Универсальный автомобильный преобразователь (конвертер) "DC/DC".

Это простой, универсальный DC/DC - преобразователь (преобразователь одного напряжения постоянного тока в другое). Его входное напряжение может быть от 9 и до 18 В, с выходным напряжением 5-28 вольт, которое может при необходимости быть изменено в пределах примерно от 3 до 50В. Выходное напряжение данного преобразователя может быть как меньше входного, так и больше.
Отдаваемая в нагрузку мощность может доходить до 100 Вт. Средний ток нагрузки преобразователя составляет 2,5-3 ампера (зависит от выходного напряжения, и при выходном напряжении, например 5 вольт - ток нагрузки может быть и 8 ампер и более).
Этот преобразователь подходит для различных целей, таких как - запитывание ноутбуков, усилителей, портативных телевизоров и другой бытовой техники от бортовой сети автомобиля 12V, так-же зарядка мобильных телефонов, устройств USB, 24В техника и др.
Преобразователь устойчив к перегрузкам и коротким замыканиям на выходе, так как входная и выходная цепь - гальванически не связаны между собой, и например выход из строя силового транзистора, не приведёт к выходу из строя подключенной нагрузки, и всего лишь на выходе пропадёт напряжение (ну и перегорит защитный предохранитель).

Рисунок 1.
Схема преобразователя.

Преобразователь построен на микросхеме UC3843. В отличии от обычных схем подобных преобразователей, здесь в качестве энерго-вырабатывающего элемента применён не дроссель, а трансформатор, с соотношением витков 1:1, в связи с чем его вход и выход, гальванически развязаны между собой.
Рабочая частота преобразователя составляет около 90-95 kHz.
Рабочее напряжение конденсаторов С8 и С9 выбирать, в зависимости от выходного напряжения.
Величина резистора R9, определяет порог ограничения преобразователя по току. Чем меньше его величина, тем больше ток ограничения.
Вместо подстроечного резистора R3, можно поставить переменный, и им регулировать выходное напряжение, или поставить ряд постоянных резисторов с фиксированными значениями выходного напряжения, и выбирать их переключателем.
Для расширения диапазона выходных напряжений, необходимо пересчитать делитель напряжения R2, R3, R4, таким образом, чтобы напряжение на выводе 2 микросхемы, составляло 2,5 вольта при необходимом выходном напряжении.

Рисунок 2.
Трансформатор.

Сердечник трансформатора использован от компьютерных блоков питания АТ, АТХ, на котором намотан ДГС (дроссель групповой стабилизации). Сердечник окраски жёлто-белый, можно использовать любые подходящие сердечники. Хорошо подходят и сердечники от подобных БП и сине-зелёной окраски.
Обмотки трансформатора намотаны в два провода и содержат 2х24 витка, проводом, диаметром 1,0 мм. Начала обмоток на схеме обозначены точками.

В качестве выходных силовых транзисторов желательно использовать те, у которых малое сопротивление открытого канала. В частности SUP75N06-07L, SUP75N03-08, SMP60N03-10L, IRL1004, IRL3705N. И выбирать их ещё нужно с максимальным рабочим напряжением, в зависимости от максимального выходного напряжения. Максимальное рабочее напряжение транзистора не должно быть меньше 1,25 от выходного напряжения.
В качестве диода VD1, можно применить спаренный диод Шоттки, с обратным напряжением не менее 40В и максимальным током не менее 15А, так же желательно в корпусе ТО-220. Например SLB1640, или STPS1545 и т.д.

Схема была собрана и протестирована на макетной плате. В качестве силового транзистора был использован полевой транзистор 09N03LA, выдранный из "дохлой материнки". В качестве диода - спаренный диод Шоттки SBL2045CT.

Рисунок 3.
Тест 15V-4A.

Тестирование инвертора при входном напряжении 12 вольт и выходном напряжении 15 вольт. Ток нагрузки инвертора составляет 4 ампера. Мощность нагрузки составляет 60 ватт.

Рисунок 4.
Тест 5V-8A.

Тестирование инвертора при входном напряжении 12 вольт, выходное напряжение 5V и ток нагрузки 8A. Мощность нагрузки составляет 40 ватт. Силовой транзистор применённый в схеме = 09N03LA (SMD из материнки), D1 = SBL2045CT (от комповых БП), R9 = 0R068 (0,068 Ом), C8 = 2 х 4700 10V.

Печатная плата, разработанная для этого устройства, размером 100х38 мм, с учётом установки транзистора и диода на радиатор. Печатка в формате Sprint-Layout 6.0 , прилагается в прикреплении.

Ниже на фотографиях вариант сборки данной схемы с применением SMD-компонентов. Печатка разведена для SMD-компонентов, размером 1206.

Рисунок 5.
Вариант сборки преобразователя.

Если нет необходимости регулировать выходное напряжение на выходе данного преобразователя, то тогда переменный резистор R3 можно исключить, и подобрать резистор R2 так, чтобы выходное напряжение преобразователя соответствовало необходимому.

Архив для статьи

Как вы знаете, для того чтобы зажечь белые и синие светодиоды нужно как минимум 3В, в отличие от красных которые могут светиться от 1,2 до 1,5 вольт в зависимости от типа.

Чтобы белый светодиод начал светится от одной батареи на 1,5 вольт необходимо построить электронную схему под названием . Эти устройства, как правило, используется для получения более высокого выходного напряжения по сравнению с входным постоянным током (DC).

В цепях с переменным током эту функцию . Что бы получить более высокое выходное напряжение достаточно, чтобы соотношение количества витков вторичной обмотки к числу первичной было больше 1 (коэффициент трансформации > 1).

Описание работы преобразователя для светодиода

Возвращаясь к нашему преобразователю постоянного тока, есть множество различных вариантов реализации DC-DC преобразования, многие из которых достаточно сложные. В нашем случае, цель состоит в создании схемы простого и эффективного преобразователя для повышения напряжения от 1,5 В до 3,5 В. Ниже приведена схема подобного DC-DC преобразователя для светодиодов.

Для намотки дросселя необходим феррит, форма и размер которого может быть любыми, но лучше применить сердечник типа «кольцо» (или тора) 1…1,5 см в диаметре. Такой, как правило, используется в качестве фильтра на силовых проводах питания (черный блок рядом с разъемом), также его можно найти в импульсных источниках питания, видеомагнитофонов, сканеров и т.д. Обмотка выполнена проводом ПЭВ-2 диаметром 0,4 мм и содержит 30 витков.

Электронная схема очень проста: она состоит из катушки, двух транзисторов, одного конденсатора и двух резисторов. Набор не впечатляет, но со своей целью справляется. Ток потребления составляет 25 мА, что эквивалентно примерно 50 часам непрерывной работы аккумулятора типа АА. Схема работает достаточно хорошо, обеспечивая средний уровень свечения светодиода.

Входные напряжения до 61 В, выходные напряжения от 0.6 В, выходные токи до 4 А, возможность внешней синхронизации и настройки частоты, а также подстройки тока ограничения, подстройка времени плавного запуска, комплексные защиты нагрузки, широкий рабочий диапазон температур – все эти особенности современных источников питания достижимы при помощи новой линейки DC/DC-преобразователей производства .

В настоящий момент номенклатура микросхем импульсных регуляторов производства компании STMicro (рисунок 1) позволяет создавать источники питания (ИП) со входными напряжениями до 61 В и выходными токами до 4 А.

Задача преобразования напряжения не всегда проста. Каждое конкретное устройство предъявляет свои требования к регулятору напряжения. Иногда главную роль играет цена (потребительская электроника), габариты (портативная электроника), эффективность (устройства с батарейным питанием) или даже скорость разработки изделия. Эти требования зачастую противоречат друг другу. По этой причине не существует идеального и универсального преобразователя напряжения.

В настоящее время применяется несколько типов преобразователей: линейные (стабилизаторы напряжения), импульсные DC/DC-преобразователи, схемы с переносом заряда и даже источники питания на гальванических изоляторах.

Однако наиболее распространенными остаются линейные регуляторы напряжения и понижающие импульсные DC/DC-преобразователи. Основное отличие функционирования этих схем видно из названия. В первом случае силовой ключ работает в линейном режиме, во втором – в ключевом. Основные достоинства, недостатки и области применения этих схем приведены ниже.

Особенности работы линейного регулятора напряжения

Принцип работы линейного регулятора напряжения хорошо известен. Классический интегральный стабилизатор μA723 был разработан еще в 1967 году Р. Видларом. Несмотря на то, что электроника с тех пор ушла далеко вперед, принципы функционирования остались практически неизменными .

Стандартная схема линейного регулятора напряжения состоит из ряда основных элементов (рисунок 2): силового транзистора VT1, источника опорного напряжения (ИОН), схемы компенсационной обратной связи на операционном усилителе (ОУ). Современные регуляторы могут содержать дополнительные функциональные блоки: схемы защиты (от перегрева, от перегрузки по току), схемы управления питанием и др.

Принцип работы таких стабилизаторов достаточно прост. Схема обратной связи на ОУ сравнивает величину опорного напряжения с напряжением выходного делителя R1/R2. На выходе ОУ формируется рассогласование, определяющее напряжение «затвор-исток» силового транзистора VT1. Транзистор работает в линейном режиме: чем больше напряжение на выходе ОУ, тем меньше напряжение «затвор-исток», и тем больше сопротивление VT1.

Такая схема позволяет компенсировать все изменения входного напряжения. Действительно, предположим, что входное напряжение Uвх увеличилось. Это вызовет следующую цепочку изменений: Uвх увеличилось → Uвых увеличится → напряжение на делителе R1/R2 возрастет → выходное напряжение ОУ увеличится → напряжение «затвор-исток» уменьшится → сопротивление VT1 увеличится → Uвых уменьшится.

В результате при изменении входного напряжения выходное напряжение меняется незначительно.

При уменьшении выходного напряжения происходят обратные изменения значений напряжений.

Особенности работы понижающего DC/DC-преобразователя

Упрощенная схема классического понижающего DC/DC-преобразователя (преобразователь I типа, buck-converter, step-down converter) состоит из нескольких основных элементов (рисунок 3): силового транзистора VT1, схемы управления (СУ), фильтра (Lф-Cф), обратного диода VD1 .

В отличие от схемы линейного регулятора транзистор VT1 работает в ключевом режиме.

Цикл работы схемы состоит из двух фаз: фазы накачки и фазы разряда (рисунки 4…5).

В фазе накачки транзистор VT1 открыт и через него протекает ток (рисунок 4). Происходит запасание энергии в катушке Lф и конденсаторе Сф.

В фазе разряда транзистор закрыт, ток через него не протекает. Катушка Lф выступает в качестве источника тока. VD1 – диод, который необходим для протекания обратного тока.

В обеих фазах к нагрузке прикладывается напряжение, равное напряжению на конденсаторе Сф.

Приведенная схема обеспечивает регулирование выходного напряжения при изменении длительности импульса:

Uвых = Uвх × (tи/T)

Если величина индуктивности мала, ток разряда через индуктивность успевает достичь нуля. Такой режим называют режимом прерывистых токов. Он характеризуется увеличением пульсаций тока и напряжения на конденсаторе, что приводит к ухудшению качества выходного напряжения и росту шумов схемы. По этой причине режим прерывистых токов используется редко.

Существует разновидность схемы преобразователя, в которой «неэффективный» диод VD1 заменен на транзистор. Этот транзистор открывается в противофазе с основным транзистором VT1. Такой преобразователь называется синхронным и имеет больший КПД.

Достоинства и недостатки схем преобразования напряжений

Если бы одна из приведенных схем обладала абсолютным превосходством, то вторую бы благополучно забыли. Однако этого не происходит. Это значит, что обе схемы имеют преимущества и недостатки. Анализ схем стоит проводить по широкому кругу критериев (таблица 1).

Таблица 1. Преимущества и недостатки схем регуляторов напряжения

Характеристика	Линейный регулятор	Понижающий DC/DC-преобразователь
Типовой диапазон входных напряжений, В	до 30	до 100
Типовой диапазон выходных токов	сотни мА	единицы А
КПД	низкий	высокий
Точность установки выходного напряжения	единицы %	единицы %
Стабильность выходного напряжения	высокая	средняя
Генерируемый шум	низкий	высокий
Сложность схемной реализации	низкая	высокая
Сложность топологии ПП	низкая	высокая
Стоимость	низкая	высокая

Электрические характеристики. Для любого преобразователя основными характеристиками являются КПД, ток нагрузки, диапазон входного и выходного напряжений.

Значение КПД для линейных регуляторов невелико и обратно пропорционально входному напряжению (рисунок 6). Это связано с тем, что все «лишнее» напряжение падает на транзисторе, работающем в линейном режиме. Мощность транзистора выделяется в виде тепла. Низкий КПД приводит к тому, что диапазон входных напряжений и выходных токов линейного регулятора относительно невелики: до 30 В и до 1 А.

КПД импульсного регулятора значительно выше и меньше зависит от входного напряжения. При этом не редкостью являются входные напряжения более 60 В и нагрузочные токи более 1 А.

Если используется схема синхронного преобразователя, в котором неэффективный обратный диод заменен транзистором, то КПД будет еще выше.

Точность и стабильность выходного напряжения. Линейные стабилизаторы могут иметь чрезвычайно высокую точность и стабильность параметров (доли процента). Зависимость выходного напряжения от изменения входного и от тока нагрузки не превышает единиц процентов.

Импульсный регулятор по принципу функционирования изначально имеет те же источники погрешности, что и линейный регулятор. Кроме того, на отклонение выходного напряжения может существенно сказываться величина протекающего тока.

Шумовые характеристики. Линейный регулятор обладает умеренной шумовой характеристикой. Существуют низкошумящие прецизионные регуляторы, используемые в высокоточной измерительной технике.

Импульсный стабилизатор сам по себе является мощным источником помех, так как силовой транзистор работает в ключевом режиме. Генерируемые помехи делятся на кондуктивные (передающиеся по линиям питания) и индуктивные (передаются через непроводящие среды).

От кондуктивных помех избавляются при помощи фильтров нижних частот. Чем выше рабочая частота преобразователя, тем проще избавиться от помех. В измерительных схемах импульсный регулятор часто используют совместно с линейным стабилизатором. В этом случае уровень помех значительно сокращается.

Избавиться от вредного воздействия индуктивных помех гораздо сложнее. Эти помехи возникают в катушке индуктивности и передаются по воздуху и непроводящим средам. Для их устранения используют экранированные индуктивности, катушки на тороидальном сердечнике. При разводке платы применяют сплошную заливку полигоном земли и/или даже выделяют отдельный слой земли в многослойных платах. Кроме того, сам импульсный преобразователь максимально удаляется от измерительных схем.

Эксплуатационные характеристики. С точки зрения простоты схемной реализации и разводки печатной платы линейные регуляторы предельно просты. Кроме самого интегрального стабилизатора требуется всего пара конденсаторов.

Импульсный преобразователь потребует как минимум внешнего L-C-фильтра. В ряде случаев требуется внешний силовой транзистор и внешний обратный диод. Это приводит к необходимости расчетов и моделирования, а топология печатной платы существенно усложняется. Дополнительное усложнение платы происходит из-за требования к ЭМС.

Стоимость. Очевидно, что в силу большого количества внешних компонентов импульсный преобразователь будет иметь большую стоимость.

В качестве вывода можно определить преимущественные области применения обоих типов преобразователей:

• линейные регуляторы могут применяться в маломощных низковольтных схемах с высокими точностью, стабильностью и требованиями к малым уровням шумов. Примером могут быть измерительные и прецизионные схемы. Кроме того, малые габариты и низкая стоимость итогового решения могут идеально подойти для портативной электроники и бюджетных устройств.
• импульсные регуляторы идеально подойдут для мощных низко- и высоковольтных схем в автомобильной, промышленной и бытовой электронике. Высокий КПД зачастую делает использование DC/DC безальтернативным для портативных устройств и устройств с батарейным питанием.

Иногда возникает необходимость использовать линейные регуляторы при высоких входных напряжениях. В таких случаях можно воспользоваться стабилизаторами производства компании STMicroelectronics, обладающими рабочими напряжениями более 18 В. (таблица 2).

Таблица 2. Линейные регуляторы STMicroelectronics с высоким входным напряжением

Наименование	Описание	Uвх макс, В	Uвых ном, В	Iвых ном, А	Собственное падение, В
		35	5, 6, 8, 9, 10, 12, 15	0.5	2
	Прецизионный регулятор на 500 мА	40	24	0.5	2
	регулятор на 2 А	35	0.225	2	2
,	Подстраиваемый регулятор	40	–	0.1; 0.5; 1.5	2
	регулятор на 3 А	20	–	3	2
	Прецизионный регулятор на 150 мА	40	–	0.15	3
KFxx		20	2.5: 8	0.5	0.4
	Регулятор со сверхнизким собственным падением	20	2.7: 12	0.25	0.4
	Регулятор на 5 А с низким собственным падением и подстройкой выходного напряжения	30	–	1.5; 3; 5	1.3
LExx	Регулятор со сверхнизким собственным падением	20	3; 3.3; 4.5; 5; 8	0.1	0.2
	Регулятор со сверхнизким собственным падением	20	3.3; 5	0.1	0.2
	Регулятор со сверхнизким собственным падением	40	3.3; 5	0.1	0.25
	регулятор на 85 мА с низким собственным падением	24	2.5: 3.3	0.085	0.5
	Прецизионный регулятор отрицательного напряжения	-35	-5; -8; -12; -15	1.5	1.1; 1.4
	Регулятор отрицательного напряжения	-35	-5; -8; -12; -15	0.1	1.7
	Подстраиваемый регулятор отрицательного напряжения	-40	–	1.5	2

Если принято решение о построении импульсного ИП, то следует выбрать подходящую микросхему преобразователя. Выбор осуществляется с учетом ряда основных параметров.

Основные характеристики понижающих импульсных DC/DC-преобразователей

Перечислим основные параметры импульсных преобразователей.

Диапазон входных напряжений (В). К сожалению, всегда есть ограничение не только на максимальное, но и на минимальное входное напряжение. Значение этих параметров всегда выбирается с некоторым запасом.

Диапазон выходных напряжений (В). В силу ограничения на минимальную и максимальную длительность импульса, диапазон значений выходного напряжения ограничен.

Максимальный выходной ток (А). Данный параметр ограничивается целым рядом факторов: максимальной допустимой рассеиваемой мощностью, конечным значением сопротивления силовых ключей и др.

Частота работы преобразователя (кГц). Чем выше частота преобразования, тем проще произвести фильтрацию выходного напряжения. Это позволяет бороться с помехами и снижать значения номиналов элементов внешнего L-C-фильтра, что приводит к увеличению выходных токов и к уменьшению габаритов. Однако рост частоты преобразования увеличивает потери на переключение силовых ключей и увеличивает индуктивную составляющую помех, что явно нежелательно.

КПД (%) является интегральным показателем эффективности и приводится в виде графиков для различных значений напряжений и токов.

Остальные параметры (сопротивление каналов интегральных силовых ключей (мОм), собственный ток потребления (мкА), тепловое сопротивление корпуса и др.) являются менее важными, но их также следует учитывать.

Новые преобразователи производства компании STMicroelectronics имеют высокие входное напряжение и КПД, и их параметры могут быть рассчитаны при помощи бесплатной программы eDesignSuite.

Линейка импульсных DC/DC от ST Microelectronics

Портфолио DC/DC STMicro­electro­nics постоянно расширяется. Новые микросхемы преобразователей имеют расширенный диапазон входных напряжений до 61 В ( / ), высокие выходные токи, выходные напряжения от 0.6 В ( / / ) (таблица 3).

Таблица 3. Новые DC/DC STMicroelectronics

Характеристики	Наименование
								L7987; L7987L
Корпус	VFQFPN-10L	HSOP-8; VFQFPN-8L; SO8	HSOP-8; VFQFPN-8L; SO8	HTSSOP16	VFQFPN-10L; HSOP 8	VFQFPN-10L; HSOP 8	HSOP 8	HTSSOP 16
Входное напряжение Uвх, В	4.0…18	4.0…18	4.0…18	4…38	4.5…38	4.5…38	4.5…38	4.5…61
Выходной ток, А	4	3	4	2	2	3	3	2 (L7987L); 3 (L7987)
Диапазон выходных напряжений, В	0.8…0.88×Uвх	0.8…Uвх	0.8…Uвх	0.85…Uвх	0.6…Uвх	0.6…Uвх	0.6…Uвх	0.8…Uвх
Рабочая частота, кГц	500	850	850	250…2000	250…1000	250…1000	250…1000	250…1500
Внешняя синхронизация частоты (макс), кГц	нет	нет	нет	2000	1000	1000	1000	1500
Функции	Плавный старт; защита от перегрузки по току; защита от перегрева
Дополнительные функции	ENABLE; PGOOD	ENABLE		LNM; LCM; INHIBIT; защита от перегрузки по напряжению	ENABLE			PGOOD; защита от провалов напряжения; подстройка тока отсечки
Диапазон рабочих температур кристалла, °C	-40…150

Все новые микросхемы импульсных преобразователей имеют функции плавного старта, защиты от перегрузки по току и перегрева.

Мощный и довольно хороший повышающий преобразователь напряжения можно построить на основе простого мультивибратора.
В моем случае этот инвертор был построен просто для обзора работы, был сделан также небольшой ролик с работой данного инвертора.

О схеме в целом — простой двухтактный инвертор, проще трудно представить. Задающим генератором и одновременно силовой частью являются мощные полевые транзисторы (желательно использовать ключи типа IRFP260, IRFP460 и аналогичные) подключенные по схеме мультивибратора. В качестве трансформатора можно использовать готовый транс от компьютерного блока питания (самый большой трансформатор).

Для наших целей нужно задействовать обмотки 12 Вольт и среднюю точку (коса, отвод). На выходе трансформатора напряжение может доходить до 260 Вольт. Поскольку выходное напряжение является переменным, то нужно выпрямить диодным мостом. Мост желательно собрать из 4-х отдельных диодов, готовые диодные мосты предназначенны для сетевых частот 50Гц, а в нашей схеме выходная частота в районе 50кГц.

Обязательно использовать импульсные, быстрые или ультрабыстрые диоды с обратным напряжением не ниже 400 Вольт и с допустимым током 1 Ампер и Выше. Можно задействовать диоды MUR460, UF5408,HER307, HER207, UF4007, и другие.
Те же самые диоды рекомендую использовать и в схеме задающей цепи.

Схема инвертора работает на основе параллельного резонанса, следовательно, частота работы будет зависеть от нашего колебательного контура — в лице первичной обмотки трансформатора и конденсатору параллельно этой обмотке.
На счет мощности и работы в целом. Правильно собранная схема в дополнительной наладке не нуждается и работает сразу. В ходе работы ключи не должны вообще греться, если выход трансформатора не нагружен. Холостой ток инвертора может доходить до 300мА — это норма, выше уже проблема.

С хорошими ключами и трансформатором с этой схемы без особых проблем можно снять мощность в районе 300 Ватт, в некоторых случаях даже 500 ватт. Номинал входных напряжений довольно шиток, схема будет работать от источника 6 Вольт до 32 -х Вольт, больше подавать не рискнул.

Дросселя — мотаются проводом 1,2мм на желто-белых кольцах от дросселя групповой стабилизации в компьютерном блоке питания. Количество витков каждого дросселя -7, оба дросселя полностью одинаковы.

Конденсаторы параллельно первичной обмотке может чуть нагреться в ходе работы, поэтому советую использовать высоковольтные конденсаторы с рабочим напряжением 400 Вольт и выше.

Схема проста и полностью работоспособна, но не смотря на простоту и доступность конструкции — это не идеальный вариант. Причина — не самое лучшее управление полевыми ключами. Схема лишена специализированного генератора и управляющей цепи, что делает ее не совсем надежный, если схема предназначена для длительной работы под нагрузкой. Схема может питать ЛДС и устройства, которые имеют встроенные ИИП.

Важное звено — трансформатор, должен быть хорошо намотан и правильно сфазирован, ибо он играет основную роль в надежной работе инвертора.

Первичная обмотка 2х5 витков шиной из 5 -и проводов 0,8 мм. Вторичная обмотка намотана проводом 0,8 мм и содержит 50 витков — это в случае самостоятельной намотки трансформатора.