Повышающий DC/DC преобразователь (в англоязычной литературе Step-Up или Boost Converter) представляет собой один из простейших типов импульсных преобразователей, повышающий входное напряжение в зависимости от требуемого уровня напряжения.
Такие преобразователи постоянного тока используются в различных устройствах, применяемых в нашей повседневной жизни. Основная цель этих преобразователей – повышать напряжение постоянного тока в зависимости от приложения, обеспечивая при этом стабилизацию напряжения. Существует достаточно сценариев, когда требуется немного более высокое напряжение по сравнению с входным. Из данного материала вы узнаете о повышающих преобразователей и о том, как они работают.
История повышающего преобразователя восходит к 1960-м годам, и первоначально они использовались для питания электронных систем самолета. Первоначальные требовалось, чтобы эти преобразователи были максимально компактными и эффективными. Это подчеркивало необходимость того, чтобы конструкция была простой и оптимальной. Повышающий преобразователь в простейшем своем исполнении состоит из катушки индуктивности, полупроводникового ключа, диода и конденсатора. Для его реализации требуется меньше компонентов, и он менее сложен, чем трансформатор переменного тока. Принципиальная схема повышающего преобразователя показана на следующем рисунке.
Основным преимуществом использования повышающего преобразователя является его высокая эффективность. При правильном проектировании до 99% входной энергии может быть преобразовано в полезную выходную энергию, что обеспечивает общий КПД 99 %. Важно отметить, что конструкция повышающего преобразователя в основном представляет собой компромисс между напряжением пробоя ключа (обычно полевого МОП-транзистора) и значением сопротивления в открытом состоянии. Это связано с тем, что напряжение ключа должно быть рассчитано на высокое значение, поскольку оно воспринимает напряжение, представляющее собой сумму напряжения питания и напряжения катушки индуктивности, что подразумевает высокое сопротивление во включенном состоянии.
Также крайне важно выбрать дроссель, который выдерживает большие токи и имеет сердечник с высокой проницаемостью. Это помогает достичь высокого значения индуктивности без ущерба для компактности всей конструкции. Катушка индуктивности всегда подключена со стороны входа и является источником постоянного входного тока. Это делает повышающий преобразователь источником входного постоянного тока, а нагрузку можно рассматривать как источник постоянного напряжения.
Повышающий преобразователь позволяет повысить постоянное напряжение от входа к выходу. Состояние проводимости ключа диктует работу схемы. Во включенном состоянии ток, протекающий через дроссель, увеличивается линейно. Диод не проводит. Это показано на следующем рисунке.
В выключенном состоянии диод проводит ток, а передача энергии происходит от катушки индуктивности к конденсатору. Это приводит к уменьшению тока дросселя, хотя ток через дроссель не может резко измениться. Это показано на следующем рисунке.
Два важных аспекта, которые следует помнить при анализе повышающего преобразователя, включают в себя то, что ток дросселя непрерывен, что возможно только при выборе правильного значения индуктивности. Кроме того, чистое изменение тока дросселя в течение любого коэффициента заполнения равно нулю, поскольку значение тока дросселя возрастает от значения с положительным наклоном до максимального значения во включенном состоянии, а затем возвращается к исходному значению с отрицательным наклоном. Во время установившейся работы схемы можно определить два режима работы на основе значения тока дросселя. Если ток дросселя никогда не достигает нуля, это называется непрерывным режимом проводимости. Однако, если ток дросселя достигает нуля, он работает в прерывистом режиме. Следующее уравнение представляет соотношение между входным напряжением и выходным напряжением:
Uвых = Uвх/(1-D)
Здесь D – коэффициент заполнения.
Коэффициент заполнения определяется как процент времени, в течение которого ключ включен. Другими словами, параллельная комбинация катушки индуктивности и конденсатора образует фильтр нижних частот второго порядка, который сглаживает действие переключения, создавая чистое постоянное напряжение за счет уменьшения пульсаций напряжения. Основываясь на соотношении между входным и выходным напряжением повышающего преобразователя, можно сделать вывод, что по мере приближения коэффициента заполнения к нулю выходное напряжение равняется входному напряжению. Точно так же, когда коэффициент заполнения приближается к единице, напряжение на выходе бесконечно растет.
Итоги
- Повышающий преобразователь используется для повышения постоянного напряжения от входа к выходу.
- Основным преимуществом использования повышающего преобразователя является его высокий КПД.
- Соотношение между входным напряжением и выходным напряжением для повышающего преобразователя можно представить как Uвых = Uвх/(1-D).
© digitrode.ru