Устройствами с батарейным питанием сейчас уже никого не удивишь, всевозможных игрушек и гаджетов питающихся от аккумулятора или батарейки найдется с десяток в каждом доме. Между тем, мало кто задумывался над количеством разнообразных преобразователей, которые используются для получения необходимых напряжений или токов от стандартных батарей. Эти самые преобразователи делятся на несколько десятков различных групп, каждая со своими особенностями, однако в данный момент времени мы говорим про понижающие и повышающие преобразователи напряжения, которые чаще всего называются AC/DC и DC/DC преобразователями. В большинстве случаев для построения таких конвертеров используются специализированные микросхемы, позволяющие с минимальным количеством обвязки построить преобразователь определенной топологии, благо микросхем питания на рынке сейчас великое множество.
Рассматривать особенности применения данных микросхем можно бесконечно долго, особенно с учетом целой библиотеки даташитов и аппноутов от производителей, а также бесчисленного числа условно-рекламных обзоров от представителей конкурирующих фирм, каждая из которых старается представить свой продукт наиболее качественным и универсальным. В этот раз мы будем использовать дискретные элементы, на которых соберем несколько простейших повышающих DC/DC преобразователей, служащих для того, чтобы запитать небольшое маломощное устройство, к примеру, светодиод, от 1 батарейки с напряжением 1,5 вольт. Данные преобразователи напряжения можно смело считать проектом выходного дня и рекомендовать для сборки тем, кто делает свои первые шаги в удивительный мир электроники.
На данной схеме представлен релаксационный автогенератор, представляющий собой блокинг-генератор со встречным включением обмоток трансформатора. Принцип работы данного преобразователя следующий: при включении, ток протекающий через одну из обмоток трансформатора и эмиттерный переход транзистора - открывает его, в результате чего он открывается и больший ток начинает течь через вторую обмотку трансформатора и открытый транзистор. В результате в обмотке, подключенной к базе транзистора наводится ЭДС, запирающая транзистор и ток через него обрывается. В этот момент энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора, в результате явления самоиндукции, высвобождается и через светодиод начинает протекать ток, заставляющий его светиться. Затем процесс повторяется.
Компоненты, из которых можно собрать этот простой повышающий преобразователь напряжения, могут быть совершенно различными. Схема, собранная без ошибок, с огромной долей вероятности будет корректно работать. Мы пробовали использовать даже транзистор МП37Б - преобразователь отлично функционирует! Самым сложным является изготовление трансформатора - его надо намотать сдвоенным проводом на ферритовом колечке, при этом количество витков не играет особой роли и находится в диапазоне от 15 до 30. Меньше - не всегда работает, больше - не имеет смысла. Феррит - любой, брать N87 от Epcos не имеет особого смысла, также как и разыскивать M6000НН отечественного производства. Токи в цепи протекают мизерные, поэтому размер колечка может быть очень небольшим, внешнего диаметра в 10 мм будет более чем достаточно. Резистор сопротивлением около 1 килоома (никакой разницы между резисторами номиналом в 750 Ом и 1,5 КОм обнаружено не было). Транзистор желательно выбрать с минимальным напряжением насыщения, чем оно меньше - тем более разряженную батарейку можно использовать. Экспериментально были проверены: МП 37Б, BC337, 2N3904, MPSH10. Светодиод - любой имеющийся, с оговоркой, что мощный многокристальный будет светиться не в полную силу.
Собранное устройство выглядит следующим образом:
Размер платы 15 х 30 мм, и может быть уменьшен до менее чем 1 квадратного сантиметра при использовании SMD-компонентов и достаточно маленького трансформатора. Без нагрузки данная схема не работает.
Вторая схема - это типовой степ-ап преобразователь, выполненный на двух транзисторах. Плюсом данной схемы является то, что при её изготовлении не надо мотать трансформатор, а достаточно взять готовый дроссель , но она содержит больше деталей, чем предыдущая.
Принцип работы сводится к тому, что ток через дроссель периодически прерывается транзистором VT2, а энергия самоиндукции направляется через диод в конденсатор C1 и отдается в нагрузку. Опять же, схема работоспособна с совершенно различными компонентами и номиналами элементов. Транзистор VT1 может быть BC556 или BC327, а VT2 BC546 или BC337, диод VD1 - любой диод Шоттки, например, 1N5818. Конденсатор C1 - любого типа, емкостью от 1 до 33 мкФ, больше не имеет смысла, тем более, что можно и вовсе обойтись без него. Резисторы - мощностью 0,125 или 0,25 Вт (хотя можно поставить и мощные проволочные, ватт эдак на 10, но это скорее расточительство чем необходимость) следующих номиналов: R1 - 750 Ом, R2 - 220 КОм, R3 - 100 КОм. При этом, все номиналы резисторов могут быть совершенно свободно заменены на имеющие в наличии в пределах 10-15% от указанных, на работоспособности правильно собранной схемы это не сказывается, однако влияет на минимальное напряжение, при котором может работать наш преобразователь.
Самая важная деталь - дроссель L1, его номинал также может отличаться от 100 до 470 мкГн (экспериментально проверены номиналы до 1 мГн - схема работает стабильно), а ток на который он должен быть рассчитан не превышает 100 мА. Светодиод - любой, опять же с учетом того, что выходная мощность схемы весьма невелика.Правильно собранное устройство сразу же начинает работать и не нуждается в настройке.
Напряжение на выходе можно стабилизировать, установив стабилитрон необходимого номинала параллельно конденсатору C1, однако следует помнить, что при подключении потребителя напряжение может проседать и становиться недостаточным. ВНИМАНИЕ! Без нагрузки данная схема может вырабатывать напряжение в десятки или даже сотни вольт! В случае использования без стабилизируещего элемента на выходе, конденсатор C1 окажется заряжен до максимального напряжения, что в случае последующего подключения нагрузки может привести к её выходу из строя!
Преобразователь также выполнен на плате размером 30 х 15 мм, что позволяет прикрепить его на батарейный отсек типа размера AA. Разводка печатной платы выглядит следующим образом:
Обе простые схемы повышающих преобразователей можно сделать своими руками и с успехом применять в походных условиях, например в фонаре или светильнике для освещения палатки, а также в различных электронных самоделках, для которых критично использование минимального количества элементов питания.
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
Сегодня мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать - простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)
Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного. Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
- - понижающие, повышающие, инвертирующие;
- - стабилизированные, нестабилизированные;
- - гальванически изолированные, неизолированные;
- - с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы - они проще в сборке и не капризны при настройке. Итак, приводим для ознакомления 14 схем на любой вкус:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка - 2х10 витков, вторичная обмотка - 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.
Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.
Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.
Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент - дроссель L1.
Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД - 94%, ток нагрузки - до 200 мА.
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 - накопители энергии.
8. Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД - 90%.
Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле: Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)
Интегральный инвертор напряжения, КПД - 98%.
Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.
Индуктивность первичной обмотки трансформатора Т1 - 22 мкГн, отношение витков первичной обмотки к каждой вторичной - 1:2.5.
Типовая схема стабилизированного повышающего преобразователя на микросхеме фирмы MAXIM.
Компания STMicroelectronics выпускает микросхемы для создания неизолированных DC/DC-преобразователей с высокими качественными показателями, требующие небольшого количества внешних компонентов.
Постоянное развитие ИС для DC/DC-преобразователей характеризуется следующими факторами:
- повышением рабочих частот преобразования (максимальная частота преобразования для микросхем STMicroelectronics составляет 1,7МГц), что позволяет резко уменьшить размеры внешних компонентов и минимизировать площадь печатной платы;
- уменьшением размеров корпусов микросхем благодаря высоким частотам преобразования (корпус DFN6D имеет размеры всего 3х3мм);
- повышением удельной плотности выходного тока (корпус DFN6D обеспечивает выходной ток до 2,0А; корпуса DFN8 и PowerSO-8 могут работать при токах до 3,0А);
- повышением КПД и снижением потребляемой мощности при отключенном состоянии, что особенно важно для приборов с автономным питанием.
Компания STM разделяет свои микросхемы для неизолированных DC/DC-преобразователей на две группы. Первая группа имеет рабочую частоту до 1 МГц (параметры сведены в таблицу 1), вторая группа — с частотой преобразования 1,5 и 1,7 МГц (параметры см. в таблице 2). Во вторую группу добавлены также и микросхемы серии ST1S10 с номинальной частотой преобразования 0,9 МГц (максимальная частота преобразования для этих микросхем может достигать 1,2 МГц). Микросхемы серии ST1S10 могут работать при синхронизации от внешнего генератора в диапазоне частот от 400 кГц до 1,2 МГц.
Таблица 1. Микросхемы STMicroelectronics для DC/DC-преобразователей с частотой преобразования до 1 МГц
| Наименование | Топология | Vвх., В | Vвых., В | Iвых., А | Частота преобразования, МГц |
Вход отключения |
