Создание источника питания повышающе-понижающего типа

В этой серии статей мы рассматриваем проектирование и реализацию основных типов регуляторов и преобразователей мощности, которые вы можете использовать в электронном проекте. Я дал выпускнику, которого наставляю, серию требований для демонстрации каждого из этих типов и записал результаты здесь, чтобы вы могли пройти через те же упражнения и, надеюсь, прийти к тем же результатам.

Следующий импульсный регулятор является последним в нашей серии импульсных регуляторов для студентов. Требования к проектированию для моего выпускника заключались в том, что блок питания должен поддерживать стабильное выходное напряжение, даже если напряжение питания выше или ниже требуемого выходного. Другими словами, он должен быть способен как повышать, так и понижать напряжение питания для обеспечения стабильного выхода для нагрузочного устройства. Такой тип импульсного регулятора чрезвычайно полезен, особенно для устройств на батарейках или устройств с несколькими различными источниками питания, между которыми он переключается в зависимости от установленных условий или требуемого режима работы.

Мои требования к этому проекту были следующими:

• Диапазон входного напряжения 3,0 до 4,2 В
• Выходное напряжение 3,3 В
• Выходной ток 200 мА

Для достижения операции повышения и понижения напряжения с использованием одного регулятора можно применять несколько топологий. В этой статье мы обсудим следующие:

• Преобразователь Buck-Boost
• SEPIC
• Ćuk
• Преобразователь Flyback

Преобразователь Buck-Boost — это тип источника питания с коммутируемым режимом, который использует функциональность как повышающего, так и понижающего преобразователя в одной схеме. Комбинация обоих схем, повышения и понижения напряжения, может обеспечить стабильное выходное напряжение в широком диапазоне входного напряжения питания. Кроме того, как повышающие, так и понижающие преобразователи используют очень похожие компоненты, которые просто переставляются в зависимости от того, какой тип преобразователя требуется.

На приведенной выше диаграмме вы можете увидеть сходства обеих топологий. Также один и тот же индуктор может использоваться для обеих топологий:

На показанной выше диаграмме комбинированной топологии преобразователя Boost-Buck видно, что блок управления, который является осциллятором, ШИМ и контроллером обратной связи, имеет возможность выбора между операцией повышающего преобразователя и операцией понижающего преобразователя.

Принцип работы понижающего преобразователя

В режиме понижающего преобразователя транзисторный ключ TR2 выключен, а транзисторный ключ TR1 включается и выключается с высокой частотой с помощью контроллера ШИМ с прямоугольной волной, как описано в техническом описании контроллера.

Когда транзисторный ключ TR1 включен, ток течет через индуктор L, возбуждая его магнитное поле и последовательно заряжая выходной конденсатор C и нагрузку на выходе. Шоттки диод D1 выключается за счет наличия положительного напряжения на его катоде.

Когда транзисторный ключ TR1 выключен, индуктор L становится источником тока, пока его магнитное поле не начнет коллапсировать, генерируя обратную ЭДС и меняя полярность напряжения на индукторе L. Это включает Шоттки диод D1, позволяя току течь через Шоттки диод D2 к нагрузке на выходе.

 

 

Работа повышающего преобразователя

В режиме повышающего преобразователя транзисторный ключ TR1 включается, а транзисторный ключ TR2 переключается включением и выключением с помощью контроллера ШИМ с прямоугольной волной. Когда транзисторный ключ TR2 включен, входной ток течет через индуктор L и транзисторный ключ TR2 к отрицательному выводу питания (земле), возбуждая магнитное поле индуктора L. Во время этой фазы цикла, Шоттки диод D2 не может проводить, так как его анод удерживается на напряжении земляного вывода транзисторным ключом TR2, обеспечивая путь для протекания тока.

В течение этого периода нагрузка на выходе полностью питается за счет заряда, накопленного конденсатором C, который был заряжен в предыдущих циклах.

Когда транзисторный ключ TR2 выключен, индуктор L возбужден, и конденсатор C частично разряжается. Во время этой фазы цикла индуктор L генерирует обратную ЭДС. Энергия ЭДС будет зависеть как от скорости изменения тока при включении и выключении транзисторного ключа TR2, так и от индуктивности.

