TNEWS... статьи из мира инноваций и телекоммуникаций

Принцип работы и разновидности DC-DС преобразователей

Все о DC/DC преобразователях

Преобразователи питания DC/DC широко применяются в различных электронных приборах, вычислительной технике, устройствах телекоммуникации, автоматизированных системах управления (АСУ), мобильных устройствах и т.д.
DC/DC преобразователи применяются для изменения выходного напряжения как в большую, так и в меньшую сторону, относительно напряжения на входе.

Типы DC DC преобразователей

Сегодня на рынке существует различные типы DC/DC конвертеров, которые используются потребителями.

  1. DC/DC преобразователи без индуктивности.

Для питания маломощных нагрузок выгодно использовать преобразователи на коммутируемых конденсаторах. Использование таких устройств не требует наличия дорогих моточных компонентов, поэтому они позволяют создать дешевые и компактные модули питания. Подобные преобразователи могут быть как с фиксированным напряжением, так регулируемые.

  1. DC/DС преобразователи с индуктивностью.

Большой популярностью пользуются преобразователи без гальванической развязки между входом и выходом. В данном конвертере находится единичный изолированный источник питания. В зависимости от положения ключа, напряжение может повышаться, понижаться или инвертироваться в напряжение с обратной полярностью. Ключевыми элементами часто выступают биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и полевые транзисторы разного типа (FET).

Среди конвертеров с индуктивностью можно встретить следующие типы:

  • Понижающий импульсный преобразователь. В роли ключа выступает транзистор, управляемый с помощью широтно-импульсного модулятора.
  • Повышающий импульсный DC-DC преобразователь. Его особенности мы рассмотрим ниже.
  • Преобразователь с регулируемым выходным напряжением. Такие устройства позволяют получить как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе. Зачем это нужно? Например, для использования в устройствах, где напряжение задается Li-ионной батареей. Со временем, когда батарея ослабевает, её напряжение уменьшается, но использование такого преобразователя позволяет всегда поддерживать заданное значение на выходе.
  • 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.

В таких преобразователях применяются импульсные трансформаторы с несколькими обмотками, благодаря чему отсутствует связь между входной и выходной цепями.
Для таких устройств характерна большая разница потенциалов между входным и выходным напряжением. Например, они используются в блоках питания импульсных фотовспышек, которые имеют на выходное напряжение близко 400В.

Принцип работы DC-DC преобразователя

Итак, у нас есть 5 вольт из которых нам необходимо получить большее напряжение. Существует несколько вариантов для достижения цели. Например, параллельно заряжать конденсаторы, а потом последовательно их переключать. Причем делать это надо очень быстро, по несколько раз в секунду. Конечно, на практике это нереально, поэтому существуют специальные DC/DC преобразователи для решения этой задачи.

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

Этап 1 – Разгон турбины.
Для начала нам необходимо разогнать турбину. Для этого открывается заслонка, и вода быстро сливается, передавая часть своей энергии турбине, благодаря чему последняя начинает раскручиваться.

DC DC преобразователи

Этап 2 – Заполнение емкости-накопителя давления.

Заслонка закрывается. Порция воды, толкаемая раскрученной турбиной-маховиком, приоткрывает клапан и наполняет емкость-накопитель. Другая часть воды направляется к потребителю, только уже с повышенным давлением от емкости-накопителя. При этом клапан препятствует обратному ходу воды.

Как работает DC-DС преобразователь 1

Этап 3 – Получение энергии из емкости-накопителя давления и разгон турбины.

Скорость турбины начинает падать. Вода уже не может продавливать клапан, а энергии в емкости- накопителе накоплено достаточно. Затем, заслонка открывается снова, и вода начинает быстро раскручивать турбину. Поток энергии к потребителю, в это время, не прекращается, так как он получает её из емкости-накопителя.

Как работает DC-DС преобразователь 2

Дальше цикл повторяется.

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

Вместо турбины у нас есть индуктивный дроссель. Транзистор применяется вместо заслонки, которая управляет потоком воды. Роль клапана выполняет диод, а конденсатор является емкостю-накопителем давления.

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

Этап 1 – Накопление заряда индуктивностью.

Ключ замкнут. Индуктивность, получая ток от источника, накапливает энергию.

Как работает DC-DС преобразователь 3

Этап 2 – Передача энергии в конденсатор.

Ключ размыкается, при этом катушка удерживает накопленную энергию в магнитном поле. Ток старается остаться на том же уровне, но дополнительная энергия из индуктивности подымает напряжение, тем самым открывая путь через диод. Часть энергии попадает к потребителю, а остальная накапливается в конденсаторе.

Как работает DC-DС преобразователь 4

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

Затем ключ замыкается, и энергия снова начинает накапливаться в катушке. Потребитель, в это время, получает энергию из конденсатора.

Как работает DC-DС преобразователь 5