Повышающий DC-DC преобразователь
Добрый день, уважаемые радиолюбители.
В продолжении разговора о конструкциях для начинающих мы рассмотрим вторую конструкцию – повышающий DC-DC преобразователь на микросхеме MC33063 (MC34063).
Итак, что же такое DC-DC преобразователь? Согласно определению DC-DC преобразователь – это преобразователь постоянного тока, преобразующий напряжение постоянного тока из одной величины в другую. Среди всего многообразия таких преобразователей по соотношению входного и выходного напряжений можно выделить 3 основные разновидности: повышающие преобразователи, понижающие преобразователи и инвертирующие преобразователи. Сегодня мы рассмотрим частный случай только одного из них – повышающего преобразователя.
Схема электрическая принципиальная предлагаемого повышающего преобразователя представлена на рисунке ниже.
Преобразователь выполнен на специализированной микросхеме MC34063 (DD1) [1, 2]. Структурная схема данной микросхемы приведена на рисунке ниже.
В своём составе микросхема содержит опорный генератор. Частота генератора задаётся внешним конденсатором С3 (вывод 3 микросхемы DD1). Генератор в своём составе содержит цепи заряда и разряда данного конденсатора. В установившемся режиме устройство работает следующим образом:
Во время заряда конденсатора на выходе генератора, а соответственно и на нижнем входе логического элемента «И» присутствует уровень логической «1». При этом на сбрасывающем входе R триггера присутствует уровень логического «0» т.к. вход триггера инвертирующий – триггер не находится в состоянии сброса.
Если в этот же момент времени на инвертирующем входе компаратора (вывод 5 микросхемы DD1) напряжение меньше опорного (1.25 вольт со встроенного опорного источника напряжения), то на выходе компаратора, а следовательно, и на верхнем входе логического элемента «И» присутствует уровень логической «1».
В связи с тем, что на обоих входах логического элемента «И» присутствует уровень логической «1» на выходе также присутствует уровень логической «1». Таким образом уровень логической «1» присутствует и на устанавливающем входе S триггера.
Такая конфигурация логических уровней на входе триггера соответствует уровню логической «1» на выходе триггера. Соответственно откроются встроенные ключи Q2 и Q1 выходного каскада микросхемы DD1. В цепи токовый шунт R1-R3, катушка индуктивности L1, встроенный ключ Q1 начинает нарастать ток – дроссель накапливает энергию. При этом диод VD1 закрыт.
Во время разряда конденсатора С3 на выходе встроенного генератора, а также на нижнем входе логического элемента «И» присутствует уровень логического «0». Соответственно на сбрасывающем входе R триггера появляется уровень логической «1» т.к. вход триггера инвертирующий. Такая конфигурация логических уровней на входе триггера соответствует уровню логического «0» на выходе триггера т.е триггер сбрасывается. Это приводит к закрытию встроенных ключей Q2 и Q1 выходного каскада микросхемы DD1. В этом состоянии триггер будет игнорировать сигналы, поступающие с выхода компаратора.
Фактически выход компаратора может установить уровень логической «1» на выходе триггера только во время зарядки конденсатора С3. При этом встроенные ключи могут открыться как на полный цикл, так и на его часть. Сбросить триггер и закрыть встроенные ключи Q1 и Q2 компаратор не может – сброс триггера происходит только во время разряда конденсатора С3.
При этом полярность напряжения на дросселе L1 будет противоположна т.к. фактически является ЭДС самоиндукции. ЭДС самоиндукции складывается с напряжением питания – напряжение на выходе получается выше, чем напряжение питания. В этот момент открывается диод VD1 и подзаряжает выходные конденсаторы С4, С5. Далее весь цикл повторяется.
Но как же тогда работает стабилизация выходного напряжения? Достаточно просто: в тот момент, когда напряжение на инвертирующем входе (вывод 5 микросхемы DD1) выше, чем напряжение встроенного опорного источника питания на выходе компаратора устанавливается уровень логического «0». Соответственно присутствует уровень логического нуля на верхнем входе логического элемента «И», а значит и на выходе логического элемента и устанавливающем входе S триггера. Встроенные ключи Q2 и Q1 останутся в закрытом состоянии – будет пропущен один или несколько циклов, пока напряжение на инвертирующем входе компаратора вновь не упадет ниже напряжения встроенного опорного источника напряжения.
