Konwertery DC-DC małej mocy
| TechnikaKonwersja poziomów napięcia stałego jest jednym z podstawowych zadań podsystemu zasilania w przypadku znakomitej większości urządzeń elektrycznych. Technologia konwersji napięć rozwijana jest z sukcesami od kilkudziesięciu lat, dzięki czemu współczesne rozwiązania cechują się bardzo wysoką sprawnością oraz gęstością mocy. W tekście przedstawiono przykładowy sposób konstrukcji konwerterów DC-DC niskiej mocy.
Historycznie pierwszymi układami konwersji napięcia stałego były regulatory liniowe. Są to urządzenia stosunkowo proste w konstrukcji, działające w zasadzie jako dzielnik napięcia, zbudowany zazwyczaj w oparciu o tranzystor oraz diodę Zenera. Układy tego typu mają jednak dwie podstawowe wady – są w stanie jedynie obniżać napięcie wyjściowe (bez możliwości konwersji w górę), zaś ich sprawność zależy od stosunku napięcia wyjściowego do wejściowego. Zatem im większa różnica pomiędzy wartością napięcia wejściowego i wyjściowego, tym gorsza efektywność konwersji.
Rozwiązaniem powyższych problemów było skonstruowanie przetwornic impulsowych. Układy tego typu charakteryzują się jednak znacznie bardziej złożoną budową. Ich zasada działania opiera się na cyklicznym włączaniu i wyłączaniu tranzystora pełniącego funkcję przełącznika. Powstały w ten sposób sygnał impulsowy konwertowany jest następnie do postaci stałej za pomocą układu prostującego oraz filtra wyjściowego. Uproszczony schemat blokowy typowej przetwornicy impulsowej przedstawiono na rysunku 1.
Wyjście przetwornicy może być regulowane lub nieregulowane (stabilizowane). W tym drugim przypadku sygnał wyjściowy charakteryzować się będzie dużą zmiennością ze względu na zmiany prądu obciążenia lub poziomu napięcia wejściowego. W przypadku wyjścia regulowanego zazwyczaj stosuje się sprzężenie zwrotne pomiędzy sygnałem wyjściowym a blokiem przełącznika, dzięki czemu układ może dostosowywać szerokość impulsów w celu stabilizacji sygnału wyjściowego.
Elementem przetwornicy impulsowej może być również transformator, zapewniający izolację galwaniczną pomiędzy wejściem i wyjściem układu. Takiej możliwości nie ma w przypadku regulatorów liniowych.
Układy przetwornic DC-DC niskiej mocy
W przypadku projektowania układów zasilania, tak jak w wielu innych dziedzinach, wyższa jakość i lepsze osiągi produktu zazwyczaj wiążą się z wyższym kosztem, większym stopniem złożoności i większymi rozmiarami układu. Jednak w przypadku przetwornic DC-DC niskiej mocy użytkownicy bardzo często oczekują przede wszystkim niewielkich rozmiarów oraz dobrego współczynnika ceny do jakości produktu.
Topologią obwodu bardzo często spotykaną w przetwornicach niskiej mocy jest układ typu push-pull. Jest to dość tania metoda pozwalająca na konwersję napięcia zarówno w górę, jak i w dół, w dodatku z zapewnieniem izolacji galwanicznej pomiędzy wejściem a wyjściem. Charakteryzuje się ponadto umiarkowanym poziomem emisji elektromagnetycznej. Na rysunku 2 przedstawiono schemat blokowy tego typu układu, z nieregulowanym wyjściem. Całość może być dość łatwo zintegrowana w jednym układzie scalonym.
Na rysunku 3 przedstawiono jeden ze sposobów na regulację sygnału wyjściowego. Polega on na umieszczeniu na wyjściu układu obwodu regulatora liniowego. Tego typu podejście jest korzystne jedynie w przypadku rozwiązań o niewielkiej mocy, poniżej 1 W. Dla tego typu warunków pracy przedstawiony obwód może osiągnąć sprawność konwersji rzędu 65–75%.
W przypadku wyższej mocy wyjściowej konieczne jest wprowadzenie pewnych modyfikacji, np. w sposób przedstawiony na rysunku 4. Zamiast liniowej regulacji napięcia na wyjściu zastosowano pętlę sprzężenia zwrotnego sterującą szerokością impulsu napięcia wejściowego w uzwojeniu pierwotnym transformatora. Poziom napięcia wyjściowego jest monitorowany oraz porównywany do wartości oczekiwanej. Na tej podstawie generowany jest sygnał błędu, który następnie poprzez barierę izolacyjną trafia do układu sterowania pracą przełącznika, gdzie wpływa na modyfikację szerokości impulsu sygnału wejściowego. Obwód tego typu jest w stanie pracować z sygnałami o mocy rzędu kilku watów ze sprawnością na poziomie około 85%.
W przypadku sygnałów o wyższej mocy konieczna jest dalsza modyfikacja układu. Niezbędna staje się eliminacja dwóch diod umieszczonych po wtórnej stronie uzwojenia i stanowiących istotne źródło strat mocy. Na każdej z nich odkłada się napięcie o wartości około 0,5 V, co w przypadku przepływu prądu o natężeniu 1A generuje 0,5 W strat. Rozwiązaniem jest zastąpienie diod układem prostownika opartym o tranzystory FET (rys. 5). Wadą tego rozwiązania jest konieczność ciągłego sterowania pracą tranzystorów, co wymaga obecności w obwodzie kolejnego układu.
Zmodyfikowany schemat przetwornicy przedstawiono na rysunku 6. Układ tego typu jest w stanie pracować z sygnałami o mocy sięgającej kilkudziesięciu watów ze sprawnością na poziomie ok. 90%.
Podsumowanie
Przetwornice impulsowe mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w przypadku konieczności pracy z sygnałami dużej mocy. Na rynku znaleźć można również układy niskiej mocy, charakteryzujące się niskim kosztem oraz niewielkimi rozmiarami. Mogą one stanowić atrakcyjną alternatywę dla regulatorów liniowych.
Damian Tomaszewski
