Boost converter что это
Итак, у нас есть задача получить из входного напряжения Vin выходное напряжение Vout.
Что нам нужно рассчитать? Нужно рассчитать индуктивность катушки (L), номиналы входного и выходного конденсаторов (Cin, Cout), а так же подобрать ключевой транзистор и диод. Для этого, в свою очередь, нам нужно определить максимальный пиковый ток через катушку (такой же пиковый ток должны выдерживать ключ и диод), а так же найти амплитуду колебаний заряда на конденсаторах.
Как мы помним, у преобразователя есть два режима работы: непрерывный (ток в катушке никогда не падает до нуля) и прерывистый (в течении некоторого времени ток через катушку не течёт).
Какой же режим нам выбрать? Чтобы определиться — давайте вспомним, что в непрерывном режиме мы получим меньший пиковый ток, кроме того (смотрим рисунок слева), для непрерывного режима чем меньше амплитуда пульсаций тока — тем меньше будут колебания заряда на входном конденсаторе (эти колебания равны площади треугольника ABC), а меньшие колебания заряда позволят использовать конденсатор меньшего номинала при заданной величине пульсаций напряжения на входе.
Таким образом, с точки зрения уменьшения номинала входного конденсатора и уменьшения пикового тока через ключ и диод — нам нужно использовать непрерывный режим, причём с как можно меньшей амплитудой пульсаций тока через катушку.
С другой стороны, уменьшение амплитуды пульсаций за счёт увеличения индуктивности ведёт к уменьшению относительных пульсаций (LIR=(Imax-Imin)/Iin), а они, в свою очередь, влияют на габариты катушки (с точки зрения габаритов катушки оптимальным является случай, когда преобразователь работает на границе между непрерывным и прерывистым режимом).
При расчётах, в качестве исходных данных, задают именно относительные пульсации, а уже исходя из них находят всё остальное. Обычно преобразователь рассчитывают так, чтобы минимальное значение LIR находилось в пределах 30-40%, а алгоритм расчёта выглядит следующим образом:
- — задаём LIR
- — зная максимальный выходной ток, находим максимальный пиковый ток через ключ и диод:
(k у нас, как вы помните, равно Vin/Vout)
Вот вроде бы и весь расчёт, но есть одно «но». Этот расчёт сделан для случая, когда у нас постоянный коэффициент k, то есть когда входное напряжение не изменяется. А что делать, если оно может меняться? При каком k производить расчёт? Может просто вычислить все параметры по указанным выше формулам для концов интервала [kmin;kmax], да и выбрать из них самую большую индуктивность, пиковый ток и номиналы кондёров?
Давайте вспомним формулу максимального тока для непрерывного режима из первой части:
Вспомним также, что в этой формуле первое слагаемое — это средний входной ток, а второе — амплитуда пульсаций тока. Запишем дополнительно формулу для LIR (второе слагаемое умножим на 2 и разделим на первое):
А теперь давайте нарисуем максимальный ток, средний входной ток, абсолютные пульсации и LIR в зависимости от k на одном графике (поскольку речь о повышайке, то k нас интересует только в диапазоне от 0 до 1), и посмотрим, что получится:
А получится очень интересно. Получится, что максимальный пиковый ток будет при минимальном k, максимальная амплитуда пульсаций — при k=0.5, а максимальные относительные пульсации — при k=2/3 (как искать экстремумы все из школы помнят? берём производную и приравниваем к нулю).
То есть, вполне может получиться, что если k изменяется в каком-то диапазоне, то максимальный пиковый ток, ёмкости конденсаторов и индуктивность придётся рассчитывать в разных точках. Причём вполне может оказаться вообще невозможным найти такие параметры, чтобы при максимальном токе преобразователь всегда был в непрерывном режиме и, одновременно с этим, LIR никогда не становился меньше определённого значения. Так что придётся выбирать.
Я бы, с учётом всего сказанного выше, предложил для случая, когда k изменяется в некотором диапазоне, использовать такой алгоритм:
1) зная Vin_min и Vin_max, определяем диапазон изменения k
2) определяем по графику, при каком k у нас будет самое большое и самое маленькое значение LIR (если kmin и kmax меньше 2/3, то минимальный LIR будет при k=kmin, а максимальный — при k=kmax, если оба значения больше 2/3, то всё будет наоборот, а если точка 2/3 лежит где-то внутри диапазона k, то максимальное значение LIR будет в точке 2/3, а на минимальное могут претендовать оба конца интервала.
3) для k, при котором LIR будет минимально, задаём конкретное значение LIR и, исходя из него, находим индуктивность катушки:
4) для k, при котором LIR будет максимально, задаём LIR=200% и считаем минимальную индуктивность, необходимую для того, чтобы при максимальном выходном токе преобразователь всегда находился в непрерывном режиме (по той же формуле, что и в пункте 3).
5) если значение индуктивности, полученное в 3-м пункте, больше, чем в значение, полученное в 4-м пункте — всё нормально, а если нет, значит нужно либо уменьшить минимальное значение LIR и заново пересчитать 3-й пункт, либо смириться с тем, что при некоторых значениях k, преобразователь окажется в прерывистом режиме (при этом может оказаться, что пульсации придётся считать по формулам для прерывистого режима, поэтому проще уменьшить минимальное значение LIR или изменить диапазон входного напряжения).
6) находим по графику, при каком k у нас будет самая большая амплитуда пульсаций (аналогично тому, как мы это делали во втором пункте: если наш диапазон изменения k лежит левее точки k=0.5, то самая большая амплитуда пульсаций будет при k=kmax, если правее, то самая большая амплитуда пульсаций будет при k=kmin, а если точка k=0.5 лежит внутри нашего диапазона, то самая большая амплитуда пульсаций будет при k=0.5).
7) находим амплитуду пульсаций тока для k, при котором они максимальны (ΔIin_max).
8) находим величину колебаний заряда на входном конденсаторе:
9) задав определённый уровень входных пульсаций (Vp-p_in) находим ёмкость входного конденсатора:
10) оценим величину колебаний заряда на выходном конденсаторе аналогично тому, как мы это сделали выше (при этом возьмём минимальное значение k):
11) зная ΔQout и задав уровень пульсаций на выходе (Vp-p_out), находим ёмкость выходного конденсатора (аналогично ёмкости входного):
12) находим максимальный пиковый ток преобразователя (он будет самым большим при минимальном k). Чтобы катушка не попала в насыщение — её ток насыщения должен быть выше максимального пикового тока преобразователя. Ну и, кроме того, такой пиковый ток должны выдерживать диод и ключ.
Падение напряжения на ключе и диоде можно учесть, если считать, что реально требуется получить выходное напряжение больше идеального на величину падения на диоде, а реальные входные напряжения меньше идеальных на величину падения на открытом ключе (это конечно тоже идеализированный вариант, но всё же кое-что).
Вот и весь расчёт. Ниже представлен онлайн-калькулятор, реализующий рассмотренный алгоритм.
Online-калькулятор для расчёта повышающего преобразователя:
(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)
Исходные данные:
Расчётные данные:
Хотелось бы добавить, что расчёт этот в значительной степени идеализирован. Он, например, не учитывает ESR конденсаторов, поэтому логично предположить, что расчётные ёмкости получаются заниженными. Кроме всего прочего дополнительные условия и ограничения могут накладываться реализованным в конкретной микросхеме алгоритмом управления.
В последнее время возросла популярность всевозможных калькуляторов для расчета электрических схем. С одной стороны, это приводит к уменьшению порога входа новичков, что, очевидно хорошо, так как приводит к развитию отрасли, но с другой стороны падает уровень понимания, что приводит к уменьшению срока службы приборов, их удорожанию. Стоит ли доверять таким источникам? Попробуем выяснить на примере.
Примером нам послужит повышающий преобразователь. На первый взгляд штука несложная, но если разобраться подробнее, оказывается все не так просто.
Будем сравнивать онлайн-калькулятор, расчет руками по методичке и расчет, учитывающий теорию преобразователя. Не надо бояться, глубоко в физику лезть не будем.
Прежде всего, как всегда, начнем с требований к нашему преобразователю:
На всякий случай, напомню принцип работы повышающего преобразователя.
Преобразователь состоит всего из 5 компонентов: индуктивность, диод, ключ в виде полевого транзистора и две емкости. Емкость Cin – опциональна.
Когда ключ включен, ток проходит через индуктивность и энергия накапливается в магнитном поле индуктивности L. Диод при этом закрыт.
Как только ключ выключается, ток через катушку резко изменяется и на выводах индуктивности возникает повышенное напряжение обратной полярности, при этом открывая диод, который и обеспечивает путь протекания тока.
Так как ключ срабатывает очень быстро, ЭДС самоиндукции значительно возрастает. Это напряжение проходит через диод и заряжает емкость, которая, в свою очередь, сглаживает пульсации, возникающие при переключениях ключа, оставляя только постоянный ток. Быстро включая и выключая ключ, мы можем поднять напряжение на нагрузке.
Итоговое выходное напряжение контура будет зависеть от входного, индуктивности и отношения времени, когда ключ будет в положении «открыто», к положению «закрыто», то есть коэффициента заполнения D (Коэффициент заполнения — это отношение времени, в течение которого нагрузка или цепь находятся во включенном состоянии, ко времени, когда они находятся в выключенном состоянии.).
Напряжение на выходе будет стремиться к бесконечности при бесконечно близком к единице коэффициенте заполнения. На практике выходное напряжение – это отношение паразитного сопротивления катушки RL к нагрузке R. Чуть меньше влияют потери в магнитном сердечнике (если он есть), потери на диоде и потери на конденсаторе и т.д. [1. 44-45 с.]. Ну и, естественно, при коэффициенте заполнения = 1, индуктивность будет всегда замкнута на землю, и ничего работать не будет.
Прикинем на пальцах наш преобразователь. Напомню требования: 200В на выходе, 60мА ток.
Коэффициент заполнения: %
Нагрузка: ,
Зависимость R к RL:
Подставляем, получаем RL=-0.833. Значит нужна индуктивность с внутренним сопротивлением меньше 0.8 Ома. Звучит неплохо. Остается подсчитать саму индуктивность и её токи.
Посчитаем по старинке, из справочника резиновых мячей TI[2].
где ΔIL — средние пульсации тока через индуктивность:
Тут какая-то константа K.
Справочник предлагает выбрать её в пределах от 0.2 до 0.4. Я возьму 0.2, при частоте в 30кГц, таким образом получаю ΔIL= 0.26А. Подставляем в формулу выше и получаем индуктивность L=1074мкГн.
Уточним ток через индуктивность:
Получаем 0.27А, проверяем пиковый ток через преобразователь:
Получаем 1.33А.
Вроде несложно. Подставили, получили значение. Проверим с помощью другого источника — онлайн калькулятора[3]. Подставим значения в табличку, частоту переключений ставим такую же — 30кГц:
Обратите внимание на магическую константу 2, в формуле минимальной индукции.
Параметр | Расчет по мануалу | Расчет онлайн калькулятором |
Индуктивность | 1074мкГн | 107.4мкГн |
Ток через индуктивность ΔIL (D=0.955) | 0.267А | 2.668А |
Ток через преобразователь | 1.33А | 2.66А |
Как видно, разница в разы. Ток в два раза ниже, в случае расчета ручками, индуктивность в десять раз больше.
На этом можно было и остановиться, объявив один из результатов ересью. Но какой из них неправильный?
Очевидно, расчеты отличаются из-за коэффициента К.
Коэффициент выражает отношениe пульсаций тока в индуктивности, к входному току всего преобразователя. Его можно выразить через коэффициент Krf.
И это отношение влияет на режим работы всего преобразователя.
Какие различия вызывает этот коэффициент, кроме токов и размеров индуктивности?
Чтобы ответить на эти вопросы, придется разобраться в деталях работы этих режимов.
Существует два основных режима работы таких преобразователей: DCM и CCM.
CCM – Continuous Conduction Mode. Режим работы преобразователя, при котором ток в индуктивности не опускается до нуля.
DCM – Discontinuous Conduction Mode. В каждом цикле ток через индуктивность опускается до нуля.