Корпус |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| L296 | Step-down | 9…46 | 5,1…40 | 4 | до 200 | Есть | MULTIWATT-15 |
| L4960 | Step-down | 9…46 | 5,1…40 | 2,5 | до 200 | Нет | HEPTAWATT-7 |
| L4962 | Step-down | 9…46 | 5,1…40 | 1,5 | до 200 | Есть | HEPTAWATT-8, DIP-16 |
| L4963 | Step-down | 9…46 | 5,1…40 | 1,5 | 42…83 | Нет | DIP-18, SO-20 |
| L4970A | Step-down | 12…50 | 5,1…50 | 10 | до 500 | Нет | MULTIWATT-15 |
| L4971 | Step-down | 8…55 | 3,3…50 | 1,5 | до 300 | Есть | DIP-8, SO-16W |
| L4972A | Step-down | 12…50 | 5,1…40 | 2 | до 200 | Нет | DIP-20, SO-20 |
| L4973D3.3 | Step-down | 8…55 | 0,5…50 | 3,5 | до 300 | Есть | DIP-8, SO-16W |
| L4973D5.1 | Step-down | 8…55 | 5,1…50 | 3,5 | до 300 | Есть | DIP-8, SO-16W |
| L4974A | Step-down | 12…50 | 5,1…40 | 3,5 | до 200 | Нет | MULTIWATT-15 |
| L4975A | Step-down | 12…50 | 5,1…40 | 5 | до 500 | Нет | MULTIWATT-15 |
| L4976 | Step-down | 8…55 | 0,5…50 | 1 | до 300 | Есть | DIP-8, SO-16W |
| L4977A | Step-down | 12…50 | 5,1…40 | 7 | до 500 | Нет | MULTIWATT-15 |
| L4978 | Step-down | 8…55 | 3,3…50 | 2 | до 300 | Есть | DIP-8, SO-16W |
| L5970AD | Step-down | 4,4…36 | 0,5…35 | 1 | 500 | Есть | SO-8 |
| L5970D | Step-down | 4,4…36 | 0,5…35 | 1 | 250 | Есть | SO-8 |
| L5972D | Step-down | 4,4…36 | 1,23…35 | 1,5 | 250 | Нет | SO-8 |
| L5973AD | Step-down | 4,4…36 | 0,5…35 | 1,5 | 500 | Есть | HSOP-8 |
| L5973D | Step-down | 4,4…36 | 0,5…35 | 2 | 250 | Есть | HSOP-8 |
| L5987A | Step-down | 2,9…18 | 0,6…Vвх. | 3 | 250…1000 | Есть | HSOP-8 |
| L6902D | Step-down | 8…36 | 0,5…34 | 1 | 250 | Нет | SO-8 |
| L6920D | Step-up | 0,6…5,5 | 2…5,2 | 1 | до 1000 | Есть | TSSOP-8 |
| L6920DB | Step-up | 0,6…5,5 | 1,8…5,2 | 0,8 | до 1000 | Есть | miniSO-8 |
Таблица 2. Микросхемы для понижающих DC/DC-преобразователей с частотой преобразования от 0,9 до 1,7 МГц
| Серия | Наименование | Iвых., А | Vвх.,В | Vвых., В | Частота преобразования, МГц |
Вход отключения |
Корпус |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ST1S03 | ST1S03PUR | 1,5 | 3…16 | 0,8…12 | 1,5 | Нет | DFN6D (3х3 мм) |
| ST1S03A | ST1S03AIPUR | 3…5.5 | 0,8…5.5 | 1,5 | Есть | DFN6D (3х3 мм) | |
| ST1S03APUR | 1,5 | Нет | |||||
| ST1S06 | ST1S06PUR | 2,7…6 | 0,8…5.5 | 1,5 | Есть | DFN6D (3х3 мм) | |
| ST1S06A | ST1S06APUR | 1,5 | Нет | ||||
| ST1S06xx12 | ST1S06PU12R | 2,7…6 | 1,2 | 1,5 | Есть | DFN6D (3×3 мм) | |
| ST1S06xx33 | ST1S06PU33R | 3,3 | 1,5 | Есть | |||
| ST1S09 | ST1S09IPUR | 2,0 | 2,7…5,5 | 0,8…5 | 1,5 | Есть | DFN6D (3х3 мм) |
| ST1S09PUR | 1,5 | Нет | |||||
| ST1S10 | ST1S10PHR | 3,0 | 2,5…18 | 0,8…0,85Vвх. | 0,9 (0,4…1,2)* | Есть | PowerSO-8 |
| ST1S10PUR | DFN8 (4×4 мм) | ||||||
| ST1S12xx | ST1S12GR | 0,7 | 2,5…5,5 | 1,2…5 | 1,7 | Есть | TSOT23-5L |
| ST1S12xx12 | ST1S12G12R | 1,2 | |||||
| ST1S12xx18 | ST1S12G18R | 1,8 | |||||
| * - в скобках указан диапазон частот преобразования при синхронизации от внешнего генератора. | |||||||
Основная часть микросхем для DC/DC-преобразователей из таблицы 1 имеет частоту преобразования до 300 кГц. На таких частотах облегчается выбор индуктивностей на выходе DC/DC, т. к. для рабочих частот микросхем из таблицы 2 (1,5 и 1,7 МГц) на частотные характеристики индуктивностей необходимо обращать особое внимание. На рисунках 1 и 2 в качестве примеров приведены рекомендуемые производителем схемы включения микросхем L5973D (выходной ток до 2,0 А при частоте преобразования 250 кГц) и ST1S06 (выходной ток до 1,5 А при частоте преобразования 1,5 МГц).
Рис. 1.
Рис. 2.
Из рисунков 1 и 2 видно, что микросхемы с относительно низкими частотами преобразования по современным меркам требуют большего количества внешних электронных компонентов, имеющих увеличенные размеры по сравнению с компонентами преобразователей, работающих на частотах более 1 МГц. Микросхемы для DC/DC из таблицы 2 обеспечивают гораздо меньшие размеры печатной платы, но необходимо более внимательно относиться к разводке проводников для уменьшения излучаемых электромагнитных помех.
Некоторые микросхемы позволяют управлять включением и выключением конвертеров благодаря наличию входа INHIBIT. Пример включения таких микросхем приведен на рис. 3. ST1S09 (без входа INHIBIT) и ST1S09I (с входом INHIBIT). В нижней части этого рисунка приведены рекомендуемые значения номиналов резисторов R1 и R2 для формирования выходных напряжений 1,2 и 3,3 В.
Рис. 3.
