DC/DC преобразователи

У "ОРВИН" ВЫ МОЖЕТЕ КУПИТЬ КАЧЕСТВЕННЫЕ  DC/DC преобразователи

Краткий обзор основных параметров DC DC конвертеров напряжения поможет вам определиться с выбором необходимого блока питания:

Допустимый диапазон входного напряжения (Input Voltage) — диапазон входного напряжения, при котором преобразователь будет находиться в нормальном режиме работы и обеспечивать допустимые значения по всей совокупности заявленных параметров. Применительно к DC/DC-преобразователям имеет смысл пояснить некоторые сопутствующие термины:

— Номинальное входное напряжение (Rated DC Input Voltage). Обычно это одна из величин: 5, 12, 24, или 48 В (хотя бывают и другие значения). Это всего лишь первая часть обозначения входного напряжения DC/DC-преобразователей.

— Ширина допустимого диапазона (Input Range) — вторая часть обозначения входного напряжения. Наиболее популярные случаи: «10%», «2:1» и «4:1», хотя иногда встречаются и другие варианты. Термин «10%» для класса «24 В», например, обозначает пределы допустимого диапазона как 21,6…26,4 В. Термин «2:1» для того же класса обозначает диапазон 18…36 В (то есть, максимальное значение вдвое больше минимального). Термин «4:1» в аналогичном случае определяет диапазон 9…36 В. Необходимо отметить, что применение источников с расширенным диапазоном входного напряжения оправдано лишь тогда, когда условия эксплуатации не позволяют обойтись другими средствами. При прочих равных условиях «широкие» источники характеризуются большими потерями (в выпрямительных диодах, в трансформаторе, во входных фильтрах, на ключевом транзисторе), что, в свою очередь, снижает КПД преобразователя и вынуждает разработчика применить дополнительные решения для отвода тепла. Кроме того, преобразователи с расширенным диапазоном дают более широкий спектр помех и, соответственно, требуют дополнительных мер по обеспечению электромагнитной совместимости [2]. Иными словами, внешняя привлекательность источников расширенного диапазона может создать множество дополнительных проблем, которых можно избежать, применив преобразователи с более узким диапазоном входного напряжения.

Выходная мощность преобразователя (Output Power) — произведение величины выходного напряжение на максимально допустимое значение тока нагрузки (для многоканальных преобразователей — сумма по всем каналам). Однако, при этом следует иметь в виду, что указываемый в документации «класс по мощности» (Rated Power) не обязательно равен реальному значению выходной мощности. Это может быть просто указание на принадлежность к определенной группе моделей.

Коэффициент полезного действия или эффективность (Efficiency) — отношение значений выходной мощности к мощности на входе. Значение сильно зависит от множества конкретных условий, но важно иметь в виду, что наибольшая эффективность достигается при нагрузке, близкой к максимально допустимой. Кроме того, чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем меньше КПД.

Электрическая прочность изоляции (I/O Isolation Voltage) — значение разности потенциалов, приложенной к контактам входной и выходной цепей, которое не привело к пробою изоляции развязки между входным и выходным каскадами преобразователя. Разумеется, данный параметр имеет смысл только для изолированных преобразователей. Отметим, что напряжение изоляции не является точным измеренным значением. Фразу «1000 V DC Isolation» в документации следует понимать таким образом: в процессе заводских испытаний между контактами входной и выходной цепей на некоторое время было приложено постоянное напряжение 1000 В, и это не привело к появлению электрического пробоя. При этом необходимо иметь в виду следующее: во-первых, испытания могут проходить по разным методикам. Обычно используют методики одного из трех стандартов: UL1577, VDE0884 и IEC61010-01, что дает разные результаты, но при этом далеко не всегда в документации делается указание на примененную методику испытаний. Во-вторых, в некоторых случаях имеется в виду напряжение, которое может быть приложено к изоляции неограниченно долго (рабочее напряжение изоляции), в других случаях речь идет об испытательном напряжении, которое прикладывается к образцу в течение короткого времени (от нескольких микросекунд до минуты). Испытательное напряжение может в 10 раз превышать рабочее и предназначено для ускоренных испытаний в процессе исследований характеристик изделия. Поэтому сравнивать по данному параметру продукцию разных производителей затруднительно: для преобразователей Peak это значение дается для времени 3 с, для преобразователей Recom — 1 сек, MEAN WELL продолжительность воздействия не указывает. Как правило, в современных преобразователях диапазон значений электрической прочности изоляции варьируется в пределах 1000…6000 В.

Смысл параметров номинальное значение выходного напряжения, максимально допустимый ток нагрузки и допустимый диапазон рабочих температур очевиден и пояснений не требует.

Минимально допустимая нагрузка — это изменение выходного напряжения в зависимости от изменения величины нагрузки. Нормируется только в том случае, если величина нагрузки выше некоторого оговоренного значения (обычно — 10 или 20% от максимального). При меньших значениях преобразователь будет функционировать, но величина выходного напряжения может заметно отличаться от заявленного значения и иметь существенно более высокий уровень высокочастотных пульсаций. Указывается в процентах от максимального значения. В документации указывается совместно с параметром Load Regulation (нестабильность по нагрузке), который будет рассмотрен ниже.

Показатели надежности. В большинстве случаев производители используют вычисляемый показатель MTBF — среднее время между отказами или наработка на отказ (Mean time between failures). Значения, указываемые в документации производителей, имеют порядок 1000000 часов. Несложные подсчеты позволяют, казалось бы, сделать вывод, что этот интервал эквивалентен 114 годам круглосуточной работы. К сожалению, это не так. В реальности это обозначает, что вероятность выхода из строя модуля с таким значением MTBF в течение года равна 0,008766, то есть чуть менее одного изделия из сотни за год. Методику расчета MTBF можно найти в ГОСТ Р 27.002-2009 [3].

Величина пульсаций выходного напряжения (Ripple and Noise). Даже в идеальных условиях, при отсутствии пульсаций во входном напряжении и неизменном токе в нагрузке, преобразователь «шумит» в частотном диапазоне 10…100 кГц, генерируя на выходе пульсации напряжения величиной 50…500 мВ. В специальных малошумящих преобразователях, предназначенных для питания чувствительных схем, уровень шума может быть снижен до 20 мВ. В обозначении единицы измерения производитель указывает «mV p-p». Добавка «р-р» указывает, что имеется в виду не отклонение от среднего, а размах напряжения пульсаций — от минимума отрицательного пика до максимума положительного.

(). Даже в идеальных условиях, при отсутствии пульсаций во входном напряжении и неизменном токе в нагрузке, преобразователь «шумит» в частотном диапазоне 10…100 кГц, генерируя на выходе пульсации напряжения величиной 50…500 мВ. В специальных малошумящих преобразователях, предназначенных для питания чувствительных схем, уровень шума может быть снижен до 20 мВ. В обозначении единицы измерения производитель указывает «mV p-p». Добавка «р-р» указывает, что имеется в виду не отклонение от среднего, а размах напряжения пульсаций — от минимума отрицательного пика до максимума положительного.

Нестабильность по первичной цепи, или нестабильность по входному напряжению (Line Regulation) — относительное изменение выходного напряжения в процентах при изменении разности входного и выходного напряжения в заданных пределах. При этом ток в нагрузке и значения остальных существенных параметров считаются неизменными. Значение этого параметра обычно не хуже ±2%, хорошими считаются значения от ±0,5% и ниже. То есть при изменении входного напряжения на 1 В изменение выходного напряжения не превысит 5 мВ.

Нестабильность по нагрузке, или нестабильность по напряжению (Load Regulation) — выраженное в процентах изменение выходного напряжения (при изменении величины нагрузки от максимума до минимума), отнесенное к номинальному значению выходного напряжения. Под минимальной нагрузкой обычно имеется в виду 10 или 20% от максимума. Значение именно этого параметра является критерием, по которому конкретную модель относят к стабилизированным или нестабилизированным преобразователям. Преобразователи с нестабильностью по нагрузке хуже ±5% принято считать нестабилизированными. Для стабилизированных преобразователей значение этого параметра обычно не хуже ±2%, а хорошими (как и в предыдущем случае) считаются значения от ±0,5% и ниже.

Температурный коэффициент напряжения (Temperature Coefficient) характеризует стабильность выходного напряжения при изменении рабочей температуры преобразователя. Рассчитывается как выраженное в процентах изменение выходного напряжения, отнесенное к номиналу выходного напряжения, при изменении рабочей температуры на 1°С. Значение 0,03%/°С является наиболее типичным.

