Dc регулятор напряжения. Обзор регулируемых преобразователей напряжения (стабилизаторов, DC-DC конвертеров). Повышающие, по английской терминологии step-up или boost

Тони Армстронг (Tony Armstrong) Перевод: Павел Башмаков (Pavel Bashmakov) active@сайт Владимир Рентюк

Вступление

Техническая политика производителей телекоммуникационного оборудования, как ответ на требования рынка, направлена на то, чтобы постоянно увеличивать пропускную способность и эффективность выпускаемых ими систем, а также повышать их функциональные возможности и общие технические характеристики. В то же время остаются актуальными и вопросы снижения общего потребления энергии выпускаемых систем. Например, типичная задача состоит в том, чтобы сократить общее энергопотребление путем перенаправления рабочего потока и перемещения рабочей нагрузки на недостаточно задействованные серверы, что позволяет отключить часть серверов, освободившихся на текущий момент. Для удовлетворения этих требований необходимо знать энергопотребление оборудования конечного пользователя. Таким образом, правильно спроектированная система цифрового управления питанием DPSM (англ. DPSM - digital power management system) может предоставить пользователю данные о потребляемой мощности, что помогает реализовать интеллектуальные, или, как еще говорят, «умные», решения по управлению общим энергопотреблением.

Основное преимущество и выгода от использования технологии DPSM - снижение себестоимости разработки и сокращение времени выхода конечного изделия на рынок. Сложные мультишинные системы могут быть эффективно созданы с помощью комплексной среды разработки с интуитивно понятным графическим пользовательским интерфейсом (англ. GUI - graphical user interface). Кроме того, подобные системы упрощают тестирование и отладку устройства, давая возможность вносить изменения непосредственно через графический интерфейс вместо пайки перемычек. Еще одно преимущество - прогнозирование отказов системы питания и внесение превентивных мер, что становится возможным благодаря наличию данных телеметрии, получаемых в реальном времени. Вероятно, особое значение здесь имеет то, что DC/DC-преобразователи с цифровыми функциями управления позволяют разработчикам проектировать «зеленые» системы питания, обеспечивающие необходимую производительность с минимальным энергопотреблением в точках нагрузки. Более того, выгода существует уже на уровне инсталлирования таких систем, снижает затраты на инфраструктуру и общую стоимость пользования системой в течение всего срока службы продукта.

Большинство телекоммуникационных систем питаются через 48-В шину, затем это напряжение обычно понижается до напряжения промежуточной шины, обычно оно находится в диапазоне напряжений от 12 до 3,3 В, от которого осуществляется непосредственное питание плат в рэк-стойках системы. Тем не менее большинство вспомогательных цепей или микросхем на платах должны работать при напряжении в диапазоне менее чем от 1 и до 3,3 В при токах от десятков миллиампер до сотен ампер. В результате DC/DC-преобразователи, используемые в рамках технологии POL (англ. POL - Point-of-Load, технология, при которой источник питания максимально приближен к своей непосредственной нагрузке), должны понизить напряжение промежуточной шины до напряжения, требуемого этими вспомогательными цепями или микросхемами. К таким шинам предъявляются весьма строгие требования по соблюдению последовательности включения, точности напряжения, по маржированию и контролю (обычно с использованием функции супервизора).

В телекоммуникационных системах насчитывается до пятидесяти самых разнообразных шин POL, и системным разработчикам необходим простой способ для управления этими шинами, причем по отношению как к выходному напряжению, так и к последовательности (очередности) их включения и уровню максимально допустимого тока нагрузки. Например, некоторые процессоры требуют, чтобы их напряжение на порты ввода/вывода подавалось еще до подачи основного напряжения на ядро. Другие решения, в частности DSP (англ. DSP - Digital Signal Processor, цифровой сигнальный процессор), предусматривают подачу своего основного напряжения еще до поступления напряжения на порты ввода/вывода. Соблюдение определенного порядка снятия напряжений при выключении питания также является обязательным условием. Для того чтобы упростить конструкцию в части организации электропитания, проектировщику системы нужен простой способ, чтобы сделать все необходимые изменения, направленные на оптимизацию производительности системы, но при этом и сохранить определенное необходимое конфигурирование каждого из ее DC/DC-преобразователей.

Кроме того, чтобы одновременно удовлетворить требования по всем многочисленным шинам питания на платах и по уменьшению площади самих плат, системные разработчики должны иметь относительно простые преобразователи напряжения, поскольку на обратной стороне плат нельзя размещать преобразователи напряжения высотой более 2 мм, что обусловлено плотностью установки, если она выполняется в рэк-стойках. Поэтому специалистам действительно необходимы такие, полностью законченные источники питания в малом форм-факторе.

Решение

μModule компании представляют собой полную законченную так называемую систему в корпусе - SiP (англ. SiP - System in a Package). Использование подобного конструктива сводит к минимуму сроки проектирования и позволяет сократить площадь печатных плат и увеличить плотность компоновки.

