заряд емкости

аккумуляторной батареи в режиме крейсерского полета летательного аппарата. Преобразователь модульной

конструкции на 10 kW может работать как в повышающем, так и в понижающем режиме в диапазоне

напряжений 130−300 V с ограничением по току в 70 A при выходном напряжении 150 V. КПД созданного

преобразователя составляет ∼96−99% в зависимости от мощности, потребляемой в нагрузке. Предложенная

модульная конструкция и многофазная схема управления могут быть использованы для построения

преобразователей разной мощности с высоким КПД.

Ключевые слова: преобразователь напряжения, buck/boost, электрический самолет, аккумуляторная

батарея.

DOI: 10.21883/PJTF.2020.15.49743.18139

С разрастанием городов и увеличением количества

авиаперевозок все более актуальной становится пробле-

ма как уменьшения вредных выбросов в атмосферу, так

и снижения шума и вибраций. Ее успешным решением

может быть частичный или полный отказ от двигателей

внутреннего сгорания и переход к гибридным или пол-

ностью электрическим летательным аппаратам — так

называемой ”зеленой авиации“ [1,2]. Источниками на

борту таких самолетов могут быть суперконденсаторы,

топливные элементы и аккумуляторные батареи [3].

У каждого из этих элементов электропитания есть

свои особенности работы. Так, топливные элементы

рациональнее всего использовать во время крейсерско-

го полета, поскольку они способны запасать большую

энергию и расходовать ее при постоянном потребле-

нии, а аккумуляторные батареи, наоборот, эффективнее

применять при наборе высоты, когда тяговая мощность

может меняться скачкообразно [4]. Кроме того, аккуму-

ляторные батареи можно подзаряжать во время полета,

что позволит выиграть дополнительную энергию для

увеличения дальности полета или случая экстренного

маневрирования. Эффективная работа всех описанных

источников электроэнергии невозможна без применения

импульсных преобразователей напряжения. Они нужны

как для стабилизации напряжения на шине питания

мотора, так и для обеспечения оптимального режима

заряда аккумуляторов, когда накладываются жесткие

ограничения, в частности ограничения тока заряда.

Важным параметром, характеризующим такие преоб-

разователи, является их удельная мощность (отноше-

ние мощности, которую может обеспечить преобразо-

ватель, к его массе). Она может быть увеличена за

счет применения современной компонентной базы, за

счет использования многофазной схемы, которая также

будет способствовать уменьшению пульсаций тока [5], а

также за счет увеличения рабочего напряжения на борту

летательного аппарата [6].

Сегодня выпускаются готовые интегральные схемы

повышающе-понижающих преобразователей, однако их

низкие рабочие напряжения не позволяют использовать

эти решения для построения эффективных мощных

силовых установок в составе летательных аппаратов.

Созданный преобразователь напряжения работает в

диапазоне 130−300 V и выдает на выходе постоянное

напряжение 150 V. Преобразователь имеет модульную

структуру, благодаря чему можно варьировать выходную

мощность. Модуль состоит из трех плат (рис. 1): платы

управления (PWM-board), силовой платы (buck/boost),

на которой размещены силовые транзисторы, и платы

накопительных конденсаторов. Каждый модуль управ-

ляется по сигналу с тактового генератора импульсов

(clock-generator), сигналы управления которого для каж-

дого модуля сдвинуты по фазе на четверть периода.

Принцип работы преобразователя можно пояснить с

помощью рис. 1, а.

Пара Q1−D1 ответственна за понижение напряже-

ния (buck-режим), а пара Q2−D2 — за его повыше-

ние (boost-режим). В диапазоне входных напряжений

150−300 V схема работает в режиме понижающего пре-

образователя, при этом транзистор постоянно закрыт.

Для эффективной стабилизации токов и напряжений в

диапазоне входных напряжений Vin 130−158 V схема

работает в смешанном понижающем-повышающем ре-

жиме [7]. В указанном диапазоне входных напряжений

в этом режиме длительность импульса, подаваемого на

Q2, линейно уменьшается с 1.8 µs до нуля.

22

XL4016 8А 280Вт DC-DC понижающий преобразователь с регулятором тока

Технические характеристики

  • Модель: QSKJ QS-2405CCBD-12A / аналог
  • Конструкция: неизолированный, понижающий, импульсный
  • Рабочее напряжение
    • Входное: 3.5 ~ 40 В
    • Блокируемое: менее 3.3 В
    • Выходное: 1.25 ~ 35 В
  • Потери напряжения (без нагрузки), макс: 0.2 В
  • Ток нагрузки
    • продолжительный: до 5 А
    • кратковременный: до 8 А (требуется усиленное охлаждение)
  • Мощность, макс.: 280 Вт
  • Чип регулятора: XL4016E1 XLSEMI
  • Частота ШИМ-преобразователя в состояниях
    • рабочее: 180 кГц ± 20% кГц
    • короткое замыкание: 48 кГц
  • Эффективность преобразования (КПД), макс.: 96%
  • Управление:
    • регулировка выходного напряжения вращением винта потенциометра
    • регулировка нагрузочного тока вращением винта потенциометра
  • Количество оборотов полного хода потенциометра: 25 ± 3
  • Дополнительные функции: светодиодная индикация метода заряда аккумуляторных батарей CC/CV
  • Защита от: короткого замыкания на выходе, перегрева чипа регулятора, входного напряжения более 45В, превышения силы тока
  • Контактная группа: винтовые клеммы-терминалы Ø2 мм
  • Монтажные отверстия: 4 х Ø3.2 мм
  • Рабочая температура: -40℃ ~ +85℃
  • Размеры: 65 х 48 х 23 мм
  • Вес: 65 гр

Применение преобразователей напряжения

Схемы преобразования напряжения существуют во множестве электронных устройств. Они способствуют уверенному функционированию электрических схем устройств от привычных источников питания, таких как бытовые или промышленные сети постоянного или переменного напряжения, или автономные батареи и аккумуляторы любых типов и размеров. Каждая отдельно взятая схема полностью законченного, готового к эксплуатации прибора, или проектируемого устройства, находящегося на этапах разработки, требует для себя определённого уровня напряжения. И этот необходимый уровень может порой сильно отличаться от многочисленных стандартов напряжения, предлагаемых унифицированными источниками электроэнергии.

Среди большого разнообразия, преобразователи напряжения широко распространены под видом самостоятельных модулей, со свойственными для каждой выбранной модели рабочими характеристиками. Наравне с интегрированными схемами, внешние модули предназначены для задач преобразования переменного или постоянного напряжения до нужного схеме устройства уровня, осуществляя его повышение или понижение. Модули преобразователей называются регулируемыми, потому что в их схемах реализованы возможности принудительного изменения уровня напряжения (в некоторых и тока) на выходе, в том числе и способом ручной механической подстройки. Наиболее частое применение подобные модули находят в области конструирования или замещения цепей питания приборов, используются в автоматике, микроэлектронике, робототехнике, а также в других направлениях.

Конструктивные особенности модуля преобразователя

В основу настоящего модуля DC-DC преобразователя заложен чип понижающего импульсного регулятора XLSEMI XL4016E1. Схема преобразователя способна нормально функционировать от любых сетевых адаптеров, блоков питания, или портативных батарейных источников электроэнергии с напряжением от +3.5В до +40В и током до 8-12А. Преобразователь XL4016 может вырабатывать выходное напряжение в пределах +1.25 ~ +35В, питать нагрузку максимальной мощностью 280Вт. Опорный вольтаж у микросхемы регулятора составляет 1.25В, которым ограничивается нижний порог доступного на выходе напряжения. Модуль оснащён двумя потенциометрами регулировки напряжения и ограничения тока, благодаря которым он может быть с успехом использован в роли мощного драйвера для светодиодного оборудования.

Плата имеет двухсторонний монтаж электронных компонентов. Элементы силовые части, собранной по схеме типового приложения без управления ТТЛ-сигналом из технической спецификации XL4016, расположены сверху. Одновременно с этим, токоограничивающий контур на сдвоенном ОУ LM358 и токоизмерительный шунт размещены на нижней стороне. Для уверенной работоспособности с продолжительными 5-амперными и кратковременными 8-амперными нагрузками, чип XL4016E1 и сдвоенный диод Шоттки STPS2045CT дополнены массивными теплоотводящими радиаторами, надёжно закреплёнными по краям платы. В промежутке от 5А до 8А и при нагреве модуля выше 65°С, желательно использование усиленного воздушного охлаждения.

Дополняющим бонусом в плату встроен однокорпусной двухрежимный светодиодный индикатор силы протекающего тока, визуально поддерживающий метод заряда аккумуляторной батареи CC/CV. Измерительная цепь индикатора поделена в соотношении 1/10 от выбранного уровня разрешённого тока, с нижней границей переключения 300мА.

Отличительной чертой модуля понижающего преобразователя на чипе XL4016E1 является крайне малый уровень падения напряжения на выходе. Наименьшая разница между входом и выходом напряжения, без учёта подключаемой нагрузки, составляет не более 0.2В.

В схеме платы DC-DC преобразователя нет контуров защиты, предотвращающих возможное повреждение чипа XL4016E1 от неправильного подключения полюсов входного напряжения. В микросхеме регулятора интегрированы защиты от перегрева, превышения допустимой силы тока, и короткого замыкания на выходе. Блокировка преобразователя, отключающая внутрисхемные ШИМ-контроллер и МОП-транзистор, находится на уровне входного напряжения менее 3.3В.

 

 

Подключение и настройка преобразователя

Отсутствие специально подготовленных площадок входного/выходного напряжения для припайки проводов или разъёмов, упрощает и облегчает способ подключение платы. Контакты источника исходного напряжения и тока зажимаются в 2-мм винтовой клемме входной группы IN+/IN-. Цепь нагрузки присоединяется с противоположной стороны OUT+/OUT-.

Выбор необходимого вольтажа на выходе регулятора осуществляется плавным вращением винтообразной головки подстроечного резистора без обозначения, расположенного напротив клеммы входного напряжения, и ближе к стороне с микросхемой XL4016E. Направление по часовой стрелке — плавное увеличение уровня напряжения, в обратном направлении — его уменьшение. Переход через весь диапазон выходного напряжения, от минимального до максимального значений и наоборот, потребует около 25 ± 3 полных оборота головки резистора вокруг своей оси. Регулировка напряжения на выходе преобразователя выполняется без подключения нагрузки, замерами потенциала группы OUT при помощи любого вольтметра.

Схема настоящего преобразователя расширена отдельным стабилизатором 78L05, стоящим в связке со сдвоенным компаратором LM358. Модуль преобразователя не может влиять на величину проходимого тока, однако способен его ограничивать. Эта задача возложена на один из сравнивающих блоков LM358, выполняющих оценку измеряемого тока на интегрированном шунтирующем резисторе с обратной стороны платы. При достижении заданной величины ограничения тока, микросхема XL4015 блокируется, снижается напряжение и ток на выходе, включается индикатор перегрузки.

Второй блок компаратора применяется для определения величины проходимого тока, когда преобразователь выступает в роли зарядного устройства для аккумуляторной батареи. Получаемые с шунтирующего резистора показатели сравниваются со значением ограничения тока, и делятся в соотношении 1 к 10 согласно методу заряда постоянным током CC / постоянным напряжением CV. Результатами определяется управление встроенными индикаторами «Идёт заряд батареи» (красный) и «Заряд батареи окончен» (зелёный или синий). Например, если нагрузочный ток ограничен 3-мя амперами, точкой переключения индикаторов станет 300 мА.

Настоятельно рекомендуется заряжать аккумуляторные сборки только со встроенными контроллерами и/или балансировочными схемами. Номинальное напряжение и ток для каждой батареи устанавливается согласно рекомендациям их производителя.

Предупреждение!
Несоблюдение параметров с превышением напряжения и тока для заряжаемой батареи чревато взрывоопасной ситуацией.

 

Эффективность преобразования

Коэффициент полезного действия преобразования энергии XL4016E1 достигает высоких 96%. КПД рассчитывается отношением показателей выходной мощности к входной, и напрямую зависит от параметров эксплуатации преобразователя. Понижающий импульсный преобразователь потребляет больше мощности со стороны источника напряжения, и вырабатывает меньше мощности для нагрузочной цепи. Наилучший показатель КПД определяется условием минимальной разницы напряжений между входом и выходом, с наименьшим нагрузочным током. Увеличение любого из этих двух параметров, в большей или меньшей степени приводит к снижению КПД. Процент КПД менее важен в цепях непрерывного питания, и более актуален для автономных источников питания в виде всевозможных одноразовых батарей и перезаряжаемых аккумуляторов.  Более подробно в примерах о КПД преобразователя можно узнать из статьи.

Принципиальная схема DC-DC XL4016E1 преобразователя

 

 

Техническая документация

  1. Спецификация микросхемы импульсного DC-DC регулятора XL4016 XLSEMI (Datasheet, PDF, ENG)

Как превратить понижающий стабилизатор в повышающе-понижающий

В практике применения понижающих стабилизаторов в  питающих устройствах бывают ситуации, когда питающее напряжение преобразователя имеет провалы или может понижаться ниже уровня выходного напряжения. Ярким примером тому является источник бесперебойного питания с выходным напряжением 12В, где для поддержания выходного напряжения при пропадании сети 220В используется кислотная аккумуляторная батарея. При заряде  батареи,  для того, чтобы батарея  полностью зарядилась, на контактах батареи необходимо поддерживать напряжение  до 14,5В. В тоже время выходное напряжение аккумулятора при полном  разряде батарей падает до 10,5В. Таким образом, диапазон входного напряжения от 10,5 до 14,5В, а выходное напряжение источника питания должно оставаться равным 12В.  Что делать в  таком случае? Конечно можно использовать повышающе-понижающий стабилизатор,  например, на микросхеме LM5118, произодства Texas Ins. или построить преобразователь  по топологии SEPIC, однако , как правило, схемы таких преобразователей довольно  сложны и недешевы, а «городить огород» для питания какого-то простого  устройства не хочется. Есть ли выход из такой ситуации? Оказывается есть. 

Руководствуясь рекомендациями приложения AN1723  STMicroelectornics, попробуем превратить понижающий стабилизатор напряжения на  микросхеме L5973AD в повышающе-понижающий. Для этого мы доработаем  оценочную плату L5973AD EVAL производства STMicroelectronics,  принципиальная схема которой приведена на  рис.1. Как должна выглядеть принципиальная схема преобразователя после  модификации можно увидеть на рис. 2. Для доработки  платы нам понадобятся всего два  дополнительных элемента: полевой транзистор и диод.  Кроме того, значение выходного напряжения платы L5973AD EVAL равно 3,3В, что не очень удобно для экспериментов, поэтому я предлагаю увеличить выходное  напряжение до 5В. Для этого номинал резистора R1 в делителе напряжения обратной  связи увеличиваем до 10кОм. В результате такой замены у меня получилось на  выходе преобразователя 4.96В, что, тоже годится.

О подборе замен.

Вместо устаревшего STN4NE03L можно  взять его аналог IRLL3303 или поставить более современный транзистор STN4NF03L. Диод был взят такой же, как рекомендует первоисточник: STPS2L25U. Подбирая транзистор на замену, обращайте  внимание на допустимое напряжение затвор-исток, т.к. он управляется напряжением, практически равным значению питающего напряжения стабилизатора.
Рис. 1. Схема оценочной платы L5973AD EVA
 
Рис.2 Схема повышающе-понижающего стабилизатора

 

Как это работает?

Обратимся к схеме принципиальной преобразователя. Что получилось в итоге? В правая часть  принципиальной схемы как была, так и осталась понижающим преобразователем,  а левая часть схемы у нас приобрела вид классического повышающего преобразователя, ключ M1 которого управляется ШИМ с вывода 1 (OUT) микросхемы L5972AD. В начале рабочего цикла преобразователя внутренний ключ микросхемы и транзистор M1 открываются одновременно. В этот момент начинает протекать ток через индуктивность L1. Происходит накопление энергии. После закрывания ключей, начинается цикл передачи энергии накопленной в индуктивности, ток начинает протекать через диоды D1 и D2 в нагрузку. В целом работа схемы практически не отличается от действия классического повышающего преобразователя,  с одной лишь разницей, что напряжение на выходе стабилизатора может опускаться ниже напряжения питания. Напомню, в классике жанра такие вольности не дозволяются, напряжение на выходе у повышающего преобразователя ниже входного быть не может, это определено схемой.
Выходное напряжение нашего преобразователя рассчитывается по формуле:

Uвых = Uвх * (1-D) / D

где:
D – это коэффициент заполнения, ton/T, длительность временного промежутка, в течении которого ключ ( в данном преобразователе оба ключа) находится в открытом состоянии на период частоты преобразования стабилизатора.

При значении коэффициента заполнения <0,5  преобразователь будет работать как повышающий, при более высоких значения коэффициента заполнения, как понижающий.  Более подробно принцип работы описывается в приложении AN1723. Работа преобразователей, построенных по различным топологиям, а также необходимые для расчета формулы описаны здесь.

Что получилось?

После доработки плата L5973AD EVAL приобрела вид:

Рис. 3 Внешний вид доработанной платы стабилизатора
 

Дополнительные элементы хорошо разместились, только выходной танталовый конденсатор перекочевал  на обратную сторону платы, да картину слегка портит провод, идущий к затвору транзистора. Преобразователь показал устойчивую работу в диапазоне входного напряжения от 3,5В до 12В, при значении выходного тока 0,5А. (напомню выходное напряжение 5В). Максимальный выходной ток, который может выдать такой стабилизатор, можно рассчитать по формуле:

Iвых. = I max * (1-D)

Т.е, например, при значении входного напряжения 3,5В, а выходном напряжении 5В, стабилизатор на микросхеме L5973AD, у которой максимальное значение выходного тока 1,5А, такой преобразователь может выдать ток:
Iвых. Макс.=1,5*0,41~0.6А

Измеренное КПД преобразователя составляет порядка 72% при входном напряжении 3,5В и повышается при увеличении входного напряжения, максимальное значение получилось порядка 80%.

Сфера применения — миниатюрные DC-DC преобразователи с широким диапазоном входного напряжения

За получением более подробной информации вы можете обратиться:

Бренд-менеджер:
Сорокин Сергей
E-mail: [email protected]
Телефон: +7 (343) 245-68-20

Задать вопрос техподдержке вы можете на нашем форуме.

  «ПРОМЭЛЕКТРОНИКА» — официальный прямой дистрибьютор компании «STMicroelectronics»

Последние новости — одной лентой:

Понижающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное

    В современной электронной аппаратуре широко используются схемы питания, обеспечивающие преобразование постоянного нестабилизированного напряжения, получаемого от выпрямителя или батареи, в один или несколько уровней стабилизированного напряжения. Одна из возможностей для этого — ключевой преобразователь постоянного напряжения в постоянное (ППНП, DC — DC Converter, DC — DC Regulator). В этой статье описан один из видов специальных микросхем — ключевые понижающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное (Step-Down Switching Regulator, Step-Down DC — DC Converter, Buck Regulator, Step-Down Switch-Mode DC — DC Regulator). При этом используется сокращенное обозначение ПнП.

    Принцип действия. Основная схема ПнП приведена на рис.1а.

 

Рис.1. Основная схема ПнП

В качестве ключа S обычно используется биполярный транзистор структуры NPN, однако в последнее время здесь все чаще ставятся n-канальные МОП-транзисторы. Интервал времени, в течение которого транзистор открыт (ключ замкнут, отрезок ton на рис.1 б, в) и интервал, когда транзистор закрыт ключ разомкнут, отрезок tOFF), определяются схемой управления CON. При замыкании ключа (момент t0 на рис.1б) напряжение в точке соединения диода VD и катушки L равно входному напряжению, u = Vin , диод VD (Catch Diode, Steerin Diode, Free-Wheeling Diode) закрыт, и внешнее напряжение, приложенное к катушке L, равно uL = Vin -Vo, его полярность показана на рис.1 а. Поэтому от источника Vin через S и L течет линейно возрастающий ток

 

благодаря которому в катушке накапливается энергия магнитного поля. За время tON ток iL возрастает на величину

    При размыкании ключа S (момент t1 на рис. 1б) внешнее напряжение исчезает, и катушка начинает расходовать свою энергию. Направление тока iL остается прежним, он продолжает течь через открытый диод VD, нагрузку и конденсатор С. В этом случае (рис.1а) напряжение Vo оказывается приложенным к L (если пренебречь падением напряжения на VD) и задает линейно убывающий ток

    Знак минус в верхнем индексе тока указывает на то, что этот ток течет за счет расходования энергии катушки.

    Чаще всего схема работает в непрерывном режиме (Continuous-Current Mode, Continuous Conduction Mode, CCM), при котором всегда iL>0 (непрерывная линия на рис.1б). Это означает, что только часть накопленной энергии передается нагрузке за время tOFF, в течение которого ток уменьшается на величину

    Исходя из очевидного соотношения

которое имеет место в установившемся режиме работы, получаем зависимость

   (1)

    Отсюда видно, что всегда VIN > Vo, т.е. схема является ПнП. Величину Vo можно задавать через времена tON и tOFF, которые обеспечивает CON. При этом любое нежелательное изменение Vo (например, вследствие изменения Vin) приводит к соответствующему изменению одного из этих времен, так что значение Vo восстанавливается. Следовательно, работу ПнП в качестве стабилизатора обеспечивает CON. Чаще всего CON задает постоянную частоту

управляющих импульсов, а стабилизация обеспечивается путем изменения tON, т.е. коэффициента их заполнения (Duty Factor) delt = tON/T. Это ПнП с широтно-импульсной модуляцией- ШИМ (Pulse-Width Modulation, PWM). При этом выражение (1) можно переписать в виде Vo = delt*Vin. Линейная зависимость Vo от delt является важной особенностью этой схемы. В процессе работы ПнП могут возникать скачки тока iL(например, из-за резкого изменения Vin или сопротивления нагрузки на выходе), который насыщает катушку, пусть даже на небольшое время. А насыщенная катушка является практически коротким замыканием со всеми вытекающими отсюда последствиями, что может повредить схему. Избежать этого можно применением ШИМ тока (ТШИМ, Current-Mode PWM), при которой CON следит за током, текущим через ключ S, для чего используется Rs, показанный на рис.1 а пунктиром.

    Реже используется решение, когда CON поддерживает постоянное значение tOFF, что означает одновременное изменение delt и fo. Это так называемые ПнП с частотно-импульсной модуляцией — ЧИМ (Pulse Frequency Modulation, PFM).

    Ток iL, текущий через катушку, имеет две составляющие. Постоянная составляющая Io представляет собой выходной ток ПнП, тогда как нежелательная переменная составляющая почти целиком проходит через конденсатор С. Оставшаяся малая ее часть идет через нагрузку, а это, в принципе, означает, что выходное напряжение Vo содержит переменную составляющую dVo, форма которой аналогична iL, а частота равна fo. В этом состоит основной недостаток ППНП по сравнению с линейными стабилизаторами, у которых обычно такой составляющей нет. Поэтому ППНП стараются не использовать в аналоговых устройствах, предназначенных для усиления слабых сигналов, или ППНП соединяют с линейным стабилизатором. На практике предпочтение отдают схемам, обеспечивающим dIL = b*Io, при этом b примерно равно 0,4.

    Уменьшение тока Io означает накопление в L и, соответственно, отдачу меньшей энергии в нагрузку. При токе IoMIN = 0,5dIL (он обозначен на рис. 1б пунктиром) накопленная энергия и iL в момент замыкания ключа S становятся равными нулю. Дальнейшее уменьшение Io приводит к накоплению настолько малой энергии, что вся она полностью переходит на нагрузку еще до истечения времени tOFF (момент t2 на рис.1 в). Это означает отсутствие тока iL в интервале t2 — t3, то есть имеет место прерывистый режим работы (Discontinuous-Current Mode, Discontinuous-Conduction Mode, DCM). В течение этого интервала времени постоянный ток нагрузки поддерживает конденсатор С. Обнуление iL означает также прекращение тока через VD и его закрытие. В схеме появляется паразитный колебательный контур, состоящий из L и емкости VD, в котором возникают затухающие колебания (рис.1 в). Однако это не отражается на выходном напряжении ввиду большой емкости С. При необходимости, во избежание возникновения прерывистого режима, на выходе ПнП устанавливается резистор (R на рис.1 а), который обеспечивает IoMIN через L на холостом ходу.

    Схема управления ПнП с ШИМ. Принцип ее действия показан на осциллограмме на рис.2а.

Рис.2. а) Принцип действия схемы управления ПнП с ШИМ; б) Схема CON управления ключом

В схеме имеется генератор OSC линейно изменяющегося напряжения UG, который замыкает ключ S (рис.1) в начале каждого периода. Это напряжение сравнивается с разностью VREF — aVo опорного напряжения VREF (вырабатываемого схемой) и части aVo выходного напряжения (а < 1). Когда UG достигает значения VREF -aVo, ключ S размыкается. При нежелательном возрастании Vo разность VREF — aVo уменьшается вместе с tON, что приводит к уменьшению Vo в соответствии с формулой (1). Аналогично уменьшение Vo вызывает возрастание tON. Упрощенная схема CON управления ключом приведена на рис.2б. Усилитель ошибки ЕА (Error Amplifier) с коэффициентом усиления k имеет на своем выходе напряжение k(VREF — aVo), при этом VREF генерируется источником опорного напряжения REF (Bandgap, Bandgap-Reference). Компаратор СОМР, сравнивающий напряжения UG и k(VREF — aVo), вырабатывает на выходе импульсы UCON управления ключом S.

    Интегральные схемы ПнП. Практически все ИС для ПнП включают в себя схему, приведенную на рис.2б. При этом OSC может иметь фиксированную частоту f0, либо ее значение может задаваться конденсатором Ст или RC-цепочкой (Rт — Ст), подключаемыми в виде внешних элементов к специальному выводу ИС. Увеличение fo означает уменьшение tON и tOFF, что дает возможность получить требуемое значение dIL с помощью индуктивности меньшей величины, что, в свою очередь, позволяет уменьшить размеры, массу и стоимость ПнП.

    В подавляющее большинство интегральных схем ПнП встроен ключ S, а также диод VD (за редким исключением). Катушка L и конденсатор С являются внешними элементами. Типичная структура такой ИС для ПнП приведена на рис.3 а вместе с внешними элементами.

Рис.3. а) Структура ИС для ПнП; б) Внешний делитель

Пунктирной линией обозначены выводы, элементы и блоки, используемые лишь в некоторых ИС. Питание всех каскадов ИС обеспечивается встроенным стабилизатором VR (Voltage Regulator). Подключение Vo напрямую ко входу обратной связи FB (обозначается также FEEDBACK или SENSE) приводит к а = 1. Такое соединение используется в ПнП с фиксированным Vo (Fixed Output Voltage), который имеет встроенный делитель RA — RB. При заводской подгонке его сопротивления (обычно только RB) получаются ИС с раз-личными Vo и одинаковыми остальными параметрами. Например, LМ2674-3,3 — для Vо = 3,3 В, LМ2574 — 5,0 — для Vо = 5 В и т.д. Для ПнП с регулируемым Vo (Adjustable Output Voltage) делитель RA — RB в ИС не устанавливается, (RA удаляется, a RB заменяется соединительным проводом, идущим к соответствующему выводу микросхемы). Делитель образуют внешние резисторы (рис.З б). Таким образом, получаем

 

    (2)

где VREF — напряжение встроенного стабилизатора. Для использования этого напряжения в других целях можно применять вывод ЕХТСАР. Между ним и общим проводом ставится конденсатор емкостью около десяти нанофарад, который препятствует проникновению помех в ИС. В некоторых микросхемах во избежание самовозбуждения блока ЕА вывод СОМР соединяется с RC-цепью, номиналы которой указываются в каталоге. Для получения необходимой амплитуды управляющих импульсов для некоторых видов ключей используется буфер BUF.

    Выбор внешних элементов. В каталоге ИС всегда даются подробные советы по выбору внешних элементов (значения, параметры и конструкция). Входные конденсаторы устанавливаются для того, чтобы устранить самовозбуждение. Они должны иметь емкость около сотни микрофарад и подсоединяться к ИС максимально короткими проводами.

    Основные требования к диоду VD — минимальное время переключения и малое напряжение в прямом направлении. Этим требованиям полностью удовлетворяют диоды Шотки (Schottky Diode), особенно для ПнП с низким выходным напряжением. Для стабилизаторов с выходным напряжением более 5…6 В допускается использование «обычных» диодов с очень малым временем восстановления (Fast-Recovery Diode, Ultra Fast-Recovery Diode). Несоблюдение этих требований приводит к увеличению потерь в VD, что вызывает возрастание рассеиваемой ПнП мощности и, соответственно, уменьшение их коэффициента полезного действия (КПД). Диод монтируется точно так же, как Cin.

    Катушка L обладает индуктивностью от нескольких десятков до нескольких сотен микрогенри. Для минимизации нежелательного электромагнитного поля вокруг нее, которое приводит к помехам в работе соседних блоков, катушка обычно снабжена сердечником (чаще всего тороидальной формы). При работе в непрерывном режиме ее индуктивность определяется по формуле

    (3)

    В каталогах часто даются построенные в соответствии с ней номограммы. Некоторые ИС работают только с одним значением индуктивности, указанным в каталоге. Более того, имеются таблицы для подбора готовых катушек, производимых различными фирмами, которые предпочтительны для данных ИС. Важно знать, что L с большей индуктивностью уменьшает dIL и, соответственно, пульсацию выходного напряжения. С другой стороны, маленькая, легкая и дешевая катушка создает условия для работы в прерывистом режиме. Соответственно, помехи возрастают, а КПД уменьшается. Ток насыщения катушки должен быть по меньшей мере в два раза больше тока IoMAX для ПнП.

    Емкость выходного конденсатора составляет

    (4)

и изменяется в диапазоне от нескольких десятков до нескольких тысяч микрофарад. В каталогах часто указываются ее предпочтительные значения для соответствующих ИС. Здесь обычно используются алюминиевые или танталовые электролитические конденсаторы. Их рабочее напряжение Vc должно быть больше 1,5Vo, а потери — небольшими, что, в свою очередь, обуславливает уменьшение пульсаций выходного напряжения. Эти потери оцениваются через активное сопротивление последовательной эквивалентной схемы ESR (Equivalent Serie Resistance) конденсатора, которое не должно превышать несколько десятков ом. Выходной конденсатор также монтируется максимально близко к ИС.

Источники

  1. Радио, Телевизия, Електроника, 6/99. Перевод В.Стасюка.

Автор: С.КУЦАРОВ

Что такое понижающий преобразователь? Принцип работы и представление формы сигнала понижающего преобразователя

Определение : Понижающий преобразователь — это тип схемы прерывателя, который предназначен для выполнения понижающего преобразования входного сигнала постоянного тока. В случае понижающих преобразователей фиксированный входной сигнал постоянного тока преобразуется в другой сигнал постоянного тока на выходе, имеющий более низкое значение. Это означает, что он предназначен для создания на выходе сигнала постоянного тока, который имеет меньшую величину, чем приложенный вход.

Иногда его называют понижающий преобразователь постоянного тока или понижающий преобразователь или понижающий регулятор .

Введение

Мы уже обсуждали в нашем предыдущем содержании, что прерыватели — это схемы, которые предназначены для преобразования фиксированного сигнала постоянного тока в регулируемый сигнал постоянного тока. Он в основном предназначен для увеличения или уменьшения уровня напряжения сигнала, подаваемого на его выводы.

Существуют различные силовые полупроводниковые устройства, такие как силовой BJT, силовой MOSFET, IGBT, GTO и т. Д.который действует как переключатель в цепях прерывателя. Использование тиристора в цепях прерывателя, как правило, запрещено, и причина этого в том, что для коммутации тиристора требуется внешняя схема коммутации. В то время как силовой MOSFET или IGBT можно отключить, поддерживая нулевой потенциал между выводом затвор и исток для полевого МОП-транзистора или затвор и вывод коллектора для IGBT.

В самом начале мы упоминали, что чопперы предназначены для создания такого сигнала постоянного тока на выходе, который больше или меньше подаваемого входного сигнала.Понижающий преобразователь — это тип прерывателя, который предназначен для генерирования более низкого значения на выходе из фиксированного входного сигнала постоянного тока.

Принцип действия понижающего преобразователя

На приведенном ниже рисунке показана схема понижающего преобразователя:

.

На приведенном выше рисунке ясно показано, что наряду с твердотельным устройством силовой электроники, которое действует как переключатель для схемы, в схеме есть еще один переключатель, который представляет собой свободно вращающийся диод. Комбинация этих двух переключателей образует соединение с LC-фильтром нижних частот, чтобы уменьшить пульсации тока или напряжения.Это помогает в создании регулируемого выхода постоянного тока. Чистый резистор подключен ко всей этой схеме, которая действует как нагрузка схемы.

Вся работа схемы происходит в двух режимах. Первый режим — это режим, когда силовой полевой МОП-транзистор, то есть переключатель S 1 , замкнут.

В этом режиме работы переключатель S 1 находится в замкнутом состоянии, что позволяет протекать через него току.

Первоначально, когда на входную клемму схемы подается фиксированное постоянное напряжение, затем в замкнутом состоянии переключателя S 1 в цепи течет ток, как показано выше.Благодаря этому текущему току индуктор на пути накапливает энергию в виде магнитного поля. Кроме того, в цепи есть конденсатор, и через него также течет ток, поэтому он будет накапливать заряд, и напряжение на нем появится на нагрузке.

Однако, согласно закону Ленца, энергия, запасенная в индукторе, будет противодействовать причине, которая ее породила, и поэтому будет генерироваться индуцированный ток, и полярность на индукторе изменится на обратную.

Здесь общий период времени представляет собой комбинацию T на и T на времени.

T = T на + T off

Рабочий цикл записывается как:

При применении КВЛ в указанной схеме

Также,

Когда S1 находится в закрытом состоянии, тогда T на = DT, таким образом Δt = DT. Следовательно, мы можем написать

Следовательно,

Вышеприведенное уравнение представляет изменение тока в цепи, когда переключатель S1 замкнут.

Теперь второй режим работы имеет место, когда переключатель S 2 замыкается, а S 1 размыкается.Однако вы должны думать о том, как автоматически переключится S 2 . Итак, как мы уже говорили, индуктор в цепи будет накапливать энергию, поэтому, как только S 1 откроется, индуктор в цепи начнет действовать как источник.
В этом режиме катушка индуктивности высвобождает энергию, накопленную в предыдущем режиме работы. Как мы уже обсуждали, полярность катушки индуктивности будет обратной, поэтому это приводит к тому, что диод свободного хода переходит в состояние с прямым смещением, которое ранее присутствовало в состоянии с обратным смещением из-за приложенного на входе постоянного тока.

