Повышающий преобразователь напряжения DC-DC: схема, подборка, расчет и анализ

Повышающие преобразователи напряжения широко применяются в современной электронной аппаратуре для преобразования низких напряжений источников питания в более высокие стабилизированные значения, необходимые для работы различных узлов и блоков. В этой статье мы подробно рассмотрим основные типы и параметры таких преобразователей, дадим рекомендации по их выбору и расчету, а также опишем особенности применения на практике.

Основные типы повышающих преобразователей

Существует два основных типа повышающих преобразователей постоянного напряжения: на дискретных элементах и интегральные.

Преобразователи на дискретных элементах

Это преобразователи, выполненные на отдельных транзисторах, диодах, конденсаторах, катушках индуктивности. Простейшие схемы могут содержать всего два-три элемента. Более сложные варианты включают в себя микросхемы управления и защиты.

Интегральные повышающие преобразователи

Повышающий преобразователь напряжения этого типа выполнен в виде одной интегральной схемы, которая содержит в себе все необходимые элементы преобразователя, а также дополнительные цепи управления, защиты и индикации.

Параметры и характеристики преобразователей

Рассмотрим основные параметры, которые необходимо знать и учитывать при выборе повышающего преобразователя напряжения:

Входное и выходное напряжение: эти параметры определяют диапазон входных напряжений, при которых повышающий преобразователь может работать, и значение стабилизированного выходного напряжения.

Мощность преобразователя напряжения определяет, какой максимальной нагрузкой по току он может управлять. КПД показывает эффективность преобразования энергии. Эти параметры нужно соотносить с требуемыми.

Рекомендации по выбору преобразователя

Чтобы выбрать оптимальный повышающий преобразователь напряжения DC/DC для конкретной задачи, нужно:

• Требования к параметрам. Определить необходимые параметры по входному и выходному напряжению, мощности, допустимым пульсациям и т.д. Это требования к повышающему преобразователю.
• Выбор типа и модели. На основании этих требований выбрать подходящий тип преобразователя и узкий список моделей от разных производителей. Сравнить их характеристики.
• Оценка качественных параметров. Оценить такие качественные параметры, как надежность, гарантийный срок, наличие сертификатов, отзывы других пользователей.
• Сопоставление стоимости. Сопоставить стоимость вариантов соответственно требуемому качеству и объемам закупки.

Выбрать оптимальную модель преобразователя напряжения DC-DC по соотношению характеристик и цены.

Расчет параметров схемы преобразователя

Для правильной работы повышающего преобразователя нужен расчет основных параметров схемы:

• Необходимые формулы. Для расчета параметров схемы повышающего преобразователя напряжения используется ряд формул. Например, по вольт-секундному балансу энергии в дросселе можно найти рабочий цикл преобразователя. Другие формулы позволяют рассчитать средние и пиковые токи, значения индуктивностей и емкостей.
• Выбор элементной базы. На основании расчетов выбираются конкретные модели транзисторов, диодов, дросселей и конденсаторов для использования в схеме преобразователя напряжения DC-DC. При этом важно закладывать запас по максимальным напряжениям, токам и мощности.

Моделирование и оптимизация

Перед изготовлением желательно провести компьютерное моделирование схемы для проверки правильности расчетов и при необходимости оптимизировать параметры для получения требуемых характеристик.

Практические рекомендации

При реализации схемы повышающего преобразователя на практике нужно обеспечить хороший отвод тепла от элементов, применить конденсаторы разного типа для фильтрации пульсаций, установить элементы защиты.

Пример расчета

Рассмотрим в качестве примера расчет параметров для повышающего преобразователя напряжения на входе 12 В, выходе 48 В и мощностью 100 Вт. Произведем выбор элементов схемы исходя из полученных токов и мощностей.

Возможные улучшения

Для дальнейшего совершенствования характеристик данного преобразователя напряжения можно использовать синхронное выпрямление, четырехфазную схему, резонансные и квазирезонансные преобразователи.

Необходимые формулы для расчета

Для расчета параметров схемы повышающего преобразователя напряжения используется ряд формул. Например, по вольт-секундному балансу энергии в дросселе можно найти рабочий цикл преобразователя. Другие формулы позволяют рассчитать средние и пиковые токи, значения индуктивностей и емкостей конденсаторов.

Выбор элементов схемы

На основании расчетов выбираются конкретные модели транзисторов, диодов, дросселей и конденсаторов для использования в схеме DC-DC преобразователя. При этом важно закладывать запас по максимальным напряжениям, токам и мощности рассеяния.

Компьютерное моделирование

Перед изготовлением рекомендуется провести моделирование схемы преобразователя для проверки правильности расчетов и при необходимости оптимизировать параметры для получения требуемых характеристик.

Рекомендации по практической реализации

При построении повышающего преобразователя на практике нужно правильно выполнить разводку печатной платы, обеспечить эффективный отвод тепла, установить защитные цепи и элементы фильтрации пульсаций.

Пример расчета конкретного преобразователя

Рассмотрим в качестве примера подробный расчет и выбор элементов для DC-DC преобразователя на входное напряжение 12 В, выход 48 В и мощность 100 Вт. Произведем выбор конкретных моделей транзисторов, дросселей и диодов на основании полученных в расчете токов и мощностей.

Перспективные схемные решения

Для дальнейшего улучшения характеристик преобразователей напряжения актуально применение многофазных схем, резонансных и квазирезонансных преобразователей, а также силовых модулей на основе нитрида галлия.