Dc dc преобразователь что это

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.

DC/DC преобразователи напряжения

DC/DC преобразователи — это преобразователи постоянного тока. Они позволяют изменять постоянное напряжение. В качестве DC/DC преобразователей используются импульсные стабилизаторы или конвертеры напряжения.

При относительно небольшом изменении напряжения в качестве DC/DC преобразователя обычно применяются импульсные стабилизаторы. Следует отметить, что, в отличие от компенсационных стабилизаторов, импульсные стабилизаторы могут как понижать, так и повышать входное напряжение. Схема понижающего DC/DC преобразователя приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Упрощенная схема понижающего DC/DC преобразователя напряжения

В этой схеме понижение напряжения происходит за счет замыкания и размыкания ключа, в качестве которого обычно выступает полевой транзистор. Из-за того, что в момент протекания тока сопротивление ключа практически равно нулю, а в остальное время ключ заперт, теоретически КПД DC/DC преобразователя может достигать 100%.

Рассмотрим принцип работы понижающего DC/DC преобразователя. В первый момент времени силовой транзистор VT1 замыкается и ток начинает поступать на выход устройства. Так как в цепи протекания тока включен дроссель L1, то ток не может мгновенно нарасти до максимального значения, определяемого законом Ома. Ток постепенно нарастает, как это показано на рисунке 2, и напряжение на нагрузке стабилизатора Rн тоже нарастает. Как только оно достигает максимального заданного значения, схема управления закрывает ключ VT1. Но ток в индуктивности не может измениться мгновенно! Поэтому в схеме предусмотрен диод VD1, через который продолжает протекать ток. В результате дроссель L1 продолжает подавать ток в нагрузку, но он постепенно уменьшается, а, значит, уменьшается и напряжение на выходе преобразователя. Как только оно достигнет минимального заданного значения, схема управления снова замкнет транзистор VT1, и процесс снова повторится.


Рисунок 2. Временные диаграммы понижающего DC/DC преобразователя

Как видно из временных диаграмм, напряжение на выходе зависит от скважности импульсов тока, формируемых полевым транзистором VT1. Частота повторения импульсов зависит от внутреннего генератора и потребляемого тока. Зависимость выходного напряжения от скважности импульсов, формируемых схемой управления, приведена на рисунке 3.


Рисунок 3. Зависимость выходного напряжения от скважности импульсов тока

На этом рисунке SW обозначено напряжение на выходе ключа VT1, Vout — напряжение на выходе преобразователя. Чем выше будет минимальная частота, тем меньше габариты будет занимать LC фильтр на выходе DC/DC преобразователя, но при этом будет труднее обеспечить устойчивость цепи обратной связи. Частота среза LC фильтра определяется по классической формуле:

(1),

Для уверенного подавления пульсаций выходного напряжения рекомендуют выбирать частоту коммутации ключа на полевом транзисторе . Зависимость уровня пульсаций от частоты следования импульсов тока иллюстрирует рисунок 4.


Рисунок 4. Зависимость уровня пульсаций выходного напряжения от частоты следования импульсов тока

Как видно из этого рисунка, в последнем случае пульсации практически не видны на осциллографе.

Следует заметить, что в ряде случаев вместо диода VD1 используется второй полевой транзистор. Это может быть оправдано как с точки зрения технологии, так и с точки зрения более гибкой схемы управления коммутирующими ток ключами. Быстродействие современных МОП транзисторов соизмеримо с быстродействием pin диодов. Функциональная схема подобного понижающего DC/DC преобразователя приведена на рисунке 5.


Рисунок 5. Схема понижающего DC/DC преобразователя напряжения на полевых транзисторах

Сейчас для многих применений существуют микросхемы, в которых и силовой ключ, и транзистор, выполняющий роль диода VD1, размещены в самой микросхеме. В результате принципиальная схема DC/DC преобразователя значительно упрощается. Одновременно уменьшаются габариты устройства. В качестве примера можно назвать микросхему ST1S06 фирмы STMicroelectronics, позволяющую получить ток на выходе до 1,5 А. При этом размеры самой микросхемы составляют 3×3 мм. Схема DC/DC преобразователя на этой микросхеме приведена на рисунке 6.


Рисунок 6. Схема понижающего DC/DC преобразователя напряжения на ST1S06

В приведенной схеме приведено распространенное напряжение питания ядра цифровых микросхем. В ней напряжение на выходе задается соотношением резисторов R1 и R2. Вход Vinh позволяет выключить DC/DC преобразователь при необходимости (например, для экономии энергии устройства).

Для отладки преобразователя обычно используется отладочная плата. После получения необходимых параметров телекоммуникационного устройства участок печатной платы переносится на печатную плату разрабатываемого блока. Внешний вид отладочной платы DC/DC преобразователя на микросхеме ST1S06 приведен на рисунке 7.


Рисунок 7. Внешний вид отладочной платы DC/DC преобразователя на ST1S06

Сейчас широко распространены стандартные напряжения питания, такие как +5В или +3.3В, поэтому многие фирмы предлагают готовые модули, формирующие эти напряжения. Разработчику аппаратуры достаточно разместить подобный модуль на своей плате. В качестве примера можно показать модуль DC/DC преобразователя на рисунке 7


Рисунок 8. Внешний вид понижающего DC/DC преобразователя напряжения на 5 В

Существуют решения, которые позволяют просто заменить самые распространенные компенсационные стабилизаторы, такие как 7805. На рисунке 8 показан DC/DC преобразователь, на 5 вольт с КПД, достигающим 90%.


Рисунок 9. Внешний вид понижающего DC/DC преобразователя на 5 В

Подобные стабилизаторы напряжения можно использовать в телекоммуникационных устройствах не изменяя разводку печатной платы. Это во многих случаях может быть решающим фактором.

Дата последнего обновления файла 15.03.2020

Понравился материал? Поделись с друзьями!

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

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

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

Ситуацию спасают DC-DC преобразователи.

В силу схемотехнических особенностей они отличаются огромным разнообразием решений.

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

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

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

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

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

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

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

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

При его использовании надо помнить о двух моментах.

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

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

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

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

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

Точность установки напряжения — 0.1 В; имеется встроенный вольтметр.

Максимальная выходная мощность — 3 Вт.

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

Подробный обзор этого преобразователя — здесь.

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

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

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

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

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

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

Цена — около $4.5 с учётом доставки.

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

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

Преобразователь снабжен встроенным вольтметром с ценой деления 0.1 Вольт.

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

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

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

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

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

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

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

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

Цена — около $2.3 с учётом доставки.

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

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

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

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

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

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

Цена — около $8 с учетом доставки.

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

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

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

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

Регулировка напряжения выходов каналов — независимая.

Цена — около $9 с учетом доставки.

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

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

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

Производитель гарантирует электропрочность изоляции до 1500 В постоянного напряжения.

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

Цена — около $20 с учетом доставки.

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

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

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

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

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

Существуют, естественно, преобразователи и на другие напряжения.

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

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

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

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

Принцип работы и технические характеристики преобразователей напряжения DC-DC

Любым электроустройствам требуется для работы напряжение питания. Основная проблема заключается в том, что не всегда имеется в наличии источник электропитания с необходимыми параметрами. В цепях переменного тока данная задача решается путем использования трансформатора. При работе с постоянным напряжением требуется применение электронных устройств.

Импульсный источник питания

Линейные стабилизаторы имеют простую схемотехнику, но низкий КПД, особенно при большой разнице в значении напряжений, а также работают только как понижающие источники.

Понятие о преобразователях DC DC

Как следует из названия, данный тип устройств преобразует входное напряжение постоянного тока в такое же на выходе, но другого номинала. DC – английская аббревиатура, Direct Current – постоянный ток.

Поскольку для работы трансформатора принципиальным является наличие переменного напряжения, то в указанных преобразователях используется иной принцип. DCDC устройства представлены двумя основными типами:

  1. Инверторные, в которых вначале выполняется преобразование постоянного напряжения в переменное, высокой частоты, которое поступает на малогабаритный высокочастотный трансформатор.
  2. Импульсные, у которых основными элементами являются накопительный дроссель и конденсатор.

Строго говоря, все перечисленные устройства относятся к импульсным, но указанные различия позволяют отнести их к разным группам.

Характеристики

Основными характеристиками, важными потребителю, являются:

  • Диапазон напряжений на входе;
  • Уровень выходного напряжения;
  • Максимальный ток нагрузки;
  • Ток холостого хода;
  • КПД преобразователя;
  • Уровень пульсаций на выходе;
  • Уровень электромагнитных помех;
  • Гальваническая развязка входа и выхода.

Указанные параметры во многом зависят от конструктивных особенностей конструкции.

Внешний осмотр, элементная база

Первоначально dc dc преобразователи строились на дискретных аналоговых элементах. Схемы подобных устройств отличались высокой сложностью и были под силу только подготовленным специалистам.

По мере совершенствования элементной базы, в частности, с появлением специализированных интегральных микросхем, стало возможным создавать устройства с минимальным количеством деталей, к тому же не требующие настройки и регулировки.

Популярная микросхема ШИМ контроллера

Усложняя элементарную схему из технической документации на ИМС, можно существенно улучшить эксплуатационные показатели преобразователя. В частности, добавление мощного ключевого транзистора увеличивает максимальный ток нагрузки, в отличие от прямого включения ИМС.

Принцип работы импульсного преобразователя

Разработано несколько типов конструкций преобразователей, которые отличаются принципом работы:

  • step-down (buck converter) – устройства, способные понижать входное напряжение до заданного;
  • step-up (boost converter) – используются тогда, когда необходимо повысить напряжение на выходе относительно входного;
  • buck-boost converter – способен работать как на понижение, так и на повышение напряжения;
  • SEPIC (single-ended primary-inductor converter) – имеет аналогичные параметры, но работает по другому принципу;
  • inverting converter – основное назначение – инверсия полярности напряжения.

Практически все конструкции используют в работе свойство индуктивности к накоплению энергии. Цепь с катушкой индуктивности (дросселем) управляется ключом, роль которого выполняет быстродействующий транзистор. Различия в схемах заключаются во взаимном расположении дросселя, накопительной емкости и ключевого элемента.

Step-down

Схема содержит индуктивность, расположенную после ключевого элемента и включенную последовательно с нагрузкой. При открытом ключе через дроссель начинает протекать ток. Диод в это время закрыт. После закрытия ключа ток не прекращается мгновенно, а продолжает циркулировать в том же направлении, но уже через открытый диод.

В дальнейшем цикл работы повторяется. Емкость на выходе позволяет сглаживать пульсации выходного напряжения.

Step-up

Данный повышающий преобразователь напряжения также содержит дроссель, соединенный последовательно с нагрузкой, но располагается он до ключа. При открытом ключе через индуктивность течет ток, который линейно растет. После закрытия ключа ток продолжает идти уже через открытый диод в нагрузку. При этом напряжение на входе складывается с ЭДС самоиндукции дросселя.

Остальные схемы имеют аналогичную схемотехнику.

Во всех случаях диод блокирует нагрузку от ключа в необходимом месте цикла преобразования. Падение напряжения на диоде вызывает рассеивание дополнительной мощности, что снижает КПД устройства. Поэтому вместо обыкновенных диодов с падением около 0.7В используют быстродействующие диоды Шоттки, падение напряжения на которых составляет 0.4В.

Параметры импульсных преобразователей

Импульсные источники отличаются специфичными параметрами, в отличие от традиционных конструкций:

  1. Отрицательное входное сопротивление. При повышении входного напряжения ток потребления снижается. Вызвано это сокращением времени открытого состояния ключевого элемента.

Важно! По этой причине импульсные источники питания более надежно работают при повышенном напряжении на входе (в допустимых пределах).

  1. Импульсные помехи. Источником помех является ключ преобразователя, поскольку в момент коммутации возникают резкие броски тока. Для снижения помех требуется наличие фильтров не только на выходе, но и на входе устройства.
  2. Диапазон входного напряжения может быть довольно большим, поскольку состояние выхода находится в зависимости от времени нахождения ключа в открытом и закрытом состояниях.
  3. Вход и выход гальванически связаны. Этот факт накладывает особые требования по безопасности.

Широтно-импульсная модуляция

Регулировка выходных параметров осуществляется управлением длительностью открытого и закрытого состояния ключевого элемента. Наиболее распространен принцип широтно-импульсной модуляции.

Транзистор коммутируется высокочастотными импульсами постоянной частоты. Время открытия и закрытия определяется шириной импульсов. Следящая схема контролирует выходное напряжение, сравнивая его с опорным. Сигнал рассогласования поступает на модулятор, регулирующий параметры импульсов управления.

В современных конструкциях все эти функции возложены на специализированную интегральную микросхему, благодаря чему схемотехника импульсных блоков питания с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) отличается простотой и надежностью.

Преобразователь напряжения DС-DC с гальванической развязкой

Классическая схема DC-DC устройств отличается существенным недостатком, который заключается в гальванической связи входа и выхода. В связи с этим имеется высокая вероятность удара электрическим током.

Для повышения безопасности перечисленные выше схемы могут комплектоваться разделительным трансформатором, который осуществляет гальваническую развязку входных и выходных цепей.

Обратите внимание! Наличие трансформатора позволяет проектировать устройства с несколькими значениями выходного напряжения.

Разделительный трансформатор импульсных источников имеет небольшие габариты и массу, поскольку работает на высокой частоте.

Обратная связь для контроля за выходными параметрами осуществляется через дополнительную обмотку трансформатора либо через оптрон.

Повышающий преобразователь с разделительным трансформатором вместо дросселя называется обратноходовым (flyback converter).

Испытания

Испытания импульсных устройств производят во всем диапазоне входного напряжения при номинальной нагрузке на выходе. Измерениям подлежат такие параметры:

  • Значение выходного напряжения;
  • Стабилизация при изменении тока нагрузки;
  • Величина помех на входе и выходе.

Источники питания, собранные по типовым схемам на современной элементной базе, отличаются высокими эксплуатационными характеристиками, просты в сборке и настройке. Большой ассортимент ШИМ контроллеров позволяет собирать схемы с любыми параметрами в зависимости от требований.

Как работает VRM на материнской плате и видеокарте компьютера

Содержание

Содержание

Преобразователи напряжения используются везде и всюду. Будь то огромные многотонные трансформаторы на электроподстанциях, обычные 50-герцовые трансформаторы в домашней аппаратуре или сложные импульсные схемы с умными микроконтроллерами. Любой электроприбор имеет собственные требования к питанию, да и отдельные узлы в этом приборе тоже привередливы к значениям напряжений. Вопрос — почему? Из статьи вы узнаете, зачем вообще нужны преобразователи и как работает DC-DC регулятор напряжения VRM на материнских платах и видеокартах. А еще можно посмотреть материнские платы с мощными схемами питания в каталоге.

Никакого единства…

В розетке 220 вольт, у блока питания 12 вольт, у зарядки телефона 5 вольт. Может сложиться впечатление, что инженерам нравится играть с напряжением, сначала повышая его до миллионов вольт на линиях электропередач, а потом до единиц вольт для питания центрального процессора. Почему люди не придумали какое-то единое значение напряжения и не используют его везде?

Определенно, центральный процессор — да и вообще любой другой микрочип — питать высоким напряжением прямо из розетки нельзя. Двенадцать вольт после блока питания тоже не подойдут. Во-первых, на микроскопическом уровне даже лишние пара десятых вольта могут привести к утечкам тока и повлиять на стабильность схемы. Во-вторых, чем выше напряжение, тем большее энергии расходуется на работу процессора. Поэтому с уменьшением техпроцесса разработчики стараются снизить и рабочий вольтаж. Когда-то процессоры, например, древний Intel 8086 выпуска 70-х годов, питались от 5 вольт, а современные работают всего от 1-1,4 вольта.

Блоки питания с напряжением 1 вольт на выходе — тоже не вариант, так как сила тока будет чрезмерно высокой — от нескольких десятков до сотен ампер. Ведь, снижая напряжение, растет сила тока при той же мощности. Вычислить силу тока можно, поделив мощность на напряжение.

Большая сила тока вставляет палки в колеса при подборе проводников из-за их сопротивления. Сопротивление — эффект, когда структура проводника мешает беспрепятственному протеканию тока по нему. Заряженные частицы врезаются на полной скорости в атомы проводника, чем и вызывают сопутствующий нагрев, а сами частицы теряют энергию. Это как бег с препятствиями. Вы тоже потеряете энергию, если во время бега по густому лесу будете влетать в деревья.

Сопротивление любого провода не нулевое, причем оно увеличивается с ростом его длины. Толщина провода также влияет на сопротивление. Поэтому, чтобы передать большую мощность при низком значении напряжения и высокой силе тока, придется использовать довольно толстые провода.

К примеру, напряжение на ЛЭП специально увеличивают до сотен тысяч вольт после электростанции, чтобы передавать мегаватты электрической мощности на значительные расстояния с помощью относительно тонких проводов.

И последнее. У любой электроники свое значение рабочего напряжения, а у процессора оно еще и регулируется в зависимости от нагрузки и условий работы. Так что договориться и сделать единую энергосистему с одинаковым значением напряжения попросту нереально.

Нет, без преобразователей ну никак не обойтись.

Устройство DC-DC преобразователя

Для питания микроэлектроники от постоянного напряжения используются DC-DC преобразователи, основанные на принципах широтно-импульсной модуляции — ШИМ. Их еще называют регуляторами напряжения — VRM.

Как это работает? Возьмите обычный вентилятор. Что будет, если вы его включите? Правильно, он будет дуть с одинаковой силой.

Что произойдет, если с равной периодичностью дергать рубильник — включать вентилятор всего на полсекунды, а на следующие полсекунды выключать? Двигатель вентилятора не может мгновенно набрать максимальную скорость вращения, поэтому за такой небольшой промежуток времени он как следует не разгонится. Но и остановиться за то же время он не успеет, так как продолжит крутиться по инерции. Так что вентилятор продолжит дуть, но с гораздо меньшей мощностью. Попробуйте поэкспериментировать со своим домашним вентилятором.

Выходит, если включать и выключать питание вентилятора, то вместо постоянного напряжения мы получим прерывистые импульсы той же амплитуды.

Так и работает простейший ШИМ-регулятор. Но вместо человека с выключателем используется транзистор — он то открывается на некоторое время (ВКЛ), то закрывается (ВЫКЛ). Только делает это с частотой не два раза в секунду (2 Гц), а десятки тысяч раз (10 кГц). Вы так точно не сможете. Такой транзистор называется «ключевым».

Кто-то может возмутиться: «Но, погодите, нам нужно получить напряжение в 1 вольт, а тут хоть и прерывистые, но те же 12 вольт, что и на входе! Кажется, нас обманывают!»

Действительно, таким образом питать процессор по-прежнему нельзя. Так что к ключевому транзистору (VT1) понадобятся еще несколько элементов: катушка индуктивности (L), конденсатор (C) и синхронный транзистор (VT2). Катушка и конденсатор образуют LC-фильтр.

Технически можно разделить цикл преобразования на две стадии: накачка энергии в катушку с конденсатором и стадию разряда.

Первая стадия — накачиваем энергию

Когда транзистор VT1 открыт, его собрат — синхронный транзистор VT2 — закрыт. В катушке L накапливается энергия, плавно нарастает ток и заряжается конденсатор C.

Вторая стадия — стадия разряда

Транзистор VT1 закрывается, открывается синхронный VT2 — он нужен, чтобы соединить вход катушки с отрицательным выводом нагрузки, создавая замкнутую цепь питания. Пусть мы и разорвали на этот краткий миг связь с источником питания, но катушка никуда не делась. Накопленная в катушке энергия теперь играет роль источника питания и поддерживает силу и направление тока, а конденсатор разряжается и питает нагрузку.

Затем транзистор VT1 снова открывается, а VT2 закрывается, и цикл начинается заново. Причем для наибольшей эффективности циклы повторяются с довольно высокой частотой — у современных компьютерных комплектующих миллионы раз в секунду (измеряется в мегагерцах, МГц).

Благодаря этому процессу мы получаем постоянное напряжение на нагрузке ниже, чем входное до ключевого транзистора. Импульсы как бы сглаживаются, образую близкую к прямой линию напряжения.

То, что линия напряжения не совсем прямая — это нормально. В реальных условиях идеальных LC-фильтров не бывает, и всегда присутствуют небольшие пульсации напряжения. И главное, подобрать параметры катушки и конденсатора таким образом, чтобы они не успевали разрядиться полностью к концу цикла. Тогда ток становится неразрывным.

К слову, ток на всей цепи примерно равен. А так как синхронный транзистор VT2 открыт несоизмеримо дольше — работать ему приходиться, что называется, за троих.

Как настраивается преобразователь

Уровень напряжения на нагрузке будет зависеть от длительности первой и второй стадий в рамках одного цикла. Ведь чем дольше открыт транзистор VT1, тем больше энергии успевает накопить катушка и тем выше будет по итогу напряжение после LC-фильтра.

Если мы поделим время первой стадии на длительность полного цикла, то получим коэффициент заполнения (D) от 0 до 100 %.

Чтобы узнать выходное напряжение (U out), нужно коэффициент заполнения умножить на входное напряжение (U in).

А чтобы узнать коэффициент заполнения, делим U out на U in.

Простой пример: чтобы получить типичное для центрального процессора напряжение в 1,2 вольта, то, поделив на входные 12 вольт (напряжение на выходе блока питания), получим D=0,1.

1,2 / 12 = 0,1 * 100 % = 10 %

Это значит, что первая стадия (накачки энергии) займет всего 10 % времени от общей длительности цикла, а оставшиеся 90 % времени уйдут на стадию разряда.

Когда одной фазы недостаточно

В мощных преобразователях часто используется не один канал с парой транзисторов, одной катушкой и одним конденсатором, а несколько параллельно подключенных каналов.

Как мы уже выяснили, любой проводник имеет ненулевое сопротивление и нагревается. Транзистор в ключевом режиме — тоже проводник, как обычный выключатель. И сопротивление (Rds) между его входом и выходом (сток-исток) не равно нулю. Значит, чем выше ток, тем сложнее будет электронам пробиться через него, что приведет к потерям энергии и нагреву. Чтобы минимизировать этот эффект и применяются несколько фаз — нагрузка распределяется между ними поровну.

Еще один интересный способ повысить эффективность: синхронный транзистор VT2 открыт примерно в семь-восемь раз дольше чем VT1, поэтому VT2 часто дублируют и стараются подобрать более продвинутую и дорогую модель с низким Rds.

Но это еще не все. Такие каналы не просто так называют «фазами». Процесс переключения транзисторов в разных каналах происходит не одновременно, а с небольшим сдвигом по фазе.

На выходе после LC-фильтров все фазы объединяются в одну, и амплитуда пульсаций становится значительно ниже, чем было бы у каждой фазы в отдельности.

Так что даже несколько десятков каналов в преобразователе на материнской плате неправильно называть «избытком». Ведь это не только меньшие потери, но и лучшее качество напряжения. Меньше пульсаций напряжения — меньше выбросов во внутренние узлы процессора — выше стабильность всей схемы, особенно при разгоне.

Те же принципы справедливы и для графического чипа видеокарты, процессора смартфона и любой другой «тонкой» электроники. Но в этом случае разработчики уже за нас рассчитали потребляемую мощность и количество необходимых узлов. А вот при выборе материнской платы пользователь должен сам определить, что ему нужно, учесть потребляемую мощность процессора. Тем более, если в планах серьезный разгон.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий