Как работает понижающий dc преобразователь. LM2596 — понижающий DC-DC преобразователь напряжения

Иногда надо получить высокое напряжение из низкого. Например, для высоковольтного программатора, питающегося от 5ти вольтового USB, надыбать где то 12 вольт.

Как быть? Для этого существуют схемы DC-DC преобразования. А также специализированные микросхемы, позволяющие решить эту задачу за десяток деталек.

Принцип работы
Итак, как сделать из, например, пяти вольт нечто большее чем пять? Способов можно придумать много — например заряжать конденсаторы параллельно, а потом переключать последовательно. И так много много раз в секунду. Но есть способ проще, с использованием свойств индуктивности сохранять силу тока.

Чтобы было предельно понятно покажу вначале пример для сантехников.

Фаза 1

Заслонка резко закрывается. Потоку больше деваться некуда, а турбина, будучи разогнанной продолжает давить жидкость вперед, т.к. не может мгновенно встать. Причем давит то она ее с силой большей чем может развить источник. Гонит жижу через клапан в аккумулятор давления. Откуда же часть (уже с повышеным давлением) уходит в потребитель. Откуда, благодаря клапану, уже не возвращается.

Фаза 3

И вновь заслонка закрывается, а турбина начинает яростно продавливать жидкость в аккумулятор. Восполняя потери которые там образовались на фазе 3.

Назад к схемам
Вылезаем из подвала, скидываем фуфайку сантехника, забрасываем газовый ключ в угол и с новыми знаниями начинаем городить схему.

Вместо турбины у нас вполне подойдет индуктивность в виде дросселя. В качестве заслонки обычный ключ (на практике — транзистор), в качестве клапана естественно диод, а роль аккумулятора давления возьмет на себя конденсатор. Кто как не он способен накапливать потенциал. Усе, преобразователь готов!

Фаза 1

Ключ размыкается, но катушку уже не остановить. Запасенная в магнитном поле энергия рвется наружу, ток стремится поддерживаться на том же уровне, что и был в момент размыкания ключа. В результате, напряжение на выходе с катушки резко подскакивает (чтобы пробить путь току) и прорвавшись сквозь диод набивается в конденстор. Ну и часть энергии идет в нагрузку.

Фаза 3

Ключ размыкается и энергия из катушки вновь ломится через диод в конденсатор, повышая просевшее за время фазы 3 напряжение. Цикл замыкается.

Как видно из процесса, видно, что за счет большего тока с источника, мы набиваем напряжение на потребителе. Так что равенство мощностей тут должно соблюдаться железно. В идеальном случае, при КПД преобразователя в 100%:

U ист *I ист = U потр *I потр

Так что если наш потребитель требует 12 вольт и кушает при этом 1А, то с 5 вольтового источника в преобразователь нужно вкормить целых 2.4А При этом я не учел потерь источника, хотя обычно они не очень велики (КПД обычно около 80-90%).

Если источник слаб и отдать 2.4 ампера не в состоянии, то на 12ти вольтах пойдут дикие пульсации и понижение напряжения — потребитель будет сжирать содержимое конденсатора быстрей чем его туда будет забрасывать источник.

Схемотехника
Готовых решений DC-DC существует очень много. Как в виде микроблоков, так и специализированных микросхем. Я же не буду мудрить и для демонстрации опыта приведу пример схемы на MC34063A которую уже использовал в примере .

SWC/SWE выводы транзисторного ключа микросхемы SWC — это его коллектор, а SWE — эмиттер. Максимальный ток который он может вытянуть — 1.5А входящего тока, но можно подключить и внешний транзистор на любой желаемый ток (подробней в даташите на микросхему).
DRC — коллектор составного транзистора
Ipk — вход токовой защиты. Туда снимается напряжение с шунта Rsc если ток будет превышен и напряжение на шунте (Upk = I*Rsc) станет выше чем 0.3 вольта, то преобразователь заглохнет. Т.е. для ограничения входящего тока в 1А надо поставить резистор на 0.3 Ом. У меня на 0.3 ома резистора не было, поэтому я туда поставил перемычку. Работать будет, но без защиты. Если что, то микросхему у меня убьет.
TC — вход конденсатора, задающего частоту работы.
CII — вход компаратора. Когда на этом входе напряжение ниже 1.25 вольт — ключ генерирует импульсы, преобразователь работает. Как только становится больше — выключается. Сюда, через делитель на R1 и R2 заводится напряжение обратной связи с выхода. Причем делитель подбирается таким образом, чтобы когда на выходе возникнет нужное нам напряжение, то на входе компаратора как раз окажется 1.25 вольт. Дальше все просто — напряжение на выходе ниже чем надо? Молотим. Дошло до нужного? Выключаемся.
Vcc — Питание схемы
GND — Земля

Все формулы по расчету номиналов приведены в даташите. Я же скопирую из него сюда наиболее важную для нас таблицу:

Вытравил, спаял…

Вот так вот. Простая схемка, а позволяет решить ряд проблем.

Сегодня мы рассмотрим инструкцию пошагового создания универсального DC DC преобразователя. Для чего нужен он нужен?

Чтобы полноценно ответить на этот вопрос, ознакомимся с характеристиками:

Входное напряжение	10–25В
Выходное напряжение	0–30В
Выходной ток	до 2А (тут есть некоторые особенности, их затронем при расчете дросселя)

Как видим из характеристик, такой преобразователь можно использовать в автомобиле для повышения или понижения напряжения 12В. Также можно подключить такой самодельный DC DC преобразователь на выход компьютерного блока питания и без переделки получать с него разные напряжения.

Ну или же можно взять блок питания от ноутбука и опять же получать на выходе любое напряжение. Это очень удобно, поскольку не нужно заботиться о питающем напряжении.

Повышающий/понижающий DC DC преобразователь - схема

Тут у нас всем знакомая tl494, ей уже много лет, но она до сих пор не сдает свои позиции.

К слову, мы уже рассматривали, как создать .

Сначала была идея создать DC DC преобразователь на UС3843, но она оказалась неудачной. Плюс если делать регулировку по току, то нужно ставить второй шунт, а это снижает итоговый КПД устройства.

В изделии по схеме есть регулировка напряжения, тока, а также установлен драйвер полевика. С ним немного уменьшился нагрев.

Также можно увидеть, что ограничена максимальная ширина выходного импульса, так как при максимальном заполнении схема уходила в непонятный режим, жрала много тока, но на выходе напряжение падало.

Максимальное выходное напряжение равняется 30В.

Если нужно больше, то придется пересчитать номинал вот этих резисторов:

Причем с таким расчетом, чтобы при нужном выходном напряжении в точке делителя было 5В.

Также у нас ограничен ток, он составляет 2А. Если нужно больше, то необходимо пересчитать вот этот резистор:

Тут уже немного сложнее. Для начала необходимо выяснить сколько вольт упадет на шунте. К примеру, нам нужен ток 4А. Тогда смотрим, при каком токе на резисторе упадет 0,4В.

Теперь пересчитываем резистор. Нужно, чтобы в точке деления переменного и постоянного резистора, напряжение было 0,4В. Для этого можно воспользоваться онлайн-калькулятором.

Схему и печатную плату можно скачать ниже.

Файлы для скачивания:

Принцип работы DC DC преобразователя по схеме

Точка отсчета - устройство выключено.

Подаем питание. Ключ разомкнут, а значит ток течет через катушку индуктивности, конденсатор и диод прямо в нагрузку и выходной конденсатор.

Дальше происходит замыкание ключа. В этот момент в катушке L1 накапливается энергия. Проходной конденсатор был заряжен напряжением питания, и поскольку после замыкания ключа он оказывается включенным параллельно индуктивности L2, то он ее заряжает. Напряжение с L2 не может уйти в нагрузку, так как там стоит диод и у него на катоде напряжение выше, чем на аноде.

Теперь ключ снова размыкаем, и напряжение на L1 складывается с напряжением самоиндукции.

Таким образом, на проходной конденсатор и нагрузку идет уже повышенное напряжение.

Изменяя коэффициент заполнения ШИМ, мы изменяем выходное напряжение.

Если ширина импульса достаточно маленькая, то и величина самоиндукции меньше, а, следовательно, выходное напряжение уменьшается. Преимущество такой схемы перед обыкновенным повышающим DC DC преобразователем в том, что здесь установлен проходной конденсатор, который в случае короткого замыкания не даст выйти из строя схеме.

Монтаж повышающего/понижающего DC DC преобразователя своими руками

Как уже говорилось выше, некоторые компоненты схемы необходимо рассчитать, благо в сети есть много готовых онлайн калькуляторов.

Смотрите также

Как же в реальной жизни их намотать катушки с нужной индуктивностью? Те, у кого есть ESR метр скажут, что тут нет ничего сложного, мотаешь и смотришь параметры.

Но этот ESR метр показывает с очень большой погрешностью, поэтому предлагает воспользоваться программой DrosselRing. В ней вводим все необходимые параметры, а также указываем какой у нас сердечник. Если никаких нет под рукой, то достаем 2 одинаковых желтых кольца из компьютерного блока питания.

Ну и осталось намотать наши дроссели, это уже не составит особого труда.

Получилось довольно-таки неплохо. Казалось бы, все сложности уже позади, но нет, впереди еще разводка печатной платы DC DC. Преобразователя. Чтобы максимально компактно расположить все элементы, понадобится немало времени.

Для крепления можно сделать плату немного больше и добавить по бокам отверстия, но это уже на ваше усмотрение.

Плата готова, просверлены отверстия, настала очередь запайки. Тут есть один важный момент: необходимо поднять силовые элементы выше над платой, так как потом их невозможно будет достать отверткой.

Теперь необходимо установить транзистор и диод на радиатор. Мы используем вот такой алюминиевый профиль, он имеет неплохие габариты и сможет нормально охлаждать схему.

Это DC-DC преобразователь напряжения с 5-13 В на входе, до 12 В выходного постоянного тока 1,5 А. Преобразователь получает меньшее напряжение и дает более высокое на выходе, чтобы использовать там где есть напряжение меньшее требуемых 12 вольт. Часто он используется для увеличения напряжения имеющихся батареек. Это по сути интегральный DC-DC конвертер. Для примера: есть литий-ионный аккумулятор 3,7 В, и его напряжение с помощью данной схемы можно изменить, чтобы обеспечить необходимые 12 В на 1,5 А.

Преобразователь легко построить самостоятельно. Основным компонентом является микросхема MC34063, которая состоит из источника опорного напряжения (температурно-компенсированного), компаратора, генератора с активным контуром ограничения пикового тока, вентиля (элемент "И"), триггера и мощного выходного ключа с драйвером и требуется только несколько дополнительных электронных компонентов в обвязку для того чтобы он был готов. Эта серия микросхем была специально разработана, чтобы включены их в состав различных преобразователей.

Достоинства микросхемы MC34063A

Работа от 3 до 40 В входа
Низкий ток в режиме ожидания
Ограничение тока
Выходной ток до 1,5 A
Выходное напряжение регулируемое
Работа в диапазоне частот до 100 кГц
Точность 2%

Описание радиоэлементов

R - Все резисторы 0,25 Вт.
T - TIP31-NPN силовой транзистор. Весь выходной ток проходит через него.
L1 - 100 мкГн ферритовые катушки. Если придётся делать самостоятельно, нужно приобрести тороидальные ферритовые кольца наружным диаметром 20 мм и внутренним диаметром 10 мм, тоже 10 мм высотой и проволоку 1 - 1,5 мм толщиной на 0,5 метра, и сделать 5 витков на равных расстояниях. Размеры ферритового кольца не слишком критичны. Разница в несколько (1-3 мм) приемлема.
D - диод Шоттки должен быть использован обязательно
TR - многовитковый переменный резистор, который используется здесь для точной настройки выходного напряжения 12 В.
C - C1 и C3 полярные конденсаторы, поэтому обратите внимание на это при размещении их на печатной плате.

Список деталей для сборки

Резисторы: R1 = 0.22 ом x1, R2 = 180 ом x1, R3 = 1,5 K x1, R4 = 12K x1
Регулятор: TR1 = 1 кОм, многооборотный
Транзистор: T1 = TIP31A или TIP31C
Дроссель: L1 = 100 мкГн на ферритовом кольце
Диод: D1 - шоттки 1N5821 (21V - 3A), 1N5822 (28V - 3A) или MBR340 (40В - 3A)
Конденсаторы: C1 = 100 мкФ / 25V, C2 = 0.001 мкФ, C3 = 2200 мкФ / 25V
Микросхема: MC34063
Печатная плата 55 x 40 мм

Заметим, что необходимо установить небольшой алюминиевый радиатор на транзистор T1 - TIP31, в противном случае этот транзистор может быть поврежден из-за повышенного нагрева, особенно на больших токах нагрузки. Даташит и рисунок печатной платы

Двухтактный генератор импульсов, в котором за счет пропорционального токового управления транзисторами существенно уменьшены потери на их переключение и повышен КПД преобразователя, собран на транзисторах VT1 и VT2 (КТ837К). Ток положительной обратной связи протекает через обмотки III и IV трансформатора Т1 и нагрузку, подключенную к конденсатору С2. Роль диодов, выпрямляющих выходное напряжение, выполняют эмиттерные переходы транзисторов.

Особенностью генератора является срыв колебаний при отсутствии нагрузки, что автоматически решает проблему управления питанием. Проще говоря, такой преобразователь будет сам включаться тогда, когда от него потребуется что-нибудь запитать, и выключаться, когда нагрузка будет отключена. То есть, батарея питания может быть постоянно подключена к схеме и практически не расходоваться при отключенной нагрузке!

При заданных входном UВx. и выходном UBыx. напряжениях и числе витков обмоток I и II (w1) необходимое число витков обмоток III и IV (w2) с достаточной точностью можно рассчитать по формуле: w2=w1 (UВых. - UBх. + 0,9)/(UВx - 0,5). Конденсаторы имеют следующие номиналы. С1: 10-100 мкф, 6.3 В. С2: 10-100 мкф, 16 В.

Транзисторы следует выбирать, ориентируясь на допустимые значения тока базы (он не должен быть меньше тока нагрузки!!! ) и обратного напряжения эмиттер - база (оно должно быть больше удвоенной разности входного и выходного напряжений!!! ) .

Модуль Чаплыгина я собрал для того, чтобы сделать устройство для подзарядки своего смартфона в походных условиях, когда смартфон нельзя зарядить от розетки 220 В. Но увы... Максимум, что удалось выжать, используя 8 батареек соединенных параллельно, это около 350-375 мА зарядного тока при 4.75 В. выходного напряжения! Хотя телефон Nokia моей жены удается подзаряжать таким устройством. Без нагрузки мой Модуль Чаплыгина выдает 7 В. при входном напряжении 1.5 В. Он собран на транзисторах КТ837К.

На фото выше изображена псевдокрона, которую я использую для питания некоторых своих устройств, требующих 9 В. Внутри корпуса от батареи Крона находится аккумулятор ААА, стерео разъем, через который он заряжается, и преобразователь Чаплыгина. Он собран на транзисторах КТ209.

Трансформатор T1 намотан на кольце 2000НМ размером К7х4х2, обе обмотки наматывают одновременно в два провода. Чтобы не повредить изоляцию об острые наружные и внутренние грани кольца притупите их, скруглив острые края наждачной бумагой. Вначале мотаются обмотки III и IV (см. схему) которые содержат по 28 витков провода диаметром 0,16мм затем, так же в два провода, обмотки I и II которые содержат по 4 витка провода диаметром 0,25мм.

Удачи и успехов всем, кто решится на повторение преобразователя! :)