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.

Простые схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения для питания радиолюбительских устройств

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Сегодня на сайте “ “ мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать – простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)

Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного.
Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
– понижающие, повышающие, инвертирующие;
– стабилизированные, нестабилизированные;
– гальванически изолированные, неизолированные;
– с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы – они проще в сборке и не капризны при настройке.

Первая схема.
Нестабилизированный транзисторный преобразователь:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка – 2х10 витков, вторичная обмотка – 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Вторая схема.

Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Третья схема.
:

Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Четвертая схема.
Преобразователь на специализированной микросхеме:
Преобразователь стабилизирующего типа на специализированной микросхеме фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент – дроссель L1.

Пятая схема.
Нестабилизированный двухступенчатый умножитель напряжения:

Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.

Шестая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме фирмы MAXIM:
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД – 94%, ток нагрузки – до 200 мА.

Седьмая схема.
Два напряжения от одного источника питания :
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 – накопители энергии.

Восьмая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме-2 фирмы MAXIM:
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД – 90%.

Девятая схема.
Импульсный понижающий стабилизатор на микросхеме фирмы TEXAS:

Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле:
Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)

Десятая схема.
Интегральный инвертор напряжения на микросхеме фирмы MAXIM:
Интегральный инвертор напряжения, КПД – 98%.

Одиннадцатая схема.
Два изолированных преобразователя на микросхемах фирмы YCL Elektronics:
Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.

Универсальный автомобильный преобразователь (конвертер) "DC/DC".

Это простой, универсальный DC/DC - преобразователь (преобразователь одного напряжения постоянного тока в другое). Его входное напряжение может быть от 9 и до 18 В, с выходным напряжением 5-28 вольт, которое может при необходимости быть изменено в пределах примерно от 3 до 50В. Выходное напряжение данного преобразователя может быть как меньше входного, так и больше.
Отдаваемая в нагрузку мощность может доходить до 100 Вт. Средний ток нагрузки преобразователя составляет 2,5-3 ампера (зависит от выходного напряжения, и при выходном напряжении, например 5 вольт - ток нагрузки может быть и 8 ампер и более).
Этот преобразователь подходит для различных целей, таких как - запитывание ноутбуков, усилителей, портативных телевизоров и другой бытовой техники от бортовой сети автомобиля 12V, так-же зарядка мобильных телефонов, устройств USB, 24В техника и др.
Преобразователь устойчив к перегрузкам и коротким замыканиям на выходе, так как входная и выходная цепь - гальванически не связаны между собой, и например выход из строя силового транзистора, не приведёт к выходу из строя подключенной нагрузки, и всего лишь на выходе пропадёт напряжение (ну и перегорит защитный предохранитель).

Рисунок 1.
Схема преобразователя.

Преобразователь построен на микросхеме UC3843. В отличии от обычных схем подобных преобразователей, здесь в качестве энерго-вырабатывающего элемента применён не дроссель, а трансформатор, с соотношением витков 1:1, в связи с чем его вход и выход, гальванически развязаны между собой.
Рабочая частота преобразователя составляет около 90-95 kHz.
Рабочее напряжение конденсаторов С8 и С9 выбирать, в зависимости от выходного напряжения.
Величина резистора R9, определяет порог ограничения преобразователя по току. Чем меньше его величина, тем больше ток ограничения.
Вместо подстроечного резистора R3, можно поставить переменный, и им регулировать выходное напряжение, или поставить ряд постоянных резисторов с фиксированными значениями выходного напряжения, и выбирать их переключателем.
Для расширения диапазона выходных напряжений, необходимо пересчитать делитель напряжения R2, R3, R4, таким образом, чтобы напряжение на выводе 2 микросхемы, составляло 2,5 вольта при необходимом выходном напряжении.

Рисунок 2.
Трансформатор.

Сердечник трансформатора использован от компьютерных блоков питания АТ, АТХ, на котором намотан ДГС (дроссель групповой стабилизации). Сердечник окраски жёлто-белый, можно использовать любые подходящие сердечники. Хорошо подходят и сердечники от подобных БП и сине-зелёной окраски.
Обмотки трансформатора намотаны в два провода и содержат 2х24 витка, проводом, диаметром 1,0 мм. Начала обмоток на схеме обозначены точками.

В качестве выходных силовых транзисторов желательно использовать те, у которых малое сопротивление открытого канала. В частности SUP75N06-07L, SUP75N03-08, SMP60N03-10L, IRL1004, IRL3705N. И выбирать их ещё нужно с максимальным рабочим напряжением, в зависимости от максимального выходного напряжения. Максимальное рабочее напряжение транзистора не должно быть меньше 1,25 от выходного напряжения.
В качестве диода VD1, можно применить спаренный диод Шоттки, с обратным напряжением не менее 40В и максимальным током не менее 15А, так же желательно в корпусе ТО-220. Например SLB1640, или STPS1545 и т.д.

Схема была собрана и протестирована на макетной плате. В качестве силового транзистора был использован полевой транзистор 09N03LA, выдранный из "дохлой материнки". В качестве диода - спаренный диод Шоттки SBL2045CT.

Рисунок 3.
Тест 15V-4A.

Тестирование инвертора при входном напряжении 12 вольт и выходном напряжении 15 вольт. Ток нагрузки инвертора составляет 4 ампера. Мощность нагрузки составляет 60 ватт.

Рисунок 4.
Тест 5V-8A.

Тестирование инвертора при входном напряжении 12 вольт, выходное напряжение 5V и ток нагрузки 8A. Мощность нагрузки составляет 40 ватт. Силовой транзистор применённый в схеме = 09N03LA (SMD из материнки), D1 = SBL2045CT (от комповых БП), R9 = 0R068 (0,068 Ом), C8 = 2 х 4700 10V.

Печатная плата, разработанная для этого устройства, размером 100х38 мм, с учётом установки транзистора и диода на радиатор. Печатка в формате Sprint-Layout 6.0 , прилагается в прикреплении.

Ниже на фотографиях вариант сборки данной схемы с применением SMD-компонентов. Печатка разведена для SMD-компонентов, размером 1206.

Рисунок 5.
Вариант сборки преобразователя.

Если нет необходимости регулировать выходное напряжение на выходе данного преобразователя, то тогда переменный резистор R3 можно исключить, и подобрать резистор R2 так, чтобы выходное напряжение преобразователя соответствовало необходимому.

Архив для статьи

Сегодня мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать - простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)

Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного. Импульсные преобразователи подразделяются на группы:

• - понижающие, повышающие, инвертирующие;
• - стабилизированные, нестабилизированные;
• - гальванически изолированные, неизолированные;
• - с узким и широким диапазоном входных напряжений.

Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы - они проще в сборке и не капризны при настройке. Итак, приводим для ознакомления 14 схем на любой вкус:

Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка - 2х10 витков, вторичная обмотка - 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент - дроссель L1.

Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.

Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД - 94%, ток нагрузки - до 200 мА.

Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 - накопители энергии.

8. Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM

Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД - 90%.

Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле: Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)

Интегральный инвертор напряжения, КПД - 98%.

Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.

Индуктивность первичной обмотки трансформатора Т1 - 22 мкГн, отношение витков первичной обмотки к каждой вторичной - 1:2.5.

Типовая схема стабилизированного повышающего преобразователя на микросхеме фирмы MAXIM.