Импульсные DC/DC преобразователи

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Преобразователи напряжения

Опубликовано: 24.03.2017 11:36

Просмотров: 6718

П.П. Бобонич, Ужгород
В данной статье приводится описание основных топологий DC/DC преобразователей. Цель статьи -помочь разработчикам выбрать оптимальную топологию соответствующих приборов
DC/DC преобразователи широко используются в оборудовании для вычислительной, электронной, автоматизированных системах управления, средства связи и др. В последнее время широкое распространение получили интегральные DC/DC преобразователи. Часто такие преобразователи, производимые разными компаниями взаимозаменяемые.
В большинстве блоков импульсного питания используется дроссель индуктивности, который может накапливать энергию и преобразовывать напряжение. В общем виде блоки питания с DC/DC преобразователями делятся на устройства с гальванической развязкой между входом и выходом или без нее.

Первая часть DC/DC преобразователей связана с наличием импульсных трансформаторов, вторая - с использованием элементов индуктивности. Существуют DC/DC преобразователи без элементов индуктивности (дросселей), но задействуют их в блоках питания редко.
1. DC/DC преобразователи без индуктивности
Такие преобразователи базируются на системах накачки энергии. Основной особенностью их есть то, что на выходе преобразователя (DC/ DC конвертора) может быть меньшее, большее или равное входному напряжению. Величина нагрузки в этих устройствах небольшая и обычно составляет несколько сот милливатт. Блоки питания с подобными свойствами используются для преобразования напряжения обратной полярности, например, для интерфейсов, датчиков различного назначения или усилителей, в которых необходимо отрицательное напряжение.
Подобные блоки питания состоят из генераторов прямоугольныхимпульсов с частотой в несколько десятков или несколько сот килогерц (рис.1).
 
 Переменное напряжение подается в систему, сформированную из диодов и конденсаторов, которые на выходе имеют выходное напряжение определенной величины. Так функционируют микросхемы типа МАХ232. Их используют, например, в интерфейсах RS232 с питанием, основанном на отрицательном напряжении.
Отсутствие элементов индуктивности является основой функционирования таких блоков питания. Эффективность преобразования DC/DC конверторов невысокая, причем величина выходного напряжения сильно зависит от значения нагрузки, а это снижает стабилизацию выходного напряжения. Преобразователи подобного вида лучше использовать в источниках питания светодиодов. Эти DC/DC конверторы в настоящее время популярны в различных устройствах, например, в ручных фонариках или в преобразователях к источникам солнечного питания.
2. DC/DC преобразователи с индуктивностью
Популярны в современной электронике DC/DC конверторы без гальванической развязки между входом и выходом. Они широко применяются многими конструкторами радиоэлектронной аппаратуры. В таких системах используется единичный изолированный источник питания, который преобразует переменное напряжение в
промежуточное значение напряжения постоянного тока.
В зависимости от положения ключевого элемента неизолированные DC/DC конверторы отвечают одной из следующих топологий:
- с понижением выходного напряжения (в англ, обозначении - step-down или buck);
- с повышением   выходного напряжения (step-up или boost);
- с преобразованием напряжения в обратную полярность (inverting converter);
- с напряжением  низким  или высоким по отношению к входному напряжению (step-up/ step-down или buck-boost).
В качестве ключевых элементов широко используются полевые транзисторы различных типов (FET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).
2.1. Понижающий импульсный конвертор
 
 На рис.2 показана упрощенная схема DC/DC конверторов с понижением напряжения на выходе (англ, step-down или buck). Схема состоит из дросселя L, диода D на входе и конденсатора С на выходе. В качестве ключа используется транзистор, который управляется прямоугольными импульсами с регулированием от широтно-импульсного модулятора (ШИМ) (анл.- PWM) с частотой от 40 кГц до 1 МГц.
Рассмотрим работу упрощенной схемы. При замыкании ключа S про-
исходит заряд конденсатора С через дроссель L Однако возникающая э.д.с самоиндукция в дросселе L (на рис.2 протекание токов показано стрелками) ограничивает заряд конденсатора С. В этом случае конденсатор С дополнительно подзаряжается через диод D. Напряжение на конденсаторе С зависит от входного напряжения, причем это напряжение будет увеличиваться за счет увеличения длительности импульса, протекающего через ключ S, и уменьшения длительности импульса.
Напряжение на выходе транзистора ключа S является усредненным на выходе фильтра LC и доходит до нагрузки. Цикл работы происходит в два этапа; на первом - транзистор открыт - энергия приводит к нагрузке с одновременным увеличением энергии в магнитном поле дросселя. На втором этапе транзистор закрыт - энергия, запасенная в дросселе, передается на нагрузку через диод D.
В зависимости от значения индуктивности дросселя L DC/DC конверторы могут работать в двух режимах работы: с постоянным током в дросселе или переменным. Это зависит от работы транзистора ключа S. Первый режим задействуется при малых значениях индуктивности дросселя, когда транзистор пропускает незначительную энергию. Во втором режиме часть энергии посредством диода передается нагрузке. Энергия, запасенная в дросселе, снижается к нулю. При этом устройству можно задать краткий отрезок времени, необходимый для открытия транзистора: на выход подается энергия от конденсатора С.
При больших значениях индуктивности дросселя энергия увеличивается настолько, что в случае прерывания устройство не в состоянии передать энергию конденсатору.
2.2. Повышающий импульсный DC/DC конвертор
 
 На   рис.3   показана   упрощенная схема DC/DC конвертора с выходным   напряжением   большим   от входного    напряжения    (англ.   -step-up или   boost). Работа конвертора проходит в два этапа. На первом этапе транзистор ключа S открыт, что влечет за собой прохождение тока через дроссель L, в сердечнике которого энергия накапливается в виде магнитного поля. На втором этапе, когда транзистор ключа S закрыт, энергия магнитного поля сердечника дросселя L снижается, а в самом дросселе возникает е.д.с. самоиндукции, которая совмещается со входным напряжением и передается через диод D конденсатору С и нагрузке.
От времени заряда конденсатора будет зависеть выходное напряжение: чем большее время заряда, тем выше напряжение на выходе устройства. Ключ S в этом случае должен находиться в закрытом положении. Выходное напряжение ограничено и не может превышать входное более чем в два-три раза, так как скорость падения тока в дросселе ограничена емкостью и другими элементами схемы. Чем выше выходное напряжение, тем меньше время включения транзистора.
Для получения большой мощности на выходе устройства с высоким напряжением необходимо использовать дроссель с небольшой индуктивностью и использовать элементы, которые должны функционировать с большим рабочим напряжением. Такое положение ограничивает конструкторские разработки. Поэтому лучше использовать в устройствах трансформаторы.
2.3. Конвертор с изменением полярности входного и выходного напряжения
Иногда необходимо получить напряжение на выходе обратной полярности по отношению к входному. С этим справляются DC/DC конвертора, получившие название как инвертирующие стабилизаторы (англ. - inverting converter). Упрощенная схема такого DC/DC конвертора показана на рис.4.
 
 На схеме показан вариант преобразования положительного напряжения на входе устройства в отрицательное напряжение на выходе. Принцип работы такого DC/ DC конвертора заключается в следующем: при открывании транзистора в ключе S1 через дроссель D протекает возрастающий во времени ток (на рис.4 показано направление тока), а в сердечнике дросселя происходит накопление энергии разворачивающего магнитного поля. Далее, при запирании транзистора ключа S1 магнитное поле в дросселе сворачивается, и в дросселе возникает э.д.с. самоиндукции. В результате заряжается конденсатор С.
По сути, эта схема отличается от схемы на рис.3 полярностью диода, что влечет за собой и разную полярность входного и выходного напряжения.
2.4. Конвертор с любым выходным напряжением
Рассмотрим DC/DC конверторы, которые имеют как высокое, так и низкое напряжение на выходе (англ. - step-up/ step-down или buck- boost). Такие преобразователи имеют ситуацию, когда напряжение нагрузки близко к входному напряжению. Примером может служить любая схема, в которой напряжение на выходе создается Li-ионной батареей с напряжением в 3,3 В.
Такая батарея изначально имеет высокое напряжение, а со временем в процессе эксплуатации (или хранения) уменьшается ее напряжение. Учитывая порог напряжения имеет смысл преобразовать такое напряжение до 3,3 В на выходе DC/DC конвертора.
Такие конверторы с любым выходным напряжением имеют топологию Sepic и Cuka. На рис.5 показана упрощенная схема DC/DC конвертора Кука, в которой имеются два дросселя, два конденсатора.
 
Проанализируем поведение DC/ DC конвертора Кука в двух режимах: с включением транзистора и с отсутствием такового. В первом цикле конвертор Кука изображен схематически на рис.6, когда ток с возрастанием течет из источника питания в дросселе L1.
 
 Во втором цикле (см. рис.7)
 
 ключ включает процесс зарядки конденсатора С1 с использованием источника энергии, увеличенного запасенной энергией в дросселе. Заряд осуществляется через диод D. Последующее закрытие ключа заряжает конденсатор С1, подключенный к диоду, и продуцирует напряжение для классической схемы с целью снижения напряжения, полученного от конденсатора С1 и дросселя L2 с конденсатором С2. Конденсатор в DC/DC конверторе Кука является элементом, который в раннем цикле имеет напряжение выше входного напряжения, а в позднем - является средством входного напряжения для конвертора со сниженным напряжением.
Двухрежимное преобразование соответствует правильно подобранному значению индуктивности, что позволяет получить два разных выходных напряжения.
Нечто подобное демонстрирует DC/DC конвертор типа Sepic (англ. -Single Ended Primary Inductor Converter), упрощенная схема которого приведена на рис.8.
 
 Эта схема подобна к схеме, изображенной на рис.5 конвертора Кука, в котором заменены диод D и дроссель L2. Принцип работы этого конвертора подобный, но отличие в том, что обмотка дросселей L1 и L2 реализована на одном сердечнике, что снижает стоимость и экономит место на печатной плате.
Вместо диодов Шоттки лучше использовать транзистор типа MOSFET, который может синхронно контролироваться с помощью дополнительного сигнала от генератора. Таким образом, нормальная работа DC/DC конвертора типа Sepic при UBX >UBblx обеспечивается конденсатором С1 и дросселем L2. Однако, для нормальной работы конвертора необходимо, чтобы оба дросселя L1 и L2 имели одинаковую индуктивность.
3. DC/DC преобразователь с гальванической развязкой
В таких DC/DC конверторах используют импульсные трансформаторы с двумя и более обмотками, причем между входной и выходной цепью связь отсутствует. Импульсные трансформаторы имеют большую разность потенциалов между входом и выходом конвертора. Примером их применения может быть блок питания для импульсных фотовспышек с напряжением на выходе порядка 400 В.
Примеры использования таких топологий:
-  обратноходовые импульсные преобразователи (flyback converter);
прямоходовые   импульсные преобразователи (forward converter);
-  преобразователи с двухтактным выходом (push-pull);
-  преобразователи с полумостовым выходом (halfbridge converter);
-  преобразователи с мостовым выходом (full fbridge converter).
3.1. Обратноходовой импульсный преобразователь
Эти преобразователи наиболее известны и распространены в электронике. На рис. 9 приведена упрощенная схема обратноходового DC/ DC преобразователя (англ. - flyback converter). Первому такту работы такого преобразователя свойственно снятие напряжения с источника питания. Ключ заперт, вследствие чего ток проходит через первичную обмотку трансформатора и
накапливается в дросселе в виде магнитного поля. Диод в этом случае не пропускает ток во вторичной цепи трансформатора. При втором такте
работы ключ открыт, а напряжение самоиндукции поляризует диод в направлении проводимости.
 
В устройстве, показанном на рис.9, проходит фазировка обмоток трансформатора тогда, когда во время прямого хода при открытом ключе Т тока во вторичной цепи нет. Это вызывает накопление энергии в сердечнике трансформатора в виде разворачивающего магнитного поля. Когда наступает обратный ход при запирании ключа Т магнитное поле в сердечнике вызывает э.д.с. во вторичной цепи трансформатора, которая заряжает конденсатор С через диод. В старых конструкциях использовалась схема, показанная на рис.10,
 
 в которой полупроводниковые элементы были задействованы одновременно на такое время, когда использование их допускалось с низким значением допустимого напряжения. Простая конструкция с использованием импульсного трансформатора и одного транзистора получила распространение в радиолюбительской практике для получения преобразователей с мощностью не выше 100 Вт.
Обратноходовые импульсные преобразователи используются в диапазоне выходных мощностей от 30 до 250 Вт. Они являются недорогими многовыводными импульсными источниками питания из-за отсутствия дополнительных элементов индуктивности.
3.2. Прямоходовый импульсный преобразователь
Прямоходовые преобразователи (англ. - forward converter) имеют высокий коэффициент полезного действия (кпд), однако в радиолюбительской практике используются сравнительно редко. Кратко охарактеризуем их работу.
 
 На рис.11 представлена такая схема. Включение ключа приводит к подаче напряжения на первичную обмотку трансформатора и появление напряжения на вторичной обмотке. Во вторичной цепи возникает ток, проходящий через диод D1 и дроссель L, при этом конденсатор С заряжается. В это время диод D3 не проводит ток. Ток, проходящий через дроссель Ц возрастает и приводит к увеличению энергии магнитного поля в дросселе.
Отключение ключа вызывает исчезновение тока через диод D1. напряжение на дросселе L меняет знак, что приводит к протеканию тока через диод D2. Вследствие возникновения магнитного поля в дросселе L появляется напряжение на выходе. В первой части цикла ток, проходящий через дроссель, возрастает, во второй - постепенно пропадает. Благодаря этому энергия к нагрузке проходит более длительное время, чем в обратноходовых преобразователях.
Импульсные трансформаторы в прямоходовых преобразователях имеют большие размеры. Объясняется это их небольшой мощностью. При этом ток на выходе достаточно большой. Прямоходовые преобразователи часто используют радиолюбители. Они не дороги для радиолюбителей, позволяют задействовать небольшое количество элементов в схеме.
3.3. Преобразователь с двухтактным выходом
 
На рис.12 показана упрощенная схема преобразователя с двухтактным выходом (англ. - push-pull). Преобразователь состоит из двух ключей и имеет симметрическую структуру. В устройстве транзисторы поочередно подают напряжение на одну из первичных обмоток трансформатора Т1. Во вторичной обмотке трансформатора индуцируется напряжение, которое через диод D1, а далее в последующем цикле через диод D2, и дроссель L подается на выход преобразователя. В то время, когда ни один из транзисторов не проводит ток, накопленная энергия в дросселе L передается на выход преобразователя через диоды D1 и D2.
DC/DC преобразователи по своей конструкции имеют симметричные обмотки трансформаторов. Отсутствие этого условия приводит к перенасыщению энергии в обмотках и сбоям в работе элементов схемы. Последний недостаток уменьшает популярность в применении их в радиоэлектронике.
3.4. Преобразователь с полумостовым выходом
Эти DC/DC преобразователи являются наиболее популярными в конструировании электронных устройств.
 
 На рис.13 представлена упрощенная схема преобразователя с полумостовым выходом (англ. - halfbridge converter). Эти преобразователи наиболее популярны для конструкторского воплощения в жизнь подобных устройств. Они являются простыми, поскольку в таких трансформаторах нет необходимости использовать симметрические обмотки. Эти преобразователи могут работать с мощностью на выходе от 50 до 400 Вт. DC/DC преобразователи используются в почти во всех современных компьютерах.
Преобразователи с полумостовым выходом, как и преобразователи с двухтактным выходом являются регуляторами напряжения. Поскольку время пропускания и закрытия тока в обоих транзисторах одинаково, напряжение на нижнем конце первичной обмотки устанавливается с помощью конденсаторов С1 и С2 на уровне входного напряжения. Их переключение вызывает подачу на первичную обмотку половину входного напряжения и каждой части цикла обратную по знаку. Вторичная обмотка трансформатора имеет характерное для преобразователя однотактное соединение с дросселем и двумя диодами D1 и D2.
3.5. Преобразователь с мостовым выходом
 
Схема такого преобразователя с мостовым выходом (англ. -• full fbridge converter) представлена на рис.14. Вместо конденсаторов С1 и С2 установлены транзисторные ключи. Они позволяют коммутировать полные входные напряжения и этим самым на получение большей мощности на выходе конвертора. Транзисторы, которые являются основой DC/DC преобразователя, работают парами: Q1 и Q4, а далее Q2 и Q3.

Заключение
Статья, представленная нами, дает возможность ознакомиться с различными типами преобразователей с применением новых технологий. Компании, которые разработали на первый взгляд простые DC/ DC-преобразователи, предоставляют разработчикам возможность использовать простые решения при проектировании различных блоков питания.
РА 4'2011
Литература
Шинкаренко В. Блок питания с ШИМ-стабилиизатором. - Радио, 2001, №1-2.