Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Понижающий преобразователь напряжения с выходным током до 20А. Обзоры источников питания. Технические обзоры. Обзоры источников питания

$5.92

Перейти в магазин

Понадобился мне для одного из проектов мощный понижающий преобразователь напряжения и решил я его перед применением немного протестировать.
Небольшой осмотр, тесты, выводы.

На самом деле задача у меня была получить ток до 40А при напряжении 4.8-5 вольт, причем нагрузку можно разделять и можно использовать 2 преобразователя по 20А. Но рисковать заказывая сразу пару не очень хотелось и решил взять для начала на пробу один.

К слову, вообще это уже второй такой заказанный преобразователь, некоторое время я уже пытался его заказать, но прислали менее мощную модель и самое обидное то, что заметил я это уже когда прошли все сроки защит. Пришлось повторить заказ, но уже в другом магазине.

Упаковка простейшая, конверт и антистатический пакет, преобразователь компактный, размеры 60х52х28мм.

Заявленные параметры (со страницы товара)
Входное напряжение: от 6 В до 40 В постоянного тока (от 10 В до 40 в предлагается)

Выходное напряжение: 1,2 В до 36 В постоянного тока
Выходной ток: 20А (макс.), 15А (рекомендуется)
Эффективность: 95% (24В до 12В, 20А)
Выходная пульсация: ≤ 50 мВ
Способ подключения: терминал
Защита от короткого замыкания: самовосстановление (не может долгое замыкание)
Размер: 60x53x27 мм/2,36×2,08×1,06″

Внешне выглядит относительно аккуратно, ничего не болтается, не висит, радиаторы прикручены небольшими винтиками, а не висят на выводах компонентов. Есть четыре крепежных отверстия.

1. Со стороны входа имеется винтовой клемник, выключатель и светодиод индикации включения. Выключатель коммутирует сигнал управления ШИМ контроллером, клемник так себе, какой-то “жиденький”
2. Со стороны выхода такой же терминал, рядом два подстроечных резистора для установки выходного напряжения и ограничения тока.


3. Входные конденсаторы 2шт 470мкФ 50 вольт
4. Выходные конденсаторы 3шт 270мкФ 35 вольт с закосом “под фирму”, хотя вполне может статься что и оригинал, сложно так сказать.
5, 6. Преобразователь с синхронным выпрямлением, соответственно на радиаторах установлены два полевых транзистора, а не транзистор + диодная сборка. Транзисторы одинаковые – NCE8290, N-канальные, 82В 90А 8.5мОм, что в принципе даже неплохо.

Компоновка не сильно плотная, но тем не менее, не очень удачная, конденсаторы стоят впритирку к силовому дросселю, который в работе обычно довольно сильно греется.

ШИМ контроллер, операционный усилитель, шунт и остальная мелочь находится снизу платы.

Справа вверху виден ШИМ контроллер – LM25116, ниже шунт 4мОм и ОУ для усиления сигнала с него – LM321

Из ключевых особенностей ШИМ контроллера – синхронное выпрямление, встроенный драйвер с током до 3.5А, питание до 42 вольта, настраиваемое ограничение тока и выходное напряжение в диапазоне 1.

21-36 вольт.
Если коротко, весьма интересный контроллер.

В даташите имеется схема типового включения, но собственно здесь ничего необычного, виден как контроллер, так и силовые транзисторы, а также токоизмерительный шунт. Отмечу что в даташите есть два примера включения и в обоих контроллер и силовая часть питаются от разных источников, у обозреваемого преобразователя источник один, что также допускается, но диапазон входного напряжения при этом ограничен максимальным для контроллера, т.е. 42 вольта.

В реальности с выходным напряжением все немного похуже.
1, 2. Если минимальное в общем-то соответствует заявленному, хотя без нагрузки и болтается в диапазоне примерно 1.24-1.45 вольта.
3. То вот максимально я смог получить только 30 вольт.
4. При том что на входе было установлены максимально заявленные в описании 40 вольт, так что это не ограничение из-за входного напряжения, а не совсем корректно рассчитанный делитель обратной связи.

Потребление вы выключенном состоянии практически нулевое. Во включенном, но без нагрузки в диапазоне 12-24 вольта ток около 20мА, но при входных 36 заметно поднимается и составляет уже 60мА. Измерение в данном случае грубое, но не думаю что это критично.

Ограничение тока работает, но минимум можно выставить только около 700мА, максимум что смог проверить, 12.2А, выше не стал поднимать, предохранители к мультиметру стоят дорого. При некоторых значениях тока преобразователь тихонько пищал.

Далее шла проверка точности поддержания напряжения при токах нагрузки от 5 до 20А. Для начала выставил на выходе 5 вольт.

И затем измерил выходное напряжение при токах 5, 10, 15 и 20А. Мультиметр был подключен к проводникам печатной платы под клеммником.

В диапазоне токов 0-20А просадка напряжения составила 0.12 вольта. Не скажу что это плохо, но при малых выходных напряжениях уже заметно.

Такая же проверка, но при выходном 12 вольт, входное было 24 вольта.
Сначала без нагрузки

Затем при токах 5, 10, 15 и 20А.
Имеем ту же разницу в 0.12 вольта, предположу что имеется проблема с корректностью разводки печатной платы.

Пока гонял преобразователь в разных режимах и делал фото для обзора, заметил что появился нагрев и был удивлен что температура довольно высокая, хотя не сказал бы что предварительные тесты заняли много времени.

Кроме того, обратил внимание на заметную зависимость КПД от входного напряжения, а точнее, от разницы вход/выход.
Для примера на входе 12 вольт, на выходе 5 вольт и ток 20А, при этом преобразователь потребляет 114.5Вт.

При 24 вольта по входу уже 117.3Вт, а если поднять входное до 36 вольт, то еще больше, 121.6Вт.

Т.е. при выходном 5 вольт 20А и изменении входного напряжения в диапазоне 12-36 вольт имеем от 114.5 до 121.6Вт.
В моем случае входное будет 10-14 вольт, потому все нормально, но возможно кому-то будет критично.

КПД измерялся в нескольких режимах, ниже три графика для выходного 5 вольт и входного 12, 24 и 36 вольт, по горизонтали ток нагрузки от 2. 5 до 20А кратно 2.5А.

Результаты довольно грубые так как входная мощность оценивалась по показаниям блока питания, а значит влияло падение на проводах от него к преобразователю, думаю реально КПД примерно на 1% выше.

Здесь также три графика, но в других режимах, пара с выходным 12 вольт и входным 24 и 36 вольт, а также вариант с выходным 24 вольта и входным 36 вольт (верхний график).
Отмечу что в тесте 36-24 вольта был ток нагрузки 15А и соответственно выходная мощность почти 360Вт при максимальной заявленной 300Вт.

Как я писал ранее, преобразователь ощутимо греется, для проверки я провел тест при выходном напряжении 5 вольт, входном 12 вольт и токах нагрузки 10 и 15А. Отмечу что этот один из наиболее оптимальных режимов, в других нагрев может быть еще больше.
1. На момент начала теста преобразователь был уже немного прогрет.
2. Через 20 минут при токе 10А нагрев в пределах нормы.
3. Еще через 20 минут при токе 15А нагрев стал более заметным, максимальную температуру имел входной транзистор – 106 градусов.

По результатам теста рекомендую либо ограничивать выходной ток, либо подумать об активном охлаждении.

Пульсации.
В общих чертах очень даже неплохо, я как-то ожидал худшего.
Выходное напряжение 5 вольт, входное 12.
1. Без нагрузки
2, 3, 4. При токах 5, 10 и 20А

На самом деле в спектре пульсаций присутствовали “иголки”, но так как тест производился с насадкой на измерительный щуп (1мкФ+0.1мкФ), то их не видно.

Ниже осциллограмма с прямым включением щупа при токе 20А и соотношении вход выход 12-5.

Те же токи нагрузки, 5, 10 и 20А, но соотношение вход/выход другое, слева 30-5 вольт, справа 24-12 вольт.

Если присмотреться к вышеприведенным осциллограммам, то думаю можно заметить что “горизонт завален”, т.е. каждый последующий импульс выше или ниже предыдущего.
Меня заинтересовал этот момент и я увеличил время развертки в итоге получив такую вот не очень приятную картинку. Видно что общий размах пульсаций около 80мВ, проявляется такое при выходном напряжении 12 вольт и выше, а также при токах около 15А и более, нижняя осциллограмма сделана при выходном напряжении 12 вольт, входном 24 вольта и токе 15А.

Под конец обзора сравнительное фото других преобразователей в том же формфакторе, посередине повышающий, справа понижающий, но на 10А. Думаю также написать небольшие обзоры, если кому-то интересно.

В качестве итогов скажу, что в общих чертах преобразователь работает, но есть довольно много замечаний.
1. Нагрев, более 15А с него длительно не снять без дополнительного охлаждения, но это указано в описании. Но даже 15А это уже работа близко к предельным значениям, особенно при большой разнице вход/выход.
2. Регулировка тока только от 0.7А
3. Выходное напряжение до 30 вольт при заявленных 36.
4. Входные конденсаторы низкого качества.
5. Клемники хилые, особенно под заявленные 20А.

Если коротко, то производитель взял в общем-то неплохую элементную базу, но в итоге получил средненький преобразователь, думаю что часть проблем кроется в ошибках трассировки. Использовать вполне можно, в какой-то степени он мне даже понравился, но над охлаждением стоит подумать.

На этом пока все, надеюсь что было полезно.

$5.92

Перейти в магазин

Импульсный понижающий преобразователь напряжения

Всем доброго времени суток! Сегодня начнём серию статей об импульсных источниках питания. Широкое распространение данного типа источников питания связанно со стремлением уменьшить массогабаритные характеристики реактивных элементов: трансформаторов, дросселей и конденсаторов.

Основное отличие импульсных источников питания от линейных (или непрерывного действия) заключается в том, что регулирующий элемент, чаще всего транзистор, работает в ключевом режиме (режиме переключений). То есть большую часть периода работы находится в области отсечки или насыщения, а в активной зоне находится только в момент переключения. Следовательно, средняя за период мощность на рассеиваемая транзисторе будет значительно меньше, чем при работе в линейном режиме. Таким образом, импульсные источники питания по сравнению с линейными имеют более высокий КПД и меньшую массу и размеры.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Первым типом импульсного источника питания, который мы рассмотрим, будет, понижающий преобразователь напряжения.

Схема импульсного понижающего преобразователя

Импульсный преобразователь понижающего типа, в зарубежной литературе имеет название: chopper, buck converter, step-down converter. Он широко применяется в электронных схемах вместо линейных стабилизаторов, которые при токах более 2…3 А имеют уже значительные размеры и невысокое КПД, при этом имеют сопоставимые габариты и малую массу.

Например, для серии стабилизаторов КР142ЕНХХ, при мощностях рассеивания более 1 Вт необходимо использовать радиатор охлаждения, который при 10 Вт рассеиваемой мощности и 50 ℃ рабочей температуры должен иметь площадь не менее 100 см2.

Из недостатков импульсных преобразователей можно отметить усложнение схемы управления, увеличенный уровень помех и пульсаций напряжения, а также ухудшение динамических характеристик.

Схема понижающего преобразователя представлена ниже


Схема импульсного стабилизатора понижающего типа.

На данной схеме приведены основные элементы понижающего стабилизатора. Входной фильтр CВХ осуществляет фильтрацию входного напряжения, которое подаётся на ключевой элемент, в данном случае биполярный транзистор VT. В момент открытия транзистора VT входное напряжение передается в нагрузку и на увеличение энергии в дросселе L. При размыкании ключа на транзисторе VT в дросселе возникает ЭДС, открывающая диод VD, а на разомкнутом транзисторе возникает напряжение равное ЭДС. Энергия, накопленная в дросселе, частично поступает в нагрузку, создавая на выходном сопротивлении RH некоторое выходное напряжение UВЫХ. Сглаживание пульсаций выходного напряжения, из-за пульсаций тока дросселя, осуществляется конденсатором фильтра СФ.

Наличие схемы управления СУ позволяет получить заданное выходное напряжение на нагрузке и его стабильность. Подключение входа управления к нагрузке осуществляется для получения сигнала рассогласования в цепи обратной связи, а его выхода – к ключевому элементу для управления его включением и выключением. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется путём изменения скважности импульсов перед сглаживающим фильтром.

В данной схеме выходное напряжение всегда меньше входного, так как при открытом транзисторе энергия от источника питания передаётся в нагрузку и одновременно накапливается в дросселе и конденсаторе. А при закрытом ключевом транзисторе накопленная энергия в дросселе и конденсаторе фильтра поступает в нагрузку, причем энергия дросселя идёт в нагрузку через диод, называемым разрядным.

В зависимости от параметров схемы импульсный преобразователь может работать в двух режимах работы: режиме непрерывных токов и режиме прерывистых токов, протекающих через дроссель. Рассмотрим их подробнее.

Работа понижающего преобразователя в режиме непрерывных токов дросселя

Цикличность работы импульсного понижающего преобразователя в режиме непрерывных токов дросселя можно описать с помощью следующей диаграммы токов и напряжений


Диаграмма изменений токов и напряжений в импульсном преобразователе напряжения понижающего типа в режиме непрерывных токов дросселя.

При поступлении импульса напряжения со схемы управления СУ происходит открытие транзистора VT (на диаграмме точка t1). Из-за не идеальности диода VD, он не может мгновенно закрыться, поэтому входное напряжение оказывается полностью приложено между выводами коллектор – эмиттер транзистора. Поэтому ток через транзистор возрастает до своего максимального значения IVTMAX. Скорость увеличения данного тока зависит от следующих параметров: скорость роста тока базы транзистора IБ, коэффициента усиления по току h21e и частотных свойств транзистора VT. Существенное влияние оказывают также частотные свойства диода VD, в частности, время рассасывания его неосновных носителей tРАС.VD.

В момент времени t2 начинается уменьшение обратного тока диода до значения IОБР, происходит восстановление обратного сопротивления диода, а ток, протекающий через транзистор ICVT, уменьшается до значения ILmin, а напряжение между выводами коллектор-эмиттер UCE – до напряжения насыщения

В течении длительности импульса напряжения от схемы управления (от точки t2 до точки t3), происходит возрастание тока, протекающего через дроссель от минимального значения

ILmin до максимального ILmax. При этом напряжение на диоде UVD составит

После того как закончится импульс происходит закрытие транзистора через время рассасывания неосновных носителей в базе tРАС, при этом ток дросселя уменьшается из-за открытия диода VD. При этом ток через дроссель L уменьшается до значения ILmin. Напряжение на транзисторе составит

где UПР – падение напряжения на диоде в открытом состоянии.

Далее цикл работы преобразователя повторяется.

Работа понижающего преобразователя в режиме прерывистых токов дросселя

Работа понижающего преобразователя в режиме прерывистых токов дросселя немного отличается от вышеописанного режима непрерывных токов. Диаграмма работы показана ниже


Диаграмма изменений токов и напряжений в импульсном преобразователе напряжения понижающего типа в режиме прерывистых токов дросселя.

Во время действия импульса рост токов и напряжений в режиме прерывистых токов аналогичен режиму непрерывных токов. Однако после закрытия транзистора (промежуток t1 – t2), ток через дроссель IL падает до нуля.

Далее на интервале конденсатор фильтра СВЫХ также разряжается через сопротивление нагрузки RH, а ток через дроссель L и диод VD отсутствует. В тоже время напряжение на транзисторе UCE уменьшается

где UПР – падение напряжения на диоде в прямом направлении.

При подаче управляющего импульса и открытии транзистора VT (момент времени t3), ток через него IVT начинает возрастать от нуля, но не происходит броска коллекторного тока до значения до максимального значения из-за закрытого диода VD. После чего цикл повторяется.

Режим прерывистых токов является нежелательным, так как на интервале t2 – t3 дроссель фактически выключен из работы и не участвует в фильтрации пульсирующего напряжения. Вследствие чего растёт внутренне сопротивление преобразователя и возрастает переменная составляющая выходного напряжения.

Методика расчёта импульсного понижающего преобразователя

В настоящее время системы управления для импульсных преобразователей представляет собой интегральную микросхему, внутри которой находятся все необходимые элементы: триггеры, генераторы, различные защитные элементы, транзисторные ключи. Поэтому в настоящее время расчёт преобразователя заключается в определении параметров схемы для расчёта элементов фильтра: дросселя L и выходного конденсатора СВЫХ, характеристик диода VD, а также потерь мощности в данных элементах. Так как в маломощных преобразователях (до нескольких десятков Вт) транзистор чаще всего интегрирован в микросхему системы управления СУ, то для расчёта КПД и потерь мощности дополнительно рассчитываются потери в микросхеме СУ.

В общем случае для расчёта параметров схемы понижающего преобразователя напряжения необходимо задаться следующими величинами: входное напряжение (напряжение питания) UВХ, пределы его изменения ΔUВХ; номинальное выходное напряжение UВЫХ и пределы его регулировки ΔUВЫХ; минимальный и максимальный ток нагрузки IHmin и IHmax; максимальная амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке UН~; частоту преобразования fп.

Расчёт будет производиться в следующем порядке:

1. Частоту преобразования fп определяют в зависимости от микросхемы системы управления. Современные понижающие преобразователи способны работать на частотах сотни кГц, а иногда и единицы МГц, при этом их КПД составляет ηп = 0,85 … 0,95.

2. Определяем максимальное Dmax и минимальное Dmin значение коэффициента заполнения импульса на входе фильтра

3. Так как режим прерывистых токов дросселя нежелателен определим минимальную индуктивность дросселя Lmin

Ни данной величины индуктивности дросселя преобразователь переходит в режим прерывистых токов.

4. Для определения ёмкости конденсатора фильтра, определим произведение LCВЫХ по заданной величине пульсаций выходного напряжения

где UН~ — максимальная амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке.

5. Для определения типа конденсатора определяем величину тока, протекающего через конденсатор CВЫХ. Так амплитуда тока ICmax

Величина действующего тока составит

6. Определяем величины токов: среднее ILср, минимальное ILmin и максимальное ILmax, протекающего через дроссель:

7. Рассчитываем параметры ключевого транзистора: предельные коллекторный ток ICmax и максимальное напряжение коллектор-эмиттер UCEmax. При использовании микросхем для понижающих преобразователей со встроенным ключевым транзистором данный пункт можно пропустить.

8. Определяем требуемые параметры импульсного диода VD: допустимый прямой ток IПР, и максимально допустимое обратное напряжение UОБР

9. Рассчитываем потери мощности на диоде PVD при работе в прямом направлении и в моменты переключения

10. Потери мощности на ключевом транзисторе PVT в режиме насыщения и в моменты переключения PCнас и PCдин

Для преобразователей с интегрированным ключевым транзистором в микросхему, вместо времени включения и выключения транзистора использовать время переключения tf, которое заданно в технической документации на микросхему.

11. Для окончания расчёта необходимо рассчитать параметры дросселя L фильтра, такие как размер и тип сердечника, количество витков провода и его сечение, потери мощности в нём.

Для полноты расчёта можно посчитать КПД преобразователя по выражению

где ΣРПОТ – суммарные потери мощности в преобразователе (в диоде, дросселе, схеме управлении, ключевом транзисторе), кроме вышеописанных потерь мощности сюда можно добавить потери от цепей управления микросхемы преобразователя, различные токи утечки и так далее, которые в сумме могут составлять до 10% от суммарных потерь мощности.

В следующей статье мы разработаем импульсный источник напряжения понижающего типа.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный. Учебное пособие и схема