CCM используется в высокомощных преобразователях, для того чтобы уменьшить токи через компоненты. DCM, в свою очередь, предлагает меньшую индуктивность и нивелирует потери при смене полярности на диоде. Подробнее о плюсах и минусах режимов можно почитать тут.
Таким образом, DCM возможен только при Krf>2. Если K = 2, то преобразователь находится в режиме BCM – Boundary Conduction Mode, то есть ключ включается в тот же момент, когда ток в индуктивности опускается до нуля.
При уменьшении нагрузки R, преобразователь перейдет в режим DCM. Нагрузка, при которой преобразователь находится в режиме BCM, называется критической нагрузкой ICRIT. Значение индуктивности при работе в режиме BCM называется критической индуктивностью LCRIT и рассчитывается исходя из максимальной нагрузки.
Известно, что для повышающих преобразователей CCM максимум пульсаций тока через индуктивность приходится на 50% коэффициента заполнения ключа.
Итак, boost-конвертер относится к импульсным повышающим (step-up) преобразователям и строится по следующей типовой схеме:
Как можно видеть на рисунке, — конвертер состоит из дросселя, диода, ключа, входного и выходного конденсаторов и схемы управления.
В чём заключается идея работы такого преобразователя?
Идея заключается в том, что напряжение на выходе получается суммированием напряжения питания и ЭДС самоиндукции катушки. За счёт этого напряжение на выходе преобразователя получается выше, чем на входе.
Когда ключ замкнут — через катушку в направлении от входного конденсатора к точке А течёт нарастающий ток и катушка запасает энергию. При размыкании ключа — ток через катушку не может измениться скачком и продолжает течь в том же направлении, при этом потенциал того конца катушки, который подключен к точке А, начинает расти относительно потенциала другого конца, подключенного к входному конденсатору (появившаяся разность потенциалов между концами катушки — это и есть ЭДС самоиндукции). Как только потенциал точки А вырастет до такой величины, что напряжение в этой точке станет равно выходному напряжению — откроется диод и ток от катушки потечёт в нагрузку и к выходному конденсатору (при этом ток и запасённая в катушке энергия будут уменьшаться).
На рисунке ниже показано как течёт ток, в зависимости от состояния ключа.
Теперь давайте всё вышеизложенное опишем математически. Пусть мы имеем установившийся режим работы. Нарисуем для этого режима графики напряжения в точке А (после катушки, на аноде диода) и токов через ключ, диод и катушку. Напряжение источника питания обозначим Vin, а выходное напряжение преобразователя – Vout. Будем считать, что пульсации выходного напряжения незначительны и выходное напряжение можно считать постоянным.
Когда ключ замкнут (левый рисунок) – напряжение на аноде диода равно нулю (падение на ключе пока учитывать не будем), соответственно, — падение на катушке постоянно и равно -Vin. Диод в это время закрыт, поскольку напряжение на катоде больше, чем на аноде. Ток и напряжение на катушке связаны соотношением V = -Ldi/dt, проинтегрировав это выражение найдём как изменяется ток через катушку: I=Vin*t/L – это уравнение прямой линии, угол наклона которой зависит от входного напряжения и индуктивности. Чем больше индуктивность – тем меньше угол наклона, чем меньше индуктивность – тем больше угол наклона. Ток через ключ равен току через катушку (диод у нас как вы помните закрыт и через него ток не течёт).
Когда ключ разомкнут (правый рисунок) – напряжение на катушке равно Vиндукции. Встаёт вопрос — как нам найти величину Vиндукции? Посмотрим на это дело с другой стороны. Поскольку диод у нас открыт, — значит напряжение на том конце катушки, который подключен к т.А, равно Vout (если не учитывать падение на диоде). На другом конце катушки (который подключен к входному конденсатору) напряжение равно Vin. Значит у нас Vиндукции будет во-первых — постоянно, а во-вторых — равно Vout-Vin. Соответственно, зависимость тока от времени в этом случае будет определяться следующим уравнением: I=(Vin-Vout)*t/L. В данном случае ток через ключ равен нулю, а ток через диод равен току через катушку.
Итак, для напряжения в т.А и токов, имеем:
- для замкнутого ключа: VA=0, I=Vin*t/L, ток течёт через катушку и ключ
- для разомкнутого ключа: VA=Vout, I=(Vin-Vout)*t/L, ток течёт через катушку и диод
- Tи – период импульсов
- Ton – время, в течении которого ключ замкнут (ширина импульсов)
- Toff – время, в течении которого ключ разомкнут (ширина пауз)
- Iкл – ток через ключ
- Iд – ток через диод
- IL – ток через катушку
Выходной ток (Iout) равен среднему току через диод (это следует из закона сохранения заряда: сколько заряда прошло за период через диод — столько же должно пройти за период и через нагрузку), а среднее напряжение в т.А равно входному напряжению (ну, потому что активное сопротивление катушки равно нулю и, соответственно, среднее падение напряжения на ней за период тоже равно нулю).
Кроме того, опять же из закона сохранения заряда, — средний ток через катушку индуктивности равен входному току (Iin).
Какие математические соотношения мы можем записать из этих рассуждений?
1) Среднее за период напряжение в т.А равно входному напряжению. Математически это запишется следующим образом: 0*Ton+Vout*Toff=Vin*(Ton+Toff), отсюда:
2) Выходной ток равен среднему току через диод. Это утверждение позволяет нам записать следующее соотношение: Iout*(Ton+Toff)=Toff*(Imax+Imin)/2 отсюда:
4) Кроме того, поскольку у нас установившийся режим, то за время замкнутого состояния ключа ток в катушке вырастает настолько же, насколько он спадает за время разомкнутого состояния (иначе бы у нас менялся выходной ток). То есть Vin*Ton/L=(Vout-Vin)*Toff/L, отсюда:
Если внимательно присмотреться, то можно увидеть, что последнее соотношение могло быть получено и из нашей первой формулы (это в принципе та же самая формула, только по другому записанная), но это так, к слову.
