Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
 
 


 

Основы электроники

 

Понижающий преобразователь (buck converter) - расчет компонентов


В данной статье будет приведен порядок расчета и подбора компонентов, необходимых при проектировании силовой части понижающего импульсного преобразователя постоянного тока без гальванической развязки, топологии buck-converter. Преобразователи данной топологии хорошо подходят для понижения постоянного напряжения в пределах 50 вольт по входу и при мощностях нагрузки не более 100 Вт.

Все что касается выбора контроллера и схемы драйвера, а также типа полевого транзистора, оставим за рамками данной статьи, однако подробно разберем схему и особенности рабочих режимов каждого из основных компонентов силовой части преобразователей данного типа.

Понижающий преобразователь (buck converter)

Начиная разработку понижающего импульсного преобразователя, принимают во внимание следующие исходные данные: величины входного и выходного напряжений, максимальный постоянный ток нагрузки, частоту переключения силового транзистора (рабочую частоту преобразователя), а также размах пульсаций тока через дроссель. Далее, исходя из этих данных, рассчитывают индуктивность дросселя, который обеспечит требуемые параметры, емкость выходного конденсатора, а также характеристики возвратного диода.

Схема понижающего преобразователя

  • Входное напряжение — Uвх, В

  • Выходное напряжение — Uвых, В

  • Максимальный ток нагрузки — Iвых, А

  • Размах пульсаций тока через дроссель — Iдр, А

  • Частота переключения транзистора — f, кГц

Преобразователь работает следующим образом. В первую часть периода, когда транзистор замкнут, ток подается от первичного источника питания через дроссель к нагрузке, при этом выходной конденсатор фильтра заряжается. Когда транзистор разомкнут, ток нагрузки поддерживается зарядом конденсатора и током дросселя, который мгновенно прерваться не может, и замыкается через возвратный диод, который теперь, во вторую часть периода, открыт.

Для примера допустим, что нам необходимо разработать понижающий преобразователь топологии buck converter, питаемый постоянным напряжением 24 вольта, а на выходе нужно получить 12 вольт с номинальным током нагрузки в 1 ампер, и чтобы пульсации напряжения на выходе не превышали бы 50 мВ. Пусть рабочая частота преобразователя составляет 450 кГц, а размах пульсаций тока через дроссель не превышает 30% от максимального тока нагрузки.

Исходные данные:

  • Uвх = 24 В

  • Uвых = 12 В

  • I вых = 1 А

  • I др = 0,3*1 А = 0,3 А

  • f = 450 кГц

Поскольку речь идет об импульсном преобразователе, то в процессе его работы напряжение к дросселю не будет приложено постоянно, оно будет прикладываться именно импульсами, длительность положительных частей которых dT может быть рассчитана исходя из рабочей частоты преобразователя и соотношения входного и выходного напряжений по следующей формуле:

dT = Uвых/(Uвх*f),

здесь Uвых/Uвх = DC — коэффициент заполнения импульса управления транзистором.

Импульсный преобразователь

Во время положительной части импульса коммутации источник питает цепь преобразователя, во время отрицательной части импульса - запасенная дросселем энергия передается в выходную цепь.

Для нашего примера получается: dT = 1,11 мкс — время действия входного напряжения на дроссель с присоединенными к нему конденсатором и нагрузкой в течение положительной части импульса.

В соответствии с законом электромагнитной индукции, изменение тока Iдр через катушку индуктивности L (которой и является дроссель) окажется пропорционально приложенному к выводам катушки напряжению Uдр и времени его приложения dT (длительности положительной части импульса):

Uдр = L*Iдр/dT

Напряжение на дросселе Uдр — в данном случае ни что иное, как разница между входным и выходным напряжениями в ту часть периода, когда транзистор пребывает в проводящем состоянии:

Uдр = Uвх-Uвых

И для нашего примера получается: Uдр = 24 — 12 = 12 В — амплитуда напряжения, прикладываемого к дросселю во время положительной части рабочего импульса.

Дроссель

Дроссель

Теперь, зная величину напряжения прикладываемого к дросселю Uдр, задавшись временем действия рабочего импульса dT на дроссель, а также величиной максимально допустимого размаха пульсаций тока дросселя Iдр, можно вычислить требуемую индуктивность дросселя L:

L = Uдр*dT/Iдр

Для нашего примера получается: L = 44,4 мкГн — минимальная индуктивность рабочего дросселя, с которой при данной длительности положительной части управляющего импульса dT, размах пульсаций не превысит Iдр.

Конденсатор

Конденсатор

Когда величина индуктивности дросселя определена, приступают к выбору емкости выходного конденсатора фильтра. Пульсации тока через конденсатор равны пульсациям тока через дроссель. Поэтому, пренебрегая сопротивлением провода дросселя и индуктивностью конденсатора, воспользуемся следующей формулой для нахождения минимально требуемой емкости конденсатора:

C = dT*Iдр/dU,

где dU – пульсация напряжения на конденсаторе.

Приняв величину пульсаций напряжения на конденсаторе равной dU = 0,050 В, для нашего примера получим C = 6,66 мкф — минимальная емкость выходного конденсатора фильтра.

Диод

Диод

Наконец, остается определиться с параметрами рабочего диода. Ток через диод течет тогда, когда входное напряжение отключается от дросселя, то есть во вторую часть рабочего импульса:

Iд = (1-DC)*Iвых — средний ток через диод, когда он открыт и проводит ток.

Для нашего примера Iд = (1-Uвых/Uвх)*Iвых = 0,5 А — можно выбрать диод шоттки на ток 1 А с максимальным обратным напряжением больше входного, то есть в районе 30 вольт.