Перейти к содержанию

Расчёт понижающего и повышающего DC-DC преобразователя

Задайте напряжения, ток нагрузки и частоту преобразования — калькулятор найдёт индуктивность дросселя и ближайший номинал, пиковый ток для выбора дросселя и ключа и минимальную ёмкость выходного конденсатора.

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.

Импульсный преобразователь переключает ключ с частотой в сотни килогерц и накапливает энергию в дросселе. Понижающий (buck) отдаёт напряжение ниже входного, повышающий (boost) — выше. Основные элементы силовой части — дроссель и выходной конденсатор, и именно их калькулятор рассчитывает для режима непрерывного тока дросселя.

Формулы понижающего преобразователя

D=UвыхUвх η,L=Uвых (Uвх−Uвых)ΔIL f Uвх,Cвых≥ΔIL8 f ΔUвых,D = \frac{U_{вых}}{U_{вх} \, \eta}, \qquad L = \frac{U_{вых} \, (U_{вх} - U_{вых})}{\Delta I_L \, f \, U_{вх}}, \qquad C_{вых} \ge \frac{\Delta I_L}{8 \, f \, \Delta U_{вых}},

где D — коэффициент заполнения, η — КПД, f — частота преобразования, ΔIL — размах пульсаций тока дросселя, ΔUвых — допустимые пульсации на выходе. Пульсации тока наибольшие при максимальном входном напряжении, поэтому его и подставляют. Пиковый ток дросселя и ключа — ток нагрузки плюс ΔIL / 2.

Формулы повышающего преобразователя

D=1−Uвх ηUвых,L=Uвх (Uвых−Uвх)ΔIL f Uвых,Cвых≥Iвых Df ΔUвых.D = 1 - \frac{U_{вх} \, \eta}{U_{вых}}, \qquad L = \frac{U_{вх} \, (U_{вых} - U_{вх})}{\Delta I_L \, f \, U_{вых}}, \qquad C_{вых} \ge \frac{I_{вых} \, D}{f \, \Delta U_{вых}} .

Здесь худший случай — минимальное входное напряжение: тогда больше всего коэффициент заполнения и входной ток. Средний ток дросселя равен входному току Iвых / (1 − D), пиковый — ещё плюс ΔIL / 2.

Пример: 12 → 5 В, 2 А

Частота 500 кГц, КПД 90 %, пульсации тока 30 %, на выходе допустимо 50 мВ.

  • D = 5 / (12 · 0,9) ≈ 46 %.
  • L = 5 · 7 / (0,6 · 500 000 · 12) ≈ 9,7 мкГн → дроссель 10 мкГн.
  • С ним пульсации тока 0,65 А, пиковый ток 2,32 А — дроссель нужен с током насыщения не меньше этого и с запасом.
  • Cвых ≥ 0,6 / (8 · 500 000 · 0,05) = 3 мкФ. Это только ёмкостная часть: ESR 20 мОм добавит ещё 0,65 · 0,02 ≈ 13 мВ.

Как выбрать дроссель и конденсатор

  • Ток насыщения дросселя — не меньше пикового тока, а лучше не меньше тока ограничения ключа микросхемы: при перегрузке и коротком замыкании ток дойдёт до него.
  • Сопротивление обмотки определяет потери: при токе 2 А и 50 мОм на дросселе рассеивается 0,2 Вт.
  • Выходной конденсатор — керамика X5R или X7R с малым ESR. У керамики ёмкость падает с ростом постоянного напряжения, поэтому номинал берут с запасом и смотрят кривую DC bias в даташите.
  • Рекомендации производителя важнее расчёта: у многих микросхем компенсация обратной связи рассчитана на определённый диапазон индуктивности и ёмкости.

Линейный стабилизатор для небольших токов рассчитывает калькулятор LM317, о выборе между линейными и импульсными источниками — в разделе «Питание».

Частые вопросы

Как рассчитать дроссель для понижающего преобразователя?

L = Uвых · (Uвх − Uвых) / (ΔI · f · Uвх), где ΔI — размах пульсаций тока, обычно 20–40 % тока нагрузки, а Uвх — максимальное входное напряжение: при нём пульсации наибольшие. Для 12 → 5 В, 2 А и 500 кГц при пульсациях 30 % получается 9,7 мкГн, то есть номинал 10 мкГн.

Какой ток насыщения нужен дросселю?

Не меньше пикового тока: среднего тока дросселя плюс половины размаха пульсаций. У понижающего преобразователя средний ток равен току нагрузки, у повышающего — входному току, который больше выходного. Запас берут с учётом тока ограничения ключа микросхемы: при коротком замыкании ток может дойти до него.

Почему у повышающего преобразователя ток дросселя больше тока нагрузки?

Через дроссель течёт входной ток, а мощность на входе больше выходной: Iвх ≈ Uвых · Iвых / (Uвх · КПД). При 3,3 → 5 В, 0,5 А и КПД 85 % ток дросселя около 0,89 А — почти вдвое больше тока нагрузки.

Что будет, если взять дроссель меньшей индуктивности?

Вырастут пульсации тока, пиковый ток и пульсации напряжения на выходе. При слишком малой индуктивности и малой нагрузке ток дросселя будет падать до нуля — преобразователь перейдёт в режим прерывистого тока, где эти формулы уже неточны, а у некоторых микросхем ухудшается устойчивость.

Источники

  1. Texas Instruments. SLVA477: Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage — коэффициент заполнения с учётом КПД, индуктивность по пульсациям 20–40 % тока, пиковый ток ключа, выходной конденсатор и ESR
  2. Texas Instruments. SLVA372: Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage — то же для повышающего преобразователя, максимальный выходной ток при ограничении тока ключа
  3. R. W. Erickson, D. Maksimović. Fundamentals of Power Electronics, 3rd ed. Springer, 2020 — вывод соотношений для режима непрерывного тока дросселя
Встроить калькулятор на свой сайт

Скопируйте код и вставьте его в HTML страницы, статьи или вики. Виджет бесплатный, без рекламы, счётчиков и cookie. Условие одно — ссылка на GAW под рамкой остаётся на месте. Подробнее о виджетах

<iframe src="https://gaw.ru/embed/dc-dc/" title="Расчёт понижающего и повышающего DC-DC преобразователя" width="100%" height="640" style="border:1px solid #e3e5e9;border-radius:8px" loading="lazy" allow="clipboard-write"></iframe>
<p style="margin:6px 0 0;font-size:14px">Калькулятор: <a href="https://gaw.ru/tools/dc-dc/">Расчёт понижающего и повышающего DC-DC преобразователя</a> — GAW.ru</p>
Автоподстройка высоты рамки

Если сайт разрешает скрипты, добавьте этот код один раз в любом месте страницы: рамка будет менять высоту вместе с результатом расчёта.

<script>window.addEventListener("message",function(e){if(e.origin!=="https://gaw.ru"||!e.data||e.data.type!=="gaw:embed-height")return;var f=document.querySelectorAll('iframe[src^="https://gaw.ru/embed/"]');for(var i=0;i<f.length;i++)if(f[i].contentWindow===e.source)f[i].style.height=e.data.height+"px"})</script>

Обновлено . Нашли ошибку в расчёте? Напишите нам.