Напряжение обратной связи, подаваемое на инвертирующий вход встроенного компаратора, снимается с резистивного делителя R5-R7. Светодиод HL1 – индикатор выходного напряжения. Резистор R8 – токоограничивающий.
Ну что же, теперь осталось разобраться только в том, как работает схема ограничения тока. При протекании тока через шунт R1-R3 на нём падает напряжение в соответствии с законом Ома. Как только падение напряжения на шунте превысит 300 мВ цепи встроенного генератора резко увеличивают зарядной ток конденсатора С3. Это приводит к уменьшению времени заряда конденсатора и более раннему наступлению фазы разряда – встроенные ключи Q2 и Q1 закрываются раньше.
Конденсаторы С1, С2 – дополнительный фильтр входного напряжения питания преобразователя.
Резистор R4 – нагрузочный резистор встроенного ключа Q2.
В подборке фото ниже представлен собранный преобразователь во время проведения испытаний.
В подборке фото ниже представлена печатная плата преобразователя в процессе изготовления.
Правильно собранный преобразователь не требует наладки и начинает работать сразу после включения. Выходное напряжение преобразователя – 30 Вольт, максимальный выходной ток – 200 мА. В подборке фото ниже представлена работа преобразователя при проведении испытаний при входном напряжении 15 Вольт. В таком режиме работы максимальный выходной ток преобразователя может достигать 300-350 мА (дроссель по току позволяет работать в таком режиме, как и сама микросхема преобразователя).
В подборке рисунков ниже представлен сборочный чертёж печатного узла описываемого преобразователя с двух сторон (на первом рисунке – с проводящим рисунком, на остальных рисунках указано только расположение компонентов схемы на обеих сторонах платы). Тут следует отметить, что выводные компоненты устанавливаются с обратной стороны от проводящего рисунка. При этом сборочный чертеж выполнен так, если бы мы смотрели на печатный узел как раз со стороны проводящего рисунка. Это необходимо учитывать при установке микросхемы, а также полярных конденсаторов.
В файле mc33063-1.zip представлены сборочный чертеж печатного узла в формате Sprint Layout 6 и схема электрическая принципиальная в формате SPlan для возможности самостоятельного изготовления устройства.
При работе преобразователя и стабилизации напряжения в моменты пропуска циклов на коллекторе встроенного ключа Q1 возникают свободные затухающие колебания. Такая ситуация представлена на осциллограмме ниже. Верхний график – форма напряжения на коллекторе встроенного ключа Q1 (1 выводе микросхемы DD1), нижний график — форма напряжения на времязадающем конденсаторе С3 (3 выводе микросхемы DD1).
На верхнем графике хорошо видны затухающие колебания. На осциллограмме ниже данные колебания представлены в увеличенном масштабе.
Проблема в том, что в некоторых ситуациях (при не особо удачной разводке печатной платы, некоторых режимах работы и пр.) это приводит к не совсем корректной работе преобразователя. В результате подобные колебания лучше дополнительно подавить, установив параллельно катушке индуктивности L1 цепочку, состоящую из последовательно соединённых резистора и конденсатора (т.н. снабберная цепь).
Для приведённой схемы преобразователя оптимальным сопротивлением цепи оказалось 1.5 кОм, а оптимальной ёмкостью 4.7 нФ. Чаще всего сопротивление резистора в данной цепи лежит в диапазоне от 1 до 10 кОм, а ёмкость конденсатора от 1 до 10 нФ. В качестве конденсатора цепочки необходимо использовать плёночный либо керамический конденсатор. Мощность резистора: 0.5-1 Вт.
Осциллограмма напряжения на выводах 1 и 3 микросхемы DD1 после добавления описанной цепочки представлена на осциллограмме ниже.
Хорошо видно, что свободные колебания были полностью подавлены. Следует отметить, что добавление данной цепи незначительно понизит КПД преобразователя, но повысит стабильность и надёжность его работы (хотя преобразователь работает и без неё без каких-то особо катастрофических последствий).
На осциллограмме далее представлена осциллограмма при срабатывании защиты по току.
Хорошо видно, что наклон пилообразного напряжения резко увеличивается в цикле заряда конденсатора С3, что и было подробно описано выше.
Таким образом сегодняшняя статья подходит к концу. А на этом на сегодня всё. С уважением, Андрей.