Преобразователи постоянного тока (DC-to-DC converters) преобразуют один уровень постоянного напряжения в другой уровень. Рабочее напряжение различных электронных устройств, таких как интегральные схемы (ИС), МОП-транзисторы, может варьироваться в широком диапазоне, что делает необходимым обеспечение напряжения для каждого устройства. Понижающий преобразователь (Buck Converter) выдает более низкое напряжение, чем исходное напряжение, в то время как повышающий преобразователь (Boost Converter) выдает более высокое напряжение.

С применением DC-DC преобразователей можно изменить эффективность работы схемы, пульсацию и переходную реакцию нагрузки. Оптимальные внешние детали и компоненты, как правило, зависят от условий эксплуатации, таких как входные и выходные характеристики. Таким образом, при проектировании продукции стандартные схемы должны варьироваться или изменяться в соответствии с их индивидуальными требованиями к спецификации. Проектирование схемы, которая удовлетворяет спецификации и всем требованиям, требует большого опыта и знаний в этой области.

Повышающие или понижающие DC-DC преобразователи полезны в приложениях, где напряжение батареи может быть выше или ниже выходного напряжения регулятора. DC-DC преобразователь должен иметь возможность работать как повышающий или понижающий источник напряжения, чтобы обеспечивать постоянное напряжение нагрузки во всем диапазоне напряжений батареи в течение всей операции.

Принцип работы DC-DC преобразователя

Принцип работы DC-DC-преобразователя очень прост. Индуктор во входном сопротивлении может работать при неожиданных изменениях входного тока. Если переключатель удерживается в высоком положении (включен), то индуктивность питает энергию со входа и сохраняет ее в виде магнитной энергии .

Если переключатель удерживается в низком положении (выключен), он разряжает энергию. Здесь выход конденсатора предполагается высоким, что достаточно для постоянной времени RC-цепи на выходной стороне. Огромная постоянная времени сравнивается с периодом переключения и убеждается, что установившееся состояние представляет собой постоянное выходное напряжение. Оно должно быть Vo(t) = Vo(constant) и присутствовать на клемме нагрузки.

Типы преобразователей постоянного тока в постоянный

1. Магнитные преобразователи

В этих DC-DC преобразователях энергия периодически накапливается и высвобождается из магнитного поля в индукторе или трансформаторе. Диапазон частот составляет от 300 кГц до 10 МГц. Поддерживая рабочий цикл зарядного напряжения, можно легче контролировать количество мощности, которое необходимо непрерывно передавать нагрузке.

Более того, управление может также применяться к входному току, выходному току или для поддержания постоянной мощности через цепь. Преобразователь на основе трансформатора может легко обеспечить изоляцию между входом и выходом.

2. Неизолированные преобразователи

Неизолированные преобразователи в основном используются, когда изменение напряжения сравнительно невелико. Они имеют входной и выходной терминалы на общей земле. Главным недостатком является то, что они не могут обеспечить защиту от высоких электрических напряжений и создают больше шума.

3. Понижающие преобразователи (Step-down/Buck Converters)

В типичном неизолированном понижающем преобразователе выходное напряжение VOUT зависит от входного напряжения VIN и рабочего цикла переключения D силового переключателя.

4. Повышающие преобразователи (Step-up/Boost Converters)

Они используются для повышения уровня постоянного входного напряжения и используют то же количество пассивных компонентов как и аналогичные понижающие преобразователи, но настроенных на повышение входного напряжения таким образом, чтобы выходное напряжение было выше входного.

5. Понижающе-повышающие преобразователи (Buck-Boost Converters)

Эти преобразователи позволяют повышать или понижать входное постоянное напряжение в зависимости от рабочего цикла.

Выходное напряжение определяется соотношением, указанным ниже:

Из приведенного выражения можно заметить, что выходное напряжение всегда имеет обратную полярность по отношению к входному. Поэтому повышающе-понижающий преобразователь также известен как инвертор напряжения.

6. Изолированные преобразователи

Изолированный преобразователь имеет разделение между входными и выходными клеммами. Они обладают высокими свойствами напряжения изоляции. Они могут блокировать шум и помехи. Благодаря этому они способны производить более чистое и желаемое выходное напряжение постоянного тока. Они далее подразделяются на два типа.

а) Обратноходовые преобразователи

Работа этого преобразователя похожа на работу повышающе-понижающего преобразователя неизолирующей категории. Единственное отличие заключается в том, что для хранения энергии он использует трансформатор вместо индуктора в цепи.

б) Преобразователи прямого тока

Работа этого преобразователя основана на использовании трансформатора для передачи энергии между входом и выходом за один шаг.

Преимущества и недостатки DC-DC преобразователей

Преимущества

• Упрощают системы электропитания в схеме.
• Обеспечивают изоляцию первичной и вторичной цепей друг от друга.
• Предоставляют метод расширения потенциала (напряжения) по мере необходимости.
• Доступны в виде гибридной схемы со всеми элементами на одном кристалле.
• Также используются для регулирования и управления постоянным напряжением.
• Выход у них может быть как положительным, так и отрицательным.
• Место для батареи можно уменьшить, используя преобразователь.

Недостатки

• Импульсные преобразователи приводят к большему шуму.
• Они дороги, так как требуется внешняя цепь.
• Прерыватели неэффективны из-за нестабильного напряжения и тока.
• Больше пульсаций тока, больше входной и выходной емкости, больше потерь и т. д.

53 просмотров