В связи с этим протекание тока происходит так, как показано ниже:

Этот поток тока будет иметь место до тех пор, пока энергия, накопленная в катушке индуктивности, не исчезнет полностью. Как только индуктор полностью разряжается, диод переходит в состояние обратного смещения, что приводит к размыканию переключателя S 2, , и мгновенно переключатель S 1 замыкается, и цикл продолжается.

Теперь применим KVL, в приведенной выше схеме,

Поскольку, как мы знаем,

T = T на + T off

T = DT + T выкл.

T выкл = T — DT

T выкл = (1 — D) T

T выкл = Δt = (1 — D) T

Итак,

Это уравнение представляет скорость изменения тока через катушку индуктивности при разомкнутом переключателе S1.

Как мы знаем, чистое изменение тока через катушку индуктивности за один полный цикл равно нулю. Таким образом,

По упрощению,

На приведенном ниже рисунке представлена ​​форма волны понижающего преобразователя:

Следовательно, мы можем сказать, что понижающие преобразователи используются для обеспечения более низкого значения сигнала постоянного тока от фиксированного входа постоянного тока.

Как работают понижающие преобразователи — проекты самодельных схем

В статье ниже представлено подробное ноу-хау относительно того, как работают понижающие преобразователи.

Как следует из названия, понижающий преобразователь разработан, чтобы противодействовать или ограничивать входной ток, вызывая выход, который может быть намного ниже, чем подаваемый вход.

Другими словами, его можно рассматривать как понижающий преобразователь, который можно использовать для получения расчетных напряжений или токов, меньших, чем входное напряжение.

Давайте узнаем больше о работе понижающих преобразователей в электронных схемах из следующего обсуждения:

Понижающий преобразователь

Обычно понижающий преобразователь используется в схемах SMPS и MPPT, которые, в частности, требуют значительного снижения выходного напряжения. чем мощность входного источника, не влияя на выходную мощность или не изменяя ее, то есть значение V x I.

Источником питания понижающего преобразователя может быть розетка переменного тока или источник постоянного тока.

Понижающий преобразователь используется только для тех приложений, где электрическая изоляция может не быть критически необходимой для входного источника питания и нагрузки, однако для приложений, где вход может быть на уровне сети, обычно используется обратная топология с разделительной изоляцией. трансформатор.

Основное устройство, которое используется в качестве переключающего агента в понижающем преобразователе, может быть в виде МОП-транзистора или силового BJT (такого как 2N3055), который настроен на переключение или генерацию с высокой скоростью с помощью встроенного генератора. сцена со своим основанием или воротами.

Вторым важным элементом понижающего преобразователя является катушка индуктивности L, которая накапливает электроэнергию от транзистора во время его включенного состояния и высвобождает его в периоды выключенного состояния, поддерживая непрерывное питание нагрузки на заданном уровне.

Эта ступень также называется ступенью «Маховик», поскольку по своей функции напоминает механический маховик, который может поддерживать непрерывное и устойчивое вращение с помощью регулярных толчков от внешнего источника.

Вход переменного или постоянного тока?

Понижающий преобразователь — это, по сути, схема преобразователя постоянного тока в постоянный, которая предназначена для получения питания от источника постоянного тока, которым может быть батарея или солнечная панель.Это также может быть выходное напряжение адаптера переменного тока в постоянный, достигнутое через мостовой выпрямитель и конденсатор фильтра.

Независимо от того, что может быть источником входного постоянного тока в понижающий преобразователь, он неизменно преобразуется в высокую частоту с помощью схемы генератора прерывателя вместе с каскадом ШИМ.

Затем эта частота подается на переключающее устройство для требуемых действий понижающего преобразователя.

Работа понижающего преобразователя

Как обсуждалось в предыдущем разделе, касающемся того, как работает понижающий преобразователь, и как можно увидеть на следующей схеме, схема понижающего преобразователя включает в себя переключающий транзистор и связанную с ним схему маховика, которая включает диод D1, катушку индуктивности L1 и конденсатор С1.

В периоды, когда транзистор включен, мощность проходит сначала через транзистор, затем через катушку индуктивности L1 и, наконец, на нагрузку. При этом индуктор из-за присущих ему свойств пытается противодействовать внезапному появлению тока, накапливая в нем энергию.

Это противодействие L1 препятствует току от приложенного входа, чтобы достичь нагрузки и достичь пикового значения для начальных моментов переключения.

Однако тем временем транзистор входит в фазу выключения, отключая входное питание катушки индуктивности.

При выключенном питании L1 снова сталкивается с внезапным изменением тока, и для компенсации этого изменения он сбрасывает накопленную энергию через подключенную нагрузку

Период включения транзистора

Ссылаясь на рисунок выше, в то время как Транзистор находится в фазе включения, он позволяет току достигать нагрузки, но в начальные моменты включения ток сильно ограничен из-за сопротивления катушек индуктивности внезапному протеканию через него тока.

Однако в процессе катушка индуктивности реагирует и компенсирует поведение, сохраняя в ней ток, и в ходе некоторой части источника питания разрешается достигать нагрузки, а также конденсатора C1, который также сохраняет разрешенную часть питания. в этом.

Следует также принять во внимание, что в то время как вышеупомянутое происходит, катод D1 испытывает полный положительный потенциал, который поддерживает его обратное смещение, что делает невозможным получение накопленной энергии L1 обратного пути через нагрузку через нагрузку.Эта ситуация позволяет индуктору продолжать накапливать энергию без каких-либо утечек.

Период «выключения» транзистора

Теперь обратимся к приведенному выше рисунку, когда транзистор восстанавливает свое действие переключения, то есть как только он выключается, L1 снова вводится с внезапным исчезновением тока, к которому он реагирует высвобождением накопленной энергии в сторону нагрузки в виде эквивалентной разности потенциалов.

Теперь, поскольку T1 выключен, катод D1 освобожден от положительного потенциала, и он активируется в режиме прямого действия.

Из-за состояния прямого смещения D1 высвобожденной энергии L1 или обратной ЭДС, вызванной L1, разрешается завершить цикл через нагрузку D1 и вернуться к L1.

Пока процесс завершается, энергия L1 экспоненциально падает из-за потребления нагрузки. C1 теперь приходит на помощь и помогает или помогает L1 EMF, добавляя свой собственный сохраненный ток к нагрузке, тем самым обеспечивая достаточно стабильное мгновенное напряжение на нагрузке … до тех пор, пока транзистор снова не включится, чтобы обновить цикл.

Вся процедура позволяет выполнить желаемое приложение понижающего преобразователя, в котором для нагрузки разрешается только рассчитанная часть напряжения питания и тока вместо относительно большего пикового напряжения от входного источника.

Это можно увидеть в форме волны пульсации меньшего размера вместо огромных прямоугольных волн от входного источника.

В предыдущем разделе мы точно узнали, как работают понижающие преобразователи, в следующем обсуждении мы углубимся и изучим соответствующую формулу для определения различных параметров, связанных с понижающими преобразователями.

Формула для расчета понижающего напряжения в цепи понижающего преобразователя

Из вышеприведенного решения мы можем сделать вывод, что максимальный ток, накопленный внутри L1, зависит от времени включения транзистора, или обратная ЭДС L1 может быть измерена как соответствующее определение времени включения и выключения L, это также подразумевает, что выходное напряжение в понижающем преобразователе может быть заранее определено путем вычисления времени включения T1.

Формулу для выражения выхода понижающего преобразователя можно увидеть в приведенном ниже соотношении:

В (выход) = {V (вход) xt (ВКЛ)} / T

, где V (вход) — источник напряжение, t (ON) — время включения транзистора,

, а T — «периодическое время» или период одного полного цикла ШИМ, то есть время, необходимое для завершения одного полного времени включения + одного полного выключения время.

Решенный пример:

Давайте попробуем понять приведенную выше формулу на решенном примере:

Давайте предположим ситуацию, когда понижающий преобразователь работает с V (входом) = 24 В

T = 2 мс + 2 мс (ON время + время выключения)

t (ВКЛ) = 1 мс

Подставляя их в приведенную выше формулу, мы получаем:

В (выход) = 24 x 0,001 / 0,004 = 6 В

Следовательно, V (выход) = 6 В

Теперь увеличим время транзистора, сделав t (ON) = 1.5 мс

Следовательно, V (выход) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9 В

Из приведенных выше примеров становится довольно ясно, что время переключения транзистора t (ВКЛ) понижающего преобразователя определяет выходное напряжение или требуемое понижающее напряжение. , таким образом, любое значение от 0 до V (дюймов) может быть достигнуто простым определением времени включения переключающего транзистора.

Понижающий преобразователь для отрицательных источников питания

Схема понижающего преобразователя, которую мы обсуждали до сих пор, предназначена для приложений с положительным питанием, поскольку выход может генерировать положительный потенциал относительно входной земли.

Однако для приложений, которые могут потребовать отрицательного источника питания, конструкцию можно немного изменить и сделать совместимой с такими приложениями.

На рисунке выше показано, что, просто поменяв местами катушки индуктивности и диода, выход понижающего преобразователя можно инвертировать или сделать отрицательным по отношению к доступному общему входу заземления.

Понижающий преобразователь

— обзор

2.5.1.3 Пример моделирования

Понижающий преобразователь теперь рассматривается в качестве примера.Частота коммутации понижающего преобразователя составляет 20 кГц, его входное напряжение В g = 400 В, выходное напряжение В = 200 В, а параметры схемы L = 3,5 мГн, C = 50 мкФ , и R = 30 Ом. В Приложении предоставляется сценарий MATLAB, который может выполнять проектирование контроллеров в VMC и PICM_FB.

Пример 3.1:

Понижающий преобразователь в VMC

Из (2.1) передаточная функция Gvd (s) между управлением и выходом представлена ​​на рис.2.16. Обратите внимание, что фаза этой передаточной функции приближается к –180 градусов на высоких частотах, т. Е. В частотном диапазоне, в котором желательно выбрать полосу управления напряжением, что четко указывает на необходимость подвода фазы через производную составляющую в ПИД-регуляторе напряжения, который имеет быть разработанным.

Рисунок 2.16. График Боде передаточной функции Gvd (s) управления выходом.

ПИД-регулятор напряжения с передаточной функцией (2.74) разработан с частотой кроссовера f c_VM = 1 кГц и запасом по фазе PM_ VM = 52 градуса.В первую очередь выбирается относительно небольшой интегральный коэффициент.

(2.77) Ki = 5

С помощью MATLAB можно вычислить величину и фазу этой передаточной функции на частоте кроссовера.

(2,78) | Gvd (jωc_VM) | = 67,1815

(2,79) arg [Gvd (jωc_VM)] = — 1,7293e + 02

Из (2,72) фаза регулятора напряжения равна

(2,80) arg [Gc (jωc_VM)] = 44.9280

Подставляя (2.78) — (2.80) в (2.75) и (2.76), окончательно вычисляются пропорциональный и производный коэффициенты.

(2,81) Kp = 0,0105

(2,82) Kd = 1,7997e − 06

Построение графика (2,74) со значениями (2,77), (2,81) и (2,82) показано на рис. 2.17. Обратите внимание, что усиление падает на высоких частотах. Контурное усиление TVM показано на рис. 2.18. Также отображается полученный по фазе запас по фазе на частоте кроссовера.

Пример 3.2:

Понижающий преобразователь в PICM_FB

Рисунок 2.17. График Боде передаточной функции управления напряжением Gc (s).

Рисунок 2.18. График Боде TVM (s) усиления контура напряжения с запасом по фазе 50,4 градуса, задержкой 0,000138 с, при f = 1010 Гц, стабильная замкнутая петля = Да.

Управление внутренним током и внешним напряжением построено на двухэтапном подходе. Сначала разрабатывается регулировка тока, затем — регулировка напряжения. Чтобы спроектировать внутреннее управление током, функция передачи тока от управления к катушке индуктивности GiLd (s) (2.4) является объектом, и она показана на рис. 2.19. Обратите внимание, что можно использовать простой ПИ-регулятор, поскольку фаза этой передаточной функции приближается к –90 градусов на высоких частотах, т.е.е., частотный диапазон, в котором желательно выбрать текущую полосу пропускания управления.

Рисунок 2.19. График Боде передаточной функции GiLd (s) по току от управляющего элемента к катушке индуктивности.

ПИ-регулятор тока с передаточной функцией (2.62) разработан с частотой кроссовера f c_PICM = 2 кГц и запасом по фазе PM_ PICM = 80 градусов.

С помощью MATLAB можно вычислить величину и фазу передаточной функции объекта на частоте кроссовера.

(2,83) | GiLd (jωc_PICM) | = 9,4350

(2,84) arg [GiLd (jωc_PICM)] = — 89,8862

Из (2,61) фаза внутреннего регулятора тока равна

(2,85) arg [ Gc_I (jωc_PICM)] = — 10.1138

Подставляя (2.83) — (2.85) в (2.63) и (2.64), можно вычислить пропорциональные и интегральные коэффициенты.

(2,86) Kp_I = 0,1043

(2,87) Ki_I = 2,3388e + 02

Построение графика (2,62) со значениями (2,86) и (2,87) приведено на рис. 2.20. Контурное усиление TPICM (s) показано на рис.2.21. Также отображается полученный по фазе запас по фазе на частоте кроссовера.

Рисунок 2.20. График Боде текущей передаточной функции управления Gc_I. (S).

Рисунок 2.21. График Боде TPICM (s) усиления внутреннего токового контура с запасом по фазе 80 градусов, задержкой 0,000111 с, при f = 2000 Гц, стабильность замкнутого контура = Да.

Чтобы спроектировать внешний контур напряжения, проектировщику необходимо принять во внимание объект, полученный в результате интеграции внутреннего регулятора тока в модель преобразователя, схематично представленного на рис.2.15. Эта передаточная функция называется входом управления током в выходное напряжение Gvc (s), и она показана на рис. 2.22.

Рисунок 2.22. График Боде зависимости тока управляющего входа от выходного напряжения Gvc (s).

ПИ-регулятор напряжения с передаточной функцией (2.65) разработан с частотой кроссовера f c_PICM_VM = 0 ,1 кГц и запасом по фазе PM_ PICM_FB = 80 градусов.

Опять же, с помощью MATLAB можно вычислить величину и фазу передаточной функции объекта на частоте кроссовера.

(2,88) | Gvc (jωc_PICM_FB) | = 19,6696

(2,89) arg [Gvc (jωc_PICM_FB)] = — 47,2628

Из (2,68) фаза внутреннего регулятора тока равна

[2,90) arg. Gc_V (jωc_PICM_FB)] = — 52.7372

Подставляя (2.88) — (2.90) в (2.66) и (2.67), можно вычислить пропорциональные и интегральные коэффициенты.

(2,91) Kp_V = 0,0308

(2,92) Ki_V = 25,4228

Построение графика (2,65) со значениями (2,91) и (2,92) приведено на рис. 2.23. Контурное усиление TPICM_FB (s) показано на рис.2.24. Также отображается полученный по фазе запас по фазе на частоте кроссовера.

Рисунок 2.23. График Боде передаточной функции управления напряжением Gc_v (s).

Рисунок 2.24. График Боде усиления внутреннего контура напряжения TPICM_FB (s) с запасом по фазе 80 градусов, задержкой 0,00222 с, при f = 100 Гц, стабильный замкнутый контур = Нет.

Понижающий преобразователь

Учебное пособие — Полный вывод уравнения и пример расчета

Базовая функция понижающего преобразователя

Перед тем, как перейти к руководству по проектированию понижающего преобразователя, мы сначала обсудим, как работает понижающий преобразователь, чтобы полностью понять следующее руководство.Понижающий преобразователь — это импульсный преобразователь с выходным напряжением ниже входного. Его также называют понижающим переключающим преобразователем.

Понижающий преобразователь состоит только из четырех основных частей. Это переключатель (Q1 на рисунке ниже), диод (D1 на рисунке ниже), катушка индуктивности (L1 на рисунке ниже) и конденсаторный фильтр (C1 на рисунке ниже). Входное напряжение VIN должно быть выше, чем выходное напряжение VOUT, чтобы считаться понижающим преобразователем.

Понижающий преобразователь работает как регулятор напряжения, но использует переключающее действие полупроводниковой части, такой как BJT, MOSFET или IGBT.Q1 будет постоянно включаться и выключаться, D1 действует как диод свободного хода, L1 будет заряжать и разряжать энергию, а C1 будет накапливать энергию. Понижающий стабилизатор напряжения — это регулятор напряжения с низкими потерями и КПД более 90% при правильной конструкции.

Учебное пособие по проектированию понижающего преобразователя

— Базовые операции понижающего преобразователя

Понижающий преобразователь работает непрерывно ВКЛ и ВЫКЛ полупроводниковый переключатель, такой как BJT, MOSFET или IGBT. Включение и ВЫКЛЮЧЕНИЕ переключателя определяется рабочим циклом.Идеальный рабочий цикл понижающий преобразователь просто

Рабочий цикл = VOUT / VIN

Базовая операция понижающего преобразователя Высокий ШИМ

Когда ШИМ находится в высоком состоянии, Q1 будет проводить при насыщении (очень низкое падение напряжения). D1 будет иметь обратное смещение и не будет участвовать в токовой петле. Ток будет течь от VIN, идя к каналу Q1, затем заряжается L1, и часть будет заряжать C1, и, наконец, основной путь тока пойдет к нагрузке.

В это время L1 будет заряжаться, и сторона точки будет иметь более высокий потенциал. Ток L1 будет нарастать линейно.

Базовый режим понижающего преобразователя Низкий уровень ШИМ

Когда PWM низкий, Q1 выключится и больше не будет частью токового контура. Точечная сторона индуктора L1 станет отрицательным потенциалом, поскольку L1 изменит полярность, но сохранит то же направление тока. Путь тока будет от D1 к L1, который в это время разряжается, а затем к нагрузке.В это время также энергия C1 поможет удовлетворить потребность в нагрузке.

Комплексное руководство по проектированию понижающего преобразователя

Рассмотрены основные функции и работа понижающего преобразователя. Итак, мы переходим к нашей основной теме — руководству по проектированию понижающего преобразователя. Ниже приведен план этого руководства по проектированию понижающего преобразователя.

  1. Вывод тока пульсации индуктора
  2. Вывод рабочего цикла
  3. Вывод среднеквадратичного значения тока индуктора
  4. Вывод постоянного тока индуктора
  5. Вывод среднеквадратичного значения тока переключателя
  6. Вывод постоянного тока переключателя
  7. Вывод тока диода
  8. Диода Диода 9050 и расчет диодного напряжения
  9. Расчет потерь мощности переключателя
  10. Расчет тепловых потерь коммутатора
  11. Расчет потерь мощности диода
  12. Расчет тепловых потерь диода
  13. Расчет потерь мощности индуктора
  14. Выбор конденсатора 2 расчета коэффициента пульсации 9050 Расчет деталей
  15. 9050
  16. Шаблон дизайна

1.Вывод тока пульсации индуктора

Чтобы вывести уравнения тока индуктора, важно знать его форму волны. Кстати, понижающий преобразователь можно разделить на CCM, TM или DCM. CCM обозначает режим непрерывной проводимости, а TM обозначает переходный режим или иногда называемый граничным режимом. С другой стороны, DCM означает прерывистый режим проводимости. CCM и TM проводят одинаковый анализ, в то время как DCM требует другого. Для приложений с большой мощностью маловероятно намеренное использование понижающего преобразователя в режиме постоянного тока.Это приведет к очень большим потерям и непрактично.

Однако есть время, когда понижающий преобразователь переходит в режим DCM, и это когда нагрузка очень мала. Таким образом, проектная точка или выбор компонентов будут основываться на большой нагрузке, и это в основном в CCM. Итак, в этом выводе мы будем рассматривать работу CCM. Ниже зеленым цветом показана форма волны тока катушки индуктивности, работающей на CCM. Он линейно возрастает при высоком уровне сигнала ШИМ. Затем он линейно уменьшается при низком уровне сигнала ШИМ.

Когда ШИМ высокий, анализ будет:

Ключ уравнение для использования — это напряжение на катушке индуктивности, равное

VL = L X di / dt

Когда ШИМ низкий, анализ будет:

И di_Ton, и di_Toff дадут одинаковый результат.

2. Определение рабочего цикла

Если вы исследуете форму кривой тока катушки индуктивности, то увидите, что нарастание и спад имеют одинаковую величину.Следовательно, оба приведенных выше уравнения di_Ton и di_Toff могут быть приравнены, и мы вывели окончательный рабочий цикл.

Для получения дополнительной информации о том, как рассчитать рабочий цикл понижающего преобразователя, прочитайте статью http://electronicsbeliever.com/buck-converter-duty-cycle-derivation/

3. Индуктор Текущее значение RMS

Здесь я научу вас формуле расчета индуктивности понижающего преобразователя. Мы начнем с того, что среднеквадратичный ток катушки индуктивности — это сумма среднеквадратичных значений di и Imin на диаграмме ниже.Здесь мы будем выполнять интеграцию, но не волнуйтесь, я уже сделал для вас анализ.

4. Определение постоянного тока индуктора

Следующая формула расчета индуктивности понижающего преобразователя будет рассчитана на постоянный ток. Но если вы внимательно посмотрите на схему понижающего преобразователя, индуктор включен последовательно с выходной нагрузкой. Таким образом, уровень постоянного тока индуктора совпадает с уровнем постоянного тока нагрузки. Это самый простой вывод из этого руководства по проектированию понижающего преобразователя?

5. Switch RMS Current Derivation

Переключатель понижающего преобразователя может быть BJT, MOSFET или IGBT. В этом руководстве мы используем MOSFET, поскольку он является наиболее популярным в приложениях с низким и средним энергопотреблением. Текущая форма волны полевого МОП-транзистора выглядит так, как показано ниже.

Действующее значение тока Q1 складывается из действующего значения области A1 и A2. A1 — треугольник, а A2 — прямоугольник.

СКО площади А1

СКО площади A2

Таким образом, действующее значение тока переключения будет

.

Упрощение, чтобы избавиться от Imax

6.Переключатель вывода постоянного тока

RMS ток полевого МОП-транзистора всегда выше, чем постоянного тока, и это значение, используемое при вычислении рассеиваемой мощности для получить худший случай. Однако уровень постоянного тока может понадобиться по любой причине. дизайнер, чтобы придумать. Итак, давайте включим его в эту конструкцию понижающего преобразователя. руководство.

Общий уровень постоянного тока также является суммой уровней постоянного тока A1 и A2 в приведенной выше форме волны.

Переписываем уравнение для исключения Imax

7.Учебное пособие по проектированию понижающего преобразователя Расчет среднеквадратичного значения диодного тока

Обращаясь к форме волны ниже, мы можем вычислить среднеквадратичный ток диода. Диод будет проводить только тогда, когда MOSFET не проводит.

8. Диод постоянного тока Текущий вывод

Мы по-прежнему будем использовать вышеуказанный сигнал для определения постоянного тока диода.

9. Переключатель и Определение напряжения диода

VQ1 макс. = VIN max + VSpike

Vspike — это из-за паразитной индуктивности и можно предположить, что она составляет 40-70% от VIN.

VD1 макс. = VIN max + Vspike

Vspike возникает из-за паразитной индуктивности и можно предположить, что он составляет 50–120% от VIN.

10. Учебное пособие по проектированию понижающего преобразователя Расчет потерь мощности коммутатора

Потери мощности переключателя складываются из двух факторов. Первый — это потери проводимости, а второй — потери при переключении. Потери проводимости возникают из-за фиксированного падения напряжения на переключателе, в то время как потери переключения возникают из-за переключающего действия переключателя.В этом уроке мы делаем упор на использование полевого МОП-транзистора. Итак, следующие уравнения справедливы для полевого МОП-транзистора.

Проводимость Убыток

Потеря переключения

Общая потеря мощности полевого МОП-транзистора

11. Перечень силовых нагрузок и тепловые характеристики

Мощность напряжение коммутатора — это просто фактическая рассеиваемая мощность, деленная на мощность возможность.

Pstress = Pdissipation фактическое / Pdissipation возможность

Рассеиваемая мощность может быть получена из данных таблицы.

Для без радиатора (переключатель не устанавливается на радиаторе):

Pdissipation возможность = (Tjmax — Tamax) / Rthjc

Где;

Tjmax — максимальная температура перехода прибора

Tamax — максимальная рабочая температура окружающей среды

Rthjc — тепловое сопротивление от перехода к корпусу

В случае необходимости вычислить для устройства фактическое температура перехода, это можно сделать, как показано ниже:

Tjactual = (Pdissipation возможность X Rthjc) + Tamax

Для с радиатором (переключатель установлен на радиаторе):

Pдиссипация = (Tjmax — Tcmax) / (Rthjc + Rthchs + Rthhsa)

Где;

Tjmax — максимальная температура перехода прибора

Tcmax — максимально допустимая температура корпуса

Rthjc — тепловое сопротивление от перехода к корпусу

Rthchs — тепловое сопротивление от корпуса до радиатора.Это тепловое сопротивление материала, соединяющего радиатор и кейс.

Rthhsa — тепловое сопротивление от радиатора к воздуху. Этот собственно термическое сопротивление используемого радиатора.

Фактическая температура перехода устройства может быть вычисляется как:

Tjactual = [Мощность рассеивания X (Rthjc + Rthchs + Rthhsa)] + Tcmax

12. Расчет потерь мощности диодов

Диод потерь = Irms X VF

13.Рассмотрение напряжения питания диода и теплового режима

Мощность Напряжение диода — это просто фактическая рассеиваемая мощность, деленная на мощность возможность.

Pstress = Pdissipation фактическое / Pdissipation возможность

Мощность способность рассеивания может быть получена из информации таблицы данных.

Для без радиатора (диод не устанавливается на радиатор):

Pdissipation возможность = (Tjmax — Tamax) / Rthjc

Где;

Tjmax — максимальная температура перехода прибора

Tamax — максимальная рабочая температура окружающей среды

Rthjc — тепловое сопротивление от перехода к корпусу

В случае необходимости вычислить для устройства фактическое температура перехода, это можно сделать, как показано ниже:

Фактический = (Мощность рассеивания X Rthjc) + Tamax

Для с радиатором (диод установлен на радиаторе):

Pдиссипация = (Tjmax — Tcmax) / (Rthjc + Rthchs + Rthhsa)

Где;

Tjmax — максимальная температура перехода прибора

Tcmax — максимально допустимая температура корпуса

Rthjc — тепловое сопротивление от перехода к корпусу

Rthchs — тепловое сопротивление от корпуса до радиатора.Это тепловое сопротивление материала, соединяющего радиатор и кейс.

Rthhsa — тепловое сопротивление от радиатора к воздуху. Этот собственно термическое сопротивление используемого радиатора.

Фактическая температура перехода устройства может быть вычисляется как:

Tjactual = [Мощность рассеивания X (Rthjc + Rthchs + Rthhsa)] + Tcmax

14. Расчет потерь мощности в индукторе

Потери мощности индуктора складываются из двух частей: потерь постоянного и переменного тока.При низкой частоте переключения и малой мощности потери переменного тока малы и поэтому просто не учитываются в расчетах. Но для очень высокой частоты переключения можно предположить, что потери переключения почти такие же, как потери постоянного тока. Потери постоянного тока также иногда называют потерями в меди, а потери при переключении также называют потерями в сердечнике.

15. Выбор выходного конденсатора

Расчет выходной емкости ниже (C1) является универсальным. Однако у конкретных контроллеров может быть собственное уравнение для вывода значение выходной емкости, так как это имеет какое-то отношение к петле компенсация.Учитывая отсутствие влияния СОЭ, приведенное ниже уравнение можно использовать для определить размер выходного конденсатора.

C1 = di / (Fsw X Vripple)

Для электролитических конденсаторов СОЭ огромен, поэтому его нужно учитывать при анализе. Расчетный Емкость, указанная выше, должна иметь ESR не выше, чем ниже уравнения.

СОЭ = Vripple / di

Где;

СОЭ — эквивалентное последовательное сопротивление

di — ток пульсации индуктора

Fsw — частота коммутации

Vripple — допустимое напряжение пульсации на выходе

Пульсации тока

Выбранный выходной конденсатор должен иметь номинальный ток пульсации выше, чем результат приведенного ниже уравнения.

Где;

Irms_inductor — индуктор действующий ток

I_load — ток нагрузки

16. Вывод уравнения эффективности понижающего преобразователя КПД понижающего преобразователя

может рассчитывается с использованием приведенного ниже уравнения.

КПД = (Pout / Pin) 100% х

Pout = Iout X Vout

Pin = Pout + Ploss всего

КПД = [Iout X Vout / (Pout + Ploss total)] X 100%

Где;

Iout — ток нагрузки

Vout — выходное напряжение

Pout — общие потери мощности

17.Учебное пособие по проектированию понижающего преобразователя — образец конструкции с выбором деталей

Мы закончили со всеми необходимыми уравнениями. Давайте применим это руководство по проектированию понижающего преобразователя к реальному сценарию проектирования.

Указанные значения:

Установка для% индуктора_ripple значения 100% означает, что преобразователь работает в переходном или граничном режиме. Но в этой выборке мы установим 10% только, что означает работу CCM.

Расчет рабочего цикла

Расчет индуктивности

Для очень подробных объяснений того, как образовалась катушка индуктивности понижающего преобразователя, прочтите руководство http: // electronicsbeliever.ru / определение размера индуктора понижающего преобразователя и настройка его работы /

Индуктор Вывод пульсационного тока

Расчет пикового тока

MOSFET Q1, диод D1 и катушка индуктивности L1 будут иметь одинаковый пиковый ток.

Действующий ток индуктора

Примечание по проектированию 1: Выберите индуктивность со значением L1_selected, с номинальным среднеквадратичным током выше Irms_inductor и номинальным током насыщения выше Imax.

Потери мощности в индукторе

MOSFET Q1 RMS и постоянный ток

Примечание разработчика 2: Выберите полевой МОП-транзистор со среднеквадратичным или постоянным током выше Irms_Q1. Пиковое значение тока должно быть выше Imax. Выбранный полевой МОП-транзистор должен иметь номинальное напряжение выше максимального входного напряжения. Практическое правило — выбирать номинальное напряжение, вдвое превышающее максимальное входное напряжение. Например, полевой МОП-транзистор номиналом 30 В можно использовать для максимального входного напряжения 12 В.

Потери мощности MOSFET Q1

Чтобы узнать потери мощности, необходимо знать следующую информацию:

Потеря проводимости

Потеря переключения

Суммарные потери мощности за 1 квартал

Мощность МОП-транзистора Q1 без радиатора

Чтобы узнать, может ли выбранный полевой МОП-транзистор Q1 обрабатывать приведенное выше значение Ploss_total_Q1 , необходимо знать следующую информацию.

Мощность МОП-транзистора Q1 с радиатором

Для с радиатором необходимо знать дополнительную информацию. Для более подробного объяснения относительно радиатора, пожалуйста, посетите обучающие программы по ссылке ниже. http://electronicsbeliever.com/heat-sink-thermal-resistance-calculation-easy-explanation/

Среднеквадратичный и постоянный ток диода D1

Примечание по проектированию 3: Выбранный диод должен иметь номинальный постоянный ток, превышающий Irms_diode.T пиковое значение тока должно быть выше Imax. Пиковое значение обратного напряжения диода должно быть выше максимального входного напряжения. Диод на 50 В подходит, например, для входного напряжения до 24 В.

Потеря мощности диода D1

Чтобы узнать, может ли выбранный диод D1 работать с указанным выше диодом Ploss_diode , необходимо знать следующую информацию.

Мощность диода D1 без радиатора

Мощность диода D1 с радиатором

Для с радиатором необходимо знать дополнительную информацию.

Для получения более подробных объяснений относительно радиатора, пожалуйста, посетите учебные материалы, предоставленные по ссылке ниже. http://electronicsbeliever.com/heat-sink-thermal-resistance-calculation-easy-explanation/

Выбор выходного конденсатора C1

Выберите конденсатор стандартного номинала выше расчетного.

Расчет КПД понижающего преобразователя

Наконец, КПД понижающего преобразователя составляет

Проверка режима работы

Понижающий преобразователь может работать в режиме CCM, DCM или в переходном режиме.В CCM ток катушки индуктивности не дотрагивается до нуля. С другой стороны, ток в DCM будет ниже нуля, в то время как ток в переходном режиме точно равен нулю.

18. Шаблон оформления

Все расчеты в этом руководстве по проектированию понижающего преобразователя включены в шаблон проекта в формате Mathcad. Вам не нужно проводить очень глубокий анализ, вместо этого вы просто указываете информацию, необходимую в каждом поле, после чего вы можете сразу увидеть результат расчета.Это проверенный шаблон дизайна, который я использовал во многих проектах, запущенных на рынке. Для получения дополнительной информации об этом шаблоне дизайна посетите http://electronicsbeliever.com/downloads/buck-converter-design-template-mathcad/

Подписаться на electronicsbeliever.com

подписаться на

Связанные

Что такое понижающий преобразователь?

Преобразователи постоянного тока в постоянный или прерыватели — это силовые электронные схемы, которые преобразуют постоянный входной постоянный ток в переменный постоянный ток на выходе.Понижающий преобразователь — это форма преобразователя постоянного тока в постоянный, который понижает уровень напряжения питания и обеспечивает его на выходе. Чтобы понять, как работает понижающий преобразователь, давайте сначала разберемся с простым понижающим преобразователем. Схема понижающего преобразователя показана ниже:

Когда переключатель включен, v o = V S и всякий раз, когда переключатель выключен, v o = 0. В каждый период времени T переключатель включен на определенное время DT (где D <1) и выключен на оставшееся время (1-D) T.В этом случае D - коэффициент заполнения переключателя.

Усреднение V o за период T дает

Поскольку D меньше 1, V o меньше V S , это подразумевает действие понижения. Кроме того, поскольку среднее выходное напряжение зависит от D коэффициента заполнения переключателя, регулируя D — продолжительность, в течение которой мы оставляем переключатель включенным в каждый период времени, — мы можем изменять среднее напряжение, доступное на выходе. Поскольку понижающее действие достигается полностью за счет включения и выключения переключателя, прерыватели в целом очень эффективны.

Понижающие преобразователи могут использоваться в таких приложениях, как регулирование скорости машин постоянного тока. Однако для некоторых приложений может потребоваться постоянное постоянное напряжение на выходе. Для таких приложений на выходе подключается фильтр нижних частот, обеспечивающий постоянное напряжение постоянного тока. Эта схема называется понижающим преобразователем. Давайте теперь лучше разберемся с понижающим преобразователем.

Схема понижающего преобразователя показана ниже. IGBT используется здесь как переключатель, но также может быть заменен на полевой МОП-транзистор.Катушка индуктивности и конденсатор подключены на выходе, как показано, чтобы сформировать фильтр нижних частот. Емкость конденсатора поддерживается на высоком уровне, чтобы гарантировать, что напряжение V o будет постоянным и без пульсаций. Через фильтр нижних частот на стороне питания установлен диод, и его назначение станет очевидным, когда мы изучим работу схемы.

Работа понижающего преобразователя

Когда переключатель замкнут (для 0 S .Катушка индуктивности начинает проводить ток питания с 0, и эквивалентная схема показана ниже:

Обратите внимание, что di L / dt является положительной константой (поскольку V S > V или ), следовательно, ток индуктора увеличивается линейно. . Некоторая часть i L заряжает конденсатор до V o , тогда как остальная часть протекает через нагрузку как ток нагрузки I o . Обратите внимание, что V o совпадает с тем, что мы видели в понижающем преобразователе, и равно DV S .

Когда переключатель разомкнут (для DT

Применяя KVL, чтобы найти v L , мы получаем

Обратите внимание, что di L / dt является отрицательной константой, поэтому ток индуктора линейно уменьшается. Катушка индуктивности разряжает энергию, накопленную в ней с момента включения переключателя, и ток линейно уменьшается в течение этой продолжительности со временем.Конденсатор поддерживает выходное напряжение на уровне В в течение этого времени, поскольку он был заряжен до В с момента включения переключателя.

i L изначально запускается с 0, когда переключатель замыкается в первый раз. Количество энергии, выделяемой катушкой индуктивности, когда переключатель разомкнут, может не быть в точности равным количеству энергии, которое он накопил, поэтому некоторая остаточная энергия может быть перенесена в следующий цикл. Однако в установившемся режиме ток катушки индуктивности колеблется между i L (мин.) и i L (макс.).Поведение v L , i L и v o можно увидеть на временной диаграмме ниже.

Катушка индуктивности обеспечивает непрерывность тока нагрузки, когда переключатель выключен, а высокое значение емкости гарантирует, что выходное напряжение будет поддерживаться постоянным на уровне В на всем протяжении.

Понижающий преобразователь, полученный путем реализации фильтра нижних частот на выходе понижающего прерывателя, как мы видели, демонстрирует лучшие рабочие характеристики, давая такое же среднее напряжение на выходе, как и у понижающего преобразователя.Такие характеристики делают понижающие преобразователи хорошо подходящими для таких приложений, как включение небольших электронных модулей и зарядные устройства аккумуляторов.

Введение в понижающие, повышающие и понижательно-повышающие преобразователи

Понижающий преобразователь (понижающий преобразователь) — это силовой преобразователь постоянного тока, который понижает напряжение от источника к нагрузке (при потреблении меньшего среднего тока). Повышающий преобразователь или повышающий прерыватель постоянного тока — это еще одно название повышающего преобразователя постоянного тока. Понижающий-повышающий преобразователь — это преобразователь постоянного тока в постоянный с выходным напряжением, которое может быть выше или ниже входного напряжения.Эта статья в основном знакомит с этими тремя преобразователями и принципами их работы.

Ⅰ.Что такое понижающий преобразователь?

Понижающий преобразователь (понижающий преобразователь) — это силовой преобразователь постоянного тока в постоянный, который понижает напряжение от источника к нагрузке (при потреблении меньшего среднего тока). Это тип импульсного источника питания (SMPS) как минимум с двумя полупроводниками (диод и транзистор, хотя современные понижающие преобразователи часто используют второй транзистор вместо диода для синхронного выпрямления) и как минимум одним источником энергии. элемент хранения, такой как емкость, индуктивность или их комбинация.

Фильтры, состоящие из конденсаторов (часто в паре с катушками индуктивности) обычно добавляются к выходу (фильтр на стороне нагрузки) и на входе (фильтр на стороне питания) преобразователя этого типа для уменьшения пульсаций напряжения.

Как преобразователи постоянного тока в постоянный, импульсные преобразователи (например, понижающие преобразователи) более эффективны, чем линейные регуляторы. Линейные регуляторы представляют собой менее сложные схемы, которые снижают напряжение за счет рассеивания энергии в виде тепла. Однако выходной ток не будет увеличиваться.Понижающие преобразователи чрезвычайно эффективны (часто более 90%), что делает их идеальными для преобразования первичного напряжения питания компьютера (большой емкости) (около 12 В) в более низкие напряжения, необходимые для USB, DRAM и ЦП (5 В, 3,3 В или 1,8 В, см. БП).

Одним из наиболее часто используемых преобразователей постоянного тока в постоянный является понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный, также известный как понижающий преобразователь. Понижающий преобразователь может снизить большее напряжение постоянного тока до более низкого значения постоянного тока, например, с 24 В до 12 В или 5 В. Понижающий преобразователь предлагает широкий спектр применений, низкие потери и высокий КПД.

Ⅱ. Как работает понижающий преобразователь?

В трубке, которая управляет выключателем питания под управлением сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ), поочередно включается и выключается ТН понижающего преобразователя постоянного тока в постоянный (также называемый отсечкой). ШИМ аналогичен механическому переключателю, который закрывается и открывается с высокой скоростью. На рисунке 1 изображен принцип его действия. На рисунках 1-1 и 1-2 показан путь тока при включении и выключении ТН соответственно.Чтобы упростить анализ схемы, на рисунке включение и выключение VT заменено замыканием и размыканием переключателя S. Когда VT активирован (т. Е. S замкнут), диод свободного хода VD отключен, а входное напряжение UI приложенный к левому концу индуктора накопителя энергии L, в результате чего напряжение (UI-UO). Энергия, запасенная в катушке индуктивности, линейно увеличивается с увеличением тока IL, протекающего через L. Индуцированная электродвижущая сила индуктора имеет левый «+» и правый «-». За это время входной ток (т.е.е. ток индуктора I L) заряжает конденсатор фильтра C в дополнение к подаче энергии на нагрузку. Сумма тока зарядки конденсатора I 1 и тока нагрузки RL IO является током индуктора I L. выключен (т.е. S отключен от сети), как показано на Рисунке 1-2. Поскольку ток в катушке индуктивности не может резко колебаться, индуцированное напряжение в виде левого «-» и правого «+» генерируется на L, чтобы поддерживать постоянным ток I L через катушку индуктивности.В этот момент включается свободно вращающийся диод VD, преобразующий энергию магнитного поля, накопленную в L, в электрическую энергию, которая продолжает подавать мощность на нагрузку через контур, образованный VD, в то время как ток I L индуктора линейно уменьшается. В этот момент разрядный ток I 2 конденсатора C накладывается на ток IL катушки индуктивности для подачи мощности на нагрузку R L. Сумма тока IL катушки индуктивности и тока разряда конденсатора I 2 является током нагрузки I O. .

Советы

Понижающий преобразователь — это прямой преобразователь, который передает энергию на нагрузку при включении переключателя питания.

На рисунке 2-1 показаны формы сигналов напряжения и тока понижающего преобразователя постоянного тока в постоянный. PWM — это форма сигнала с широтно-импульсной модуляцией, t ON — время включения VT выключателя питания, а t OFF — время выключения VT выключателя питания. Время переключения, T, равно сумме t ON и t OFF, или T = t ON + t OFF. Рабочий цикл — это отношение t ON к T, которое обозначается буквой «D», как в D = t ON / T.

Рисунок 2-1 Формы сигналов напряжения и тока понижающего преобразователя постоянного / постоянного тока

Форма волны напряжения эмиттера VT на лампе переключателя мощности — UE, а форма кривой тока коллектора — I C. Свободно вращающийся диод VD представлен как I F. Форма волны тока катушки индуктивности фильтра — I L. Когда трубка переключателя мощности VT включена, напряжение эмиттера UE равно входному напряжению UI, а когда VT выключен, напряжение эмиттера UE равно нуль.Ток катушки индуктивности увеличивается линейно во время включения ТН переключателя питания и линейно падает во время отключения ТН. Коллекторный ток IC VT и ток IF свободного диода VD объединяются для создания тока индуктивности I L.

Среднее значение тока IL катушки индуктивности фильтра равно выходному току I O DC / DC преобразователя. Ток пульсаций индуктора представляет собой разницу между пиковым и минимальным значениями кривой тока индуктора. Чтобы уменьшить пульсации выходного тока, L должно быть достаточно большим, чтобы преобразователь постоянного / постоянного тока мог работать в непрерывном режиме.Ток пульсаций обычно должен составлять около 20% от номинального выходного тока.

Ниже приведены свойства понижающего преобразователя постоянного тока в постоянный.

1. U O — выходное напряжение.

2. Полярность выходного напряжения U O и входного напряжения U I одинакова.

3. Максимальное напряжение, которое может выдержать трубка выключателя мощности VT, составляет U CE = U I.

4. Максимальный ток I C коллектора трубки выключателя мощности VT = IO.

5.Средний ток обратного диода VD I F = (1-D) I O.

6. U R = U I — обратное напряжение, которое переносит обратный диод VD.

7. Понижающие дискретные компоненты и контроллеры ШИМ могут использоваться в преобразователях постоянного тока в постоянный или на интегральных схемах . Можно использовать устройства . LM2576, LM2596 и L4960 являются примерами распространенных интегральных схем. Периферийная схема LM2576 — самая простая из всех.

Ⅲ.Что такое повышающий преобразователь?

Повышающий преобразователь или повышающий прерыватель постоянного тока — это еще одно название повышающего преобразователя постоянного тока.Это преобразователь постоянного тока в постоянный, который может повышать напряжение и имеет большее выходное напряжение (нагрузочное), чем входное (силовое) напряжение. Импульсный источник питания, содержащий по меньшей мере два полупроводниковых элемента (диод и транзистор) и по меньшей мере один элемент накопления энергии, известен как повышающий преобразователь (индуктор). Фильтры, состоящие из конденсаторов (а иногда и катушек индуктивности), расположены на входе и выходе, чтобы уменьшить пульсации напряжения. Он используется в различных приложениях, включая автомобильные приложения, приложения для усилителей мощности, приложения для адаптивного управления, системы питания от батарей, бытовую электронику, приложения связи, схемы зарядки аккумуляторов, нагреватели и сварочные аппараты, приводы двигателей постоянного тока, схемы коррекции коэффициента мощности и распределенное питание. архитектурные системы.

Ⅳ.Как работает понижающий преобразователь?

Трубка, которая управляет переключателем мощности. Сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ) управляет ТН повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный, который аналогичен механическому переключателю, который замыкается и размыкается с высокой скоростью. На рисунке 3 изображен принцип его действия. На рисунках 3-1 и 3-2 показаны существующие маршруты при включении и выключении VT соответственно. На рисунке показано замыкание и размыкание переключателя S для облегчения анализа цепи.Он заменяет выключатели VT.

Когда VT включен (т. Е. S замкнут), входное напряжение U I прикладывается прямо к обоим концам индуктора накопления энергии L, и диод VD отключается, как показано на рисунке 3-1. Поскольку напряжение U I приложено к L, ток I L индуктора линейно увеличивается, как и энергия, запасенная в катушке индуктивности. Индуцированная электродвижущая сила индуктора имеет левый «+» и правый «-». За это время энергия, обеспечиваемая входным током (т.е.д., ток индуктивности IL) сохраняется как энергия магнитного поля в накопителе энергии индуктивности L.

Конденсатор фильтра C разряжается одновременно, чтобы дать ток IO для нагрузки RL и ток разряда I конденсатора C. 1 равно току нагрузки IO.

Рисунок 3: Принцип работы повышающего преобразователя постоянного / постоянного тока

Поскольку ток индуктора не может резко изменяться, когда ТН выключен (т. Е. S отключен), индуцированное напряжение из левого «-» и правого «+» генерируется на L для сохранения индуктивности, как показано на рисунке 3-2.Настоящий ИЖ остается без изменений. В этот момент включается диод VD свободного хода, и индуцированная электродвижущая сила на L соединяется последовательно с UI, преобразуя энергию магнитного поля, хранящуюся в L, в электрическую энергию, которая обеспечивает ток для нагрузки при напряжении, превышающем UI и заряжает конденсатор выходного фильтра C. Сумма зарядного тока конденсатора I 2 и тока нагрузки IO является током индуктора I L.

Советы

Когда переключатель питания выключен, повышающий преобразователь, также известный как Обратный преобразователь подает энергию на нагрузку.

На Рисунке 3-3 показаны формы сигналов напряжения и тока повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный. PWM — это форма сигнала с широтно-импульсной модуляцией, t ON — время включения VT выключателя питания, а t OFF — время выключения VT выключателя питания. Фаза переключения обозначается буквой T. Форма волны напряжения коллектора VT лампы переключателя мощности обозначается U C. Форма кривой тока коллектора VT — I C. Форма волны тока повышающего диода VD — IF, а форма кривой тока индуктивность I L. Когда ламповый переключатель мощности VT включен, напряжение коллектора UC равно нулю; когда ламповый переключатель мощности VT выключен, напряжение коллектора U C равно выходному напряжению U O.Ток катушки индуктивности увеличивается линейно во время включения ТН переключателя питания и линейно падает во время отключения ТН. Коллекторный ток IC VT и ток IF повышающего диода VD объединяются для создания тока индуктора I L.

Рис. 3-3 Формы напряжения и тока повышающего преобразователя постоянного / постоянного тока

повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный.

1. Он называется повышающим преобразователем, потому что выходное напряжение U O U I.UO = UI / (1-D) — соотношение между UO и UI, а выходное напряжение можно изменить, регулируя рабочий цикл D.

2. Полярность выходного напряжения UO и входного напряжения UI одинаковы. .

3. Максимальное напряжение, которое может выдержать трубка переключателя мощности VT, составляет U CE = U O.

4. VT IC = IO / VT IC = IO / VT IC = IO / VT IC = IO / VT IC = IO (1-Д).

5. VD I F = I O — средний ток повышающего диода.

6. Повышающий диод VD передает обратное напряжение U R = U O.

7. Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный ток Интегральные схемы включают LM2577 и MAX1599.

Ⅴ.Что такое повышающий-понижающий преобразователь?

Понижающий-повышающий преобразователь — это преобразователь постоянного тока в постоянный с выходным напряжением, которое может быть выше или ниже входного напряжения. Повышающе-понижающий преобразователь аналогичен обратноходовому преобразователю, за исключением того, что вместо трансформатора в нем используется одна катушка индуктивности.

Понижающе-повышающие преобразователи — это два типа схем с разной топологией, которые имеют широкий диапазон выходного напряжения, от напряжения, значительно превышающего (по абсолютной величине) выходное напряжение до напряжения, близкого к нулю.Обратная архитектура представляет собой импульсный источник питания со схемой, аналогичной понижающему преобразователю или повышающему преобразователю, с полярностью выходного напряжения, противоположной входному напряжению. Рабочий цикл кристалла мощности переключения может использоваться для изменения выходного напряжения. Другой — гибридная архитектура, сочетающая понижающие и повышающие преобразователи.

Выходное напряжение имеет ту же электрическую полярность, что и входное, и может быть меньше или больше входного значения. Этот тип неинвертирующего преобразователя может использовать переключатели вместо диодов и может совместно использовать индуктивности между секциями понижающего и повышающего преобразователя.Повышающий преобразователь с четырьмя переключателями также известен как повышающий преобразователь с четырьмя переключателями. Можно использовать несколько катушек индуктивности, но, как преобразователь SEPIC или преобразователь UK, используется только один переключатель.

Понижающий преобразователь

— Схема, конструкция, работа и примеры

Понижающий преобразователь

: типы, схема, работа, режимы работы, примеры, потери и применение

В этой статье обсуждается понижающий преобразователь и все важные сведения о понижающем преобразователе.В этой статье обсуждаются все важные моменты, касающиеся понижающего преобразователя, то есть работа, конструкция, соображения по потерям и повышение эффективности понижающего преобразователя. Начнем с основ понижающего преобразователя до его проектирования.

Основы преобразователя постоянного тока в постоянный Преобразователь постоянного тока

— это преобразователь, который преобразует уровень постоянного напряжения источника входного сигнала в другой уровень постоянного напряжения. Преобразование DC-DC может быть выполнено напрямую или альтернативным способом. Альтернативный способ — преобразовать входной постоянный ток в переменный и выпрямленный обратно в постоянный после повышения или понижения напряжения переменного тока с помощью повышающего или понижающего трансформатора.

Этот способ преобразования уровня постоянного напряжения очень долгий и сложный. Краткий и прямой метод заключается в прямом преобразовании постоянного тока в постоянный с помощью повышающего преобразователя или понижающего преобразователя. Повышающий преобразователь предназначен для повышения входного напряжения, тогда как понижающий преобразователь используется для снижения уровня входного напряжения.

Преобразователи постоянного тока в постоянный ток имеют две основные топологии: изолированные и неизолированные преобразователи постоянного тока. Слово изолированный само определяет, что вход и выход преобразователя постоянного тока изолированы частью переменного тока.Изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный состоят из трех основных частей: инвертора, трансформатора и выпрямителя.

Инвертор для преобразования входного постоянного напряжения в переменный, трансформатор для повышения или понижения переменного напряжения и, наконец, выпрямитель для преобразования обратно в необходимое постоянное напряжение. Напротив, вход и выход неизолированного преобразователя постоянного тока не изолированы частью переменного тока. Другими словами, неизолированный преобразователь постоянного тока преобразует входной постоянный ток непосредственно в выходной.

Примерами неизолированных инверторов DC-DC являются понижающий, повышающий, понижающий-повышающий, Cuk и преобразователь SEPIC .Напротив, примерами изолированных преобразователей являются двухтактные, прямые, обратные, полумостовые и полномостовые преобразователи .

Основным агентом, ответственным за преобразование постоянного тока в неизолированный преобразователь, является управляемый переключатель. Когда переключатель включен; входное напряжение появляется на нагрузке, в то время как напряжение на переключателе равно нулю. Напротив, когда переключатель выключен, на нагрузке появляется нулевое напряжение, в то время как все входное напряжение появляется на переключателе.

Переключатель включается и периодически выключается, что приводит к пульсации на выходе. Затем выходной сигнал проходит через фильтр, который извлекает среднее значение постоянного тока пульсирующего выхода. Среднее значение постоянного тока затем контролируется временем включения и выключения переключателя, известным как Рабочий цикл . В идеале потери мощности равны нулю, поскольку входная мощность равна выходной мощности.

Для преобразователя постоянного тока в постоянный на входе требуется идеально чистый источник постоянного тока, то есть источник постоянного тока и источник напряжения без пульсаций и компонентов переменного тока.То же требование относится и к выходу преобразователя постоянного тока в постоянный. Требуется, чтобы выходной сигнал был идеально преобразован преобразователем с нулевой пульсацией и без компонентов переменного тока.

Практически на входе преобразователей постоянного тока возникают пульсации тока, а на выходах — пульсации напряжения. Следовательно, фильтры необходимы как на входе, так и на выходе. Фильтр на выходе необходим для удаления пульсаций и извлечения среднего напряжения.

Понижающий преобразователь

Понижающий преобразователь напрямую снижает уровень приложенного входного постоянного напряжения.Это означает, что понижающий преобразователь является неизолированным преобразователем постоянного тока. Неизолированные преобразователи идеально подходят для всех схем на уровне платы, где требуется локальное преобразование. Факсы, сканеры, мобильные телефоны, КПК, компьютеры, копировальные аппараты — все это примеры схем на уровне платы, где преобразование может потребоваться на любом уровне внутри схемы. Следовательно, понижающий преобразователь преобразует постоянный уровень входного напряжения в другие требуемые уровни.

Понижающий преобразователь

находит широкое применение в приложениях низкого напряжения малой мощности . Многофазная версия понижающих преобразователей может обеспечивать высокий ток при низком напряжении. Следовательно, его можно использовать для приложений низкого напряжения и большой мощности. В этой статье будут обсуждаться как низковольтный преобразователь малой мощности, так и низковольтный преобразователь высокой мощности.

Эффективность преобразователя можно повысить с помощью синхронной версии и резонансных производных . Другой метод повышения эффективности — использование многофазных понижающих преобразователей. Повышение эффективности с помощью многофазного инвертора обсуждается в конце статьи.

Базовая топология понижающего преобразователя

Базовый понижающий преобразователь состоит из управляемого переключателя, диода, конденсатора и управляемой схемы управления. Переключатель управляет потоком входной мощности на выход, периодически включая и выключая. Время, в течение которого переключатель находится во включенном состоянии в течение всего периода, называется циклом Duty .

Значение рабочего цикла D находится в диапазоне от 0 до 1. При D = 0 нулевое напряжение появляется на нагрузке, а при D = 1 все входное напряжение появляется на нагрузке.Поэтому понижающий преобразователь работает при D больше 0 и меньше 1. Принципиальная принципиальная схема понижающего преобразователя представлена ​​ниже.

Среднее выходное напряжение понижающего преобразователя регулируется двумя способами: ШИМ и ЧИМ. В ШИМ ( P ulse W idth M odulation) общее время переключения T поддерживается постоянным, в то время как время включения t на переключателя изменяется. Напротив, время T периода переключения изменяется, в то время как время включения t на переключателя поддерживается постоянным в PFM ( P ulse F Requency M odulation).

И ШИМ, и ШИМ имеют некоторые преимущества и недостатки. Но в большинстве случаев для работы понижающего преобразователя предпочтительнее использовать ШИМ.

Понижающий преобразователь работает в двух режимах проводимости: CCM и DCM. В CCM ( C ontinuous C onduction M ode) ток индуктора I L остается положительным в течение всего периода переключения. Ток индуктора I L никогда не становится равным нулю в течение периода переключения.

Напротив, ток катушки индуктивности в DCM ( D продолжает C onduction M ode) становится равным нулю на некоторое время в период переключения.Формы сигналов для режима непрерывной и непрерывной проводимости показаны на рисунке ниже. Все обсуждения в этой статье относятся к понижающему преобразователю CCM, который требуется для большинства приложений.

Режимы работы понижающего преобразователя

Как мы уже обсуждали в предыдущем разделе, понижающий преобразователь может работать в двух режимах: CCM и DCM. В этой теме обсуждается, как преобразователь работает в режимах CCM и DCM.

Граничное условие между CCM и DCM известно как BCM, которое будет обсуждаться позже.Кроме того, в этом разделе обсуждаются свойства как CCM, так и DCM, а также способы перехода из одного режима в другой.

CCM (режим непрерывной проводимости)

Считается, что преобразователь работает в режиме непрерывной проводимости, если ток нагрузки никогда не становится нулевым в течение полного цикла. Если понижающий преобразователь спроектирован в CCM для более высокой нагрузки, то преобразователь может работать в DCM для более легкой нагрузки. Чтобы понять его происхождение, давайте посмотрим на уравнение пульсаций тока индуктора и ток нагрузки.Колебания индуктора ΔI L

Составляющая постоянного тока I = V / R

Минимальный ток диода (I- ΔI L ). Следует отметить, что ток нагрузки I зависит от нагрузки, в то время как ΔI L не зависит от нагрузки. Из уравнения пульсации индуктора видно, что величина пульсаций тока индуктора обратно пропорциональна индуктивности.

Если значение индуктивности уменьшается, пульсации увеличиваются. Дальнейшее уменьшение значения индуктивности увеличит пульсации, так что пульсации станут больше, чем ток нагрузки.В это время работа преобразователя изменится с CCM на DCM, потому что ток нагрузки на какой-то момент станет нулевым.

Теперь давайте проверим случай, когда ток индуктора остается постоянным, а сопротивление нагрузки изменяется. Увеличение сопротивления нагрузки снизит ток нагрузки. Увеличим сопротивление нагрузки до тех пор, пока ток нагрузки не станет равным пульсации индуктора ΔI L .

Приведенный выше график станет таким, как показано ниже. Это известно как граница между CCM и DCM, где дальнейшее увеличение нагрузки изменит операцию с CCM на DCM.Ток становится равным нулю только на нулевой интервал времени, а затем начинает увеличиваться.

Дальнейшее увеличение сопротивления нагрузки приведет к дальнейшему снижению тока нагрузки, что изменит работу понижающего преобразователя с CCM на DCM. Режим работы сразу же меняется, когда ток нагрузки уменьшается более, чем пульсации. Условие для DCM — I <∆IL. На следующем графике показан режим DCM. Теперь ток нагрузки преждевременно падает до нуля. Под преждевременным означает, что ток упадет до нуля до включения переключателя.

Свойства CCM

Некоторые свойства CCM указаны как

  • Преобразователь, стабильный в режиме CCM, будет стабильным и в режиме DCM.
  • Мощность передачи в CCM приблизительно пропорциональна рабочему циклу D. тогда как мощность передачи в DCM приблизительно пропорциональна квадрату рабочего цикла D. Из этого утверждения мы можем видеть, что DCM имеет преимущество перед CCM.
Режим DCM (режим прерывистой проводимости)

С технической точки зрения, DCM возникает из-за пульсаций при переключении тока катушки индуктивности.Или это происходит из-за изменения полярности напряжения конденсатора таким образом, что это нарушает допущения, сделанные для реализации переключателя. Проще говоря, пульсации тока индуктора больше, чем ток нагрузки. Таким образом, во время простоя ток нагрузки начинает уменьшаться, пока не станет равным нулю.

В основном в понижающем преобразователе PWM это происходит, когда и напряжение, и ток схемы становятся равными нулю на короткий промежуток времени. В течение этого интервала формируется новая форма цепи, что обычно невозможно.Это называется режимом DCM, который иногда создается намеренно.

Общие D Ts остаются неизменными во время DCM, потому что проводимость сигнала контролируется управляющим сигналом D. И это не зависит от работы схемы, однако D Ts разделен на две новые части, то есть D 2 и D 3 , как показано на рисунке выше. D2 и D3 — это дополнительные неизвестные параметры, которые немного усложняют расчет.

Свойства DCM

Некоторые свойства преобразователя изменяются, когда преобразователь начинает работать в режиме DCM. Некоторые из этих свойств приведены ниже

.
  1. Выходное сопротивление увеличено
  2. Динамика меняется после входа в режим DCM
  3. M становится зависимым от нагрузки
  4. После снятия нагрузки управление выходным напряжением может быть потеряно
  5. На коммутационном узле может быть большой звонок. В результате он будет иметь огромные помехи электрического поля в течение микросекунд или огромные излучаемые электромагнитные помехи.

Похожие сообщения:

Работа понижающего преобразователя

Работу понижающего преобразователя можно объяснить в двух режимах. Режимы 1, когда переключатель включен, а режим 2, когда переключатель выключен. Оба режима подробно обсуждаются здесь.

Режим 1

При включении переключателя диод станет обратным смещением к приложенному входу. Следовательно, весь входной ток будет проходить через катушку индуктивности.Следовательно, постоянный входной ток I dc , протекающий в цепи, равен току индуктора.

I L = I постоянного тока

Катушка индуктивности заряжается во время включения. Этот ток далее делится на ток нагрузки Io и ток конденсатора Ic.

I L = I c + I R

Напряжение индуктора V Lon в этот период представляет собой разность напряжений между приложенным постоянным напряжением V dc и выходным напряжением V или .

V Lon = V dc -V o

Среднее напряжение на катушке индуктивности V L равно нулю согласно второму балансу вольт. Вспоминая уравнение рабочего цикла, время включения t на является произведением рабочего цикла D и общего времени T.

т на = DT

пульсации тока во время включения можно найти из зависимости тока индуктора от напряжения

В L = Ldi / dt

di / dt = V L / L

Положив значение V L , получим

di / dt = ( V dc -V o ) / dt

ΔI Lon = Δt на (V dc -V o ) / L

Положив значение Δt на , окончательный вид уравнения будет таким, как указано

ΔI Lon = DT (V dc -V o ) / L

Окончательный результат показывает изменение тока катушки индуктивности во время включения.Форма волны, показанная ниже, показывает пульсирующий ток, который сначала увеличивается во время включения, а затем уменьшается с отрицательной крутизной.

Режим 2

После выключения переключателя режим 1 переходит в режим 2. В этом режиме полярность индуктора меняется на противоположную, и он начинает действовать как источник. Ток в этом режиме протекает за счет накопленной энергии в катушке индуктивности. Источник постоянного тока отключен в этот период. Следовательно, ток течет в цепи до тех пор, пока индуктор не разрядится.Напряжение, возникающее на катушке индуктивности, равно напряжению нагрузки с отрицательной полярностью.

V Loff = -V o

После выключения переключателя полярность индуктора изменяется, что приводит к прямому смещению диода. В течение этого периода анодное напряжение становится более положительным, чем катодное, и, следовательно, начинает проводить.

Время выключения t off может быть получено из времени включения t on в рабочем цикле.

t off = T — t on

т выкл = Т — ДТ

Время выключения в окончательном виде можно записать как

т выкл = (1- D) т

Наклон тока катушки индуктивности можно снова найти с помощью уравнения напряжения тока катушки индуктивности.

В L = Ldi / dt = -V o

di / dt = -V o / L

ΔI Loff = Δt off (-V o ) / L

Если положить значение Δt из , окончательная форма отрицательной крутизны тока индуктора будет такой, как задано

ΔI Loff = T (1-D) (-V o ) / L

Минимальный и максимальный пик тока индуктора

Минимальный ток индуктора I LMIN и максимальный ток индуктора I MAX являются наиболее важными условиями при проектировании.Следовательно, необходимо найти как минимальный пик, так и максимальный пик тока. Как I LMIN , так и I MAX можно найти очень легко в соответствии с предыдущим обсуждением.

I Lmin Расчет

I Lmin = I L — | ΔI L | / 2

При установке значений, которые мы обсуждали в предыдущих двух режимах работы, форма уравнения станет такой, как задано

Дальнейшее упрощение приведенного выше уравнения позволяет получить окончательный вид минимального тока катушки индуктивности, как указано ниже.

I Lmax Расчет

I Lмакс = I L + | ΔI L | / 2

Если подставить ранее обсужденные значения в вышеприведенное уравнение, мы получим

Дальнейшее упрощение приведенного выше уравнения, мы получим окончательную форму, как показано ниже, для максимального тока катушки индуктивности

Передаточная функция понижающего преобразователя

Понижающий преобразователь необходимо рассматривать в установившемся режиме для определения передаточной функции.Это соображение упростит вычисления для нахождения передаточной функции. Среднее напряжение на катушке индуктивности равно нулю в установившемся режиме в соответствии с балансом секунд вольт. Далее, индуктор будет действовать как короткое замыкание в установившемся режиме на чистый постоянный ток.

Математически

L > = V Lon t on + V Loff t off = 0

Где V Lon — это напряжение на катушке индуктивности во время включения t на , а V Loff — это напряжение на время выключения.Положив значения V Lon , t на , V Loff , t off в приведенное выше уравнение, результат будет равен

L > = (V dc — V o ) DT + (- V o ) (1 — D) T = 0

Дальнейшее упрощение даст

В постоянного тока D — V o D — V o + V o D = 0

Окончательная форма передаточной функции —

В o = DV постоянного тока

, где значение D находится в диапазоне от 0 до 1.Следовательно, это показывает, что среднее выходное напряжение всегда меньше приложенного входного напряжения.

Расчет компонентов и номинальных характеристик понижающего преобразователя

В этом разделе обсуждается проектирование компонентов, используемых в понижающем преобразователе, с указанием их номиналов.

Конструкция индуктора для понижающего преобразователя

В этом разделе описывается важный аспект индуктивности, необходимой для понижающего преобразователя. Сюда входят две основные идеи: критическая индуктивность и пиковый ток индуктивности.

Критическая индуктивность

Критическая индуктивность Lc — это минимальное значение индуктивности, при котором ток индуктора достигает нуля. Следовательно, это наиболее важное условие для работы понижающего преобразователя в прерывистом режиме. Другими словами, значение индуктивности выбирается ниже критической индуктивности для работы понижающего преобразователя в прерывистом режиме.

Требование устанавливается с помощью минимальной процентной нагрузки. Другой способ — установить требование на макс. ΔI L , о чем говорилось ранее.Для работы понижающего преобразователя в режиме CCM значение индуктивности выбрано больше критического.

  • L c для управления понижающим преобразователем в DCM
  • L> 1.05L c для управления понижающим преобразователем в CCM

Критическое значение индуктивности можно легко найти, используя ранее выведенное уравнение I Lmin , где в уравнении задается I Lmin = 0.

I Lmin = 0 = I L — | ΔI L | / 2

Значение критической индуктивности можно найти напрямую, упростив уравнение.После решения вышеуказанного уравнения мы получаем следующий результат.

Это наиболее важное уравнение для определения критической индуктивности, которая будет определять режим работы понижающего преобразователя. Если эти количества выбраны, как указано

  • Dmax — расчетное входное напряжение для Lc.
  • Rmax рассчитано при минимальном выходном токе. Rmax = V o / I omin . Я омин рассчитан и выбран так, чтобы поддерживать CCM. Выбран для 10% нагрузки с CCM.Значение I omin может быть задано максимальным ΔI L , так что I omin = ΔI L /2.
  • f — частота коммутации, которую обычно выбирает разработчик. Величина критической индуктивности Lc обратно пропорциональна частоте переключения f. Следовательно, выбор высокого значения f уменьшит размер Lc, что уменьшит размер понижающего преобразователя.
Максимальный ток индуктивности

Пиковое значение тока индуктивности можно найти, используя максимальное значение индуктивного тока I Lmax. Максимальный ток индуктора возникает при максимальной нагрузке. Пиковое значение тока индуктора можно найти, используя уравнение максимального тока индуктора, равное

.

I Lмакс = I L + | ΔI L | / 2

Ниже приводится упрощенная форма, которая определяет номинальный ток индуктора.

  • Dmax рассчитывается исходя из максимального входного напряжения.
  • Значение L должно быть выбрано, как обсуждалось ранее.
Конструкция переключателя для понижающего преобразователя

В этом разделе обсуждаются номинальные значения тока и напряжения переключателя понижающего преобразователя.

