Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используются DC/DC преобразователи. Применяются они в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления и автоматики и др.
Трансформаторные блоки питания
В традиционных трансформаторных блоках питания напряжение питающей сети с помощью трансформатора преобразуется, чаще всего понижается, до нужного значения. Пониженное напряжение и сглаживается конденсаторным фильтром. В случае необходимости после выпрямителя ставится полупроводниковый стабилизатор.
Трансформаторные блоки питания, как правило, оснащаются линейными стабилизаторами. Достоинств у таких стабилизаторов не менее двух: это маленькая стоимость и незначительное количество деталей в обвязке. Но эти достоинства съедает низкий КПД, поскольку значительная часть входного напряжения используется на нагрев регулирующего транзистора, что совершенно неприемлемо для питания переносных электронных устройств.
DC/DC преобразователи
Если питание аппаратуры осуществляется от гальванических элементов или аккумуляторов, то преобразование напряжения до нужного уровня возможно лишь с помощью DC/DC преобразователей.
Идея достаточно проста: постоянное напряжение преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается (понижается), а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Такие преобразователи часто называются импульсными.
В качестве примера можно привести повышающий преобразователь из 1,5В до 5В, как раз выходное напряжение компьютерного USB. Подобный преобразователь небольшой мощности продается на Алиэкспресс.
Рис. 1. Преобразователь 1,5В/5В
Импульсные преобразователи хороши тем, что имеют высокий КПД, в пределах 60..90%. Еще одно достоинство импульсных преобразователей широкий диапазон входных напряжений: входное напряжение может быть ниже выходного или намного выше. Вообще DC/DC конвертеры можно разделить на несколько групп.
Классификация конвертеров
Понижающие, по английской терминологии step-down или buck
Выходное напряжение этих преобразователей, как правило, ниже входного: без особых потерь на нагрев регулирующего транзистора можно получить напряжение всего несколько вольт при входном напряжении 12…50В. Выходной ток таких преобразователей зависит от потребности нагрузки, что в свою очередь определяет схемотехнику преобразователя.
Еще одно англоязычное название понижающего преобразователя chopper. Один из вариантов перевода этого слова - прерыватель. В технической литературе понижающий конвертер иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.
Повышающие, по английской терминологии step-up или boost
Выходное напряжение этих преобразователей выше входного. Например, при входном напряжении 5В на выходе можно получить напряжение до 30В, причем, возможно его плавное регулирование и стабилизация. Достаточно часто повышающие преобразователи называют бустерами.
Универсальные преобразователи - SEPIC
Выходное напряжение этих преобразователей удерживается на заданном уровне при входном напряжении как выше входного, так и ниже. Рекомендуется в случаях, когда входное напряжение может изменяться в значительных пределах. Например, в автомобиле напряжение аккумулятора может изменяться в пределах 9…14В, а требуется получить стабильное напряжение 12В.
Инвертирующие преобразователи - inverting converter
Основной функцией этих преобразователей является получение на выходе напряжения обратной полярности относительно источника питания. Очень удобно в тех случаях, когда требуется двухполярное питание, например .
Все упомянутые преобразователи могут быть стабилизированными или нестабилизированными, выходное напряжение может быть гальванически связано с входным или иметь гальваническую развязку напряжений. Все зависит от конкретного устройства, в котором будет использоваться преобразователь.
Чтобы перейти к дальнейшему рассказу о DC/DC конвертерах следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.
Понижающий конвертер чоппер - конвертер типа buck
Его функциональная схема показана на рисунке ниже. Стрелками на проводах показаны направления токов.
Рис.2. Функциональная схема чопперного стабилизатора
Входное напряжение Uin подается на входной фильтр - конденсатор Cin. В качестве ключевого элемента используется транзистор VT, он осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Это может быть либо . Кроме указанных деталей в схеме содержится разрядный диод VD и выходной фильтр - LCout, с которого напряжение поступает в нагрузку Rн.
Нетрудно видеть, что нагрузка включена последовательно с элементами VT и L. Поэтому схема является последовательной. Как же происходит понижение напряжения?
Широтно-импульсная модуляция - ШИМ
Схема управления вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной частотой или постоянным периодом, что в сущности одно и то же. Эти импульсы показаны на рисунке 3.
Рис.3. Импульсы управления
Здесь tи время импульса, транзистор открыт, tп - время паузы, - транзистор закрыт. Соотношение tи/T называется коэффициентом заполнения duty cycle, обозначается буквой D и выражается в %% или просто в числах. Например, при D равном 50% получается, что D=0,5.
Таким образом D может изменяться от 0 до 1. При значении D=1 ключевой транзистор находится в состоянии полной проводимости, а при D=0 в состоянии отсечки, попросту говоря, закрыт. Нетрудно догадаться, что при D=50% выходное напряжение будет равно половине входного.
Совершенно очевидно, что регулирование выходного напряжения происходит за счет изменения ширины управляющего импульса tи, по сути дела изменением коэффициента D. Такой принцип регулирования называется (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.
На схемах, показанных на рисунках 2 и 6 ШИМ «спрятана» в прямоугольниках с надписью «Схема управления», которая выполняет некоторые дополнительные функции. Например, это может быть плавный запуск выходного напряжения, дистанционное включение или защита преобразователя от короткого замыкания.
Вообще конвертеры получили столь широкое применение, что фирмы производители электронных компонентов наладили выпуск ШИМ контроллеров на все случаи жизни. Ассортимент настолько велик, что просто для того чтобы их перечислить понадобится целая книга. Поэтому собирать конвертеры на дискретных элементах, или как часто говорят на «рассыпухе», никому не приходит в голову.
Более того готовые конвертеры небольшой мощности можно купить на Алиэкспрес или Ebay за незначительную цену. При этом для установки в любительскую конструкцию достаточно припаять к плате провода на вход и выход, и выставить требуемое выходное напряжение.
Но вернемся к нашему рисунку 3. В данном случае коэффициент D определяет, сколько времени будет открыт (фаза 1) или закрыт (фаза 2) . Для этих двух фаз можно представить схему двумя рисунками. На рисунках НЕ ПОКАЗАНЫ те элементы, которые в данной фазе не используются.
Рис.4. Фаза 1
При открытом транзисторе ток от источника питания (гальванический элемент, аккумулятор, выпрямитель) проходит через индуктивный дроссель L, нагрузку Rн, и заряжающийся конденсатор Cout. При этом через нагрузку протекает ток, конденсатор Cout и дроссель L накапливают энергию. Ток iL ПОСТЕПЕННО ВОЗРАСТАЕТ, сказывается влияние индуктивности дросселя. Эта фаза называется накачкой.
После того, как напряжение на нагрузке достигнет заданного значения (определяется настройкой устройства управления), транзистор VT закрывается и устройство переходит ко второй фазе - фазе разряда. Закрытый транзистор на рисунке не показан вовсе, как будто его и нет. Но это означает лишь то, что транзистор закрыт.
Рис.5. Фаза 2
При закрытом транзисторе VT пополнения энергии в дросселе не происходит, поскольку источник питания отключен. Индуктивность L стремится воспрепятствовать изменению величины и направления тока (самоиндукция) протекающего через обмотку дросселя.
Поэтому ток мгновенно прекратиться не может и замыкается через цепь «диод-нагрузка». Из-за этого диод VD получил название разрядный. Как правило, это быстродействующий диод Шоттки. По истечении периода управления фаза 2 схема переключается на фазу 1, процесс повторяется снова. Максимальное напряжение на выходе рассмотренной схемы может быть равным входному, и никак не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное, применяются повышающие преобразователи.
Пока только следует напомнить собственно о величине индуктивности, которая определяет два режима работы чоппера. При недостаточной индуктивности преобразователь будет работать в режиме разрывных токов, что совершенно недопустимо для источников питания.
Если же индуктивность достаточно большая, то работа происходит в режиме неразрывных токов, что позволяет с помощью выходных фильтров получить постоянное напряжение с приемлемым уровнем пульсаций. В режиме неразрывных токов работают и повышающие преобразователи, о которых будет рассказано ниже.
Для некоторого повышения КПД разрядный диод VD заменяется транзистором MOSFET, который в нужный момент открывается схемой управления. Такие преобразователи называются синхронными. Их применение оправдано, если мощность преобразователя достаточно велика.
Повышающие step-up или boost преобразователи
Повышающие преобразователи применяются в основном при низковольтном питании, например, от двух-трех батареек, а некоторые узлы конструкции требуют напряжения 12…15В с малым потреблением тока. Достаточно часто повышающий преобразователь кратко и понятно называют словом «бустер».
Рис.6. Функциональная схема повышающего преобразователя
Входное напряжение Uin подается на входной фильтр Cin и поступает на последовательно соединенные L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.
Транзистор VT управляется схемой управления, которая вырабатывает сигнал управления стабильной частоты с регулируемым коэффициентом заполнения D, так же, как было рассказано чуть выше при описании чопперной схемы (Рис.3). Диод VD в нужные моменты времени блокирует нагрузку от ключевого транзистора.
Когда открыт ключевой транзистор правый по схеме вывод катушки L соединяется с отрицательным полюсом источника питания Uin. Нарастающий ток (сказывается влияние индуктивности) от источника питания протекает через катушку и открытый транзистор, в катушке накапливается энергия.
В это время диод VD блокирует нагрузку и выходной конденсатор от ключевой схемы, тем самым предотвращая разряд выходного конденсатора через открытый транзистор. Нагрузка в этот момент питается энергией накопленной в конденсаторе Cout. Естественно, что напряжение на выходном конденсаторе падает.
Как только напряжение на выходе станет несколько ниже заданного, (определяется настройками схемы управления), ключевой транзистор VT закрывается, и энергия, запасенная в дросселе, через диод VD подзаряжает конденсатор Cout, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции катушки L складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения.
По достижении выходным напряжением установленного уровня стабилизации схема управления открывает транзистор VT, и процесс повторяется с фазы накопления энергии.
Универсальные преобразователи - SEPIC (single-ended primary-inductor converter или преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью).
Подобные преобразователи применяются в основном, когда нагрузка имеет незначительную мощность, а входное напряжение изменяется относительно выходного в большую или меньшую сторону.
Рис.7. Функциональная схема преобразователя SEPIC
Очень похожа на схему повышающего преобразователя, показанного на рисунке 6, но имеет дополнительные элементы: конденсатор C1 и катушку L2. Именно эти элементы и обеспечивают работу преобразователя в режиме понижения напряжения.
Преобразователи SEPIC применяются в тех случаях, когда входное напряжение изменяется в широких пределах. В качестве примера можно привести 4V-35V to 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down Converter Regulator. Именно под таким названием в китайских магазинах продается преобразователь, схема которого показана на рисунке 8 (для увеличения нажмите на рисунок).
Рис.8. Принципиальная схема преобразователя SEPIC
На рисунке 9 показан внешний вид платы с обозначением основных элементов.
Рис.9. Внешний вид преобразователя SEPIC
На рисунке показаны основные детали в соответствии с рисунком 7. Следует обратить внимание на наличие двух катушек L1 L2. По этому признаку можно определить, что это именно преобразователь SEPIC.
Входное напряжение платы может быть в пределах 4…35В. При этом выходное напряжение может настраиваться в пределах 1,23…32В. Рабочая частота преобразователя 500КГц.При незначительных размерах 50 x 25 x 12мм плата обеспечивает мощность до 25 Вт. Максимальный выходной ток до 3А.
Но тут следует сделать замечание. Если выходное напряжение установить на уровне 10В, то выходной ток не может быть выше 2,5А (25Вт). При выходном напряжении 5В и максимальном токе 3А мощность составит всего 15Вт. Здесь главное не перестараться: либо не превысить максимально допустимую мощность, либо не выйди за пределы допустимого тока.
Сегодня на обзоре маленький DC-DC конвертер. Можно сказать, это полноценный орган управления блоком питания. Платка, на самом деле, миниатюрная, поставляется она в антистатическом пакетике, и сами видели, что она очень, запросто, помещается в руке. Смотрите видео канала “KIRILL NESTEROV”
Размер платы конвертера 6 сантиметров на 3,5. Содержатся 2 чипа. Один чип регулирует напряжение, а второй управляет индикацией, показывая количество вольт на входе и на выходе, как раз чип скрыт под светодиодной индикацией, практически не видно, только если на просвет. Из органов управления 3 компонента: 2 кнопочки и 1 регулятор. Регулятор отвечает за установку напряжения на выходе преобразователя. А 2 микро кнопочки не сразу объяснят, что делают, над ними, есть светодиоды. Светодиод in и светодиод out. Первая кнопка отвечает за включение и выключение, а вторая показывает индикацию. Лучше сейчас подключим платку к нормальному блоку, и покажем, как работает. Каждый вывод платы подписан, и имеется, как колодка для подключения, так и место для пайки.
Немного пройдемся по характеристики DC-DC конвертера. Питается от 5-36 вольт, это значит, что можем спокойно, на нашем БП, которым запитываем преобразователь, выставить 5.
Подаем ток от блока. Видите, что уже загорелась индикация, зелененькая, показано 4.9. Это на выходе. Можем посмотреть, какое идет на вход при нажатии на клавишу. Видим 4,9 вольт, посмотрим, какое на выходе. Да, ровно 4.9, можно сказать, что они показывают одинаково.
Используем тестер. Как выглядят показания, видим, что на источнике напряжение 5,13, на входе 5, на выходе замеряем – 5,11, что ближе с тем, что выдает блок питания.
Для начала посмотреть, какое напряжение минимальное можно подавать на платку. Итак, на блоке 3,8 вольт, индикация уже перестала работать, а на выходе то же самое. Упало до 2 вольт, а выход уже ничего не показывает. Опять подняли до 5, это минимальная точка, когда БП способен нормально работать.
Так как заявлено, что может работать от 36, этот вольтаж сейчас и выставим здесь. Как ни странно, у преобразователя 36, это максимум. Сейчас показано 14,1 на входе, и 35,7, но прибор немного врет.
Что еще не сказал по поводу регулировки. Она плавная от начала до конца, изменяется линейно. Уже заметили, напряжение 33,6, а по характеристикам должен выдавать от 1,25 до 32, что вылезает за пределы. 35,7, но индикатор врет, на выходе получаем 36, то же самое, что выдает блок.
Что касается управления устройства – всего 3 органа: 2 микро кнопочки и 1 регулятор, резистор на 50 Ком. Индикация in с левой стороны, и с правой стороны выход, отражают напряжение. Кнопочкой можно включать и отключать показания, блок продолжает работать. С напряжением понятно. Сделаем его пониже на 30,6, но дело в том, что стоит конденсатор на выходе на 35 вольт, опасно его сжечь.
Продавец на своей страничке товара утверждает, что преобразователь способен выдавать максимальный ток, аж в 5 ампер, но советует использовать его все-таки на 4,5, максимальная мощность должна составлять не больше 75 ватт, но при продолжительном использовании, не должны превышать его в 50 ватт.
Прислал:
Простые схемы не всегда хуже "навороченных". А схемы на дискретных элементах ничуть не уступают готовым микросхемам. Очередной пример можно увидеть здесь.
Одними из наиболее популярных электронных устройств в настоящее время являются маломощные однотактные DC-DC конверторы, широко используемые в переносной батарейной аппаратуре. Естественно, что многие фирмы ведут активные разработки в этой области, и таких готовых устройств бесчисленное множество. На рис. 1 для примера показана блок-схема одного из распространенных конверторов TPS61045 производства фирмы Texas Instruments .
Эта блок-схема не является чем-то выдающимся по количеству используемых элементов, ничуть не меньше таковых в аналогичных устройствах других производителей. Вероятно поэтому интегральные DC-DC конвертеры являются довольно дорогими изделиями электронной техники. Кроме гипертрофированной блок-схемы некоторые из таких устройств страдают импульсной неустойчивостью из-за неоправданно большого коэффициента преобразования в петле ООС. Например, на рис. 2 показана упрощенная форма напряжения в таком режиме на индуктивности конвертера SP6641 фирмы Sipex.
По всей видимости, приведенные факты стали следствием использования интегральных технологий, которые, устранив прямую зависимость между числом используемых компонентов и размерами электронных устройств, заодно устранили и мотивацию к созданию оптимальной электроники. Вследствие этого неоправданное усложнение интегральных микросхем стало всеобщим, а платить за это приходится потребителям.
Поэтому в данной статье сделана попытка показать, что если для реализации электронных устройств не использовать лишних компонентов, то получаются изделия, ничем не уступающие интегральным аналогам, а по некоторым параметрам и превосходящие их. Начиная с меньшей стоимости.
Кроме того, поскольку в таких устройствах компонентов ровно столько, сколько это необходимо для решения конкретной задачи, они почти не уступают интегральным аналогам по занимаемой площади на плате, хотя выполнены на отдельных элементах. Причем реализация на отдельных элементах зачастую позволяет обеспечить и лучшие электрические параметры, чем у интегральных микросхем, поскольку разработчик имеет возможность при создании своего устройства отобрать наилучшие на данный момент дискретные компоненты, чего нельзя обеспечить при использовании готовых микросхем, качество используемых элементов в которых навсегда привязано к периоду их разработки.
Электрическая схема однотактного конвертера, подтверждающего вышеизложенное, представлена на рис.3.
Структура представляемого устройства является универсальной и позволяет создавать конвертеры с любыми видами модуляции.
В данном случае используется частотно-импульсная модуляция, что не только позволило реализовать наиболее простую структуру конвертера, но и способствует его более высокой эффективности по сравнению с конвертерами, использующими ШИМ. Это объясняется тем, что при использовании частотно-импульсной модуляции и уменьшении тока в нагрузке КПД снижается только за счет начального потребления тока схемой управления выходным ключом, в отличие от конверторов с ШИМ, где КПД дополнительно ухудшается в связи с неэффективным использованием индуктивности при уменьшении времени ее заряда, что особенно сильно проявляется при больших коэффициентах преобразования.
Устройство является универсальным, но в данном конкретном случае предназначено для преобразования напряжения батареи из двух NiMh аккумуляторов с напряжением 2…2.7 В в напряжение питания для OLED дисплея (~13 В, 30 мА).
Следует обратить внимание на то, что в конверторе нет никаких компараторов и операционных усилителей. При этом не только обеспечивается стабильность выходного напряжения не хуже 1% при изменении входного в пределах 2.5…4 В или при изменении нагрузки, что вполне достаточно для любых практических задач, но и исключается импульсная неустойчивость, вследствие чего просто приятно наблюдать чистую осциллограмму на аноде VD4 в отличие от картины в той же точке у некоторых промышленных микросхем. Соответственно обеспечивается и минимальный уровень помех. Указанная особенность определяется не только минимально необходимым усилением в петле ООС, но и используемым типом модуляции.
За счет взаимной компенсации температурного ухода у VD1, VT1 и VD3 описываемое устройство обладает и неплохой температурной стабильностью – не хуже 2% в диапазоне температур –20…+50 °С. КПД преобразователя при использовании относительно недорогой индуктивности фирмы Murata LQH55D составляет примерно 85% даже при входном напряжении 2 В и предельной выходной мощности, которая при таком входном напряжении достигает 0.4 Вт. Наилучшие характеристики устройства обеспечиваются при питании DD1 от отдельного источника напряжением 2.5…5 В.
Следует отметить, что за вычетом стоимости танталовых конденсаторов, выпрямительного диода и индуктивности, которые используются и в микросхемном варианте, стоимость компонентов представляемого устройства составляет примерно 10 руб., в то время как розничная цена микросхемы TPS61045, предназначенной для тех же целей и имеющей худшие параметры, в среднем не ниже 50 руб. Следовательно, лишние компоненты из упомянутой микросхемы обходятся пользователям в 40 руб.
Единственный замеченный недостаток представляемого конвертера заключается в том, что при питании DD1 от первичного источника и при снижении первичного напряжения ниже определенного предела возможна ситуация, когда возникает положительная обратная связь через источник питания и в такой ситуации либо мощность, рассеиваемая на МОП ключе, может превысить допустимую, либо МОП ключ просто разрядит первичный источник. Это объясняется удлинением выходных импульсов у используемого логического элемента при уменьшении его питающего напряжения.
Однако при желании такая ситуация может быть исключена при минимальных дополнительных затратах – достаточно параллельно диодной сборке VD1 включить выход обычного монитора питания типа, например, BD47xx с напряжением срабатывания, равным минимально допустимому напряжению питания конвертера, а вход монитора следует подключить к первичному источнику питания. При использовании в микроконтроллерных устройствах можно отключать конвертер по входу shutdown, подавая на него низкий логический уровень, как только АЦП микроконтроллера обнаружит разряд батареи ниже допустимого уровня.
На рис. 4 представлен вариант трассировки конвертера на печатной плате в масштабе примерно 4:1. Реальные размеры – 14 × 17 мм без присоединительных выводов. При необходимости получения выходных напряжений менее 8 В стабилитрон VD4 следует заменить на шунтовый регулятор типа, например, LMV431.
Возможны также различные модификации конвертера, изображенного на рис. 3. Один из теоретически возможных вариантов для примера показан на рис. 5*.
Рис. 5
(*Данное устройство не используется в моих разработках, а поэтому не реализовывалось и не тестировалось.)
В этом варианте используется цепь регулирования, применяемая в простых однотактных DC-DC конвертерах как минимум с 80-х годов прошлого столетия. Конвертеры такого типа позволяют избежать применения преобразователей типа sepic, которые не имеют перед ними никаких преимуществ, кроме возможности присоединить не плюс, а минус батареи к общему проводу питаемого конвертером устройства. Поскольку представленное на рис. 5 устройство намного дешевле, проще и эффективнее упомянутых конвертеров типа sepic, оно делает применение последних за исключением особых случаев совершенно бессмысленным.
Замечательным свойством этого конвертера, как, кстати, и конвертеров типа sepic, является возможность работы с первичными источниками, напряжение которых может быть любым – как меньше выходного напряжения, так и больше. К сожалению, диапазон возможных напряжений первичного источника в описываемом устройстве ограничивается возможностями используемого триггера Шмитта по допустимым напряжениям его питания. В показанном на рис. 5 варианте диапазон напряжений первичного источника не должен выходить за пределы 2…5.5 В при выходном напряжении, например, 3 В.
Кроме прочих достоинств, при использовании этой схемы появляется возможность использовать батарею в качестве источника отрицательного смещения, а не применять для этого специальные преобразователи или дополнительные обмотки с выпрямителем.
Фирма MAXIM Integrated Products сегодня является общепризнанным мировым лидером всфере разработки и производства широчайшего спектра интегральных схем для самых разнообразных областей микроэлектроники. Огромное количество решений фирма предлагает в области технологий преобразования мощности. Номенклатура выпускаемых микросхем-преобразователей охватывает практически всю совокупность текущих потребности электроники в этой сфере. В статье будут рассмотренны возможности некоторых наиболее интересных преобразователей постоянного напряжения фирмы MAXIM.
Как известно, в основе работы импульсного преобразователя лежит процесс передачи энергии со входа на выход путем перекоммутации реактивного элемента с определенной частотой. В этой связи существует деление преобразователей на две группы - индуктивные и конденсаторные (рис.1).
Индуктивные преобразователи напряжения
Индуктивные DC/DC-конвертеры представлены фирмой MAXIM наиболее широко. Выпускается 218 различных микросхем индуктивных преобразователей:
- повышающие (Step-Up);
- понижающие (Step-Down);
- повышающие/понижающие (Step-Up/Down);
- инвертирующие (Inverter).
Повышающие индуктивные преобразователи MAX1724 и MAX1709
Микросхема MAX1724 представляет собой высокоэффективный (КПД до 90%) повышающий конвертер, доступный в тонком 5-ножечном корпусе SOT23. Он имеет уникально низкий ток покоя - около 1,5 мкА. Этот прибор специально разработан фирмой MAXIM для использования в портативных переносных приборах с питанием от одной или двух алкалиновых или NiMH-батарей. Нижний диапазон входного напряжения этой микросхемы составляет 0,8 В. Конвертер построен по схеме синхронного выпрямителя, исключающей необходимость в использовании внешнего диода Шоттки. Благодаря этому для обеспечения работы преобразователя необходимо всего 3 внешних элемента (рис.2). Для снижения электромагнитных излучений в MAX1724 используется собственная схема снижения генерируемого шума. Встроенные ключи на N-канальных полевых транзисторах обеспечивают выходной ток в нагрузке до 150 мA при напряжении на выходе от 2,7 до 5 В (зависит от типа микросхемы). Отдельный вывод /SHDN (рис.2) позволяет управлять работой преобразователя. Ток в режиме «Shutdown » не превышает 0,1 мкА.
В случаях, когда необходимо обеспечить питание более мощной нагрузки, фирма MAXIM предлагает иное решение - MAX1709. Этот прибор обеспечивает выходной ток до 4 А при напряжении на входе 3,3 В. Диапазон входного напряжения лежит в пределах от 0,7 до 5 В. Таким образом, обеспечивается возможность использования микросхемы MAX1709 в устройстве, питающемся от одной батарейки на 1,2 В. Фиксированная частота переключения обеспечивает работу преобразователя на частоте основной гармоники равной 600 кГц. Выбор этой частоты позволяет использовать простые схемы фильтрации для снижения шумов. Кроме того, повышенная частота переключения снижает размеры используемой катушки индуктивности. При необходимости конвертер может работать на частоте внешнего генератора (от 350 кГц до 1 МГц), подключаемого к выводу CLK (рис.3). Путем изменения номиналов внешних компонентов имеется возможность программировать работу преобразователя в ежиме «мягкого старта », а также ограничивать максимальный ток нагрузки. Это может быть важно в условиях питания устройства от батарей.
Следует отметить, что благодаря возможности работы рассмотренных приборов при снижении входного питающего напряжения вплоть до 0,7 –0,8 В, они могут обеспечить более длительную работу разнообразных переносных устройств с питанием от батарей, повышая тем самым их потребительские качества.
Понижающий индуктивный преобразователь MAX1917
Современные требования к миниатюризации и снижению стоимости конечного изделия побуждают производителей непрерывно оптимизировать характеристики своих разработок. Примером может служить DC/DC-конвертер MAX1917, предназначенный для комплексного управления питанием DDR-памяти. Этот преобразователь построен на основе разработанной фирмой MAXIM архитектуры Quick-PWM ™. Она позволяет обеспечить очень малое время отклика управляющей схемы на изменения тока нагрузки. Благодаря этому снижается количество и общая емкость конденсаторов на выходе конвертера. На рис.4 показана схема включения преобразователя.
Микросхема MAX1917 обеспечивает управление ключами N-FET, позволяя реализовать понижающий синхронный выпрямитель с втекающим или вытекающим током в нагрузке до 25 А при напряжении до 3,6 В. Максимальный КПД может достигать величины 96%при токе в несколько ампер. Повышению КПД способствует, в частности, считывание информации о токе в нагрузке с перехода сток-исток нижнего в плече полевого транзистора. Это позволяет обойтись без использования специального резистора в качестве датчика тока, исключив его тепловые потери.
Начальная частота переключения микросхемы MAX1917 может выбираться из ряда 200; 300; 400; 550 кГц. В процессе стабилизации выходного напряжения эта частота меняется довольно в широких пределах в зависимости от тока нагрузки и входного напряжения.
Напряжение на выходе задается через вход DDR. С помощью внешних элементов задаются параметры встроенных схем ограничения максимального тока и «мягкого старта».
На рис.5 показан график изменения напряжения на нагрузке при возникновении скачка тока с 2,5 до 18 А. На осциллограмме видно, что время восстановления напряжения при изменении тока не превышает 20 мкс.
Несмотря на то что описанный прибор создан, прежде всего, для применения в системе питания DDR-памяти, он может использоваться и как понижающий преобразователь общего назначения с изменяемой частотой переключения.
В настоящее время фирмой MAXIM производится большое количество специализированных понижающих конвертеров для различных областей применения:
- системы питания сотовых телефонов (MAX1820-1821, MAX1958-1959);
- драйверы модулей Пелтье (MAX1968-1969, MAX8520-8521);
- системы питания ноутбуков (MAX1534, MAX1710-1712, MAX1717-1718, MAX1791, MAX1844);
- системы питания современных CPU (MAX797798, MAX1624-MAX1625, MAX1638-1639).
Выпускаемые понижающие конвертеры охватывают диапазон выходных токов вплоть до 60 А (MAX5041). Многие приборы работают на очень высоких частотах переключения - 1,2 МГц (MAX1734, MAX1921), 1 МГц (MAX1821), что позволяет повышать удельную мощность блоков питания за счет снижения размеров реактивных элементов, передающих энергию.
Повышающий/понижающий преобразователь MAX1672
Пожалуй, MAX1672 - самый функционально насыщенный конвертер среди изделий MAXIM такого типа. Выпускаемый в очень маленьком QSOP-корпусе, он обеспечивает выходное напряжение в диапазоне от 1,25 до 5,5 В при токе 300 мА без внешнего транзистора (рис.6). Преобразователь работоспособен при входном напряжении от 1,8 до 11 В. Типовой КПД при работе в режиме «Step-Up » составляет 85%.
Преобразователь MAX1672 представляет собой устройство, комбинирующее 2 различных метода преобразования напряжения и не являющееся классическим преобразователем Кука. Для повышения напряжения в состав прибора входит повышающий конвертер на основе встроенного N-канального MOSFET-транзистора и миниатюрной внешней катушки индуктивности (10 мкГ). Понижение напряжения выполняется встроенным линейным регулятором «low-drop » с помощью транзистора P-FET.
Существует 3 различных режима работы преобразователя MAX1672:
- Входное напряжение ниже выходного - работает повышающий конвертер.
- Входное напряжение незначительно больше выходного - это наиболее эффективный режим работы - работают повышающий конвертер и линейный регулятор. В этом режиме повышающий преобразователь автоматически поддерживает напряжение на входе линейного регулятора, необходимое для его работы. На графике зависимости КПД от входного напряжения (рис.7) видно, что в этот момент достигается пик эффективности - КПД свыше 94%%(при токе нагрузки 10мА). Кроме того, задействованный линейный регулятор осуществляет качественную фильтрацию высокочастотных шумов повышающего конвертера.
- Входное напряжение значительно больше выходного - работает только линейный регулятор, КПД падает с ростом входного напряжения.
Выходное напряжение может быть как изменяемым (с помощью внешних резисторов), так и фиксированным - изменение его значения (3,3 или 5 В) производится по входу «3/5 ». Микросхема имеет детектор понижения питающего напряжения (вывод /PGO), параметры работы которого можно устанавливать при помощи делителя напряжения, подключенного к выводу PGI. В режиме «Shutdown » нагрузка отключается от входа, а ток потребления микросхемы снижается до 0,1 мкА.
Реализованная в приборе система защиты от перегрева выключает проходной транзистор при повышении температуры кристалла до +150 °С и включает его снова при охлаждении до +20 °С. Встроенная схема ограничения максимального тока через катушку индуктивности позволяет выбирать два значения: 0,5 и 0,8 А.
Инверторы напряжения MAX774, MAX775 и MAX776
Группа микросхем MAX774-MAX776 представляет собой набор инверторов, характеризующихся стабильно высоким КПД в большом диапазоне токов нагрузки. Различаются они только значением выходного напряжения, поэтому достаточно рассмотреть особенности одного конвертера - MAX774 с отрицательным выходным напряжением –5 В.
Микросхема предназначена для построения инверторов напряжения с использованием внешнего транзистора P-FET и обеспечивает КПД 85% в диапазоне токов нагрузки от 5 мА до 1 А. Это стало возможным благодаря реализованной в приборе уникальной схеме управления, объединяющей преимущества частотно-импульсной модуляции (PFM) с пропуском импульсов (ультранизкий ток потребления), и высокой эффективности конвертера с широтно-импульсной модуляцией (PWM)на больших мощностях нагрузки.
Конденсаторные преобразователи напряжения
Для питания маломощных нагрузок, таких, как LCD, VCO (генераторы, управляемые напряжением), диоды настройки и пр., очень выгодно использовать преобразователи напряжения на коммутируемых конденсаторах. Использование таких устройств не требует наличия индуктивных (намоточных) компонентов, они позволяют создавать дешевые и малогабаритные модули питания. Фирмой MAXIM производится большое количество подобных преобразователей, которые могут быть как с фиксированным входным напряжением, так и регулируемые.
На рис.8 показана типовая схема включения регулируемого конденсаторного конвертера MAX889T. Он обеспечивает стабилизированное напряжение на нагрузке в пределах от –2,5 В до –Vin при токе 200 мА. Этот прибор работает на частоте 2 МГц, что позволяет использовать очень маленькие внешние конденсаторы, однако увеличивает собственный ток потребления. Отдельный вывод /SHDN позволяет управлять работой микросхемы с помощью внешней логики (ток управления не более 0,1 мкА).
Как и в большинстве других DC/DC-конвертеров фирмы MAXIM, в этом устройстве реализованы функции «мягкого старта », ограничения броска тока в момент запуска, схемы защиты от короткого замыкания и перегрева кристалла.
Существуют также двуполярные конденсаторные конвертеры на различные величины напряжений (MAX768, MAX864, MAX865), удвоители напряжения (MAX680, MAX681) и пр.
Преобразователи в двуполярное напряжение (Balanced)
Большинство специализированных преобразователей однополярного напряжения в двуполярное фирмы MAXIM построены на различных вариантах конденсаторных конвертеров. Однако их затруднительно использовать для питания мощных нагрузок. Поэтому в случае необходимости создания мощного двуполярного преобразователя следует обратить внимание на микросхемы MAX742 и MAX743. Первая используется с двумя внешними транзисторами и обеспечивает мощность в нагрузке до 60 Вт, а вторая имеет внутренние полевые транзисторы и допускает подключение нагрузки мощностью до 3 Вт.
DC/DC-конвертер MAX742 (рис.9) предназначен для создания источников питания мощностью от 3 до 60 Вт. Благодаря использованию двух независимых катушек индуктивности этот прибор (в отличие от варианта с трансформатором)обеспечивает раздельное регулирование напряжения в каждом плече с точностью 4%. Преобразователь работает на частоте 100 или 200 кГц с использованием ШИМ. Он преобразует входное напряжение (от 4,2 до 10 В) в выходное ±12 или ±15 В (необходимое напряжение устанавливается с помощью специального вывода). КПД при частоте переключения 100 кГц наиболее высокий - до 92%. Максимальная величина тока в нагрузке для каждого плеча составляет ±2 А.
Многофункциональные DC/DC-конвертеры
Процессы повышения степени интеграции и естественное стремление сокращать количество дискретных компонентов в конечном изделии приводит к появлению всевозможных многофункциональных микросхем, в том числе и в сфере преобразования напряжения. Фирмой MAXIM выпускается широкая гамма многофункциональных контроллеров питания для следующих сфер использования:
- цифровые фотоаппараты и видеокамеры (MAX1800-MAX1802);
- ЖК-мониторы TFT (MAX1880-MAX1885, MAX1889, MAX1998);
- CPU/GPU (MAX1816,MAX1994);
- главные контроллеры системы питания в ноутбуках (MAX1901,MAX1997,MAX1999);
- модемы xDSL/cable (MAX1864,MAX1865);
- спутниковые телефоны (MAX888,MAX1863);
- карманные компьютеры PDA (MAX781);
- питание ламп подсветки CCFT и контроллеров LCD (MAX753,MAX754).
Отличительная особенность этих устройств - применение их в конкретной области, а также наличие нескольких выходов с различными уровнями напряжений. Примером может служить микросхема MAX1800, созданная для использования в системе питания цифрового фотоаппарата или видеокамеры. Она работает при напряжении на входе от 0,7 до 5,5 В.На выходах конвертера вырабатывается целый ряд напряжений (КПД до 95%):
- +3,3 В (до 1,5 А)- главный выход, питание логики;
- +15 В и –7,5 В - питание CCD-матрицы;
- +18 В и +12 В - питание LCD-модуля;
- +7 В - питание CCFL;
- +1,8 В - питание MCU (CORE).
Кроме того, контроллер MAX1800 (рис.10) может управлять одной или несколькими вспомогательными микросхемами MAX1801 для питания миниатюрных электродвигателей.
В таблице приведен ряд характеристик некоторых DC/DC-конвертеров фирмы MAXIM.
Таблица. Основные характеристики DC/DC-преобразователей фирмы MAXIM
| Наимено-вание | Функция | Миним-альное входное напря-жение, В | Макси-мальное входное напря-жение, В | Фиксиро-ванное выходное напря-жение, В | Миним-альное выходное напря-жение, В | Макси-мальное выходное напря-жение, В | Типовой выходной ток, обеспечи-ваемый микро-схемой, А | Частота перек-лючения, кГц | Корпус |
| MAX680 | Balanced | 2 | 6 | –2xVin
+2xVin |
- | - | 0,01 | 8 | 8/PDIP-300
8/SO-150 |
| MAX768 | Balanced | 2,5 | 5,5 | ±5 | ±1,25 | ±11 | 0,005 | 240 | 16/QSOP |
| MAX889 | Capacitor Regulated | 2,7 | 5,5 | –Vin | –2,5 | –5.5 | 0,2 | 2000 | 8/SO.150 |
| MAX1044 | Capacitor Unregulated | 1,5 | 10 | –Vin
+2xVin |
- | - | 0,02 | 20 | 8/PDIP.300
8/SO.150 8/µMAX |
| MAX1774 | Step-Down | 2,7 | 28 | 1,8 3,3 | 1 | 5.5 | 2 | 600 | 28/QSOP |
| MAX1917 | Step-Down | 4,5 | 22 | - | 0,4 | 5 | 25 | 200–550 | 16/QSOP |
| MAX765 | Inverter | 3 | 16,5 | –12 | –1 | –16 | 0,12 | 300 | 8/PDIP.300
8/SO.150 |
| MAX776 | Inverter | 3 | 16,5 | –15 | 0 | –100 | 1 | 300 | 8/PDIP.300
8/SO.150 |
| MAX1724 | Step-Up | 0,8 | 5,5 | 2,7; 3; 3,3; 5 | - | - | 0,15 | - | 5/SOT23-Thin |
| MAX1709 | Step-Up | 0,7 | 5 | 3,3; 5 | 2,5 | 5,5 | 4 | 600 | 16/SO.150 |
| MAX711 | Step-Up/Down | 1,8 | 11 | - | 2,7 | 5,5 | 0,25 | 300 | 16/SO.150 |
| MAX1672 | Step-Up/Down | 1,8 | 11 | 3,3; 5 | 1,25 | 5,5 | 0,26 | - | 16/QSOP |
| MAX1800 | Multifunction | 0,7 | 5,5 | - | - | - | - | 1000 | 32/TQFP-5.5 |
Литература
- MAXIM full-line CD-Catalog, 2002 Edition.
- Эраносян С.А.Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями.Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние. 1991.
- Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Издание 2-е.М.: ДОДЭКА.2000.
- International Rectifier. Силовые полупроводниковые приборы. Пер.с англ.под ред. В.В.Токарева. Первое издание. Воронеж. 1995.
Технические характеристики
● Диапазон входных напряжений: 4-32В (максимум 36В)
● Диапазон выходных напряжений: 1.2-32В (настраиваемый, по умолчанию - 5В)
● Выходной ток: 0-15A
● Коэффициент преобразования: 98%
● Рабочие температуры: -40 to +85 С
● Рабочая частота: 150KHz
Стоимость на момент заказа 28.10.2016:
Поставляется запаянным в антистатический пакет
Конструктивное выполнение - бескорпусное, 
Монтаж двусторонний, при этом большинство элементов расположено на верхней стороне. На нижней - элементов немного, и их высота не препятствует установке конвертера в корпус.
Габариты устройства - 5 см
На 6 см
Ток в 15 А ограничен плавким предохранителем на входе конвертера
На выходе имеется светодиод показывающий подачу входного напряжения на конвертер, и подстроечный резистор для установки выходного напряжения. Ограничить выходной ток на этом конвертере - нельзя
Электролиты на 470 мф 35 В
Диод SS 54
Монтаж выполнен очень плотно, и фотографировать маркировку элементов сложно. Но схем такого и подобных конвертеров - довольно много в сети, поэтому я больше сосредоточусь на испытаниях и тестах.
В тестировании мне помогут блок питания и конвертер из двух моих прошлых обзоров, ссылки на которые я привел выше, а так же 60 Ваттная электронная нагрузка.
Первое включение, изменений настроек конвертера не было, нагрузка в 0.5 А. Конвертер выдал напряжение в 5.5 Вольт
При входном напряжении в 14 Вольт, конвертер максимум смог выдать 13.84 В, что составляет как раз заявленный 98%
На 21.91 В входных - максимум составил 21,67 В - почти 99%
Теперь тест на стабильность. Установлен ток нагрузки 2А, напряжение выставлено 12 В. Входное напряжение постепенно снижаем с почти 22 В до 13 В. При этом выходные параметры совершенно не изменились
Лишь при снижении входного напряжения до 12 В, появилась просадка - 11,76 В - те же 98 %
Для теста на 15 А, соберу стенд практически аналогичный тестированию высокотоковых аккумуляторов. В качестве нагрузке применена сборка из 10 параллельно соединенных керамических резисторов по 2 Ома, 10 Ватт. Общее сопротивление сборки примерно 0.2 Ом - рассчитана под напряжение лития. Напряжение на конвертере выкручено в минимум - 1.2 Вольт.
При включении нагрузки, 1.2 просаживается в 1.09. Ток - 5,54 А
Плавно подымаю до искомых 15 А
Для красоты ставлю 3 В, ток - 15.66 А. Оставил так до тех пор пока резисторы от перегрева не стали ощутимо вонять:) Сам конвертер был слегка теплым. Длительный тест на 50 Ватт - в видео ниже.
Как я и говорил, конвертер мне нужен для создания мощного блока питания на 5 В. Поэтому мне в первую очередь интересно как он будет вести себя на различных нагрузках в диапазоне напряжений 4.7-5.2 В.
Конвертер настроен ровно на 5 В при нагрузке 1 А. Плавно повышаю нагрузку до 10 А и наблюдаю просадку.
Как видно на фото ниже, даже при 10 А нагрузке, напряжение остается в допустимом диапазоне - 4.79 В
На видео ниже можно посмотреть уровень нагрева конвертера при часовой нагрузке в 50 Ватт - 5 В, 10 А. Для облегчения просмотра видео ускорено в 10 раз, так же никто не мешает его прокрутить.
За первые минут 10 DC-DC конвертер разогревается до 40 градусов, и до конца теста практически не меняет температуру, в конце теста температура прыгает 42-43 градуса.
Для моих целей - создания БП для одновременной зарядки и питания нескольких гаджетов данный преобразователь полностью подходит, он не перегревается, стабильность при изменении входного напряжения и увеличении тока нагрузки - отличная.
Спасибо за внимание, надеюсь обзор был полезен.
Планирую купить +46 Добавить в избранное Обзор понравился +31 +69
