DC/DC перетворювачі

В "ОРВІН" ВИ МОЖЕТЕ КУПИТИ ЯКІСНІ  DC/DC перетворювачі

Короткий огляд основних параметрів DC DC конвертерів напруги допоможе вам визначитися з вибором необхідного блока живлення:

Допустимий діапазон вхідної напруги (Input Voltage) — діапазон вхідної напруги, за якого перетворювач перебуватиме в нормальному режимі роботи та забезпечуватиме допустимі значення за всією сукупністю заявлених параметрів. Стосовно DC/DC-перетворювачів має сенс пояснити деякі супутні терміни:

— Номінальна вхідна напруга (Rated DC Input Voltage). Зазвичай це одна з величин: 5, 12, 24 або 48 В (хоча бувають й інші значення). Це лише перша частина позначення вхідної напруги DC/DC-перетворювачів.

— Ширина допустимого діапазону (Input Range) — друга частина позначення вхідної напруги. Найбільш популярні випадки: «10%», «2:1» та «4:1», хоча іноді зустрічаються й інші варіанти. Термін «10%» для класу «24 В», наприклад, позначає межі допустимого діапазону як 21,6…26,4 В. Термін «2:1» для того ж класу позначає діапазон 18…36 В (тобто максимальне значення вдвічі більше за мінімальне). Термін «4:1» в аналогічному випадку визначає діапазон 9…36 В. Необхідно зазначити, що застосування джерел із розширеним діапазоном вхідної напруги виправдане лише тоді, коли умови експлуатації не дозволяють обійтися іншими засобами. За інших рівних умов «широкі» джерела характеризуються більшими втратами (у випрямних діодах, у трансформаторі, у вхідних фільтрах, на ключовому транзисторі), що, своєю чергою, знижує ККД перетворювача і змушує розробника застосувати додаткові рішення для відведення тепла. Крім того, перетворювачі з розширеним діапазоном дають ширший спектр перешкод і, відповідно, вимагають додаткових заходів щодо забезпечення електромагнітної сумісності [2]. Іншими словами, зовнішня привабливість джерел розширеного діапазону може створити безліч додаткових проблем, яких можна уникнути, застосувавши перетворювачі з вужчим діапазоном вхідної напруги.

Вихідна потужність перетворювача (Output Power) — добуток величини вихідної напруги на максимально допустиме значення струму навантаження (для багатоканальних перетворювачів — сума за всіма каналами). Однак при цьому слід мати на увазі, що вказуваний у документації «клас за потужністю» (Rated Power) не обов'язково дорівнює реальному значенню вихідної потужності. Це може бути просто вказівка на приналежність до певної групи моделей.

Коефіцієнт корисної дії або ефективність (Efficiency) — відношення значень вихідної потужності до потужності на вході. Значення сильно залежить від безлічі конкретних умов, але важливо мати на увазі, що найбільша ефективність досягається за навантаження, близького до максимально допустимого. Крім того, що більша різниця між вхідною та вихідною напругою, то менший ККД.

Електрична міцність ізоляції (I/O Isolation Voltage) — значення різниці потенціалів, прикладеної до контактів вхідного та вихідного кіл, яке не призвело до пробою ізоляції розв'язки між вхідним і вихідним каскадами перетворювача. Зрозуміло, цей параметр має сенс тільки для ізольованих перетворювачів. Зазначимо, що напруга ізоляції не є точним виміряним значенням. Фразу «1000 V DC Isolation» у документації слід розуміти таким чином: у процесі заводських випробувань між контактами вхідного та вихідного кіл на деякий час було прикладено постійну напругу 1000 В, і це не призвело до появи електричного пробою. При цьому необхідно мати на увазі наступне: по-перше, випробування можуть проходити за різними методиками. Зазвичай використовують методики одного з трьох стандартів: UL1577, VDE0884 та IEC61010-01, що дає різні результати, але при цьому далеко не завжди в документації робиться вказівка на застосовану методику випробувань. По-друге, в деяких випадках мається на увазі напруга, яка може бути прикладена до ізоляції необмежено довго (робоча напруга ізоляції), в інших випадках йдеться про випробувальну напругу, яка прикладається до зразка протягом короткого часу (від кількох мікросекунд до хвилини). Випробувальна напруга може у 10 разів перевищувати робочу і призначена для прискорених випробувань у процесі досліджень характеристик виробу. Тому порівнювати за цим параметром продукцію різних виробників важко: для перетворювачів Peak це значення дається для часу 3 с, для перетворювачів Recom — 1 с, MEAN WELL тривалість впливу не вказує. Як правило, в сучасних перетворювачах діапазон значень електричної міцності ізоляції варіюється в межах 1000…6000 В.

Зміст параметрів номінальне значення вихідної напруги, максимально допустимий струм навантаження та допустимий діапазон робочих температур є очевидним і пояснень не потребує.

Мінімально допустиме навантаження — це зміна вихідної напруги залежно від зміни величини навантаження. Нормується тільки в тому випадку, якщо величина навантаження вище за деяке обумовлене значення (зазвичай — 10 або 20% від максимального). За менших значень перетворювач функціонуватиме, але величина вихідної напруги може помітно відрізнятися від заявленого значення і мати суттєво вищий рівень високочастотних пульсацій. Вказується у відсотках від максимального значення. У документації вказується спільно з параметром Load Regulation (нестабільність за навантаженням), який буде розглянуто нижче.

Показники надійності. У більшості випадків виробники використовують обчислюваний показник MTBF — середній час між відмовами або напрацювання на відмову (Mean time between failures). Значення, що вказуються в документації виробників, мають порядок 1000000 годин. Нескладні підрахунки дозволяють, здавалося б, зробити висновок, що цей інтервал еквівалентний 114 рокам цілодобової роботи. На жаль, це не так. У реальності це означає, що ймовірність виходу з ладу модуля з таким значенням MTBF протягом року дорівнює 0,008766, тобто трохи менше одного виробу зі ста на рік. Методику розрахунку MTBF можна знайти в ГОСТ Р 27.002-2009 [3].

Величина пульсацій вихідної напруги (Ripple and Noise). Навіть в ідеальних умовах, за відсутності пульсацій у вхідній напрузі та незмінного струму в навантаженні, перетворювач «шумить» у частотному діапазоні 10…100 кГц, генеруючи на виході пульсації напруги величиною 50…500 мВ. У спеціальних малошумних перетворювачах, призначених для живлення чутливих схем, рівень шуму може бути знижений до 20 мВ. В позначенні одиниці вимірювання виробник вказує «mV p-p». Добавка «р-р» вказує, що мається на увазі не відхилення від середнього, а розмах напруги пульсацій — від мінімуму негативного піку до максимуму позитивного.

(). Навіть в ідеальних умовах, за відсутності пульсацій у вхідній напрузі та незмінного струму в навантаженні, перетворювач «шумить» у частотному діапазоні 10…100 кГц, генеруючи на виході пульсації напруги величиною 50…500 мВ. У спеціальних малошумних перетворювачах, призначених для живлення чутливих схем, рівень шуму може бути знижений до 20 мВ. В позначенні одиниці вимірювання виробник вказує «mV p-p». Добавка «р-р» вказує, що мається на увазі не відхилення від середнього, а розмах напруги пульсацій — від мінімуму негативного піку до максимуму позитивного.

Нестабільність за первинним ланцюгом, або нестабільність за вхідною напругою (Line Regulation) — відносна зміна вихідної напруги у відсотках при зміні різниці вхідної та вихідної напруги в заданих межах. При цьому струм у навантаженні та значення інших істотних параметрів вважаються незмінними. Значення цього параметра зазвичай не гірше ±2%, хорошими вважаються значення від ±0,5% і нижче. Тобто при зміні вхідної напруги на 1 В зміна вихідної напруги не перевищить 5 мВ.

Нестабільність за навантаженням, або нестабільність за напругою (Load Regulation) — виражена у відсотках зміна вихідної напруги (при зміні величини навантаження від максимуму до мінімуму), віднесена до номінального значення вихідної напруги. Під мінімальним навантаженням зазвичай мається на увазі 10 або 20% від максимуму. Значення саме цього параметра є критерієм, за яким конкретну модель відносять до стабілізованих або нестабілізованих перетворювачів. Перетворювачі з нестабільністю за навантаженням гірше ±5% прийнято вважати нестабілізованими. Для стабілізованих перетворювачів значення цього параметра зазвичай не гірше ±2%, а хорошими (як і в попередньому випадку) вважаються значення від ±0,5% і нижче.

Температурний коефіцієнт напруги (Temperature Coefficient) характеризує стабільність вихідної напруги при зміні робочої температури перетворювача. Розраховується як виражена у відсотках зміна вихідної напруги, віднесена до номіналу вихідної напруги, при зміні робочої температури на 1°С. Значення 0,03%/°С є найбільш типовим.

Спеціальні функції DC/DC-конверторів напруги

Більшість DC/DC-перетворювачів мають низку додаткових функцій, що розширюють можливості їх застосування.

