Преобразователи постоянного напряжения: функции, принцип работы, распространенные типы, применения и трудности

Преобразователи напряжения – это электромеханические или чисто электронные устройства, применяющиеся для изменения уровня напряжения или силы постоянного тока в цепи. В большинстве устройств используется только один источник питания. Однако если для правильной работы различным схемам в устройстве требуется разное напряжение, то входное напряжение необходимо понизить или повысить до соответствующего уровня. Сделать это можно с помощью преобразователей. Кроме того, они стабилизируют напряжение, не позволяя ему падать или возрастать слишком сильно, а также сглаживают выбросы или провалы напряжения при включении и отключении мощной нагрузки в питающей сети. Например, помимо прочего, автомобильные DC-DC преобразователи нужны, чтобы стабилизировать колебания напряжения бортовой сети из-за неравномерной работы генератора.

Преобразователи помогают правильно распределять энергию и управлять ею, обеспечивая каждого потребителя питания подходящим уровнем напряжения или тока. Они также защищают чувствительные к перегрузкам подсистемы. Наконец, в портативных устройствах с их помощью можно повысить напряжение, когда батарея частично разряжена, что повышает эффективность энергопотребления. Такие преобразователи можно найти во множестве электронных устройств. Согласно отчету EMR Global DC-DC Converter Market, более половины преобразователей напряжения используется в смартфонах, но применяются они и в других изделиях – от потребительской электроники и телекоммуникационных устройств до промышленного и медицинского оборудования, систем промышленной автоматизации, транспорта, робототехники, силовой электроники и т.д. Как разработчики электроники мы тоже активно используем различные преобразователи постоянного напряжения при проектировании силовой электроники, аппаратного обеспечения и робототехники.

Линейные преобразователи понижают выходное напряжение с помощью резистивной нагрузки. В типовой схеме таких устройств вход и выход соединены транзистором (RVT1 на рисунке ниже). Входное напряжение уменьшается на значение напряжения на транзисторе, что приводит к падению выходного напряжения.

Такие микросхемы довольно просты и дешевы, но имеют ряд серьезных недостатков. Так, с их помощью можно только понижать напряжение. Кроме того, их эффективность снижается по мере увеличения разницы между входным и выходным напряжением. Если устройство питается от сети, то потери на преобразование (КПД устройства) иногда не так важны. С другой стороны, эта неиспользованная энергия рассеивается в виде тепла, и такие преобразователи легко перегреваются, если входное и выходное напряжения сильно отличаются.

Тем не менее линейные преобразователи напряжения широко используются в маломощных устройствах и узлах, требующих высокого качества и низкого уровня пульсаций выходного напряжения, или в устройствах, чувствительных к электромагнитным помехам. Такие преобразователи просты, требуют мало компонентов и не занимают много места (если только не возникает необходимость поставить радиатор охлаждения). Линейные преобразователи обычно применяются в аудио- и видеоэлектронике, коммуникационном оборудовании, медицинских и измерительных приборах.

В импульсных преобразователях используется коммутационный элемент (обычно электронный ключ), через который накопительный конденсатор заряжается электрическими импульсами. Это напряжение затем сглаживается конденсатором и подается на нагрузку. Уровень выходного напряжения определяется коэффициентом заполнения (или скважностью) импульсов, подаваемых на коммутационный элемент.

Их эффективность значительно выше по сравнению с линейными преобразователями и может достигать 85-90%. Именно поэтому они часто применяются в устройствах на батарейном питании. Будучи более эффективными, они генерируют меньше тепла, а также могут как понижать, так и повышать выходное напряжение. Поэтому их используют в ситуациях, когда нельзя поставить линейные преобразователи. С другой стороны, DC-DC преобразователи генерируют больше электромагнитных шумов и требуют больше компонентов, из-за чего они стоят дороже.

В одном из наших проектов нам нужно было запитать ряд микросхем в устройстве с несколькими радиопередатчиками. Им требовалось 5В, а входное напряжение составляло 12В. Ожидалось, что максимальная сила тока составит 2А. В этом случае было бы непрактично использовать линейный преобразователь, т.к. более половины энергии рассеивалось бы в виде тепла (до 14Вт при полной мощности). Монтаж радиатора охлаждения также не был возможен, поскольку корпус был слишком маленьким (10x10x1 см). Поэтому мы решили использовать импульсный преобразователь TPS54335.

У линейных и импульсных преобразователей есть как преимущества, так и недостатки, поэтому сделать выбор может быть непросто. Необходимо учитывать целый ряд факторов, включая потенциальные проблемы, связанные с электромагнитной совместимостью, эффективностью, перегревом и т.д. Именно поэтому вам может потребоваться команда опытных специалистов. Обратитесь в КЕДР Solutions, чтобы обсудить ваш проект или идеи.

В неизолированных DC-DC преобразователях входная и выходная цепи непосредственно соединены между собой (т.е. представляют собой единую цепь). Такие типы применяются в устройствах с низким энергопотреблением: они относительно дешевы, имеют малые габариты и более высокое КПД по сравнению с изолированными преобразователями, т.к. в них отсутствует трансформатор, в котором происходят потери энергии. Такие преобразователи используются в коммуникационном оборудовании, компьютерах, автомобильных системах и др.

В изолированных преобразователях входная и выходная цепи отделены друг от друга (обычно с помощью трансформатора). Это предотвращает прямой ток между ними. Часто это делается ради безопасности, поэтому такая схема широко используется в высоковольтных DC-DC преобразователях. Кроме того, она позволяет разорвать контуры заземления для защиты чувствительных цепей от шума.

Изолированные преобразователи применяются в программируемых логических контроллерах, системах промышленной автоматизации, в качестве источников питания для IGBT-драйверов и т.п. Часто их можно найти в устройствах, в которых использование неизолированных DC-DC преобразователей не допускается из соображений безопасности. К таковым относится медицинское оборудование. Аналогичные требования выдвигались к IoT-системе для управления гидромассажными ваннами, над которой работала команда КЕДР Solutions, поскольку она должна была функционировать во влажной среде. При разработке решения мы могли использовать только изолированный преобразователь. В этом конкретном случае мы выбрали изолированный понижающий преобразователь LM25017.

Такие устройства преобразуют постоянное напряжение с более высокого уровня на более низкий.

В простом понижающем преобразователе коммутационный элемент (K) быстро включает и выключает питание. Напряжение после силового ключа выглядит как серия прямоугольных импульсов. Конденсатор и катушка индуктивности (дроссель) сглаживают эти пульсации. Дроссель сглаживает пульсации тока, а конденсатор – пульсации напряжения. Когда ключ замкнут, катушка индуктивности (L) и конденсатор (C) накапливают энергию. Диод в этот момент находится в закрытом состоянии, т.к. к нему приложено напряжение обратной полярности. Когда напряжение на входе становится выше требуемого уровня, коммутационный элемент размыкается. Ток через дроссель не может прекратить идти мгновенно или сменить направление после размыкания ключа. Для замыкания контура тока дросселя как раз и установлен диод, который откроется в этот момент из-за образовавшегося противо-ЭДС на дросселе. Этот же ток будет проходить через нагрузку, выделяя на ней напряжение. Как только ток в дросселе начнет ослабляться, напряжение на нагрузке начнет проседать. В этот момент напряжение на нагрузке поддерживает конденсатор, который будет выдавать ток на нагрузку. Постепенно энергия запасенная в электрическом и магнитном поле будет расходована и выделена на нагрузке, что в конечном итоге приведет к просаживанию напряжения на нагрузке ниже требуемого. В этот момент ключ будет замкнут и цикл повториться вновь.

Как видно, сам по себе принцип работы импульсного преобразователя предполагает пульсации выходного напряжения в некотором диапазоне. В некоторых устройствах высокий уровень колебаний может быть критичен, но уровень пульсаций можно сделать достаточно малым.

Понижающие DC-DC преобразователи применяются во многих устройствах, в том числе в зарядных устройствах, мультимедийных системах, игровых консолях, мониторах и телевизорах.

Такие устройства преобразуют постоянное напряжение с более низкого уровня на более высокий. В типовом повышающем преобразователе, когда ключ замкнут, почти весь ток передается на индукционную катушку, а закрытый диод не позволяет разряжать конденсатор, питающий нагрузку. Когда напряжение нагрузки падает до определенного уровня, силовой ключ размыкается, на катушке образуется ЭДС, превышающая входное напряжение и превышающая напряжение на нагрузке, диод открывается, ток катушки начинает течь через нагрузку и заряжать конденсатор. К запасенной энергии в выходном конденсаторе добавляется энергия, запасенная в катушке, из-за чего напряжение на выходе становится выше входного напряжения.

Повышающие преобразователи используются в случаях, когда невозможно обеспечить батарейное питание с достаточно высоким входным напряжением или в устройстве просто нет места для достаточного количества батарей. Они обычно применяются в гибридных автомобилях, системах освещения с энергосберегающими лампами, портативных осветительных устройствах и т.п.

Повышающие преобразователи используют в мощных блоках питания в качестве корректоров мощности для повышения КПД. Так, в рамках одного из проектов перед командой стояла задача разработать мощный импульсный блок питания для большого светодиодного светильника. Сперва мы попытались решить задачу простым выпрямлением и понижением напряжения с помощью понижающего преобразователя. Однако при такой схеме КПД не превышал 85%, что не соответствовало техническому заданию. Тогда команда использовала в качестве входного преобразователя корректор мощности, что позволило повысить показатель до 95%.

При этом блок питания необходимо было сделать небольшим. Поэтому команда решила использовать в выходном преобразователе GaN-транзистор. Это полупроводниковые элементы нового поколения, созданные на основе нитрида галлия. Они обладают более высокой эффективностью, меньшими размерами и способностью работать при более высоких температурах и частотах в сравнении с традиционными кремниевыми и германиевыми транзисторами. GaN-транзисторы находят широкое применение в различных областях электроники, в том числе в силовой электронике. У GaN-транзисторов можно использовать более высокую частоту широтно-импульсной модуляции, что позволяет уменьшить габариты трансформатора (или импульсного дросселя).

По сути, команда срастила между собой два блока питания: схемотехнику повышающего блока питания и схемотехнику понижающего. В результате получилось небольшое устройство с высоким КПД.

Их основная функция – инвертировать полярность выходного напряжения. Уровень выходного напряжения при этом может как повышаться, так и понижаться. Такие конверторы очень полезны, когда устройству требуется двуполярное питание (например, в схемах, содержащих операционные усилители).

Такие конверторы способны как повышать, так и понижать входное напряжение. Их также называют повышающе-понижающими преобразователями. Они часто применяются в устройствах с колеблющимся входным напряжением. Это характерно, например, для автомобильных аккумуляторов, выходное напряжение которых зависит от уровня заряда.

Такие конверторы часто используются в устройствах, питаемых от литий-ионных батарей. Универсальный преобразователь понижает напряжение до требуемого уровня. Но по мере падения напряжения у батареи он начинает его повышать. Их также можно найти в измерительном оборудовании, фото- и видеокамерах, MP3-плеерах, GPS-навигаторах, беспроводных устройствах, таких как клавиатуры, мыши, передатчики, в светодиодных осветительных приборах и т.п.

Выбирая, какой преобразователь использовать в устройстве, необходимо обратить внимание на различные характеристики и параметры, наиболее важными из которых являются следующие:

• Входное напряжение

Этот параметр определяется используемым источником питания. Это могут быть AC-DC адаптеры, батареи и другие источники, обеспечивающие различное входное напряжение. При проектировании электроники разработчик должен убедиться, что преобразователь сможет выдерживать соответствующее напряжение.

• Выходное напряжение

Преобразователи могут выдавать фиксированное или регулируемое выходное напряжение. Последнее может изменяться от некоторой минимальной до некоторой максимальной величины. Выбор модели зависит от диапазона напряжений, требуемых нагрузкой.

• Максимально допустимый ток на выходе

Ток и напряжение на выходе определяют электрическую мощность, обеспечиваемую преобразователем.

• Коэффициент полезного действия

КПД – это процент входной мощности, передаваемой на выход. Его можно рассчитать по следующей формуле:

Как говорилось выше, КПД преобразователей постоянного напряжения может сильно варьироваться. В некоторых случаях этот параметр играет ключевую роль. Например, если устройство питается от батарей, КПД определяет, как долго устройство может работать до замены батарей.

В некоторых случаях сам КПД не так важен. Однако энергия, теряемая при преобразовании, рассеивается в виде тепла. Это, в свою очередь, может привести к нежелательным последствиям.

• Температура

Поскольку лишняя энергия конвертируется в тепло, перегрев может стать серьезной проблемой. Частично ее можно решить с помощью правильной конструкции корпуса. Но в некоторых случаях может потребоваться дополнительная тепловая защита.

• Размер и типы монтажа

Преобразователи бывают разной формы (с однорядным или двурядным расположением выводов) и по-разному могут быть закреплены на печатной плате (поверхностный монтаж или монтаж в сквозные отверстия). Размер также имеет значение при разработке небольших устройств.

• Доступность компонентов

Наконец, при выборе преобразователей для устройства важно также убедиться, что производитель в ближайшие годы не прекратит выпуск компонента. Поэтому наша команда всегда отдает предпочтение новейшим моделям.

Перед разработчиками электроники часто ставится задача соблюсти различные нормативные и сертификационные требования. Использование преобразователей может повлиять на характеристики устройства с точки зрения безопасности и электромагнитной совместимости. Кроме того, различные отраслевые стандарты могут предъявлять дополнительные требования.

Например, замена импульсного DC-DC преобразователя на более дешевый линейный может потребовать системы охлаждения. Но такой вариант может повысить стоимость устройства в целом. Впрочем, такие проблемы и решает команда КЕДР Solutions. Если у вас есть идея продукта и вам нужна консультация, напишите нам и задайте любые вопросы.

Электромагнитная совместимость является одной из наиболее очевидных проблем, которые могут вызывать преобразователи постоянного тока. Импульсные конверторы очень популярны благодаря более высокому КПД. Однако, как упоминалось выше, они генерируют электромагнитные шумы.

Поэтому такие устройства должны быть протестированы на электромагнитную совместимость. Так можно убедиться, что изделия не вызывают электромагнитную интерференцию.

Проблема электромагнитной совместимости обычно решается за счет правильной компоновки слоев печатной платы, дополнительных конденсаторов и фильтрующих контуров. Для достижения наилучшего результата обычно требуется тщательное тестирование печатных плат. Так, не следует монтировать преобразователи (и особенно катушки индуктивности) рядом с чувствительными компонентами и микросхемами. На приведенной ниже схеме показаны дроссель (L1), четыре керамических конденсатора (C5–8) и один электролитический конденсатор (C4). Все они установлены там для защиты аналоговой схемы от электромагнитных помех. Керамические конденсаторы подавляют высокочастотный шум от преобразователя, а электролитический конденсатор сглаживает низкочастотные колебания от различных источников. Такая комбинация значительно повышает качество питания.

Во многих устройствах разница между входным и выходным напряжением достигает сотен вольт, что может быть крайне опасно. Поэтому оборудование, использующее высоковольтные преобразователи постоянного напряжения (например, медицинская электроника), должно соответствовать требованиям безопасности. Данная сфера регулируются различными стандартами, в числе которых ГОСТ МЭК 60950-1-2014 (ИТ-оборудование), ГОСТ МЭК 60335-1-2015 (бытовые электрические приборы), ГОСТ Р МЭК 60601-1-2010 (медицинское электрическое оборудование) и др.

Чтобы обеспечить требуемый уровень безопасности, разработчики используют изолированные преобразователи, т.к. у них нет прямого соединения между входной и выходной цепями. В стандарте ГОСТ МЭК 60950-1 выделяется пять классов электрической изоляции.

• Функциональная изоляция

Такая изоляция между входной и выходной цепями необходима только для правильной работы устройства. Однако она не дает достаточной защиты от поражения электрическим током в случае пробоя или повреждения изоляции между входом и выходом. Чтобы изоляция соответствовала этому классу, пути утечки и зазоры должны удовлетворять одному из следующих требований:

а) Требования к зазорам и путям утечки в соответствии с разделом 2.10 или приложением G стандарта ГОСТ МЭК 60950-1-2014;
b) Выдерживать испытания на электрическую прочность;
c) Выдерживать замыкание накоротко.

Преобразователь в устройстве может иметь функциональную изоляцию, если:

• В источнике питания AC-DC используется усиленная или двойная изоляция между входом переменного и выходом постоянного тока.
• В источнике питания AC-DC используется основная или дополнительная изоляция, а вторичная цепь преобразователя постоянного напряжения подключена к защитному заземлению.
• Источник питания AC-DC имеет основную или дополнительную изоляцию, а первичная цепь преобразователя постоянного напряжения подключена к защитному заземлению.

В преобразователях с таким классом изоляции первичная и вторичная обмотки трансформатора обычно наматываются непосредственно друг на друга, а изоляция обеспечивается лаковым покрытием проводов обмоток. Такой способ недорог и позволяет создавать очень компактные устройства. Преобразователи с функциональной изоляцией обычно применяются в системах, у которых пробой изоляции не может привести к травмам, повреждению оборудования или даже прекращению его работы.

• Основная изоляция

Данный класс изоляции обеспечивает основную защиту от поражения электрическим током. Для соответствия этому классу изоляция должна удовлетворять всем трем (a, b и c) требованиям. Основная изоляция нужна, если источник питания AC-DC имеет функциональную изоляцию между входом переменного тока и выходом постоянного тока, в то время как вторичная цепь преобразователя подключена к защитному заземлению.

• Дополнительная изоляция

Это независимая изоляция, которая применяется дополнительно к основной, чтобы снизить риск поражения электрическим током при повреждении основной изоляции. Этот уровень защиты требуется, если источник питания AC-DC использует основную изоляцию между входом переменного тока и выходом постоянного тока.

• Двойная изоляция

Состоит из основной и дополнительной изоляции.

• Усиленная изоляция

Это единая система изоляции, которая обеспечивает тот же уровень защиты, что и двойная изоляция. Она может включать в себя несколько уровней защиты и требуется, если источник питания AC-DC не имеет изоляции или функциональной изоляции между входом переменного тока и выходом постоянного тока.

Преобразователи в основном применяются в портативной электронике. Характерные для нее условия эксплуатации могут быть чрезвычайно жесткими, поэтому о проблемах отведения тепла необходимо позаботиться еще на стадии проектирования устройства.

Обратите внимание, что максимальная температура преобразователя постоянного напряжения при работе на полную мощность может сильно отличаться от температуры, при которой устройство с таким преобразователем будет понижено в классе в соответствии с тем или иным стандартом.

Большую часть тепла выделяют трансформаторы. Поэтому теплоизоляционные системы классифицируются стандартами в зависимости от того, из каких материалов они изготовлены и как взаимодействуют при высоких температурах. В большинстве преобразователей постоянного напряжения применяются плоские (планарные) трансформаторы. Они не считаются опасными, если их температура не превышает максимально допустимую для платы температуру.

Когда в трансформаторах используются не одобренные стандартом (класс А) системы теплоизоляции, что бывает редко, они считаются опасными, если их внутренняя температура превышает +105°C. Но в большинстве случаев в таких преобразователях требуются трансформаторы с одобренными системами теплоизоляции – класса B, выдерживающего рабочие температуры до +130°C, и класса F, выдерживающего температуры до +155°C.

Проблемы с перегревом можно решить комбинацией методов. Например, на рисунке ниже вы можете видеть четыре преобразователя, которые выделяют много тепла. Чтобы решить эту проблему, наша команда использовала MOSFET-транзисторы с более низким сопротивлением канала сток-исток во включенном состоянии. Это означает, что в тепло преобразуется меньше энергии. Кроме того, мы сделали широкие параллельные дорожки (проходящие через все четыре слоя печатной платы) и добавили как можно больше сквозных отверстий. Это позволяет отводить тепло с обеих сторон платы.

Для корректной работы преобразователей решающую роль играет время. Слишком раннее или слишком позднее изменение уровня напряжения может привести к неэффективной работе устройства или даже к неисправности. Работа большинства преобразователей реализована аппаратно, а время отклика занимает не более микросекунд. Модули аналоговых DC-DC преобразователей просты, но работают достаточно хорошо.

Однако в некоторых случаях при разработке электроники для управления преобразователями может потребоваться микроконтроллер.

Так, микроконтроллер может понадобиться, если необходимо контролировать множество параметров (например, в сложных системах управления аккумуляторами). Такое решение обеспечивает большую гибкость при реализации алгоритмов управления. Например, в инверторных сварочных аппаратах нужно контролировать силовые ключи и выходное напряжение, а также измерять выходной ток. Устройство имеет разные режимы работы, в том числе предназначенный для работы в условиях повышенной влажности. Этот режим требует пониженного выходного напряжения – не более 30В.

В таких случаях управление преобразователем можно передать микроконтроллеру, который отвечает за:

1. управление контрольно-диагностическими функциями преобразователя;
2. настройку параметров, например, для динамического управления выходным напряжением или током;
3. формирование управляющих сигналов для транзисторов.

В таких преобразователях практически все функции управляются программно. Поэтому очень важно правильно организовать структуру прошивки и таким образом обеспечить максимально возможную скорость работы. Задачи микроконтроллера можно разделить на два типа: критичные по времени (управление контуром, измерения АЦП, генерация управляющих импульсов для силовых ключей, защита системы); и некритичные по времени (регистрация неисправностей, контроль за шиной управления питанием или универсальным асинхронным приемопередатчиком и т.д.).

Таким образом, прошивку также можно разделить на две части – одна отвечает за критичные по времени задачи (цикл прерываний), другая управляет некритичными по времени задачами (фоновый цикл).

После инициализации системы микроконтроллер переходит в бесконечный цикл выполнения некритичных по времени задач. Таймер здесь отвечает за генерацию прерываний с фиксированной частотой. Когда происходит прерывание, МК прекращает выполнение своей текущей задачи, сохраняет текущие данные, а затем переходит к обработке прерывания. После выполнения задачи МК восстанавливает сохраненные данные и возобновляет фоновый цикл.

Целью цикла прерываний является управление преобразователем, измерение входных сигналов АЦП и защита системы. Здесь крайне важно знать текущее состояние преобразователя, а также его текущие и предстоящие задачи. Для управления преобразователем, организации взаимодействия прерываний и генерации реакций используется конечный автомат.

Микроконтроллер отслеживает напряжение на входе, пока оно не превысит заданный порог. Тогда происходит плавное включение преобразователя, выходное напряжение постепенно повышается до нужного уровня. Затем преобразователь переходит в режим регулирования. Он остается в этом режиме до команды на отключение или до возникновения ошибки. В последнем случае преобразователь выключится и будет оставаться в этом состоянии, если не получит команду на перезапуск.