DC-DC преобразователи (Конверторы) – модульные электронные устройства, предназначенные для построения шин питания в схемах с гальванической развязкой. Приборы представляют собой готовые устройства, преобразующие постоянное напряжение в постоянное, выполнены в герметичных защищенных корпусах с выводами для монтажа на печатную плату. Конверторы отличаются по своей мощности, конструктивному исполнению, количеству выходных каналов, диапазону входных и выходных напряжений.
Линейку высокопроизводительных изделий представили компании TRACO ELECTRONIC и AIMTEC . Преобразователи обладают высокой надежностью и производительностью, работают в широком диапазоне входных напряжений, обеспечивают нагрузку высоким выходным током, как по одному, так и двум выходным каналам. Малые габариты корпусов изделий позволяют использовать их в современной микроэлектронике с высокой плотностью монтажа. Серия изделий TMA 0505 D, 0512 D, 0515 D являются повышающими преобразователями с двухполярным выходным напряжением, и выходным током, достаточным для питания операционных усилителей различной портативной аппаратуры с батарейным питанием.
Ассортимент высокотехнологичным DC / DC преобразователей представила известная японская фирма MURATA POWER , изделия которых пользуются огромным спросом в различных отраслях промышленной электроники. Специализированные компактные изделия выпускаются как в закрытых герметичных корпусах, так и в открытом модульном исполнении для монтажа на плату. Особое звено модульных приборов – стабилизированные, изолированные DC / DC преобразователи с фиксированным входным и выходным напряжением, особо востребованные в медицинской технике и телекоммуникационном оборудовании.
Особенностью продукции компании PEAK Electronics являются уникальные разработки миниатюрных модулей DC / DC преобразователей для экономичной портативной электроники. Модульные приборы выпускаются в закрытых герметичных корпусах, с одним или двумя неизолированными выходами, и двухполярным выходным напряжением, а так же, модули, работающие в режиме умножения напряжения, например, P 10 CU -0512 ZLF, P 6 CU -0512 ZLF.
Посмотреть и купить товар вы можете в наших магазинах в городах: Москва, Санкт-Петербург, Волгоград, Воронеж, Екатеринбург, Ижевск, Казань, Калуга, Краснодар, Красноярск, Минск, Набережные Челны, Нижний Новгород, Новосибирск, Омск, Пермь, Ростов-на-Дону, Рязань, Самара, Тверь, Томск, Тула, Тюмень, Уфа, Челябинск. Доставка заказа почтой, через систему доставки Pickpoint или через салоны «Евросеть» в следующие города: Тольятти, Барнаул, Ульяновск, Иркутск, Хабаровск, Ярославль, Владивосток, Махачкала, Томск, Оренбург, Кемерово, Новокузнецк, Астрахань, Пенза, Липецк, Киров, Чебоксары, Калининград, Курск, Улан-Удэ, Ставрополь, Сочи, Иваново, Брянск, Белгород, Сургут, Владимир, Нижний Тагил, Архангельск, Чита, Смоленск, Курган, Орёл, Владикавказ, Грозный, Мурманск, Тамбов, Петрозаводск, Кострома, Нижневартовск, Новороссийск, Йошкар-Ола и др.
Товары из группы «DC-DC преобразователи (Конверторы)» вы можете купить оптом и в розницу.
Журнал "Электронные компоненты" №6 2005г.
Фирма Vicor специализируется на разработке и производстве модулей, предназначенных для построения источников и систем электропитания. Продукция фирмы включает в себя широкий спектр сетевых выпрямителей, фильтров , DC/DC-конверторов, а также конструктивно законченных блоков питания. В статье рассмотрены схемотехнические и конструктивные особенности, основные технические характеристики и номенклатура серийно выпускаемых DC/DC-конверторов. DC/DC-конверторы фирмы Vicor являются продуктом современных высоких технологий. В них воплощены многочислен-ные оригинальные схемотехнические и конструктивные идеи. На сегодняшний день они являются примером современных Hi-Tech источников питания .
Американская фирма Vicor начала свою деятельность в начале 80-х гг. прошлого столетия, предоставив в распоряжение разработчиков стандартизованный набор модулей, из которых можно было «собирать», наподобие детского конструктора Lego , источники питания (ИП), различные по мощности и другим эксплуатационным параметрам. Таким образом, был совершен переход к идеологии построения систем распределенного питания, которые в настоящее время находят все более широкое применение. По своим массогабаритным и электрическим параметрам продукция компании Vicor по тем временам была практически уникальной, она и предназначалась, в основ-ном, для использования в
военной технике. Разработка оказалась очень удачной, поэтому и сейчас выпуск продукции 1-го поколения продолжается. Всего за 20 лет было изготовлено более 20 млн. модулей.
С середины 90-х гг. компания Vicor начала выпуск DC/DC-конверторов 2-го поколения, которые в настоящее время являются одними из лучших
на рынке по показателям плотности мощности. Vicor постоянно отслеживает
новейшие достижения в сфере разработки ИП и предлагает свои оригинальные решения. Например, в 2003 - 2005 гг. был модернизирован технологический процесс изготовления DC/ DC-конверторов 2-го поколения, названный FasTrack
Program
. Результатом этого усовершенствования стало повышение надежности модулей, снижение помех и шумов, улучшение тепловых характеристик. В эти же годы компания Vicor предложила концептуально новый подход к построению распределенных систем питания, названный Factorized
Power. Устоявшегося перевода этого термина пока нет, но основной смысл этой кон-цепции можно передать следующим образом. DC/DC-конвертор обычно выполняет одновременно три основные функции: трансформацию напряжения, гальваническую развязку и стабилизацию выходного напряжения. Компания Vicor в Factorized
Power предлагает разделить DC/DC-конвертор и, соответственно, его функции на два модуля, один из которых является 
предварительным стабилизатором напряжения, а второй - трансформатором. Такой подход основан на том,ч
то
во многих случаях нет необходимости использовать все функции DC/DC-конвертора. В рамках этой программы были разработаны модули VI-Chips
, имеющие рекордные показатели эффективности и плотности мощности. Модули с размером корпуса 32 х
21,6 х
6 мм и весом 12 г способны конвертировать мощность до 3300 Вт, имеют КПД более 92%, частоту преобразования до 3,5 МГц, макс. рабочую температуру 125°С. Концепции Factorized
Power и преобра-зователям VI-Chips
в дальнейшем будет посвящена отдельная публикация.
В настоящее время Vicor серийно выпускает DC/DC-конверторы 1-го и 2-го поколений мощностью 25...600 Вт на корпус (см. рис. 1 и 2). Благодаря применению оригинальных схемотехнических решений, новейших технологий и материалов, плотность мощности достигает при этом 70 кВт/дм3. Все производство компании Vicor сосредоточено на нескольких предприятиях в США, сборка модулей осуществляется на автоматизированных оперативно перепрограммируемых линиях, способных производить в день до 8 тыс. модулей 1-го поколения и до 2 тыс. модулей 2-го поколения.
Общие характеристики модулей
Универсальность типоразмеров.
В зависимости от мощности преобразова-ния модули имеют 3 стандартных типоразмера. Для 1-го поколения это размер «кирпич» (brick ) 117 × 56 × х 12,7мм мощностью75,100, 150, 200 Вт и «полкирпича» (half-brick ) 58 × 56 × 12,7 мм мощностью 25, 50, 75, 100 Вт. Для 2-го поколения — «кирпич» до 600 Вт, «полкирпича» до 250 Вт и «четверть кирпича» 58 х 37 х 12,7 мм до 150 Вт.
Конструктивное исполнение
В пластмассовом корпусе модуля смонтированы печатная плата и электронные компоненты, которые залиты специально подобранным силиконовым компаундом. Корпус помещен на алюминиевую плас-тину-основание, служащую для отвода выделяемого тепла и крепления модуля.Компаунд защищает компоненты от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды и способствует равномерному распределению тепла по объему модуля. Двух-трех кратная разница стоимости модулей для ком-мерческого, индустриального и военного исполнений, в основном, определяется именно подбором компаун-да и технологией его заливки (вакуумное центрифугирование).
Универсальность конс-трукции модулей предоставляет широкие возможности конструкторам с точки зрения монтажа. При помощи стоек они могут крепить-ся на плату, радиатор или стенку прибора. Выводы могут быть удлиненные для монтажа «на плату» или короткие для монтажа «в плату» (см. рис. 3). Во втором варианте высота сборки составляет всего 13—14 мм. Кроме этого, если требуется, возможность опера-тивной замены модулей, выпускаютсяспециальные разъемы. Как опция, существует также конструктивное оформление моду-лей для навесного монтажа MegaMod Family с подсо-единением к выводам «под винт» (см. рис. 4).
Температурный диапазон
Все модули выпускаются в нескольких вариантах (градациях) по температуре эксплуатации. Общими для 1-го и 2-го поколений явля-ются «коммерческий» (С) —25...100°С , «индустриальный» (I, H) -40...100°С и «милитари » (М) —55...100°С диапазоны эксплуатации с минимальными темпе-ратурами хранения соот-ветственно —40°С; —55°С; —65°С. Кроме этого, для 1-го поколения доступны модули в исполнении «эко-ном» (Е) с температурой эксплуатации —10...85°С, а для 2-го — в исполнении (Т): —40°С эксплуатация и —40°С хранение.
Надежность
Надеж-ность — один из основ-ных параметров, характе-ризующих качество ИП. Показатели надежности учитывают схемотехничес-кие решения, качество мате-риалов, технологические процессы и «культуру про-изводства». Благодаря высо-кой надежности, продукция компании Vicor широко при-меняется в военной технике и другом ответственном про-мышленном оборудовании. Среднее время наработки на отказ (MTBF — Mean Time Before Failure ), рассчитанное в соответствии с методикой MIL-HDBK-217F (Reliability Prediction of Electronic Equipment ) с применением математичес-кого пакета RelCalc , состав-ляет более 2 млн. ч при 25°С при полной нагрузке. При температуре 65°С MTBF составляет несколько сотен тыс. часов. Согласно мето-дике вычисления, исходя из реально продемонстрированного времени наработ-ки (некоторые модули 1-го поколения эксплуатируются более 20 лет), надежность составляет более 20 млн. ч. Каждый модуль исполнения I(Н) и М проходит контроль и тестирование на удовлетворение заявлен-ным параметрам. Контроль включает в себя несколько термических циклов, замер параметров при высшей и низшей температуре, визуальный осмотр. Результаты испытаний помещаются на сайт фирмы Vicor, и по серийному номеру модуля можно получить паспорт с реально замеренными параметрами на конкретное изделие. Вся продукция фирмы Vicor имеет соот-ветствующие сертификаты по электробезопасности , шумам и помехам. Кроме этого модули исполнений I(Н) и М удовлетворяют стандартам MIL-STD-810, MIL-STD-901, MIL-STD-202 по механическим (раз-режение, удар, вибрация) и климатическим (температура, влажность, солевой туман) воздействиям.
Особенности схемотехнических решений
В отличие от большинства производителей, компания Vicor в своих DC/DC-конверторах использует частотно-импульсный (квазирезонансный) метод преобразования энергии (ЧИМ) (см. рис. 5). При таком методе переклю-чение силового MOSFET-транзистора происходит при нулевом значении тока или напряжения (ZCS — Zero Current , Zero Voltage Switching ). Энергия преда-ется посредством импульсов («квантов»), одинаковых по длительности и амплитуде; форма импульсов — положительный полупериод синусоиды. Стабилизация выходного напряжения осу-ществляется за счет изменения частоты импульсов. Импульс энергии формиру-ется в контуре, состоящем из индуктивности рассеяния трансформатора Т1 и емкос-ти С. Частота импульсов в зависимости от мощности на нагрузке и входного напря-жения может изменяться от десятков кГц до 2 МГц. В номинальном режиме час-тота преобразования лежит в пределах 1,0—1,5 МГц. Для гальванической развяз-ки в цепи обратной связи в DC/DC-конверторах первого поколения приме-нены оптроны, во втором поколении — разделительные трансформаторы, что повышает их надежность. Кроме этого, схемы управ-ления ключами (драйверы) и схемы обратной связи двух поколений различа-ются. Из-за этих различий нельзя применять модули выпрямителей 1-го поко-ления VI-AIM с DC/DC-конверторами 2-го поколе-ния .
