Простой эффективный DC-DC конвертер
Дата: 02.11.2009
Раздел: Электроника


Простой самодельный DC-DC конвертор

Простые схемы не всегда хуже "навороченных". А схемы на дискретных элементах ничуть не уступают готовым микросхемам. Очередной пример можно увидеть здесь.
Автор: В. Я. Грошев






Одними из наиболее популярных электронных устройств в настоящее время являются маломощные однотактные DC-DC конверторы, широко используемые в переносной батарейной аппаратуре. Естественно, что многие фирмы ведут активные разработки в этой области, и таких готовых устройств бесчисленное множество. На рис. 1 для примера показана блок-схема одного из распространенных конверторов TPS61045 производства фирмы Texas Instruments.

Простой самодельный DC-DC конвертор

Рис.1

Эта блок-схема не является чем-то выдающимся по количеству используемых элементов, ничуть не меньше таковых в аналогичных устройствах других производителей. Вероятно поэтому интегральные DC-DC конвертеры являются довольно дорогими изделиями электронной техники. Кроме гипертрофированной блок-схемы некоторые из таких устройств страдают импульсной неустойчивостью из-за неоправданно большого коэффициента преобразования в петле ООС. Например, на рис. 2 показана упрощенная форма напряжения в таком режиме на индуктивности конвертера SP6641 фирмы Sipex.




Рис.2

По всей видимости, приведенные факты стали следствием использования интегральных технологий, которые, устранив прямую зависимость между числом используемых компонентов и размерами электронных устройств, заодно устранили и мотивацию к созданию оптимальной электроники. Вследствие этого неоправданное усложнение интегральных микросхем стало всеобщим, а платить за это приходится потребителям.

Поэтому в данной статье сделана попытка показать, что если для реализации электронных устройств не использовать лишних компонентов, то получаются изделия, ничем не уступающие интегральным аналогам, а по некоторым параметрам и превосходящие их. Начиная с меньшей стоимости.

Кроме того, поскольку в таких устройствах компонентов ровно столько, сколько это необходимо для решения конкретной задачи, они почти не уступают интегральным аналогам по занимаемой площади на плате, хотя выполнены на отдельных элементах. Причем реализация на отдельных элементах зачастую позволяет обеспечить и лучшие электрические параметры, чем у интегральных микросхем, поскольку разработчик имеет возможность при создании своего устройства отобрать наилучшие на данный момент дискретные компоненты, чего нельзя обеспечить при использовании готовых микросхем, качество используемых элементов в которых навсегда привязано к периоду их разработки.

Электрическая схема однотактного конвертера, подтверждающего вышеизложенное, представлена на рис.3.

Простой самодельный DC-DC конвертор

Рис.3

Структура представляемого устройства является универсальной и позволяет создавать конвертеры с любыми видами модуляции.

В данном случае используется частотно-импульсная модуляция, что не только позволило реализовать наиболее простую структуру конвертера, но и способствует его более высокой эффективности по сравнению с конвертерами, использующими ШИМ. Это объясняется тем, что при использовании частотно-импульсной модуляции и уменьшении тока в нагрузке КПД снижается только за счет начального потребления тока схемой управления выходным ключом, в отличие от конверторов с ШИМ, где КПД дополнительно ухудшается в связи с неэффективным использованием индуктивности при уменьшении времени ее заряда, что особенно сильно проявляется при больших коэффициентах преобразования.

Устройство является универсальным, но в данном конкретном случае предназначено для преобразования напряжения батареи из двух NiMh аккумуляторов с напряжением 2…2.7 В в напряжение питания для OLED дисплея (~13 В, 30 мА).

Следует обратить внимание на то, что в конверторе нет никаких компараторов и операционных усилителей. При этом не только обеспечивается стабильность выходного напряжения не хуже 1% при изменении входного в пределах 2.5…4 В или при изменении нагрузки, что вполне достаточно для любых практических задач, но и исключается импульсная неустойчивость, вследствие чего просто приятно наблюдать чистую осциллограмму на аноде VD4 в отличие от картины в той же точке у некоторых промышленных микросхем. Соответственно обеспечивается и минимальный уровень помех. Указанная особенность определяется не только минимально необходимым усилением в петле ООС, но и используемым типом модуляции.

За счет взаимной компенсации температурного ухода у VD1, VT1 и VD3 описываемое устройство обладает и неплохой температурной стабильностью – не хуже 2% в диапазоне температур –20…+50 °С. КПД преобразователя при использовании относительно недорогой индуктивности фирмы Murata LQH55D составляет примерно 85% даже при входном напряжении 2 В и предельной выходной мощности, которая при таком входном напряжении достигает 0.4 Вт. Наилучшие характеристики устройства обеспечиваются при питании DD1 от отдельного источника напряжением 2.5…5 В.

Следует отметить, что за вычетом стоимости танталовых конденсаторов, выпрямительного диода и индуктивности, которые используются и в микросхемном варианте, стоимость компонентов представляемого устройства составляет примерно 10 руб., в то время как розничная цена микросхемы TPS61045, предназначенной для тех же целей и имеющей худшие параметры, в среднем не ниже 50 руб. Следовательно, лишние компоненты из упомянутой микросхемы обходятся пользователям в 40 руб.

Единственный замеченный недостаток представляемого конвертера заключается в том, что при питании DD1 от первичного источника и при снижении первичного напряжения ниже определенного предела возможна ситуация, когда возникает положительная обратная связь через источник питания и в такой ситуации либо мощность, рассеиваемая на МОП ключе, может превысить допустимую, либо МОП ключ просто разрядит первичный источник. Это объясняется удлинением выходных импульсов у используемого логического элемента при уменьшении его питающего напряжения.

Однако при желании такая ситуация может быть исключена при минимальных дополнительных затратах – достаточно параллельно диодной сборке VD1 включить выход обычного монитора питания типа, например, BD47xx с напряжением срабатывания, равным минимально допустимому напряжению питания конвертера, а вход монитора следует подключить к первичному источнику питания. При использовании в микроконтроллерных устройствах можно отключать конвертер по входу shutdown, подавая на него низкий логический уровень, как только АЦП микроконтроллера обнаружит разряд батареи ниже допустимого уровня.

Простой самодельный DC-DC конвертор

Рис. 4

На рис. 4 представлен вариант трассировки конвертера на печатной плате в масштабе примерно 4:1. Реальные размеры – 14 × 17 мм без присоединительных выводов. При необходимости получения выходных напряжений менее 8 В стабилитрон VD4 следует заменить на шунтовый регулятор типа, например, LMV431.

Возможны также различные модификации конвертера, изображенного на рис. 3. Один из теоретически возможных вариантов для примера показан на рис. 5*.

Простой самодельный DC-DC конвертор

Рис. 5
(*Данное устройство не используется в моих разработках, а поэтому не реализовывалось и не тестировалось.)

В этом варианте используется цепь регулирования, применяемая в простых однотактных DC-DC конвертерах как минимум с 80-х годов прошлого столетия. Конвертеры такого типа позволяют избежать применения преобразователей типа sepic, которые не имеют перед ними никаких преимуществ, кроме возможности присоединить не плюс, а минус батареи к общему проводу питаемого конвертером устройства. Поскольку представленное на рис. 5 устройство намного дешевле, проще и эффективнее упомянутых конвертеров типа sepic, оно делает применение последних за исключением особых случаев совершенно бессмысленным.

Замечательным свойством этого конвертера, как, кстати, и конвертеров типа sepic, является возможность работы с первичными источниками, напряжение которых может быть любым – как меньше выходного напряжения, так и больше. К сожалению, диапазон возможных напряжений первичного источника в описываемом устройстве ограничивается возможностями используемого триггера Шмитта по допустимым напряжениям его питания. В показанном на рис. 5 варианте диапазон напряжений первичного источника не должен выходить за пределы 2…5.5 В при выходном напряжении, например, 3 В.

Кроме прочих достоинств, при использовании этой схемы появляется возможность использовать батарею в качестве источника отрицательного смещения, а не применять для этого специальные преобразователи или дополнительные обмотки с выпрямителем.

В. Я. Грошев
г. Томск
04.10.2009





Реклама:





Это статья с сайта: Всё о мобильной энергии - солнечные батареи и другая электроника для туристов
http://www.mobipower.ru

URL этой статьи:
http://www.mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=274