Перейти к содержанию

Понижающий преобразователь (buck)

Понижающий преобразователь получает из 12 или 24 В напряжение 5 или 3,3 В с потерями в разы меньше, чем линейный стабилизатор. Расчёт сводится к пяти величинам: коэффициент заполнения, индуктивность дросселя, размах пульсаций тока, выходной конденсатор и требования к ключу и диоду.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Понижающий преобразователь (buck, step-down) — импульсная схема, которая получает напряжение ниже входного: ключ подключает дроссель к входу на долю периода D, а выход в непрерывном режиме равен D · Uвх. Как работает схема и чем непрерывный режим отличается от прерывистого — в статье «Импульсные преобразователи»; здесь — расчёт по шагам.

Коротко

Схема

Понижающий преобразователь (buck)Входное напряжение через ключ Q1 подаётся на узел, от которого дроссель L идёт к выходу. Диод D1 включён от общего провода к этому узлу: когда ключ разомкнут, ток дросселя продолжает течь через диод. На выходе конденсатор CO и нагрузка.UвхQ1D1LCORнUвыхUвых = D · Uвх

Расчёт по шагам

Формулы — Microchip AN1207 для непрерывного режима; падения на ключе и диоде для простоты опущены (с ними баланс — уравнение 8).

1. Коэффициент заполнения. D = Uвых/Uвх; наибольший — при минимальном входном напряжении: Dmax = Uвых/Uвх min (уравнения 9, 10).

2. Пульсации тока дросселя. Пока ключ замкнут, к дросселю приложено Uвх − Uвых:

ΔIL=(Uвх−Uвых) Df⋅L\Delta I_L = \frac{(U_\text{вх} - U_\text{вых})\, D}{f \cdot L}

3. Индуктивность. Преобразователь выходит из непрерывного режима, когда ток нагрузки падает до ΔIL/2 (уравнение 11). AN1207 выбирает дроссель так, чтобы непрерывный режим сохранялся до 10 % номинального тока, то есть ΔIL = 0,2 Iном (уравнения 13, 14):

L=5 (Uвх−Uвых) UвыхUвх⋅f⋅IномL = \frac{5\,(U_\text{вх} - U_\text{вых})\, U_\text{вых}}{U_\text{вх} \cdot f \cdot I_\text{ном}}

В AN1114 приведены соображения в обе стороны: при большом дросселе (пульсации меньше 10 %) растут потери в нём и ухудшается реакция на скачки нагрузки, а для токового управления пульсации должны быть не меньше 30 % тока нагрузки. Калькулятор DC-DC по умолчанию задаёт размах 30 % тока нагрузки — его можно изменить.

4. Выходной конденсатор. Пульсации выходного напряжения — это падение на ESR конденсатора от пульсаций тока и заряд-разряд ёмкости (уравнения 16–18):

Uпульс ESR=RESR ΔIL,CO=ΔIL Df (Uпульс−RESR ΔIL)U_\text{пульс ESR} = R_\text{ESR}\, \Delta I_L, \qquad C_O = \frac{\Delta I_L\, D}{f\,\left(U_\text{пульс} - R_\text{ESR}\, \Delta I_L\right)}

5. Ключ, диод, дроссель. Ключ и диод — на напряжение не меньше максимального входного с запасом; через ключ и дроссель идёт пиковый ток Iн + ΔIL/2, и ток насыщения дросселя должен быть больше него.

Пример: 12 → 5 В, 1 А, 200 кГц

  1. D = 5/12 = 0,417.
  2. L = 5 · (12 − 5) · 5/(12 · 200 000 · 1) = 72,9 мкГн; ближайший стандартный — 68 или 82 мкГн.
  3. С 72,9 мкГн: ΔIL = 7 · 0,417/(200 000 · 72,9 · 10−6) = 0,2 А — 20 % тока. Пиковый ток — 1,1 А.
  4. Пульсации 50 мВ, конденсатор с ESR 50 мОм: на ESR — 0,05 · 0,2 = 10 мВ, на ёмкость остаётся 40 мВ, CO = 0,2 · 0,417/(200 000 · 0,04) = 10,4 мкФ.
  5. Ключ и диод — на 12 В с запасом и пиковый ток 1,1 А.

Проверьте свой вариант — калькулятор учитывает КПД, задаёт пульсации тока в процентах, считает ток насыщения дросселя и пульсации от ESR:

Исходные данные

Преобразователь
В

худший случай для расчёта

В
А

из даташита микросхемы

%

оценка: 85–95 %

%

от среднего тока, обычно 20–40 %

мВ

размах

мкГн

необязательно

мОм

необязательно: керамика — единицы мОм, электролит — десятки и сотни

Результат

Индуктивность дросселя
10 мкГн
минимум 9,72 мкГн, взят ближайший номинал E6 сверху
Ток насыщения дросселя — не меньше
2,32 Асредний ток 2 А плюс половина пульсаций
Пульсации тока дросселя
648 мАразмах
Коэффициент заполнения
46,3 %
Выходной конденсатор — не меньше
3 мкФпо ёмкости, без учёта ESR

Проверьте, что ток ограничения ключа микросхемы с запасом больше пикового тока, и сверьтесь с рекомендациями её даташита: значения дросселя и конденсаторов там часто заданы под конкретную компенсацию цепи обратной связи.

Готовые микросхемы

Ключ, генератор и обратную связь объединяют в одной микросхеме-контроллере. Одна из самых распространённых — MC34063: встроенный ключ на 1,5 А, работа от 3 до 40 В и до 100 кГц (ST DocID5257); её номиналы считает калькулятор MC34063. При больших токах применяют синхронную схему — с MOSFET вместо обратного диода (AN1114).

Типичные ошибки

  • Дроссель насыщается. Номинальный ток дросселя меньше пикового тока ключа — индуктивность падает, ток растёт лавинообразно.
  • Конденсатор с большим ESR. Пульсации на ESR сами по себе превышают допустимые, и увеличение ёмкости не помогает.
  • Нет входного конденсатора. Понижающий преобразователь берёт ток с входа импульсами (AN1114) — без конденсатора у входа пульсации уходят в источник и провода.
  • Слишком малое отношение напряжений. При Uвых/Uвх < 0,1 AN1114 советует понижать в две ступени.
  • Длинные проводники в контуре ключа и диода. Ток в этом контуре прерывистый; его разводят как можно короче, чтобы уменьшить выбросы и помехи.

Частые вопросы

Как рассчитать дроссель понижающего преобразователя?

Размах пульсаций тока дросселя — ΔIL = (Uвх − Uвых)·D / (f·L), где D = Uвых/Uвх. Microchip в AN1207 выбирает L так, чтобы преобразователь оставался в непрерывном режиме до 10 % номинального тока, то есть ΔIL = 0,2·Iном: L = 5·(Uвх − Uвых)·Uвых / (Uвх·f·Iном). Для 12 → 5 В, 1 А и 200 кГц это 73 мкГн.

Какой нужен выходной конденсатор?

Пульсации выхода складываются из падения на ESR конденсатора (ESR·ΔIL) и заряда-разряда ёмкости. По AN1207 ёмкость CO = ΔIL·D / (f·(Uпульс − ESR·ΔIL)): чем больше ESR, тем меньше остаётся на ёмкостную составляющую и тем больше нужна ёмкость. Если ESR·ΔIL уже больше допустимых пульсаций, никакая ёмкость не поможет — нужен конденсатор с меньшим ESR.

Какое напряжение должны выдерживать ключ и диод?

Не меньше максимального входного напряжения с запасом: закрытый ключ держит вход, а диод в обратном направлении — тоже вход, пока ключ открыт. Через ключ и дроссель идёт пиковый ток — ток нагрузки плюс половина размаха пульсаций.

Источники

  1. Microchip. AN1207: Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies (Part II) (DS01207B) — понижающий преобразователь: уравнения 8–18 — баланс вольт-секунд, максимальное заполнение, граница непрерывного режима, индуктивность для работы в непрерывном режиме от 10 % нагрузки, пульсации от ESR и ёмкость выходного конденсатора
  2. Microchip. AN1114: Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies (Part I) (DS01114A) — рис. 2, уравнения 3, 4: работа понижающего преобразователя; пульсации тока и токовое управление; синхронный вариант
  3. STMicroelectronics. MC34063AB, MC34063AC, MC34063EB, MC34063EC (DocID5257 Rev 13) — пример микросхемы понижающего преобразователя

Нашли ошибку?

Смотрите также