Принцип работы и разновидности DC-DС преобразователей

DС-DС преобразователи питания получили широкое распространение в электронной и вычислительной технике, АСУ, телекоммуникациях и т.д.

DC-DC преобразователь используется для того, чтобы на выходе получить напряжение не такое, как на входе. Оно может быть выше изначального, или ниже.

Типы DC DC преобразователей

Сегодня на рынке существует очень много различных dc dc конвертеров, которые часто используются потребителями.

  1. DC/DC преобразователи без индуктивности.

Они являются конденсаторными усилителями напряжения.  Основа их лежит в наканчивании энергии. Такие преобразователи могут уменьшить, увеличить или оставить точно таким же напряжение, которое было на входе. Они используются для различных усилителей, датчиков напряжения, интерфейсов, в которых необходимо отрицательное напряжение.

  1. DC/DС преобразователи с индуктивностью.

Очень большую популярность имеют те, у которых нет гальванической развязки между входом и выходом. В данном конвертере находится единичный изолированый источник питания, который производит постоянный ток из переменного напряжения. В зависимости от положения ключа, напряжение может подниматься, понижаться, преобразововать напряжение в обратную полярность. Ключевыми элементами часто выступают биполярные транзисторы с изолированым затвором (IGBT) и  полевые транзисторы разного типа (FET),

Среди конверторов с индуктивностью можно встретить следующие:

  • Понижающий импульсный преобразователь. В роли ключа выступает транзистор, которым управляют прямоугольные импульсы, регулируемые широтно-импульсным модулятором.

  • Повышающий импульсный DC-DC преобразователь. Его особенности мы рассмотрим ниже.

  • Преобразователь с изменением полярности входного и выходного напряжения. Такого типа устройства принято называть инвертирующими стабилизаторами. На входе мы имеем положительное напряжение, а на выходе оно становится отрицательным. Суть заключается в полярности диода, котрый изменяет полярнгость напряжения.

  • Преобразователь с любым выходным напряжением. Они способны производить как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе. Зачем они нужны? Например, для использоватния св схемах, где напряжение задается Li-ионной батареей. Они имеют напряжение 3.3В. Со временем эксплуатации ее напряжение уменьшается, и поэтому есть смысл преобразовывать его до 3,3 на выходе. Примером такого является boost-buck DC DC преобразователь от Террател.

Buck-boost DC-DC конвертер вход 35В-160В, выход 48В-24В. Структурная схема

Составные узлы DC-DC преобразователя

  1. DC/DC преобразователь с гальванической розвязкой.

Используются импульсные трансформаторы, котрые имеют 2 и более обмотки. При этом между входной и выходной цепью отсутствует связь.

У таких трансформаторов разность потенциалов между входом и выходом очень большая.  Они используются для блока питания импульсных фотовспышек, которые на выходе имеют напряжение около 400В.

Принцип работы DC-DC преобразователя

И так, у нас есть 5 вольт, а из них необходимо сделать больше. Впринципе, есть несколько вариантов, как этого достичь. например, параллельно заряжать конденсаторы, а потом последовательно их переключать. При чем делать это надо очень быстро, по несколько раз в секунду. Конечн, на практике это нереально, поэтому муществуют сепециальные DC DC преобразователи повышающие ток.

Чтобы понять, как работает этот конвертер, представим себя сантехниками.

Этап 1.

Нам необходимо разогнать турбину. Для этого открывается заслонка и вода просто сливается, передавая часть своей энергии турбине, из-за чего последняя начинает раскручиваться.

DC DC преобразователи

Этап 2.

Заслонка закрывается. Но воде деваться некуда, она уже разогналась, турбина раскрутилась. Вода так резко остановиться не может,и  поэтому через клапан часть воды попадает в аккумулятор давления.  А остальная направляется к потребителю, только уже с повышенным давлением, до которого самостоятельно она бы не развилась. Клапан же препятствует тому, чтобы вода не вернулась назад.

dc dc converter

 Этап 3.

Скорость турбины начинает падать. Вода уже не может продавливать клапан, а энергии в аккумуляторе накопилось достаточно. Чтобы все не остановилось, заслонку открывается опять и вода снова начинвает со всех сил бежать вникуда, а турбина раскручивается. В то же время потребитель получает энергию из аккумулятора, поэтому ничего не замечает.

dc dc converter

И далее все повторяется.

Что ж, принцип понятен. Теперь перейдем от сантехники к электронике.

Вместо турбины у нас есть индуктивный дросель. Транзистор применяется вместо заслонки, которая регулировала поток воды. Роль клапана выполняет диод, а конденсатор является тем самым аккумулятором давления.

Вот так и выглядит DC DC преобразователь.  Как он работает? Все аналогично.

Этап 1.

Ключ замкнут. Источник подает ток и он передается на катушку, из-за чего она набирается энергии.

Как DC DC преобразователь работает

Этап 2.  

Ключ размыкается, но катушка уже запасла энергию в магнитном поле. Ток старается остаться на том же уровне, но дополнительная энергия из катушки выскакивает наружу и напряжение резко подскакивает, чтобы пробить диод и пойти дальше. Так образуется из 5 вольт 12.  Часть энергии попадает к потребителю, а остальная набивается в конденсатор.

 Как работает DC-DС преобразователь

Этап 3.

Ключ опять замыкается и энергия снова начинает набиваться в катушку. Потребитель же пока берет энергию из конденсатора.

dc dc converter

Такой вот принцип работы преобразователя повыщающего энергию.