Dc converter что это

Обновлено: 06.07.2024

DC DC преобразователи нужны для работы разнообразной электронной аппаратуры, управляющих схем, устройств коммуникации, вычислительной техники, автоматики, мобильных гаджетов и других приборов. Принцип работы DC DC преобразователей заключается в изменении выходного напряжения, причем возможно как его увеличение, так и уменьшение по отношению к значению напряжения на входе – в зависимости от используемого источника питания и напряжения, потребляемого прибором. Соответственно, инверторы бывают повышающими и понижающими.

Питание схем с использованием трансформаторных БП

В трансформаторных блоках питания преобразуется напряжение питающей электросети – как правило, трансформатор уменьшает его до требуемой величины. Уменьшенное напряжение выпрямляется при помощи диодного моста, проходит через полупроводниковый стабилизатор (при необходимости) и нивелируется конденсаторным фильтром.

Стабилизаторы обычно используются линейные. Они дешевые и содержат в обвязке минимум компонентов, но имеют скромный КПД. Частично Uвх тратится на нагревание регулирующего транзистора. Поэтому трансформаторные БП не подходят для использования в переносной электронике.

Работа DC DC преобразователя

Для приборов, электропитание которых производится от батареек или аккумуляторов, изменение напряжения до требуемой величины возможно только с использованием DC DC инверторов. Опишем вкратце, как работают DC DC преобразователи повышающего или понижающего типа. Напряжение постоянного тока с его помощью:

становится переменным с частотой в несколько десятков или сотен кГц;
увеличивается или уменьшается до требуемого значения;
проходит выпрямление;
поступает в нагрузку.

Такие инверторы называют импульсными. Они отличаются высоким КПД – от 60 до 90%, и имеют широкий диапазон Uвх. Его значение бывает меньше Uвых или гораздо выше его. Например, инвертор, увеличивающий напряжение от 1,5 до 5 В, увеличивает стандартное напряжение батарейки до Uвых, характерного для USB разъема на компьютере. Широко используются и модели, увеличивающие напряжение с 12 до 220 В. Среди понижающих моделей популярны конфигурации, уменьшающие напряжение от 12–80 В до 5 В и от 16–120 В до 12 В (напряжение автомобильного аккумулятора).

Виды DC DC преобразователей напряжения

Рассмотрим основные типы таких устройств:

Понижающие (альтернативные названия – buck, chopper, step-down). Обычно имеют Uвых<Uвх. Без весомых затрат на нагревание регулирующего транзистора удается обеспечить Uвых в несколько единиц вольт при значениях Uвх=12–50 В. У подобных моделей Iвых зависит от потребления устройства и влияет на схему DC DC преобразователя.
Повышающие (альтернативные названия – boost, бустеры, step-up). Имеют Uвых˃Uвх. К примеру, при Uвх=5 В удается получить Uвых до 30 В, с возможностью его высокоточной регулировки и стабилизации.
Универсальные (SEPIC). Имеют Uвых, удерживаемое на фиксированном уровне. При этом есть возможность получить и Uвых<Uвх, и Uвых˃Uвх. Изделия этой группы рекомендуется использовать при напряжении на входе, меняющемся в больших диапазонах. В частности, напряжение автомобильного аккумулятора способно меняться в диапазоне от 9 до 14 В, а на выходе нужно иметь стабильное значение 12 В.
Инвертирующие (inverting converter). Главная задача таких устройств – получение Uвых обратной полярности по отношению к источнику питания. Они оптимально подходят для использования в ситуациях, когда нужно 2-полярное питание, к примеру, для питания операционных усилителей.

Инверторы всех перечисленных типов бывают со стабилизацией и без нее. Uвых бывает гальванически связанным с Uвх. Есть модели с гальванической развязкой напряжений. Подходящие характеристики и особенности инвертора зависят от характеристик прибора, в составе которого он будет применяться.

Работа DC DC преобразователя понижающего типа

Как видно по функциональной схеме DC DC преобразователя класса buck, на входе Uin поступает на фильтр – расположенный здесь конденсатор Cin. Коммутацию тока на высоких частотах выполняет транзистор VT – обычный биполярный или структуры MOSFET, или IGBT. Дополнительно в функциональной схеме предусмотрен разрядный диод VD и расположенный на выходе фильтр LCout. С него напряжение идет в нагрузку Rн, которая подсоединена последовательно к элементам VT и L.

Опишем алгоритм понижения напряжения. Управляющая микросхема создает импульсы в форме прямоугольников, со стабильной частотой. На графике tи – это время импульса при открытом транзисторе, а tп – длительность паузы при его закрытом состоянии. Отношение tи/T=D – это коэффициент заполнения, который измеряется в процентах (от 0 до 100%) или долях числа (от 0 до 1). К примеру, D=50% – это то же самое, что и D=0,5. При D=1 наблюдается полная проводимость ключевого транзистора, а при D=0 ключ закрыт, т.е. наблюдается отсечка. При D=0,5 значение Uвых=0,5Uвх.

Uвых регулируется путем смены ширины импульса управления tи, фактически – за счет смены коэффициента D. Этот принцип регулировки носит название широтно-импульсной модуляции (ШИМ, в английской аббревиатуре – PWM). Стабилизация Uвых в большинстве импульсных БП осуществляется с использованием ШИМ.

Благодаря массовому распространению инверторов производители наладили изготовление ШИМ контроллеров всевозможных типов. Их выбор огромен, поэтому собирать инверторы на дискретных компонентах не приходится. К тому же, готовые инверторы умеренной мощности отличаются ценовой доступностью. Для установки в создаваемую конструкцию остается только припаять к плате проводки на вход и выход, а затем выставить нужное значение Uвых.

Фазы работы понижающего преобразователя

Коэффициент D влияет на длительность открытия или закрытия ключа:

Фаза 1 – накачка. Когда ключ-транзистор разомкнут, ток от батарейки, аккумулятора или другого источника идет по направлению от дросселя L на нагрузку Rн и заряжаемый конденсатор Cout. Конденсатор и дроссель при этом копят электроэнергию. Величина тока iL плавно растет под воздействием индуктивности дросселя. Этот этап называется накачкой. Когда напряжение на нагрузке достигает фиксированной величины, транзистор VT перекрывается, и стартует этап разряда.
Фаза 2 – разряд. Транзистор VT сомкнут, и дроссель не накапливает энергию, т.к. источник отключен. Изменению значения и направленности тока, идущего через обмотку дросселя, препятствует индуктивность L (эффект самоиндукции). В результате движение тока не прекращается в один миг, и происходит его замыкание по линии «диод-нагрузка». По этой причине диод VD называется разрядным. Обычно в этих целях используется быстродействующий диод Шоттки. По окончании 2-й фазы процесс циклически повторяется.

Предельное значение Uвых в этой схеме равно Uвх и не может превышать его. Для получения Uвых˃ Uвх используются повышающие преобразователи.

Нюансы создания схем понижающих преобразователей

В реальности работа схемы инвертора отличается от теоретического описания. При включении и выключении возможны промедления, активное сопротивление отлично от нуля, на работе схемы сказывается качество используемых элементов и паразитная емкость монтажа. Значение индуктивности определяет 2 режима работы понижающего преобразователя:

При малой индуктивности он функционирует в режиме разрывных токов, что не позволяет использовать конвектор с источниками питания.
При высокой индуктивности чоппер работает по принципу неразрывных токов, и есть возможность с использованием фильтров на выходе получить U=const с допустимыми пульсациями. В таком режиме функционируют и модели, увеличивающие напряжение.

С целью увеличения КПД вместо разрядного диода VD можно использовать транзистор MOSFET. Его в нужное время открывает управляющая схема. Такие инверторы называют синхронными и рекомендуются к использованию при достаточно большой мощности инвертора.

Работа повышающих DC DC преобразователей

Такие модели преимущественно используются при работе от источников малой мощности, к примеру, от пары-тройки батареек, а некоторые конструкционные элементы требуют напряжения 12–15 В при малом токопотреблении. Uin поступает на находящийся на входе фильтр Cin и далее – на катушку L и транзистор VT, которые последовательно соединены между собой. В месте соединения катушки и стока транзистора к ним подсоединен диод VD. К его второму выходу подсоединена нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.

Работой транзистора VT управляет микросхема, вырабатывающая управляющий сигнал неизменной частоты с настраиваемым значением D – по аналогии с работой понижающего преобразователя. Диод VD в соответствующие моменты перекрывает нагрузку от ключа.

При разомкнутом ключе вывод L, находящийся справа на схеме, соединяется с минусовым полюсом аккумулятора или другого источника питания Uin. Растущий под действием индуктивности ток от аккумулятора идет через катушку (в ней копится энергия) и разомкнутый транзистор. Одновременно диод VD перекрывает нагрузку и находящийся на выходе конденсатор, не допуская его разряда из-за открытости транзистора.

В то же время нагрузка получает питание из запасов конденсатора Cout, и напряжение на выходном конденсаторе снижается. Когда оно становится меньше заданной величины (согласно настройкам управляющей схемы), ключ-транзистор VT перекрывается, и накопленная в дросселе электроэнергия через диод VD заряжает конденсатор Cout, подпитывающий нагрузку. Электродвижущая сила самоиндукции катушки L суммируется с Uвх и идет в нагрузку, поэтому наблюдается прирост напряжения Uвых˃Uвх. Когда величина Uвых достигает заданного уровня стабилизации, управляющая схема инициирует открытие транзистора VT, и процесс циклически продолжается.

Как работает универсальный DC DC преобразователь

Принцип его работы имеет значительное сходство со схемой DC DC инвертора повышающего типа, но дополнительно используются конденсатор C1 и катушка L2. Благодаря им устройство используется в режиме уменьшения напряжения. Такие конверторы используются в ситуациях, когда Uвх имеет большой диапазон значений. Например, есть модели, преобразовывающие Uвх= 4–35 В в Uвых=1,23–32 В. Внешне универсальный преобразователь легко узнать по наличию 2-х катушек – L1 и L2.

— Штурман, приборы?
— 12!
— Что 12?
— А что приборы?

Если кто-то думал, что это "коробка с конденсаторами" — то он глубоко ошибался. Это довольно сложное электронное устройство, способное стабилизировать напряжение за счёт двойного преобразования, не выделяя при этом тепла.

Принцип работы

Когда замок зажигания находится в положении OFF, постоянное напряжение с батареи через нормально замкнутое реле 1 выходит на защищённый контакт с постоянным напряжением. Защищённый контакт аксессуаров отключен.
("Защищённый" в моей терминологии — это выходные контакты преобразователя.)

Когда замок зажигания переключен в положение ACC или ON, управляющее напряжение от цепи ACC автомобиля включает защищённый контакт ACC через реле 2. Включаются потребители: магнитола, потолочный экран, HFM, CAN-Box, DAB-Tuner… Конвертер находится в байпас-режиме.

В момент запуска двигателя, когда в бортовой сети происходит просадка напряжения, AS&G-ECU подаёт управляющий сигнал в DC/DC-конвертер. Конвертер включает цепи стабилизации, и стабилизированное до 12 В напряжение поступает на защищённые выходы уже не через реле 1, а через схемы преобразователей.

Ещё у DC/DC-конвертера есть диагностический выход, но я его не изучал, т.к. диагностика блока меня пока не интересует.

Перед внедрением чужеродного девайса в автомобиль желательно заранее всё-таки узнать, как всё это работает.

Я собрал макет на столе.

Нагрузку имитируют две лампочки, одна на защищённую цепь постоянного питания, другая — на защищённую цепь ACC. Выключатель имитирует замок зажигания. Управление поступает по витой паре.

Подаём напряжение на входную цепь постоянного напряжения (+BAT). Загорается лампа постоянного напряжения.

На защищённой цепи ACC напряжение отсутствует.

Включаем цепь ACC.

Загорается контрольная лампа защищённой цепи ACC.

По приборам видно, что конвертер находится в режиме прямой передачи напряжения от батареи (байпас). Напряжение на мультиметре +12,14 В, на осциллографе ровная линия.

Подаём управляющий сигнал на конвертер. Конвертер переключается в режим стабилизации. Это хорошо видно по приборам.

На осциллографе — характерная гребёнка от импульсного преобразователя.

Стабилизированное напряжение — 12,34 В.

Режим стабилизации длится примерно 5 сек после подачи управляющего сигнала, затем конвертер сам возвращается в режим байпаса, либо ранее, если снять управляющую команду.

DC-DC конвертеры — это регулируемые преобразователи напряжения. Они выполнены в виде электронных устройств, позволяющие получить разное напряжение на выходе и входе.

С помощью регулируемых модулей создаются шины питания в схемах с гальванической развязкой. Их активно используют для организации питания различных электроустановок. Конвертеры встречаются в схемах управления, вычислительной технике, а также в устройствах связи.

Принцип работы

Из постоянного напряжения выходит переменное. Далее оно либо повышение либо понижение с дальнейшим выпрямлением и направлением на устройство. Регулируемые преобразователи напряжения DC-DC также называют импульсными, ведь они имеют повышенный КПД — около 90%.

Понижающие конвертеры

Как правило, на выходе у таких конвертеров напряжение ниже, чем на входе.

Повышающие конвертеры

В данном случае напряжение выше на выходе, а на входе ниже.

Конструкция

Модульная

Самая популярная на рынке. Она состоит из большого количества моделей. Конвертеры устанавливаются в пластиковые и металлические корпуса, которые в полной мере исключают доступ к элементам внутри.

Подходят для печатной платы

Такие DC-DC конвертеры отличаются отсутствием корпуса.

Эксплуатационные характеристики

Диапазон входного напряжения

Это параметры напряжения на входе. За счет них конвертеры работают в правильном режиме, что соответствует нормативам.

Диапазон выходного напряжения

Это параметры на выходе, которые используются при нормальной работе.

Предполагает соотношение уровня мощности на выходе и на входе. На него влияет несколько условий. Самый высокий коефициент возможен при максимальной нагрузке в рамках допустимых норм. От увеличении разницы напряжения на входе и выходе снижается и КПД.

Ограничение на выходной ток

Почти все современные конвертеры dc/dc ее имеют. Принцип работы такой: выходной ток получает заданное значение, а при этом входное напряжение снижается. После вхождения выходного тока в диапазон нормы, напряжение подается.

Иногда надо получить высокое напряжение из низкого. Например, для высоковольтного программатора, питающегося от 5ти вольтового USB, надыбать где то 12 вольт.

Как быть? Для этого существуют схемы DC-DC преобразования. А также специализированные микросхемы, позволяющие решить эту задачу за десяток деталек.

Чтобы было предельно понятно покажу вначале пример для сантехников.

Заслонка открывается и мощный поток жидкости начинает сливаться в никуда. Смысл лишь в том, чтобы этим потоком как следует разогнать турбину. Накачать ее энергией, передав энергию источника в кинетическую энергию турбины.

Фаза 2

Заслонка резко закрывается. Потоку больше деваться некуда, а турбина, будучи разогнанной продолжает давить жидкость вперед, т.к. не может мгновенно встать. Причем давит то она ее с силой большей чем может развить источник. Гонит жижу через клапан в аккумулятор давления. Откуда же часть (уже с повышеным давлением) уходит в потребитель. Откуда, благодаря клапану, уже не возвращается.

Скорость турбины на излете, энергия перешла в давление в аккумуляторе. Сил продавить клапан, подпертный с той стороны набитым давлением уже не хватает. Вот вот и все встанет. Но в этот момент вновь открывается заслонка и турбина вновь разгоняется, набирает энергию из источника, превращая энергию потока в энергию вращающихся масса металла. Потребитель, тем временем, потихоньку жрет из аккумулятора.

И вновь заслонка закрывается, а турбина начинает яростно продавливать жидкость в аккумулятор. Восполняя потери которые там образовались на фазе 3.

Ключ замкнут. Ток от источника начинает, фактически, работать на катушку. Накачивая ее энергией.

Ключ размыкается, но катушку уже не остановить. Запасенная в магнитном поле энергия рвется наружу, ток стремится поддерживаться на том же уровне, что и был в момент размыкания ключа. В результате, напряжение на выходе с катушки резко подскакивает (чтобы пробить путь току) и прорвавшись сквозь диод набивается в конденстор. Ну и часть энергии идет в нагрузку.

Ключ тем временем замыкается и катушка снова начинает нажирать энергию. В то же время нагрузка питается из конденсатора, а диод не дает току уйти из него обратно в источник.

Ключ размыкается и энергия из катушки вновь ломится через диод в конденсатор, повышая просевшее за время фазы 3 напряжение. Цикл замыкается.

Как видно из процесса, видно, что за счет большего тока с источника, мы набиваем напряжение на потребителе. Так что равенство мощностей тут должно соблюдаться железно. В идеальном случае, при КПД преобразователя в 100%:

Так что если наш потребитель требует 12 вольт и кушает при этом 1А, то с 5 вольтового источника в преобразователь нужно вкормить целых 2.4А При этом я не учел потерь источника, хотя обычно они не очень велики (КПД обычно около 80-90%).

Схемотехника
Готовых решений DC-DC существует очень много. Как в виде микроблоков, так и специализированных микросхем. Я же не буду мудрить и для демонстрации опыта приведу пример схемы на MC34063A которую уже использовал в примере понижающего DC-DC преобразователя.

Работа
Питание через токовый шунт Rsc идет в дроссель L1 оттуда через ключ (SWC/SWE) на землю и через диод D1 на накопительный конденсатор C2. C него на нагрузку. Прям как в схеме приведенной выше. Остальные элементы для задания режима работы микросхемы.

Все формулы по расчету номиналов приведены в даташите. Я же скопирую из него сюда наиболее важную для нас таблицу:

Конденсатор С1 призван оградить питающую цепь от бросков. Потому и взят побольше. Резистор R1 у меня взят на 1.5кОм, а R2 на 13кОм, что дает нам напряжение выхода в 12 вольт. В качестве диода надо выбирать диод Шоттки. Например 1N5819. У диодов Шоттки заметно ниже падение напряженияна pn переходе, а еще ниже паразитная емкость этого перехода, что позволяет ему работать с меньшими потерями на больших частотах. Микросхема может работать на входном напряжении от 3 вольт.

Опыт
Для примера по быстрому развел микромодульчик, забирающий 5 вольт и выдающий 12 вольт. Схема уже приведена выше, а печатка получилась такой:

Вот так вот. Простая схемка, а позволяет решить ряд проблем.

Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!
А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.

236 thoughts on “Повышающий DC-DC преобразователь. Принцип работы.”

Спасибо, очень познавательно, полезно и подробно, в самый раз для начинающих (типа меня :)).

Я не Дихалт, но отвечу.
Токовый шунт — это токовый шунт. В данной схеме он для измерения пикового тока через индуктивность. Так как этот резистор включен последовательно с катушкой то ток через него проходит такой же; и по закону Ома на нем образуется некое падение напряжения(U=I*R), которое пропорционально току, которое и измеряет микросхемка выводом 7.
Перемычкой он заменен потому, что для того, чтобы не просирать много мощности в тепло сопротивления токовых шунтов выбирают достаточно маленькими(0.22 Ома в данном случае) что по большому счету и равно сопротивлению перемычки ну т.е. не обязательно у всех перемычек сопротивление 0.22, просто оно есть, и оно не бесконечно маленькое и его обычно хватает как раз для всяких таких вот шунтов.

То есть, на всех SMD-резисторах с сопротивлением меньше 1 Ом пишут просто 0?

Не совсем так. У 0 сопротивления оно все же весьма близко к нулю. Т.е. меньше чем надо. Просто найти нужный резистор (на 0.3 ома или около того) проблематично бывает. Вот я и забил на токовую защиту.

Читайте также: