Ваш город: Красноярск
8-800-777-87-26
Бесплатно по РФ Заказать звонок
430-493-239

Принцип работы понижающего DC/DC преобразователя, схемы подключения

08.10.2011

Мощный понижающий преобразователь напряжения DC/DC, схема которого включает высокочастотный транзистор, входной и выходной L-C фильтры, силовой трансформатор, микросхему управления, представляет собой импульсный конвертер, преобразующий постоянное напряжение большего значения в постоянное напряжение меньшего значения. Современные устройства дополнительно выполняют стабилизацию характеристик, снижают уровень пульсаций, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных электроцепей. Некоторые модели могут регулировать напряжение на нагрузке, выдавать отрицательное напряжение, что выгодно выделяет их на фоне обычных линейных регуляторов.

Понижающие преобразователи напряжения применяются в следующих сферах:

  • батарейные зарядные устройства;
  • мультимедийные проигрыватели, компьютерные игровые консоли;
  • распределенные систем электропитания;
  • мониторы и телевизоры.

Основным элементом устройств является силовой ключ, в роли которого выступает биполярный, MOSFET или IGBT транзистор. Он может находиться в двух положениях — открытом и закрытом. В первом состоянии ток протекает через ключ, во втором — нет. Таким образом, принцип работы понижающего DC/DC преобразователя заключается в следующем:

  1. Когда транзистор открыт, электроток от источника питания протекает по контуру ключ-индуктивность-нагрузка. При этом происходит нарастание тока от минимального до максимального значения. Энергия от источника передается в нагрузку, параллельно накапливается в катушке индуктивности и конденсаторе. Происходит так называемая фаза накачки.
  2. При закрытии ключа, катушка отдает накопленную энергию нагрузке — наступает фаза разряда. Ток через транзистор не протекает, а течет по контуру индуктивность-диод-нагрузка. Диод необходим для протекания обратного электротока. В некоторых схемах вместо него используется MOSFET транзистор. Это решение позволяет повысить КПД системы. Такая схема ДС/ДС понижающего преобразователя называется синхронной.
  3. Управление временем открытия и закрытия ключа осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции. Отношение времени импульса к общему времени цикла (импульс + пауза) называется коэффициентом заполнения. Изменяя его, можно регулировать величину выходного напряжения.

Рассмотрим пример расчета модуля конвертера с ШИМ-управлением, неизменной частотой коммутации и непрерывным током, протекающим через катушку. В качестве исходных данных используются величины входного (Uвх) и выходного напряжения (Uвых), максимального выходного тока (Iмах) и частоты коммутации (N). Рассчитаем катушку индуктивности по формуле:

L = (Uвх — Uвых)* Uвых/ Uвх (мах)*1/N*1/LIR*Iмах, где LIR — это коэффициент пульсации, который определяется соотношением размаха токовых пульсаций в катушке к выходному электротоку конвертера.

Если принять Uвх = 7...24 В, Uвых = 2 В, Iмах = 7 А, N = 300 кГц, размах пульсаций = 300 мА, то получим L = 2,91 мкГн.

Пиковый ток катушки индуктивности вычисляем по формуле:

Iпик = Iмах + (LIR* Iмах)/2 = 8,05 А.

Выбор выходного конденсатора выполняется таким образом, чтобы величина пульсаций напряжения на выходе преобразователя и амплитуда выбросов при резком изменении тока нагрузки находились в заданных пределах. При подборе диода необходимо ориентироваться на рассеиваемую им мощность. Максимальный прямой ток диода не должен достигать наибольшего выходного тока конвертера. Для максимального снижения потерь и повышения устойчивости работы устройства важно правильно разместить компоненты преобразователя и выполнить грамотную трассировку печатной платы. Вот несколько общих рекомендаций:

  • нужно уменьшить длину общего и других проводников с большими токами. Длина проводников, который подключены к транзистору, диоду и катушке должна быть минимальной;
  • проводники питающей цепи должны быть короткими и широкими;
  • проводники в измеряющих цепях необходимо размещать подальше от коммутационных элементов.

Рассмотрим особенности подключения мощного понижающего преобразователя напряжения DC/DC, схема которого включает гальваническую развязку. Подобные устройства выполнены обычно в корпусах, рассчитанных на установку в 19-дюймовые стойки или шкафы. Подключение осуществляется в такой последовательности:

  1. Подсоединяем нагрузку к клеммнику с помощью медного кабеля подходящего сечения.
  2. Подключает к клеммнику сеть питания. Кабель должен быть обесточенным и иметь рекомендуемое производителем конвертера сечение. Важно соблюдать полярность соединения.
  3. При необходимости подсоединяем линию внешней сигнализации, сообщающей об аварийном состоянии преобразователя.
  4. Выполняем тест работы конвертера. Проверяем наличие и величину выходного напряжения.

При установке конвертера важно, чтобы не перекрывались вентиляционные отверстия на панелях устройства. Для эффективного охлаждения внутренних компонентов рекомендуется регулярно проводить замену вентиляторов. Следует учесть, что многие модели допускают параллельную работу нескольких преобразователей для питания общей нагрузки, а также рассчитаны на работу на холостом ходу.

При выборе импульсного понижающего преобразователя ключевыми параметрами являются:

  • диапазон входного напряжения;
  • выходное напряжение. Оно может быть фиксированным или регулируемым. Диапазон регулировки ограничен минимальной и максимальной длительностью импульса;
  • максимальный выходной ток. Он зависит от наибольшей допустимой рассеиваемой мощности, сопротивления силовых ключей и других факторов;
  • частота работы конвертера. Чем она выше, тем проще выполнять фильтрацию выходных параметров и бороться с помехами. В то же время, возрастание частоты приводит к увеличению потерь на переключение транзистора;
  • коэффициент полезного действия.

В статье были рассмотрены основные схемы ДС/ДС понижающего преобразователя, представлены рекомендации по выбору и подключению устройств.

Читайте также
Источники бесперебойного питания — не защита от помех!
08.02.2013
Источники бесперебойного питания — не защита от помех!
Типичной ошибкой подавляющего большинства пользователей является устан...
Как правильно выбрать ИБП постоянного тока
24.07.2017
Как правильно выбрать ИБП постоянного тока
В статье рассмотрены особенности применения источников бесперебойного ...
Как работает преобразователь напряжения? Виды, мощность, схемы
11.10.2011
Как работает преобразователь напряжения? Виды, мощность, схемы
В этой статье рассматриваются электросхемы преобразователей напря...
Индикаторы емкости свинцовых аккумуляторов «Кулон» - вопросы и ответы (диалог со скептиком)
22.10.2014
Индикаторы емкости свинцовых аккумуляторов «Кулон» - вопросы и ответы (диалог со скептиком)
В статье даны ответы на наиболее часто возникающие вопросы о применени...
Грозозащитные разрядники
17.11.2011
Грозозащитные разрядники
Сравнение конструкций разрядников различных производителей.
Обзор реле контроля изоляции «Форпост»
13.03.2019
Обзор реле контроля изоляции «Форпост»
В статье рассмотрена специфика применения реле контроля изоляции «Форп...
Проектирование распределительных сетей объектов с учетом особенностей однофазных нелинейных нагрузок
27.07.2014
Проектирование распределительных сетей объектов с учетом особенностей однофазных нелинейных нагрузок
Расширяющиеся масштабы внедрения однофазных потребителей с нелинейным ...
Безопасность при работе со стабилизаторами напряжения: ключевые правила
11.09.2023
Безопасность при работе со стабилизаторами напряжения: ключевые правила
Стабилизаторы напряжения являются неотъемлемым элементом многих электр...

Ваш или ближайший к вам город
Москва
Да, все верно
Выбрать другой
Ваш или ближайший к вам город