Обратноходовой повышающий преобразователь от 1.1 в

Обратноходовой повышающий преобразователь от 1.1 В

В настоящем проекте рассматривается метод управления маломощной электроникой от источника питания напряжением 1.5 В. В схеме используется генератор свободных колебаний, который управляет формирующим трансформатором для генерирования контролируемого высокого напряжения. Устройство может использоваться для питания аналоговых цепей, микроконтроллеров, и любых других небольших нагрузок.

Данная силовая схема была разработана, проверена и изготовлена самостоятельно. Она надежно работает от источника передаваемой мощности менее 50 мВт, и даже при снижении питания до 1,1 В. Для представленной схемы регулируемые выходы обеспечивают выходное напряжение от 6 до 24 В. Регулировка напряжения выполняется с помощью одного резистора. Величина выходной мощности достаточна для управления PIC микроконтроллером в режиме пониженного энергопотребления (15мкA@32кГц). Без выполнения каких-либо изменений схема может работать в качестве стробоскопического источника света, светодиодной ленты или мощного светодиода на частоте от 0,1 до 20 Гц. Схема содержит большое количество компонентов для выполнения подобных «простых» задач, но она того стоит, поскольку может работать от маломощного источника питания, имеет регулируемый выход и обеспечивает управление частотой мигания.


Рис. 1 Электрическая схема преобразователя 1.5 В

Обмотки L1 и L2 (10 витков, калибр 22 AWG), и L3 (130 витков, калибр 32 AWG) намотаны на сердечнике Fair-Rite Products Corporation, компонент 5961001801.

Для использования схемы в качестве источника напряжения с регулируемым выходом при +VREGOUT согласно рисунка 1, например с выходным напряжением 20,7 В, необходимо установить резистор R2 номиналом 680Ω и резистор R3 номиналом 100kΩ. Напряжение на резисторе R11 задается делителем R5/R11 и составляет около 140 мВ. Генератор, собранный на Q1, работает непрерывно как источник мощности, и передает магнитную энергию в обмотку L3 от L2. Как только напряжение на C1 поднимается выше 2 В, то на компаратор U1 подается питание. Напряжение на резисторе R2 поднимается постепенно по мере заряда конденсатора, пока оно не превысит напряжение на резисторе R11. Данное соединение создано так, чтобы напряжение на нем постоянно сравнивалось с напряжением величиной 140 мВ на выходе с открытым коллектором компаратора U1. Тиристор, который состоит из элементов Q2/Q3, не запитан и не срабатывает от выхода U1. Конденсатор продолжает заряжаться беспрепятственно. Поэтому в зависимости от комбинации резисторов R2-R3, на выходе компаратора U1 создается высокий потенциал, когда:

Сердечник T1 может иметь различную форму и размеры. Для повторения вышеуказанных результатов сердечник должен иметь коэффициент индуктивного сопротивления около 80 нГн и относительную магнитную проницаемость (μ) около 80. Наиболее пригодны сердечники ETD от компании EPCOS, номер компонента B66361G0100X1 и тороидальные сердечники TN33/20/11-2P80 от компании Ferroxcube.

Для компонентов Рисунка 1 (за исключением R2=680Ω и R3=100kΩ), тиристор срабатывает, когда VC1=20,7 В. Выходной фильтр состоит из L4 и C3. C1 играет двойную роль в данной схеме: во первых, он является «хранилищем» заряда, во вторых обеспечивает стабильность обратной цепи вместе с резистором R10. Резистор R4 является подтягивающим для выхода с открытым коллектором компаратора U1, в то время как диод D3 предотвращает смещение выхода U1.

Для использования схемы в качестве светодиодной мигалки/стробоскопа необходимо, чтобы резистор R10 имел номинал 100Ω. Для вышеуказанных номиналов компонентов, тиристор срабатывает, когда напряжение VC1 = 6,33 В. После срабатывания тиристора, импульс величиной около 2 В подается на базу Q4, открывая его полностью. Это вызывает большой ток коллектора Q4, который приводит к быстрому разряду конденсатора C1. Если данный коллекторный ток проходит через несколько последовательно соединенных светодиодов, или один мощный светодиод, то светодиод(ы) постепенно загорается, пока не появится яркая вспышка, в тот момент, когда на базе транзистора Q4 высокое напряжение. При разряде также отключается компаратор U1 (т.е. когда подаваемое напряжение питания упадет ниже 2 В). Поэтому, напряжение VR2 достигает минимального значения около 43 мВ перед возобновлением заряда конденсатора C1 и далее процесс повторяется. Для мигающих светодиодов необходимо использовать ограничивающий резистор R10, чтобы они не вышли из строя. При симуляции можно наблюдать импульсы пикового значения тока величиной 3,3 A длительностью 50 мкс, измеренных при нагрузке 50%. Частота вспышки может регулироваться с помощью подбора номиналов резистора R2 или R11.


Рис. 2 Временные диаграммы LTspice при работе в режиме светодиодной мигалки/стробоскопа. Ток резистора R10 измерен при условии, что мощный светодиод D4 не подключен.

Обратноходовый импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Преимущества, недостатки, применение. Принцип работы. Примеры схем

Как работает обратноходовый стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описание принципа действия. Пошаговая инструкция по разработке и расчету. Преобразование постоянного напряжения (10+)

Обратноходовый импульсный преобразователь напряжения. Расчет. Примеры схем — Принцип действия

Обратноходовый преобразователь напряжения является развитием идеи инвертирующей топологии.

В нем используется тот эффект, что в катушке индуктивности накапливается энергия. Если приложить напряжение к катушке индуктивности, то сила тока через катушку будет возрастать, магнитное поле усиливаться, энергия накапливаться. Однако отдавать энергию дроссель может через другую обмотку, если он (дроссель) имеет несколько обмоток. Изображенное на схеме устройство L4, L5 правильнее называть именно дросселем с несколькими обмотками, а не трансформатором.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Когда ключ замкнут, происходит накопление энергии в магнитом поле катушки индуктивности. Ток идет по контуру S1. В это время нагрузка питается напряжением, сформированным на выходном конденсаторе C2.

Когда ключ размыкается, ток начинает течь по контуру S2. При этом ток течет уже по другой обмотке, а сила тока получается такой, чтобы индукция (интенсивность магнитного поля) осталась такой же, какая она была при протекании тока S1. То есть сила тока S2 будет равна силе тока S1, поделенной на коэффициент трансформации. Ток S2 заряжает выходной конденсатор C2.

Блок управления D1 меняет время, в течение которого ключ остается открытым в зависимости от напряжения на конденсаторе C2. То есть микросхема D1 осуществляет широтно-импульсную модуляцию.

Конденсатор C1 нужен для того, чтобы уменьшить пульсации тока во входной цепи, отбирать из нее не импульсный, а средний ток.

Преимущества, недостатки, применимость

В отличии от инвертирующего преобразователя обратноходовый может формировать на выходе напряжение любой полярности. Правильно подобрав соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток можно получить любое выходное напряжение. Входная и выходная цепи имеют гальваническую развязку (не соединены одна с другой).

Но за эти преимущества приходится платить наличием индуктивности связи между обмотками, то есть наличием дополнительных скачков напряжения на силовом ключе, превосходящих расчетные значения. Причем, чем больше ток нагрузки, тем больше будут эти скачки. Именно эти скачки, приводящие к пробою силового ключа, являются основным фактором, ограничивающим максимальную мощность этой схемы.

Обратноходовая схема является самой простой в реализации из всех топологий, содержит минимум деталей, имеет минимальную стоимость.

Проектирование обратноходового преобразователя

Разберем процесс проектирования и расчета обратноходового преобразователя. В конце статьи мы разместили форму, в которую можно забить необходимые параметры источника, провести расчет онлайн и получить номиналы всех элементов.


Схема 1


Схема 2

Если нам необходима гальваническая развязка выходной и входной цепей, то в цепи обратной связи по напряжению применяется оптрон. Если же такая развязка не требуется, то минусовую шину выходной цепи соединяют с общим проводом входной, оптрон исключают, а резистор R9 соединяют непосредственно с R11.

Ключевым недостатком оптронов является большой разброс их параметров. Коэффициент передачи тока у них даже в рамках одной партии может быть от 0.3 до 10. Но в рассматриваемой топологии это не так критично, как в прямоходовой, так как здесь применяется другая схема коррекции. Разброс параметров оптрона можно компенсировать подбором резистора R9 без пересчета всех других элементов схемы. Схема рассчитывается исходя из коэффициента передачи тока оптрона, равного 1, а потом подбирается R9.

В чем причина применения именно такой схемы коррекции цепи обратной связи, а также подробное обоснование формул для расчета Вы узнаете из специальной статьи, которая готовится к публикации. Подпишитесь на новости, если эта тема Вам интересна.

В качестве ШИМ — контроллера мы используем любимую микросхему 1156ЕУ3.

В наших схемах в качестве силового ключа используются мощный биполярный транзистор или мощный полевой транзистор. Подробнее о работе биполярного транзистора и полевого транзистора в качестве силового ключа. Также на схемах показано два подхода к ограничению тока: считывающий резистор и токовый трансформатор. Считывающий резистор показан на схеме с полевым транзистором, а токовый трансформатор — на схеме с биполярным. Однако применять можно и наоборот, считывающий резистор с биполярным, а токовый трансформатор с полевым транзистором.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

(1) Можно ли рассчитать обратноходовый преобразователь, у которого на выходе будет мостовой выпрямитель на 250 В, а также умножитель на 4 или 3 с выходным напряжением 700 В (ток около 5-7 мА) — для питания ЭЛТ осциллографа? Точнее — для 250 В выпрямитель на одном диоде, а 700 В на умножителе. (2) А почему Вы ничего не говорите про демпфирующую цепь, включаемую параллельно Читать ответ.

Читайте также  Измеритель наружной и внутренней температуры с токовыми выходами 0-5ма

Прямоходовый однотактный импульсный преобразователь напряжения, источн.
Как сконструировать прямоходовый импульсный преобразователь. В каких ситуациях о.

Повышающий импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Ко.
Как сконструировать повышающий импульсный преобразователь. Как выбрать частоту р.

Пушпульный импульсный преобразователь напряжения. Выбор ключа — биполя.
Как сконструировать пуш-пульный импульсный источник питания. Как выбрать мощные .

Понижающий импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Пр.
Понижение напряжения постоянного тока. Как работает понижающий преобразователь н.

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму.
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи.

Архитектура и принцип работы обратноходовых источников питания

Analog Devices LT8304 LT8316

Обратноходовая топология – это универсальная, широко используемая конструкция импульсного источника питания с рядом интересных характеристик, во многих приложениях обеспечивающих высокий уровень параметров и экономию материалов

Обратноходовой преобразователь – это конструкция импульсного источника питания, которая используется более 70 лет и продолжает развиваться в наши дни. Такие источники питания, называемые также преобразователями энергии, имеют две различные рабочие фазы, в которых мощность со стороны входа передается на выход только тогда, когда коммутатор первичной стороны выключен, и его ток равен нулю или близок к нему. Перечень компонентов ядра обратноходовой конструкции довольно короток и недорог: входной конденсатор, MOSFET ключа первичной стороны, выпрямительный диод на выходе (на вторичной стороне) и выходной конденсатор. Кроме того, есть сам обратноходовой трансформатор; (конечно, как и в любом проекте, окончательная схема будет более сложной).

Конструкция обратноходового преобразователя была разработана в 1930-х и 1940-х годах и существенно усовершенствована в 1950-х годах с появлением коммерческого телевидения. В некотором смысле, она предшествовала нашей современной концепции нелинейных источников питания.

Первоначальным назначением обратноходового преобразователя было создание высокого напряжения, необходимого для питания кинескопа и других электровакуумных приборов, выполнявших функции «активной» электроники до появления транзисторов и микросхем. В результате усовершенствований, стимулируемых огромным объемом рынка телевизоров, преобразователь был оптимизирован для низкой стоимости, высокой надежности, безопасности и технологичности. Обратноходовая конструкция и ее характеристики хорошо подходят для источников питания низкой и средней мощности в диапазоне от 100 до 250 Вт.

Основы обратноходовых преобразователей

В отличие от других конструкций, где трансформатор используется только для понижения или повышения напряжения, в обратноходовом преобразователе трансформатор дополнительно служит дросселем – магнитным устройством хранения энергии. Помимо основных обмоток (первичной и вторичной), этот трансформатор имеет дополнительные обмотки, критически важные для работы с обратной связью. Отношение числа витков обмоток трансформатора выполняет две роли: устанавливает уровень выходного напряжения относительно входного и обеспечивает гальваническую изоляцию. При использовании дополнительных обмоток обратноходовая конструкция может одновременно поддерживать несколько выходов.

В основном цикле обратного хода замыкание ключа первичной стороны увеличивает ток и магнитный поток в первичной обмотке трансформатора/ дросселя, поскольку к первичной стороне подключен источник питания (Рисунок 1). Напряжение в обмотке вторичной стороны отрицательно из-за встречной ориентации первичной и вторичной обмоток. Следовательно, диод смещен в обратном направлении и блокирует протекание тока, а конденсатор вторичной стороны отдает ток в нагрузку во время рабочей фазы.

Рисунок 1. В первом цикле обратноходового преобразования ключ
первичнойстороны замкнут, что увеличивает ток первичной
стороны и магнитный поток трансформатора/дросселя.
(Источник: Википедия).

В следующей фазе цикла ключ разомкнут (Рисунок 2), поэтому ток первичной стороны спадает до нуля и магнитный поток прерывается. Теперь напряжение вторичной стороны становится положительным, диод открывается, и ток из вторичной обмотки трансформатора идет в конденсатор, пополняя его заряд.

Рисунок 2. Во втором цикле обратноходового преобразования ключ первичной
стороны разомкнут, и ток идет из вторичной обмотки трансформатора
в конденсатор. (Источник: Википедия).

В обратноходовой схеме выходной конденсатор аналогичен ведру, которое либо наполняется (перезаряжается), либо опорожняется (питает нагрузку), но никогда не наполняется и опорожняется одновременно. Образующиеся в результате пульсации выходного напряжения должны фильтроваться конденсатором, заряд которого никогда не должен падать до нуля. Название «обратноходовой» происходит из-за резких прерываний циклов коммутации MOSFET, которые выглядят как внезапное изменение направления тока (Рисунок 3).

Рисунок 3. Формы токов в основных узлах первичной и вторичной сторон обратноходовой
схемы показывают резкие смены направления и скачки. (Источник: Википедия).

Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет изменения коэффициента заполнения импульсов, управляющих ключом первичной стороны. В некоторых конструкциях дополнительно регулируется частота переключения (более быстрое переключение позволяет точнее отслеживать разницу между желаемым и фактическим выходным напряжением). Эта обратная связь с требуемой изоляцией между входом и выходом реализуется либо, как показано на Рисунке 4а, с помощью специальной обмотки трансформатора (традиционный и исторически первый подход), либо с помощью оптоизолятора (Рисунок 4б).

Рисунок 4. В традиционной обратноходовой конструкции используется трансформатор/катушка
индуктивности с как минимум двумя первичными обмотками и одной вторичной
обмоткой (а). В некоторых обратноходовых конструкциях для изоляции цепи обратной
связи используют оптопару, функционально эквивалентную второй обмотке первичной
стороны (б).

Режимы работы

Обратноходовые (и многие другие типы преобразователей) могут быть спроектированы для работы в одном из двух режимов. В режиме прерывистой проводимости (discontinuous conduction mode – DCM) трансформатор может полностью размагничиваться в каждом цикле коммутации. Обычно такая схема работает на фиксированной частоте переключения с модуляцией пикового тока в соответствии с требованиями нагрузки. В режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode – CCM) ток всегда течет в трансформаторе в каждом цикле коммутации. Поэтому в трансформаторе всегда присутствует некоторая остаточная энергия, поскольку каждый цикл переключения начинается раньше, чем ток успевает полностью прекратиться.

При DCM отсутствуют потери обратного восстановления в выходном выпрямителе, так как в каждом цикле коммутации его ток спадает до нуля. Требуемое значение индуктивности первичной стороны невелико и позволяет уменьшить размеры трансформатора. Теоретически, конструкции DCM присуща более высокая устойчивость, поскольку в правой полуплоскости ее передаточной функции нет нуля. Однако в режиме прерывистой проводимости выходной ток имеет очень большие пульсации, что, соответственно, требует больших фильтров.

В отличие от DCM, CCM имеет небольшие пульсации и среднеквадратичные токи. Эти более низкие токи уменьшают потери проводимости и переключения, а меньшие пиковые токи позволяют использовать компоненты фильтров меньших размеров. Однако недостатком CCM является наличие нуля в правой полуплоскости передаточной функции, что ограничит полосу пропускания контура регулирования и ухудшит его динамический отклик. CCM также требует большей индуктивности дросселя и, следовательно, магнитного компонента большего размера.

Усовершенствование обратноходового преобразователя

Как и в случае любой конструкции источника питания, некоторые изменения и улучшения могут превратить хороший источник в очень хороший. В DCM существует мертвое время или «резонансный звон», когда ни диод, ни MOSFET не проводят ток. Этот звон возникает вследствие взаимодействия между первичной индуктивностью трансформатора и паразитной емкостью коммутационного узла. В квазирезонансной схеме пиковый ток и частота переключения регулируются таким образом, чтобы MOSFET включался в первом «провале» этих резонансных колебаний и минимизировал потери.

Современные микросхемы контроллеров сводят к минимуму многие неизбежные проблемы разработки законченных обратноходовых источников питания, улучшая при этом их характеристики. Например, выпускаемый Analog Devices контроллер обратноходового преобразователя LT8316 при входном напряжении от 20 до 600 В может непосредственно отдавать в нагрузку мощность до 100 Вт (Рисунок 5), поддерживая широкий диапазон выходных напряжений.

Рисунок 5. Законченный изолированный обратноходовой преобразователь напряжения 20…600 В
с выходной мощностью до 100 Вт.

Рекомендации, данные в техническом описании, упрощают выбор обратноходового трансформатора, предоставляя таблицу распространенных пар входных/выходных напряжений и токов с соответствующими именами поставщиков и доступными моделями стандартных трансформаторов. В результате разработать хорошую обратноходовую схему стало намного проще.

Заключение

При выборе топологии источника питания или преобразователя существует множество разумных вариантов, каждый из которых обладает уникальным набором функций, а также положительными и отрицательными характеристиками. Они должны быть сопоставлены с приоритетами системы, их техническими характеристиками и финансовыми затратами. Обратноходовая топология является реальным конкурентом в приложениях мощностью до нескольких сотен ватт при напряжениях от единиц вольт до киловольт, и она особенно привлекательна, когда требуется несколько выходных постоянных напряжений и изоляция входа/выхода.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices LT8304
  2. Datasheet Analog Devices LT8316
  3. Datasheet Central Semiconductor CMMR1U-08

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Библиотека

Постоянно пополняющаяся подборка книг для самодельщиков и не только.

TOP-50 — Последние поступления:
Импульсные источники питания. Switch Mode Power Supplies — 05.04.12
Транзисторная преобразовательная техника — 26.03.12
Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению — 19.03.12
Основы силовой электроники. Учебник — 11.03.12
Трансформаторы и дроссели в импульсных устройствах — 05.03.12
Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА — 27.02.12
Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания. Справочник — 20.02.12
Основы силовой электроники — 13.02.12
Оптимальное проектирование силовых высокочастотных ферромагнитных устройств — 05.02.12
Обратноходовый преобразователь — 30.01.12
Источники электропитания РЭА. Справочник. — 23.01.12
Справочник типовых решений с применением светодиодов — 16.01.12
Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения. Книга 3. — 05.01.12
Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы. Книга 2. — 25.12.11
Источники питания радиоэлектронной аппаратуры — 27.11.11
Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом — 21.11.11
Источники питания. Расчет и конструирование. — 14.11.11
Начальная школа построения импульсных DC/DC преобразователей — 07.11.11
Импульсные источники вторичного электропитания в бытовой радиоаппаратуре — 31.10.11
Проектирование вторичных источников питания с выходом на постоянном токе — 24.10.11
Источники электропитания электронных средств — 17.10.11
500 схем для радиолюбителей. Источники питания. — 10.10.11
300 схем источников питания — 03.10.11
Импульсные источники питания. Современная схемотехника. — 27.09.11
Силовая электроника: от простого к сложному — 20.09.11
Оригинальные конструкции источников питания — 05.09.11
Электрические униполярные машины — 10.08.11
Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках — 26.07.11
Ветроэнергетика — 10.07.11
Практическое руководство по устройствам мобильной энергии — Practical Guide to Free-Energy Devices — 02.07.11
Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты — 16.06.11
Автономные ветроэлектрические установки — 08.06.11
500 схем для радиолюбителей. (Часть.4. Источники питания) — 14.02.09
Двигатель Стирлинга, модель 2-90М — 19.08.08
Машины, работающие по циклу Стирлинга — 19.08.08
Аккумуляторы — 28.07.08
Самодельные электрические и паровые двигатели — 27.04.08
Экспериментальные источники электроэнергии — 27.04.08
Термоэлектрические генераторы — 20.04.08
все публикации в разделе Книги
Читайте также  Адаптер usb to usart, spi и i2c

Статьи (публикаций: 9)

Подборка интересных статей по практическому применению некоторых идей и изобретений.

Электроника для всех

Блог о электронике

Повышающий DC-DC преобразователь. Принцип работы.

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.

Принцип работы
Итак, как сделать из, например, пяти вольт нечто большее чем пять? Способов можно придумать много — например заряжать конденсаторы параллельно, а потом переключать последовательно. И так много много раз в секунду. Но есть способ проще, с использованием свойств индуктивности сохранять силу тока.

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.

Назад к схемам
Вылезаем из подвала, скидываем фуфайку сантехника, забрасываем газовый ключ в угол и с новыми знаниями начинаем городить схему.

Вместо турбины у нас вполне подойдет индуктивность в виде дросселя. В качестве заслонки обычный ключ (на практике — транзистор), в качестве клапана естественно диод, а роль аккумулятора давления возьмет на себя конденсатор. Кто как не он способен накапливать потенциал. Усе, преобразователь готов!

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%).

Если источник слаб и отдать 2.4 ампера не в состоянии, то на 12ти вольтах пойдут дикие пульсации и понижение напряжения — потребитель будет сжирать содержимое конденсатора быстрей чем его туда будет забрасывать источник.

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.

  • SWC/SWE выводы транзисторного ключа микросхемы SWC — это его коллектор, а SWE — эмиттер. Максимальный ток который он может вытянуть — 1.5А входящего тока, но можно подключить и внешний транзистор на любой желаемый ток (подробней в даташите на микросхему).
  • DRC — коллектор составного транзистора
  • Ipk — вход токовой защиты. Туда снимается напряжение с шунта Rsc если ток будет превышен и напряжение на шунте (Upk = I*Rsc) станет выше чем 0.3 вольта, то преобразователь заглохнет. Т.е. для ограничения входящего тока в 1А надо поставить резистор на 0.3 Ом. У меня на 0.3 ома резистора не было, поэтому я туда поставил перемычку. Работать будет, но без защиты. Если что, то микросхему у меня убьет.
  • TC — вход конденсатора, задающего частоту работы.
  • CII — вход компаратора. Когда на этом входе напряжение ниже 1.25 вольт — ключ генерирует импульсы, преобразователь работает. Как только становится больше — выключается. Сюда, через делитель на R1 и R2 заводится напряжение обратной связи с выхода. Причем делитель подбирается таким образом, чтобы когда на выходе возникнет нужное нам напряжение, то на входе компаратора как раз окажется 1.25 вольт. Дальше все просто — напряжение на выходе ниже чем надо? Молотим. Дошло до нужного? Выключаемся.
  • Vcc — Питание схемы
  • GND — Земля

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:

Запитал от 5 вольт и нагрузил на 12ти вольтовую светодиодную линейку. КПД у моего преобразователя, кстати, получился так себе — не выше 50% т.к. слишком маленькая индуктивность дросселя и большая емкость конденсатора С3, но иного под рукой не оказалось.

  • Даташит на MC34063A

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 :)).

Вот калькулятор для этой микросхемы описанием на русском от брата BSVi:
http://bsvi.ru/dc-dc-na-mc34063/

отличная статья! Очень информативно и познавательно.
И моя любимая параллель — схемотехника сантехника 🙂

DI HALT, спасибо за статью. Вот я только не понял, что такое Rsc («токовый шунт»)? У тебя на схеме туда впаяна перемычка?

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.

Читайте также  Зарядные приставки для аккумуляторных батарей 6f22

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.

Преобразователи постоянного тока в постоянный (DC-DC). Какие они бывают (подборка с Алиэкспресс)

По жизни иногда случается так, что в распоряжении пользователя есть одно напряжение, а какое-либо устройство надо запитать другим напряжением.

Особенно часто такие ситуации встречаются, когда речь идёт об автономном питании: в этом случае другое напряжение взять просто неоткуда.

Ситуацию спасают DC-DC преобразователи.

В силу схемотехнических особенностей они отличаются огромным разнообразием решений.

Они бывают понижающими, повышающими, понижающе-повышающими, на отрицательную полярность, изолирующими, двухполярными, а также могут представлять собой различные комбинации перечисленных вариантов.

Всё разнообразие вариантов в рамках одной небольшой подборки осветить невозможно, но некоторые «ходовые» случаи будут представлены.

Известные с древности линейные стабилизаторы тоже можно в какой-то степени считать DC-DC преобразователями (понижающими), но они в этой статье рассматриваться не будут. Хотя, во многих случаях их может оказаться достаточно для решения проблемы.

Цены далее в тексте указаны примерные на дату публикации с доставкой в Россию (в дальнейшем могут меняться). Если найдутся такие же устройства, но дешевле, то тоже можно покупать — товар одинаковый.

DC-DC преобразователь в корпусе USB-разъёма с выходом 9 или 12 V

Сам DC-DC преобразователь как таковой находится внутри кожуха разъёма USB, и, конечно, мощным быть не может.

Преобразователь выпускается в вариантах с напряжением выхода 9 В или 12 В (т.е. с фиксированным напряжением без переключения).

Максимальный ток выхода — 800 мА; максимальный потребляемый ток — до 2.1 А от источника 5 В (т.е. от порта USB компьютера или зарядного устройства телефона).

При его использовании надо помнить о двух моментах.

Во-первых, не рекомендуется использовать длительное время при максимально-допустимых параметрах нагрузки (впрочем, это относится к любым источникам питания).

А во-вторых, при питании от порта USB компьютера не рекомендуется нагружать порт USB 2.0 более, чем на 0.5 А; а порт USB 3.0 — более 0.9 А. Ток нагрузки преобразователя в этом случае не должен превышать примерно половину от этой величины для преобразователя на 9 В, и 1/3 — для преобразователя на 12 В.

DC-DC преобразователь в корпусе USB-разъёма с регулируемым выходом 1 — 24 V

Когда требуется какое-либо нестандартное напряжение, то помочь могут DC-DC преобразователи с регулируемым выходом.

Представленный в этой карточке преобразователь изготовлен в корпусе разъёма USB и может отдавать на выход напряжение в широком диапазоне — от 1 до 24 Вольт (понижающе-повышающий; на основе схемотехники SEPIC).

Точность установки напряжения — 0.1 В; имеется встроенный вольтметр.

Максимальная выходная мощность — 3 Вт.

Аналогично предыдущему преобразователю, при питании от порта USB компьютера мощность на выходе будет меньше.

Подробный обзор этого преобразователя — здесь.

Понижающий DC-DC преобразователь с 5-40 V до 1.2-35 V мощностью 300 W

Этот DC-DC преобразователь, можно сказать, «классический» понижающий преобразователь.

Он работает в широком диапазоне напряжений, но при этом обязательно должно соблюдаться условие, что входное напряжение должно быть выше выходного.

Преобразователь снабжен потенциометрами для регулировки выходного напряжения и ограничения тока нагрузки.

Вместе с тем он требует внимательного обращения при подключении, так как не имеет диода защиты от переполюсовки входного напряжения.

В случае использования на мощность, близкую к максимальной, рекомендуется дополнительное охлаждение.

Цена — около $4.5 с учётом доставки.

Повышающий DC-DC преобразователь с 3-35 V до 5-45 V мощностью 150 W

Ещё один DC-DC преобразователь из серии «классика жанра»; на этот раз — повышающий с регулируемым напряжением выхода.

Преобразователь снабжен встроенным вольтметром с ценой деления 0.1 Вольт.

Его предельно-допустимый входной ток ограничен величиной 5 А, поэтому не следует рассчитывать, что при низких входных напряжениях он сможет развить высокую выходную мощность.

Для получения высокой мощности на выходе соотношение напряжений на входе и выходе должно быть разумным (насколько это позволяют обстоятельства применения); при этом выходное напряжение должно быть строго выше входного.

Понижающе-повышающий DC-DC преобразователь на отрицательную полярность малой мощности

DC-DC преобразователи с переворотом полярности на отрицательную стоят немного особняком.

Обычно они применяются в тех случаях, когда требуется создать напряжение отрицательной полярности для устройств, требующих двухполярного питания (как правило, небольшой мощности).

В отличие от обычных понижающих и повышающих преобразователей, они являются истинно понижающе-повышающими «в одном флаконе» в силу особенностей схемотехники.

Преобразователи, представленные в этой серии, выпускаются на ряд фиксированных напряжений от минус 3.3 до минус 15 Вольт.

Мощность, отдаваемая в нагрузку, может быть от 0.12 Вт до 2.7 Вт в зависимости от соотношения напряжений на входе и выходе.

Цена — около $2.3 с учётом доставки.

Понижающе-повышающий DC-DC преобразователь с двухполярным выходом до ±24 V

Этот DC-DC преобразователь хорошо подходит для тех случаев, когда пользователю требуется симметричное двухполярное напряжение. Предположительно, он основан на двухполярном варианте схемы SEPIC.

Напряжение на выходе может регулироваться от ±3 В до ±24 В; при допустимом диапазоне входных напряжений от 3.6 до 24 В.

Максимальная мощность на выходе — 20 Вт, но в реальности она будет очень сильно зависеть от соотношения входного и выходного напряжения (низкое входное напряжение и высокое выходное являются крайне неблагоприятным сочетанием).

Кроме того, производитель запрещает использовать преобразователь только по отрицательному напряжению (положительное плечо должно быть нагружено обязательно); а также не рекомендуются нагрузки менее 15 мА.

При всём позитиве этого преобразователя, надо заметить, что производитель забыл разместить на плате отверстия для её крепления к чему-либо.

Цена — около $8 с учетом доставки.

Сдвоенный однополярный понижающий DC-DC преобразователь с 5-40 V до 1.25-35 V

Иногда бывает нужно получить от одного источника два разных напряжения одной полярности.

В этом случае можно использовать два отдельных DC-DC преобразователя; а можно и один сдвоенный. В этом случае пользователь получит экономию в габаритах и упрощение монтажа.

Данный DC-DC преобразователь содержит два одинаковых блока с максимальной мощностью каждого выхода до 20 Вт (при условии, что ток выхода не будет превышать 2.5 А при длительной эксплуатации и 3 А — кратковременно).

Регулировка напряжения выходов каналов — независимая.

Цена — около $9 с учетом доставки.

Изолирующий понижающе-повышающий DC-DC преобразователь с одно- или двухполярным выходом 10 W

Иногда питаемое устройство должно быть гальванически изолировано от источника питания. Это может требоваться по разным причинам: от требований по электробезопасности до защиты от помех, создаваемых исходным источником питания.

Данный преобразователь оформлен в виде модуля в корпусе, защищённом от проникновения посторонних предметов (что поможет соблюдению требования по изоляции).

Производитель гарантирует электропрочность изоляции до 1500 В постоянного напряжения.

Преобразователь не имеет регулировки выходного напряжения; потребителю следует заказывать устройство с напряжением из числа предлагаемых фиксированных значений от 5 до 24 В в однополярном исполнении, или от ±5 до ±15 В в двухполярном исполнении. Мощность на выходе — 10 Ватт.

Цена — около $20 с учетом доставки.

Автомобильный повышающий DC-DC преобразователь с 12 V до 24 V мощностью до 480 W

DC-DC преобразователи существуют не только в виде отдельных плат и модулей, но и в виде законченных конструкций в добротных и прочных корпусах.

В качестве примера — автомобильный повышающий DC-DC преобразователь с 12 до 24 Вольт.

Такие преобразователи могут быть полезны для питания различного оборудования, для которого не подходит стандартное напряжение автомобильной бортовой сети 12 В.

Цена — от $17 до $38 в зависимости от требуемой мощности.

Существуют, естественно, преобразователи и на другие напряжения.

Как можете видеть, DC-DC преобразователи — это широкий класс устройств с огромным разнообразием технических и конструктивных решений.

Они также могут иметь и огромный разброс по мощности: от милливатт до киловатт!

При этом они попутно выполняют и ещё одну функцию: стабилизацию напряжения питания. Если исходный источник будет с «плавающим» напряжением (например, батарея или аккумулятор), то на выходе преобразователя напряжение будет стабильным.

Эти устройства могут очень сильно облегчить потребителю обеспечение устройств питанием даже в самых нестандартных случаях. Но при этом важно правильно рассчитать требуемые параметры необходимого DC-DC преобразователя; причём, как в отношении параметров выхода, так и в отношении потребления от «исходного» источника питания.