Номинальное напряжение для переключателя понижающего преобразователя

Для идеального диода V switch-max равно V dcmax , в то время как для неидеального диода; V switch-max равно V dcmax плюс V F. дополнительный член V F является максимальным

  • Для идеального диода V switch-max = V dcmax
  • Для неидеального диода V switch-max = V dcmax + V F
  • Коэффициент безопасности 20% используется как минимум 20%.
  • Номинальное значение: V dcmax для MOSFET
Номинальный ток для переключателя понижающего преобразователя

Номинальный ток переключателя рассчитывается на основе среднего тока. Нарисовав кривую тока переключателя, можно рассчитать среднее значение тока. Здесь рассчитывается средний ток переключателя.

Общий ток катушки индуктивности равен току переключения и току диода с использованием KCL. Во время включения ток индуктора равен току переключения, в то время как ток индуктора равен току диода во время выключения.Форма волны тока переключателя I , переключателя , тока диода I , диода и тока индуктора I L показана ниже для времени включения и выключения.

Средний ток переключения switch > составляет

Если подставить значения в уравнение выше, результат будет таким, как указано ниже.

Дальнейшее упрощение и установка ранее обсужденного значения

переключатель > = L >.D

переключатель > = o > .D

Окончательная форма уравнения номинального тока переключателя становится

switch_max > = omax > .D

Конструкция диода (диод Shotkey) для понижающего преобразователя Для разрядки понижающих преобразователей предпочтительны диоды Shotkey

из-за быстрого восстановления. Эти диоды известны как диоды с быстрым восстановлением, поэтому они предпочтительны для работы на высоких частотах, т.е.е. понижающий преобразователь. В этом разделе обсуждаются номинальные ток и напряжение импульсного диода для понижающего преобразователя.

Номинальное напряжение диода понижающего преобразователя

В PRM или PIV (пиковое обратное напряжение) — это максимальное напряжение на диоде. Он указан в паспорте компонента. Для идеального переключателя пиковое обратное напряжение V PRM равно максимальному входному напряжению V DCmax . Для неидеального случая V PRM равно V DCmax плюс максимальное прямое падение напряжения Vsw на переключателе.

В PRM = В DCmax + V sw

Где значение V sw рассчитано при максимальном токе нагрузки. Для этого расчета это позволит коэффициент запаса прочности не менее 20%.

Номинальный ток диода понижающего преобразователя

Для расчета номинального тока диода используется тот же подход, что и для расчета переключателя. Средний прямой ток диода рассчитывается по форме кривой тока диода.Таким образом, поскольку диод проводит время в выключенном состоянии переключателя, при расчете учитывается t off .

Если подставить значения в приведенное выше уравнение, получится

.

Упрощение приведенного выше уравнения даст

Если подставить ранее обсужденные значения и упростить, то получится

F > = L > (1-D)

F > = o > (1-D)

Это приведет к одному из наиболее важных результатов, который приведен ниже

I Fmax > I 0max (1-D min )

Следующая форма волны является формой волны тока диода.Это упрощает поиск среднего значения.

Конденсатор для понижающего преобразователя

В этом разделе обсуждается важный параметр конденсатора, при котором конденсатор может работать в безопасном режиме. Кроме того, конденсатор спроектирован таким образом, что выполняются требуемые функции.

Номинальное напряжение

Конденсатор разработан и выбран таким образом, чтобы максимальное напряжение конденсатора выдерживало максимальное выходное напряжение.В идеале максимальное напряжение конденсатора V cmax составляет

Как указано как

V cmax = V o + ∆V o /2

Где член ∆Vo показывает крутизну выходного напряжения.

Дело обстоит несколько иначе с конденсаторами частиц. Практический конденсатор нарушает термин ∆Vo / 2, потому что у практических конденсаторов есть ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). Вклад ESR в пульсации выходного напряжения равен (ESR * ∆I L ). Этот вклад, вносимый ESR, можно подавить с помощью следующих методов.

  1. Путем уменьшения ECR: уменьшение ECR приведет к уменьшению пульсаций напряжения. ECR можно уменьшить двумя способами. Либо подключив конденсаторы параллельно, либо используя конденсаторы с низким значением ECR.
  2. Уменьшить ∆I L : значение можно уменьшить, увеличив рабочую частоту или выбрав большее значение индуктора L.
Минимальная емкость по напряжению

Разработанный конденсатор обеспечит путь для пульсаций переменного тока индуктивного тока, в то время как чистый постоянный ток будет течь в нагрузку.Так конденсатор будет действовать как фильтр. Форма волны тока конденсатора будет выглядеть, как показано ниже.

Из приведенной ниже осциллограммы тока конденсатора в зависимости от времени видно, что заряд является произведением площади площади и наклона.

Q = площадь. Δ

Если ввести значения и упростить, результат станет

Как известно, q = CV. Следовательно, C = q / v

Подставляя значения в уравнение C = q / v

Окончательный результат для минимальной емкости будет таким, как показано ниже

Значение ΔVo дается в процентах от пикового значения выходного напряжения

Номинальный среднеквадратичный ток и минимальная емкость в соответствии с током

Конденсатор сконструирован таким образом, что максимальное входное напряжение будет соответствовать напряжению резервного конденсатора.В идеале оба считаются равными, то есть Vcmax = VDCmax, в то время как более реалистично конденсатор имеет ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). Фактор ESR способствует потерям в конденсаторе. Коэффициент ESR можно уменьшить для повышения эффективности двумя способами. Либо путем параллельного включения конденсаторов, либо путем выбора конденсатора с низким ESR.

q = t выкл .D.I o

т выкл = (1-D) т

q = (1-D) T.D.I o

q = [(1-D) .D.I o ] / f

Мы знаем из самого основного уравнения, что q = c.Δv dc

C = q / Δv постоянного тока

Если подставить значение q в это уравнение, результат будет таким, как указано ниже

I o считается как I o макс. Следовательно, приведенное выше уравнение становится

Это требуемое значение емкости, в то время как уравнение номинального тока RMS можно найти как

Сводная таблица

В следующей таблице показаны все важные уравнения, необходимые для проектирования понижающего преобразователя.

Конструкция понижающего преобразователя для 12 В — 2,5 В, 1 А

Разработать понижающий преобразователь, который будет преобразовывать входной постоянный ток 12 В в выходной ток 2,5 В с током 1 А. Для такого преобразования у нас есть некоторые известные данные и требуются некоторые параметры. Правильный выбор компонентов необходим для успешного преобразования с 12 В на 2,5 Вольт. Этот пример поможет спроектировать понижающий преобразователь для любого коэффициента преобразования.

Известные данные для проектирования понижающего преобразователя

Приложенное входное напряжение постоянного тока В постоянного тока = 12 В

Требуемое выходное напряжение В o = 2,5 В

I omax = 1A

Я окм = 0.1А

% V или = 1%

f = 50 кГц

Решение для поиска необходимых компонентов

Рабочий цикл D можно определить по коэффициенту выходного входного напряжения.

D = V o / V постоянного тока

D = 0,208

Определение значения индуктивности

Критическая индуктивность может быть найдена из ранее найденного уравнения

L c = 1,979 x10 -4 H

Критическую индуктивность можно выбрать равной

.

L c = 200 x10 -6 H

Пиковое значение тока можно найти в соответствии с уравнением

I Lmax 1.099 А

Ток пульсации индуктора ΔIL согласно уравнению составляет

.

ΔI L 0,198 A

Определение значений диодов

В об / мин = В постоянного тока

В rrm = 12 В

Прямой ток диода согласно данному уравнению будет

.

I Fmax = I omax (1-D мин )

I Fmax = 0.792 А

Выбор значений полевого МОП-транзистора

Максимальное коммутируемое напряжение в соответствии с уравнением, полученным выше

В переключатель-макс = В dcmax = 12 В

При максимальном токе переключения

switch_max > = omax > .D

switch_max > = 0,208

Выбор значений конденсатора

Минимальная емкость, необходимая для преобразователя в соответствии с уравнением, будет

.

С = 1.979 x 10 -5 F

Близкое значение для этой требуемой емкости может быть

.

C = 50 x 10 -6

Номинальное напряжение конденсатора

V cmax = V o + ∆V o /2

В cmax = 2,513 В

Рассмотрение убытков от понижающего конвертера без сделки

Потери понижающего преобразователя необходимо учитывать, когда для него требуется оценка эффективности.Несколько крупных потерь, которые необходимо учитывать, приведены ниже и кратко обсуждаются по очереди.

  1. Статические потери MOSFET
  2. Потери переключения MOSFET
  3. Потери привода затвора MOSFET
  4. Статические потери диода
  5. Переключение диода
  6. Потери в меди в индукторе
  7. Потери ESR конденсатора
Статическая потеря полевого МОП-транзистора

Сопротивление полевого МОП-транзистора R DSon напрямую влияет на статические потери.Это при сопротивлении в значительной степени способствует чрезмерным потерям. Значение R DSon зависит от двух факторов: температуры перехода полевого МОП-транзистора и приложенного напряжения на затворе полевого МОП-транзистора.

Два приведенных ниже графика показывают экспоненциальный рост сопротивления в открытом состоянии. Сопротивление в открытом состоянии полевых МОП-транзисторов увеличивается с увеличением тока стока из-за приложенного к затвору напряжения. Длительность импульса, рассматриваемая для этого графика, составляет 2 мкс, напряжение затвор-исток V GS считается 10 В, а рабочий цикл D равен 0.5%.

Другой график показывает увеличение сопротивления в открытом состоянии с увеличением температуры. Длительность импульса, рассматриваемая для этого графика, составляет 80 мкс, напряжение затвор-исток V GS считается 10 В, а рабочий цикл D составляет 0,5%. Ток стока в данном случае 7,9А.

Статические потери полевого МОП-транзистора (P_ static ) для сопротивления открытого состояния R DS-on можно рассчитать по данному уравнению

P статический = (I switch_rms ) 2 ДС_он

Вспоминая значение I switch_rms и подставляя вышеприведенное уравнение, мы получим следующий результат

Потеря переключения полевого МОП-транзистора

Коммутационные потери полевого МОП-транзистора зависят от схемы перекрытия напряжения и тока. Так как P = vi, следовательно, потери мощности прямо пропорциональны времени их перекрытия. Потери при переключении связаны со временем переключения переключателя.

Во время перехода ток и напряжение не равны нулю.Следовательно, основные коммутационные потери связаны с перекрытием тока и напряжения. Эти потери еще больше увеличиваются с увеличением частоты, поскольку потери возникают как после включения, так и после выключения полевого МОП-транзистора.

На данном графике показано, как возникают потери в переходных состояниях. Напряжение на переключателе приближается к нулю с определенным наклоном, в то время как ток на нем увеличивается. За это время происходят потери. То же самое и с выключением переключателя.

В это время ток приближается к нулю с определенной крутизной, а падение напряжения на нем увеличивается.Вот как возникают переходные потери во время переходного периода.

Согласно приведенному выше обсуждению, общие потери мощности P потери равны потерям мощности во время включения и выключения.

Математически

P статический = P включение + P выключение

Мы знаем, что потери при включении составляют

P включение = t включение. I o. В постоянного тока / 6T

При потерях за время выключения

P выключение = t выключено. I o. В постоянного тока / 6T

Подставив оба этих значения в приведенное выше уравнение, мы получим следующий результат

Если взять общий термин, окончательная форма для общих коммутационных потерь будет

.

Потери привода затвора полевого МОП-транзистора

Эти потери учитываются из-за выходной емкости C oss полевого МОП-транзистора. Эта емкость заряжается, когда полевой МОП-транзистор выключен, что соответствует заданным потерям

.

PC oss = ½ (C oss V dc 2 f)

В то время как потери привода затвора зависят от двух параметров: i.е. напряжение управления затвором V затвора и общий заряд затвора Q затвора . С учетом обоих, математическая форма потерь в приводе затвора равна

.

P ворота = ½ (Q ворота V ворота .f)

Статическая потеря диода

Потери, которые возникают, когда диод полностью включен или когда диод полностью выключен. Статические потери, возникающие при включенном диоде, известны как прямые статические потери. Напротив, потери, возникающие в выключенном состоянии, известны как обратные статические потери.

Математически прямые потери являются произведением прямого тока диода (I F ) и прямого напряжения диода (V F ). Для более точного значения прямых потерь диода добавляются среднеквадратичные потери, возникающие из-за динамического сопротивления , rd диода .

Все эти расчеты были сделаны для форвардных убытков. При этом потери за обратное состояние

P реверс = V r I r (1-D)

Потеря переключения диода

В этом разделе обсуждаются потери, связанные с диодом, подключенным в практическом понижающем преобразователе.То же самое с диодом, как и с переключателем, о котором говорилось ранее. В этом разделе будут обсуждаться потери, связанные как с временем включения, так и с временем выключения.

Потери, связанные с временем включения, характеризуются временем восстановления в прямом направлении (t fr ) и низким значением пикового прямого напряжения (V FP ). И t fr , и V FP можно найти в таблице данных, где t fr и V FP нанесены на график в зависимости от dId (t) / dt. Фактор (dId (t) / dt) сам доступен для данного набора условий в листе данных.Зная более двух значений из таблицы данных, потери при включении P ON могут быть рассчитаны по данному уравнению

P ON = 0,4. (V FP -V f ) .t fr .I f .f

Потери, связанные с временем выключения, связаны со временем, в течение которого напряжение и ток на диоде перекрываются. Это перекрытие в основном способствует сокращению времени восстановления.

Это действительно важное уравнение для расчета потерь при выключении в неидеальном случае.Некоторые неизвестные значения, необходимые для приведенного выше уравнения, можно найти с помощью следующих уравнений.

Убытки генерального индуктора

В понижающем преобразователе может быть не более трех индукторов: накопительный индуктор, связанный индуктор и индуктор фильтра. Поэтому потери всех этих катушек индуктивности учитываются в понижающем преобразователе. В большинстве понижающих преобразователей связанный дроссель не используется, но необходимы дроссель накопителя и дроссель фильтра. Поэтому учитываются потери их двух катушек индуктивности.

Некоторые из потерь, возникающих в магнитных компонентах, равны

.
  1. Омические потери в меди : эти потери вызваны сопротивлением постоянному току и действующим значением тока.
  2. Потери в обмотке из-за переменного тока : переменный ток вносит вклад в эти потери за счет скин-эффекта, эффекта близости.
  3. Потери в сердечнике — гистерезис и потери на вихревые токи: Это происходит из-за потока переменного тока в сердечнике. Потери на гистерезис прямо пропорциональны частоте.Потери вихревого тока пропорциональны квадрату той же частоты. Важное уравнение, используемое для расчета этих потерь, известно как уравнение Штейнмеца (SE). Это уравнение дается как

P V = K1.f a . ΔB β

Выше приведена общая форма уравнения Стейнмеца, тогда как модифицированная форма этого уравнения имеет вид

P V = K1.f a экв. ΔB β

Потери в меди в индукторе

Существует два основных типа потерь, связанных с индуктором: потери в меди индуктора и потери в сердечнике индуктора. В этом разделе обсуждаются потери в меди в индукторе, а потери в сердечнике обсуждаются отдельно.

Потери в меди в индукторе, как следует из названия, эти потери связаны с обмоткой индуктора. Так как обмотка сделана из медной проволоки, она известна как потери в меди индуктора.Эти потери носят резистивный характер, поскольку обмотка имеет некоторое сопротивление. Эти потери незначительны, поэтому для идеального понижающего преобразователя они не учитываются, а учитываются для более точных расчетов.

Потери в меди в индукторе возникают из-за сопротивления обмотки. Следовательно, потери в меди индуктора являются произведением сопротивления индуктора постоянному току R L и среднеквадратичного значения тока индуктора I͠ L .

P L = I͠ L 2 .R L

действующего значения тока I͠ L можно найти в соответствии с приведенным ниже уравнением, а R L — это сопротивление катушки индуктивности.

Потери в сердечнике индуктора

На потери в сердечнике индикатора понижающего преобразователя в основном влияют три фактора: размах магнитного потока B, частота коммутации F и температура. Общая форма формулы для потерь в сердечнике индуктора имеет вид

.

Потери в сердечнике = Потери в сердечнике / Единичный объем x Объем

Где потери в сердечнике / единичный объем для приведенного выше уравнения можно рассчитать как

Потери в сердечнике / единица = k1 x B k2 x F k3

k1, k2 и k3 — все константы, которые обычно предоставляются производителями сердечников.Значения, требуемые для этих констант, должны быть как можно более низкими для низких потерь в сердечнике. Некоторые известные производители и компании предоставляют очень низкие значения этих коэффициентов для большей эффективности.

Потери ESR конденсатора

Все существующие конденсаторы имеют (эквивалентное последовательное сопротивление) ESR. Это сопротивление способствует потере мощности в понижающем преобразователе, известной как потеря ESR конденсатора. потери из-за ESR конденсатора могут быть найдены в соответствии со следующим уравнением.

P ESR = I͠ c 2 .R ESR

Где I͠ c 2 в приведенном выше уравнении — это среднеквадратичный ток конденсатора, а ESR — последовательное сопротивление конденсатора. Значение I͠ c 2 можно найти в соответствии с ранее обсужденными уравнениями.

Примеры расчетов бак с потерями Понижающий преобразователь

уже был разработан в этой статье. Но этот пример был для чисто идеального понижающего преобразователя, которого не существует на практике.В этом разделе будет показано, как использовать полученные ранее уравнения для вычисления значений различных компонентов, необходимых для понижающего преобразователя.

(конструкция неидеального понижающего преобразователя) Пример 1

Этот пример покажет, как спроектировать неидеальный понижающий преобразователь для заданных параметров. Мы спроектируем неидеальный понижающий преобразователь для данных параметров в соответствии с предыдущим обсуждением и производными уравнениями.

Заданные параметры

Номинальное выходное напряжение системы

В оном = 12 В

Номинальное входное напряжение системы

В innom = 24V

Максимальная выходная мощность

120 Вт

Частота переключения

F с = 250 кГц

Максимальный процент пульсации

В ОПП = 2%

Минимальный процент CCM —

I куб. См = 10%

Расчеты на проектирование

Номинальный рабочий цикл неидеального понижающего преобразователя составляет

D = V ном / V ном

D = 0.5

Выбор значения индуктивности: Формула критической индуктивности немного отличается от

.

Вывод: Мы уже обсуждали, что значение индуктивности не должно быть меньше критической индуктивности. Следовательно, значение индуктивности может быть любым значением, превышающим это критическое значение. Следовательно, выбирая Lo как

л o = 200 мкГн

Значение сопротивления индуктивности 200 мкГн постоянному току можно измерить с помощью цифрового мультиметра.Но мы предполагаем, что оно составляет 100 мОм.

R Lo = 100 мОм

Расчет пикового тока катушки индуктивности в соответствии с приведенным выше обсуждением составляет

.

Выбор переключателя:

Напряжение переключателя

В swmax = В inom = 24 В

Ток переключения как

I d = D.P omax / V onom

I d = 5A

Заключение: В соответствии с приведенными выше результатами мы узнали, что MOSFET IRF7471 40V 10A Rdson 13mO является лучшим решением.

Выбор диода:

Для правильного выбора диода нам необходимо знать значения двух параметров: диода V rrm и прямого тока диода. Мы знаем, что

В об / мин = В ином

В об / мин = 24 В

Прямой ток диода согласно данному уравнению равен

.

I F = (1-D) .P omax / V onom

I F = 5A

Вывод: согласно приведенным выше значениям, мы пришли к выводу, что диод Shotkey MBR3040 — лучшее решение.Для получения дополнительной информации см. Технический паспорт MBR3040.

Выбор конденсатора

Для выбора емкости конденсатора нам необходимо знать значения трех параметров, т.е. номинальное напряжение конденсатора, емкость C или и номинальный ток RMS.

Мы знаем, что номинальное напряжение конденсатора по формуле равно

V колпачок = V оном + V OPP .V оном /2

В цоколь = 12.12В

Емкость C o составляет

Номинальный ток

RMS можно найти в соответствии с данной формулой как

.

Заключение: глядя на приведенные выше результаты, мы пришли к выводу, что конденсатор 25 В 50 мкФ — это лучшее значение конденсатора, которое следует выбрать.

(конструкция неидеального понижающего преобразователя) Пример 2

Этот пример иллюстрирует конструкцию понижающего преобразователя, который поддерживается до 10% от 5 А, что является током полной нагрузки.

Заданные параметры

Выходное напряжение системы

В или = 12 В

Входное напряжение системы

В постоянного тока = 24 В

Частота переключения

F с = 100 кГц

Процент пульсации выходного напряжения Vpp составляет

ΔV o = 10. x10 -3 V

Процент minload-CCM составляет

CCM = 10%

Ток полной нагрузки

I omax = 10A

Период времени Ts является обратной величиной частоты коммутации.Следовательно, T с = 1 / 100k

Расчеты на проектирование

Здесь мы рассчитаем все важные параметры, необходимые для проектирования понижающего преобразователя. Прежде всего, требуется найти идеальное время и идеальное время отдыха.

Идеальное время включения переключателя — это отношение выходного напряжения и входного напряжения к произведению общего периодического времени.

т на = (В o / В DC ) .Ц

т на = 2.5 x10 -5 с

Минимальный ток, необходимый для поддержания режима непрерывной проводимости (CCM), составляет

I omin = см. I omax

I omin = 1A

Выбор значения индуктивности:

Мы найдем значение критического значения индуктивности, которое определит минимальное значение, при котором понижающий преобразователь может работать в режиме CCM. Значение должно быть выбрано больше критического значения индуктивности для работы в режиме CCM.Допустим, на 10% больше критической индуктивности.

L c = (V DC -V o ) .t на / 2.I omin

L c = 4,5 × 10 -5 H

Вывод : Как мы обсуждали ранее, выбранное значение индуктивности должно быть больше 10% от критического значения индуктивности. Итак, L = 1.1L c

L = 4,95 x10 -5 H

Минимальное значение выходного тока можно вычислить в соответствии с выбранным значением индуктивности, равным

.

I omin = (V DC -Vo).т на / 2L

I omin = 0.909A

Следующее, что необходимо определить, это I Lmin и I Lmax при минимальной нагрузке. Первоначальное предположение для I Lmin и I Lmax было равно 1 А, потому что нам нужно, чтобы пульсации были равны нулю.

Данные два уравнения в терминах I Lmin и I Lmax равны

I omin = (I Lmax1 + I Lmin1 ) / 2

(V DC -V или ).t на / L = I Lmax1 + I Lmin1

Следовательно, при упрощении I Lmin и I Lmax при минимальной нагрузке равны

I Lmin1 = 0A

I Lmax1 = 1,818 A

Отсюда разница между

ΔI L1 = I Lmax — I Lmin

Расчет емкости выходного конденсатора

Приблизительное значение СОЭ согласно его уравнению составляет

.

СОЭ = ΔV o / ΔI L

СОЭ = 5.5 × 10 -3 Ом

Если предположить, что используется электролитический конденсатор, то

СОЭ * C = 65 мкс

C o = (65 x10 -6 / ESR) с

По их значениям эквивалентный результат —

C o = 0,012F

Вывод: Ближайшее к расчетному номинальное значение емкости конденсатора 15 × 10 -3 . Следовательно, выбирая выходной конденсатор C o = 15 x10 -3

Расчет общей ряби

Для расчета общей ряби нам нужно найти рябь, обусловленную двумя факторами: i.е. Пульсации из-за разряда заряда конденсатора и Пульсации из-за ESR конденсатора. Эти расчеты выполняются индивидуально, и их сложение дает общую рябь. Для расчета всех этих значений нам необходимо пересчитать значение ESR для выбранного конденсатора.

СОЭ = (65 x10 -6 ) / C o с

Ставя значения и упрощая, получаем результат

СОЭ = 4,333 × 10 -3

Величина пульсации от заряда и разряда конденсатора

ΔV c = (ΔI L .Ц) / 8Co

Результат приведенного выше уравнения, поместив в него значения:

ΔV c = 1,515 × 10 -3

Значение пульсации из-за ESR конденсатора составляет

ΔV ESR = ΔI L .ESR

ΔV ESR = 7,879 x10 -4 V

Величина общей пульсации представляет собой сумму пульсаций из-за заряда и разряда конденсаторов и пульсаций из-за ESR конденсаторов.

ΔV общ = ΔV c + ΔV ESR

Повышение эффективности

Эффективность можно повысить, выбрав правильное значение компонентов, используемых в понижающем преобразователе.Эффективность можно дополнительно повысить, применив описанные стратегии к следующим компонентам.

Конденсатор

Как обсуждалось ранее в этой статье, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) конденсатора напрямую влияет на потери мощности. Следовательно, потери можно уменьшить за счет уменьшения ESR. Другими словами, снижение ESR снизит потери мощности, что повысит эффективность.

Еще один способ уменьшить потери мощности и повысить эффективность — использовать метод параллельного включения конденсаторов.При использовании этого метода общая емкость будет увеличена, а ESR уменьшится. Снижение СОЭ — это еще один способ сказать, что эффективность повышается.

Пульсация тока нижнего индуктора

КПД можно повысить за счет уменьшения среднеквадратичных потерь как в катушке индуктивности, так и в выходном конденсаторе. Это огромные потери, которые необходимо уменьшить для повышения эффективности. Существует множество способов уменьшения пульсаций тока катушки индуктивности.

Более распространенным решением для подавления пульсаций является использование емкостного конденсатора.Это решение предназначено для предотвращения появления пульсаций на выходе, но потери из-за пульсаций все еще возникают.

Более практичным решением является увеличение частоты коммутации или увеличения индуктивности. Это уменьшит пульсации индуктора, но увеличит потери из-за частоты. Причина в том, что частота также прямо пропорциональна потерям. Между ними всегда есть компромисс.

Теперь, если значение индуктора увеличивается вместо увеличения частоты, тогда сопротивление провода постоянному току увеличивается.Поскольку величина сопротивления прямо пропорциональна длине провода обмотки. Следовательно, выбор большого значения индуктивности увеличит потери из-за DCR.

Напряжение привода нижнего затвора

Путем снижения напряжения привода затвора можно уменьшить возникающие там потери мощности. Другими словами, эффективность системы может быть увеличена.

Использование синхронного полевого МОП-транзистора

Использование синхронного МОП-транзистора вместо диода может повысить эффективность.Это значительно улучшает эффективность при низком напряжении и большом токе. Синхронное выпрямление осуществляется путем замены диодов Шотки, которые свободно вращаются, на полевые МОП-транзисторы.

Эта процедура особенно полезна для приложений с высоким током и низким рабочим циклом. Проблему все еще не удалось решить, даже заменив диод Шотки на MOSFET. Окончательную проблему можно решить заменой корпусного диода на диод Шотки. Причина в том, что корпусный диод работает медленно из-за своего мертвого времени.

Короче говоря, вся концепция заключается в замене свободно вращающихся диодов Shottkey на полевой МОП-транзистор, а затем диод Шоттки подключается через полевой МОП-транзистор. Комбинация MOSFET и Schottkey — это FETKEY, например IRF7326D2.

Мягкое переключение

Мягкое переключение предотвращает жесткое переключение, что означает, что оно предотвращает перекрытие тока и напряжения переключателя во время выключения и включения. Это значительно повысит эффективность преобразователя, поскольку мы уже обсуждали соотношение частоты переключения и потерь.

Резонансная цепь используется для изменения формы сигнала. При использовании этой схемы форма сигнала тока или напряжения обращается в ноль в момент срабатывания переключения. Это снизит коммутационные потери почти до нуля.

Существует множество доступных квазирезонансных понижающих топологий, таких как нулевой ток с коммутацией и нулевого напряжения резонансные понижающие преобразователи. Переключатели нулевого тока работают с постоянным временем включения, в то время как с постоянным временем отключения может работать переключатель нулевого напряжения.Как ZCS, так и ZVS методы традиционно используются для мягкой коммутации.

Эти преобразователи обладают способностью уменьшать потери мощности из-за переключения на ноль за счет уменьшения напряжения или тока до нуля во время перехода. Уменьшение потерь мощности увеличит эффективность, поскольку эффективность и потери обратно пропорциональны друг другу.

Схемы для ZVS и ZCS приведены ниже.

ШИМ-контроллер Контроллер режима тока

предпочтительнее, потому что он имеет множество преимуществ.Здесь обсуждаются некоторые из преимуществ.

  1. Отклонение строки
  • Замыкание токовой петли может ослабить большой входной шум
  • Затухание пульсаций обычно достаточно даже при умеренном усилении в цепи обратной связи по напряжению с управлением в режиме тока.
  • Для управления режимом напряжения в главном контуре требуется гораздо большее усиление, чтобы достичь эквивалентной производительности, как это достигается в режиме тока
  1. Работа CCM и DCM
  • Невозможно спроектировать компенсатор с режимом напряжения, который может хорошо работать как с CCM, так и с DCM.
  • В текущем режиме нет проблем с пересечением границы между двумя режимами работы, то есть CCM и DCM.
  • Он имеет большое преимущество благодаря оптимальному отклику в обоих режимах. Это позволяет намного эффективнее управлять силовым каскадом.
  1. Простая компенсация
  • В режиме напряжения, поскольку резонансная частота фильтра требует компенсатора типа 3 для стабилизации системы. Поэтому очень резко падает фаза.
  • Токовый режим похож на одномодовую систему, поскольку мы заметили, что токовая петля управляет индуктором.
  • С его помощью преобразователем можно очень легко управлять, поскольку он в значительной степени улучшает запас по фазе.
  • С учетом вышеизложенного можно сказать, что компенсатор типа 2 подходит. Используя это, можно значительно упростить процесс проектирования.
  • Переход должен быть больше резонансной частоты для резонансной частоты напряжения.
Рассмотрение макета

При планировке необходимо учитывать следующее.

  1. Сохраняйте низкую индуктивность трассировки
  • , чтобы индуктивность следа была как можно ниже. Желательно уменьшить индуктивность дорожки за счет уменьшения длины, а не за счет увеличения длины критического пути. Критический путь — это путь переключателя и диода.
  • Шумовые пики могут появляться на микросхеме контроллера, а также на выходе и входе.
  • Токовый пробник привнесет дополнительную индуктивность. Поэтому не используйте его для диода и переключателя.
  1. Обеспечение развязки входа
  • Обеспечение очень хорошей развязки входа, поскольку входной конденсатор находится на критическом пути. Эти конденсаторы также известны как шунтирующие конденсаторы, потому что они при необходимости шунтируют источник.
  • В этом случае используются небольшие керамические конденсаторы. Один от переключателя на землю, а другой от конца питания на землю. Эти конденсаторы используются наряду с обычными конденсаторами большой емкости.
  1. Обеспечение развязки керамическими конденсаторами
  • Использование небольшого керамического конденсатора обеспечивает хорошую развязку между контактами заземления и выходом.
  1. Используйте экранированный индуктор
  • Лучше использовать экранированный индуктор и держать его подальше от следа обратной связи и от контроллера.
  1. Выделение одного слоя земли в многослойных
  • В многослойных плитах под грунт лучше выделить один слой.
  1. Короткий след для обратной связи
  • Для минимизации шума след обратной связи должен быть как можно короче.
  • Разместите трассу обратной связи как можно дальше от источников шума.

Многофазный понижающий преобразователь

Этот метод преодолел недостаток традиционного однофазного понижающего преобразователя. Поскольку традиционный однофазный понижающий преобразователь имеет один переключатель, диод и индуктор. следовательно, эти компоненты имеют текущие ограничения и не могут эксплуатироваться за пределами этих ограничений.

Для приложений с более высокой мощностью необходимо, чтобы система работала на большом токе, но все эти компоненты имеют ограничения.Лучшее возможное решение — использовать несколько традиционных понижающих преобразователей. Этот метод известен как многофазный понижающий преобразователь и может использоваться для приложений с низким напряжением и высоким током.

Выше представлена ​​принципиальная схема многофазного понижающего преобразователя. Как видно из схемы, это просто параллельное соединение понижающих преобразователей. Все их входы являются общими друг для друга как их выходы, а затем подключены к фильтру. Фильтр отфильтрует большую часть пульсаций и будет передавать мощность постоянного тока на нагрузку.

Этот метод может быть очень полезен в будущем, поскольку для процессоров и ASIC следующего поколения требуются более высокие токи, низкое напряжение и более быстрый динамический отклик.

Требуется высокая эффективность и решения для управления питанием. Короче говоря, этот метод будет иметь более высокий спрос из-за удовлетворения потребности в увеличении плотности мощности из-за более высокой рабочей частоты и более высокого КПД. Эта технология появляется, чтобы конкурировать с будущими требованиями к мощности.

Более низкий уровень мощности с приложениями высокой плотности может управляться с помощью 2-фазных решений, в то время как для высоких уровней мощности может потребоваться до 4-х фазных решений или даже больше. Причина опять же в ограничениях компонентов и других ограничениях понижающего преобразователя. Таким образом, для приложений с высокой плотностью требуются растворы с более высокой фазой.

Похожие сообщения:

Преимущества многофазности

Несмотря на то, что преимуществ многофазной техники намного больше, их мало, о них упоминается и обсуждается в этой статье.Некоторые преимущества обозначены как

  1. Повышенная эффективность

Наилучшая энергоэффективность может быть достигнута за счет преобразования в одноступенчатом режиме, а не за счет преобразования в два этапа.

Например: 24 В необходимо преобразовать в 1,2 В с помощью двухфазного прямого преобразователя на 100 Вт. Ток будет делиться поровну на две фазы при двухфазном преобразовании. Следовательно, потери будут уменьшены на 50%, поскольку мы знаем, что потери в переключателе равны × R. Во-вторых, более низкий пиковый ток уменьшит потери при включении и выключении.В результате повышается общая эффективность.

  1. Снижение пульсаций на входе / выходе

Частота коммутации увеличивается с помощью многофазных ШИМ-контроллеров. Частота коммутации прямо пропорциональна количеству фаз. Результирующая частота многофазного сигнала эквивалентна тактовой частоте ШИМ отдельных инверторов, отсчитывающих количество фаз.

Для более высокой рабочей частоты размер катушки индуктивности может быть уменьшен, и требуется небольшой входной выходной конденсатор.Это одно из основных преимуществ многофазности, поскольку одиночный понижающий преобразователь ограничен некоторой ограниченной частотой.

Частота отдельного понижающего преобразователя не может быть увеличена больше номинальной частоты из-за частоты его компонентов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.