Embedder’s life
Похоже, дело было в том, что многие авторы при объяснении опускают один принципиальный момент, играющий ключевую (по меньшей мере, для меня) роль в понимании процессов в DC-DC преобразователях. Конечно, про «водопроводные» объяснения тут даже упоминать смешно, они годятся только для создания совсем общего представления и никак не применимы для каких-то количественных оценок.
Тем не менее, после долгих раздумий и тестовых расчетов я наконец, как мне кажется, дошел до просветления и, разумеется, как любой просветлевший, спешу поделиться истиной с общественностью. ?
Внимание! Внутри будет матан. Немного, не будет даже преобразования Лапласа; но дифуры будут.
Итак, вот он, герой статьи — импульсный повышающий бестрансформаторный DC-DC преобразователь (силовая часть):
Как известно, его работа делится на две стадии: накопление энергии в катушке, когда ключ Q1 открыт, и передача энергии в нагрузку, когда оный, соответственно, закрыт. Начнем расчет с простого — с основного уравнения, описывающего поведение индуктивности:
где UIND и IIND — напряжение и ток на катушке, соответственно.
где τon и τoff — длительности включенного и выключенного состояний ключа, UPWR и ULOAD — напряжение питания и напряжение на нагрузке, причем последнее больше напряжения питания, потому вычитаем именно первое из второго. Вообще, все знаки следуют из направления токов и полярностей напряжений.
Нетрудно выразить, соответственно, время включенного и выключенного состояния ключа:
Ну а отсюда уже и искомые частоту и коэффициент заполнения:
Ура-ура! Каскад рассчитан! Рассчет других родственных топологий отличается только значениями напряжений, прикладываемых к катушке в фазах передачи и накопления энергии.
Эти постулаты иллюстрирует рисунок ниже, на котором изображен ток дросселя в разных режимах:
Решим уравнение и построим для разных сопротивлений нагрузки графики тока и напряжения на нагрузке от времени. Я выбрал 80 Ом и 200 Ом, строил в MathCAD.
Собственно да, как есть. Видно что и правда, чем меньше нагрузка, тем дольше в ней течет ток. Но почему?
Как ни странно, все дело в законе сохранения энергии, том же самом, из которого выше был получен тезис о противоестесственности такого поведения катушки. Давайте построим мощность в нагрузке от времени:
Уже видно, что в нагрузке с большим сопротивлением выделяется большая пиковая мощность! Опять странно и противоестесственно. Но давайте для каждой нагрузки проинтегрируем мощность за время анализа (получим полную энергию, переданную в нагрузку) и сравним результат с расчетной энергией, запасенной в катушке:
Вот он, ответ на вопрос, почему в меньшем сопротивлении катушка поддерживает ток дольше.
Теперь о том, какое отношение все это имеет к постоянству пульсаций тока и их синхронном смещении вместе с током нагрузки. Попробуем представить, что будет при скачкообразном изменении сопротивления (и, соответственно, тока) нагрузки:
Как рассчитываются бестрансформаторные DC-DC (и почему именно так) | Embedder s life
Мощный DC-DC преобразователь
Зачем делать то, что можно купить, ещё и за несколько долларов, такие вопросы задают многие люди…, отвечу просто, во-первых, собрать своими руками гораздо быстрее, чем ждать пару месяцев посылку из Китая и, во-вторых ничто не сравнится с той радостью, которую приносит работа конструкции которою ты создал собственными руками. Плюс ко всему наша конструкция будет надёжная.
Давайте рассмотрим схему и принцип её работы.
Это однотактный, повышающий стабилизатор напряжения с защитой от коротких замыканий, в просто народи — Бустер. Принцип работы схож с обратно — ходовым преобразователем, но у последнего дроссель состоит минимум из двух обмоток и между ними имеется гальваническая развязка.
Основой схемы является популярнейший однотактный ШИМ-контроллер из семейства UC38, в данном случае это UC3843. На вход схемы подаем напряжение, скажем 12 Вольт, а на выходе получаем 19, которые необходимо для зарядки почти любого ноутбука.
Вообще диапазон входных и выходных напряжений для этой схемы довольно широк, вращением подстроечного многооборотного резистора R8 с лёгкостью можно получить иные напряжения на выходе. Я выставил чуть меньше 18, так как данный преобразователь мне нужен для иных целей.
Микросхема генерирует прямоугольные импульсы с частотой около 120-125 килогерц, этот сигнал поступает на затвор ключа и тот срабатывает. Когда открыт транзистор в дросселе накапливается некоторая энергия, после закрытия ключа дроссель отдаёт накопленную энергию, это явление называют самоиндукцией, которая свойственна индуктивным нагрузкам.
Важно заметить, что напряжение самоиндукции может быть в разы, а то и в десятки раз больше напряжения питания, всё зависит от индуктивности конкретного дросселя. На выходе схемы установлен однополупериодный выпрямитель для выпрямления всплесков самоиндукции в постоянный ток , который накапливается в выходных конденсаторах.
Питание нагрузки осуществляется запасенной в конденсаторах энергией, такой инвертор очень экономичен благодаря ШИМ управлению, потребление холостого хода всего 15-20 миллиампер.
Влияние выбора компонентов и схемотехники на ЭМС DC/DC
Выходные фильтры и проблема ЭМП
Рис. 9. Демпфирование выходного фильтра путем подключения демпфирующего резистора параллельно катушке индуктивности фильтра
Номинал демпфирующего сопротивления Rdamp для выходного фильтра рассчитывается как:
Кроме того, схема компенсации контроллера преобразователя должна быть пересчитана. Это связано с тем, что такой выходной фильтр формирует дополнительный полюс на АЧХ петли регулирования.
Рис. 10. Поведение АЧХ петли регулирования импульсного преобразователя с выходным фильтром, входящим в петлю обратной связи регулирования выходного напряжения
На рис. 10 представлен пример изменения поведения АЧХ петли регулирования DC/DC-преобразователя с рабочей частотой 750 кГц с компенсацией для вариантов:
- выходной LC-фильтр с частотой среза 75 кГц по уровню –3 дБ (демпфированный и не демпфированный);
- частота единичного усиления компенсированного контура управления 0 дБ на частоте 7,5 кГц.
В следующей части статьи мы перейдем к практическим вопросам и проанализируем два прототипа DC/DC-преобразователя, выполненных по одному техническому заданию, но с разными подходами в части решения проблемы ЭМС
Расчет ? повышающего преобразователя напряжения ⚡ STM32 и тест (DC/DC Boost Step-Up Converter) — Схемка: Электронные Радиосхемы
- Дестабилизации контура обратной связи управления и регулирования выходного напряжения. Дестабилизация возникает в том случае, когда частотный спектр отрицательного импеданса на входе перекрывает полосу пропускания контура управления.
- Поскольку в случае резонанса напряжение претерпевает так называемое перерегулирование, это может привести к повреждению активных и пассивных компонентов преобразователя.
Программирование
Нужно подать ШИМ-сигнал с частотой, которая была выбрана при расчете. Сначала коэффициент заполнения пусть будет нулевой, а изменятся он будет энкодером, что очень удобно для проверки.
Ну и код, где в главном цикле ограничен коэффициент заполнения до 98% (это можно было сделать проще, установив наибольшее значение 98, а не 100 у Таймера 3):
uint8_t Enc_Counter = 0; HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3); TIM1->PSC = 12-1; TIM1->ARR = 100-1; TIM1->CCR3 = 0; while (1) CNT; if(Enc_Counter > 98)CNT = 0; Enc_Counter = 0; > TIM1->CCR3 = Enc_Counter; HAL_Delay(50);
