Понижающие buck-конвертеры и их крутые применения

Добавлено 28 октября 2017 в 18:35

Buck-конвертер представляет собой вездесущий DC-DC преобразователь, который эффективно понижает напряжение. Эффективное преобразование напряжения питания увеличивает срок службы батареи, уменьшает тепловыделение и позволяет создавать небольшие гаджеты. Buck-конвертер может использоваться во многих крутых применениях. В данной статье приводится краткое введение в buck-конвертер, охватывается несколько крутых применений схем buck-конвертера (и его двоюродного брата - полумоста) и предоставляются ссылки на ресурсы, где заинтересованные читатели могут больше узнать о конкретных микросхемах для использования в своих проектах.

Введение в понижающие buck-конвертеры

Buck-конвертер – это простая схема. На рисунке 1 представлена упрощенная схема buck-конвертера. MOSFET транзистор на стороне высокого напряжения во время работы открывается и закрывается. Для управления выходным напряжением управляющая микросхема (не показана) использует замкнутый контур обратной связи. Функция передачи постоянного напряжения представляет собой формулу, которая связывает входное напряжение, выходное напряжение и коэффициент заполнения buck-конвертера. Vвых = Vвх*D, где Vвых – выходное напряжение, Vвх – входное напряжение, D – коэффициент заполнения или процент времени, в течение которого MOSFET транзистор открыт. Катушка индуктивности и конденсатор на рисунке 1 формируют фильтр нижних частот. Этот фильтр нижних частот сглаживает эффект переключений MOSFET транзистора и обеспечивает хорошее, ровное, постоянное напряжение.

Рисунок 1 – Упрощенная схема несинхронного buck-конвертера. В качестве примера контроллера несинхронного buck-конвертера можно привести микросхему TPS5430
Рисунок 1 – Упрощенная схема несинхронного buck-конвертера. В качестве примера контроллера несинхронного buck-конвертера можно привести микросхему TPS5430

На рисунке 2 показан распространенный вариант buck-конвертера: синхронный buck-конвертер. В синхронном buck-конвертере неуправляемый диод заменен на MOSFET транзистор. Использование MOSFET транзистора также допускает двунаправленную передачу напряжения питания. Если buck-конвертер работает в обратном направлении, то его можно использовать в качестве повышающего boost-конвертера. Для этого потребуется специальная микросхема преобразователя. Это используется в таких приложениях, как USB On-the-Go (OTG), которые позволяют использовать ваш смартфон для питания небольшой портативной электроники.

Два MOSFET транзистора в этой компоновке называются полумостом. Полумосты также являются очень полезными схемами, которые имеют множество применений.

Рисунок 2 – Упрощенная схема синхронного buck-конвертера. В качестве примера контроллера синхронного buck-конвертера можно привести микросхему LM5119
Рисунок 2 – Упрощенная схема синхронного buck-конвертера. В качестве примера контроллера синхронного buck-конвертера можно привести микросхему LM5119

Buck-конвертеры используются везде. Остальная часть статьи охватывает некоторые распространенные приложения.

USB On-The-Go (OTG)

USB On-The-Go позволяет подключать к смартфону клавиатуру, мышь и другие периферийные устройства. Периферийное устройство получает питание от USB порта телефона. Регулировка напряжения питания обрабатывается с помощью синхронного buck-конвертера, который может передавать напряжение питания в обоих направлениях. Когда телефон подключен к зарядному устройству, buck-конвертер работает как понижающий buck-конвертер для зарядки литиевого аккумулятора на телефоне. А когда подключено периферийное устройство, buck-конвертер работает в обратном направлении в качестве повышающего boost-конвертера для генерации напряжения 5 В из напряжения литиевой батареи. Ознакомьтесь с этими ссылками от Texas Instruments и Linear Technology, чтобы узнать больше о двунаправленных DC-DC преобразователях, поддерживающих USB On-The-Go (OTG).

Рисунок 3 – Некоторые популярные смартфоны
Рисунок 3 – Некоторые популярные смартфоны

POL конвертер для PC и ноутбуков

Конвертер Point-Of-Load, или POL, – это неизолированный понижающий buck-конвертер, который способен эффективно управлять питанием нагрузок при высоких токах. Это особенно полезно для материнских плат ПК и ноутбуков. Современные процессоры работают с очень низким напряжением, обычно 1,8 В. Для этих целей используется синхронный buck-конвертер, иногда многофазный. В технических описаниях на материнские платы этот POL конвертер часто называется Voltage Regulator Module, или VRM (модуль регулятора напряжения). Murata производит конвертеры Point-Of-Load, подобные этому.

Рисунок 4 – Материнская плата
Рисунок 4 – Материнская плата

Зарядные устройства

Все хотят, чтобы их смартфон, планшет или портативный аккумулятор заряжались быстро, и при этом не нагреваясь. Лучший способ для этого – синхронный buck-конвертер. Как правило, порт зарядки для мобильного устройства представляет собой порт microUSB. На него подаются стабилизированные 5 вольт. Схема зарядки, находящаяся внутри мобильного устройства, часто представляет собой понижающий buck-конвертер. Некоторые контроллеры buck-конвертеров, такие как эта микросхема от Linear Technology, имеют встроенные умные контроллеры батарей.

Рисунок 5 – Ноутбук
Рисунок 5 – Ноутбук

Зарядные устройства на солнечных элементах

Сильной стороной buck-конвертеров является эффективное преобразование высокого напряжения в низкое. Существует множество продуктов, предназначенных для зарядки аккумулятора от солнечной панели с более высоким напряжением. Зарядное устройство на солнечных элементах имеет функцию, которой не обладают другие buck-конвертеры, и которая называется отслеживание точки максимальной мощности. Солнечные элементы обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками. Зарядное устройство на солнечных элементах часто представляет собой buck-конвертер с микроконтроллерным управлением. Чтобы зарядить аккумулятор в кратчайшие сроки, микроконтроллер заставляет buck-конвертер выдавать максимальную мощность путем изменения тока нагрузки. Некоторые buck-конверторы имеют встроенное отслеживание точки максимальной мощности и контроллер заряда литиевых батарей, например, LT3652 от Linear Technology.

Рисунок 6 – Складывающаяся солнечная панель для туристов
Рисунок 6 – Складывающаяся солнечная панель для туристов

Мощные аудиоусилители

Мощный выходной каскад усилителей мощности класса D представляет собой синхронный buck-конвертер. Одно большое различие между DC-DC преобразователем и аудиоусилителем класса D заключается в том, что DC-DC преобразователь выдает на нагрузку фиксированное постоянное напряжение, а усилитель класса D намеренно производит сигнал переменного напряжения. Разница заключается в петле обратной связи. Обратите внимание, что выходной каскад представляет собой полумост, после которого идет LC фильтр. Хорошим примером усилителя класса D является TDA8954 от NXP.

Рисунок 7 – Упрощенная схема усилителя класса D
Рисунок 7 – Упрощенная схема усилителя класса D

Силовые инверторы с чистой синусоидой

Чистосинусоидальные силовые инверторы создают синусоидальное переменное напряжение, питаясь от источника постоянного напряжения, такого как аккумулятор. Вы можете использовать силовой инвертор для питания домашнего электронного устройства большой мощности от большого аккумулятора или от сети автомобиля. Мощный инвертирующий каскад силового инвертора похож на усилитель класса D.

Квадрокоптеры

Buck-конверторы используются в квадрокоптерах. Квадрокоптеры часто питаются от аккумуляторных батарей из соединенных последовательно 2-6 ячеек. Эти аккумуляторные батареи выдают напряжение в диапазоне 6В–25В. Buck-конвертор понижает это напряжение батареи до 5В или 3,3В для использования контроллером полета (мозг квадрокоптера). В сфере квадрокоптеров buck-конверторы часто называют BEC (сокращение от "battery elimination circuit") или UBEC (universal battery elimination circuit). Схемы BEC и UBEC часто встречаются в электронных регуляторах скорости, которые управляют бесколлекторными двигателями квадрокоптера, или на распределительной плате питания, которая разводит питание туда, куда нужно.

Рисунок 8 – Квадракоптер
Рисунок 8 – Квадрокоптер

Контроллеры бесколлекторных двигателей

Квадрокоптеры используют для полетов бесколлекторные двигатели из-за их высокой эффективности и малого веса. Для управления обмотками бесколлекторного двигателя используется три полумоста. На рисунке 9 показана упрощенная схема драйвера бесколлекторного двигателя. Он выглядит как 3 синхронных buck-конвертера без конденсаторов фильтра. На рисунке 10 показан реальный электронный контроллер скорости, используемый в квадрокоптерах.

Рисунок 9 – Упрощенная схема контроллера бесколлекторного двигателя
Рисунок 9 – Упрощенная схема контроллера бесколлекторного двигателя
Рисунок 10 – Электронный контроллер скорости, используемый в любительских конструкциях. Этот конкретный контроллер скорость включает в себя встроенный buck-конвертер
Рисунок 10 – Электронный контроллер скорости, используемый в любительских конструкциях. Этот конкретный контроллер скорость включает в себя встроенный buck-конвертер

Силовые каскады, которые являются синхронными, позволяют подавать питание в направлении от двигателей на аккумуляторную батарею. Это процесс, известный как регенеративное торможение, который используется в электропоездах и электромобилях, в том числе Tesla Roadster.

Контроллеры коллекторных двигателей

Коллекторный двигатель можно приводить в движение с помощью схемы, называемой высоковольтным управлением двигателем. Схема построена на базе синхронного конвертера без выходного конденсатора.

Рисунок 11 – Упрощенная схема контроллера коллекторного двигателя. Обратите внимание на сходство с buck-конвертером
Рисунок 11 – Упрощенная схема контроллера коллекторного двигателя. Обратите внимание на сходство с buck-конвертером

Заключение

В данной статье представлено кратное введение в понижающие buck-конвертеры. Buck-конвертер и их двоюродный брат полумост используются во многих крутых приложениях, включая смартфоны, ноутбуки, планшеты, портативные аккумуляторные батареи, фонарики, квадрокоптеры. Схемы аудиоусилителей и управления двигателями имеют много общего с buck-конверторами.


На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке