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 R_н 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 f_SW ≈ 50 × f_LC. 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 умеьшаются 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 V_inh 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

1. Андрей Никитин Ключ внутри: импульсные понижающие DC/DC от STMicroelectronics url: https://compel.ru/lib/53974
2. Борис Аладышкин DC-DC преобразователи url:http://electrik.info
3. Buck Converter Basics url:https://www.ti.com/
4. TIDA-BIDIR-400-12 Bidirectional DC-DC Converter url:https://www.ti.com/
5. Ying Cheng, Zhongming Ye Tiny, High Efficiency Monolithic Regulators Power Advanced SoCs and Microprocessors Feature Silent Switcher 2 Technology for Low EMI url:https://www.analog.com
6. ST1S06xx Synchronous rectification with inhibit, 1.5 A, 1.5 MHz fixed or adjustable, step-down switching regulator url: https://www.st.com

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 88 научных и научно-методических работ, в том числе 18 книг.