На данном этапе полярность на индукторе L меняется на противоположную, и обратное ЭДС теперь прибавляется к входному напряжению, так что оно теперь выше или, по крайней мере, равно входному напряжению. Шоттки диод D2 теперь включен, и таким образом, схема питает нагрузку на выходе и заряжает конденсатор C, чтобы он был готов к следующей фазе цикла, когда транзисторный переключатель TR2 включен.

 

Функция передачи между входом и выходом может быть выражена как:

Принцип работы преобразователя SEPIC

SEPIC, или преобразователь с одним концом первичной индуктивности, это тип преобразователя, который также может понижать, повышать напряжение или подавать напряжение, равное напряжению питания, на нагрузку на выходе. Топология преобразователя SEPIC обычно основана на повышающем преобразователе и инвертированном преобразователе повышения-понижения. Этот тип преобразователя популярен для приложений с батареями из-за его эффективности и надежности.

Когда транзисторный ключ S1 включен, ток течет через индуктор L1, и ток через L2 становится отрицательным. Энергия, протекающая через L1, поступает от источника питания. Диод D1 включен, и конденсатор C1 обеспечивает электрическую мощность и увеличивает амплитуду тока, протекающего через индуктор L2. Это увеличивает энергию, запасенную в его магнитном поле, при этом ток поступает от конденсатора C2.

 

Когда транзисторный ключ S1 выключен, ток, протекающий через конденсатор C1, становится равным току, протекающему через индуктор L1. Поскольку индукторы не позволяют мгновенно изменять ток, ток, протекающий через индуктор L2, все еще будет иметь отрицательное направление. Таким образом, когда транзисторный ключ S1 выключен, питание на выходную нагрузку поступает от индукторов L1 и L2. В этот период конденсатор C1 будет заряжаться от индуктора L1.

 

Функция передачи между входом и выходом может быть выражена как:

Принцип работы преобразователя Чука

Преобразователь Чука (также известный как «инвертирующий преобразователь с двумя индукторами») является инвертирующим преобразователем SEPIC с топологией обратного преобразования. Этот преобразователь похож на другие в этом списке тем, что он способен на операции повышения и понижения напряжения. Энергия, используемая преобразователем, передается конденсатору, когда транзисторный переключатель открыт. Это означает, что основным элементом хранения энергии в схеме преобразователя Чука является конденсатор, в отличие от большинства других топологий импульсных источников питания, где основным элементом хранения энергии является индуктор.

Топология использует либо два отдельных индуктора, либо один компонент, называемый связанным индуктором.

Преобразователь Чука состоит из двух индукторов, двух конденсаторов, транзисторного переключателя и диода. Этот преобразователь является инвертирующим типом, что означает, что выходное напряжение отрицательно по отношению к входному напряжению.

Конденсатор C1 используется для передачи высокочастотной энергии. Он поочередно подключается к входу и выходу преобразователя Чука между параллельным транзисторным переключателем и диодом. Два индуктора, L1 и L2, используются для преобразования источника входного напряжения E и источника выходного напряжения U в источники тока. В течение короткого времени индукторы могут рассматриваться как источники тока, поскольку они способны поддерживать постоянный ток. Зарядка выходного конденсатора C2 с помощью источника тока (индуктора) является методом предотвращения ограничения тока сопротивлением и связанных с этим потерь энергии.

Преобразователь Чука может работать в режиме непрерывного тока, режиме прерывистого тока и режиме прерывистого напряжения.

Функция передачи между входом и выходом может быть выражена следующим образом:

Работа преобразователя с обратной связью

Преобразователь с обратной связью - это изолированный DC-DC коммутируемый преобразователь, который может повышать или понижать входное напряжение. Этот преобразователь использует гальваническую изоляцию для разделения выхода от входа. Разделенный индуктор используется для формирования трансформатора для этой изоляции.

Вы можете видеть, что топология преобразователя постоянного тока с обратной связью очень похожа на топологию преобразователя повышающе-понижающего типа; разница заключается в том, что вместо индуктора используется трансформатор. Принципы работы для обоих этих типов преобразователей также очень похожи.

Когда переключатель включен, первичная обмотка трансформатора соединяется с источником входного напряжения. Это позволяет току в первичной обмотке увеличиваться, а магнитное поле вокруг первичной обмотки накапливает энергию в трансформаторе. Наведенное напряжение во вторичной обмотке отрицательное, что означает, что диод смещен в обратном направлении, и выходной конденсатор питает нагрузку.

Когда переключатель выключен, ток первичной обмотки уменьшается, и магнитное поле уменьшается. Напряжение вторичной обмотки положительное, и ток течет через диод, смещенный в прямом направлении, для питания конденсатора и выходной нагрузки.

Функция передачи между входом и выходом может быть выражена как:

 

Существуют и другие типы коммутируемых источников питания постоянного тока с возможностью повышения и понижения напряжений, но обсуждение этих оставим на другой раз.

Работа преобразователя повышающе-понижающего типа

Топология, которую выбрал мой выпускник-инженер для этой задачи, была преобразователем повышающе-понижающего типа. Однако все другие топологии, о которых мы говорили, также смогут выполнять необходимые операции для этой задачи, так что вы можете экспериментировать с этими различными топологиями. Эксперименты с разными топологиями и попытки достичь одинаковых результатов могут показаться бессмысленными на первый взгляд, но эти упражнения значительно увеличат ваше знание и понимание источников питания. Что самое лучшее, это даст вам преимущество, если вы когда-либо столкнетесь с задачей или работой, или учебным заданием в университете/колледже, где вам нужно будет выбрать источник питания для устройства или приложения.

Интегральная схема, выбранная моим выпускником-инженером, была Texas Instruments TPS63000, которая является устройством средней цены с регулируемым положительным выходным напряжением и способностью поддерживать 1.2 А выходного тока в режиме понижения и 800 мА выходного тока в режиме повышения.

Эта ИС была выбрана из-за ее низкой цены, хорошей доступности, высокой эффективности при требуемой нагрузке (до 200 мА), довольно дешевого и простого набора компонентов и простой печатной платы.

Этот интегральный микросхема (IC) разработана в первую очередь для портативных устройств, работающих от батарей, особенно для тех, которые питаются от двух или трех элементов типа алкалиновые, NiCd, NiMH, или от одного элемента литий-полимерных или литий-ионных батарей.

Этот регулятор IC можно приобрести у большинства дистрибьюторов электронных компонентов, таких как Mouser, Digi-Key, Farnell, Arrow, Vertical, RS Components.

TPS63000 является одним из серии регуляторов DC-DC повышающе-понижающего типа TPS6300X с регулируемым выходным напряжением. Два других устройства в этой серии имеют фиксированные выходные напряжения 3,3 В и 5 В. Мы выбрали вариант с регулируемым напряжением из-за гибкости, которую он предлагает. С помощью всего лишь нескольких дополнительных расчетов и замены нескольких компонентов регулятор легко может быть переключен с выходного напряжения 3,3 В на 5 В и наоборот.

Этот регуляторный ИС оснащен функциями включения устройства (EN), блокировки при пониженном напряжении, защиты от перегрева и режима экономии энергии.

Функция включения устройства (или EN) позволяет управлять регулятором, отключая его при необходимости. Для этой функции используется специальный вывод EN, который подтягивается к высокому уровню, когда работа регулятора разрешена, и к низкому, когда регулятор необходимо отключить. Этой функцией можно управлять с помощью МКУ, наблюдающего или контролирующего устройства, или используя простой транзистор или логический элемент.

Блокировка по недостаточному напряжению предотвращает запуск регулятора, когда входное напряжение питания ниже порогового напряжения регулятора. Эта функция предотвращает некорректную работу регулятора, когда входное напряжение питания выходит за пределы. Когда входное напряжение питания находится в пределах нормы, регулятор автоматически перезапускается.

Функция защиты от перегрева позволяет регулятору самостоятельно отключаться, когда внутренне измеренная температура превышает установленный порог, защищая микросхему и остальную часть схемы.

Режим экономии энергии использует специальный вывод PS/SYNC. При подтяжке этого вывода к высокому уровню режим экономии энергии отключается, а при подтяжке к низкому – включается. Подключение сигнала тактовой частоты к этому выводу позволит нам реализовать синхронизацию частоты.

Проектирование схемы

Вы увидите, что проектирование схемы не было сложным, поскольку как конструкция схемы, так и необходимые компоненты были рекомендованы в техническом описании устройства.

Как обычно, для первого шага выходное напряжение было установлено на уровне 3,3 В с использованием следующей формулы, приведенной в техническом описании:

Все значения переменных можно найти в техническом описании. Обратное напряжение VFB составляет около 500 мВ, а наше требуемое выходное напряжение VOUT - 3,3 В. Сопротивление R2 должно быть меньше 500 кОм, поэтому для начала было выбрано значение 200 кОм.

Первоначально рассчитанное значение R1 составило 1,12 МОм. Для удобства это значение было изменено на 1 МОм, и с использованием этого значения рассчитанное значение R2 стало 178 кОм.

В техническом описании также рекомендовалось добавить дополнительный конденсатор прямой передачи Cff параллельно с R2 для обеспечения более стабильной обратной связи и улучшения управляемости. Формула для расчета конденсатора прямой передачи также была предоставлена в техническом описании следующим образом:

Таким образом, используя это уравнение, было рассчитано значение конденсатора 2,2 пФ.

В техническом описании также содержатся несколько рекомендаций по индуктивностям; однако мой младший инженер решил самостоятельно рассчитать и выбрать индуктивность. Необходимая формула также была дана в техническом описании:

 

Сначала был рассчитан коэффициент работы в режиме повышения напряжения:

Поскольку это коэффициент заполнения при повышающей работе, значение входного напряжения Vin должно быть самым низким рабочим напряжением, при котором конвертер будет работать в приложении. В нашем случае это 3,0 В. Выходное напряжение Vout составляет 3,3 В.

Теперь, когда мы рассчитали коэффициент заполнения для повышающего режима, другие переменные следующие:

Частота переключения конвертера f = 2,5 МГц
Значение индуктивности может изменяться в ходе расчетов, но мы начинаем с значения 2,2 мкГн, поскольку это было рекомендовано в схеме данных листа.

Выходной ток был выбран равным 300 мА, чтобы обеспечить достаточный запас по ошибке.

Эффективность конвертера была выбрана равной 0,94. Это было считано с кривых эффективности, представленных на графике в данных листе:

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps63000.pdf?ts=1598976934250&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FTPS63000%253FHQS%253DTI-null-null-octopart-df-pf-manuf-wwe

Значение, считанное с графика, является приблизительным, но не бойтесь использовать приблизительные значения в инженерии, поскольку вся электронная разработка основана на использовании допусков и приблизительных значений.

Используя эти значения, рассчитанный пиковый ток индуктора составляет:

 

Был выбран индуктор LQH31CN2R2M03L, произведенный компанией Murata. Его индуктивность составляет 2.2 мкГн, номинальный ток - 430 мА, и он имеет такой же малый размер, как и SMD 1206.

Входной конденсатор согласно рекомендациям в техническом описании должен быть не менее 4.7 мкФ, а значение выходного конденсатора должно быть не менее 15 мкФ. Однако эти значения можно увеличить выше рекомендуемых, поскольку это снизит пульсации напряжения на входе и выходе. Мой инженер-практикант для этого применения выбрал конденсатор на 10 мкФ для входа и два конденсатора на 10 мкФ и 22 мкФ для выхода.

Также имеется дополнительный RC-фильтр нижних частот для контрольного пина питания VINA. Значения резистора и конденсатора для RC-фильтра были взяты из технического описания.

На этот раз в качестве соединителей были выбраны клеммные колодки в виде полос, доступные от Molex.

Эти разъемы легко паять и могут использоваться с женскими штыревыми проводами, которые широко доступны везде и могут без труда передавать ток в 200 мА.

Все эти выборы привели к разработке схемы для регулятора повышения-понижения напряжения TPS63000 DC-DC:

Дизайн печатной платы

Вы увидите, что дизайн печатной платы тоже был довольно простым для этого задания. Рекомендации были взяты из технического описания, и требовалось только минимальное изменение дизайна.

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps63000.pdf?ts=1598976934250&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FTPS63000%253FHQS%253DTI-null-null-octopart-df-pf-manuf-wwe

Размещение компонентов изначально было выполнено в соответствии с рекомендациями из технического описания:

Поскольку у нас есть две отдельные земли для земли питания PGND и земли управляющей цепи GND, которые соединены с помощью компонента Net Tie, Net Tie был размещен внизу рядом с контактом GND:

Следующим шагом в разметке печатной платы была ручная прокладка дорожек. Этот метод позволяет легче контролировать поток тока на печатной плате и может показать множество деталей.

Тепловые соображения для дизайна печатной платы не были очень строгими, поскольку дизайн был разработан для приложений с выходным током <200 мА. Максимальная мощность рассеивания регулятора ИС была рассчитана в техническом описании следующим образом:

Рассчитав мощность рассеивания при 3,3 В с выходным током 200 мА, плюс учитывая потери рассеивания, возникающие из-за КПД около 90%, мы получим:

Для входных и выходных дорожек, а также для земляных плоскостей сверху и снизу использовались широкие полигоны. Они были признаны более чем достаточными для данного приложения.

Затем были добавлены питающие полигоны:

Наконец, земляные плоскости были добавлены к верхнему и нижнему слоям:

Заключение

В современных электронных устройствах существует множество приложений, где требуется сочетание возможностей повышения и понижения напряжения в одном регуляторе. Это особенно необходимо для приложений с батареями, поскольку напряжение батареи имеет тенденцию к снижению во время разряда. Другие применения могут включать в себя суперконденсаторы или регулятор, который может работать от нескольких источников питания, например, обычно используя батарею, но переключаясь на питание от USB при подключении для зарядки батареи.

Я обсудил несколько различных топологий, доступных для повышающих и понижающих регуляторов напряжения. Сюда входят неизолированный повышающе-понижающий преобразователь, преобразователь SEPIC, преобразователь Чука и изолированный преобразователь на основе flyback. Выбор будет зависеть от приложения, бюджета, любых сложностей схемы или эксплуатации, доступности и многих других аспектов. Экспериментирование с использованием различных топологий для ваших приложений может быть отличной идеей, поскольку это развивает ваши знания о них. Вполне возможно, что наступит время, когда вам будет предложено спроектировать схему, требующую такого регулятора; выбор между этими топологиями будет для вас проще, если вы уже попробовали их все.

Дизайн компонентов этого приложения не был сложным, так как в техническом описании содержатся довольно ясные объяснения, рекомендации и руководства. Однако в других ситуациях вы можете обнаружить, что проектирование схем для повышающих и понижающих регуляторов может потребовать очень сложных схем, что влечет за собой множество расчетов и тщательный выбор компонентов. Другие топологии также могут требовать использования большего количества индуктивных компонентов, что, как правило, увеличивает сложность схемы и стоимость ее реализации.

Вы видели, что разработка печатной платы для этого преобразователя также была относительно простой, поскольку в техническом описании были предоставлены рекомендации по размещению, которые легко адаптировались. Однако для приложений с более высокими токовыми нагрузками разработка печатной платы может стать очень сложной из-за более сложных требований к тепловому управлению. Также для приложений с более высокими требованиями к току потребуется учитывать эффекты ЭМИ.

Вы можете найти файлы дизайна для многих моих проектов, опубликованные под открытой лицензией MIT на GitHub. Вы свободны использовать любые схемы или проекты по своему усмотрению, даже для коммерческих проектов. Подробности об устройствах, которые мы обсуждаем, вы найдете в моей обширной открытой библиотеке Altium Designer Library. Также вы найдете подробности о огромном ассортименте различных компонентов, содержащихся в этой библиотеке.