В данной статье рассматриваются основные концепции преобразования энергии и представлены наиболее часто используемые топологии для дискретных и модульных конструкций. Также в статье затрагиваются фундаментальные аспекты изоляции и регулирования напряжения.

Преобразование энергии встречается повсюду.
Приложения для преобразования энергии можно найти практически во всех используемых вами технологиях. Возьмем, к примеру, ваш мобильный телефон. Скорее всего, в нем установлена ​​литиевая батарея с номинальным выходным напряжением 3,7 В. Многочисленные микросхемы телефона и связанные с ними приложения могут работать на разных уровнях напряжения, наиболее распространенными из которых являются 1,8 В, 3,3 В или 5,0 В. Приложения для преобразования энергии преобразуют 3,7 В в соответствующий уровень напряжения, либо выше, либо ниже номинального выходного напряжения батареи.
Другой похожий пример — простое, но популярное портативное USB-зарядное устройство, которое позволяет нам заряжать наши электронные устройства где угодно. В нем также используется одна литиевая батарея в корпусе типа «пакет», обеспечивающая напряжение 3,7 В, и преобразователь постоянного тока, который повышает выходное напряжение до стандартного USB-выхода 5 В.
Ваши колонки, телевизор, ноутбук и умные устройства преобразуют напряжение питания до соответствующего уровня для своих внутренних схем.
Методы преобразования переменного/постоянного тока и постоянного/постоянного тока включают два различных способа: линейный и импульсный. Линейный метод широко использовался в оборудовании, питаемом от электросети, но он требовал громоздких компонентов, таких как трансформаторы и большие сглаживающие конденсаторы. Линейные регуляторы до сих пор используются в некоторых специализированных задачах преобразования постоянного тока, но сегодня в большинстве применений используется метод импульсных регуляторов.

Метод импульсного DC/DC-преобразования основан на накоплении энергии в индукторе или конденсаторе. В отличие от линейного метода, выходное напряжение, обеспечиваемое импульсным стабилизатором, может быть выше или ниже входного напряжения. На рисунке 1 показана основная концепция импульсного DC/DC-преобразователя.
Рисунок 1: Функциональная блок-схема DC/DC-преобразователя (источник: Murata)

ШИМ-сигнал подается на полупроводниковый прибор в качестве управляющего воздействия. Коэффициент заполнения (отношение амплитуды к амплитуде импульса) и частота входного ШИМ-сигнала напрямую влияют на эффективность преобразования, регулирование нагрузки и выходное напряжение. По сути, ШИМ-сигнал и переключающийся полупроводник создают схему зарядного насоса для накопления энергии в индукторе или конденсаторе во время цикла включения. Эта энергия высвобождается и выпрямляется во время периода выключения ШИМ-сигнала. К ШИМ-сигналу применяется регулирование выходного напряжения. Изоляция от входа к выходу достигается с помощью трансформатора — в качестве индуктивного элемента — и конденсатора.
За прошедшие годы получили распространение несколько архитектур или топологий DC/DC-преобразователей, которые мы кратко опишем.

Наиболее распространенные топологии преобразователей постоянного тока

преобразователь (или понижающий преобразователь)
преобразует входное напряжение в более низкое выходное напряжение (например, с 5 В постоянного тока до 3,3 В постоянного тока). На рисунке 2 приведено упрощенное объяснение схемы.

Изображение 2: Основная функция понижающего преобразователя (источник: Murata)

На рисунке 2 SW1 обычно представляет собой транзистор, управляемый ШИМ-сигналом, а SW2 — диод. Когда SW1 замкнут или включен, через индуктор протекает ток, и энергия накапливается. Когда SW1 выключен, энергия высвобождается в виде тока, протекающего через диод, представленный SW2, обеспечивая выходное напряжение.
Выходное напряжение понижающего преобразователя зависит от коэффициента заполнения переключающего ШИМ-сигнала, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3: Влияние коэффициента заполнения на выходное напряжение (источник: Murata)

В топологии синхронного понижающего преобразователя диод заменяется другим переключающим элементом, обычно полевым транзистором (FET). Он управляется сигналом переключения, находящимся в противофазе. Полевые транзисторы, как правило, обладают меньшим сопротивлением в прямом смещении, что снижает потери.
Повышающий преобразователь (или ступенчато-усилительный преобразователь):
как следует из названия, в повышающем преобразователе выходное напряжение выше входного. Степень увеличения зависит от нескольких факторов, но для большинства практических применений максимум составляет до пяти раз больше входного напряжения. Для надлежащей стабилизации выходного напряжения более целесообразно значение до трех раз. См. рисунок 4. 

Рисунок 4: Базовая концепция повышающего преобразователя (источник: Murata).
По сравнению с компоновкой понижающего преобразователя на рисунке 2, транзистор S1, индуктор L1 и диод D1 (который на рисунке 1 был переключателем) расположены несколько иначе. Когда S1 включен, энергия накапливается в L1, а когда он выключен, энергия добавляется к входному напряжению, протекающему через входной конденсатор, а затем к выходному конденсатору.
Повышающие и понижающие преобразователи используют очень мало компонентов, и этот метод позволяет им достигать высокой энергоэффективности, обычно до 97%.

Ни понижающие, ни повышающие преобразователи не являются изолированными. Это означает, что на выходе может появиться любое входное напряжение. Если DC/DC-преобразователь питается от источника переменного тока, неисправность может привести к появлению на выходе сетевого напряжения переменного тока, что может иметь потенциально фатальные последствия. Во многих областях применения требуется гальваническая изоляция между входом и выходом, например, в медицине и здравоохранении. Например, одним из способов достижения гальванической изоляции в импульсном регуляторе, когда заземление не является общим, является использование трансформатора. Примером этого является изолированный обратный преобразователь (см. рисунок 5).

Изображение 5: Упрощенная схема изолированного обратного преобразователя (источник: Википедия)

Изолированный реверсивный преобразователь.
В изолированном реверсивном преобразователе трансформатор выступает в роли индуктора, накапливающего энергию, и одновременно обеспечивает изоляцию. Эта топология, пожалуй, является самой простой из всех DC/DC преобразователей, поскольку содержит мало компонентов. Области применения обычно ограничены маломощными устройствами.

Двухтактные, полумостовые и полномостовые преобразователи
— это примеры других топологий изолированного переключения, используемых в настоящее время. Двухтактная схема использует два переключающих элемента, которые распределяют ток, и подходит для мощных приложений. В этой топологии используются разделенные первичная и вторичная обмотки с центральным отводом, что требует более дорогого трансформатора. Полумостовые и полномостовые топологии аналогичны двухтактным, но требуют только одной первичной обмотки. В полумостовой схеме используются два переключающих элемента, а в полномостовой — четыре. (См. рисунок 6.)

Рисунок 6: Упрощенная схема изолированного полномостового DC/DC-преобразователя

Регулирование выходного напряжения:
Помимо выбора конкретной топологии для проектирования DC/DC-преобразователя, важным вопросом является также способ регулирования выходного напряжения. Точное регулирование выходного напряжения при любой нагрузке особенно важно для процессоров с быстро меняющимися динамическими нагрузками. Выходное напряжение должно быстро и точно возвращаться к функции ШИМ-переключения для обеспечения изменения коэффициента заполнения. Сегодня большинство микросхем управления DC/DC-преобразователями включают эту функцию, которая легко реализуется в неизолированной топологии.
Однако поддержание изоляции от входа к выходу требует дополнительных компонентов, что увеличивает стоимость комплектующих. Распространенные методы изолированной обратной связи включают использование дополнительного трансформатора или оптопары. Необходимость в дополнительных компонентах не только увеличивает стоимость комплектующих, но и требования к пространству на печатной плате. А в современных проектах с ограниченным пространством пространство на печатной плате должно быть сведено к минимуму. Помимо учета стоимости комплектующих, важно помнить, что чем больше компонентов используется в конструкции, тем сложнее становятся логистические и снабженческие задачи. Использование большего количества компонентов также негативно скажется на надежности конечного продукта.

Микросхемы и модули DC/DC-преобразователей:
Недавнее инновационное решение использует измерение на первичной стороне для обеспечения гораздо более простого метода регулирования. Во время фазы «ВЫКЛ» обратноходового преобразователя микросхема драйвера измеряет вторичное выходное напряжение, отраженное от трансформатора. Примером микросхемы драйвера обратноходового преобразователя без оптопар является Maxim MAX17687: см. рисунок 7.
Рисунок 7: Пример микросхемы обратноходового преобразователя без оптопар с минимальным количеством компонентов для создания выходного напряжения 12 В/750 мА от источника 16 А 60 В. Maxim MAX17687 (источник: Maxim)

Драйвер MAX17687 включает в себя два встроенных MOSFET-транзистора, способных управлять первичным током до 3,2 А. Благодаря измерению на первичной стороне выходное напряжение регулируется в диапазоне +/-1,2%. Частота ШИМ микросхемы может быть запрограммирована в диапазоне от 100 до 500 кГц, а КПД преобразования обычно превышает 90%.
Примером полного модуля обратного DC/DC преобразователя является серия Murata UWS-Q12 — модуль с открытой рамой и изоляцией, собранный с использованием технологии сквозного монтажа.
Эти модули представляют собой привлекательную альтернативу дискретным DC/DC преобразователям. Во-первых, они значительно упрощают процесс разработки, потенциально приводя к существенному сокращению времени проектирования. Они также выгодны с точки зрения спецификации материалов, уменьшая количество компонентов и упрощая логистику. Еще один аспект, который следует учитывать, заключается в том, что модули, как правило, уже сертифицированы в соответствии с правилами ЭМС/ЭМИ и стандартами охраны труда и техники безопасности, что еще больше упрощает процедуру утверждения продукта.
Компактная серия UWS-Q12 с КПД 91% предлагает стандартные номинальные напряжения на одном выходе 3,3, 5, 12, 15 или 24 В и может выдавать до 54 Вт при входном напряжении от 9 до 36 В. Она включает в себя полный набор функций самозащиты, таких как защита от низкого входного напряжения и перегрева. Изображение 8: Murata UWS-Q12 (источник: Murata)

Серия Traco TSR 1.5E представляет собой практичную замену неэффективным устаревшим линейным регуляторам. Это устройство, работающее по принципу «подключи и работай», рассчитанное на ток 1,5 А, использует неизолированную понижающую (или стробоскопическую) топологию, обеспечивающую КПД до 97%, и работает в широком диапазоне входных напряжений. Устройства этой серии обеспечивают выходное напряжение 3,3 В постоянного тока (заменяет деталь с номером 7803), 5 В постоянного тока (заменяет деталь с номером 7805) и 12 В постоянного тока (заменяет деталь с номером 7812).
Компания TI адаптировала топологию понижающего преобразователя с помощью своей технологии управления DCS (Direct Control Smooth Transition). Модифицированная топология DCS обеспечивает значительно лучшие переходные характеристики, стабилизацию и пульсации, чем синхронный понижающий преобразователь. Компания TI поставляет преобразователь в виде микросхемы драйвера TPS6282x и в виде модуля преобразователя со встроенным индуктором. На рисунке 9 показана функциональная блок-схема неизолированного модуля понижающего преобразователя с интегрированными полевыми транзисторами и индуктором.

Рисунок 9: Функциональная блок-схема модуля понижающего преобразователя TI TPSM82821 с микросхемой контроллера TPS6282x (источник: TI)

Упрощенное преобразование энергии:
В этой статье мы рассмотрели некоторые из наиболее распространенных топологий преобразования постоянного тока и выделили несколько примеров продуктов. Микросхемы преобразователей — это широко распространенный метод преобразования постоянного тока, эффективный с точки зрения занимаемого пространства и стоимости компонентов. Маломощные микросхемы преобразователей, интегрирующие переключающие транзисторы или полевые транзисторы, чрезвычайно популярны во многих промышленных, коммерческих и потребительских товарах. Модули преобразователей постоянного тока, включающие в себя микросхему драйвера, индуктор и все дополнительные компоненты, проще всего интегрировать в конечный продукт и они легко доступны.

Автор: Марк Патрик, Mouser Electronics
www.mouser.com