Ну, ещё можно заметить, что разделив второе уравнение на третье мы, в новом уравнении, получим правую часть идентичную правой части первого уравнения, исходя из чего можно записать: Iout/Iin=Vin/Vout (5), что в общем-то логично, поскольку в идеальном преобразователе входная мощность равна выходной мощности.
Всё, полученные выше формулы описывают непрерывный режим работы нашего повышающего преобразователя (режим, при котором ток в катушке никогда не уменьшается до нуля).
Что будет c максимальным и минимальным током, если мы будем уменьшать выходной ток, не изменяя все остальные параметры? В принципе это и так понятно, но мы напишем формулы (потом пригодятся). Формулу 3 легко преобразовать к виду Imax-Iin=Iin-Imin, а дальше, взглянув на график и вспомнив геометрию, становится очевидно, что:
Учитывая, что Iin=Iout*Vout/Vin, а также то, что Ton=1/f-Toff (Toff находим из формулы 1), получаем:
Заменив в этих формулах отношение Vin/Vout на k, окончательно получим:
В полученных формулах первое слагаемое — это средний входной ток (он же — средний ток через катушку), а второе слагаемое — это амплитуда пульсаций тока.
Из этих формул (впрочем, как и по графикам) видно, что если мы будем уменьшать выходной ток, то у нас вместе с этим будет уменьшаться средний ток через катушку, а амплитуда пульсаций тока при этом меняться не будет. В конце концов, если всё больше и больше уменьшать выходной ток, то график входного тока упрётся в ось t (т.е. Imin станет равен нулю). Дальше уменьшаться минимальный ток через катушку не может, поэтому если продолжать уменьшать выходной ток, то мы просто перейдём в так называемый режим прерывистого тока (когда ток в катушке в течении некоторого времени равен нулю). При этом графики токов и напряжений в нашем преобразователе будут выглядеть следующим образом:
- Tи – период импульсов
- Ton – время, в течении которого ключ замкнут (ширина импульсов)
- Td – время, в течении которого ток через катушку не течёт.
- Toff – время, в течении которого ключ разомкнут (ширина пауз)
- Iкл – ток через ключ
- Iд – ток через диод
- IL – ток через катушку
Рассуждения и законы физики здесь ровно те же самые, что и для непрерывного режима.
Ток у нас, как и ранее, растёт со скоростью Vin/L, а спадает со скоростью (Vin-Vout)/L.
В прерывистом режиме, так же, как и в непрерывном, средняя входная мощность для идеального
преобразователя равна средней выходной мощности, т.е. Iout*Vout=Iin*Vin.
Теперь давайте подумаем, а что будет происходить с максимальным током, если мы, перейдя в прерывистый режим, продолжим уменьшать выходной ток.
Составим формулу для максимального тока в прерывистом режиме, аналогичную той, что мы составляли для непрерывного режима. С учётом того, что здесь Imin=0, можно записать:
Toff-Td можно найти, разделив уравнение 8 на уравнение 6:
Подставив это выражение в формулу для Imax и учитывая, что Iin*Vin/Vout=Iout, получим:
Заменив аналогично Vin/Vout на k, окончательно получим:
Из последней формулы видно, что в прерывистом режиме при уменьшении выходного тока, максимальный ток так же убывает (хотя и меньше, чем в непрерывном).
Таким образом, при прочих равных условиях, самый большой пиковый ток у нас будет при самом большом выходном токе, независимо от режима работы.
Ну и напоследок, для полноты картины, давайте ещё напишем формулу, определяющую связь между разными параметрами нашего преобразователя на границе между прерывистым и непрерывным режимом. Граница у нас характеризуется тем, что при работе преобразователя в этом режиме у нас минимальный ток равен нулю, а максимальный — удвоенному входному току. Соответственно, формулу, определяющую границу режимов, можно получить как из формул для Imax, Imin в непрерывном режиме, так и из формулы для Imax в прерывистом режиме (получится всё равно одно и то же). Мы возьмём формулу, определяющую Imin в непрерывном режиме и приравняем в ней Imin к нулю. Получим:
Вот и всё, на этом вводную часть закончим, а в следующей части проанализируем оба описанных режима работы повышающего преобразователя, а заодно подумаем, — что же нам важно при выборе катушки и конденсаторов, и как всё это расчитать.
Итак, buck-конвертер (англ. buck-converter, также известен в англоязычной литературе как chopper, хотя тут полный бардак, поскольку так же, чоппером, иногда называют только силовую часть этого чуда или даже только силовой транзистор) относится к импульсным понижающим (step-down) преобразователям и строится по следующей типовой схеме:
Как можно видеть на рисунке, — конвертер состоит из дросселя, диода, ключа, входного и выходного конденсаторов и схемы управления.
Сначала давайте обсудим в чём тут идея.
Как все понимают, — если источник напряжения постоянно подключен к нагрузке, то энергия от источника питания постоянно перекачивается в нагрузку. Идея, нашего преобразователя заключается в том, чтобы энергия от источника питания к преобразователю передавалась не постоянно, а порциями (импульсами), по одной порции за период. Преобразователь эту полученную порцию энергии размазывает на весь период, в результате чего его выходное напряжение получается меньше, чем напряжение источника питания. Более того, регулируя размер передаваемой за период порции (то есть ширину импульса и паузы), можно регулировать величину выходного напряжения. Вот и вся идея.
Исходя из вышеописанной идеи думаю становится понятным и назначение различных элементов преобразователя. Ключ предназначен для подключения и отключения источника питания. В качестве ключа обычно используется полевой или биполярный транзистор. Схема управления решает в какие моменты времени производить переключения ключа, то есть фактически решает – какую порцию энергии нужно от источника питания забрать. Чаще всего схема управления принимает «решение» анализируя напряжение на выходном конденсаторе (это называется управление по напряжению).
Такое управление, когда в зависимости от чего-то регулируется ширина импульса и паузы, называется ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) и, соответственно, так же, «шимами» или «шимками», называются микросхемы, которые это управление осуществляют. Будем считать, что у нас микросхема работает с фиксированной частотой и управление происходит как раз по напряжению.