Специальные функции DC/DC-конверторов напряжения

Большинство DC/DC-пре­образователей имеют ряд дополнительных функций, расширяющих возможности их применения.

Дистанционное управление преобразователем. Данный вход иногда еще обозначают как «On/Off» или «Shutdown». Вход позволяет отключить выходной каскад от нагрузки, то есть выключить преобразователь. Вход может использоваться для организации определенной последовательности включения-выключения источников питания, входящих в сложную систему электропитания. Вход также может использоваться для аварийного отключения нагрузки при нештатных ситуациях. В большинстве моделей преобразователей вход дистанционного управления, оставшийся неподключенным, эквивалентен режиму включения, но, тем не менее, желательно подключить его к «плюсу» или «минусу» входной цепи в соответствии с требованиями производителя.

Регулировка выходного напряжения. Некоторые модели преобразователей имеют дополнительный вход регулировки. К этому входу при необходимости подключается потенциометр, изменение сопротивления которого определяет изменение выходного напряжения в некоторых пределах. Обычно этот вход используется, если на проводах, подводящих питание к нагрузке, падением напряжения нельзя пренебречь. Тогда регулировка выходного напряжения позволяет компенсировать потери на проводах и довести до нагрузки напряжение требуемой величины.

Возможность параллельного и последовательного включения. Подавляющее большинство моделей преобразователей допускает параллельное и последовательное подключение нескольких источников. Если подобные операции по каким-то причинам недопустимы, то этот факт будет специально оговорен в документации производителя. Параллельное включение двух преобразователей применяется тогда, когда требуется увеличить выходной ток до величины, превышающей максимальное значение тока нагрузки одного модуля. Последовательное подключение используется для удвоения (или кратного увеличения) выходного напряжения. Методы, весьма популярные более 30 лет назад в условиях ограниченной номенклатуры советской элементной базы. В настоящее время, по личному мнению автора данной статьи, применение этих методов является очень спорным решением: линейка преобразователей любого серьезного производителя позволяет легко подобрать один модуль с требуемыми параметрами. Кроме того, во-первых, параллельное и последовательное включение снижают КПД каждого модуля, как по отдельности, так и в совокупности. Во-вторых, значения остальных количественных параметров (точность, пульсации, нестабильность по сети и по нагрузке) становятся непредсказуемыми. Поведение защитных механизмов также прогнозируется с трудом. Иными словами, если очень хочется использовать данные способы включения, то можно, но лучше обойтись другими решениями.

Защита от перегрузок по выходному току. Присутствует в подавляющем большинстве современных моделей преобразователей. Реализовано по одному из двух вариантов: отключению при перегрузке и переходу в режим стабилизации выходного тока. В первом случае, при превышении максимального значения выходного тока на 10…25% (зависит от конкретной модели преобразователя), происходит отключение нагрузки от выходного каскада, то есть, выключение источника. Во втором случае происходит фиксация уровня выходного тока на предельном уровне (уровень включения защиты), а выходное напряжение уменьшается до тех пор, пока выходная мощность не будет находиться в допустимых пределах.

Автоматический и ручной перезапуск. В случае отключения нагрузки требуется перезапуск устройства, то есть, его повторное включение. При ручном режиме источник, если сработала защита, остается выключенным сколь угодно долго до вмешательства оператора. Если предусмотрен автоматический перезапуск, то после отключения периодически измеряются параметры перегрузки по току или мощности. Если эти параметры нормализовались, то источник запускается в штатном режиме без участия оператора. Автоматический режим реализован в большинстве современных моделей. Соответственно, если защита построена по принципу стабилизации выходного тока, то перезапуск всегда автоматический: как только выходное напряжение повысится до номинального значения, происходит переключение в режим стабилизации выходного напряжения.

Защита от температурных перегрузок. Повышение температуры внутри модуля сверх предельно допустимых значений вызывает отключение нагрузки. При автоматическом перезапуске повторное включение модуля произойдет, как только температура снизится до некоторого порогового значения. В ручном режиме требуется вмешательство оператора.

Классификация DC/DC-конверторов

Первым (1) и, вероятно, основным критерием для классификации является деление преобразователей на неизолированные и изолированные.

В неизолированных преобразователях общий провод цепи входного напряжения является также и общим проводом выходной цепи напряжения. То есть, входной и выходной каскады преобразователя не развязаны между собой. Неизолированные импульсные преобразователи выполнены по одной из следующих топологий: понижающий (buck), повышающий (boost) или инвертирующий (buck-boost) преобразователь. В изолированных преобразователях цепи входного и выходного напряжения развязаны между собой посредством трансформатора, а цепь обратной связи развязана через оптопару. Используются следующие топологии: прямоходовой (forward), обратноходовой (flyback), полумостовой (half-bridge) и мостовой (full-bridge) преобразователи. Неизолированные модули применяются, как правило, в качестве PoL DC/DC-конверторов (Point of Load — точка нагрузки), то есть, для формирования электропитания конструктивного модуля не крупнее платы или отдельного компонента (процессора, микроконтроллера, FPGA, микросхем памяти). Основной причиной использования изолированных преобразователей являются требования электрической безопасности для различных областей применения (промышленные установки, медицинское оборудование, оборудование транспортных средств и т.д.). Иногда упоминают, что наличие гальванической развязки увеличивает стоимость преобразователя, и рекомендуют использовать изолированные преобразователи только при настоятельной необходимости. С этим трудно согласиться, поскольку разница в стоимости очень невелика (если она есть). Количественные характеристики изолированных преобразователей никак не ниже, чем неизолированных. И, наконец, никто не запрещает соединить общие провода входной и выходной цепей в изолированном преобразователе внешним проводником, если развязка не нужна. Номенклатура изолированных преобразователей значительно шире и нет никакой необходимости искусственно создавать ограничения в выборе модуля с требуемыми параметрами.

Второй признак (2) классификации модулей — по конструктивному исполнению. Здесь имеет смысл принять за основу классификацию, которую использует компания MEAN WELL, поскольку продукция этой компании представлена во всех сегментах. Выделяют четыре класса преобразователей:

Преобразователи модульного исполнения — наиболее широкий класс преобразователей. У каждого из рассматриваемых производителей линейка этих изделий включает несколько десятков семейств; более сотни серий, если учитывать различные диапазоны входного питания; около тысячи или более различных номеров изделий (partnumber). Несмотря на столь широкий спектр, модульные преобразователи унифицированы по типам корпусов, расположению и назначению выводов. Это позволяет, с одной стороны, без особых проблем улучшать технико-экономические параметры изделий за счет установки более эффективных модулей взамен модуля, выбранного на стадии разработки. С другой стороны — позволяет обезопасить серийное производство от возможных перебоев в поставках компонентов за счет значительного количества относительно эквивалентных замен. Диапазон выходных мощностей источников данного типа: 0,25…60 Вт.

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

Для мощностей 10…15 Вт могут применяться металлические корпуса с типоразмером корпуса микросхем DIP24 в вариантах как для поверхностного монтажа, так и для монтажа в отверстие. Для мощностей от 15 Вт и выше применяется «дюймовое» обозначение корпуса, например 2"x1", что обозначает внешние размеры корпуса 50,8х25,4 мм. Однако какие-то общие закономерности о количестве выводов и об их расположении не оговариваются.

Бескорпусные преобразователи присутствуют, в основном, только в номенклатуре компании MEAN WELL. Представляют собой законченную плату, устанавливаемую на шасси и закрепляемую винтами через крепежные отверстия. Электрические соединения осуществляются через стандартные разъемы. Данный класс представлен одной серией изделий PSD с выходной мощностью 5, 15, 30 и 45 Ватт.

Преобразователи корпусного типа также присутствуют только в номенклатуре MEAN WELL. Класс представлен сериями SD (с диапазоном выходных мощностей от 15 до 1000 Ватт) и RSD (с диапазоном 100…300 Ватт). Источники выполнены в виде платы, но, в отличие от бескорпусных моделей, помещены в корпус. Электрические соединения осуществляются через винтовые клеммы. 

Наконец, третий признак (3), по которому может осуществляться классификация преобразователей — число каналов в одном модуле.

Наиболее популярный вариант — одноканальные источники положительного напряжения.

Источники питания DC DC широко и ежедневно используются не только в промышленности, но в любительской и бытовой практике, что делает их весьма популярными и востребованными на рынке Украины. Интернет магазин "ОРВИН" старается оперативно поддерживать наличие их на складе. Обращайтесь к нам, и мы поможем подобрать доступные блоки питания под ваши потребности.