При наличии на входе управления VINH высокого уровня напряжения (более 1,3 В) микросхема ST1S09I находится в активном состоянии; при напряжении на этом входе менее 1,4 В DC/DC-преобразователь отключается (собственное потребление при этом составляет менее 1 мкА). Вариант микросхемы без входа управления на выводе 6 вместо входа VINH имеет выход «PG = Power Good» (питание в норме). Формирование сигнала «Power Good» проиллюстрировано на рис. 4. Когда на входе «FB» (FeedBack или вход обратной связи) достигается значение 0,92хVFB, происходит переключение компаратора, и на выходе PG формируется высокий уровень напряжения, информирующий о том, что выходное напряжение находится в допустимых пределах.
Рис. 4.
Эффективность преобразования
на примере микросхем ST1S09 и ST1S09I
Эффективность понижающего DC/DC-преобразователя сильно зависит от параметров интегрированных в микросхемы транзисторов с изолированным затвором (MOSFET), выполняющих роль ключа. Одна из проблем высокочастотных преобразователей связана с током заряда затвора транзистора при управлении им с помощью ШИМ-контроллера. Потери в этом случае практически не зависят от тока в нагрузке. Вторая проблема, снижающая КПД, — рассеиваемая в транзисторе мощность во время переключения из одного состояния в другое (в эти промежутки времени транзистор работает в линейном режиме). Уменьшить потери можно, обеспечив более крутые фронты переключения, но это повышает электромагнитные шумы и помехи по цепям питания. Еще одна причина снижения КПД преобразователя — наличие активного сопротивления «сток — исток» (Rdson). В правильно спроектированной схеме КПД достигает максимального значения при равенстве статических (омических) и динамических потерь. Следует учесть, что выходной выпрямительный диод также вносит свою долю динамических и статических потерь. Некорректно выбранная индуктивность на выходе DC/DC-преобразователя может дополнительно существенно снизить эффективность преобразования, что заставляет помнить и об ее высокочастотных свойствах. В самом плохом случае на высоких частотах преобразования выходной дроссель может потерять свои индуктивные свойства, и преобразователь просто не будет работать.
Компания STMicroelectronics уже много лет выпускает мощные полевые транзисторы и диоды с очень высокими динамическими и статическими характеристиками. Обладание отлаженной технологией производства транзисторов MOSFET позволяет компании интегрировать свои полевые транзисторы в микросхемы для DC/DC-преобразователей и достигать высоких значений КПД преобразования.
На рис. 5 (а, б, в) в качестве примера приведены типовые зависимости эффективности преобразования от некоторых параметров при разных условиях работы. Графики зависимости КПД от величины выходного тока достигают максимальных значений около 95% при токе 0,5 А. Далее спад этих характеристик довольно пологий, что характеризует лишь небольшое увеличение потерь при росте выходного тока до максимального значения.
Рис. 5а.
На рис. 5б показаны зависимости КПД от уровня выходного напряжения DC/DC-преобразователей на микросхемах ST1S09 и ST1S09I. С ростом выходного напряжения КПД возрастает. Это объясняется тем, что падение напряжения на транзисторах выходного каскада практически не зависит от выходного напряжения при неизменном выходном токе, поэтому с ростом выходного напряжения процент вносимых потерь будет уменьшаться.
Рис. 5б.
На рис. 5в приведены зависимости КПД от величины индуктивности на выходе. В диапазоне от 2 до 10 мкГн эффективность преобразования практически не изменяется, что позволяет выбирать величину индуктивности из широкого диапазона номиналов. Конечно, нужно стремиться к максимально возможному уровню индуктивности для обеспечения лучшей фильтрации напряжения пульсаций выходного тока. Понятно, что с ростом значений выходного тока КПД уменьшается. Это объясняется ростом потерь в выходных каскадах DC/DC-преобразователей.
Рис. 5в.
Сравнение с микросхемами других производителей
В таблицах 3, 4 и 5 приведены параметры близких по функциональному значению микросхем от других производителей.
Из таблицы 3 видно, что FAN2013MPX — это полный аналог для микросхемы ST1S09IPUR, но у компании STMicroelectronics дополнительно в этой серии есть микросхема ST1S09PUR с наличием выхода «Power Good», что расширяет выбор разработчика.
Таблица 3. Близкие замены микросхем для DC/DC-преобразователей от других производителей
| Производитель | Наименование | Iвых макс., А | Частота преобразования, МГц |
Power Good | Совместимость по выводам |
Корпус |
|---|---|---|---|---|---|---|
| STMicroelectronics | ST1S09PUR | 2 | 1,5 | Есть | Есть | DFN3x3-6 |
| ST1S09IPUR | Нет | Есть | ||||
| Fairchild Semiconductor | FAN2013MPX | 2 | 1,3 | Нет | Есть | DFN3x3-6 |
В таблице 4 приведены функциональные замены (нет совместимости по выводам) от других производителей для микросхем ST1S10. Основное преимущество микросхем ST1S10 — наличие синхронного выпрямления в выходных каскадах, что обеспечивает более высокий КПД преобразования. Кроме того, корпус DFN8 (4х4 мм) имеет меньшие размеры по сравнению с корпусами функционально близких микросхем других производителей. Внутренняя схема компенсации позволяет сократить количество внешних компонентов обвязки микросхем.
Таблица 4. Близкие замены микросхем ST1S10PxR для понижающих DC/DC-преобразователей от других производителей
| Производитель | Наименование | Iвых макс., А | Синхронное выпрямление | Компенсация | Мягкий запуск | Совмести- мость по выводам |
Корпус |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| STMicroelectronics | ST1S10PHR | 3 | Есть | Внутренняя | Внутренний | - | PowerSO-8 |
| ST1S10PUR | DFN8 (4×4 мм) | ||||||
| Monolithic Power Systems | MP2307/MP1583 | 3 | Есть/Нет | Внешняя | Внешний | Нет | SO8-EP |
| Alpha & Omega Semiconductor | AOZ1013 | 3 | Нет | Внешняя | Внутренний | Нет | SO8 |
| Semtech | SC4521 | 3 | Нет | Внешняя | Внешний | Нет | SO8-EP |
| AnaChip | AP1510 | 3 | Нет | Внутренняя | Внутренний | Нет | SO8 |
В таблице 5 показаны возможные замены для микросхем ST1S12. Основное преимущество микросхем ST1S12 — большее значение максимально допустимого выходного тока: до 700 мА. Микросхема MP2104 фирмы MPS совместима по выводам с микросхемой ST1S12. Микросхемы LM3674 и LM3671 можно рассматривать только в качестве близкой функциональной замены для ST1S112 из-за отсутствия совместимости по выводам.
Таблица 5. Близкие замены микросхем ST1S12 для понижающих DC/DC-преобразователей от других производителей
| Производитель | Наименование | Iвых (макс.), мА |
Частота преобразования, МГц |
Vвх (макс.), В | Вход отключения |
Совмести- мость по выводам |
Корпус |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| STMicroelectronics | ST1S12 | 700 | 1,7 | 5,5 | есть | - | TSOT23-5L |
| Monolithic Power Systems | MP2104 | 600 | 1,7 | 6 | есть | есть | TSOT23-5L |
| National Semiconductor | LM3674 | 600 | 2 | 5,5 | есть | нет | SOT23-5L |
| LM3671 | 600 | 2 | 5,5 | есть | нет | SOT23-5L |
Выбор микросхем для
DC/DC-преобразователей на сайте
Для быстрого поиска электронных компонентов по известным параметрам удобнее всего воспользоваться сайтом . Для параметрического поиска на этом сайте настоятельно рекомендуется установить и использовать бесплатную программу для просмотра сайтов (браузер) «Google Chrome». Работа в этом браузере ускоряет поиск в несколько раз. Микросхемы для DC/DC-преобразователей компании STMicroelectronics можно найти на сайте по следующему пути: «Управление питанием» ® «ИМС для DC/DC» ® «Регуляторы (+ключ)». Далее можно выбрать бренд «ST» и активировать фильтр «Склад» для выбора только тех компонентов, которые имеются на складе. Результат этих действий показан на рис. 6. Можно сделать более конкретную выборку по требуемым параметрам, применяя другие фильтры.
Заключение
Особенно важен правильный выбор микросхем для DC/DC-преобразователей в приборах с автономными источниками питания. В некоторых случаях выбор подходящей схемы питания может оказаться трудной задачей, но, уделив достаточно времени проработке и выбору схемы электропитания устройства, можно добиться определенного преимущества над конкурентами за счет более компактного и недорогого решения с более высокой эффективностью преобразования электрической энергии. Микросхемы для DC/DC-преобразователей STMicroelectronics облегчают выбор и позволяют реализовать заложенные в них преимущества при создании конкурентоспособных схем электропитания.
Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:
Еще перед Новым годом попросили меня читатели сделать обзор на пару преобразователей.
Ну мне как бы в принципе несложно, да и самому любопытно, заказал, получил, протестировал.
Правда меня больше заинтересовал немного другой преобразователь, но до него никак не дойдут руки, потому о нем в другой раз.
Ну а сегодня обзор простого DC-DC преобразователя с заявленным током в 10 Ампер.
Заранее приношу извинение за большую задержку с публикацией этого обзора у тех, кто его давно ждал.
Для начала характеристики, заявленные на странице товара и небольшое пояснение и коррекция.
Input voltage: 7-40V
1, Output voltage: continuously adjustable (1.25-35V)
2, Output Current: 8A, 10A maximum time within the (power tube temperature exceeds 65 degrees, please add cooling fan, 24V 12V 5A turn within generally be used at room temperature without a fan)
3, Constant Range: 0.3-10A (adjustable) module over 65 degrees, please add fan.
4, Turn lights Current: current value * (0.1) This version is a fixed 0.1 times (actually turn the lamp current value is probably not very accurate) is full of instructions for charging.
5, Minimum pressure: 1V
6, Conversion efficiency: up to about 95% (output voltage, the higher the efficiency)
7, Operating frequency: 300KHZ
8, Output Ripple: about the ripple 50mV (without noise) 20M bandwidth (for reference) Input 24V Output 12V 5A measured
9, Operating temperature: Industrial grade (-40 ℃ to + 85 ℃)
10, No-load current: Typical 20mA (24V switch 12V)
11, Load regulation: ± 1% (constant)
12, Voltage Regulation: ± 1%
13, Constant accuracy and temperature: the actual test, the module temperature changes from 25 degrees to 60 degrees, the change is less than 5% of the current value (current value 5A)
Немного переведу на более понятный язык.
1. Диапазон регулировки выходного напряжения - 1.25-35 Вольт
2. Выходной ток - 8 Ампер, можно 10 но с дополнительным охлаждением при помощи вентилятора.
3. Диапазон регулировки тока 0,3-10 Ампер
4. Порог выключения индикации заряда - 0.1 от установленного выходного тока.
5. Минимальная разница между входным и выходным напряжением - 1 Вольт (предположительно)
6. КПД - до 95%
7. Рабочая частота - 300кГц
8. Выходные пульсации напряжения, 50мВ при токе 5 Ампер, входном напряжении 24 и выходном 12 Вольт.
9. Диапазон рабочих температур - от - 40 ℃ до + 85 ℃.
10. Собственный ток потребления - до 20мА
11. Точность поддержания тока - ±1%
12. Точность поддержания напряжения - ±1%
13. Параметры проверены в диапазоне температур 25-60 градусов и изменение составило менее 5% при токе нагрузки 5 Ампер.
Пришел заказ в стандартном полиэтиленовом пакетике, щедро обмотанном лентой из вспененного полиэтилена. В процессе доставки ничего не пострадало.
Внутри находилась моя подопытная платка.
Внешне замечаний никаких. Вот просто крутил в руках и даже особо и придраться было не к чему, аккуратно, а если заменить конденсаторы на фирменные, то сказал бы что красиво.
На одной из сторон платы размещены два клеммника, вход и выход питания.
На второй стороне два подстроечных резистора для регулировки выходного напряжения и тока.
Так если посмотреть на фото в магазине, то платка кажется довольно большой.
Я специально два предыдущих фото также сделал крупным планом. Но понимание размера наступает когда кладешь рядом с ней спичечный коробок.
Платка реально маленькая, я не смотрел размеры когда заказывал, но мне почему то казалось, что она заметно больше. :)
Размеры платы - 65х37мм
Размеры преобразователя - 65х47х24мм
Плата двухслойная, монтаж двухсторонний.
К пайке также замечаний не возникло. Иногда бывает, что массивные контакты плохо пропаяны, но на фото видно, что здесь такого нет.
Правда элементы не пронумерованы, но думаю что ничего страшного, схема довольно простая.
Кроме силовых элементов на плате присутствует и операционный усилитель, который питается от стабилизатора 78L05, также есть и простенький источник опорного напряжения, собранный при помощи TL431.
На плате установлен мощный ШИМ контроллер , при этом он даже изолирован от радиатора.
Я не знаю зачем производитель изолировал микросхему от радиатора, так как это снижает теплоотдачу, возможно в целях безопасности, но так как плата обычно встраивается куда то, то мне кажется это лишним.
Так как плата рассчитана на довольно большой выходной ток, то в качестве силового диода применили довольно мощную диодную сборку , которую также установили на радиатор и также изолировали от него.
На мой взгляд это очень хорошее решение, но можно было его немного улучшить, если применить сборку на 60 Вольт, а не на 100.
Дроссель не очень большой, но на этом фото видно, что намотан он в два провода, что уже неплохо.
1, 2 На входе установлено два конденсатора 470мкФ х 50 В, на выходе два по 1000мкФ, но на 35 В.
Если следовать списку заявленных характеристик, то по выходу напряжение конденсаторов совсем впритык, но вряд ли кто то будет понижать напряжение с 40 до 35, не говоря о том, что 40 Вольт для микросхемы это вообще максимальное входное напряжение.
3. Входной и выходной разъемы подписаны, правда снизу платы, но это особо непринципиально.
4. А вот подстроечные резисторы никак не обозначены.
Слева регулировка максимального выходного тока, справа - напряжения.
А теперь немного разберемся с заявленными характеристиками и с тем, что имеем на самом деле.
Выше я писал, что в преобразователе применен мощный ШИМ контроллер, а точнее ШИМ контроллер со встроенным силовым транзистором.
Также выше я цитировал заявленные характеристики платы, попробуем разобраться.
Заявлено - Output voltage: continuously adjustable (1.25-35V)
Здесь вопросов нет, 35 Вольт преобразователь выдаст, даже 36 выдаст, в теории.
Заявлено - Output Current: 8A, 10A maximum
А вот здесь вопрос. Производитель микросхемы явно указывает, максимальный выходной ток 8 Ампер. В характеристиках микросхемы правда есть строка - ограничение максимального тока - 10 Ампер. Но это далеко не максимальный рабочий, 10 Ампер это предельный.
Заявлено - Operating frequency: 300KHZ
300кГц это конечно классно, можно дроссель поставить меньше габаритами, но извините, даташит вполне однозначно пишет 180кГц фиксированная частота, откуда 300?
Заявлено - Conversion efficiency: up to about 95%
Ну здесь все честно, КПД до 95%, производитель вообще заявляет до 96%, но это в теории, при определенном соотношении входного и выходного напряжения.
А вот и блок-схема ШИМ контроллера и даже пример реализации.
Кстати, здесь хорошо видно, что для 8 Ампер тока применяют дроссель не менее 12 Ампер, т.е. 1.5 от выходного тока. Я обычно рекомендую применять 2х запас.
Также здесь показано, что выходной диод можно ставить с напряжением 45 Вольт, диоды с напряжением 100 Вольт обычно имеют больше падение и соответственно снижают КПД.
Если есть цель повысить КПД данной платы, то со старых компьютерных БП можно наковырять диодов типа 20 Ампер 45 Вольт или даже 40 Ампер 45 Вольт.
Изначально я не хотел чертить схему, плата сверху закрыта деталями, маской, еще и шелкографией, но потом посмотрел, что схему перерисовать вполне реально и решил не изменять традиции:)
Индуктивность дросселя я не измерял, 47мкГн взято из даташита.
В схеме применен сдвоенный операционный усилитель, первая часть используется для регулировки и стабилизации тока, вторая для индикации. Видно что вход второго ОУ подключен через делитель 1 к 11, вообще в описании заявлено 1 к 10, но думаю что это непринципиально.
Первая проба на холостом ходу, изначально плата настроена на выходное напряжение 5 Вольт.
Напряжение стоит стабильно в диапазоне питающих напряжений 12-26 Вольт, ток потребления ниже 20мА так как не регистрируется амперметром БП.
Светодиод будет светить красным если выходной ток больше чем 1/10 (1/11) от установленного.
Такая индикация применяется для заряда аккумуляторов, так как если в процессе заряда ток упал ниже чем 1/10, то обычно считается что заряд окончен.
Т.е. выставили ток заряда 4 Ампера, светит красным пока ток не упадет ниже 400мА.
Но есть предупреждение, плата только показывает снижение тока, зарядный ток при этом не отключается, а просто снижается дальше.
Для тестирования я собрал небольшой стенд, в котором принимали участие.
Ручка и бумажка, ссылку потерял:)
Но в процессе тестирования мне в итоге пришлось потом применить и регулируемый блок питания, так как выяснилось, что из-за моих экспериментов нарушилась линейность измерения/задания тока в диапазоне 1-2 Ампера у мощного блока питания.
В итоге сначала я провел тесты нагрева и оценку уровня пульсаций.
Тестирование в этот раз происходило немного по другому чем обычно.
Измерялись температуры радиаторов в местах близких к силовым компонентам, так как температуру самих компонентов из-за плотного монтажа измерить было тяжело.
Кроме того проверялась работа в следующих режимах.
Вход - выход - ток
14В - 5В - 2А
28В - 12В - 2А
14В - 5В - 4А
И т.д. до тока 7.5 А.
Почему тестирование происходило таким хитрым способом.
1. Я не был уверен в надежности платы и поднимал ток постепенно чередуя разные режимы работы.
2. Преобразование 14 в 5 и 28 в 12 было выбрано потому, что это одни из самых часто используемых режимов, 14 (примерное напряжение бортовой сети легкового авто) в 5 (напряжение для зарядки планшетов и телефонов). 28 (напряжение бортовой сети грузового авто) в 12 (просто часто используемое напряжение.
3. Изначально у меня был план тестировать пока не отключится или не сгорит, но планы изменились и у меня возникли некоторые планы на компоненты от этой платы. потому тестировал только до 7.5 Ампер. Хотя в итоге это никак не повлияло на корректность проверки.
Ниже пара групповых фото, где я покажу тесты 5 Вольт 2 Ампера и 5 Вольт 7.5 Ампер, а также соответствующий уровень пульсаций.
Пульсации при токах 2 и 4 Ампера были похожи, также были похожи пульсации при токах 6 и 7.5 Ампера, потому промежуточные варианты я не привожу.
То же самое что выше, но 28 Вольт вход и 12 Вольт выход.
Тепловой режим при работе со входным 28 Вольт и выходным 12.
Видно что дальше ток повышать не имеет смысла, тепловизор уже показывает температуру ШИМ контроллера в 101 градус.
Для себя я использую некий лимит, температура компонентов не должна превышать 100 градусов. Вообще это зависит от самих компонентов. например транзисторы и диодные сборки можно безопасно эксплуатировать и при больших температурах, а микросхемам лучше не превышать это значение.
На фото конечно видно не очень, плата очень компактная, да и в динамике это было видно немного лучше.
Так как я посчитал, что эту плату могут использовать как зарядное устройство, то прикинул как она будет работать в режиме когда на входе 19 Вольт (типичное напряжение БП ноутбука), а на выходе 14.3 Вольта и 5.5 Ампера (типичные параметры заряда автомобильного аккумулятора).
Здесь все прошло без проблем, ну почти без проблем, но об этом позже.
Результаты измерений температур я свел в табличку.
Судя по результатам тестов, я бы рекомендовал не использовать плату при токах более 6 Ампер, по крайней мере без дополнительного охлаждения.
Выше я написал, что были некоторые особенности, объясню.
В процессе тестов я заметил, что плата ведет себя немного неадекватно при определенных ситуациях.
1.2 Выставил напряжение на выходе в 12 Вольт, ток нагрузки 6 Ампер, через 15-20 секунд напряжение на выходе упало ниже 11 Вольт, пришлось корректировать.
3,4 На выходе было выставлено 5 Вольт, на входе 14, поднял входное до 28 и выходное упало до 4 Вольт. На фото слева ток 7.5 Ампера, справа 6 Ампер, но ток роли не играл, при поднятии напряжения под нагрузкой, плата «сбрасывает» выходное напряжение.
После этого я решил проверить КПД устройства.
Производитель привел графики для разных режимов работы. Меня интересуют графики с выходным 5 и 12 Вольт и входным 12 и 24, так как они наиболее близки к моему тестированию.
В частности декларируется -
2A - 91%
4A - 88%
6A - 87%
7.5A - 85%
2A - 94%
4A - 94%
6A - 93%
7.5A - Не декларируется.
Дальше шла в принципе простая проверка, но с некоторыми нюансами.
5 Вольт тест прошел без проблем.
А вот с тестом 12 вольт были некоторые особенности, распишу.
1. 28 В вход, 12 В выход, 2 А, все нормально
2. 28 В вход, 12 В выход, 4 А, все нормально
3. Поднимаем ток нагрузки до 6 Ампер, выходное напряжение просаживается до 10.09
4. Корректируем, подняв опять до 12 Вольт.
5. Поднимаем ток нагрузки до 7.5 Ампер, опять падает, опять корректируем.
6. Опускаем ток нагрузки до 2 Ампер без коррекции, напряжение на выходе поднимается до 16,84.
Изначально я хотел показать как оно поднялось без нагрузки до 17.2, но решил что это будет некорректно и привел фото где есть нагрузка.
Да, грустно:(
Ну попутно проверил КПД в режиме заряда автомобильного аккумулятора от БП ноутбука.
Но здесь также не обошлось без особенностей. Сначала было выставлено 14.3 В на выходе, я провел тест на нагрев и отложил плату. но потом вспомнил, что хотел проверить и КПД.
Подключаю остывшую плату и наблюдаю на выходе напряжение около 14.59 Вольт, которое по мере прогрева упало до 14.33-14.35.
Т.е. по факту выходит, что у платы есть нестабильность выходного напряжения. и если для свинцово-кислотных аккумуляторов такой разбег не так критичен, то литиевые аккумуляторы такой платой заряжать нельзя категорически.
Тестов КПД у меня вышло два.
Основаны они на двух результатах измерений, хотя в итоге отличаются не очень сильно.
Р вых - расчетная выходная мощность, значение тока потребления округлено, Р вых DCL - выходная мощность, измеренная электронной нагрузкой. Входное и выходное напряжение измерялось непосредственно на клеммах платы.
Соответственно получилось два результата измерений КПД. Но в любом случае видно, что КПД примерно похож на заявленный, хотя и немного меньше.
Продублирую то, что заявлено в даташите
Для 12 Вольт вход и 5 Вольт выход
2A - 91%
4A - 88%
6A - 87%
7.5A - 85%
Для 24 Вольта вход и 12 Вольт выход.
2A - 94%
4A - 94%
6A - 93%
7.5A - Не декларируется.
И что вышло в реальности. Думаю что если заменить мощный диод на его более низковольтный аналог и поставить дроссель, рассчитанный на больший ток, то получилось бы вытянуть еще пару процентов.
На этом вроде все и я даже знаю что думают читатели -
Зачем нам куча тестов и непонятных фоток, просто скажи что в итоге, годится или нет:)
И в какой то степени читатели будут правы, по большому счету обзор можно сократить раза в 2-3, убрав часть фото с тестами, но я так уже привык, уж извините.
И так резюме.
Плюсы
Вполне качественное изготовление
Небольшой размер
Широкий диапазон входного и выходного напряжений.
Наличие индикации окончания заряда (снижения зарядного тока)
плавная регулировка тока и напряжения (без проблем можно выставить выходное напряжение с точностью 0.1 Вольта
Отличная упаковка.
Минусы
.
При токах выше 6 Ампер лучше применять дополнительное охлаждение.
Максимальный ток не 10, а 8 Ампер.
Низкая точность поддержания выходного напряжения, возможная зависимость его от тока нагрузки, входного напряжения и температуры.
Иногда плата начинала «звучать», происходило это в очень узком диапазоне регулировки, например меняю выходное от 5 до 12 и при 9.5-10 Вольт тихонько пищит.
Отдельное напоминание:
Плата только отображает падение тока, отключить заряд не может, это просто преобразователь.
Мое мнение. Ну вот честно, когда сначала взял плату в руки и крутил ее, осматривая со всех сторон, то хотел хвалить. Сделана аккуратно, особых претензий не было. Когда подключил, то также особо не хотел ругаться, ну греется, так они все греются, это в принципе нормально.
Но когда увидел как скачет выходное напряжение от всего чего угодно, то расстроился.
Я не хочу проводить расследование этих проблем, так как этим должен заниматься производитель, который зарабатывает на этом деньги, но предположу, что проблема кроется в трех вещах
1. Длинная дорожка обратной связи, проходящая почти по периметру платы
2. Подстроечные резисторы, установленные вплотную к горячему дросселю
3. Дроссель расположен точно над узлом, где сосредоточена «тонкая» электроника.
4. Применены не прецизионные резисторы в цепях обратной связи.
Вывод - для нетребовательной нагрузки вполне подойдет, до 6 Ампер точно, работает неплохо. Как вариант, использовать плату в качестве драйвера мощных светодиодов, работать будет хорошо.
Использование как зарядного устройства весьма сомнительно, а в некоторых случаях опасно. Если свинцово-кислотный еще нормально отнесется к таким перепадам, то литиевые заряжать нельзя, по крайней мере без доработки.
Вот и все, как всегда жду комментариев, вопросов и дополнений.
Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.
Планирую купить +121 Добавить в избранное Обзор понравился +105 +225