Дистанційне керування перетворювачем. Цей вхід іноді ще позначають як «On/Off» або «Shutdown». Вхід дозволяє відключити вихідний каскад від навантаження, тобто вимкнути перетворювач. Вхід може використовуватися для організації певної послідовності ввімкнення-вимкнення джерел живлення, що входять до складної системи електроживлення. Вхід також може використовуватися для аварійного відключення навантаження у нештатних ситуаціях. У більшості моделей перетворювачів вхід дистанційного керування, що залишився непідключеним, еквівалентний режиму ввімкнення, але тим не менш, бажано підключити його до «плюса» або «мінуса» вхідного кола відповідно до вимог виробника.

Регулювання вихідної напруги. Деякі моделі перетворювачів мають додатковий вхід регулювання. До цього входу за необхідності підключається потенціометр, зміна опору якого визначає зміну вихідної напруги в деяких межах. Зазвичай цей вхід використовується, якщо на проводах, що підводять живлення до навантаження, падінням напруги не можна знехтувати. Тоді регулювання вихідної напруги дозволяє компенсувати втрати на проводах і довести до навантаження напругу необхідної величини.

Можливість паралельного та послідовного ввімкнення. Переважна більшість моделей перетворювачів допускає паралельне та послідовне підключення кількох джерел. Якщо подібні операції з якихось причин неприпустимі, то цей факт буде спеціально обумовлено в документації виробника. Паралельне ввімкнення двох перетворювачів застосовується тоді, коли потрібно збільшити вихідний струм до величини, що перевищує максимальне значення струму навантаження одного модуля. Послідовне підключення використовується для подвоєння (або кратного збільшення) вихідної напруги. Методи, вельми популярні понад 30 років тому в умовах обмеженої номенклатури радянської елементної бази. У теперішній час, на особисту думку автора цієї статті, застосування цих методів є дуже спірним рішенням: лінійка перетворювачів будь-якого серйозного виробника дозволяє легко підібрати один модуль із потрібними параметрами. Крім того, по-перше, паралельне та послідовне ввімкнення знижують ККД кожного модуля, як окремо, так і в сукупності. По-друге, значення інших кількісних параметрів (точність, пульсації, нестабільність за мережею та за навантаженням) стають непередбачуваними. Поведінка захисних механізмів також прогнозується з працею. Іншими словами, якщо дуже хочеться використовувати дані способи ввімкнення, то можна, але краще обійтися іншими рішеннями.

Захист від перегрузок за вихідним струмом. Присутній у переважній більшості сучасних моделей перетворювачів. Реалізовано за одним із двох варіантів: відключення при перевантаженні та перехід у режим стабілізації вихідного струму. У першому випадку, при перевищенні максимального значення вихідного струму на 10…25% (залежить від конкретної моделі перетворювача), відбувається відключення навантаження від вихідного каскаду, тобто вимикання джерела. У другому випадку відбувається фіксація рівня вихідного струму на граничному рівні (рівень ввімкнення захисту), а вихідна напруга зменшується доти, доки вихідна потужність не перебуватиме в допустимих межах.

Автоматичний та ручний перезапуск. У разі відключення навантаження потрібен перезапуск пристрою, тобто його повторне ввімкнення. У ручному режимі джерело, якщо спрацював захист, залишається вимкненим як завгодно довго до втручання оператора. Якщо передбачено автоматичний перезапуск, то після відключення періодично вимірюються параметри перевантаження за струмом або потужністю. Якщо ці параметри нормалізувалися, то джерело запускається в штатному режимі без участі оператора. Автоматичний режим реалізований у більшості сучасних моделей. Відповідно, якщо захист побудований за принципом стабілізації вихідного струму, то перезапуск завжди автоматичний: щойно вихідна напруга підвищиться до номінального значення, відбувається перемикання в режим стабілізації вихідної напруги.

Захист від температурних перевантажень. Підвищення температури всередині модуля понад гранично допустимі значення викликає відключення навантаження. При автоматичному перезапуску повторне ввімкнення модуля відбудеться щойно температура знизиться до деякого порогового значення. У ручному режимі потрібне втручання оператора.

Класифікація DC/DC-конверторів

Першим (1) і, ймовірно, основним критерієм для класифікації є поділ перетворювачів на неізольовані та ізольовані.

У неізольованих перетворювачах загальний провід кола вхідної напруги є також і загальним проводом вихідного кола напруги. Тобто вхідний і вихідний каскади перетворювача не розв'язані між собою. Неізольовані імпульсні перетворювачі виконані за однією з таких топологій: знижувальний (buck), підвищувальний (boost) або інвертувальний (buck-boost) перетворювач. В ізольованих перетворювачах кола вхідної та вихідної напруги розв'язані між собою за допомогою трансформатора, а коло зворотного зв'язку розв'язане через оптопару. Використовуються такі топології: прямоходовий (forward), зворотньоходовий (flyback), напівмостовий (half-bridge) та мостовий (full-bridge) перетворювачі. Неізольовані модулі застосовуються, як правило, як PoL DC/DC-конверторів (Point of Load — точка навантаження), тобто для формування електроживлення конструктивного модуля не більшого за плату або окремий компонент (процесор, мікроконтролер, FPGA, мікросхеми пам'яті). Основною причиною використання ізольованих перетворювачів є вимоги електричної безпеки для різних галузей застосування (промислові установки, медичне обладнання, обладнання транспортних засобів тощо). Іноді згадують, що наявність гальванічної розв'язки збільшує вартість перетворювача, і рекомендують використовувати ізольовані перетворювачі лише за настійної необхідності. З цим важко погодитися, оскільки різниця у вартості дуже невелика (якщо вона є). Кількісні характеристики ізольованих перетворювачів аж ніяк не нижчі, ніж неізольованих. І врешті-решт, ніхто не забороняє з'єднати загальні проводи вхідного та вихідного кіл в ізольованому перетворювачі зовнішнім провідником, якщо розв'язка не потрібна. Номенклатура ізольованих перетворювачів значно ширша і немає жодної необхідності штучно створювати обмеження у виборі модуля з потрібними параметрами.

Друга ознака (2) класифікації модулів — за конструктивним виконанням. Тут має сенс взяти за основу класифікацію, яку використовує компанія MEAN WELL, оскільки продукція цієї компанії представлена у всіх сегментах. Виділяють чотири класи перетворювачів:

Перетворювачі модульного виконання — найширший клас перетворювачів. У кожного з розглянутих виробників лінійка цих виробів включає кілька десятків сімейств; понад сотню серій, якщо враховувати різні діапазони вхідного живлення; близько тисячі або більше різних номерів виробів (partnumber). Незважаючи на такий широкий спектр, модульні перетворювачі уніфіковані за типами корпусів, розташуванням і призначенням висновків (виводів). Це дозволяє, з одного боку, без особливих проблем покращувати техніко-економічні параметри виробів за рахунок встановлення ефективніших модулів замість модуля, вибраного на стадії розробки. З іншого боку — дозволяє убезпечити серійне виробництво від можливих перебоїв у постачанні компонентів за рахунок значної кількості відносно еквівалентних замін. Діапазон вихідних потужностей джерел цього типу: 0,25…60 Вт.

----------------------------------------

Для потужностей 10…15 Вт можуть застосовуватися металеві корпуси з типорозміром корпусу мікросхем DIP24 у варіантах як для поверхневого монтажу, так і для монтажу в отвір. Для потужностей від 15 Вт і вище застосовується «дюймове» позначення корпусу, наприклад 2"x1", що позначає зовнішні розміри корпусу 50,8х25,4 мм. Однак якісь загальні закономірності щодо кількості виводів та їх розташування не обговорюються.

Безкорпусні перетворювачі присутні, в основному, тільки в номенклатурі компанії MEAN WELL. Являють собою завершену плату, що встановлюється на шасі і закріплюється гвинтами через кріпильні отвори. Електричні з'єднання здійснюються через стандартні роз'єми. Цей клас представлений однією серією виробів PSD з вихідною потужністю 5, 15, 30 та 45 Ват.

Перетворювачі корпусного типу також присутні тільки в номенклатурі MEAN WELL. Клас представлений серіями SD (з діапазоном вихідних потужностей від 15 до 1000 Ват) та RSD (з діапазоном 100…300 Ват). Джерела виконані у вигляді плати, але, на відміну від безкорпусних моделей, поміщені в корпус. Електричні з'єднання здійснюються через гвинтові клеми. 

Нарешті, третя ознака (3), за якою може здійснюватися класифікація перетворювачів — кількість каналів в одному модулі.

Найпопулярніший варіант — одноканальні джерела позитивної напруги.

Джерела живлення DC DC широко і щодня використовуються не тільки в промисловості, а й в аматорській та побутовій практиці, що робить їх вельми популярними та затребуваними на ринку України. Інтернет-магазин "ОРВІН" намагається оперативно підтримувати їх наявність на складі. Звертайтеся до нас, і ми допоможемо підібрати доступні блоки живлення під ваші потреби.