DC/DC преобразователи: виды, принцип работы, схемы, применение и выбор

Что такое DC/DC преобразователи?

DC/DC преобразователи — это электронное устройство, предназначенное для преобразования одного уровня постоянного напряжения в другой. Он работает на принципах импульсной стабилизации и может понижать (buck), повышать (boost) или комбинировать оба процесса (buck-boost, SEPIC и другие топологии).

Функции DC/DC преобразователей

• • Регулируют уровень постоянного напряжения
• • Обеспечивают высокий КПД
• • Снижают тепловыделение
• • Обеспечивают гальваническую развязку (в изолированных схемах)
• • Продлевают работу аккумуляторов

Преимущества перед линейными стабилизаторами

• • КПД до 90% и выше (против 50% у линейных)
• • Меньший нагрев, снижается потребность в радиаторах
• • Возможность как понижения, так и повышения напряжения
• • Компактность и меньший вес
• • Работа с широким диапазоном входных напряжений

Виды DC/DC преобразователей

1. 1. Понижающие преобразователи (Buck-конвертеры): Предназначены для снижения входного напряжения до необходимого уровня на выходе (например, с 12В до 5В). Принцип их работы основан на периодическом подключении и отключении нагрузки через ключевой элемент, что позволяет поддерживать стабильное выходное напряжение ниже входного.
2. 2. Повышающие преобразователи (Boost-конвертеры): Используются для повышения входного напряжения до более высокого уровня на выходе (например, с 5В до 12В). Они накапливают энергию в индуктивном элементе и затем высвобождают ее, обеспечивая повышение напряжения.
3. 3. Инвертирующие преобразователи (Buck-Boost, SEPIC, Ćuk-конвертеры): Эти схемы позволяют получать выходное напряжение, которое может быть как выше, так и ниже входного (например, с 12В на 3,3В или 24В), а также иметь противоположную полярность.

Работа понижающего DC-DC преобразователя

Понижающий DC-DC преобразователь, также известный как Step-down или Buck конвертер, предназначен для преобразования постоянного напряжения более высокого значения в постоянное напряжение меньшего значения. Основные компоненты такой схемы включают:

• • Силовой ключ: Обычно это биполярный, MOSFET или IGBT транзистор, который может находиться в двух состояниях — открытом или закрытом.
• • Дроссель (катушка индуктивности): Накапливает энергию во время фазы накачки.
• • Разрядный диод: Обеспечивает протекание тока через нагрузку во время фазы разряда.
• • Выходной фильтр: Обычно состоит из конденсатора и может включать дополнительные компоненты для стабилизации напряжения.

Рис – Схема понижающего DC/DC преобразователя

Фазы работы понижающего преобразователя

Фаза накачки:

1. 1. Транзистор открыт, и ток от источника питания протекает через дроссель и нагрузку.

Рис – Фаза накачки

2. 2. Энергия накапливается в дросселе и конденсаторе выходного фильтра.
3. 3. Напряжение на нагрузке нарастает до требуемого значения.

Фаза разряда:

1. 1. Транзистор закрыт, и ток не протекает через него.

Рис – Фаза разряда

2. 2. Дроссель отдает накопленную энергию в нагрузку через разрядный диод.
3. 3. Ток продолжает протекать через нагрузку, но уже по контуру дроссель-диод-нагрузка.

Работа повышающего DC-DC преобразователя

Повышающие DC-DC преобразователи (англ. boost converter) используются для увеличения напряжения постоянного тока, например, при питании устройств от батарей с постепенно снижающимся напряжением. Их работа основана на циклическом накоплении энергии в индуктивности и её передаче в нагрузку с повышенным напряжением.

Рис – Схема повышающего DC/DC преобразователя

Принцип работы

Основные этапы работы:

1. 1. Накопление энергии в катушке индуктивности.
   При замыкании транзисторного ключа (S) ток от источника проходит через катушку индуктивности (L), создавая магнитное поле. Энергия запасается в катушке.
2. 2. Высвобождение энергии.
   При размыкании ключа магнитное поле катушки коллапсирует, генерируя ЭДС самоиндукции. Напряжение на катушке складывается с входным, достигая значений, превышающих исходное. Ток через диод (D) заряжает выходной конденсатор (C) и питает нагрузку.
3. 3. Циклическое повторение.
   Процесс повторяется с высокой частотой (десятки-сотни кГц), поддерживая стабильное выходное напряжение. Управление скважностью импульсов осуществляется ШИМ-контроллером.

Ключевые элементы схемы:

• • Катушка индуктивности — основной накопитель энергии.
• • МОП-транзистор — выполняет роль быстродействующего ключа.
• • Диод Шоттки — предотвращает обратный ток при размыкании ключа.
• • Выходной конденсатор — сглаживает пульсации напряжения.

Стабилизация напряжения

Микросхемы управления (например, MC34063) используют обратную связь:

1. 1. Компаратор сравнивает выходное напряжение с опорным (1.25 В).
2. 2. При снижении напряжения ниже заданного уровня увеличивается длительность импульсов заряда катушки.
3. 3. При превышении напряжения скважность импульсов уменьшается.

Для расчёта выходного напряжения в установившемся режиме используется формула:
Выходное напряжение V_out​ зависит от входного напряжения V_in и коэффициента заполнения D (отношение времени включенного состояния ключа к общему периоду):

Чем больше D (ближе к 1), тем выше выходное напряжение.

Особенности реализации

• • Фильтрация пульсаций — многоступенчатые LC-фильтры на входе и выходе.
• • Гальваническая развязка — в некоторых моделях используется трансформатор вместо катушки.
• • Защита — встроенные цепи от перегрузки, короткого замыкания и перегрева

Принцип работы DC/DC преобразователей

Основными компонентами DC/DC преобразователей являются:

• • Дроссель (индуктивность): Накопляет и передает энергию, обеспечивая сглаживание пульсаций тока.
• • Ключевой транзистор: Управляет подачей энергии на дроссель, переключаясь между состояниями «включено» и «выключено».
• • Диод: Обеспечивает односторонний поток тока, предотвращая обратное течение энергии.
• • Конденсаторы: Сглаживают пульсации напряжения, обеспечивая стабильность выходного сигнала.

Процесс преобразования напряжения основан на принципе накопления и передачи энергии через индуктивные и емкостные элементы. Коэффициент полезного действия (КПД) преобразователя зависит от качества компонентов и схемотехнических решений, обычно достигая 80-95%.

Применение DC/DC преобразователей

• • Портативные устройства: Смартфоны, планшеты и ноутбуки используют для обеспечения стабильного питания компонентов от батарей.
• • Автомобильная электроника: Обеспечивают питание различных систем автомобиля, адаптируя напряжение бортовой сети к требованиям устройств.
• • Промышленная автоматика: Используются для питания датчиков, контроллеров и исполнительных механизмов.

Как выбрать DC/DC преобразователь

При выборе следует учитывать следующие параметры:

• • Входное и выходное напряжение: Диапазон входного напряжения должен соответствовать источнику питания, а выходное — требованиям нагрузки.
• • Максимальный выходной ток: Преобразователь должен обеспечивать необходимый ток для питания нагрузки без перегрузки.
• • КПД: Высокий коэффициент полезного действия уменьшает потери энергии и тепловыделение.
• • Размеры и форм-фактор: Важны для интеграции преобразователя в конкретное устройство, особенно в компактных решениях.
• • Наличие защиты: Функции защиты от перенапряжения, перегрузки по току и перегрева повышают надежность работы системы.

Рекомендуем  обращать внимание на продукцию известных производителей, таких как ММП-Ирбис, Texas Instruments, Analog Devices и Murata, которые предлагают качественные и надежные решения. При выборе также следует учитывать специфику применения и совместимость преобразователя с другими компонентами системы.