Благодаря использова-нию ЧИМ компании Vicor удалось поднять частоту преобразования до 1,5 МГц и за счет этого применить компоненты меньших разме-ров, существенно уменьшить уровень шумов и помех по сравнению с ШИМ - преобразователями, увеличить к.п.д. Типовое значение к.п.д. DC/DC-конверторов компании Vicor составляет 82—92% во всем допустимом диапазоне входных напря-жений и нагрузок.
Номенклатура преобразователей
DC/DC-конверторы 1-го поколения
Конвертор выбирается по совокупности требуемых параметров, при-веденных в таблице 1.
Пример обозначения: VI-26M-IV - DC/DC-конвертор 1-го поколения, семейства VI-200, входное напряжение 300 В (200-400 В), выходное напряжение 10 В, температурный диапазон — «индустриальный», выходная мощность 150 Вт. Семейство «Booster » не имеет схемы управления по выходу, за счет этого они дешевле соответствующих VI-200. Стоимость модулей, в основном, определяется их мощностью и температур-ным диапазоном и не зави-сит от входных/выходных напряжений. Диапазон регу-лировки выходного напря-жения Uвых для модулей с Uвых > 12 В составляет 50— 110% от Uвых . ном, а для модулей с Uвых < 12 Â - ±10% от Uвых . ном.
Таблица 1. Основные параметры DC/DC-конверторов 1-го поколения
|
Семейство |
Температурная градация |
Мощность, Вт |
|||
|---|---|---|---|---|---|
|
0 - 12 |
Z -
2 |
2
-
15
N - 18,5 3 - 24 L - 28 J - 36 К - 40 4 - 48 H - 52 F - 72 D - 85 В - 95 |
Е = -10...+100C С = -20...+100C I = -40...+100C M= -55...+100C |
VI-200: (50, 75, 100, 150, 200 Вт) VI-J00: (25, 50, 75, 100 Вт) |
|
DC/DC-конверторы 2-го поколения
Во втором поколении DC/DC-конверторов компании Vicor набор входных и выходных напряжений не так широк. Это связано со сложившимися стандартами используемых в современной аппаратуре напряжений. По входному напряжению UBX имеются только 4 семейства: 24, 48, 300, 375 В с выходными напряжениями 2, 3,3, 5, 12, 15, 24 и 48 В, но с более широкими возможностями регулирования выходного напряжения U BbIX — 10— 110% от Uвых . ном. Для кон-верторов с Uвых — 2 В и 3,3 В минимальное напряжение, которое можно уста-новить, составляет 0,5 В. Выходная мощность опре-деляется размером корпуса и составляет в зависимости от UBX и U BbIX :
- Micro —«четверть кирпича» 50—150 Вт;
- Mini — «полкирпича» 100-300 Вт;
- Maxi —«кирпич» 160-600 Вт.
Пример обозначения: V300A24H500BL - DC/ DC-конвертор 2-го поколе-ния, Uвх = 300 В (180-375 В), корпус Maxi , 500 Вт, «индустриальный» диапазон температур, с удлиненными выводами. Семейство V375 разработано для примене-ния совместно с модулями корректоровкоэффициента мощности, обычно имеющи-ми выходное напряжение около 360 В .
По таким параметрам как точность установки напряжения U вых , стабиль-ность напряжения Uвых при изменении нагрузки, температуры, конверторы Vicor демонстрируют луч-шие показатели, свойствен-ные современным преобра-зователям такого класса . В то же время они облада-ют рядом дополнительных возможностей, существен-но расширяющих область их применения. К таким возможностям относятся: параллельное включение модулей, возможность пос-ледовательного включения (как по входу, так и по выходу), дистанционное включение/отключение, регулировка выходного напряжения в широких пре-делах, компенсация падения напряжения на проводниках от модуля к нагрузке.
Параллельное включение
модулей реализуется путем соединения выводов PR (Parallel
)
для 
синхрони-зации частоты преобразова-ния. Как указывалось ранее, в DC/DC-конверторах ком-пании Vicor реализован принцип ЧИМ. Поэтому, если одинаковые модули работа-ют на одной частоте, они конвертируют одинаковую мощность. Таким образом, осуществляется равномерное (с точностью до 5%) распределение токов по модулям. Вывод PR является двунаправленным портом, поэто-му в массиве модулей роль ведущего (драйвера) автома-тически принимает на себя модуль с большей частотой, а остальные подстраиваются под него (бустеры). Если система составлена из N + М модулей, то N модулей можно включить драйверами, а М — «бустерами». Перевод модуля в режим «бустера» осуществляется соединением выводов SC и —S, при этом отключается схема управле-ния выходом. Такое решение используется, если требуется получить выходное напряже-ние, отличное от номиналь-ного
. В этом случае один модуль включают «драйве-ром» — именно он задает U
вых
, а остальные «бусте-рами». PR-выводы разных модулей могут быть соедине-ны
между собой нескольки-ми способами. Самый прос-той — непосредственно про-водником. Если требуется обеспечить сохранение работоспособности системы в слу-чае выхода из строя одного или нескольких модулей, то соединение следует осущест-влять через конденсатор. Для обеспечения помехоус-тойчивости системы (напри-мер, если модули находятся на большом расстоянии друг от друга или на разных пла-тах) модули следует соеди-нять через разделительный трансформатор (см. рис. 6). Такое оригинальное решение позволяет достаточно просто наращивать мощность конеч-ной системы и обеспечивать режим резервирования.
Резервирование можно осуществить по схеме N + 1 (в общем случае, N+ М), что экономичес-ки выгоднее, чем обычно применяемая схема 2N. Поясним это на примере ИП мощностью 500 Вт. Его можно сконструировать из двух модулей по 500 
Вт (схема резервирования 2N) или из трех по 250 Вт (схема 2N + 1). Во вто-ром случае при нормальном функционировании каждый модуль берет на себя 1/3 общей мощности. В слу-чае выхода из строя одно-гоизмодулейостальные два продолжат нормальную работу. Экономический эффект особенно ощутим, если система состоит из большого числа модулей. Допускается параллельное соединение до 12 модулей.
PC- вывод (Primary Control ) позволяет дистан-ционно управлять включением/отключением модулей. Его также можно использо-вать для индикации состо-яния модуля (вкл ./откл .). На выводе PC формируется (или принимается) сигнал логического уровня 0/5 В. В качестве переключателя могут быть использованы контакты (тумблера, реле) или сигнал логического уровня 0/5 В. При Upc > 2,3 В модуль включен, а при Upc < < 2,3 В — выключен.
Выводы +S и -S (Sense ) предназначены для компенсации падения напряжения на проводни-ках, идущих от модуля к нагрузке. Допускается ком-пенсация падения напряжения до 0,5 В.
SC (Secondary Control ): изменяя потенциал на этом выводе, можно регулиро-вать выходное напряжение. Например, чтобы понизить выходное напряжение отно-сительно номинального , надо соединить через резис-тор вывод SC с выводом —S, а чтобы повысить — с выводом +S. При этом сле-дует учитывать, что у кон-вертора имеется защита по допустимому току, поэтому при понижении ивых про-порционально будет сни-жаться и допустимая мощ-ность преобразователя.
Конверторы компании Vicor имеют встроенные системы защиты :
- от понижения UBX ниже допустимого уровня;
- от превышения выходным напряжением U вых номинального уровня Uвых . ном на -15%;
- от перегрева.
При срабатывании одной из систем защиты модуль отключается и затем каждые 2—20 мс пытается стартовать заново. При этом на выводе PC появляются импульсы, которые можно использовать для индикации состояния конвертора (см. рис. 7). При устранении неисправности модуль автоматически переходит в активный режим.
Конверторы можно также перевести в режим стабилизатора тока путем добавления токоизмерительного резистора и операционного усилителя с подачей сигнала обратной связи на вывод SC. Такое решение реализо-вано в семействе програм-мируемых источников тока BatMod , предназначенных для зарядки аккумуляторов с номинальным напряжением 12, 24, 48 В при питании от сети постоянного тока 48, 150, 300 В на мощность до 200 Вт. BatMod обладают тем же набором свойств, что и DC/DC-конверторы 1-го поколения: выпускаются в четырех температурных гра-дациях Е , С, I и М, могут быть соединены параллельно. Также они имеют вывод для установки выходного тока и вывод для контроля тока.
В связи с тем, что конверторы компании Vicor являются достаточно слож-ными устройствами и обла-дают широким спектром возможностей, их корректное применение требует учета ряда особенностей. На сайте фирмы www.vicorpower.com можно найти инструкции по использованию, рекомендации по пайке, борьбе с шумами и помехами, обеспечению безопасного теплового режима. Кроме этого, квалифицированную техническую консультацию можно получить у офици-ального представителя Vicor в России — фирмы «ЭФО».
Литература
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.
LM2596 понижает входное (до 40 В) напряжение - выходное регулируется, ток 3 А. Идеален для светодиодов в машине. Очень дешёвые модули - около 40 рублей в Китае.
Компания Texas Instruments выпускает качественные, надежные, доступные и дешёвые, удобные в применении DC-DC контроллеры LM2596. Китайские заводы выпускают на её основе сверхдешёвые импульсные понижающие (stepdown) конвертеры: цена модуля на LM2596 примерно 35 рублей (вместе с доставкой). Я советую купить сразу партию в 10 штук - для них всегда найдётся применение, при этом цена опустится до 32 рублей, и меньше 30 рублей при заказе 50 штук. Подробнее о расчёте обвязки микросхемы, регулировке тока и напряжения, его применении и о некоторых минусах конвертера.
Типичный метод использования - стабилизированный источник напряжения. На основе этого стабилизатора легко сделать импульсный блок питания, я применяю её как простой и надёжный лабораторный блок питания, выдерживающий короткое замыкание. Они привлекательны постоянством качества (похоже, все они делаются на одном заводе - да и сложно сделать ошибки в пяти деталях), и полным соответствием даташиту и заявленным характеристикам.
Другая область применения - импульсный стабилизатор тока для питания мощных светодиодов . Модуль на этой микросхеме позволит вам подключить автомобильную светодиодную матрицу на 10 Ватт, дополнительно обеспечив защиту от КЗ.
Крайне рекомендую купить их десяток штук - обязательно пригодятся. Они по–своему уникальны - входное напряжение вплоть до 40 вольт, и требуется лишь 5 внешних компонентов. Это удобно - можно поднять напряжение на шине электропитания умного дома до 36 вольт, уменьшив сечение кабелей. В точках потребления ставим такой модуль и настраиваем его на нужные 12, 9, 5 вольт или сколько понадобится.
Рассмотрим их подробнее.
Характеристики микросхемы:
- Входное напряжение - от 2.4 до 40 вольт (до 60 вольт в версии HV)
- Выходное напряжение - фиксированное либо регулируемое (от 1.2 до 37 вольт)
- Выходной ток - до 3 ампер (при хорошем охлаждении - до 4.5А)
- Частота преобразования - 150кГц
- Корпус - TO220-5 (монтаж в отверстия) либо D2PAK-5 (поверхностный монтаж)
- КПД - 70-75% на низких напряжениях, до 95% на высоких
- Источник стабилизированного напряжения
- Схема преобразователя
- Даташит
- USB-зарядник на основе LM2596
- Стабилизатор тока
- Применение в самодельных устройствах
- Регулировка выходного тока и напряжения
- Улучшенные аналоги LM2596
История - линейные стабилизаторы
Для начала, объясню чем плохи стандартные линейные преобразователи напряжения вроде LM78XX (например 7805) или LM317. Вот его упрощённая схема.
Главный элемент такого преобразователя - мощный биполярный транзистор, включенный в своём «исконном» значении - как управляемый резистор. Этот транзистор входит в состав пары Дарлингтона (для увеличения коэффициента передачи по току и снижения мощности, необходимой на работу схемы). Базовый ток задаётся операционным усилителем, который усиливает разность между выходным напряжением и заданным с помощью ИОН (источник опорного напряжения), т.е. он включен по классической схеме усилителя ошибки.
Таким образом, преобразователь просто включает резистор последовательно с нагрузкой, и управляет его сопротивлением чтобы на нагрузке гасилось, к примеру, ровно 5 вольт. Нетрудно посчитать что при понижении напряжения с 12 вольт до 5 (очень частый случай применения микросхемы 7805) входные 12 вольт распределяются между стабилизатором и нагрузкой в отношении «7 вольт на стабилизаторе + 5 вольт на нагрузке». На токе в полампера на нагрузке выделяется 2.5 ватта, а на 7805 - целых 3.5 ватта.
Получается что «лишние» 7 вольт просто гасятся на стабилизаторе, превращаясь в тепло. Во-первых, из-за этого возникают проблемы с охлаждением, а во-вторых на это уходит много энергии из источника питания. При питании от розетки это не очень страшно (хотя всё равно наносится вред экологии), а при батарейном или аккумуляторном питании об этом нельзя не помнить.
Другая проблема - таким методом вообще невозможно сделать повышающий преобразователь. Часто такая потребность возникает, и попытки решить этот вопрос двадцать-тридцать лет назад поражают - насколько сложен был синтез и расчёт таких схем. Одна из простейших схем такого рода - двухтактный преобразователь 5В->15В.
Нужно признать, что он обеспечивает гальваническую развязку, однако он неэффективно использует трансформатор - каждый момент времени задействована лишь половина первичной обмотки.
Забудем это как страшный сон и перейдём к современной схемотехнике.
Источник напряжения
Схема
Микросхема удобна в применении в качестве step–down конвертера: мощный биполярный ключ находится внутри, осталось добавить остальные компоненты регулятора - быстрый диод, индуктивность и выходной конденсатор, также возможно поставить входной конденсатор - всего 5 деталей.
В версии LM2596ADJ также потребуется схема задания выходного напряжения, это два резистора или один переменный резистор.
Схема понижающего преобразователя напряжения на основе LM2596:
Вся схема вместе:
Здесь можно скачать даташит/datasheet на LM2596 .
Принцип работы: управляемый ШИМ–сигналом мощный ключ внутри устройства посылает импульсы напряжения на индуктивность. В точке А x% времени присутствует полное напряжение, и (1–x)% времени напряжение равно нулю. LC–фильтр сглаживает эти колебания, выделяя постоянную составляющую, равную x * напряжение питания. Диод замыкает цепь, когда транзистор выключен.
Подробное описание работы
Индуктивность противится изменению тока через неё. При появлении напряжения в точке А дроссель создаёт большое отрицательное напряжение самоиндукции, и напряжение на нагрузке становится равно разности напряжения питания и напряжения самоиндукции. Ток индуктивности и напряжение на нагрузке постепенно растут.
После пропадания напряжения в точке А дроссель стремится сохранить прежний ток, текущий из нагрузки и конденсатора, и замыкает его через диод на землю - он постепенно падает. Таким образом, напряжение на нагрузке всегда меньше входного напряжения и зависит от скважности импульсов.
Выходное напряжение
Модуль выпускается в четырёх версиях: с напряжением 3.3В (индекс –3.3), 5В (индекс –5.0), 12В (индекс –12) и регулируемая версия LM2596ADJ. Имеет смысл везде применять именно настраиваемую версию, поскольку она в большом количестве есть на складах электронных компаний и вы вряд ли столкнётесь с её дефицитом - а она требует дополнительно лишь два копеечных резистора. Ну и конечно, версия на 5 вольт тоже пользуется популярностью.
Количество на складе - в последнем столбце.
Можно сделать задание выходного напряжения в виде DIP-переключателя, хороший пример этого приведён здесь, либо в виде поворотного переключателя. В обоих случаях потребуется батарея точных резисторов - зато можно настраивать напряжение без вольтметра.
Корпус
Существует два варианта корпусов: корпус для планарного монтажа TO–263 (модель LM2596S) и корпус для монтажа в отверстия TO–220 (модель LM2596T). Я предпочитаю применять планарную версию LM2596S, поскольку в этом случае радиатором является сама плата, и отпадает необходимость покупать дополнительный внешний радиатор. К тому же её механическая стойкость гораздо выше, в отличие от TO-220, которую обязательно надо к чему–то привинчивать, хотя бы даже к плате - но тогда проще установить планарную версию. Микросхему LM2596T-ADJ я рекомендую использовать в блоках питания, потому что с её корпуса легче отвести большое количество тепла.
Сглаживание пульсаций входного напряжения
Можно использовать как эффективный «интеллектуальный» стабилизатор после выпрямления тока. Поскольку микросхема следит непосредственно за величиной выходного напряжения, колебания входного напряжения вызовут обратно пропорциональное изменение коэффициента преобразования микросхемы, и выходное напряжение останется в норме.
Из этого следует, что при использовании LM2596 в качестве понижающего преобразователя после трансформатора и выпрямителя, входной конденсатор (т.е. тот который стоит сразу после диодного моста) может иметь небольшую ёмкость (порядка 50-100мкФ).
Выходной конденсатор
Благодаря высокой частоте преобразования выходной конденсатор тоже не обязан иметь большую ёмкость. Даже мощный потребитель не успеет значительно посадить этот конденсатор за один цикл. Проведём расчёт: возьмём конденсатор в 100мкФ, 5В выходного напряжения и нагрузку, потребляющую 3 ампера. Полный заряд конденсатора q = C*U = 100e-6 мкФ * 5 В = 500e-6 мкКл.
За один цикл преобразования нагрузка заберёт из конденсатора dq = I*t = 3 А * 6.7 мкс = 20 мкКл (это всего 4% от полного заряда конденсатора), и тут же начнётся новый цикл, и преобразователь засунет в конденсатор новую порцию энергии.
Самое главное - не используйте в качестве входного и выходного конденсатора танталовые конденсаторы. У них прямо в даташитах пишут - «не использовать в цепях питания», потому что они очень плохо переносят даже кратковременные превышения напряжения, и не любят высокие импульсные токи. Используйте обычные алюминиевые электролитические конденсаторы.
Эффективность, КПД и тепловые потери
КПД не так высок, поскольку в качестве мощного ключа используется биполярный транзистор - а он имеет ненулевое падение напряжения, порядка 1.2В. Отсюда и падение эффективности при маленьких напряжениях.
Как видим, максимальная эффективность достигается при разности входного и выходного напряжений порядка 12 вольт. То есть, если нужно уменьшить напряжение на 12 вольт - в тепло уйдёт минимальное количество энергии.
Что такое эффективность преобразователя? Это величина, характеризующая токовые потери - на выделение тепла на полностью открытом мощном ключе по закону Джоуля-Ленца и на аналогичные потери при переходных процессах - когда ключ открыт, допустим, лишь наполовину. Эффекты от обоих механизмов могут быть сравнимы по величине, поэтому не нужно забывать про оба пути потерь. Небольшая мощность идёт также на питание самих «мозгов» преобразователя.
В идеальном случае, при преобразовании напряжения с U1 до U2 и выходном токе I2 выходная мощность равна P2 = U2*I2, входная мощность равна ей (идельный случай). Значит, входной ток составит I1 = U2/U1*I2.
В нашем же случае преобразование имеет эффективность ниже единицы, поэтому часть энергии останется внутри прибора. Например, при эффективности η выходная мощность составит P_out = η*P_in, а потери P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η. Конечно, преобразователь вынужден будет увеличить входной ток, чтобы поддерживать заданные выходные ток и напряжение.
Можно считать, что при преобразовании 12В -> 5В и выходном токе 1А потери в микросхеме составят 1.3 ватта, а входной ток будет равен 0.52А. В любом случае это лучше любого линейного преобразователя, который даст минимум 7 ватт потерь, и потребит из входной сети (в том числе на это бесполезное дело) 1 ампер - в два раза больше.
Кстати, микросхема LM2577 имеет в три раза меньшую частоту работы, и её эффективность несколько выше, поскольку меньше потерь в переходных процессах. Однако, ей нужны в три раза более высокие номиналы дросселя и выходного конденсатора, а это лишние деньги и размер платы.
Увеличение выходного тока
Несмотря на и так довольно большой выходной ток микросхемы, иногда требуется ещё бОльший ток. Как выйти из этой ситуации?
- Можно запараллелить несколько преобразователей. Конечно, они должны быть настроены точно на одно и то же выходное напряжение. В таком случае нельзя обойтись простыми SMD-резисторами в цепи задания напряжения Feedback, нужно использовать либо резисторы с точностью 1%, либо вручную задавать напряжение переменным резистором.
USB-зарядник на LM2596
Можно сделать очень удобный походный USB-зарядник. Для этого необходимо настроить регулятор на напряжение 5В, снабдить его USB-портом и обеспечить питание зарядника. Я использую купленный в Китае радиомодельный литий-полимерный аккумулятор, обеспечивающий 5 ампер-часов при напряжении 11.1 вольта. Это очень много - достаточно для того чтобы 8 раз зарядить обычный смартфон (не учитывая КПД). С учётом КПД получится не меньше 6 раз.
Не забудьте замкнуть контакты D+ и D- гнезда USB, чтобы сообщить телефону что он подключен к заряднику, и передаваемый ток неограничен. Без этого мероприятия телефон будет думать, что он подключен к компьютеру, и будет заряжаться током в 500мА - очень долго. Более того, такой ток может даже не скомпенсировать ток потребления телефона, и аккумулятор вовсе не будет заряжаться.
Также можно предусмотреть отдельный вход 12В от автомобильного аккумулятора с разъёмом прикуривателя - и переключать источники каким-либо переключателем. Советую установить светодиод, который будет сигнализировать что устройство включено, чтобы не забыть выключить батарею после полной зарядки - иначе потери в преобразователе полностью посадят резервную батарею за несколько дней.
Такой аккумулятор не слишком подходит, потому что он рассчитан на высокие токи - можно попробовать найти менее сильноточную батарею, и она будет иметь меньшие размеры и вес.
Стабилизатор тока
Регулировка выходного тока
Возможна только в версии с настраиваемым выходным напряжением (LM2596ADJ). Кстати, китайцы делают и такую версию платы, с регулировкой напряжения, тока и всевозможной индикацией - готовый модуль стабилизатора тока на LM2596 с защитой от КЗ, можно купить под названием xw026fr4.
Если вы не хотите применять готовый модуль, и желаете сделать эту схему самостоятельно - ничего сложного, за одним исключением: у микросхемы нет возможности управления током, однако её можно добавить. Я объясню, как это сделать, и попутно разъясню сложные моменты.
Применение
Стабилизатор тока - штука, нужная для питания мощных светодиодов (кстати - мой проект микроконтроллерного драйвера мощного светодиода ), лазерных диодов, гальваники, заряда аккумуляторов. Как и в случае со стабилизаторами напряжения, есть два типа таких устройств - линейный и импульсный.
Классический линейный стабилизатор тока - это LM317, и он вполне хорош в своём классе - но его предельный ток 1.5А, для многих мощных светодиодов этого недостаточно. Даже если умощнить этот стабилизатор внешним транзистором - потери на нём просто неприемлемы. Весь мир катит бочку на энергопотребление лампочек дежурного питания, а тут LM317 работает с КПД 30% Это не наш метод.
А вот наша микросхема - удобный драйвер импульсного преобразователя напряжения, имеющий много режимов работы. Потери минимальны, поскольку не применяется никаких линейных режимов работы транзисторов, только ключевые.
Изначально она предназначалась для схем стабилизации напряжения, однако несколько элементов превращают её в стабилизатор тока. Дело в том, что микросхема всецело полагается на сигнал «Feedback» в качестве обратной связи, а вот что на него подавать - это уже наше дело.
В стандартной схеме включения на эту ногу подаётся напряжение с резистивного делителя выходного напряжения. 1.2В - это равновесие, если Feedback меньше - драйвер увеличивает скважность импульсов, если больше - уменьшает. Но ведь можно на этот вход подать напряжение с токового шунта!
Шунт
Например, на токе 3А нужно взять шунт номиналом не более 0.1Ом. На таком сопротивлении этот ток выделит около 1Вт, так что и это много. Лучше запараллелить три таких шунта, получив сопротивление 0.033Ом, падение напряжения 0.1В и выделение тепла 0.3Вт.
Однако, вход Feedback требует напряжение 1.2В - а мы имеем лишь 0.1В. Ставить бОльшее сопротивление нерационально (тепла будет выделяться в 150 раз больше), поэтому остаётся как-то увеличить это напряжение. Делается это с помощью операционного усилителя.
Неинвертирующий усилитель на ОУ
Классическая схема, что может быть проще?
Объединяем
Теперь объединяем обычную схему преобразователя напряжения и усилитель на ОУ LM358, к входу которого подключаем токовый шунт.
Мощный резистор 0.033 Ом - это и есть шунт. Его можно сделать из трёх резисторов 0.1 Ом, соединённых параллельно, а для увеличения допустимой рассеиваемой мощности - используйте SMD-резисторы в корпусе 1206, поставьте их с небольшим промежутком (не вплотную) и постарайтесь максимально оставить слой меди вокруг резисторов и под ними. На выход Feedback подключен небольшой конденсатор, чтобы устранить возможный переход в режим генератора.
Регулируем и ток и напряжение
Давайте заведём на вход Feedback оба сигнала - и ток, и напряжение. Для объединения этих сигналов воспользуемся обычной схемой монтажного «И» на диодах. Если сигнал тока выше сигнала напряжения - он будет доминировать и наоборот.
Пару слов о применимости схемы
Вы не можете регулировать выходное напряжение. Хотя невозможно регулировать одновременно и выходной ток, и напряжение - они пропорциональны друг другу, с коэффициентом «сопротивление нагрузки». А если блок питания реализует сценарий вроде «постоянное выходное напряжение, но при превышении тока начинаем уменьшать напряжение», т.е. CC/CV - то это уже зарядное устройство.
Максимальное напряжение питания схемы - 30В, поскольку это предел для LM358. Можно расширить этот предел до 40В (или 60В с версией LM2596-HV), если питать ОУ от стабилитрона.
В последнем варианте в качестве суммирующих диодов необходимо использовать диодную сборку, поскольку в ней оба диода сделаны в рамках одного технологического процесса и на одной пластине кремния. Разброс их параметров будет гораздо меньше разброса параметров отдельных дискретных диодов - благодаря этому мы получим высокую точность отслеживания значений.
Также нужно внимательно следить за тем, чтобы схема на ОУ не возбудилась и не перешла в режим генерации. Для этого старайтесь уменьшить длину всех проводников, а особенно дорожки, подключенной к 2 выводу LM2596. Не располагайте ОУ вблизи этой дорожки, а диод SS36 и конденсатор фильтра расположите ближе к корпусу LM2596, и обеспечьте минимальную площадь петли земли, подключенной к этим элементам - необходимо обеспечить минимальную длину пути возвратного тока «LM2596 -> VD/C -> LM2596″.
Применение LM2596 в устройствах и самостоятельная разводка платы
О применении микросхемы в своих устройствах не в виде готового модуля я подробно рассказал в другой статье , в которой рассмотрены: выбор диода, конденсаторов, параметров дросселя, а также рассказал про правильную разводку и несколько дополнительных хитростей.
Возможности дальнейшего развития
Улучшенные аналоги LM2596
Проще всего после этой микросхемы перейти на LM2678 . По сути - это тот же самый stepdown преобразователь, только с полевым транзистором, благодаря которому КПД поднимается до 92%. Правда, у него 7 ног вместо 5, и он не pin-to-pin совместимый. Тем не менее эта микросхема очень похожа, и будет простым и удобным вариантом с улучшенной эффективностью.
L5973D – довольно старая микросхема, обеспечивающая до 2.5А, и немного более высокий КПД. Также у неё почти в два раза выше частота преобразования (250 кГц) - следовательно, требуются меньшие номиналы индуктивности и конденсатора. Однако, я видел что с ней происходит, если поставить её напрямую в автомобильную сеть - довольно часто выбивает помехами.
ST1S10 - высокоэффективный (КПД 90%) DC–DC stepdown преобразователь.
- Требует 5–6 внешних компонентов;
ST1S14 - высоковольтный (до 48 вольт) контроллер. Большая частота работы (850 кГц), выходной ток до 4А, выход Power Good, высокий КПД (не хуже 85%) и схема защиты от превышения тока нагрузки делают его, наверное, лучшим преобразователем для питания сервера от 36–вольтового источника.
Если требуется максимальный КПД - придётся обращаться к неинтегрированным stepdown DC–DC контроллерам. Проблема интегрированных контроллеров в том, что в них никогда не бывает классных силовых транзисторов - типичное сопротивление канала не выше 200мОм. Однако если взять контроллер без встроенного транзистора - можно выбрать любой транзистор, хоть AUIRFS8409–7P с сопротивлением канала в пол–миллиома
DC-DC преобразователи с внешним транзистором
Следующая часть
Прислал:
Простые схемы не всегда хуже "навороченных". А схемы на дискретных элементах ничуть не уступают готовым микросхемам. Очередной пример можно увидеть здесь.
Одними из наиболее популярных электронных устройств в настоящее время являются маломощные однотактные DC-DC конверторы, широко используемые в переносной батарейной аппаратуре. Естественно, что многие фирмы ведут активные разработки в этой области, и таких готовых устройств бесчисленное множество. На рис. 1 для примера показана блок-схема одного из распространенных конверторов TPS61045 производства фирмы Texas Instruments .
Эта блок-схема не является чем-то выдающимся по количеству используемых элементов, ничуть не меньше таковых в аналогичных устройствах других производителей. Вероятно поэтому интегральные DC-DC конвертеры являются довольно дорогими изделиями электронной техники. Кроме гипертрофированной блок-схемы некоторые из таких устройств страдают импульсной неустойчивостью из-за неоправданно большого коэффициента преобразования в петле ООС. Например, на рис. 2 показана упрощенная форма напряжения в таком режиме на индуктивности конвертера SP6641 фирмы Sipex.
По всей видимости, приведенные факты стали следствием использования интегральных технологий, которые, устранив прямую зависимость между числом используемых компонентов и размерами электронных устройств, заодно устранили и мотивацию к созданию оптимальной электроники. Вследствие этого неоправданное усложнение интегральных микросхем стало всеобщим, а платить за это приходится потребителям.
