Что такое DC/DC преобразователь?
Чтобы обеспечить корректную работу разных электронных приборов, мобильных и телекоммуникационных устройств, автоматизированных систем управления и вычислительной техники, необходимо осуществлять трансформацию выходного напряжения — его повышение или понижение. Для этой цели применяются специализированные электронные модули, именуемые преобразователями, инверторами, конвертерами или стабилизаторами напряжения.
Данные устройства функционируют в широком диапазоне мощностей — от минимальных значений при питании от аккумуляторов до значительных при использовании крупномасштабных высоковольтных систем электроснабжения. В их конструкции используется высокочастотное преобразование мощности с применением силовых ключей и пассивных компонентов. Это позволяет устранить коммутационный шум и регулировать выходное напряжение. Помимо изменения уровня напряжения, инверторы способны обеспечивать регулирование системы, вырабатывая регулируемое напряжение от источника питания.
Преобразователь DC/DC, что это?
Это электронные модули в виде микросхемы, заключенной в защитный корпус с выводами для монтажа на печатную плату. Такие модули применяются в схемах с гальванической развязкой для формирования шин питания. Их основная функция заключается в преобразовании входного напряжения постоянного тока в постоянное выходное напряжение увеличенной или уменьшенной величины. Существуют повышающие инверторы, увеличивающие входное напряжение, понижающие — уменьшающие его, и универсальные, сочетающие обе функции.
Преобразователи постоянного тока также выполняют функцию компенсации напряжения системы при снижении напряжения аккумуляторной батареи вследствие утечек энергии. Это способствует повышению компактности и эффективности работы системы. DC/DC конвертеры изготавливаются по различным технологиям и представлены на рынке широким ассортиментом модулей с разнообразными вариантами исполнения и характеристиками. Это позволяет подобрать инверторы для решения разнообразных задач в различных условиях эксплуатации.
Эволюция полупроводниковых технологий
На ранних этапах развития полупроводниковой индустрии трансформация постоянного тока (DC) в напряжение более высокого уровня осуществлялась посредством промежуточного преобразования в переменный ток (AC) с использованием вибрационного механизма, выпрямительного блока и трансформатора. Данный метод применялся преимущественно в маломощных устройствах. Для систем с повышенной мощностью требовалось использование электродвигателя для приведения в действие генератора необходимого напряжения. Эти процессы характеризовались высокими затратами, низкой эффективностью и длительным периодом настройки.
С появлением полупроводниковых устройств и интегральных схем возникли новые возможности для разработки и внедрения преобразовательных систем. Компоненты стали миниатюрными и доступными, а главное — твердотельное преобразование с использованием режимов переключения позволило реализовать энергоэффективные процессы. Эта инновационная технология превосходила предшествующие методы, для которых было характерно рассеивание избыточной энергии в форме тепла.
Конструктивные особенности
Преобразователи энергии варьируются по уровню сложности, производительности и надежности. Они используют различные механизмы преобразования энергии: электрические, механические, химические. Для силовых электронных систем наиболее подходящими являются инверторы, осуществляющие динамическое преобразование энергии с применением электрических процессов. При реализации таких схем в качестве пассивных компонентов применяются катушки индуктивности, конденсаторы и трансформаторы. Резисторы не используются с целью минимизации мощностных потерь.
Взаимосвязь между компонентами определяется требуемым способом передачи энергии. Принцип расположения элементов накопления энергии зависит от поставленных задач по понижению или повышению напряжения с учетом специфики применения модуля. Конденсаторы и катушки индуктивности, используемые в схеме, формируют структуру фильтров нижних частот. В результате минимизируется или устраняется вероятность наложения пульсаций переменного тока или иных факторов на выходное напряжение, генерируемое посредством коммутации.
Виды преобразователей
В коммерческом обороте представлены следующие разновидности DC/DC инверторов:
- Безындуктивные — функционирующие на коммутируемых конденсаторах, экономичные и компактные устройства. Предназначены для энергообеспечения низкомощных потребителей. Выпускаются в регулируемом и фиксированном по напряжению исполнении.
- Индуктивные, без гальванической изоляции. Включают один изолированный источник питания. Напряжение варьируется в зависимости от положения ключа и может увеличиваться, уменьшаться или менять полярность. В конструкции таких модулей часто применяются полевые транзисторы (FET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). В понижающих импульсных модулях роль ключа выполняет транзистор под управлением широтно-импульсного модулятора. Повышающие импульсные преобразователи применяются для питания светодиодных лент и аналогичных маломощных устройств от литий-ионных аккумуляторов или портативной электроники от автомобильного аккумулятора. Конвертеры с регулируемым выходным напряжением часто используются в системах с литий-ионными батареями. При снижении напряжения батареи инвертор поддерживает заданное выходное напряжение.
- С гальванической изоляцией. Используют импульсные трансформаторы с множественными обмотками. Характеризуются отсутствием связи между входной и выходной цепями и значительной разностью потенциалов между входным и выходным напряжением. Применяются, например, в блоках питания импульсных фотовспышек с выходным напряжением около 400 В.
Параметры для выбора
При селекции DC/DC преобразователей учитывают сферу и цель их применения. Наиболее универсальны импульсные модули с регулировкой входного напряжения. Линейные инверторы, способные только понижать исходное напряжение, востребованы для питания маломощных узлов, требующих стабильного выходного напряжения без пульсаций и электромагнитных помех. Для иных систем рекомендуются импульсные DC/DC конверторы.
При приобретении преобразователей следует учитывать их мощность, количество выходных каналов, коэффициент полезного действия, габариты, массу. Особое внимание уделяется диапазонам входного и выходного напряжения, их регулируемости, значениям и возможности регулировки выходного тока, наличию стабилизатора. Значимыми могут быть интерфейсы передачи данных. Существуют конверторы с USB/microUSB выходами и возможностью подключения к компьютеру. Для повышения КПД в некоторых моделях применяется синхронный выпрямитель.