Принцип работы и разновидности DC-DС преобразователей

Все о DC/DC преобразователях

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 накачивании 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 изолированный источник питания, который производит постоянный ток из переменного напряжения. В зависимости от положения ключа, напряжение может подниматься, понижаться, преобразовать напряжение в обратную полярность. Ключевыми элементами часто выступают биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и  полевые транзисторы разного типа (FET),

Среди конвертеров 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, который изменяет полярность напряжения.
  • Преобразователь с любым выходным напряжением. Они способны производить как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе. Зачем они нужны? Например, для использования в схемах, где напряжение задается Li-ионной батареей. Они имеют напряжение 3,3 В. Со временем эксплуатации ее напряжение уменьшается, и поэтому есть смысл преобразовывать его до 3,3 на выходе. Примером такого является Buck-boost 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 развязкой.

Используются импульсные трансформаторы, которые 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. В принципе, 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. Конечно, на практике это нереально, поэтому существуют специальные DC DC преобразователи повышающие ток.

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

Этап 1 – Разгон турбины.

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 – Заполнение аккумулятора давления.

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.

Как работает DC-DС преобразователь 1

Этап 3 – Получение энергии из аккумулятора давления и разгон турбины.

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 начинает со всех сил бежать в никуда, а турбина раскручивается. В то же время потребитель получает энергию из аккумулятора, поэтому ничего не замечает.

Как работает DC-DС преобразователь 2

И далее все повторяется.

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

Вместо турбины у нас есть индуктивный дроссель. 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 – Накопление заряда индуктивностью.

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

Как работает DC-DС преобразователь 3

Этап 2 – Передача энергии в конденсатор.

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 4

Этап 3 – Накопление энергии в индуктивности и передача заряда потребителю.

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

Как работает DC-DС преобразователь 5