Далее, зачем нужны катушка индуктивности и выходной конденсатор? Очень просто — они как раз и "размазывают" энергию, полученную от источника питания, на весь период. Когда преобразователь подключен к источнику питания — он запасает получаемую энергию в магнитном поле катушки и электрическом поле выходного конденсатора, а когда отключен — отдаёт эту запасённую энергию в нагрузку.
Так, так, так. Раз преобразователь запасает энергию в конденсаторе, а потом отдаёт — значит напряжение на конденсаторе всё таки меняется? Да, меняется, это называется пульсации и никуда от них в импульснике не денешься, но давайте вспомним, что напряжение на конденсаторе связано с запасённой конденсатором энергией соотношением: E=CU 2 /2 или по другому: . Отсюда понятно, что если у нас достаточно большая ёмкость и достаточно маленькое изменение энергии за период, то изменение напряжения на конденсаторе тоже будет очень маленьким.
На этом с вводной философской частью закончим и перейдём к точному математическому анализу.
На рисунках ниже показано как течёт ток в зависимости от состояния ключа (толстыми линиями обозначены пути протекания тока). Схема управления не показана, она обычно потребляет мизерный ток и мы её пока рассматривать не будем, будем рассматривать только силовую часть.
Пусть мы имеем установившийся режим работы. Нарисуем для этого режима графики напряжения в точке А (после ключа, на катоде диода) и токов через ключ, диод и катушку. Напряжение источника питания обозначим Vin, а выходное напряжение преобразователя – Vout. Будем считать, что пульсации выходного напряжения незначительны и выходное напряжение можно считать постоянным.
Когда ключ замкнут (левый рисунок) – напряжение на катоде диода равно напряжению питания, соответственно, — падение на катушке постоянно и равно Vin-Vout. Диод в это время закрыт, поскольку напряжение на катоде больше, чем на аноде. Ток и напряжение на катушке связаны соотношением V = -Ldi/dt, проинтегрировав это выражение найдём как изменяется ток через катушку: I=(Vin-Vout)*t/L – это уравнение прямой линии, угол наклона которой зависит от разницы входного и выходного напряжений (Vin-Vout) и индуктивности. Чем больше индуктивность – тем меньше угол наклона, чем меньше индуктивность – тем больше угол наклона. Ток через ключ равен току через катушку (ну потому что тут только один путь, по которому ток течёт в катушку – от источника питания через ключ, диод у нас как вы помните закрыт).
Когда ключ разомкнут (правый рисунок) – напряжение на катушке опять же постоянно и равно -Vout. Как известно – ток через катушку не может измениться скачком, поэтому в момент закрытия ключа скачком меняется напряжение на катоде диода, что приводит к его открытию и к тому, что напряжение на катоде диода становится равно нулю (пока будем считать, что диод идеальный и падение на нём равно нулю). Соответственно напряжение на катушке равно 0-Vout=-Vout. То есть, зависимость тока от времени в этом случае будет определяться следующим уравнением: I=-Vout*t/L. В данном случае ток через ключ равен нулю, а ток через диод равен току через катушку.
Итак, для напряжения в т.А и токов, имеем:
для замкнутого ключа: V=Vin, I=(Vin-Vout)*t/L, ток течёт через катушку и ключ
для разомкнутого ключа: V=0, I=-Vout*t/L, ток течёт через катушку и диод
- Tи – период импульсов
- Ton – время, в течении которого ключ замкнут (ширина импульсов)
- Toff – время, в течении которого ключ разомкнут (ширина пауз)
- Iкл – ток через ключ
- Iд – ток через диод
- IL – ток через катушку
Выходной ток равен среднему току через катушку, а выходное напряжение – среднему напряжению в т.А.
Посмотрим, что нам это даёт:
1) Среднее за период напряжение в т.А равно выходному напряжению Vout, поскольку у катушки нет активного сопротивления (мы же пока идеальные элементы рассматриваем) и среднее падение на ней за период равно нулю, то есть: Vin*Ton+0*Toff=Vout*(Ton+Toff), отсюда:
2) Поскольку у нас установившийся режим, то за время замкнутого состояния ключа ток в катушке вырастает настолько же, насколько он спадает за время разомкнутого состояния (иначе бы у нас менялся выходной ток). То есть (Vin-Vout)*Ton/L=Vout*Toff/L, отсюда:
Кроме того, очевидно, что график, соответствующий среднему току, должен проходить по серединам рёбер нашей пилы, потому что только в этом случае площади отмеченных на графике треугольников будут равны. Почему эти площади должны быть равны? Потому что площадь под графиком тока от времени — это заряд. А заряд, протекший за период через нагрузку, должен быть равен заряду, протекшему за период через катушку индуктивности (смотрим на рисунок справа). Соответственно, высота h1 равна высоте h2 (раз уж у равных по площади прямоугольных треугольников,
с одинаковыми углами, равны гипотенузы). Таким образом, для токов можно записать: Iout=(Imax+Imin)/2.
Теперь давайте подумаем, что происходит, когда график тока через катушку расположен выше графика выходного тока?
В это время через катушку проходит больше заряда, чем уходит в нагрузку. Соответственно, когда график тока через катушку расположен ниже графика выходного тока — через катушку проходит меньше заряда, чем уходит в нагрузку. Куда же девается и откуда берётся «лишний» заряд? Всё очень просто — он накапливается выходным конденсатором, а потом расходуется. Вот здесь мы, кстати, натыкаемся на первую неточность большинства рисунков, объясняющих работу таких конвертеров. Помните рисунки, на которых было показано как течёт ток в зависимости от состояния ключа? Я их специально перерисовал из доступных источников как есть. Теперь, глядя на графики тока, мы видим, что в обоих состояниях ключа есть интервалы, когда выходной конденсатор заряжается и в обоих состояниях есть интервалы, когда выходной конденсатор разряжается (смотрим на рисунок слева).
Несмотря на то, что это кажется нелогичным, на самом деле всё очень даже логично. Так происходит из-за того, что ток через катушку индуктивности не может измениться мгновенно, не может мгновенно вырасти при подключении источника питания и не может мгновенно упасть при его отключении. Так что, возвращаясь к рисункам где показано как течёт ток в зависимости от состояния ключа, правильно было бы ток в конденсатор и из конденсатора вообще не рисовать, и тем более не говорить, что когда ключ замкнут — конденсатор заряжается, а когда разомкнут — разряжается. Правильный комментарий должен звучать как-то так: «Когда ключ замкнут — в преобразователь и нагрузку передаётся энергия от источника питания. Она сразу начинает запасаться катушкой (но конденсатор всё ещё подпитывает нагрузку), а позднее, когда ток через катушку превысит выходной ток, — передаваемая энергия начинает запасаться и конденсатором. Когда ключ разомкнут — энергия от источника питания в нагрузку и преобразователь не передаётся. При этом сначала начинает расходоваться энергия, запасённая в катушке (и на нагрузку и на продолжение заряда конденсатора), а потом, когда ток через катушку становится меньше выходного тока, — конденсатор тоже начинает отдавать запасённую энергию.»
Ладно, это всё чудесно, но какую практическую ценность несёт для нас понимание того, как и когда заряжается и разряжается этот самый выходной конденсатор? Да самую прямую. Мы теперь можем точно посчитать на какую величину изменяется его заряд, а значит и на какую величину будет изменяться напряжение на нём при той или иной его ёмкости. Или, если мы зададим некий допустимый уровень пульсаций, то можно посчитать — какой должна быть ёмкость выходного конденсатора, чтобы пульсации напряжения на выходе преобразователя не превышали заданный уровень.
Итак, суммарный «лишний» заряд, который должен накопить конденсатор пока ток через катушку больше выходного тока, равен площади треугольника, расположенного выше линии I(t)=Iout (треугольник, образованный маленькими треугольничками «2» и «3» на одном из вышеприведённых рисунков). Эта площадь равна:
Или, учитывая что Tи=1/f, окончательно получаем:
Тогда пульсации, обозначим их Vp-p (Vp-p=Vmax-Vout), можно найти по следующей формуле:
Или, если мы задаём допустимый уровень пульсаций и хотим посчитать ёмкость конденсатора, то получим:
Вот, собственно, и вся базовая теория описывающая наш преобразователь. Но это ещё не самое интересное. Самое-то интересное для нас что? Правильно, самое интересное, это: во-первых, понять что будет происходить если уменьшать/увеличивать различные параметры (выходную ёмкость, индуктивность, частоту…), ну и во-вторых, понять как же всё-таки рассчитывать элементы преобразователя, поскольку, если вы заметили, в вышеприведённых формулах участвуют Vin, Iout и прочие компоненты, величина которых может меняться, в связи с чем пока не понятно, какие именно значения использовать в расчётах (максимальные, минимальные, средние). Вот об этом мы поговорим во второй части нашей статьи, а построенные ранее графики очень сильно нам в этом помогут. Графический анализ вообще очень удобен своей наглядностью.
Иногда создается ощущение, что стабилизаторы напряжения везде, даже там, где казалось им делать нечего. Они встречаются в повербанках, смартфонах, телевизионных приставках, USB разветвителях, роутерах и многих других устройствах.
DC-DC конвертеры продаются в виде отельных модулей, предназначенных как для радиолюбительского творчества, так для профессионального применения. В данной статье мы расскажем об особенностях этих «невидимых помощников».
Время чтения: 18 минут |
Автор статьи — Андрей Кириченко |
DC-DC повышающе-понижающие преобразователи
Особая серия конвертеров с возможностью работать как на повышение, так и на понижение напряжения. Применяются подобные преобразователи не так часто, как повышающие или понижающие, но иногда бывают ситуации, что без них никак. Пример применения — питание устройств которым надо 12 Вольт в автомобиле, где напряжение в зависимости от ситуации может меняться от 10 до 15 Вольт.
Примеры понижающих DC-DC преобразователей
Большое распространение получают компактные синхронные модули на базе MP2225, с заявленным максимальным выходным током до 5 Ампер, что при таком размере выглядит очень интересно.
DC-DC модуль питания DD4012SA «КРЕНки» позволяет заменить ей с увеличением КПД.
Синхронный преобразователь на базе MP2225 и DC-DC модуль питания DD4012SA
В радиолюбительской среде известны преобразователи на базе микросхем: LM2596S, XL4005, XL4015. Больше внимания заслуживают второй и третий вариант.
Преобразователи DC-DC имеют выходной ток до 3 или 5 Ампер, регулировку и диапазон входного напряжения от 4-5 до 30-40 Вольт. Отличием являются неплохие нагрузочные характеристики при не высокой цене.
Преобразователи на базе микросхем: LM2596S, XL4005, XL4015
На подобных платах встречаются два или три подстроечных резистора. Второй предназначен для регулировки ограничения тока, а если есть третий, то при помощи него настраивается порог индикации ограничения тока. Подобные платы используются там, где необходимо ограничение тока, например, питание мощных светодиодных матриц, заряд аккумуляторов. Иногда на такие платы ставят индикатор для отображения значений, что повышает удобство пользования, превращая его в универсальное зарядное устройство.
Платы с индикатором отображения тока и напряжения
Если этого мало, то, например, на рисунке ниже показан стабилизатор с ограничением тока, входным напряжением 20-70 Вольт и выходным током до 30 Ампер при 2.5-58 Вольт. Его используют для питания автомобильного холодильника от 24 Вольт аккумулятора.
Стабилизатор напряжения с ограничением тока
Ниже сравним несколько понижающих преобразователей.
Дополнительные особенности преобразователей
В некоторых случаях стабилизаторы могут иметь дополнительный функционал или особенности, выделяющие их на фоне других, поэтому стоит их выделить в отдельную группу.
Существуют преобразователи с USB выходом для заряда или питания различных планшетов, смартфонов, получающих питание от USB.
Есть очень простые, особенность которых заключается только в низкой цене и возможности получить 5 Вольт от одного Li-Ion аккумулятора.
Бывают многоканальные понижающие, как QSKJ QS-1205CBUM. Но его особенность не в количестве каналов, а в наличии весьма современного ШИМ контроллера с синхронным выпрямлением и внешними силовыми транзисторами, что позволило получить выходной ток до 8 Ампер с высоким КПД. Также у него есть защита от неправильной полярности питания, «обманки» на каждом порту для корректного определения различными моделями смартфонов.
Конвертер MH-KC24 компактный, похож на первый, но имеет свою «фишку» - поддерживает работу с Quick Charge устройствами. Данный преобразователь также является понижающим, максимальное выходное напряжение 12 вольт.
DC-DC преобразователи с USB выходом
Топология Step-Up
Необходимо пояснить одну особенность большинства модулей по топологии Step-Up, которая поможет не сжечь ваше устройство или стабилизатор. Преобразователи, собранные по такой топологии, не могут выдавать на выход напряжение меньше, чем входное минус падение на диоде. Если на входе у него 20 Вольт, то на выходе никак не получится менее 19.5, это важно и следует учитывать.
Если у повышающего конвертера указан максимальный выходной ток – это значение при минимальном соотношении вход/выход, а ориентироваться правильнее на максимальный входной ток и считать мощность инвертора.
Учет указанных выше особенностей позволит избежать ошибок и использовать эффективнее повышающие модули DC-DC.
Схема топологии Step-Up
Повышающие модули питания DC-DC
Не менее интересный и полезный сегмент устройств, хотя не такой распространенный.
Топология SEPIC
Достаточно старая топология, но очень интересная так как из активных компонентов требуется только один ШИМ контроллер, один силовой транзистор и диод. Отличается двумя одинаковыми дросселями, хотя встречаются с одним двухобмоточным.
Преимущества — простая схемотехника, не высокая цена, высокий КПД, чем у повышающе-понижающего, но высокий уровень пульсаций.
Как и предыдущая топология использует регулировку не только выходного напряжения, но и тока, а также функцию полного отключения выхода.
Схема топологии SEPIC
Выбор модулей подобного типа большой, сложности с выбором подходящего нет.
SEPIC на базе очень известной XL6019, вход 5-32 Вольт, выход 1.25-35 Вольт, ток нагрузки до 1.5 Ампер, имеет дополнительный фильтр для снижения пульсаций по выходу.
Более продвинутый DC-DC преобразователь ZK-SJVA-4X, у него есть не только регулировка напряжения и тока, а и индикатор, диапазон входных напряжений 5.5-30 Вольт, выход 0.5-30 при токе до 4 Ампер.
Третий преобразователь хоть и не имеет регулировки выходного тока, но имеет защиту от перегрева и мощность до 80 Ватт, а также индикатор напряжения, что также может быть удобно.
Примеры DC-DC конвертеров топологии SEPIC
Модули питания DC-DC фирмы muRata
Все больше распространение получает малый электротранспорт - гироборды, электросамокаты, электровелосипеды, скутеры, возникает необходимость получить от его батареи низкое напряжение.
В продаже существует много понижающих конвертеров собранных по топологии Step-Down. Но низкая надежность, отсутствие гальванической развязки может печально закончится для подключаемых устройств, его элементарно может пробить накоротко, а на нагрузке вы получите полное напряжение батареи.
Именно для таких применений рекомендуют фирменные модули производства muRata. Данные модули использовались для телекоммуникационного оборудования, но сейчас они встречаются и просто в продаже, причем за небольшую цену. Ключевое — качество конвертера, гальваническая развязка. Недостатки — фиксированное выходное напряжение, хотя и его при желании можно подстроить.
Из наиболее интересных — muRata HPH-12/30-D48NHL2-Y который при входном 36-75 Вольт выдает на выход 12 Вольт с током до 30 Ампер или 360 Ватт.
DC-DC преобразователь muRata HPH-12/30-D48NHL2-Y
Примеры повышающих DC-DC преобразователей
Выделяют пару недорогих «народных» моделей, которые перекрывают большую часть потребностей радиолюбителей.
В третьем модуле применена XL6009, минимальное входное напряжение составляет 5 Вольт, выходная мощность немного выше, чем у предыдущих, но в целом они похожи, поэтому SX1308, MT3608 более интересны за счет меньшего размера.
Модули питания, построенные на базе контроллеров SX1308, MT3608 и XL6009
Использовать подобные конвертеры удобно для питания маломощных потребителей, например, светодиодной подсветки на базе 12 вольт лент от одного-двух литий-ионных аккумуляторов.
Более мощные DC-DC преобразователи на базе XL6019 имеют минимальное входное напряжение в 5 Вольт и допускают ток встроенного ключа в 5 Ампер, что в два раза больше, чем у предыдущих.
Питание более мощной нагрузки, например, ноутбука от автомобильного аккумулятора, подойдет преобразователь QSKJ QS-1224CBD с током от 10 Ампер и мощностью до 150 Ватт.
Преобразователи на базе XL6019
Модули питания DC-DC с функцией ограничения тока
Часто необходимо иметь не только относительно большую выходную мощность, а и функцию ограничения тока. Это сильно расширяет сферу применения, позволяя заряжать аккумуляторы электровелосипедов, питать мощные светодиодные прожекторы. С повышающим стабилизатором используется все, что есть «под рукой», например, недорогие блоки питания 12 Вольт или автомобильный аккумулятор.
Но следует учитывать, что защиту от короткого замыкания такие преобразователи не имеют, ток ограничивают ровно до тех пор, пока напряжение на нагрузке не станет ниже чем напряжение источника.
Первый стабилизатор имеет мощность до 400 Ватт при максимальном токе до 12 Ампер.
QSKJ QS-2448CCBD более компактен с мощностью до 100 Ватт, все компоненты смонтированы на алюминиевой подложке, которую можно установить на радиатор для лучшего охлаждения.
Повышающий преобразователь BMM9201 кроме ограничения тока имеет еще дисплей, на который можно вывести информацию о токе или напряжении, как входном, так выходном, при помощи джампера.
Примеры повышающих преобразователей QS-2448CCBD и BMM9201
В случае если этого мало, можно использовать конвертер QSKJ QS-4884CCCV, он также имеет функцию ограничения выходного тока, но выпускается в двух вариантах, 1200 и 1800 Ватт. Причем разница в цене между ними минимальна, а ключевые отличия 1800 Ватт модели заключаются в более мощном дросселе и трех предохранителях против двух у младшей.
Обе модели имеют массивный радиатор и активное охлаждение.
Максимальный входной ток первой модели составляет 20 Ампер, а второй 25-30 Ампер, поэтому при питании от источника 12 Вольт получится только 240 или 360 Ватт.
Так как у повышающих преобразователей ток по входу выше, чем по выходу пропорционально коэффициенту преобразования, следует убедится, что сможет ли ваш источник обеспечить такой ток. Это касается всех повышающих стабилизаторов. Как пример, максимальный входной ток 10 Ампер, на выходе хотим получить 36 Вольт 5 Ампер, значит напряжение источника должно быть не менее (36х5)/10=18 Вольт без учета КПД, а так как КПД обычно около 90%, то получается надо минимум 20 Вольт, а лучше 24.
DC-DC конвертер QSKJ QS-4884CCCV
Ниже сравним несколько повышающих преобразователей.
Понижающие модули питания постоянного тока
Топология Step-Down
Обычно понижающие конвертеры выполнены по топологии Step-Down, выходное напряжение всегда должно быть выше входного на 5-20%.
Схема топологии Step-Down
Топология Step-Up и Step-Down
Под таким названием продаются разные варианты, но правильным является тот, где на плате стоит два независимых преобразователя. При помощи первого входное напряжение повышается до некоего фиксированного, а затем при помощи второго понижается до требуемого.
Схема топологии Step-Up и Step-Down
Подобные стабилизаторы сложны, дороги, имеют низкий КПД, конструкцию «два в одном». Но при этом у них есть преимущество - низкий уровень пульсаций на выходе.
Из-за перечисленных особенностей встречаются редко. Например, небольшая плата, с относительными характеристиками и неплохой регулируемый инвертор DPS5005, который отличается хорошими характеристиками, довольно высоким КПД.
Преобразователь напряжения DPS5005
Особенности и характеристики стабилизаторов напряжения
- Buck-Boost – состоят из повышающего и понижающего стабилизатора
- Автоматическое переключение между режимами понижения и повышения
- SEPIC - полностью универсальный конвертер
- Гальваническая развязка входа/выхода
- Несколько выходных напряжений
- Инверсия выходного напряжения
- Регулировка выходных значений
- Индикация
- Возможность работы с протоколами быстрого заряда Quick Charge, Power Delivery и т.п.
По списку вариантов исполнения (не считая комбинаций) существует много моделей конвертеров. А ведь бывают еще отличия, например, возможность подключения к компьютеру, сверхмалое потребление в дежурном режиме, повышенный диапазон входного напряжения, наличие синхронного выпрямителя для повышения КПД и т.д.
Следует помнить, что линейные стабилизаторы («КРЕНки») не являются конвертерами. Трансформаторы DC, например, при выходных 5 Вольт 3 Ампер и входном 15 Вольт, ток по входу будет пропорционально меньше, в отличие от линейных стабилизаторов, где ток одинаков всегда.
Топология на базе контроллера LTC3780
Очень необычная топология конвертера, отличающаяся высоким КПД, более надежной работой, возможностью не только регулировки значений, а также минимального входного напряжения. Имеет два недостатка - цена и малый выбор моделей, так как строится в основном конвертер на базе контроллера LTC3780 производства фирмы Linear.
Данный инвертор является гибридным, содержит один ШИМ контроллер, один дроссель. Два силовых узла с синхронным выпрямлением, которые работают в зависимости от соотношения входного и выходного напряжения.
Схема топологии на базе контроллера LTC3780
Выбор моделей небольшой, различия минимальны, хотя существует сдвоенная версия, состоящая из двух модулей на одной плате, но встречается крайне редко.
Выбор моделей небольшой, различия минимальны, хотя существует сдвоенная версия, состоящая из двух модулей на одной плате, но встречается крайне редко.
Стабилизатор отлично подходит для заряда аккумуляторов, построения источников бесперебойного питания со стабилизированным выходом и вообще питания требовательных нагрузок.
Ниже сравним несколько повышающе-понижающих преобразователей.
Модули питания DC-DC фирмы RCNUN
Также выпускаются преобразователи для тяжелых условий эксплуатации, например, в автомобилях, катерах. Обычно такие модули имеют герметичное исполнение, корпус в виде радиатора при большой выходной мощности, дополнительные цепи защиты.
Например, большой ассортимент подобных преобразователей выпускает фирма RCNUN. Они бывают понижающие, повышающие, универсальные, регулируемые, с фиксированным напряжением, просто с проводами, с клеммниками и USB разъемами.
Как можно наблюдать из статьи, выбор топологий, моделей и вариантов исполнения DC-DC преобразователей действительно огромен, а ведь показана лишь меньшая часть из того, что сейчас выпускается.
Теперь главная задача, подобрать то, что необходимо для определенного применения. Надеемся, что данная статья сможет вам в этом помочь.
Модули питания DC-DC фирмы YZXStudio
Отдельно стоят в списке USB зарядных устройств модулей фирмы YZXStudio, помимо правильной схемотехники, качественных комплектующих и четкой работы они поддерживают большое количество протоколов быстрого заряда.
ZC822 — младшая модель, поддерживает QC/PD и выходную мощность до 27 Ватт.
ZC823 — поддерживает только QC/PD, возможность обеспечить 60 Вольт при выходном напряжении 20 Вольт.
ZC826P — редкий преобразователь, помимо функций быстрого заряда он является обратимым. Если его вход подключен к аккумулятору, а к USB Type-C выходу подключить не нагрузку, а блок питания, то конвертер начнет работать в обратную сторону и будет заряжать аккумулятор. Фактически имея такой преобразователь и аккумулятор можно самому сделать повербанк с мощным выходом, поддержкой большого количества протоколов. При этом обратимый преобразователь может выдавать от 5 до 20 Вольт при питании от 12 Вольт.
DC-DC модули питания ZC822, ZC823, ZC826 фирмы YZXStudio
Также фирма YZXStudio предлагает для своих устройств кросс-платы, установив в которые показанные модули можно сделать многоканальное зарядное устройство. Именно потому все модули имеют одинаковый размер и расположение разъемов.
Читайте также: