Сдвоенный dc/dc регулятор напряжения с цифровым интерфейсом от компании linear

Сдвоенный модуль регулятора напряжения с цифровым интерфейсом и выходными токами 13 А

Linear Technology LTM4676

Jian Li, Gina Le, Linear Technology

Design Note 524

Цифровые системы управления питанием: задание, контроль, изменение и протоколирование параметров

При большом количестве шин питания управление потреблением мощности на печатных платах превращается в сложную задачу, требующую ручных измерений с помощью цифровых вольтметров и осциллографов, а нередко и доработки печатной платы. Для того чтобы сделать управление питанием более простым, особенно в тех случаях, когда управляющий контроллер удален от потребителей энергии, в последнее время все чаще используются решения с управлением по цифровой коммуникационной шине. Цифровая система управления питанием позволяет удаленно задавать, контролировать, изменять и протоколировать параметры источника.

Сдвоенный регулятор μModule с высокой точностью установки и измерения параметров питания

LTM4676 представляет собой микромодуль (μModule), содержащий два DC/DC преобразователя с постоянной частотой переключения и выходными токами 13 А (Рисунок 1). LTM4676 могут не только обеспечивать питанием точки приложения нагрузки и легко конфигурироваться под различные задачи, но и осуществлять телеметрический контроль параметров питания, передавая информацию через шину PMBus – открытый стандарт, основанный на цифровом последовательном интерфейсном протоколе I 2 C. В модуле LTM4676 объединены лучшие в своем классе аналоговые импульсные регуляторы и высокоточные схемы смешанных сигналов для обработки данных. Во всем диапазоне рабочих температур перехода от –40 °C до 125 °C погрешность стабилизации выходного напряжения не превышает ±1%, а точность измерения тока составляет ±2.5%. В модуль интегрированы 16-битный дельта-сигма АЦП и EEPROM.

Рисунок 1. LTM4676: двухканальный стабилизатор напряжения μModule
с выходными токами 13 А и интерфейсом PMBus.

Последовательный двухпроводный интерфейс модуля LTM4676 позволяет устанавливать точные уровни или предельные границы выходного напряжения, программировать скорости его нарастания и спада, а также задавать очередность и задержки включения каналов. С помощью интерфейса можно считывать величины входных и выходных токов и напряжений, выходную мощность, температуру, время работы устройства и пиковые значения. Устройство состоит из двух быстродействующих аналоговых контуров управления, точных цифро-аналоговых цепей, EEPROM, силовых MOSFET, катушек индуктивности и дополнительных компонентов, размещенных в корпусе размером 16 × 16 × 5.01 мм.

Микросхема работает при входном напряжении VIN от 4.5 В до 26.5 В, преобразуя его в два выходных напряжения от 0.5 В до 5.4 В. Два выхода можно объединить в один, чтобы получить удвоенный выходной ток: 13 А + 13 А = 26 А.

Внутренняя или внешняя коррекция

В LTM4676 предусмотрена возможность использования как собственных внутренних цепей коррекции, так и внешних, что позволяет оптимизировать переходную характеристику в широком диапазоне рабочих режимов. Из Рисунка 2 видно, что при скачкообразном увеличении нагрузки на 50% выброс выходного напряжения составляет всего 94 мВ пик-пик.

Рисунок 2. Переходная характеристика LTM4676 в схеме, изображенной
на Рисунке 1, при VIN = 12 В, VOUT1 = 1.8 В, IO = 6.5 A … 13 A.

Объединение каналов для получения выходных токов до 100 А при выходном напряжении 1 В

В микросхеме реализована архитектура с управлением по пиковому току на постоянной частоте переключения, обеспечивающая поцикловое ограничение тока и простое распределение токов между несколькими фазами. Соединяя параллельно несколько модулей, можно увеличить ток нагрузки. Например, четыре модуля LTM4676, включенные параллельно, могут отдавать выходной ток до 100 А. На Рисунке 3 показана термограмма платы с четырьмя модулями.

Рисунок 3. Термограмма платы с четырьмя модулями LTM4676.
VIN = 12 В, VOUT = 1.0 В/100 А, скорость обдува 100 м/мин.

При скорости воздушного потока 100 метров в минуту температура горячей зоны поднимается всего лишь до 64.3 °C. Столь однородная тепловая картина обусловлена отличными характеристиками распределения тока. На Рисунке 4 приведена фотография демонстрационной платы с четырьмя стабилизаторами μModule LTM4676, объединенными в один регулятор с выходным током 100 А и напряжением 1 В.

Рисунок 4. Четыре модуля LTM4676 могут обеспечить
нагрузку током 100 А.

Заключение

Цифровые устройства управления питанием компании Linear Technology предоставляют все критически необходимые данные. Через цифровую шину пользователи получают информацию о токе нагрузки, входном токе, выходных напряжениях, расчетной мощности потребления и КПД, а также имеют доступ к другим параметрам управления мощностью. Это делает возможной прогнозную аналитику, минимизирует операционные затраты, повышает надежность и позволяет реализовать интеллектуальное управление энергией.

Цифровой мониторинг и управление питанием системы, основанные на использовании LTM4676, сокращают количество необходимых компонентов и упрощают топологию печатной платы, ускоряя оценку характеристик, накопление данных и оптимизацию системы на этапах макетирования, освоения производства и эксплуатации изделия.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Новое поколение DC/DC преобразователей напряжения — μ-модули от компании Linear Technology

Последние достижения компании Linear Technology в совершенствовании регуляторов напряжения позволили создать новый тип DC/DC-преобразователей. Данная серия получила название μ-модулей — преобразователей, особенностью которых является наличие ШИМ-контроллера, MOSFET-транзисторов, индуктивностей, входных и выходных проходных конденсаторов, а также схемы компенсации пульсаций выходного напряжения в едином корпусе площадью всего 2,25 см 2 . Корпус μ-модулей — LGA (Land Grid Array) с матрицей контактных площадок, имеющий размеры 15×15×2,8 мм, позволяет с большей эффективностью отводить тепло и защищает внутренние элементы от воздействия неблагоприятных внешних факторов. Несмотря на свои размеры, μ-модули работают в широком диапазоне входных напряжений (от 4,5 до 28 В) с возможностью понижения выходного напряжения вплоть до 0,6 В и работой с силой тока от 6 до 12 А.

Введение

Современная электронная аппаратура, используемая в автомобилях, в профессиональной контрольно-измерительной технике и телекоммуникационном оборудовании, содержит большое количество сложных цифровых устройств, таких как программируемые логические микросхемы, модули памяти и микроконтроллеры, и поэтому предъявляет особые требования к DC/DC-конверторам. Например, в системах сбора и накопления данных требуется, чтобы частота переключений DC/DC-преобразователя была максимально близка к тактовой частоте. Серия μ-модулей содержит схему фазовой автоподстройки собственной частоты коммутации с внешней тактовой частотой. Кроме того, многие системы требуют различные напряжения питания для работы внутренних компонентов, таких как модули памяти, интерфейсы ввода/вывода, микропроцессоры и пр. В связи с этим важно, чтобы преобразователи напряжения имели схемы точной настройки стабилизации выходного напряжения.

Описание и принцип работы μ-модуля LTМ4600

LTМ4600 представляет собой синхронный переключающий DC/DC-преобразователь. Модуль дает возможность точной настройки выходного напряжения от 0,6 до 5,0 В посредством изменения номинала внешнего резистора. При этом выходное напряжение не должно превышать 80% от входного. Диапазон входных напряжений — от 4,5 до 20 В. В состав данных модулей входят DC/DC-регулятор, MOSFET-транзисторы со сверхнизкими величинами сопротивлений «исток–сток» и высокой частотой переключения, а также диоды Шоттки. Стандартная частота переключения составляет 850 МГц. Внутренняя схема обратной связи и компенсации обеспечивает достаточную стабильность при работе модуля в заявленном температурном диапазоне. В качестве выходных можно применять как танталовые, так и керамические конденсаторы, например, классов X5R и X7R.

В модуле реализована схема плавного старта. Подача напряжения ниже 0,8 В на вход RUN/SS переводит схему в режим выключения, закрывая транзисторы Q1 и Q2. При увеличении напряжения происходит заряд внутреннего конденсатора (1000 пФ), благодаря чему обеспечивается время плавного запуска 0,7 мс.

В LTM4600 реализована возможность защиты от повышенного напряжения. При превышении выходного напряжения более чем на 10% от заданного транзистор Q1 закрывается, а Q2 переходит в открытое состояние до снижения выходного напряжения. При изменении выходного напряжения на ±10% внутренняя схема сравнения подает сигнал на сервисный выход PGOOD.

В μ-модулях LTM4600 предусмотрена возможность работы с внешним регулятором. При отключенном или замкнутом на «землю» входе EXTVcc работу модуля контролирует внутренний линейный регулятор. При подаче напряжения свыше 4,7 В на входе EXTVcc внутренний регулятор отключается, схема переключает управление затвором на внешний регулятор. Данное решение позволило исключить потери мощности на регуляторе и снизить тепловую нагрузку на весь модуль в целом. Максимальное напряжение на входе EXTVcc должно быть ниже 6 В и не должно превышать входное напряжение Vin. Важным моментом является то, что управляющее напряжение необходимо подавать после подачи входного напряжения Vin.

Расчет и программирование выходного напряжения

Внутреннее опорное напряжение ШИМ-контроллера модуля LTM4600 составляет 0,6 В ±1%. Изменение значения выходного напряжения производится введением в схему между VOSET и SGND (Small Signal Ground Pin) резистора RSET.

Питание LTM4600 осуществляется от источника постоянного напряжения с низким сопротивлением постоянному току. Основные требования, предъявляемые к входным конденсаторам: возможность работы на высоких частотах, низкое эффективное последовательное сопротивление. Выбор сглаживающего входного конденсатора должен осуществляться исходя из его возможности работы с большими эффективными значениями токов. Для понижающего преобразователя производительность может быть рассчитана с помощью формулы:

где D — производительность, VO — выходное напряжение, VIN — входное напряжение.

Эффективное значение тока на входном конденсаторе вычисляется по следующей формуле:

где ICIN(RMS) — ток на входном конденсаторе, IO(MAX) — максимальный выходной ток, D — производительность, η% — расчетный КПД.

Читайте также  Как найти короткое замыкание в проводке квартиры?

Параметры выходных конденсаторов с низким эффективным последовательным сопротивлением должны обеспечивать сглаживание пульсаций и искажений выходного напряжения LTM4600. Типичная емкость танталовых, керамических выходных конденсаторов — 200 мкФ.

Тепловой режим LTM4600

Создание μ-модулей непосредственно связано с усовершенствованием типа корпуса LGA. Разработчики устройств с высокой степенью интеграции сталкиваются с определенными проблемами при расчете термической стойкости устройств. Все компоненты μ-модуля заключены в единый пластиковый корпус, не имеют собственных выводов, и единственными точками крепления компонента к печатной плате являются контактные площадки корпуса. Рассмотрим некоторые варианты монтажа и показатели термической стойкости модуля.

Монтаж модуля без внешнего радиатора

При работе в режиме преобразования из 12 в 3,3 В с током нагрузки 10 А и в режиме преобразования из 24 в 3,3 В с током нагрузки 10 А КПД составляет 91% и 87% соответственно. Рассеиваемая на печатной плате мощность в данных режимах — 3 и 4,25 Вт. На рис. 2, 3 приведены тепловые снимки модуля при работе на разных режимах работы. Видно, что в режиме 12–3,3 В при 10 А максимальная температура модуля составила 65,9 °С (рис. 2). При работе в режиме преобразования 24–3,3 В при 10 А температура составляет 85,7 °С (рис. 3). Максимальная температура, зарегистрированная в данном режиме (при измерении в непосредственной близости от MOSFET-транзистора) составила 89,8 °С, средняя температура печатной платы — 75 °С. Таким образом, тепловое сопротивление составило 15,2 °С/Вт. В данном примере был рассмотрен наименее предпочтительный вариант монтажа — без внешнего радиатора и воздушного охлаждения.

Монтаж с использованием внешнего радиатора

На рис. 4 представлен термический снимок, сделанный при монтаже μ-модуля с использованием радиатора, установленного на корпусе модуля. В этом случае, при тех же режимах работы (12–3,3 В и 24–3,3 В), средняя температура печатной платы составила 54 °С и 73 °С соответственно. При применении радиатора теплоотвод более равномерный. Температура радиатора при таких условиях составила примерно 66 °С, а тепловое сопротивление — 21,5 °С/Вт. Максимальная зарегистрированная температура модуля — 84 °С. Таким образом, температурная нагрузка на печатную плату при использовании радиатора гораздо меньше, и от модуля обеспечивается более эффективный отвод тепла. Общее тепловое сопротивление составляет 13,9 °С/Вт.

Монтаж с использованием металлической пластины

Данный тест термического сопротивления LTM4600 проведен с использованием в качестве радиатора металлической пластины размером 100×80 мм и термической прослойки типа Gap Pad (рис. 5, 6). Температура печатной платы составила 66 °С, а температура металлической пластины — 44 °С, тепловое сопротивление пластины — 7,5 °С/Вт. Максимально зарегистрированная температура μ-модуля — 76 °С. Общее тепловое сопротивление в данном случае составило 12 °С/Вт.

Технология и способы монтажа

В современном производстве материалы и технология монтажа, а также возможность контроля качества производства готового устройства являются для разработчика одними из основных факторов при выборе компонентов с высокой степенью интеграции. Важнейший момент при внедрении μ-модуля в проектируемую схему — это разработка шаблона. Электрическое и механическое соединение μ-модуля осуществляется с использованием паяльной пасты.

Качество паяльной пасты — один из важнейших параметров при производстве интегральных схем современных высокотехнологичных устройств. Производитель рекомендует к использованию паяльную пасту Sn63/Pb37, Sn95/3,5Ag/0,5Cu.

Контроль качества пайки осуществляется с использованием рентгеновского излучения. Основная задача процесса контроля в данном случае — выявление пустот в местах пайки и замыканий между контактными площадками. При правильной пайке и точном соответствии контактных площадок на печатной плате и модуле дополнительная регулировка положения модуля на плате не требуется.

Возможность сопряжения и совместной работы μ-модулей

В настоящее время разработчики часто сталкиваются с проблемой обеспечения достаточной мощностью отдельных элементов проектируемой схемы. Использование модулей серии LTM4600 является наиболее предпочтительным вариантом в условиях ограниченного пространства на плате или приборе. Для увеличения выходной мощности DC/DC-источника возможно объединение до четырех μ-модулей с синхронизацией частоты. На рис. 7 показана схема использования четырех преобразователей с выходными напряжениями 1,5 В при 12 А, 1,8 В при 12 А, 2,5 В при 12 А и 3,3 В с током 10 А соответственно. В качестве согласующего генератора используется разработка Linear Technology LTC6902 — многофазный генератор с расширенной частотной модуляцией. При данных условиях общая выходная мощность с учетом КПД (рис. 8) каждого из модулей составила 103 Вт при общих размерах решения 11×11 см.

Заключение

Компания Linear Technology разработала инновационное поколение DC/DC-преобразователей, характеризующееся высокой степенью интеграции. Это решение позволяет разработчикам уменьшить рабочую площадь на печатной плате, а реализованное устройство дает возможность обеспечить точным и стабильным питанием такие устройства, как цифровые сигнальные процессоры, программируемые вентильные матрицы и микропроцессоры. Небольшие размеры, контроль выходного напряжения на наличие пульсаций, возможность работы с токами до 14 А и широкий диапазон входных и выходных напряжений — вот основные преимущества новой линейки DC/DC-конвертеров, выгодно отличающих LTM4600 от других типов преобразователей.

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).

Читайте также  Кабель для внутренней проводки в деревянном доме

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.

DC/DC преобразователи — виды, принципы работы, схемы

Принцип работы DC/DC преобразователей импульсного типа основан на явлении самоиндукции. При прерывании тока, идущего через катушку индуктивности, в магнитном поле, которое индуцировано вокруг нее, возникает ЭДС, а на ее клеммах — напряжение обратной полярности. Управляя током и временем переключения схемы, можно выполнять регулировку напряжения самоиндукции.

Импульсный конвертор DC/DC представляет собой электронную схему, которая содержит катушку индуктивности. Она циклически подключается к источнику электропитания и отключается от него. Поскольку катушка нуждается в циклической зарядке, схема также должна включать конденсатор, выполняющий фильтрацию электросигнала и поддерживающий величину выходного напряжения. В качестве регулировочного элемента, управляющего временем пропускания электрического тока, выступает транзистор или тиристор.

Преобразователи применяются для построения источников питания в вычислительной технике, телекоммуникационной аппаратуре, автоматизированных системах управления, мобильных устройствах. Они обеспечивают изменение выходного постоянного напряжения в большую или меньшую сторону относительно входного напряжения.

Существует несколько типов преобразователей DC/DC. Выбор модели зависит от того, для чего нужен источник питания и каковы должны быть его характеристики. Основными рабочими параметрами импульсных преобразователей являются:

  • выходное напряжение. Оно может быть фиксированным и регулируемым в определенном диапазоне;
  • входное напряжение;
  • выходной ток. Он определяет, насколько мощную нагрузку можно питать от источника. Расчет мощности конвертора осуществляется по формуле Р = U*I, где U — Напряжение, а I — сила электротока;
  • стабилизация напряжения;
  • величина пульсаций;
  • КПД.

Также при выборе нужно уделять внимание наличию систем защиты от перегрузок, перегрева и КЗ, наличию гальванической развязки, которая исключает возможность подачи опасного входного напряжения на выходные контакты.

По назначению устройства бывают:

  • понижающими;
  • повышающими;
  • инвертирующими.

Содержание

  • Понижающие преобразователи (регуляторы I типа)
  • Повышающие преобразователи (регуляторы II типа)
  • Инвертирующие преобразователи (регуляторы III типа)

Понижающие преобразователи (регуляторы I типа)

Используются для нагрузок, которым для работы необходимо большие токи и малые напряжения. Фундаментальная схема DC/DC конвертора этого типа состоит из катушки индуктивности, конденсатора, ключевого транзистора, диода. Переключение сигнала осуществляется посредством транзистора, который управляется с помощью широтно-импульсной модуляции. Время открывания и закрывания ключа задается рабочим циклом. Когда транзистор открыт, электроток свободно протекает через катушку, конденсатор, сопротивление. Выполняется накопление энергии в конденсаторе и дросселе, а увеличение тока осуществляется постепенно, а не дискретно. Диод остается в запертом положении.

Когда напряжение достигнет заданного значения, транзистор запирается. Ток начинает течь по контуру с открытым диодом благодаря ЭДС самоиндукции. Значение электротока медленно уменьшается.

Повышающие преобразователи (регуляторы II типа)

Они применяются для электропитания потребителей, которым необходимо напряжение, большее, чем напряжение источника энергии. Принцип работы DC/DC преобразователя повышающего типа аналогичен понижающему конвертору. Устройство состоит из тех же элементов, но имеет другую схему подключения. Открывание и закрывание транзистора также осуществляется с помощью настроек ШИМ.

Открытый ключ обеспечивает протекание тока через транзистор и дроссель. При этом катушка запасает электроэнергию, а закрытый диод не позволяет разряжаться выходному конденсатору, питающему нагрузочное сопротивление. Как только напряжение падает ниже заданного уровня, происходит закрывание транзистора. В результате диод открывается и начинается подзарядка конденсатора. Входное напряжение суммируется с энергией, которая генерируется на катушке. Благодаря этому выходной сигнал становится выше, чем исходный. После достижения верхней границы напряжения, ключ снова закрывается, и цикл начинается заново.

Инвертирующие преобразователи (регуляторы III типа)

Предназначены для получения напряжения обратной полярности. При этом выходной сигнал может быть как ниже входного, так и выше. Микросхемы ДС/ДС преобразователей напряжения инвертирующего типа содержат тот же набор базовых элементов, что и вышеописанные устройства I и II типов, но их соединение выполнено в другой последовательности. К источнику питания последовательно подключаются транзистор, диод, сопротивление нагрузки с конденсатором. Индуктивный накопитель энергии подсоединяется между коммутирующим элементом и диодом.

При замыкании ключа энергия запасается в катушке. Диод при этом закрыт и не дает электротоку протекать к нагрузке. При отключении транзистора ЭДС индуктивного накопителя прикладывается к участку цепи с диодом, сопротивлением и конденсатором. Диод выпрямителя пропускает только импульсы напряжения с отрицательным знаком, поэтому на выходе формируется инверсное напряжение, знак которого противоположен знаку источника.

Приведенные выше варианты представляют собой упрощенные схемы конверторов постоянного напряжения. Подавляющее большинство современных преобразователей отличается намного более сложным устройством. Например, они оснащены гальванической развязкой, которая обеспечивает изоляция входной электроцепи от выходной. Их широко используют в источниках питания с IGBT-транзисторами, программируемых логических контроллерах. За счет гальванической развязки достигается высокий уровень безопасности и помехоустойчивости.

При этом схема DC/DC конвертора может быть регулируемой, нерегулируемой и полурегулируемой.

Цифровое управление повышает эффективность DC/DC-преобразователей

Увеличение цен на электроэнергию и ужесточение экологических нормативов вынуждают повышать требования к производителям источников питания. Европейская Комиссия (ЕК) и Агентство охраны окружающей среды, США, разработали требования к источникам питания для серверов. Благодаря технологии PSFB (Phase-Shifted Full Bridge) DC/DC-преобразователи выполняют все требования по эффективности источников питания. Универсальные цифровые сигнальные контроллеры (ЦСК) облегчают управление PSFB-преобразователями и повышают их эффективность. Статья представляет собой перевод [1].

Из-за строгих нормативов и перспективы их еще большего ужесточения производители источников питания переходят на цифровое управление. В полностью цифровых устройствах программируемые ЦСК генерируют ШИМ-сигналы, управляющие силовыми каскадами. Одновременно с этим контроллер решает такие задачи управления всей системой как регистрация данных, связь и генерация сообщений об ошибках. Такой подход позволяет разработчикам источников питания (ИП) использовать в ЦСК программы с самыми прогрессивными методами управления, что было практически неосуществимо в аналоговых устройствах. Цифровое управление также позволяет внедрять в систему любые стандарты записи данных и связи, необходимые для конечных пользователей.

Читайте также  Герметик для проводки

Сначала обсудим простую мостовую схему, способную работать на высоких частота х, а потом перейдем к рассмотрению способов повышения ее эффективности. Как показано на рисунке 1, в состав мостового преобразователя входят четыре диагональных ключа: Q1, Q2, Q3 и Q4. Они открываются одновременно, что обеспечивает подачу на первичную обмотку трансформатора полного входного напряжения (VIN).
В одну половину рабочего цикла открыта одна пара ключей, во вторую — другая, что обеспечивает смену полярности напряжения на трансформаторе в каждой половине цикла. В мостовом преобразователе при одном и том же уровне мощности ток через ключи и ток в первичной обмотке в два раза меньше по сравнению с полумостовой схемой. Такое снижение токов позволяет использовать мостовые преобразователи при более высоких уровнях мощности. Однако диагональные ключи в этих схемах характеризуются жестким переключением, что ведет к большим потерям переключения при открытии и закрытии ключей.

В прошлом, когда таких цифровых контроллеров не существовало, разработчики источников питания были вынуждены использовать менее эффективные методы преобразования энергии с жестким переключением ключей. Потери на переключение в этих преобразователях увеличивались с ростом частоты, что ограничивало рабочую частоту и снижало эффективность передачи мощности в источниках питания.

В настоящее время разработчики с помощью современных ЦСК могут проектировать более высокочастотные источники питания, что позволяет уменьшать в них размеры магнитных элементов и конденсаторов фильтров. Однако повышение частоты при использовании преобразователей мощности с жестким переключением ключей, таких как мостовые преобразователи, ведет к росту потерь на переключение.
PSFB-преобразователи являются преобразователями с мягким переключением ключей, в которых паразитные элементы, такие как выходная емкость переключательных устройств (MOSFET, IGBT) и индуктивность рассеяния трансформатора, используются для получения резонансных переходов (см. рис. 2). Эти резонансные переходы обеспечивают открытие ключей при нулевом напряжении, что снижает их потери на переключение.

PSFB-преобразователи используются в телекоммуникационных и серверных приложениях, где наиболее важными параметрами являются плотность мощности и эффективность. Принцип действия PSFB-преобразователей объясняется во многих работах, мы же рассмотрим способы улучшения их рабочих характеристик с помощью ЦСК.

Большинство DC/DC-преобра­зо­ва­телей для безопасности пользователей и выполнения требований, предъ­являемых регулирующими органами, проектируются с развязывающими трансформаторами. Для улучшения эффективности высокочастотных источников питания их первичная цепь реализуется по PSFB-топологии, а во вторичной цепи стоит двухполупериодный синхронный выпрямитель. В PSFB-преобразователях с традиционной схемой управления синхронными MOSFET-ключами, когда одна пара ключей (Q1, Q3 либо Q2, Q4) находится в открытом состоянии (в нашем примере — Q1, Q3), передача энергии из первичной во вторичную цепь не осуществляется, но MOSFET Q5 остается открытым (см. рис. 3).

Из-за наличия во вторичной цепи преобразователя катушки индуктивности (Lo) накопленная в ней энергия продолжает циркулировать по вторичной обмотке трансформатора (Tx) и MOSFET Q5. При этом ток через MOSFET может течь либо через канал, либо через внутренний диод. Из-за наведения тока из вторичной цепи в первичную в ней продолжает циркулировать ток даже тогда, когда напряжение на ней равно нулю (в отсутствие передачи энергии из первичной цепи во вторичную), что приводит к потерям в преобразователе.
Такие потери из-за циркуляции обратно наведенного тока становятся значимыми в случаях, когда входное напряжение превышает номинальное значение. Для устранения обратного наведения тока при управлении затворами MOSFET ключи Q5 и Q6 вводят мертвую зону. В течение этого интервала времени ни один из этих транзисторов не проводит ток. Следовательно, ток начинает течь через внутренние диоды MOSFET, которые характеризуются относительно высоким сопротивлением при прямом смещении, намного превышающим Rds(ON) MOSFET. Это означает, что (VF ∙ I) >> (I2 rms ∙ Rds(ON)).
В следующем разделе описан способ борьбы с большими потерями в схемах с традиционными драйверами затворов синхронных MOSFET, основанный на перекрытии сигналов управления драйверами.

За счет перекрытия ШИМ-сигналов драйверов затворов синхронных MOSFET можно избежать потерь в интервале, когда напряжение на первичной обмотке трансформатора равно нулю. При этом повышается эффективность источников питания по трем причинам. Во-первых, перекрытие сигналов управления синхронными MOSFET при использовании двухполупериодного выпрямителя со средним выводом ведет к устранению тока во вторичных обмотках трансформатора со средним выводом, что эффективно устраняет связь между вторичной и первичной цепями.
Во-вторых, в такой схеме вместо одного синхронного MOSFET и одной обмотки трансформатора со средним выводом ток проводят одновременно два синхронных MOSFET и две обмотки трансформатора со средним выводом. Поэтому сопротивление во вторичной цепи равно только половине эффективного сопротивления, за счет чего потери снижаются в два раза по сравнению со схемой, где открыт только один синхронный MOSFET (см. рис. 4).

И, наконец, в соответствии с традиционной методологией переключения длительность специально введенной мертвой зоны может составлять порядка 10% от общего времени переключения, и на ее протяжении через внутренний диод MOSFET течет большой ток вторичной цепи. При перекрытии ШИМ-сигналов драйверов затворов синхронных MOSFET вторичный ток течет через канал MOSFET. В таком случае в схеме остаются только потери на Rds(ON), которые намного меньше потерь при протекании тока через внутренние диоды MOSFET в мертвой зоне. В телекоммуникационных системах, входные сигналы которых составляют 36…76 В постоянного тока, перекрытие сигналов драйверов затворов синхронных MOSFET улучшает эффективность DC/DC-преобразователей приблизительно на 3…4%.
Для реализации такого метода используется универсальный контроллер источника питания с полностью независимыми ШИМ-выходами. Например, ЦСК dsPIC, обеспечивающий широкие возможности и соответствующую ШИМ-периферию для применения этого и других методов повышения эффективности.

Применение PSFB-преобразо­ва­те­лей позволяет достигнуть необходимого для современных источников питания уровня эффективности. Цифровое управление дает возможность разработчикам организовать прецизионное регулирование PSFB-схем и внедрять прогрессивные технологии, например, перекрытие сигналов драйверов затворов синхронных MOSFET. Новые схемы, новые методы и новые идеи позволяют создавать источники питания, отвечающие современным требованиям. Цифровые контроллеры типа dsPIC компании Microchip способствуют внедрению этих методов.

LM2596 — понижающий DC-DC преобразователь напряжения

LM2596 — это импульсный понижающий регулируемый стабилизатор постоянного напряжения. Имеет высокий КПД. Меньше нагревается если сравнивать с модулями на линейных стабилизаторах. Источник питания может применяться в широком спектре устройств. К безусловным достоинствам относится работа в ощутимом диапазоне входного напряжения. Вместе с большим КПД это дает хорошие результаты при последовательном включении DC-DC LM2596 с химическими источниками тока, солнечными панелями или ветряными генераторами.

Дополнив преобразователь DC-DC LM2596 трансформатором, выпрямителем и фильтром получим блок питания. На входе стабилизатора напряжение должно быть большее выходного минимум на 1.5 В. При потреблении мощности от DC-DC LM2596 более десяти Вт следует применять средства охлаждения.

Предусмотрены крепежные отверстия под винт. Клеммников нет, провода придется паять. Под микросхемой есть отверстия с металлизацией для дополнительного отвода тепла на обратную сторону платы.

  • 1 Технические характеристики преобразователя LM2596
  • 2 Принципиальная схема преобразователя LM2596
  • 3 Схема подключения LM2596 DC-DC преобразователя
  • 4 Фото галерея
  • 5 Материалы
  • 6 Купить LM2596 на AliExpress
  • 7 Похожие записи

Технические характеристики преобразователя LM2596

  • Эффективность преобразования (КПД): до 92%
  • Частота переключения: 150 кГц
  • Рабочая температура: от -40 до + 85 °C
  • Влияние изменения входного напряжения на уровень выхода: ± 0.5%
  • Поддержание установленного напряжения с точностью: ± 2.5%
  • Входное напряжение: 3-40 В
  • Выходное напряжение: 1.5-35 В (регулируемое)
  • Выходной ток: номинальный до 1А, от 1 до 2А заметно возрастает нагрев, предельный 3A (требуется дополнительный радиатор)
  • Размер: 45x20x14 мм

Принципиальная схема преобразователя LM2596

В некоторых модулях защитный диод D1 включен обратно-параллельно на входе, но в таком случае не нужно забывать подсоединить и предохранитель на входе, который сгорит, если перепутать полярность, также этот диод защищает от всплесков напряжения на выходе.

Существуют варианты с прямым включением диода D1 (SS34, SS54) на входе, обычно это диоды Шоттки, у этих диодов есть два положительных качества: весьма малое прямое падение напряжения (0.2-0.4 вольта) на переходе и очень высокое быстродействие.
Но дешёвые модули на базе LM2596 не имеют защитного диода, с одной стороны — это минус, так как случайно можно убить преобразователь перепутав полярность на входе, а с другой стороны — это плюс, потому что на диоде будет падать некоторое напряжение и греться при больших токах.

Схема подключения LM2596 DC-DC преобразователя

Подключается преобразователь очень просто, не стабилизированное напряжение подается на контакты модуля +IN, –IN (плюс и минус соответственно), а выходное напряжение снимается с контактов платы +OUT, -OUT.

С обратной стороны есть стрелка, что указывает в какую сторону идёт преобразование.