Импульсные преобразователи напряжения

Почему ключ, а не сопротивление

Microchip в AN1114 начинает с простой модели: выход можно регулировать последовательным сопротивлением между источником и нагрузкой. Мощность, которая на нём теряется, равна нулю в двух случаях — когда сопротивление равно нулю или бесконечности. Импульсный преобразователь использует именно эти два состояния: вместо резистора стоит полупроводниковый ключ с очень малым сопротивлением в открытом состоянии и очень большим в закрытом, а после ключа — фильтр нижних частот из дросселя и конденсатора, которые сами энергию почти не рассеивают.

Ключ переключается с частотой от 50 кГц до нескольких мегагерц. Чем выше частота, тем меньше нужны дроссель и конденсаторы — их размеры обратно пропорциональны частоте, — но тем больше потери на переключения и помехи (AN1114).

Понижающий преобразователь

Ключ Q1 включён последовательно с источником. Пока он замкнут (время t_вкл), к дросселю приложена разница U_вх − U_вых, и ток дросселя линейно растёт со скоростью (U_вх − U_вых)/L. Когда ключ размыкается, ток дросселя продолжает течь в ту же сторону — через диод D1, который поэтому называют обратным (freewheeling); к дросселю приложено −U_вых, и ток спадает (AN1114, рис. 2). В установившемся режиме рост и спад за период равны:

С учётом падений на открытом ключе и диоде баланс записывают так (AN1207, уравнение 8): (U_вх − U_кл − U_вых) t_вкл = (U_вых + U_D) t_выкл.

Особенности понижающей схемы (AN1114): входной ток всегда прерывистый — источник отдаёт ток только при замкнутом ключе, поэтому на входе нужен фильтр от помех. При отношении U_вых/U_вх меньше 0,1 советуют понижать напряжение в две ступени. Расчёт деталей — в статье «Понижающий преобразователь».

Повышающий преобразователь

Здесь дроссель включён последовательно с источником, а ключ замыкает его на общий провод. Пока ключ замкнут, к дросселю приложено всё входное напряжение, ток растёт, нагрузку питает выходной конденсатор. Когда ключ размыкается, ток дросселя течёт через диод на выход, и к дросселю приложено U_вх − U_вых — отрицательное напряжение, ток спадает (AN1114, рис. 4). Из баланса:

Без потерь входной ток больше выходного во столько же раз: I_вых/I_вх = 1 − D (AN1207, уравнение 51). По формуле выход растёт неограниченно при D → 1, но в реальной схеме отношение напряжений при заполнении, близком к единице, наоборот падает из-за потерь в дросселе, конденсаторе и полупроводниках (AN1114, рис. 5). Выходное напряжение повышающей схемы не может быть ниже входного. Подробнее — в статье «Повышающий преобразователь».

Непрерывный и прерывистый режимы

В непрерывном режиме ток дросселя за период не падает до нуля; формулы выше верны именно для него. Размах пульсаций тока дросселя ΔI_L не зависит от нагрузки, а средний ток равен току нагрузки (для понижающей схемы). Когда нагрузка уменьшается до половины размаха, I_н = ΔI_L/2, ток дросселя касается нуля в конце периода — это критический режим (AN1207, уравнение 11). При меньшей нагрузке ток спадает до нуля раньше конца периода — прерывистый режим, и выходное напряжение начинает зависеть от нагрузки: чтобы держать его, регулятор уменьшает заполнение.

Microchip в AN1207 выбирает дроссель так, чтобы понижающий преобразователь оставался в непрерывном режиме до 10 % номинального тока; в AN1114 отмечено, что для токового управления размах пульсаций должен быть не меньше 30 % тока полной нагрузки. Больший дроссель — меньше пульсаций, но больше витков и потерь в нём и медленнее реакция на скачок нагрузки.

Другие схемы

Выбор топологии AN1114 начинает с вопросов: выход выше или ниже всего диапазона входа, сколько выходов, нужна ли гальваническая развязка, насколько велики напряжения и токи. Если выход то выше, то ниже входа или нужна обратная полярность — понижающе-повышающие и инвертирующие схемы (такую, например, собирают на MC34063). Для развязки и нескольких выходов применяют схемы с трансформатором — обратноходовую (flyback) и прямоходовую (forward).

Синхронное выпрямление

При больших токах потери на обратном диоде ограничивают КПД и минимальное выходное напряжение. В синхронном понижающем преобразователе диод заменяют вторым MOSFET с малым сопротивлением открытого канала, который открывается в противофазе с основным ключом. MOSFET проводит ток в обе стороны, поэтому при малой нагрузке, когда ток дросселя доходит до нуля, его нужно сразу закрыть: иначе ток дросселя развернётся, и транзистор начнёт разряжать выходной конденсатор (AN1114). При токах в десятки ампер ставят несколько синхронных понижающих преобразователей параллельно со сдвигом фаз — многофазный преобразователь: пульсации тока выходного конденсатора уменьшаются в число фаз раз.

Типичные ошибки

• Расчёт по формуле без падений. На ключе и диоде теряется заметное напряжение, особенно при низком выходном; балансы AN1207 их учитывают.
• Дроссель с малым током насыщения. Через дроссель идёт пиковый ток — ток нагрузки плюс половина размаха пульсаций.
• Нет входного конденсатора. Понижающая схема потребляет ток импульсами, и без конденсатора у входа пульсации уходят в источник.
• Заполнение у предела. У MC34063 генератор гарантирует заполнение только около 84 % — это следует из отношения токов разряда и заряда времязадающего конденсатора (ST DocID5257, табл. 5); у повышающей схемы при большом отношении напряжений растут потери.