DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Последним временем DC-DC преобразователь завоевал высокую популярность в различных сферах электроники. Широкое распространение они получили благодаря минимальным габаритам и относительно высокому коэффициенту полезного действия, поэтому повсеместно используются в качестве ключевого элемента питания различных гаджетов.

DC-DC преобразователь

На сегодняшний день в мировой сети достаточно легко найти множество различных обзорных видео по конкретной серии преобразователя, а рассмотрим его принцип работы.

Первым делом заметим, что DC-DC преобразователь предназначен для преобразования постоянного напряжения одной величины в постоянное другой величины. DC расшифровывается, как direct current, что в переводе с английского обозначает постоянный ток. Преобразователи такого типа еще называют импульсными, поскольку последние отбирают энергию с источника питания порциями или же импульсами.

В зависимости от величины выходного напряжения по отношению ко входному они разделяются на три типа:

— понижающие (buck) – величина выходного напряжения меньше величины входного;

DC-DC понижающий преобразователь

— повышающие (boost) – значение выходного напряжения больше входного;

DC-DC повышающий преобразователь

— понижающе-повышающий (buck-boost) – способны как повышать, так и понижать выходное напряжение относительно входного.

DC-DC понижающе-повышающий преобразователь

Мы подробно рассмотрим принцип работы только двух первых типов, как получивших наибольшее распространение. И вкратце затронем третий тип.

Понижающий DCDC преобразователь

Вначале воспользуемся упрощенным вариантом схемы понижающего преобразователя (рис.1). Она состоит из источника питания постоянного напряжения Uип, нагрузки в виде резистора Rн и ключа K. В реальных схемах ключом является транзистор, а в рассмотренных далее преобразователях ним очень часто служит n-канальный полевой транзистор.

Упрощенная схема DC-DC преобразователя

Рис. 1 – Упрощенная схема DC-DC преобразователя

Допустим, что в начальный момент времени ключ K разомкнут, следовательно напряжение на нагрузке Rн равно нулю Uип=0. В следующий момент времени ключ K замкнут и напряжение на нагрузке равно источнику питания, а в цепи будет протекать ток I (рис. 2). Дальше ключ снова разомкнется и все повторится. Таким образом на нагрузке будет напряжение в виде импульсов. Если время импульса и пазы одинаково, то среднее напряжение на нагрузке будет равно половине от источника питания (рис. 3). Если время длительности импульса превышает длительность паузы, то повысится и среднее напряжение на нагрузке. Форма ток при чисто активной нагрузке будет повторять форму напряжения. Поэтому ток на нагрузке имеет прерывистый характер. А это значит, что если к выходу такого преобразователя подключить лампу, то при низкой частоте переключений ключа, она бы мерцала.

Упрощенная схема понижающего DC-DC преобразователя

Рис. 2 – Путь протекания тока при замкнутом ключе

График напряжения понижающего DC-DC преобразователя

Рис. 3 – График напряжения но выходе преобразователя

Как видно, такая схема не может обеспечить качественное выходное напряжение, а следовательно и ток, протекающий в цепи нагрузки.

Для устранения этого недостатка и сглаживания пульсаций, вызванных работой полупроводникового ключа, применяется конденсатор (рис. 4). Рассмотрим его работу в схеме.

Конденсатор на плате DC-DC преобразователя

Рис. 4 — Внешний вид выходного конденсатора на плате DC-DC преобразователя

Назначение конденсатора в DC-DC преобразователе

Когда ключ замкнут (рис. 5) конденсатор заряжается и накапливает энергию электрического поля, которая равна

Wэ=CU2/2 [Дж].

А когда ключ разомкнут (рис. 6), т. е. в момент паузы, накопленная энергия отдается нагрузке. В этот момент конденсатор служит источником напряжения для нагрузки. Поэтому в момент паузы напряжение не «проваливается», а поддерживается почти на одном уровне (рис. 7). За счет этого устраняются пульсации. Чем больше емкость конденсатора, тем лучше сглаживаются пульсации.

Путь протекания тока в цепи с конденсатором

Рис. 5 — Путь протекания тока в замкнутой цепи с конденсатором

Путь протекания тока в разомкнутой цепи с конденсатором

Рис. 6 — Путь протекания тока в цепи с конденсатором

Форма напряжения на конденсаторе

Рис. 7 —  Упрощенная форма напряжения на конденсаторе

Однако непосредственно подавать напряжение на конденсаторы большой емкости крайне нежелательно. Это объясняется тем, что в момент подключения конденсатора к нагрузке (когда ключ замкнут) ток заряда его ничем не ограничен (внутреннее сопротивление источника питания мы не берем в счет). Поэтому за короткий промежуток времени он может достигнуть огромной величины, что может привести к нежелательным последствиям.

Резистор в помощь конденсатору

Наиболее простой способ ограничить ток заряда конденсатора – это последовательно к нему подключить резистор (рис.8, 9). С увеличение сопротивления резистора будет увеличиваться время заряда конденсатора и соответственно снизится амплитуда зарядного тока.

Путь протекания тока в схеме с резистором

Рис. 8 — Путь протекания тока в цепи с резистором

Путь протекания тока в схеме с резистором

Рис. 9 — Контур разрядного тока конденсатора

Однако и его применение вносит недостаток в схему. Поскольку он постоянно включен в цепь, то в нем всегда возникают потери энергии, что отрицатель сказывается на КПД. Поэтому даже в маломощных DC-DC преобразователях вместо резистора применяется катушка индуктивности (рис. 10). Рассмотрим подробнее ее работу.

Катушка индуктивности на плате DC-DC преобразователя

Рис. 10 — Катушка индуктивности на плате DC-DC преобразователя

Назначение катушки индуктивности в DC-DC преобразователе

В момент замыкания ключа (рис. 11) начинает нарастать ток, протекающий через катушку. За счет этого в ней возникает ЭДС самоиндукции, которая направлено встречно току и препятствует мгновенному его нарастанию. Таким образом ток в цепи с индуктивностью мгновенно вырасти (изменится) не может. В электротехнике это называется 1-й закон коммутации.

Путь протекания тока в схеме преобразователя с катушкой

Рис. 11 — Путь протекания тока в схеме преобразователя с катушкой

Благодаря этому полезному свойству катушки индуктивности снижается зарядный ток конденсатора.

По мере достижения установившегося режима ЭДС самоиндукции снижения до нуля. Поэтому препятствие для протекания тока создает лишь активное сопротивление катушки. Его величина значительно меньше сопротивления того резистора, который бы применялся вместо катушки индуктивности. Следовательно КПД DC-DC преобразователя повысится.

Катушка, как и конденсатор, обладает свойством накапливать энергию. Эта энергия запасается в виде магнитного поля Wм и зависит от индуктивности L и величины протекающего тока I:

Wм=LI2/2 [Дж].

Однако при размыкании цепи (рис. 12), в отличие от конденсатора, который сохраняет накопленные заряды на свои обкладках, катушка не может продолжать хранить запасенную энергию магнитного поля. Поэтому она преобразуется в тепловую энергию в виде электрической дуги или искры, проскакивающей между размыкающимися контактами. Поскольку у полупроводниковых элементов отсутствуют какие-либо размыкающие или замыкающие контакты, а переключения происходят за счет иных процессов, то во время размыкания цепи на полупроводниковом ключе возникают сильные перенапряжения.

Процесс размыкания цепи с катушкой

Рис. 12 — Процесс размыкания цепи с катушкой индуктивности

     Величина перенапряжений может в несколько раз превышать номинальное рабочее напряжение. Это опасно тем, что может произойти пробой ключа и повредится изоляция находящихся рядом элементов.

Для устранения этого недостатка и защиты полупроводникового ключа применяется обратный диод (рис. 13). Еще его называют защитный диод.

Защитный диод на плате DC-DC преобразователя

Рис. 13 — Внешний вид обратного диода на плате DC-DC преобразователя

Обратный | защитный диод 

Рассмотрим его работу в преобразователе.

Когда ключ К замкнут ток протекает от плюса источника питания через катушку и нагрузку на минус (рис. 14). Так же происходит заряд конденсатора С, но нам это сейчас не столь важно. Через диод ток не протекает, поскольку он включен в обратном направлении. В это же время запасает энергию катушка индуктивности.

Путь протекания тока в цепи с обратным диодом

Рис. 14 — Путь протекания тока в цепи с обратным диодом

При размыкании цепи (рис. 15) ключом К, катушка продолжает питать током нагрузку за счет накопленной катушкой энергии магнитного поля, а обратный диод создает путь для протекания этого тока.

Защитный диод в схеме DC-DC преобразователя

Рис. 15 — Защитный диод в схеме DC-DC преобразователя

Таким образом при размыкании ключа К катушка индуктивности служит источником тока, который протекает в цепи благодаря наличию диода.

Как видно в такой схеме, переключения ключа не влекут за собой значительных перенапряжений.

Схема понижающего DCDC преобразователя

Осталось рассмотреть еще некоторые элементы DC-DC преобразователя (рис. 16…19).

Для снижения помех в источнике питания, которые вызваны работой полупроводникового ключа, применяется также входной конденсатор C1.

Входной конденсатор на плате DC-DC преобразователя

Рис. 16 — Входной конденсатор на плате DC-DC преобразователя

Частота переключений (коммутации) ключа задается генератором. При управлении плевых транзистором FOSFET еще необходим драйвер. Основной задачей драйвера является преобразование выходных импульсов генератора частоты в более мощные импульсы для гарантированного открытия транзистора.

Для поддержания заданного значения напряжения на нагрузке, которое может изменятся как при колебаниях входного напряжения, так и величины самой нагрузки, необходима еще система управления генератором частоты.

Чтобы система управления функционировала ей необходимо знать текущее значение выходного напряжения преобразователя, т. е. напряжение на нагрузке. Оно может быть снято с одной точки потенциала (рис. 17) или с делителя напряжения (рис. 18).

Структура системы управления DC-DC преобразователя

Рис. 17 — Структура системы управления DC-DC преобразователя

Обратная связь с резисторного делителя напряжения

Рис. 18 — Обратная связь с резисторного делителя напряжения

Связь между системой управления и напряжение на нагрузке называется обратной связью.

Если в преобразователе есть возможность регулировать выходное напряжение, то в плече делителя напряжения используется подстроечный резистор (рис. 19).

Обратная связь с подстроечного резистора

Рис. 19 — Обратная связь с подстроечного резистора

Такую структуру имеет понижающий DC-DC преобразователь.

Схема DCDC повышающего преобразователя

Все компоненты повышающего DC-DC преобразователя выполняют точно такие же функции, что и в уже рассмотренном понижающего типа. Однако отличается структура построения схемы. Вкратце рассмотрим принцип ее работы.

При замкнутом ключе К (рис. 20) практически весь ток протекает через катушку индуктивности. Она собой накоротко замыкает источник питания. Но длительность этого короткого замыкания достаточно короткая, что не приводит к опасным последствиям. При этом ток значительно возрастает, а энергия магнитного поля, накапливаемая в катушке, зависит в квадрате от тока, протекающего через нее Wм=LI2/2. За счет большего тока в повышающем DC-DC преобразователе катушка индуктивности запасает гораздо больше энергии, чем в понижающем.

Схема повышающего DC-DC преобразователя

Рис. 20 — Схема повышающего DC-DC преобразователя

При размыкании ключа К (рис. 21) эта энергия расходуется на заряд конденсатора и на питание нагрузки. Но при этом энергия катушки не иссекается, поскольку подпитывается от источника питания. За счет запасенной энергии в катушке увеличивается зарядный ток конденсатора. Поскольку электрический ток I – это количество зарядов Q за единицу времени t

I=Q/t,

то с увеличением, тока за одинаковое время, конденсатор накопит большее количество зарядов Q. А напряжение на конденсаторе прямо пропорционально зависит от количества зарядов и емкости

U = Q/С.

Следовательно оно также возрастет.

Работа повышающего DC-DC преобразователя

Рис. 21 — Работа повышающего DC-DC преобразователя

Поэтому при увеличении зарядного тока конденсатора, возникающем за счет дополнительной энергии катушки, напряжение на конденсаторе становится выше чем источника питания.

Схема DCDC понижающе-повышающего преобразователя

Как говорит само за себя название, такой преобразователь способен понижать и повышать входное напряжение. Однако при этом выходное напряжение имеет противоположную полярность относительно входного.

Схема его работает следующим образом. При замкнутом ключе К (рис. 22) ток протекает по пути: плюс источника питания, ключ, катушка индуктивности, минус источника питания. В этот отрезок времени ток через нагрузку не протекает, поскольку путь тока блокируется диод VD, который включен в обратном направлении по отношению к источнику питания.

Схема DC-DC понижающе-повышающего преобразователя

Рис. 22 — Схема DC-DC понижающе-повышающего преобразователя

При разомкнутом ключе К (рис. 23) энергия, запасенная в катушке, расходуется на подзарядку конденсатора C и на нагрузку Rн. Ток протекает по цепи: катушку индуктивности, конденсатор и нагрузка, обратный диод и снова возвращается к катушке.

DC-DC понижающе-повышающий преобразователь

Рис. 23 — Работа понижающе-повышающего преобразователя

Обратите внимание, что конденсатор такого преобразователя имеет противоположную полярность, по сравнению с повышающим и понижающим преобразователем.

Микросхема LM2596 (понижающий преобразователь)

Рассмотрим реальную схему понижающего DC-DC преобразователя (рис.24) на базе микросхемы LM2596.

LM2596

Рис. 24 — Схема из даташита LM2596

Посмотрев внимательно на схему мы заметим, что она содержит все ранее нами рассмотренные элементы. Внутри микросхемы имеется полевой транзистор, генератор импульсов, частота которых 150 Гц, драйвер и система управления. Корпус микросхемы имеет пять выводов и выполнен для установки на радиатор. Первый вывод является входом, а второй – выходом. Третий – это земля. Четвертый вывод служит обратной связью между системой управления и текучим значение выходного напряжения. Подачей соответствующего уровня напряжения на пятый вывод микросхеме разрешается либо запрещается формирование импульсов.

Микросхема XL6009 (повышающий преобразователь)

Теперь давайте заглянем в даташит микросхемы XL6009 (рис. 25). Нас интересует схема повышающего преобразователя. В ней мы видим все нам уже известные элементы, кроме двух конденсаторов емкостью 1 мкФ (на схеме обозначены 105). Они применятся для сглаживания высокочастотных пульсаций, поскольку встроенный в микросхему генератор работает на частоте 400 кГц.

XL6009

Рис. 25 — Схема из даташита XL6009

Как и предыдущая, данная микросхема XL6009 имеет пять выводов:

1 – «земля»;

2 – разрешающий вывод;

3 – выход встроенного транзистора;

4 – вход;

5 – обратная связь.

В данной схеме обратной связью служит напряжение, снятое с делителя напряжения, выполненного на двух резисторах R1 и R2.

Выводы

Изучив принцип работы DC-DC преобразователя и назначение его основных элементов мы еще убедились в том, что рассмотренные нами схемы повсеместно применяются при изготовлении реальных устройств.



Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *