Перейти к содержанию

Понижающий преобразователь (buck)

Понижающий импульсный преобразователь, он же buck, получает из 12 В нужные 5 или 3,3 В не сжигая разницу в тепло, как линейный стабилизатор, а быстро включая и выключая ключ. Дроссель и конденсатор сглаживают импульсы, и на выходе получается постоянное напряжение.

Обновлено Редакция GAW

Понижающий преобразователь (buck converter, step-down) — импульсный преобразователь постоянного напряжения в меньшее. Он состоит из ключа, дросселя, диода (или второго ключа при синхронном выпрямлении) и выходного конденсатора. Ключ с частотой в десятки–сотни килогерц подключает дроссель к входу на долю периода D — коэффициент заполнения, — и в режиме непрерывного тока выходное напряжение равно (Microchip AN1114):

Uвых=D⋅Uвх.U_\text{вых} = D \cdot U_\text{вх}.

Расчёт силовой части

TI в заметке SLVA477 даёт последовательность для микросхем со встроенным ключом:

D=UвыхUвх.max⋅η,ΔIL=(Uвх.max−Uвых)⋅DfS⋅L,ISW.max=ΔIL2+Iвых.max.D = \frac{U_\text{вых}}{U_\text{вх.max} \cdot \eta}, \qquad \Delta I_L = \frac{(U_\text{вх.max} - U_\text{вых}) \cdot D}{f_S \cdot L}, \qquad I_\text{SW.max} = \frac{\Delta I_L}{2} + I_\text{вых.max}.

КПД η вводят, чтобы учесть потери, — TI предлагает оценку 90 %. Пиковый ток ISW.max должны выдержать ключ, дроссель и диод, а наибольший ток нагрузки ограничен током срабатывания защиты ключа минус половина пульсаций. Если индуктивность не задана даташитом, её считают по пульсациям ΔIL = 0,2–0,4·Iвых.max; выходную ёмкость при внешней коррекции петли — по допустимым пульсациям напряжения, C ≥ ΔIL/(8·fS·ΔU), и к ним добавляется вклад ESR: ΔU = ESR·ΔIL. У микросхем со встроенной коррекцией, как LM2596, дроссель и конденсатор берут по рекомендациям даташита. Здесь fS — частота преобразования (обозначение TI, в калькуляторе DC-DC — f), Uвх.max — наибольшее входное напряжение.

Пример (наш расчёт). LM2596 (150 кГц, до 3 А), 12 → 5 В, 2 А, η = 0,9: D ≈ 0,46; при ΔIL = 0,6 А нужна индуктивность около 5·7/(0,6·150 000·12) ≈ 32 мкГн, пиковый ток ключа 2,3 А.

Где применяют

Почти везде, где разница между входом и выходом велика или ток большой: КПД buck-преобразователя TI оценивает в 90 % (оценка для расчёта, а не гарантия) против 5/12 ≈ 42 % у линейного стабилизатора 12 → 5 В (наш расчёт). Плата за это — пульсации на выходе, помехи и более сложная разводка.

Не путать с повышающим преобразователем: у того дроссель стоит на входе, и выход выше входа. Полный разбор выбора деталей — в статье «Понижающий преобразователь (buck)», дроссель и конденсатор посчитает калькулятор DC-DC преобразователя, а сравнить с линейным стабилизатором поможет калькулятор LDO или DC-DC.

Частые вопросы

Как работает понижающий преобразователь?

Ключ периодически подключает дроссель к входу. Пока ключ открыт, ток дросселя растёт и питает нагрузку; когда закрыт, дроссель продолжает тянуть ток через диод или второй ключ, и ток убывает. Среднее напряжение после ключа равно доле времени открытого состояния, умноженной на входное: Uвых = D·Uвх. Конденсатор сглаживает пульсации.

Какую скважность нужно для 12 → 5 В?

В идеале D = 5/12 ≈ 0,42. TI в SLVA477 советует учитывать КПД: D = Uвых/(Uвх·η), при η = 0,9 получается около 0,46 (наш расчёт). Расчёт ведут при наибольшем входном напряжении — там наибольшие пульсации тока и ток ключа.

Почему пульсации тока дросселя берут 20–40 % от тока нагрузки?

Это компромисс из TI SLVA477: меньшие пульсации требуют большей индуктивности и размеров дросселя, большие — повышают пиковый ток ключа и пульсации на выходе. По этой оценке и считают индуктивность: L = Uвых·(Uвх − Uвых)/(ΔI·f·Uвх).

Источники

  1. Texas Instruments. Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage (SLVA477C, December 2011, revised September 2026) — ур. 1: D = Vout/(Vin(max)·η), η около 90 %; ур. 2: ΔIL = (Vin(max) − Vout)·D/(fS·L); ур. 3: Imaxout = ILIM(min) − ΔIL/2; ур. 4: ISW(max) = ΔIL/2 + Iout(max); ур. 5–6: L = Vout·(Vin − Vout)/(ΔIL·fS·Vin), ΔIL ≈ 0,2–0,4·Iout(max); ур. 12–13: Cout(min) = ΔIL/(8·fS·ΔVout), ΔVout(ESR) = ESR·ΔIL
  2. Microchip. AN1114: Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies (Part I) (DS01114A) — понижающий преобразователь в режиме непрерывного тока: Vout = D·Vin
  3. Texas Instruments. LM2596 SIMPLE SWITCHER Power Converter 150-kHz 3-A Step-Down Voltage Regulator (SNVS124G, revised March 2023) — вход до 40 В, ток 3 А, частота 150 кГц (127–173), опорное 1,23 В, встроенная коррекция

Нашли ошибку?

Смотрите также