DC/DC-преобразователи типа μModule - это комплексное решение в части управления электропитанием со встроенным контроллером, силовыми транзисторами, входными и выходными конденсаторами, элементами схемы компенсации и катушками индуктивности (дросселями), размещенное в компактных корпусах для поверхностного монтажа типа BGA или LGA. Проектирование с помощью DC/DC-преобразователей типа μModules может значительно уменьшить сроки ОКР. Так, необходимое для завершения процесса проектирования время, в зависимости от сложности конструкции, может быть сокращено до 50%. Семейство μModule снимает с разработчика тяжелое бремя выбора компонентов, оптимизации и макетирования устройства, снижая общее время разработки системы и поиска возможных неисправностей, и в конечном счете ускоряет выход изделия на рынок.

Решения на базе DC/DC-преобразователей μModule от компании Linear Technology, выполненные в компактном, ИС-подобном форм-факторе, интегрируют в себе все ключевые компоненты и обычно используются для замены элементов электропитания на дискретных компонентах, в сигнальных цепях и для изолированных конструкций. Благодаря тщательному контролю и жестким испытаниям со стороны компании Linear Technology DC/DC-преобразователи семейства μModule отличает высокая надежность, а широкая доступная номенклатура таких продуктов упрощает их выбор для оптимизации конструкции и размещения преобразователей на конкретной печатной плате.

Семейство продуктов μModule охватывает самый широкий спектр приложений, включая PoL-модули, зарядные устройства, светодиодные драйверы, микросхемы менеджмента систем питания (источники питания PMBus с цифровым управлением) и изолированные преобразователи. Преобразователи линейки μModule , предназначенные для электропитания, позволяют сократить время на проектирование и решить проблемы пространственных ограничений, обеспечивая высокую эффективность (КПД), надежность, а для ряда продуктов - и решения с более низким уровнем излучаемых электромагнитных помех, отвечающим требованиям стандарта EN55022 по классу B.

Рис. 1. Низкопрофильные источники линейки μModule (высота менее 2 мм) могут быть размещены с обеих сторон печатной платы

Поскольку из-за повышенной сложности системы все ее составные конструктивные элементы оказываются рассредоточенными, а сами циклы проектирования максимально сокращены, то на первый план выходит вопрос интеллектуальной собственности такой системы в целом. Это часто означает, что разработка системы питания не может быть оставлена «на потом» и ожидать завершения всего цикла проектирования. Имея небольшое количество времени и весьма ограниченные ресурсы, специалисты, занимающиеся разработкой систем питания, зачастую сталкиваются с задачей, когда им необходимо создать максимально согласованную и высокоэффективную систему питания, при этом занимающую минимальное пространство на печатной плате. Для решения именно таких задач и созданы источники питания линейки μModule, сочетающие в себе высокий КПД импульсного преобразователя и простоту применения LDO.

Аккуратный дизайн, правильная разводка ПП, тщательный подбор компонентов - все это является неотъемлемой и трудоемкой задачей при проектировании эффективной системы питания. Когда время крайне ограничено или опыт в создании подобных систем недостаточен, готовые модульные источники питания линейки μModule помогут сохранить Ваше время и избавят от риска срыва сроков проекта.

В качестве примера приведем суперкомпактный импульсный DC/DC-регулятор напряжения - . Это двухканальный 2,5 А на канал/одноканальный 5-А понижающий регулятор напряжения в микромодульном исполнении и крошечном, супертонком LGA-корпусе 6,25х6,25х1,82 мм. Профиль данного источника соизмерим с профилем стандартного керамического конденсатора в корпусе 1206, что позволяет размещать данный источник как с верхней, так и с нижней стороны печатной платы, заметно сокращая занимаемую площадь, что особо актуально для плат формата PCIe и мезонинных типов подключения (рис. 1).

DC/DC-преобразователи семейства μModule компании Linear Technology также представляют собой решение, одновременно предоставляющее и высокую выходную мощность, и DPSM-функциональность.

Таблица. Перечень низкопрофильных модульных DC/DC-источников питания от Linear Technology

Поскольку многие стабилизаторы напряжения семейства μModule для высокого тока нагрузки могут быть подключены параллельно, причем с высокой точностью согласования при распределении токов (в пределах номинального отклонения в 1% друг от друга), это уменьшает риск возникновения точек локального перегрева. Кроме того, достаточно, чтобы лишь один из подключенных стабилизаторов напряжения μModule предусматривал возможность реализовывать DPSM-функциональность, и именно он способен обеспечить полный цифровой интерфейс, даже если остальные μModule-устройства, включенные параллельно, не имеют возможности реализовать функцию DPSM. На рис. 2 показана схема для решения на ток 180 A плюс реализация функции DPSM для технологии PoL. Данное решение выполнено на базе одного модуля LTM4677 (стабилизатор напряжения μModule с функцией DPSM на ток до 36 A), включенного параллельно с тремя LTM4650 (стабилизаторами напряжения μModule на ток до 50 A без функции DPSM).