Поэтому в данной статье сделана попытка показать, что если для реализации электронных устройств не использовать лишних компонентов, то получаются изделия, ничем не уступающие интегральным аналогам, а по некоторым параметрам и превосходящие их. Начиная с меньшей стоимости.
Кроме того, поскольку в таких устройствах компонентов ровно столько, сколько это необходимо для решения конкретной задачи, они почти не уступают интегральным аналогам по занимаемой площади на плате, хотя выполнены на отдельных элементах. Причем реализация на отдельных элементах зачастую позволяет обеспечить и лучшие электрические параметры, чем у интегральных микросхем, поскольку разработчик имеет возможность при создании своего устройства отобрать наилучшие на данный момент дискретные компоненты, чего нельзя обеспечить при использовании готовых микросхем, качество используемых элементов в которых навсегда привязано к периоду их разработки.
Электрическая схема однотактного конвертера, подтверждающего вышеизложенное, представлена на рис.3.
Структура представляемого устройства является универсальной и позволяет создавать конвертеры с любыми видами модуляции.
В данном случае используется частотно-импульсная модуляция, что не только позволило реализовать наиболее простую структуру конвертера, но и способствует его более высокой эффективности по сравнению с конвертерами, использующими ШИМ. Это объясняется тем, что при использовании частотно-импульсной модуляции и уменьшении тока в нагрузке КПД снижается только за счет начального потребления тока схемой управления выходным ключом, в отличие от конверторов с ШИМ, где КПД дополнительно ухудшается в связи с неэффективным использованием индуктивности при уменьшении времени ее заряда, что особенно сильно проявляется при больших коэффициентах преобразования.
Устройство является универсальным, но в данном конкретном случае предназначено для преобразования напряжения батареи из двух NiMh аккумуляторов с напряжением 2…2.7 В в напряжение питания для OLED дисплея (~13 В, 30 мА).
Следует обратить внимание на то, что в конверторе нет никаких компараторов и операционных усилителей. При этом не только обеспечивается стабильность выходного напряжения не хуже 1% при изменении входного в пределах 2.5…4 В или при изменении нагрузки, что вполне достаточно для любых практических задач, но и исключается импульсная неустойчивость, вследствие чего просто приятно наблюдать чистую осциллограмму на аноде VD4 в отличие от картины в той же точке у некоторых промышленных микросхем. Соответственно обеспечивается и минимальный уровень помех. Указанная особенность определяется не только минимально необходимым усилением в петле ООС, но и используемым типом модуляции.
За счет взаимной компенсации температурного ухода у VD1, VT1 и VD3 описываемое устройство обладает и неплохой температурной стабильностью – не хуже 2% в диапазоне температур –20…+50 °С. КПД преобразователя при использовании относительно недорогой индуктивности фирмы Murata LQH55D составляет примерно 85% даже при входном напряжении 2 В и предельной выходной мощности, которая при таком входном напряжении достигает 0.4 Вт. Наилучшие характеристики устройства обеспечиваются при питании DD1 от отдельного источника напряжением 2.5…5 В.
Следует отметить, что за вычетом стоимости танталовых конденсаторов, выпрямительного диода и индуктивности, которые используются и в микросхемном варианте, стоимость компонентов представляемого устройства составляет примерно 10 руб., в то время как розничная цена микросхемы TPS61045, предназначенной для тех же целей и имеющей худшие параметры, в среднем не ниже 50 руб. Следовательно, лишние компоненты из упомянутой микросхемы обходятся пользователям в 40 руб.
Единственный замеченный недостаток представляемого конвертера заключается в том, что при питании DD1 от первичного источника и при снижении первичного напряжения ниже определенного предела возможна ситуация, когда возникает положительная обратная связь через источник питания и в такой ситуации либо мощность, рассеиваемая на МОП ключе, может превысить допустимую, либо МОП ключ просто разрядит первичный источник. Это объясняется удлинением выходных импульсов у используемого логического элемента при уменьшении его питающего напряжения.
Однако при желании такая ситуация может быть исключена при минимальных дополнительных затратах – достаточно параллельно диодной сборке VD1 включить выход обычного монитора питания типа, например, BD47xx с напряжением срабатывания, равным минимально допустимому напряжению питания конвертера, а вход монитора следует подключить к первичному источнику питания. При использовании в микроконтроллерных устройствах можно отключать конвертер по входу shutdown, подавая на него низкий логический уровень, как только АЦП микроконтроллера обнаружит разряд батареи ниже допустимого уровня.
На рис. 4 представлен вариант трассировки конвертера на печатной плате в масштабе примерно 4:1. Реальные размеры – 14 × 17 мм без присоединительных выводов. При необходимости получения выходных напряжений менее 8 В стабилитрон VD4 следует заменить на шунтовый регулятор типа, например, LMV431.
Возможны также различные модификации конвертера, изображенного на рис. 3. Один из теоретически возможных вариантов для примера показан на рис. 5*.
Рис. 5
(*Данное устройство не используется в моих разработках, а поэтому не реализовывалось и не тестировалось.)
В этом варианте используется цепь регулирования, применяемая в простых однотактных DC-DC конвертерах как минимум с 80-х годов прошлого столетия. Конвертеры такого типа позволяют избежать применения преобразователей типа sepic, которые не имеют перед ними никаких преимуществ, кроме возможности присоединить не плюс, а минус батареи к общему проводу питаемого конвертером устройства. Поскольку представленное на рис. 5 устройство намного дешевле, проще и эффективнее упомянутых конвертеров типа sepic, оно делает применение последних за исключением особых случаев совершенно бессмысленным.
Замечательным свойством этого конвертера, как, кстати, и конвертеров типа sepic, является возможность работы с первичными источниками, напряжение которых может быть любым – как меньше выходного напряжения, так и больше. К сожалению, диапазон возможных напряжений первичного источника в описываемом устройстве ограничивается возможностями используемого триггера Шмитта по допустимым напряжениям его питания. В показанном на рис. 5 варианте диапазон напряжений первичного источника не должен выходить за пределы 2…5.5 В при выходном напряжении, например, 3 В.
Кроме прочих достоинств, при использовании этой схемы появляется возможность использовать батарею в качестве источника отрицательного смещения, а не применять для этого специальные преобразователи или дополнительные обмотки с выпрямителем.
