Новые сборщики энергии и понижающие преобразователи от компании ti

Texas Instruments представила первые в отрасли понижающие преобразователи с компенсацией ферритового фильтра

Texas Instruments TPS62912 TPS62913

С новыми малошумящими понижающими преобразователями от TI инженеры могут добиться высокой эффективности работы чувствительных к шумам приложений

Texas Instruments (TI) представила новое семейство малошумящих импульсных DC/DC регуляторов с интегрированной схемой компенсации ферритового фильтра. TPS62912 и TPS62913 обеспечивают низкий уровень шумов 20 мкВ с.к.з. в диапазоне частот от 100 Гц до 100 кГц и сверхнизкие пульсации выходного напряжения 10 мкВ с.к.з., что дает инженерам возможность исключить из своих конструкций один или несколько LDO стабилизаторов, сократить потери мощности до 76% и сэкономить до 36% площади печатной платы.

Шумы источников питания является ключевой проблемой при проектировании многих высокоточных контрольно-измерительных, медицинских, аэрокосмических и военных приложений, а также устройств беспроводной инфраструктуры. Традиционная архитектура малошумящего источника питания включает DC/DC преобразователь, малошумящий LDO, такой как TPS7A52, TPS7A53 или TPS7A54, и внешний фильтр, например, на основе ферритовой бусины. Благодаря интеграции компенсатора ферритового фильтра, TPS62912 и TPS62913 могут использовать ферритовую бусину, уже присутствующую в большинстве систем, в качестве эффективного фильтра высокочастотных помех, снижающего пульсации выходного напряжения примерно на 30 дБ и упрощающего конструкцию источника питания.

Легко минимизировать шум источника питания

Для сохранения точности и целостности сигнала в высокоточных системах требуются шины питания с низким уровнем шумов и низкими пульсациями. TPS62912 и TPS62913 обеспечивают и то, и другое, а также коэффициент подавления пульсаций питания 65 дБ на частотах до 100 кГц. Кроме того, это семейство понижающих преобразователей отличается высокой точностью; погрешность выходного напряжения составляет менее 1%. Оба преобразователя позволяют использовать размывание спектра частотной модуляцией для дальнейшего ослабления высокочастотных паразитных спектральных компонентов, а также синхронизацию с внешним генератором, что облегчает инженерам достижение заданных уровней отношения сигнал/шум и динамического диапазона без паразитных составляющих, которые имеют решающее значение в таких приложениях, как медицинская визуализация или радары.

Увеличение КПД при снижении потерь мощности

При питании чувствительных аналоговых схем инженеры традиционно сталкивались с необходимостью компромисса между шумами и КПД. Использование одного импульсного регулятора приводит к слишком большим коммутационным помехам, в то время как добавление LDO пострегулятора для снижения шумов влечет за собой дополнительные потери мощности, особенно при больших токах нагрузки. Высокий пиковый КПД TPS62912 и TPS62913, достигающий 97%, позволяет инженерам обеспечивать низкий уровень помех без использования LDO стабилизаторов, сокращая потери мощности до 76%, что эквивалентно 1.8 Вт в схемах аналоговых входных интерфейсов и 1.5 Вт в конструкциях с использованием широкополосных аналого-цифровых преобразователей, таких как ADC12DJ5200RF. Соответствующее увеличение КПД по сравнению с традиционной архитектурой малошумящих источников питания составляет 20% и 15%, соответственно.

Экономия площади платы и снижение общей стоимости системы

Используя TPS62912 или TPS62913 в своих конструкциях, инженеры могут исключить не только линейный стабилизатор, но и связанные с ним пассивные компоненты, что позволит сэкономить примерно 20 мм 2 площади печатной платы на каждый LDO регулятор. Кроме того, встроенная компенсация ферритового фильтра понижающих преобразователей помогает инженерам сократить общее количество компонентов DC/DC регулятора, исключив из конструкции два конденсатора и два резистора, чтобы дополнительно снизить общую стоимость системы и сократить время ее разработки.

Доступность и цены

В настоящее время потребителям доступны опытные образцы 2-амперных микросхем TPS62912 и 3-ампреных TPS62913 в 10-контактных корпусах QFN размером 2 мм × 2 мм, приобрести которые можно только онлайн на сайте TI. Цены, установленные для одной микросхемы в партии из 1000 приборов, начинаются от $1.06 и $1.16, соответственно. Кроме того, за $49 можно купить оценочные модули TPS62912EVM и TPS62913EVM. TI ожидает, что оба устройства будут запущены в серийное производство в первом квартале 2021 года.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Харвестер электрической энергии

Значительный интерес к статье «Может ли ионистор заменить аккумулятор» обусловил продвижение дальнейших исследований и наработок на тему автономных источников питания с применением контроллеров сбора и накопления энергии.

В конце статьи кратко отображена идея модернизации конструкции, участвовавшей в экспериментах, и приведён эскиз в карандаше.

Для новой конструкции была разработана печатная плата, дизайн которой проработан таким образом, чтобы на ней можно было построить несколько конфигураций, речь о которых пойдет в этой и следующих статьях. Для управления накопителем в конструкцию добавлен контроллер SPV1050.

Для более подробного анализа работы контроллера SPV1050 заказаны отладочные платы STEVAL-ISV019V1 и STEVAL-IDS002V1 от компании STMicroelectronics.
Разрабатываемый накопитель энергии состоит из солнечного элемента, контроллера сбора энергии и заряда аккумулятора SPV1050, ионистора или аккумулятора.

Конфигурации разрабатываемого накопителя энергии:
1. Фотоэлемент, контроллер, ионистор;

2. Фотоэлемент, контроллер, аккумулятор Ni-MH;

Габариты платы: 85 х 55 х 8(12) мм

Ионисторы Panasonic EECS5R5H105

Технические характеристики:

  • Емкость: 1 F;
  • Макс. рабочее напряжение: 5.5 V DC;
  • диапазон рабочих температур: -25 – +70°C;
  • Наработка при 70°C: 1000 часов.

Аккумуляторы Eneloop Pro

Для экспериментов были выбраны аккумуляторы типоразмера AAA Eneloop Pro в количестве 4 штук и емкостью 900 mA каждый. Выбор данной марки аккумуляторов обусловлен достаточно хорошими характеристиками: способностью работать на низких температурах до -20 °C с высокой токоотдачей, низким саморазрядом – 15% за год хранения и отсутствием эффекта памяти.

Технические характеристики:

  • Тип, размер NiMh, AAA;
  • Емкость типичная 950 мАч, минимальная 900 мАч;
  • Количество циклов 500;
  • Саморазряд 15% за год хранения;
  • Напряжение 1.2 В;
  • Время и ток быстрого заряда 1.1 часа, 950 мА;
  • Вес 13 гр.;
  • Размеры 10.5 х 44.5 мм;
  • Страна производства Япония.

Коротко о контроллере SPV1050

SPV1050 — это новый контроллер для сбора энергии окружающей среды от STMicroelectronics. Высокоэффективный микропотребляющий сборщик энергии окружающей среды с зарядным устройством и двумя регуляторами напряжения в одном корпусе, упрощает конструкцию и расширяет возможности малогабаритных автономных устройств.
Контроллер производит сбор энергии света или тепла для питания малогабаритных электронных устройств, к которым можно отнести беспроводные сенсоры, промышленное оборудование, контроллеры и датчики умного дома, носимые устройства, создавая широкие возможности для мира интернета вещей.

Почему выбран именно этот контроллер?
По сравнению с аналогами, микросхема SPV1050 имеет больше функций, достаточно высокий КПД порядка 90% и малые габариты. Минимальное количество элементов обвязки позволяет уменьшить габариты и сэкономить на стоимости комплектующих. Два регулятора напряжения на 1.8 и 3.3 В позволяют питать микроконтроллеры и беспроводные приёмо-передатчики. Технология слежения за точкой максимальной мощности (MPPT) непрерывно оптимизирует сбор энергии и при необходимости может быть отключена. Встроенный контроллер заряда поддерживает широкий диапазон типов аккумуляторов: Li-Ion, Li-Pol, LiCoO, NiMH и NiCd, а так же ионисторы. Стоимость микросхемы не высока и составляет 1 доллара при заказе от 1000 шт.

Технические характеристики:

  • Диапазон входного напряжения от 75 мВ до 18 В;
  • Ток заряда аккумулятора 70 мА;
  • Интегрированный DCDC преобразователь;
  • Программируемый: MPPT;
  • Верхняя граница напряжения заряда АКБ: 2.6 – 5.3 В;
  • Нижняя граница напряжения разряда АКБ: 2.2 – 3.6 В;
  • Два полностью независимых LDOs 1.8 и 3.3В;
  • Диапазон рабочих температур: от -40 до 125 градусов Цельсия;
  • Ток потребления в режиме ожидания: 1 мкА;
  • Ток потребления рабочий: от 5 до 30 мкА (в зависимости от режима работы DCDC преобразователя, понижающий или повышающий).

Подробные характеристики можно посмотреть в datasheet SPV1050

Отладочные платы
Первая STEVAL-ISV019V1

На плате имеется только контроллер и необходимая обвязка. Datasheet STEVAL-ISV019V1

И вторая отладочная плата STEVAL-IDS002V1

Данная плата содержит всё необходимое для старта разработки беспроводных решений. На ней уже смонтирован контроллер, солнечный элемент, микропроцессор и радиомодуль. Datasheet STEVAL-IDS002V1

Ждем поступления отладочных плат, комплектующих и готовности печатных плат для проведения испытаний.
Продолжение следует.

Автор и разработчик: Чуянов Владимир.

Разработчик печатной платы: Саркисян Андрей.

Инверторы и ИБП Энергия, Штиль, RUCELF

Инвертор — это прибор, который совмещает в себе функции источника бесперебойного питания, стабилизатора напряжения и зарядного устройства аккумуляторной батареи. Выпускается в напольном и настенном виде.

Читайте также  Урок 4 - цифровые входы

Применение

Производитель

  • ▢ Энергия
  • ▢ Штиль
  • ▢ RUCELF

Способ установки

  • Инверторы напольные
  • Инверторы навесные

RUCELF UPI-400-12-EL

Инвертор для систем бесперебойного питания с внешними аккумуляторами. Обладает чистой синусоидой и идеально подходит для питания газовых котлов

Мощность, кВА: 0.4
Напряжение входа, В: 140 — 275
Напряжение АКБ: 12 В

10 102 ₽

Энергия ИБП Гарант-500

Напольный инвертор для построения систем бесперебойного питания газовых котлов с естественной циркуляцией теплоносителя мощностью до 0,3 кВт.

Полная мощность: 0,5 кВА
Напряжение входа: от 140 В до 275 В
Напряжение АКБ: 12 В

11 750 ₽

Энергия ИБП Pro-500

Инвертор для построения систем бесперебойного питания газовых котлов с естественной циркуляцией теплоносителя мощностью до 0,5 кВт.

Полная мощность: 0,5 кВА
Напряжение входа: от 170 В до 280 В
Напряжение АКБ: 12 В

18 850 ₽

RUCELF UPI-600-12-EL

Инвертор для систем бесперебойного питания с внешними аккумуляторами. Обладает чистой синусоидой и идеально подходит для питания газовых котлов

Мощность, кВА: 0.6
Напряжение входа, В: 140 — 275
Напряжение АКБ: 12 В

16 076 ₽

Энергия ИБП Гарант-750

Напольный инвертор для построения систем бесперебойного питания газовых котлов с естественной циркуляцией теплоносителя мощностью до 0,75 кВт.

Полная мощность: 0,75 кВА
Напряжение входа: от 140 В до 275 В
Напряжение АКБ: 12 В

15 950 ₽

Энергия ИБП Pro-800

Инвертор для построения систем бесперебойного питания газовых котлов с естественной циркуляцией теплоносителя мощностью до 0,8 кВт.

Полная мощность: 0,8 кВА
Напряжение входа: от 170 В до 280 В
Напряжение АКБ: 12 В

24 150 ₽

RUCELF UPI-800-12-EL

Инвертор для систем бесперебойного питания с внешними аккумуляторами. Обладает чистой синусоидой и идеально подходит для питания газовых котлов

Мощность, кВА: 0.8
Напряжение входа, В: 140 — 275
Напряжение АКБ: 12 В

17 265 ₽

Энергия ИБП Гарант-1000

Напольный инвертор для обеспечения бесперебойной работы газовых котлов, автоматических ворот, систем видеонаблюдения мощностью до 1 кВт.

Полная мощность: 1 кВА
Напряжение входа: от 155 В до 275 В
Напряжение АКБ: 12 В

19 650 ₽

Энергия ИБП Pro-1000

Инвертор для обеспечения бесперебойной работы газовых котлов, автоматических ворот, систем видеонаблюдения мощностью до 1 кВт.

Полная мощность: 1 кВА
Напряжение входа: от 170 В до 280 В
Напряжение АКБ: 12 В

29 450 ₽

RUCELF UPI-1000-24-EL

Инвертор для систем бесперебойного питания с внешними аккумуляторами. Обладает чистой синусоидой и идеально подходит для питания газовых котлов

Мощность, кВА: 1
Напряжение входа, В: 140 — 275
Напряжение АКБ: 24 В

20 006 ₽

RUCELF UPI-1400-24-EL

Инвертор для систем бесперебойного питания с внешними аккумуляторами. Обладает чистой синусоидой и встроенным стабилизатором напряжения

Мощность, кВА: 1.4
Напряжение входа, В: 140 — 275
Напряжение АКБ: 24 В

23 340 ₽

Энергия ИБП Гарант-1500

Напольный инвертор для обеспечения бесперебойной работы газовых котлов, автоматических ворот, систем видеонаблюдения мощностью до 1,5 кВт.

Полная мощность: 1,5 кВА
Напряжение входа: от 155 В до 275 В
Напряжение АКБ: 24 В

23 550 ₽

Энергия ИБП Pro-1700

Инвертор для обеспечения бесперебойной работы газовых котлов, автоматических ворот, систем видеонаблюдения мощностью до 1,7 кВт.

Полная мощность: 1,7 кВА
Напряжение входа: от 170 В до 280 В
Напряжение АКБ: 12 В

34 600 ₽

Энергия ИБП Pro-2300

Инвертор для обеспечения бесперебойной работы дорогостоящей электроники суммарной мощностью до 2,3 кВт.

Полная мощность: 2,3 кВА
Напряжение входа: от 170 В до 280 В
Напряжение АКБ: 12 В

48 300 ₽

Энергия ИБП Pro-3400

Инвертор для обеспечения бесперебойной работы электронных приборов суммарной мощностью до 3,4 кВт.

Полная мощность: 3,4 кВА
Напряжение входа: от 170 В до 280 В
Напряжение АКБ: 24 В

59 650 ₽

Энергия ИБП Pro-5000

Инвертор для обеспечения бесперебойным питанием частных домов, коттеджей или других объектов суммарной мощностью до 5 кВт.

Полная мощность: 5 кВА
Напряжение входа: от 170 В до 280 В
Напряжение АКБ: 24 В

86 750 ₽

Штиль SW500L

Онлайн ИБП двойного преобразования с внешними аккумуляторами для газовых котлов, водоснабжения, охранной сигнализации и видеонаблюдения

Тип ИБП: Онлайн
Полная мощность, кВА: 0.5
Напряжение, АКБ: 24 В

17 850 ₽

Штиль SW500SL

Онлайн ИБП двойного преобразования со встроенными аккумуляторами для газовых котлов, водоснабжения, охранной сигнализации и видеонаблюдения

Тип ИБП: Онлайн
Полная мощность, кВА: 0.5
Напряжение, АКБ: 24 В

21 280 ₽

Штиль SW1000L

Онлайн ИБП двойного преобразования с внешними аккумуляторами для газовых котлов, водоснабжения, охранной сигнализации и видеонаблюдения

Тип ИБП: Онлайн
Полная мощность, кВА: 1
Напряжение, АКБ: 36 В

20 740 ₽

Штиль SW1000SL

Онлайн ИБП двойного преобразования со встроенными аккумуляторами для газовых котлов, водоснабжения, охранной сигнализации и видеонаблюдения

Тип ИБП: Онлайн
Полная мощность, кВА: 1
Напряжение, АКБ: 36 В

26 300 ₽

Энергия ПН-1000Н

Навесной инвертор для обеспечения бесперебойной работы газовых котлов, автоматических ворот, систем видеонаблюдения мощностью до 0,6 кВт.

Полная мощность: 0,6 кВА
Напряжение входа: от 120 В до 285 В
Напряжение АКБ: 12 В

Если надо 220 вольт в машине: экспертиза инверторов

О преобразователях, способных превращать бортовые 12 В в желанные 220, вспоминаем нередко. Мощности, судя по надписям на упаковках, — им подвластны любые. Болгарка, электродрель, компьютер, микроволновка — втыкай в автомобильную розетку и будь как дома…

Увы — так не получится. И вот почему.

Желания и возможности

В электротехнике инвертор (от лат. Inverto — «переворачиваю, изменяю») — это устройство для преобразования постоянного тока в переменный нужной величины. Технически это не очень сложно. Однако же надо понимать, что всю необходимую энергию для питания болгарок, холодильников и прочего инвертор будет забирать от АКБ и генератора. И если мощность такой нагрузки, к примеру, 2 кВт (электрический чайник), то даже без учета КПД потребляемый ток составит примерно 150 А! Никакая легковушка этого не перенесет. Даже если нагрузка будет гораздо меньшей — скажем, 250 Вт, то и в этом случае придется постоянно гонять мотор: иначе батарея разрядится за пару часов.

Иногда инверторы на 220 В встроены в автомобиль с завода — но и в этом случае их мощность обычно не превышает 150–200 Вт.

ИНВЕРТОР НОМЕР ОДИН

Любопытно, что устройства для преобразования постоянного тока в переменный во все времена являлись неотъемлемой частью любого автомобиля с бензиновым двигателем. Речь не об инверторах, а о… системе зажигания! Для получения высоковольтных импульсов на катушке зажигания постоянное напряжение бортовой сети прерывается синхронно с частотой вращения коленвала. Получающийся периодический ток можно назвать переменным, пусть даже он не меняет направление, как в бытовой сети.

Какой инвертор вам нужен?

Самые слабенькие инверторы рассчитаны на мощности около 200 Вт и подключаются в гнездо 12 В. С их помощью можно подзарядить смартфон, запитать ноутбук, нагреть паяльник и т. п. Но никакой серьезный инструмент типа электролобзика работать от такого устройства не сможет.

Мощные инверторы — от 1 кВт — подключают непосредственно на клеммы АКБ. Хотите воспользоваться болгаркой или дрелью мощностью под 800 ватт — не забудьте пустить мотор машины. ­В противном случае батарея не продержится и часа.

На эти две группы мы и разбили приобретенные для экспертизы инверторы (они же — преобразователи напряжения) — слабенькие и мощные.

Как испытывали

Испытания решили провести в боевом режиме. Для серьезных адаптеров приготовили электродрель мощностью 800 Вт и болгарку на 880 Вт. Дрель снабжена системой плавного запуска, а болгарка — нет.

Питание осуществляли от АКБ на 70 А·ч с постоянно подключенным пускозарядным устройством, работающим в режиме «Пуск» и дающим ток около 100 А, имитируя таким образом работу двигателя на повышенных оборотах. Дрель должна была просверлить отверстие диаметром 10 мм в стальной пластине толщиной 6 мм. Болгарку заставили резать стальной уголок № 4 (40×40×5).

Читайте также  Питание мультиметра. li-ion вместо кроны. защита от разряда, таймер

Для маломощных адаптеров — их питали от лабораторного блока питания — нашли 100‑ваттный паяльник и лампу накаливания на 60 Вт. Паяльнику предстояло при свете лампы разогреться до рабочей температуры и пропаять скрутку двух медных многожильных проводов сечением по 1,5 мм².

Инверторы, работающие от АКБ

Примерная цена 7500 ₽
Заявленная мощность 1500 Вт
Выход USB-порта 1 А
Симпатичное устройство с плавным пуском легко подтвердило заявленные мощностные характеристики, обеспечив одновременную работу болгарки и электродрели. Предусмотрена защита от перегрузки, замыканий, перегрева и т.п. Из недостатков отметим нестабильную работу цифрового дисплея, который при максимальной нагрузке время от времени показывал напряжение 350 В, хотя наши контрольные приборы (вольтметр и осциллограф) ничего подобного не фиксировали. Цена высокая, но прибор того стоит. Рекомендуем!
Примерная цена 4500 ₽
Заявленная мощность 1500 Вт
Выход USB-порта 1 А
Согласно описанию, в этом устройстве предусмотрен плавный пуск. Однако при попытке подключить болгарку оно сразу же закапризничало, переходя в зуммерный режим. С электродрелью проблем не возникло, но на большее преобразователь оказался ­неспособен. Не рекомендуем.
Примерная цена 6300 ₽
Заявленная мощность 1000 Вт
Выход USB-порта 0,5 А
Заявленная мощность — не самая высокая в нашей выборке, однако преобразователь уверенно справился с парной работой электродрели и болгарки. Он может подключаться и к внутрисалонному гнезду 12 В, но на высокую мощность при этом рассчитывать не стоит. Есть защита от перегрузки и ошибочного подключения. Немного огорчили технические неточности в описании (типа ошибочного написания «А/ч»), но в целом устройство повело себя лучше, чем ожидали. Рекомендуем.
Примерная цена 5500 ₽
Заявленная мощность 700 Вт
Выход USB-порта 1 А
Устройство огорчило: на упаковке указана мощность 1500 Вт, однако внимательное прочтение инструкции поведало, что больше 700 Вт постоянной мощности оно не выдаст. Та же инструкция сообщила, что прибор не предназначен для лиц «с пониженными физическими, чувственными или умственными способностями». И еще один перл: мол, инвертор имеет защиту от перегрева, перегрузок и ненормативного входного напряжения, но если последнее окажется слишком большим, то он всё равно сломается. На практике предложенную нагрузку преобразователь не осилил. Не рекомендуем.

Инверторы, работающие от гнезда 12 В

Примерная цена 850 ₽
Заявленная мощность 75 Вт
Выход USB-порта 0,5 А
Слабенький преобразователь, подключаемый к внутрисалонному гнезду 12 В, не понравился с первых секунд: стандартная евровилка не подошла по диаметру штырей. Кое-как удалось подключиться, но при этом хлипкий корпус затрещал по швам и в итоге саморазобрался. Выходное напряжение — аж 250 В, при этом сигнал по форме больше напоминает меандр (ступеньки), чем плавную синусоиду. Вывод очевиден: не покупать!
Примерная цена 1900 ₽
Заявленная мощность 200 Вт
Выход USB-порта 2,1 А
Предусмотрена защита от перегрузки и ненормативного входного напряжения. Но в целом возможности устройства очень ограничены: инструкция не рекомендует подсоединять потребителей мощнее 170 Вт. Из инструментов можно подключить разве что паяльник, клеевой пистолет или электрогравер. Фактически это игрушка, хотя цена уже не игрушечная. Не рекомендуем.

ПЛАВНЫЙ ПУСК

Если реальные мощности преобразователя и инструмента близки, вероятность того, что инструмент раскрутится и будет способен выполнять работу, выше при наличии системы регулировки оборотов или плавного запуска. Без такой системы инструмент, получив питание, начинает дергаться: ток потребления растет, а инвертор тут же уходит в защиту. Толком поработать в таких условиях не удастся.

Результаты

Из мощных устройств однозначно выделим Airline API‑1500–08, а также Тelefunken TF-P103. Они справились с задачей даже при одновременной работе двух электроинструментов. А вот их маломощные коллеги не понравились: толку от подобных устройств немного. Напомним, что они подключаются в гнездо 12 В, защищенное предохранителем (обычно номиналом около 15 А), который имеет право сгореть даже при заявленных 200 Вт.

Синусоида и квазисинусоида

Выходной сигнал большинства инверторов заметно отличается от нормальной синусоиды: он имеет ступенчатую форму. Для нагревательных приборов, ламп накаливания, а также оборудования с импульсными блоками питания такое питание подойдет, а вот звуковая аппаратура начинает фонить. Устройства с трансформаторными блоками питания могут перегреться и даже выйти из строя.

ПОЗОРНЫЕ ПОРТЫ

Для солидных девайсов наличие USB-портов с токами менее 1 А — это несерьезно. Современным телефонам и планшетам нужны зарядные устройства с током на выходе от 2 А.

Счастливого пути и надежного электропитания!

  • Простейшая диагностика АКБ — тут.
  • Если вам удобнее читать (или смотреть) нас в соцсетях, подписывайтесь на «За рулем» в Instagram, ВКонтакте, Facebook, Youtube, Яндекс.Дзен.
  • Надуть колесо, походную кровать, лодку, мячик, велосипед поможет компрессионная установка. Она легко помещающаяся в багажник и подключается в гнездо прикуривателя.
  • Приезжайте в наш магазин или заказывайте на сайтеавтобоксы, багажники на крышу от лучших мировых и отечественных брендов: THULE, FARAD, INNO, Broomer.

Повышающий/понижающий преобразователь напряжения своими руками

В этой самоделке AKA KASYAN сделает универсальный понижающий и повышающий преобразователь напряжения.

Недавно автор собрал литиевый аккумулятор. А сегодня раскроет секрет, для какой цели он его изготовил.

Вот новый преобразователь напряжения, режим его работы — однотактный.

Преобразователь имеет небольшие габариты и достаточно большую мощность.

Обычные преобразователи делают одно из двух. Только повышают, или только понижают подаваемое на вход напряжение.
Вариант, изготовленный автором может как повысить,

так и понизить входное напряжение до требуемого значения.

У автора имеются различные регулируемые источники питания, с помощью которых он тестирует собранные самоделки.

Заряжает аккумуляторы, да и использует их для различных других задач.

Не так давно появилась идея создания портативного источника питания.
Постановка задачи была такой: устройство должно иметь возможность заряжать всевозможные портативные гаджеты.

От обычных смартфонов и планшетов до ноутбуков и видеокамер, а также справился даже с питанием любимого паяльника автора TS-100.

Естественно можно просто воспользоваться универсальными зарядными устройствами с адаптерами питания.
Но все они питаются от 220В


В случае автора требуется нужен был именно портативный источник различных выходных напряжений.

А таковых в продаже автор не нашел.

Питающие напряжения для указанных гаджетов имеют очень широкий диапазон.
Например смартфонам нужно всего 5 В, ноутбукам 18, некоторым даже 24 В.
Аккумулятор, изготовленный автором, рассчитан на выходное напряжение в 14,8 В.
Следовательно, необходим преобразователь, способный как повышать, так и понижать начальное напряжение.

Обратите внимание, некоторые номиналы указанных на схеме компонентов, отличаются от установленных на плате.


На схеме указаны эталонные номиналы, а плату автор делал для решения своих задач.
Во-первых, интересовала компактность.

Во-вторых, авторский преобразователь питания позволяет спокойно создать выходной ток в 3 Ампера.

AKA KASYAN большего и не надо.

Связано это с тем, что емкость примененных накопительных конденсаторов небольшая, но схема способна выдать выходной ток до 5 А.

Поэтому схема является универсальной. Параметры зависят от емкости конденсаторов, параметров дросселя, диодного выпрямителя и характеристик полевого ключа.



Замолвим пару слов о схеме. Она представляет собой однотактный преобразователь на базе шим-контроллера UC3843.

Поскольку напряжение от аккумулятора немного больше штатного питания микросхемы, в схему был добавлен 12В стабилизатор 7812 для питания шим-контроллера.

В приведенной схеме данный стабилизатор указан не был.
Сборка. Про перемычки, установленные с монтажной стороны платы.

Этих перемычек четыре, и две из них являются силовыми. Их диаметр должен быть не менее миллиметра!
Трансформатор, вернее дроссель, намотан на желтом кольце из порошкового железа.


Такие колечки можно найти в выходных фильтрах компьютерных блоков питания.
Размеры примененного сердечника.
Внешний диаметр 23,29мм.

Внутренний диаметр 13,59мм.

Скорее всего, толщина намотки изоляции 0,3мм.
Дроссель состоит из двух равноценных обмоток.

Обе обмотки наматываются медной проволокой диаметром 1,2 мм.
Автор рекомендует применять проволоку диаметром немного больше, 1,5-2,0 мм.

Витков в обмотке десять, оба провода наматываются разом, в одном направлении.

Читайте также  Программная реализация интерфейса управления tm1640 на atmega

Перед установкой дросселя перемычки заклеиваем капроновым скотчем.

Работоспособность схемы заключается в правильной установке дросселя.


Необходимо правильно припаять выводы обмоток.

Просто установите дроссель, как это показано на фото.




Силовой N-канальный полевой транзистор, подойдет практически любой низковольтный.

Ток транзистора не ниже 30А.

Автор использовал транзистор IRFZ44N.

Выходной выпрямитель — это сдвоенный диод YG805C в корпусе TO220.


Важно использовать диоды Шоттки, так как они дают минимальную просадку напряжения (0,3В против 0,7) на переходе, это влияет на потери и нагрев. Их также легко найти в пресловутых компьютерных блоках питания.

В блоках они стоят в выходном выпрямителе.

В одном корпусе — два диода, которые в схеме у автора запараллелены для увеличения проходящего тока.
Преобразователь стабилизирован, имеется обратная связь.

Выходное напряжение задает резистор R3

Его можно заменить на выносной переменный резистор для удобства работы.

Преобразователь также снабжен защитой от короткого замыкания. В качестве датчика тока применен резистор R10.

Это низкоомный шунт, и чем выше его сопротивление тем меньше ток срабатывания защиты. Установлен SMD вариант, на стороне дорожек.

Если защита от КЗ не нужна, то этот узел просто исключаем.

Еще защита. На входе схемы стоит предохранитель на 10А.

Кстати, в плате контроля аккумулятора уже установлена защита от КЗ.

Конденсаторы, применяемые в схеме крайне желательно брать с низким внутренним сопротивлением.


Стабилизатор, полевой транзистор и диодный выпрямитель крепятся к алюминиевому радиатору в виде согнутой пластины.


Обязательно изолируем подложки транзистора и стабилизатора от радиатора при помощи пластиковых втулок и теплопроводящих изолирующих прокладок. Не забываем и про термопасту. А установленный в схеме диод уже имеет изолированный корпус.


Благодаря ШИМ-управлению, КПД у преобразователя весьма высокий кпд.
Например, ток холостого хода, в зависимости от питающего напряжения, находится в пределах 20мА — 40мА.


Приступим к испытаниям.
Для начала проверим диапазоны выходных напряжений.
Подадим на вход 12 В. Выходное напряжение достигает двадцати пяти. Выше поднимать нельзя, выходные конденсаторы на 25 В.

Минимальное выходное напряжение составляет 4,85 В. Следовательно, можно заряжать все USB гаджеты.

Стабилизация работает отлично! Увеличив входное напряжение до 22,2 В, выходное находится точно в установленных пределах.



При компактных размерах стабилизатор дает выходной ток 2,5 — 3 А практически без просадки выходного напряжения.

Важно усилить припоем широкие силовые дорожки печатной платы. Ибо там протекают большие токи.



Большое спасибо AKA KASYAN за проделанный труд!

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Оптимизация повышающе-понижающих преобразователей в портативном оборудовании

По мере того как мобильные телефоны, смартфоны, цифровые камеры и медиапроигрыватели обретают новые функции, растет и потребность в вычислительных ресурсах, что влечет за собой применение процессоров с большим потреблением или даже нескольких процессоров в одном устройстве. Это увеличивает требования как к самим батареям, так и к узлам вторичного преобразования электрической энергии в устройст­ве. Какие же решения позволяют обеспечить питание портативных устройств и полнее использовать энергию батареи?

Обычно в портативных устройствах используют литий-ионные батареи. Вероятно, новые типы батарей будут иметь более широкий диапазон питающих напряжений — то есть большее начальное и меньшее конечное напряжение. Значительную часть энергии потребляют также вспомогательные схемы. Это дополнительно повышает требования к преобразователям напряжения.
Для повышения КПД преобразования энергии линейные стабилизаторы все чаще приходится заменять импульсными. Расширение диапазона рабочих напряжений батареи также требует применения импульсных преобразователей различной топологии. Обычно требования высокого КПД предъявляются к понижающим преобразователям, однако последнее время все чаще применяются преобразователи, способные как понижать, так и повышать напряжение питания (buck-boost-преобразователи).
Традиционные buck-boost-пре­об­ра­зо­ватели строятся по топологиям SEPIC, Flyback (обратноходовые) и ZETA. Так же, как и в обычных понижающих или повышающих преобразователях, в этих топологиях предусмотрен один активный и один пассивный ключ. Возможность как понижать, так и повышать напряжение достигается применением дополнительной индуктивности в преобразователях типа SEPIC и ZETA, или применением трансформатора в топологии Flyback (см. рис. 1).

В ряде случаев в качестве buck-boost-преобразователя может выступать инвертирующий преобразователь. В таких случаях может применяться как простейшая топология, так и более сложная, известная как Cuk (см. рис. 2).

Кроме того, возможно последовательное соединение повышающего и понижающего преобразователя, когда используется дополнительная промежуточная шина питания. И наконец, повышать и понижать напряжение питания могут полномостовые (H-bridge) преобразователи с двумя синхронно управляемыми активными ключами (см. рис. 3).

Применение дополнительных пассивных компонентов повышает цену устройства и значительно увеличивает его размеры, что нежелательно или даже недопустимо для портативных устройств.
Перечисленные топологии преоб­ра­зователей имеют одну общую чер­ту: импульсный ток значительно уве­ли­чивается в режиме buck-boost-преобразования. Увеличение действующего среднеквадратичного тока как в ключе, так и в пассивных компонентах приводит к росту потерь, что, в конечном счете, снижает эффективность преобразователя. Для сохранения эффективности на приемлемом уровне приходиться увеличивать размеры ключа и пассивных компонентов.
Анализируя кривые эффективнос­ти стандартных понижающих и повышающих преобразователей, мы можем видеть, что наибольшие значения КПД достигаются, когда входное и выходное напряжения близки или равны.

В качестве примера на рисунке 4 приведены типичные кривые КПД повышающего и понижающего преобразователей. При этих условиях минимальны также пульсации тока в индуктивности и ключах.
Можно сделать вывод, что наилучшей для buck-boost-преобразователя была бы двухступенчатая топология. Возвращаясь к описанным выше топологиям, мы видим, что такой преобразователь может быть построен с использованием только одной индуктивности и набора ключей для повышающей и понижающей ступени. При этом для повышения КПД и снижения нагрузки на пассивные компоненты необходимо в каждом из режимов использовать только свою ступень; вторая должна быть отключена. Это достигается использованием 100%-ной скважности для понижающей ступени в то время, когда используется повышающая, и нулевой скважности повышающей ступени, когда активна понижающая.
Таким образом, небольшим усложнением схемы управления можно добиться работы преобразователя с максимальным КПД. Кривая эффективности для такого преобразователя представляет собой совокупность ранее приведенных кривых. Максимум КПД будет располагаться в точке, где входное и выходное напряжения равны или близки друг к другу, поэтому следует стремиться к тому, чтобы преобразователь большую часть времени работал именно вблизи такого режима. Кроме того, подобная схема управления минимизирует пульсации тока в индуктивности. Это позволяет уменьшить номинальную индуктивность и максимальный допус­тимый ток через нее и, как следствие, геометрический размер примененной индуктивности.

Пример воплощения описанной выше концепции представляет собой микросхема TPS63000. На рисунке 5 приведена полная схема buck-boost-преобразователя, построенного на основе этой микросхемы. Такая микросхема способна отдавать ток до 800 мА в повышающем режиме или до 1200 мА — в понижающем. При этом она требует применения всего трех внешних компонентов: двух конденсаторов размером 0603 и одной индуктивности размером 3 × 3 мм. Корпус самой микросхемы (QFN) также имеет размер 3 × 3 мм, что в целом позволяет конструировать исключительно малогабаритные преобразователи.

На рисунке 6 показана кривая эффективности данного преобразователя при выходном напряжении 3,3 В. Как сказано выше, максимальный КПД достигается при входном напряжении, близком к выходному.
На рисунках 7 и 8 приведено сравнение применения buck-boost-преоб­разователя и обычного понижающего преобразователя совместно с литиевым аккумулятором.

На рисунке 7 показано выходное напряжение обеих схем, а на рисунке 8 дано сравнение КПД преобразователей в течение разрядного цикла батареи. Для сравнения с buck-boost-преобразователем в данном примере был использован высокоэффективный понижающий преобразователь TPS62046. Обе микросхемы обеспечивали ток 600 мА при напряжении 3,3 В. Тест был остановлен, когда батарея разрядилась до напряжения 2,5 В в случае buck-boost-преобразователя, или когда выходное напряжение упало ниже 3,3 В в случае понижающего преобразователя.

Как видно из графиков, хотя buck-boost-преобразователь имеет меньший КПД, чем понижающий преобразователь, он позволяет дольше питать нагрузку от батареи и разряжать батарею до более низкого напряжения.

Статья переведена инженером по применению Ильей Голубевым.