Рис. 2. Сочетание одного LTM4677 DPSM μModule и трех LTM4650-стабилизаторов напряжения семейства μModule позволяет реализовать от входной промежуточной шины с номинальным входным напряжением 12 В источник питания с выходным напряжением 1 В и током 186 A

Заключение

Имея возможность организации DPSM и сверхтонкие профили, разработчики электропитания могут легко реализовать в современных системах связи заданные конструктивные требования и обеспечить высокую выходную мощность с напряжением в 1 В для питания новейших интегральных схем специального назначения (ASIC), выполненных на основе суб-20-нм техпроцесса, ядер графических процессоров и ПЛИС. При установке на печатную плату модуль LTM4622 способствует оптимальному использованию пространства на ее нижней стороне благодаря своему ультратонкому профилю. Конечно, такое решение не позволяет значительно экономить дорогостоящее место на плате, но снижает общие требования по охлаждению из-за большей эффективности.

И в заключение хотелось бы напомнить, что применение стабилизаторов напряжения семейства μModule имеет смысл в тех областях, где это заметно сокращает время отладки и помогает более эффективно задействовать площадь печатной платы. В итоге уменьшаются затраты на инфраструктуру, а также на совокупное владение в течение всего срока службы конечного изделия.

Образцы и отладочные средства можно запросить по адресу

Входные напряжения до 61 В, выходные напряжения от 0.6 В, выходные токи до 4 А, возможность внешней синхронизации и настройки частоты, а также подстройки тока ограничения, подстройка времени плавного запуска, комплексные защиты нагрузки, широкий рабочий диапазон температур – все эти особенности современных источников питания достижимы при помощи новой линейки DC/DC-преобразователей производства .

В настоящий момент номенклатура микросхем импульсных регуляторов производства компании STMicro (рисунок 1) позволяет создавать источники питания (ИП) со входными напряжениями до 61 В и выходными токами до 4 А.

Задача преобразования напряжения не всегда проста. Каждое конкретное устройство предъявляет свои требования к регулятору напряжения. Иногда главную роль играет цена (потребительская электроника), габариты (портативная электроника), эффективность (устройства с батарейным питанием) или даже скорость разработки изделия. Эти требования зачастую противоречат друг другу. По этой причине не существует идеального и универсального преобразователя напряжения.

В настоящее время применяется несколько типов преобразователей: линейные (стабилизаторы напряжения), импульсные DC/DC-преобразователи, схемы с переносом заряда и даже источники питания на гальванических изоляторах.

Однако наиболее распространенными остаются линейные регуляторы напряжения и понижающие импульсные DC/DC-преобразователи. Основное отличие функционирования этих схем видно из названия. В первом случае силовой ключ работает в линейном режиме, во втором – в ключевом. Основные достоинства, недостатки и области применения этих схем приведены ниже.

Особенности работы линейного регулятора напряжения

Принцип работы линейного регулятора напряжения хорошо известен. Классический интегральный стабилизатор μA723 был разработан еще в 1967 году Р. Видларом. Несмотря на то, что электроника с тех пор ушла далеко вперед, принципы функционирования остались практически неизменными .

Стандартная схема линейного регулятора напряжения состоит из ряда основных элементов (рисунок 2): силового транзистора VT1, источника опорного напряжения (ИОН), схемы компенсационной обратной связи на операционном усилителе (ОУ). Современные регуляторы могут содержать дополнительные функциональные блоки: схемы защиты (от перегрева, от перегрузки по току), схемы управления питанием и др.

Принцип работы таких стабилизаторов достаточно прост. Схема обратной связи на ОУ сравнивает величину опорного напряжения с напряжением выходного делителя R1/R2. На выходе ОУ формируется рассогласование, определяющее напряжение «затвор-исток» силового транзистора VT1. Транзистор работает в линейном режиме: чем больше напряжение на выходе ОУ, тем меньше напряжение «затвор-исток», и тем больше сопротивление VT1.

Такая схема позволяет компенсировать все изменения входного напряжения. Действительно, предположим, что входное напряжение Uвх увеличилось. Это вызовет следующую цепочку изменений: Uвх увеличилось → Uвых увеличится → напряжение на делителе R1/R2 возрастет → выходное напряжение ОУ увеличится → напряжение «затвор-исток» уменьшится → сопротивление VT1 увеличится → Uвых уменьшится.

В результате при изменении входного напряжения выходное напряжение меняется незначительно.

При уменьшении выходного напряжения происходят обратные изменения значений напряжений.

Особенности работы понижающего DC/DC-преобразователя

Упрощенная схема классического понижающего DC/DC-преобразователя (преобразователь I типа, buck-converter, step-down converter) состоит из нескольких основных элементов (рисунок 3): силового транзистора VT1, схемы управления (СУ), фильтра (Lф-Cф), обратного диода VD1 .

В отличие от схемы линейного регулятора транзистор VT1 работает в ключевом режиме.

Цикл работы схемы состоит из двух фаз: фазы накачки и фазы разряда (рисунки 4…5).

В фазе накачки транзистор VT1 открыт и через него протекает ток (рисунок 4). Происходит запасание энергии в катушке Lф и конденсаторе Сф.

В фазе разряда транзистор закрыт, ток через него не протекает. Катушка Lф выступает в качестве источника тока. VD1 – диод, который необходим для протекания обратного тока.

В обеих фазах к нагрузке прикладывается напряжение, равное напряжению на конденсаторе Сф.

Приведенная схема обеспечивает регулирование выходного напряжения при изменении длительности импульса:

Uвых = Uвх × (tи/T)

Если величина индуктивности мала, ток разряда через индуктивность успевает достичь нуля. Такой режим называют режимом прерывистых токов. Он характеризуется увеличением пульсаций тока и напряжения на конденсаторе, что приводит к ухудшению качества выходного напряжения и росту шумов схемы. По этой причине режим прерывистых токов используется редко.

Существует разновидность схемы преобразователя, в которой «неэффективный» диод VD1 заменен на транзистор. Этот транзистор открывается в противофазе с основным транзистором VT1. Такой преобразователь называется синхронным и имеет больший КПД.

Достоинства и недостатки схем преобразования напряжений

Если бы одна из приведенных схем обладала абсолютным превосходством, то вторую бы благополучно забыли. Однако этого не происходит. Это значит, что обе схемы имеют преимущества и недостатки. Анализ схем стоит проводить по широкому кругу критериев (таблица 1).

Таблица 1. Преимущества и недостатки схем регуляторов напряжения

Электрические характеристики. Для любого преобразователя основными характеристиками являются КПД, ток нагрузки, диапазон входного и выходного напряжений.

Значение КПД для линейных регуляторов невелико и обратно пропорционально входному напряжению (рисунок 6). Это связано с тем, что все «лишнее» напряжение падает на транзисторе, работающем в линейном режиме. Мощность транзистора выделяется в виде тепла. Низкий КПД приводит к тому, что диапазон входных напряжений и выходных токов линейного регулятора относительно невелики: до 30 В и до 1 А.

КПД импульсного регулятора значительно выше и меньше зависит от входного напряжения. При этом не редкостью являются входные напряжения более 60 В и нагрузочные токи более 1 А.

Если используется схема синхронного преобразователя, в котором неэффективный обратный диод заменен транзистором, то КПД будет еще выше.

Точность и стабильность выходного напряжения. Линейные стабилизаторы могут иметь чрезвычайно высокую точность и стабильность параметров (доли процента). Зависимость выходного напряжения от изменения входного и от тока нагрузки не превышает единиц процентов.

Импульсный регулятор по принципу функционирования изначально имеет те же источники погрешности, что и линейный регулятор. Кроме того, на отклонение выходного напряжения может существенно сказываться величина протекающего тока.

Шумовые характеристики. Линейный регулятор обладает умеренной шумовой характеристикой. Существуют низкошумящие прецизионные регуляторы, используемые в высокоточной измерительной технике.

Импульсный стабилизатор сам по себе является мощным источником помех, так как силовой транзистор работает в ключевом режиме. Генерируемые помехи делятся на кондуктивные (передающиеся по линиям питания) и индуктивные (передаются через непроводящие среды).

От кондуктивных помех избавляются при помощи фильтров нижних частот. Чем выше рабочая частота преобразователя, тем проще избавиться от помех. В измерительных схемах импульсный регулятор часто используют совместно с линейным стабилизатором. В этом случае уровень помех значительно сокращается.

Избавиться от вредного воздействия индуктивных помех гораздо сложнее. Эти помехи возникают в катушке индуктивности и передаются по воздуху и непроводящим средам. Для их устранения используют экранированные индуктивности, катушки на тороидальном сердечнике. При разводке платы применяют сплошную заливку полигоном земли и/или даже выделяют отдельный слой земли в многослойных платах. Кроме того, сам импульсный преобразователь максимально удаляется от измерительных схем.

Эксплуатационные характеристики. С точки зрения простоты схемной реализации и разводки печатной платы линейные регуляторы предельно просты. Кроме самого интегрального стабилизатора требуется всего пара конденсаторов.

Импульсный преобразователь потребует как минимум внешнего L-C-фильтра. В ряде случаев требуется внешний силовой транзистор и внешний обратный диод. Это приводит к необходимости расчетов и моделирования, а топология печатной платы существенно усложняется. Дополнительное усложнение платы происходит из-за требования к ЭМС.

Стоимость. Очевидно, что в силу большого количества внешних компонентов импульсный преобразователь будет иметь большую стоимость.

В качестве вывода можно определить преимущественные области применения обоих типов преобразователей:

• линейные регуляторы могут применяться в маломощных низковольтных схемах с высокими точностью, стабильностью и требованиями к малым уровням шумов. Примером могут быть измерительные и прецизионные схемы. Кроме того, малые габариты и низкая стоимость итогового решения могут идеально подойти для портативной электроники и бюджетных устройств.
• импульсные регуляторы идеально подойдут для мощных низко- и высоковольтных схем в автомобильной, промышленной и бытовой электронике. Высокий КПД зачастую делает использование DC/DC безальтернативным для портативных устройств и устройств с батарейным питанием.

Иногда возникает необходимость использовать линейные регуляторы при высоких входных напряжениях. В таких случаях можно воспользоваться стабилизаторами производства компании STMicroelectronics, обладающими рабочими напряжениями более 18 В. (таблица 2).

Таблица 2. Линейные регуляторы STMicroelectronics с высоким входным напряжением

Если принято решение о построении импульсного ИП, то следует выбрать подходящую микросхему преобразователя. Выбор осуществляется с учетом ряда основных параметров.

Основные характеристики понижающих импульсных DC/DC-преобразователей

Перечислим основные параметры импульсных преобразователей.

Диапазон входных напряжений (В). К сожалению, всегда есть ограничение не только на максимальное, но и на минимальное входное напряжение. Значение этих параметров всегда выбирается с некоторым запасом.

Диапазон выходных напряжений (В). В силу ограничения на минимальную и максимальную длительность импульса, диапазон значений выходного напряжения ограничен.

Максимальный выходной ток (А). Данный параметр ограничивается целым рядом факторов: максимальной допустимой рассеиваемой мощностью, конечным значением сопротивления силовых ключей и др.

Частота работы преобразователя (кГц). Чем выше частота преобразования, тем проще произвести фильтрацию выходного напряжения. Это позволяет бороться с помехами и снижать значения номиналов элементов внешнего L-C-фильтра, что приводит к увеличению выходных токов и к уменьшению габаритов. Однако рост частоты преобразования увеличивает потери на переключение силовых ключей и увеличивает индуктивную составляющую помех, что явно нежелательно.

КПД (%) является интегральным показателем эффективности и приводится в виде графиков для различных значений напряжений и токов.

Остальные параметры (сопротивление каналов интегральных силовых ключей (мОм), собственный ток потребления (мкА), тепловое сопротивление корпуса и др.) являются менее важными, но их также следует учитывать.

Новые преобразователи производства компании STMicroelectronics имеют высокие входное напряжение и КПД, и их параметры могут быть рассчитаны при помощи бесплатной программы eDesignSuite.

Линейка импульсных DC/DC от ST Microelectronics

Портфолио DC/DC STMicro­electro­nics постоянно расширяется. Новые микросхемы преобразователей имеют расширенный диапазон входных напряжений до 61 В ( / ), высокие выходные токи, выходные напряжения от 0.6 В ( / / ) (таблица 3).

Таблица 3. Новые DC/DC STMicroelectronics

Все новые микросхемы импульсных преобразователей имеют функции плавного старта, защиты от перегрузки по току и перегрева.

LM2596 - понижающий преобразователь постоянного тока, он выпускается часто в виде готовых модулей, около 1 доллара ценой (в поиске LM2596S DC-DC 1.25-30 В 3A). Заплатив же 1,5 доллара, на Али можно взять похожий модуль с LED индикацией об входном и выходном напряжении, выключение выходного напряжения и точной настройкой кнопками с отображением значений на цифровых индикаторах. Согласитесь - предложение более чем заманчивое!

Ниже приводится принципиальная схема данной платы преобразователя (ключевые компоненты отмечены на картинке в конце). На входе есть защита от переполюсовки - диода D2. Это позволит предотвратить повреждения регулятора неправильно подключенным входным напряжением. Несмотря на то, что микросхема lm2596 может обрабатывать согласно даташита входные напряжения вплоть до 45 В, на практике входное напряжение не должно превышать 35 В при длительном использовании.

Для lm2596, выходное напряжение определяется уравнением, приведённым ниже. Резистором R2 выходное напряжение можно регулировать в пределах от 1.23 до 25 В.

Хотя микросхема lm2596 рассчитана на максимальный ток 3 А непрерывной работы, малая поверхность фольги-массы не достаточна, чтобы рассеять выделяемое тепло во всём диапазоне работы схемы. Также отметим, что КПД этого преобразователя варьируется весьма сильно в зависимости от входного напряжения, выходного напряжения и тока нагрузки. Эффективность может колебаться от 60% до 90% в зависимости от условий эксплуатации. Поэтому теплоотвод является обязательным, если непрерывная работа идёт при токах более чем 1 А.

Согласно даташиту, конденсатор прямой связи необходимо устанавливать параллельно резистору R2, особенно когда напряжение на выходе превышает 10 В - это нужно для обеспечения стабильности. Но этот конденсатор часто не присутствует на китайских недорогих платах инверторов. В ходе экспериментов были проверены несколько экземпляров DC преобразователей в различных условиях эксплуатации. В итоге пришли к выводу, что стабилизатор на ЛМ2596 хорошо подходит для низких и средних токов питания цифровых схем, но для более высоких значений выходной мощности необходим теплоотвод.

Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используются DC/DC преобразователи. Применяются они в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления и автоматики и др.

Трансформаторные блоки питания

В традиционных трансформаторных блоках питания напряжение питающей сети с помощью трансформатора преобразуется, чаще всего понижается, до нужного значения. Пониженное напряжение и сглаживается конденсаторным фильтром. В случае необходимости после выпрямителя ставится полупроводниковый стабилизатор.

Трансформаторные блоки питания, как правило, оснащаются линейными стабилизаторами. Достоинств у таких стабилизаторов не менее двух: это маленькая стоимость и незначительное количество деталей в обвязке. Но эти достоинства съедает низкий КПД, поскольку значительная часть входного напряжения используется на нагрев регулирующего транзистора, что совершенно неприемлемо для питания переносных электронных устройств.

DC/DC преобразователи

Если питание аппаратуры осуществляется от гальванических элементов или аккумуляторов, то преобразование напряжения до нужного уровня возможно лишь с помощью DC/DC преобразователей.

Идея достаточно проста: постоянное напряжение преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается (понижается), а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Такие преобразователи часто называются импульсными.

В качестве примера можно привести повышающий преобразователь из 1,5В до 5В, как раз выходное напряжение компьютерного USB. Подобный преобразователь небольшой мощности продается на Алиэкспресс.

Рис. 1. Преобразователь 1,5В/5В

Импульсные преобразователи хороши тем, что имеют высокий КПД, в пределах 60..90%. Еще одно достоинство импульсных преобразователей широкий диапазон входных напряжений: входное напряжение может быть ниже выходного или намного выше. Вообще DC/DC конвертеры можно разделить на несколько групп.

Классификация конвертеров

Понижающие, по английской терминологии step-down или buck

Выходное напряжение этих преобразователей, как правило, ниже входного: без особых потерь на нагрев регулирующего транзистора можно получить напряжение всего несколько вольт при входном напряжении 12…50В. Выходной ток таких преобразователей зависит от потребности нагрузки, что в свою очередь определяет схемотехнику преобразователя.

Еще одно англоязычное название понижающего преобразователя chopper. Один из вариантов перевода этого слова - прерыватель. В технической литературе понижающий конвертер иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.

Повышающие, по английской терминологии step-up или boost

Выходное напряжение этих преобразователей выше входного. Например, при входном напряжении 5В на выходе можно получить напряжение до 30В, причем, возможно его плавное регулирование и стабилизация. Достаточно часто повышающие преобразователи называют бустерами.

Универсальные преобразователи - SEPIC

Выходное напряжение этих преобразователей удерживается на заданном уровне при входном напряжении как выше входного, так и ниже. Рекомендуется в случаях, когда входное напряжение может изменяться в значительных пределах. Например, в автомобиле напряжение аккумулятора может изменяться в пределах 9…14В, а требуется получить стабильное напряжение 12В.

Инвертирующие преобразователи - inverting converter

Основной функцией этих преобразователей является получение на выходе напряжения обратной полярности относительно источника питания. Очень удобно в тех случаях, когда требуется двухполярное питание, например .

Все упомянутые преобразователи могут быть стабилизированными или нестабилизированными, выходное напряжение может быть гальванически связано с входным или иметь гальваническую развязку напряжений. Все зависит от конкретного устройства, в котором будет использоваться преобразователь.

Чтобы перейти к дальнейшему рассказу о DC/DC конвертерах следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.

Понижающий конвертер чоппер - конвертер типа buck

Его функциональная схема показана на рисунке ниже. Стрелками на проводах показаны направления токов.

Рис.2. Функциональная схема чопперного стабилизатора

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр - конденсатор Cin. В качестве ключевого элемента используется транзистор VT, он осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Это может быть либо . Кроме указанных деталей в схеме содержится разрядный диод VD и выходной фильтр - LCout, с которого напряжение поступает в нагрузку Rн.

Нетрудно видеть, что нагрузка включена последовательно с элементами VT и L. Поэтому схема является последовательной. Как же происходит понижение напряжения?

Широтно-импульсная модуляция - ШИМ

Схема управления вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной частотой или постоянным периодом, что в сущности одно и то же. Эти импульсы показаны на рисунке 3.

Рис.3. Импульсы управления

Здесь tи время импульса, транзистор открыт, tп - время паузы, - транзистор закрыт. Соотношение tи/T называется коэффициентом заполнения duty cycle, обозначается буквой D и выражается в %% или просто в числах. Например, при D равном 50% получается, что D=0,5.

Таким образом D может изменяться от 0 до 1. При значении D=1 ключевой транзистор находится в состоянии полной проводимости, а при D=0 в состоянии отсечки, попросту говоря, закрыт. Нетрудно догадаться, что при D=50% выходное напряжение будет равно половине входного.

Совершенно очевидно, что регулирование выходного напряжения происходит за счет изменения ширины управляющего импульса tи, по сути дела изменением коэффициента D. Такой принцип регулирования называется (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.

На схемах, показанных на рисунках 2 и 6 ШИМ «спрятана» в прямоугольниках с надписью «Схема управления», которая выполняет некоторые дополнительные функции. Например, это может быть плавный запуск выходного напряжения, дистанционное включение или защита преобразователя от короткого замыкания.

Вообще конвертеры получили столь широкое применение, что фирмы производители электронных компонентов наладили выпуск ШИМ контроллеров на все случаи жизни. Ассортимент настолько велик, что просто для того чтобы их перечислить понадобится целая книга. Поэтому собирать конвертеры на дискретных элементах, или как часто говорят на «рассыпухе», никому не приходит в голову.

Более того готовые конвертеры небольшой мощности можно купить на Алиэкспрес или Ebay за незначительную цену. При этом для установки в любительскую конструкцию достаточно припаять к плате провода на вход и выход, и выставить требуемое выходное напряжение.

Но вернемся к нашему рисунку 3. В данном случае коэффициент D определяет, сколько времени будет открыт (фаза 1) или закрыт (фаза 2) . Для этих двух фаз можно представить схему двумя рисунками. На рисунках НЕ ПОКАЗАНЫ те элементы, которые в данной фазе не используются.

Рис.4. Фаза 1

При открытом транзисторе ток от источника питания (гальванический элемент, аккумулятор, выпрямитель) проходит через индуктивный дроссель L, нагрузку Rн, и заряжающийся конденсатор Cout. При этом через нагрузку протекает ток, конденсатор Cout и дроссель L накапливают энергию. Ток iL ПОСТЕПЕННО ВОЗРАСТАЕТ, сказывается влияние индуктивности дросселя. Эта фаза называется накачкой.

После того, как напряжение на нагрузке достигнет заданного значения (определяется настройкой устройства управления), транзистор VT закрывается и устройство переходит ко второй фазе - фазе разряда. Закрытый транзистор на рисунке не показан вовсе, как будто его и нет. Но это означает лишь то, что транзистор закрыт.

Рис.5. Фаза 2

При закрытом транзисторе VT пополнения энергии в дросселе не происходит, поскольку источник питания отключен. Индуктивность L стремится воспрепятствовать изменению величины и направления тока (самоиндукция) протекающего через обмотку дросселя.

Поэтому ток мгновенно прекратиться не может и замыкается через цепь «диод-нагрузка». Из-за этого диод VD получил название разрядный. Как правило, это быстродействующий диод Шоттки. По истечении периода управления фаза 2 схема переключается на фазу 1, процесс повторяется снова. Максимальное напряжение на выходе рассмотренной схемы может быть равным входному, и никак не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное, применяются повышающие преобразователи.

Пока только следует напомнить собственно о величине индуктивности, которая определяет два режима работы чоппера. При недостаточной индуктивности преобразователь будет работать в режиме разрывных токов, что совершенно недопустимо для источников питания.

Если же индуктивность достаточно большая, то работа происходит в режиме неразрывных токов, что позволяет с помощью выходных фильтров получить постоянное напряжение с приемлемым уровнем пульсаций. В режиме неразрывных токов работают и повышающие преобразователи, о которых будет рассказано ниже.

Для некоторого повышения КПД разрядный диод VD заменяется транзистором MOSFET, который в нужный момент открывается схемой управления. Такие преобразователи называются синхронными. Их применение оправдано, если мощность преобразователя достаточно велика.

Повышающие step-up или boost преобразователи

Повышающие преобразователи применяются в основном при низковольтном питании, например, от двух-трех батареек, а некоторые узлы конструкции требуют напряжения 12…15В с малым потреблением тока. Достаточно часто повышающий преобразователь кратко и понятно называют словом «бустер».

Рис.6. Функциональная схема повышающего преобразователя

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр Cin и поступает на последовательно соединенные L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.

Транзистор VT управляется схемой управления, которая вырабатывает сигнал управления стабильной частоты с регулируемым коэффициентом заполнения D, так же, как было рассказано чуть выше при описании чопперной схемы (Рис.3). Диод VD в нужные моменты времени блокирует нагрузку от ключевого транзистора.

Когда открыт ключевой транзистор правый по схеме вывод катушки L соединяется с отрицательным полюсом источника питания Uin. Нарастающий ток (сказывается влияние индуктивности) от источника питания протекает через катушку и открытый транзистор, в катушке накапливается энергия.

В это время диод VD блокирует нагрузку и выходной конденсатор от ключевой схемы, тем самым предотвращая разряд выходного конденсатора через открытый транзистор. Нагрузка в этот момент питается энергией накопленной в конденсаторе Cout. Естественно, что напряжение на выходном конденсаторе падает.

Как только напряжение на выходе станет несколько ниже заданного, (определяется настройками схемы управления), ключевой транзистор VT закрывается, и энергия, запасенная в дросселе, через диод VD подзаряжает конденсатор Cout, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции катушки L складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения.

По достижении выходным напряжением установленного уровня стабилизации схема управления открывает транзистор VT, и процесс повторяется с фазы накопления энергии.

Универсальные преобразователи - SEPIC (single-ended primary-inductor converter или преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью).

Подобные преобразователи применяются в основном, когда нагрузка имеет незначительную мощность, а входное напряжение изменяется относительно выходного в большую или меньшую сторону.

Рис.7. Функциональная схема преобразователя SEPIC

Очень похожа на схему повышающего преобразователя, показанного на рисунке 6, но имеет дополнительные элементы: конденсатор C1 и катушку L2. Именно эти элементы и обеспечивают работу преобразователя в режиме понижения напряжения.

Преобразователи SEPIC применяются в тех случаях, когда входное напряжение изменяется в широких пределах. В качестве примера можно привести 4V-35V to 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down Converter Regulator. Именно под таким названием в китайских магазинах продается преобразователь, схема которого показана на рисунке 8 (для увеличения нажмите на рисунок).

Рис.8. Принципиальная схема преобразователя SEPIC

На рисунке 9 показан внешний вид платы с обозначением основных элементов.

Рис.9. Внешний вид преобразователя SEPIC

На рисунке показаны основные детали в соответствии с рисунком 7. Следует обратить внимание на наличие двух катушек L1 L2. По этому признаку можно определить, что это именно преобразователь SEPIC.

Входное напряжение платы может быть в пределах 4…35В. При этом выходное напряжение может настраиваться в пределах 1,23…32В. Рабочая частота преобразователя 500КГц.При незначительных размерах 50 x 25 x 12мм плата обеспечивает мощность до 25 Вт. Максимальный выходной ток до 3А.

Но тут следует сделать замечание. Если выходное напряжение установить на уровне 10В, то выходной ток не может быть выше 2,5А (25Вт). При выходном напряжении 5В и максимальном токе 3А мощность составит всего 15Вт. Здесь главное не перестараться: либо не превысить максимально допустимую мощность, либо не выйди за пределы допустимого тока.

Принцип работы

Принцип работы заложен в самом названии. Постоянное напряжение преобразуется в переменное. После этого происходит его повышение или понижение с последующим выпрямлением и подачей на устройство. DC-DC конвертеры, действующие по вышеизложенному принципу, получили название импульсных. Преимуществом импульсных преобразователей является высокий КПД: в районе 90%.

Напряжение на выходе у данных преобразователей ниже, чем на входе. Например, при напряжении на входе 12-50 В с помощью таких DC-DC конвертеров на выходе можно получить напряжение в несколько вольт.

Также преобразователи напряжения различаются по конструктивному исполнению. Они могут быть:

Модульные
Это наиболее распространенный вид DC-DC конвертеров, включающий в себя огромное количество самых разных моделей. Преобразователь помещен в металлический или пластиковый корпус, исключающий доступ к внутренним элементам.
Для монтажа на печатную плату

Данные преобразователи предназначены именно для монтажа на печатную плату. Они отличаются от модульных тем, что у них отсутствует корпус.

→ Диапазон выходного напряжения включает в себя параметры, которые способен выдать DC-DC конвертер на выходе при нормальном режиме работы.

→ Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение значений мощности на входе и выходе. КПД зависит от ряда условий, но наиболее высокий КПД достигается при максимально допустимой нагрузке. Чем больше разница между напряжением на входе и выходе, тем ниже КПД.

→ Ограничение по выходному току. Данная защита имеется в большинстве современных моделей стабилизаторов. Действует следующим образом: как только выходной ток достигает заданного значения, входное напряжение падает. После того как значение выходного тока входит в допустимый диапазон, подача напряжения возобновляется.

Точностные параметры

→ Пульсация. Даже в идеальных условиях присутствуют определенные «шумы», поэтому полностью исключить их невозможно. В качестве единиц измерения указываются мВ. Иногда производитель ставит рядом «р-р», что означает размах напряжения пульсаций – от минимума отрицательного пика до максимума положительного.

Органы управления
Органы управления представлены четырьмя кнопками.