Обзор регулируемых преобразователей напряжения (стабилизаторов, DC-DC конвертеров). Мощный DC-DC преобразователь Dc преобразователь в блоке питания

Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используются DC/DC преобразователи. Применяются они в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления и автоматики и др.

Трансформаторные блоки питания

В традиционных трансформаторных блоках питания напряжение питающей сети с помощью трансформатора преобразуется, чаще всего понижается, до нужного значения. Пониженное напряжение и сглаживается конденсаторным фильтром. В случае необходимости после выпрямителя ставится полупроводниковый стабилизатор.

Трансформаторные блоки питания, как правило, оснащаются линейными стабилизаторами. Достоинств у таких стабилизаторов не менее двух: это маленькая стоимость и незначительное количество деталей в обвязке. Но эти достоинства съедает низкий КПД, поскольку значительная часть входного напряжения используется на нагрев регулирующего транзистора, что совершенно неприемлемо для питания переносных электронных устройств.

DC/DC преобразователи

Если питание аппаратуры осуществляется от гальванических элементов или аккумуляторов, то преобразование напряжения до нужного уровня возможно лишь с помощью DC/DC преобразователей.

Идея достаточно проста: постоянное напряжение преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается (понижается), а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Такие преобразователи часто называются импульсными.

В качестве примера можно привести повышающий преобразователь из 1,5В до 5В, как раз выходное напряжение компьютерного USB. Подобный преобразователь небольшой мощности продается на Алиэкспресс.

Рис. 1. Преобразователь 1,5В/5В

Импульсные преобразователи хороши тем, что имеют высокий КПД, в пределах 60..90%. Еще одно достоинство импульсных преобразователей широкий диапазон входных напряжений: входное напряжение может быть ниже выходного или намного выше. Вообще DC/DC конвертеры можно разделить на несколько групп.

Классификация конвертеров

Понижающие, по английской терминологии step-down или buck

Выходное напряжение этих преобразователей, как правило, ниже входного: без особых потерь на нагрев регулирующего транзистора можно получить напряжение всего несколько вольт при входном напряжении 12…50В. Выходной ток таких преобразователей зависит от потребности нагрузки, что в свою очередь определяет схемотехнику преобразователя.

Еще одно англоязычное название понижающего преобразователя chopper. Один из вариантов перевода этого слова - прерыватель. В технической литературе понижающий конвертер иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.

Повышающие, по английской терминологии step-up или boost

Выходное напряжение этих преобразователей выше входного. Например, при входном напряжении 5В на выходе можно получить напряжение до 30В, причем, возможно его плавное регулирование и стабилизация. Достаточно часто повышающие преобразователи называют бустерами.

Универсальные преобразователи - SEPIC

Выходное напряжение этих преобразователей удерживается на заданном уровне при входном напряжении как выше входного, так и ниже. Рекомендуется в случаях, когда входное напряжение может изменяться в значительных пределах. Например, в автомобиле напряжение аккумулятора может изменяться в пределах 9…14В, а требуется получить стабильное напряжение 12В.

Инвертирующие преобразователи - inverting converter

Основной функцией этих преобразователей является получение на выходе напряжения обратной полярности относительно источника питания. Очень удобно в тех случаях, когда требуется двухполярное питание, например .

Все упомянутые преобразователи могут быть стабилизированными или нестабилизированными, выходное напряжение может быть гальванически связано с входным или иметь гальваническую развязку напряжений. Все зависит от конкретного устройства, в котором будет использоваться преобразователь.

Чтобы перейти к дальнейшему рассказу о DC/DC конвертерах следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.

Понижающий конвертер чоппер - конвертер типа buck

Его функциональная схема показана на рисунке ниже. Стрелками на проводах показаны направления токов.

Рис.2. Функциональная схема чопперного стабилизатора

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр - конденсатор Cin. В качестве ключевого элемента используется транзистор VT, он осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Это может быть либо . Кроме указанных деталей в схеме содержится разрядный диод VD и выходной фильтр - LCout, с которого напряжение поступает в нагрузку Rн.

Нетрудно видеть, что нагрузка включена последовательно с элементами VT и L. Поэтому схема является последовательной. Как же происходит понижение напряжения?

Широтно-импульсная модуляция - ШИМ

Схема управления вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной частотой или постоянным периодом, что в сущности одно и то же. Эти импульсы показаны на рисунке 3.

Рис.3. Импульсы управления

Здесь tи время импульса, транзистор открыт, tп - время паузы, - транзистор закрыт. Соотношение tи/T называется коэффициентом заполнения duty cycle, обозначается буквой D и выражается в %% или просто в числах. Например, при D равном 50% получается, что D=0,5.

Таким образом D может изменяться от 0 до 1. При значении D=1 ключевой транзистор находится в состоянии полной проводимости, а при D=0 в состоянии отсечки, попросту говоря, закрыт. Нетрудно догадаться, что при D=50% выходное напряжение будет равно половине входного.

Совершенно очевидно, что регулирование выходного напряжения происходит за счет изменения ширины управляющего импульса tи, по сути дела изменением коэффициента D. Такой принцип регулирования называется (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.

На схемах, показанных на рисунках 2 и 6 ШИМ «спрятана» в прямоугольниках с надписью «Схема управления», которая выполняет некоторые дополнительные функции. Например, это может быть плавный запуск выходного напряжения, дистанционное включение или защита преобразователя от короткого замыкания.

Вообще конвертеры получили столь широкое применение, что фирмы производители электронных компонентов наладили выпуск ШИМ контроллеров на все случаи жизни. Ассортимент настолько велик, что просто для того чтобы их перечислить понадобится целая книга. Поэтому собирать конвертеры на дискретных элементах, или как часто говорят на «рассыпухе», никому не приходит в голову.

Более того готовые конвертеры небольшой мощности можно купить на Алиэкспрес или Ebay за незначительную цену. При этом для установки в любительскую конструкцию достаточно припаять к плате провода на вход и выход, и выставить требуемое выходное напряжение.

Но вернемся к нашему рисунку 3. В данном случае коэффициент D определяет, сколько времени будет открыт (фаза 1) или закрыт (фаза 2) . Для этих двух фаз можно представить схему двумя рисунками. На рисунках НЕ ПОКАЗАНЫ те элементы, которые в данной фазе не используются.

Рис.4. Фаза 1

При открытом транзисторе ток от источника питания (гальванический элемент, аккумулятор, выпрямитель) проходит через индуктивный дроссель L, нагрузку Rн, и заряжающийся конденсатор Cout. При этом через нагрузку протекает ток, конденсатор Cout и дроссель L накапливают энергию. Ток iL ПОСТЕПЕННО ВОЗРАСТАЕТ, сказывается влияние индуктивности дросселя. Эта фаза называется накачкой.

После того, как напряжение на нагрузке достигнет заданного значения (определяется настройкой устройства управления), транзистор VT закрывается и устройство переходит ко второй фазе - фазе разряда. Закрытый транзистор на рисунке не показан вовсе, как будто его и нет. Но это означает лишь то, что транзистор закрыт.

Рис.5. Фаза 2

При закрытом транзисторе VT пополнения энергии в дросселе не происходит, поскольку источник питания отключен. Индуктивность L стремится воспрепятствовать изменению величины и направления тока (самоиндукция) протекающего через обмотку дросселя.

Поэтому ток мгновенно прекратиться не может и замыкается через цепь «диод-нагрузка». Из-за этого диод VD получил название разрядный. Как правило, это быстродействующий диод Шоттки. По истечении периода управления фаза 2 схема переключается на фазу 1, процесс повторяется снова. Максимальное напряжение на выходе рассмотренной схемы может быть равным входному, и никак не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное, применяются повышающие преобразователи.

Пока только следует напомнить собственно о величине индуктивности, которая определяет два режима работы чоппера. При недостаточной индуктивности преобразователь будет работать в режиме разрывных токов, что совершенно недопустимо для источников питания.

Если же индуктивность достаточно большая, то работа происходит в режиме неразрывных токов, что позволяет с помощью выходных фильтров получить постоянное напряжение с приемлемым уровнем пульсаций. В режиме неразрывных токов работают и повышающие преобразователи, о которых будет рассказано ниже.

Для некоторого повышения КПД разрядный диод VD заменяется транзистором MOSFET, который в нужный момент открывается схемой управления. Такие преобразователи называются синхронными. Их применение оправдано, если мощность преобразователя достаточно велика.

Повышающие step-up или boost преобразователи

Повышающие преобразователи применяются в основном при низковольтном питании, например, от двух-трех батареек, а некоторые узлы конструкции требуют напряжения 12…15В с малым потреблением тока. Достаточно часто повышающий преобразователь кратко и понятно называют словом «бустер».

Рис.6. Функциональная схема повышающего преобразователя

Входное напряжение Uin подается на входной фильтр Cin и поступает на последовательно соединенные L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка Rн и шунтирующий конденсатор Cout.

Транзистор VT управляется схемой управления, которая вырабатывает сигнал управления стабильной частоты с регулируемым коэффициентом заполнения D, так же, как было рассказано чуть выше при описании чопперной схемы (Рис.3). Диод VD в нужные моменты времени блокирует нагрузку от ключевого транзистора.

Когда открыт ключевой транзистор правый по схеме вывод катушки L соединяется с отрицательным полюсом источника питания Uin. Нарастающий ток (сказывается влияние индуктивности) от источника питания протекает через катушку и открытый транзистор, в катушке накапливается энергия.

В это время диод VD блокирует нагрузку и выходной конденсатор от ключевой схемы, тем самым предотвращая разряд выходного конденсатора через открытый транзистор. Нагрузка в этот момент питается энергией накопленной в конденсаторе Cout. Естественно, что напряжение на выходном конденсаторе падает.

Как только напряжение на выходе станет несколько ниже заданного, (определяется настройками схемы управления), ключевой транзистор VT закрывается, и энергия, запасенная в дросселе, через диод VD подзаряжает конденсатор Cout, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции катушки L складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения.

По достижении выходным напряжением установленного уровня стабилизации схема управления открывает транзистор VT, и процесс повторяется с фазы накопления энергии.

Универсальные преобразователи - SEPIC (single-ended primary-inductor converter или преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью).

Подобные преобразователи применяются в основном, когда нагрузка имеет незначительную мощность, а входное напряжение изменяется относительно выходного в большую или меньшую сторону.

Рис.7. Функциональная схема преобразователя SEPIC

Очень похожа на схему повышающего преобразователя, показанного на рисунке 6, но имеет дополнительные элементы: конденсатор C1 и катушку L2. Именно эти элементы и обеспечивают работу преобразователя в режиме понижения напряжения.

Преобразователи SEPIC применяются в тех случаях, когда входное напряжение изменяется в широких пределах. В качестве примера можно привести 4V-35V to 1.23V-32V Boost Buck Voltage Step Up/Down Converter Regulator. Именно под таким названием в китайских магазинах продается преобразователь, схема которого показана на рисунке 8 (для увеличения нажмите на рисунок).

Рис.8. Принципиальная схема преобразователя SEPIC

На рисунке 9 показан внешний вид платы с обозначением основных элементов.

Рис.9. Внешний вид преобразователя SEPIC

На рисунке показаны основные детали в соответствии с рисунком 7. Следует обратить внимание на наличие двух катушек L1 L2. По этому признаку можно определить, что это именно преобразователь SEPIC.

Входное напряжение платы может быть в пределах 4…35В. При этом выходное напряжение может настраиваться в пределах 1,23…32В. Рабочая частота преобразователя 500КГц.При незначительных размерах 50 x 25 x 12мм плата обеспечивает мощность до 25 Вт. Максимальный выходной ток до 3А.

Но тут следует сделать замечание. Если выходное напряжение установить на уровне 10В, то выходной ток не может быть выше 2,5А (25Вт). При выходном напряжении 5В и максимальном токе 3А мощность составит всего 15Вт. Здесь главное не перестараться: либо не превысить максимально допустимую мощность, либо не выйди за пределы допустимого тока.

Импульсные источники питания обеспечивают более высокую эффективность, чем обычные линейные. Они могут повышать напряжение, понижать и инвертировать. Некоторые устройства изолируют выходное напряжение от входного.

Общее понятие о преобразователях DC DC

Линейные стабилизаторы, используемые в трансформаторных БП, поддерживают постоянное выходное напряжение благодаря элементу схемы, например, транзистору, на котором осаждается избыточное напряжение. Система управления постоянно контролирует выходное напряжение и корректирует его падение на этом элементе.

Линейные стабилизаторы имеют некоторые преимущества:

• отсутствие помех;
• низкая цена и простота эксплуатации.

Но такое устройство не лишено недостатков:

• избыточное напряжение преобразуется в тепло;
• нет возможности увеличить напряжение.

Преобразователи dc в dc импульсного типа представляют собой схемы, способные конвертировать один уровень напряжения в другой, используя катушки и конденсаторы, временно сохраняя в них энергию и разряжая их таким образом, чтобы получить конечные желаемые уровни сигнала.

Принцип работы импульсного преобразователя

Основа для работы многих преобразователей – явление самоиндукции. Допустим, есть катушка индуктивности, через которую протекает постоянный ток. Если внезапно прервать протекание тока, в магнитном поле, индуцированном вокруг катушки, возникает ЭДС самоиндукции и, соответственно, напряжение с обратной полярностью на ее клеммах.

Важно! Контролируя ток и время переключения схемы, можно регулировать напряжение самоиндукции.

Импульсный преобразователь – электронная схема, содержащая катушку, которая циклически подключается к источнику питания и отключается.

1. Если индуцированное напряжение добавляется к входному, то получается повышающий преобразователь;
2. При включении катушки так, чтобы индуцированное в ней напряжение вычиталось из напряжения ИП, будет схема понижения напряжения.

Так как катушка требует циклической зарядки, в схеме необходим конденсатор, который будет фильтровать сигнал и поддерживать постоянное выходное напряжение.

Важно! Фильтрация не идеальна – выходное напряжение всегда является импульсным. Чрезмерный уровень этих помех может привести к неисправности схемы, например, к приостановке микроконтроллера.

Параметры импульсных преобразователей

Основные технические характеристики устройств, указываемые производителем:

1. Выходное напряжение. Может быть зафиксировано (нерегулируемо) или установлено в определенном диапазоне. В случае возможных отклонений производитель должен указать их пределы, например, 5В +/- 0,2 В;
2. Максимальный выходной ток;
3. Входное напряжение;
4. Эффективность. Понимается, как отношение выходной мощности к входной. Разница между ними – это потери, выделяющиеся в виде тепла. Показатель выражается в процентах. Чем ближе к 100%, тем лучше.

Важно! Эффективность зависит еще от условий работы. Поэтому следует внимательно изучить примечания к каталогам производителей в поисках графиков. Может оказаться, что очень дорогой преобразователь имеет параметры хуже, чем намного более дешевые, оптимизированные для работы при другом питающем напряжении.

Входное напряжение, в зависимости от типа инвертора, может быть:

• ниже выходного, если схема повышающая (boost);
• выше выходного, если преобразователь понижающий (buck);
• выше или ниже, но в пределах диапазона (sepic).

Повышающие преобразователи незаменимы, когда необходимо поднять напряжение. Допустим, устройство оснащено литий-ионным аккумулятором 3,6 В и ЖК-дисплеем, предназначенным для питания 5 В.

Важно! В целом, повышение напряжения происходит с меньшей эффективностью, чем его понижение. Поэтому лучше иметь источник высокого напряжения, которое будет уменьшено до надлежащего, чем наоборот.

В случае третьей конфигурации входное напряжение может колебаться, решение о его повышении или понижении принимает сама схема, чтобы получить стабильный сигнал на выходе. Эти преобразователи идеально подходят для работы в схемах, где напряжение питания мало отличается от желаемого. Хотя диапазон регулирования может быть большим. Например, на входе – 4-35 В, на выходе – 1,23-32 В.

Так как потери мощности малы, преобразователь напряжения dc dc хорошо подходит для схем с питанием от низковольтных аккумуляторов. Он полезен, например, когда управляющая электроника питается от 5 В, а исполнительные компоненты – от батареи 12 В.

Если предположить, что управляющая электроника берет ток 200 мА, то мощность потребления будет 5 В х 200 мА = 1 Вт. При использовании стабилизатора 7805 для снижения напряжения мощность, потребляемая от батареи, составит 12 В х 200 мА = 2,4 Вт. Мощность, которую приемник не будет принимать, – 1,4 Вт, преобразуется в тепло. Нагрев стабилизатора будет значительным.

В случае применения импульсного преобразователя с эффективностью 90% мощность, потребляемая от батареи, равна 1,11 Вт. Потери – всего 0,11 Вт. Температура модуля поднимется практически незаметно.

Кроме трех типов преобразователей dc dc существуют еще инвертирующие, меняющие полярность выходного сигнала. Такая схема нужна для питания операционных усилителей.

Широтно-импульсная модуляция

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это тип сигнала, используемый для изменения количества энергии, отправляемой на нагрузку. Он широко используется в цифровых схемах, которые должны эмулировать аналоговый сигнал.

Вырабатываемые импульсы являются прямоугольными, относительная ширина которых может изменяться по сравнению с периодом. Результат этого соотношения называется рабочим циклом, а его единицы представлены в процентах:

D = t/T x 100%, где:

• D – рабочий цикл;
• t – время, когда сигнал положительный;
• Т – период.

Рабочий цикл изменяется таким образом, что среднее значение сигнала является приблизительным напряжением, которое требуется получить. Меняя значение D, можно управлять ключевым транзистором, что применяется почти во всех схемах импульсных преобразователей.

Фундаментальная схема состоит из индуктивности, конденсатора, диода, ключевого транзистора. Транзистор служит для переключения сигнала с высокой частотой и управляется с помощью ШИМ. Рабочим циклом D задается время открытия и закрытия транзистора.

1. Когда транзистор открыт, ток проходит через катушку, нагрузочное сопротивление и конденсатор. В дросселе и конденсаторе накапливается энергия, а ток увеличивается не скачкообразно, а постепенно. В это время диод заперт;
2. При достижении заданного уровня напряжения, что определяет параметры управления транзистором, транзистор запирается, но за счет ЭДС самоиндукции в дросселе ток начинает протекать по контуру, образованному с участием открытого диода, так как полярность на катушке изменилась. При этом ток медленно уменьшается со скоростью Uout/L.

Регулируя управление транзистором, можно получить необходимый уровень напряжения, но не выше входного.

Повышающий преобразователь

Его схема содержит те же элементы, что и понижающее устройство, но соединение их отличается. Открытием транзистора по-прежнему управляют настройки ШИМ.

1. При открытом транзисторе ток проходит через дроссель и транзистор. Ток в катушке увеличивается со скоростью Vin/L, и она запасает энергию. Диод на этом этапе закрыт, чтобы не позволить разрядиться через транзистор выходному конденсатору, который, в свою очередь, питает нагрузочное сопротивление;
2. При понижении напряжения меньше определенного уровня транзистор закрывается управляющим сигналом. Диод открывается, и выходной конденсатор подзаряжается. Напряжение входа суммируется с напряжением, генерируемым на катушке, и выходной сигнал оказывается выше;
3. При достижении пределов заданного напряжения тиристор опять открывается, и цикл повторяется.

В преобразователях SEPIC схема построена по комбинированному принципу. В ней устанавливается еще один дроссель и конденсатор. Компоненты L1 и C2 работают для повышения напряжения, L2 и C1 – для понижения напряжения.

Преобразователь напряжения с гальванической развязкой

Изолированные dc dc преобразователи требуются в широком диапазоне применений, включая измерение мощности, промышленные программируемые логические контроллеры (PLC), источники питания с биполярным транзистором с изоляцией (IGBT) и т. д. Они используются для обеспечения гальванической изоляции, повышения безопасности и помехоустойчивости.

В зависимости от точности регулирования выходного напряжения, dc dc преобразователи с гальванической развязкой делятся на три категории:

• регулируемые;
• нерегулируемые;
• полурегулируемые.

У таких устройств входная цепь изолирована от выходной. Самая простая схема прямоходового преобразователя имеет две изолированных цепи: в одной – ключевой транзистор и трансформатор, в другой – катушка индуктивности, конденсатор, нагрузочное сопротивление. На транзистор подается импульсный управляющий сигнал с рабочим циклом D.

1. Когда транзистор открыт, то диод VD пропускает ток, а D1 заперт. Ток протекает по контуру через катушку, конденсатор и нагрузку. В катушке идет накопление энергии;
2. При запирании транзистора напряжение на трансформаторных обмотках изменяет знак, поэтому VD закрывается, а D1 начинает пропускать ток, который протекает по контуру между катушкой, D1, конденсатором и нагрузочным сопротивлением. Выходное напряжение будет равно:

Uout = (w2/w1) x D, где w2, w1 – количество витков двух обмоток трансформатора.

Так работает схема прямоходового однотактного преобразователя. Существуют обратноходовые схемы и двухтактные, с подачей энергии на выход в течение обоих преобразовательных циклов. Для снижения потерь вместо диодов применяются МОП-транзисторы.

Видео

Линейный и импульсный источники питания

Начнем с основ. Блок питания в компьютере выполняет три функции. Во-первых, переменный ток из бытовой сети электропитания нужно преобразовать в постоянный. Второй задачей БП является понижение напряжения 110-230 В, избыточного для компьютерной электроники, до стандартных значений, требуемых конвертерами питания отдельных компонентов ПК, - 12 В, 5 В и 3,3 В (а также отрицательные напряжения, о которых расскажем чуть позже). Наконец, БП играет роль стабилизатора напряжений.

Есть два основных типа источников питания, которые выполняют перечисленные функции, - линейный и импульсный. В основе простейшего линейного БП лежит трансформатор, на котором напряжение переменного тока понижается до требуемого значения, и затем ток выпрямляется диодным мостом.

Однако от БП требуется еще и стабилизация выходного напряжения, что обусловлено как нестабильностью напряжения в бытовой сети, так и падением напряжения в ответ на увеличение тока в нагрузке.

Чтобы компенсировать падение напряжения, в линейном БП параметры трансформатора рассчитываются так, чтобы обеспечить избыточную мощность. Тогда при высоком токе в нагрузке будет наблюдаться требуемый вольтаж. Однако и повышенное напряжение, которое возникнет без каких-либо средств компенсации при низком токе в полезной нагрузке, тоже неприемлемо. Избыточное напряжение устраняется за счет включения в цепь неполезной нагрузки. В простейшем случае таковой является резистор или транзистор, подключенный через стабилитрон (Zener diode). В более продвинутом - транзистор управляется микросхемой с компаратором. Как бы то ни было, избыточная мощность просто рассеивается в виде тепла, что отрицательно сказывается на КПД устройства.

В схеме импульсного БП возникает еще одна переменная, от которой зависит напряжение на выходе, в дополнение к двум уже имеющимся: напряжению на входе и сопротивлению нагрузки. Последовательно с нагрузкой стоит ключ (которым в интересующем нас случае является транзистор), управляемый микроконтроллером в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Чем выше длительность открытых состояний транзистора по отношению к их периоду (этот параметр называется duty cycle, в русскоязычной терминологии используется обратная величина - скважность), тем выше напряжение на выходе. Из-за наличия ключа импульсный БП также называется Switched-Mode Power Supply (SMPS).

Через закрытый транзистор ток не идет, а сопротивление открытого транзистора в идеале пренебрежимо мало. В действительности открытый транзистор обладает сопротивлением и рассеивает какую-то часть мощности в виде тепла. Кроме того, переход между состояниями транзистора не идеально дискретный. И все же КПД импульсного источника тока может превышать 90%, в то время как КПД линейного БП со стабилизатором в лучшем случае достигает 50%.

Другое преимущество импульсных источников питания состоит в радикальном уменьшении габаритов и массы трансформатора по сравнению с линейными БП такой же мощности. Известно, что чем выше частота переменного тока в первичной обмотке трансформатора, тем меньше необходимый размер сердечника и число витков обмотки. Поэтому ключевой транзистор в цепи размещают не после, а до трансформатора и, помимо стабилизации напряжения используют для получения переменного тока высокой частоты (для компьютерных БП это от 30 до 100 кГц и выше, а как правило - около 60 кГц). Трансформатор, работающий на частоте электросети 50-60 Гц, для мощности, требуемой стандартным компьютером, был бы в десятки раз массивнее.

Линейные БП сегодня применяются главным образом в случае маломощных устройств, когда относительно сложная электроника, необходимая для импульсного источника питания, составляет более чувствительную статью расходов в сравнении с трансформатором. Это, к примеру, блоки питания на 9 В, которые используются для гитарных педалей эффектов, а когда-то - для игровых приставок и пр. А вот зарядники для смартфонов уже сплошь импульсные - тут расходы оправданны. Благодаря существенно меньшей амплитуде пульсаций напряжения на выходе линейные БП также применяются в тех областях, где это качество востребованно.

⇡ Общая схема блока питания стандарта ATX

БП настольного компьютера представляет собой импульсный источник питания, на вход которого подается напряжение бытовой электросети с параметрами 110/230 В, 50-60 Гц, а на выходе есть ряд линий постоянного тока, основные из которых имеют номинал 12, 5 и 3,3 В. Помимо этого, БП обеспечивает напряжение -12 В, а когда-то еще и напряжение -5 В, необходимое для шины ISA. Но последнее в какой-то момент было исключено из стандарта ATX в связи с прекращением поддержки самой ISA.

На упрощенной схеме стандартного импульсного БП, представленной выше, можно выделить четыре основных этапа. В таком же порядке мы рассматриваем компоненты блоков питания в обзорах, а именно:

1. фильтр ЭМП - электромагнитных помех (RFI filter);
2. первичная цепь - входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
3. основной трансформатор;
4. вторичная цепь - выпрямители тока со вторичной обмотки трансформатора (rectifiers), сглаживающие фильтры на выходе (filtering).

⇡ Фильтр ЭМП

Фильтр на входе БП служит для подавления двух типов электромагнитных помех: дифференциальных (differential-mode) - когда ток помехи течет в разные стороны в линиях питания, и синфазных (common-mode) - когда ток течет в одном направлении.

Дифференциальные помехи подавляются конденсатором CX (крупный желтый пленочный конденсатор на фото выше), включенным параллельно нагрузке. Иногда на каждый провод дополнительно вешают дроссель, выполняющий ту же функцию (нет на схеме).

Фильтр синфазных помех образован конденсаторами CY (синие каплевидные керамические конденсаторы на фото), в общей точке соединяющими линии питания с землей, и т.н. синфазным дросселем (common-mode choke, LF1 на схеме), ток в двух обмотках которого течет в одном направлении, что создает сопротивление для синфазных помех.

В дешевых моделях устанавливают минимальный набор деталей фильтра, в более дорогих описанные схемы образуют повторяющиеся (полностью или частично) звенья. В прошлом нередко встречались БП вообще без фильтра ЭМП. Сейчас это скорее курьезное исключение, хотя, покупая совсем дешевый БП, можно, все-таки нарваться на такой сюрприз. В результате будет страдать не только и не столько сам компьютер, сколько другая техника, включенная в бытовую сеть, - импульсные БП являются мощным источником помех.

В районе фильтра хорошего БП можно обнаружить несколько деталей, защищающих от повреждения само устройство либо его владельца. Почти всегда есть простейший плавкий предохранитель для защиты от короткого замыкания (F1 на схеме). Отметим, что при срабатывании предохранителя защищаемым объектом является уже не блок питания. Если произошло КЗ, то, значит, уже пробило ключевые транзисторы, и важно хотя бы предотвратить возгорание электропроводки. Если в БП вдруг сгорел предохранитель, то менять его на новый, скорее всего, уже бессмысленно.

Отдельно выполняется защита от кратковременных скачков напряжения с помощью варистора (MOV - Metal Oxide Varistor). А вот никаких средств защиты от длительного повышения напряжения в компьютерных БП нет. Эту функцию выполняют внешние стабилизаторы со своим трансформатором внутри.

Конденсатор в цепи PFC после выпрямителя может сохранять значительный заряд после отключения от питания. Чтобы беспечного человека, сунувшего палец в разъем питания, не ударило током, между проводами устанавливают разряжающий резистор большого номинала (bleeder resistor). В более изощренном варианте - вместе с управляющей схемой, которая не дает заряду утекать при работе устройства.

Кстати, наличие фильтра в блоке питания ПК (а в БП монитора и практически любой компьютерной техники он тоже есть) означает, что покупать отдельный «сетевой фильтр» вместо обычного удлинителя, в общем-то, без толку. У него внутри все то же самое. Единственное условие в любом случае - нормальная трехконтактная проводка с заземлением. В противном случае конденсаторы CY, соединенные с землей, просто не смогут выполнять свою функцию.

⇡ Входной выпрямитель

После фильтра переменный ток преобразуется в постоянный с помощью диодного моста - как правило, в виде сборки в общем корпусе. Отдельный радиатор для охлаждения моста всячески приветствуется. Мост, собранный из четырех дискретных диодов, - атрибут дешевых блоков питания. Можно также поинтересоваться, на какой ток рассчитан мост, чтобы определить, соответствует ли он мощности самого БП. Хотя по этому параметру, как правило, имеется хороший запас.

⇡ Блок активного PFC

В цепи переменного тока с линейной нагрузкой (как, например, лампа накаливания или электроплитка) протекающий ток следует такой же синусоиде, как и напряжение. Но это не так в случае с устройствами, имеющими входной выпрямитель, - такими как импульсные БП. Блок питания пропускает ток короткими импульсами, примерно совпадающими по времени с пиками синусоиды напряжения (то есть максимальным мгновенным напряжением), когда подзаряжается сглаживающий конденсатор выпрямителя.

Сигнал тока искаженной формы раскладывается на несколько гармонических колебаний в сумме с синусоидой данной амплитуды (идеальным сигналом, который имел бы место при линейной нагрузке).

Мощность, используемая для совершения полезной работы (которой, собственно, является нагрев компонентов ПК), указана в характеристиках БП и называется активной. Остальная мощность, порождаемая гармоническими колебаниями тока, называется реактивной. Она не производит полезной работы, но нагревает провода и создает нагрузку на трансформаторы и прочее силовое оборудование.

Векторная сумма реактивной и активной мощности называется полной мощностью (apparent power). А отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности (power factor) - не путать с КПД!

У импульсного БП коэффициент мощности изначально довольно низкий - около 0,7. Для частного потребителя реактивная мощность не составляет проблемы (благо она не учитывается электросчетчиками), если только он не пользуется ИБП. На бесперебойник как раз таки ложится полная мощность нагрузки. В масштабе офиса или городской сети избыточная реактивная мощность, создаваемая импульсными БП уже значительно снижает качество электроснабжения и вызывает расходы, поэтому с ней активно борются.

В частности, подавляющее большинство компьютерных БП оснащаются схемами активной коррекции фактора мощности (Active PFC). Блок с активным PFC легко опознать по единственному крупному конденсатору и дросселю, установленным после выпрямителя. В сущности, Active PFC является еще одним импульсным преобразователем, который поддерживает на конденсаторе постоянный заряд напряжением около 400 В. При этом ток из питающей сети потребляется короткими импульсами, ширина которых подобрана таким образом, чтобы сигнал аппроксимировался синусоидой - что и требуется для имитации линейной нагрузки. Для синхронизации сигнала потребления тока с синусоидой напряжения в контроллере PFC имеется специальная логика.

Схема активного PFC содержит один или два ключевых транзистора и мощный диод, которые размещаются на одном радиаторе с ключевыми транзисторами основного преобразователя БП. Как правило, ШИМ-контроллер ключа основного преобразователя и ключа Active PFC являются одной микросхемой (PWM/PFC Combo).

Коэффициент мощности у импульсных блоков питания с активным PFC достигает 0,95 и выше. Кроме того, у них есть одно дополнительное преимущество - не требуется переключатель сети 110/230 В и соответствующий удвоитель напряжения внутри БП. Большинство схем PFC переваривают напряжения от 85 до 265 В. Кроме того, снижается чувствительность БП к кратковременным провалам напряжения.

Кстати, помимо активной коррекции PFC, существует и пассивная, которая подразумевает установку дросселя большой индуктивности последовательно с нагрузкой. Эффективность ее невелика, и в современном БП вы такое вряд ли найдете.

⇡ Основной преобразователь

Общий принцип работы для всех импульсных БП изолированной топологии (с трансформатором) один: ключевой транзистор (или транзисторы) создает переменный ток на первичной обмотке трансформатора, а ШИМ-контроллер управляет скважностью их переключения. Конкретные схемы, однако, различаются как по количеству ключевых транзисторов и прочих элементов, так и по качественным характеристикам: КПД, форма сигнала, помехи и пр. Но здесь слишком многое зависит от конкретной реализации, чтобы на этом стоило заострять внимание. Для интересующихся приводим набор схем и таблицу, которая позволит по составу деталей опознавать их в конкретных устройствах.

Помимо перечисленных топологий, в дорогих БП встречаются резонансные (resonant) варианты Half Bridge, которые легко опознать по дополнительному крупному дросселю (или двум) и конденсатору, образующим колебательный контур.

⇡ Вторичная цепь

Вторичная цепь - это все, что находится после вторичной обмотки трансформатора. В большинстве современных блоков питания трансформатор имеет две обмотки: с одной из них снимается напряжение 12 В, с другой - 5 В. Ток сначала выпрямляется с помощью сборки из двух диодов Шоттки - одной или нескольких на шину (на самой высоконагруженной шине - 12 В — в мощных БП бывает четыре сборки). Более эффективными с точки зрения КПД являются синхронные выпрямители, в которых вместо диодов используются полевые транзисторы. Но это прерогатива по-настоящему продвинутых и дорогих БП, претендующих на сертификат 80 PLUS Platinum.

Шина 3,3 В, как правило, выводится от той же обмотки, что и шина 5 В, только напряжение понижается с помощью насыщаемого дросселя (Mag Amp). Специальная обмотка на трансформаторе под напряжение 3,3 В - экзотический вариант. Из отрицательных напряжений в текущем стандарте ATX осталось только -12 В, которое снимается со вторичной обмотки под шину 12 В через отдельные слаботочные диоды.

ШИМ-управление ключом преобразователя изменяет напряжение на первичной обмотке трансформатора, а следовательно - на всех вторичных обмотках сразу. При этом потребление тока компьютером отнюдь не равномерно распределено между шинами БП. В современном железе наиболее нагруженной шиной является 12-В.

Для раздельной стабилизации напряжений на разных шинах требуются дополнительные меры. Классический способ подразумевает использование дросселя групповой стабилизации. Три основные шины пропущены через его обмотки, и в результате если на одной шине увеличивается ток, то на других - падает напряжение. Допустим, на шине 12 В возрос ток, и, чтобы предотвратить падение напряжения, ШИМ-контроллер уменьшил скважность импульсов ключевых транзисторов. В результате на шине 5 В напряжение могло бы выйти за допустимые рамки, но было подавлено дросселем групповой стабилизации.

Напряжение на шине 3,3 В дополнительно регулируется еще одним насыщаемым дросселем.

В более совершенном варианте обеспечивается раздельная стабилизация шин 5 и 12 В за счет насыщаемых дросселей, но сейчас эта конструкция в дорогих качественных БП уступила место преобразователям DC-DC. В последнем случае трансформатор имеет единственную вторичную обмотку с напряжением 12 В, а напряжения 5 В и 3,3 В получаются благодаря преобразователям постоянного тока. Такой способ наиболее благоприятен для стабильности напряжений.

Выходной фильтр

Финальной стадией на каждой шине является фильтр, который сглаживает пульсации напряжения, вызываемые ключевыми транзисторами. Кроме того, во вторичную цепь БП в той или иной мере пробиваются пульсации входного выпрямителя, чья частота равна удвоенной частоте питающей электросети.

В состав фильтра пульсаций входит дроссель и конденсаторы большой емкости. Для качественных блоков питания характерна емкость не менее 2 000 мкФ, но у производителей дешевых моделей есть резерв для экономии, когда устанавливают конденсаторы, к примеру, вдвое меньшего номинала, что неизбежно отражается на амплитуде пульсаций.

⇡ Дежурное питание +5VSB

Описание компонентов блока питания было бы неполным без упоминания об источнике дежурного напряжения 5 В, который делает возможным спящий режим ПК и обеспечивает работу всех устройств, которые должны быть включены постоянно. «Дежурка» питается от отдельного импульсного преобразователя с маломощным трансформатором. В некоторых БП встречается и третий трансформатор, использующийся в цепи обратной связи для изоляции ШИМ-контроллера от первичной цепи основного преобразователя. В других случаях эту функцию выполняют оптопары (светодиод и фототранзистор в одном корпусе).

⇡ Методика тестирования блоков питания

Одним из основных параметров БП является стабильность напряжений, которая находит отражение в т.н. кросс-нагрузочной характеристике. КНХ представляет собой диаграмму, в которой на одной оси отложен ток или мощность на шине 12 В, а на другой - совокупный ток или мощность на шинах 3,3 и 5 В. В точках пересечения при разных значениях обеих переменных определяется отклонение напряжения от номинала на той или иной шине. Соответственно, мы публикуем две разные КНХ - для шины 12 В и для шины 5/3,3 В.

Цвет точки означает процент отклонения:

• зеленый: ≤ 1%;
• салатовый: ≤ 2%;
• желтый: ≤ 3%;
• оранжевый: ≤ 4%;
• красный: ≤ 5%.
• белый: > 5% (не допускается стандартом ATX).

Для получения КНХ используется сделанный на заказ стенд для тестирования блоков питания, который создает нагрузку за счет рассеивания тепла на мощных полевых транзисторах.

Другой не менее важный тест - определение размаха пульсаций на выходе БП. Стандарт ATX допускает пульсации в пределах 120 мВ для шины 12 В и 50 мВ - для шины 5 В. Различают высокочастотные пульсации (на удвоенной частоте ключа основного преобразователя) и низкочастотные (на удвоенной частоте питающей сети).

Этот параметр мы измеряем при помощи USB-осциллографа Hantek DSO-6022BE при максимальной нагрузке на БП, заданной спецификациями. На осциллограмме ниже зеленый график соответствует шине 12 В, желтый - 5 В. Видно, что пульсации находятся в пределах нормы, и даже с запасом.

Для сравнения приводим картину пульсаций на выходе БП старого компьютера. Этот блок изначально не был выдающимся, но явно не стал лучше от времени. Судя по размаху низкочастотных пульсаций (обратите внимание, что деление развертки напряжения увеличено до 50 мВ, чтобы колебания поместились на экран), сглаживающий конденсатор на входе уже пришел в негодность. Высокочастотные пульсации на шине 5 В находятся на грани допустимых 50 мВ.

В следующем тесте определяется КПД блока при нагрузке от 10 до 100% от номинальной мощности (путем сравнения мощности на выходе с мощностью на входе, измеренной при помощи бытового ваттметра). Для сравнения на графике приводятся критерии различных категорий 80 PLUS. Впрочем, большого интереса в наши дни это не вызывает. На графике приведены результаты топового БП Corsair в сравнении с весьма дешевым Antec, а разница не то чтобы очень велика.

Более насущный для пользователя вопрос - шум от встроенного вентилятора. Непосредственно измерить его вблизи от ревущего стенда для тестирования БП невозможно, поэтому мы измеряем скорость вращения крыльчатки лазерным тахометром - также при мощности от 10 до 100%. На нижеприведенном графике видно, что при низкой нагрузке на этот БП 135-миллиметровый вентилятор сохраняет низкие обороты и вряд ли слышен вообще. При максимальной нагрузке шум уже можно различить, но уровень все еще вполне приемлемый.

Наверное многие помнят мою эпопею с самодельным лабораторным блоком питания.
Но меня неоднократно спрашивали что нибудь похожее, только попроще и подешевле.
В этом обзоре я решил показать альтернативный вариант простого регулируемого блока питания.
Заходите, надеюсь, что будет интересно.

Я долго откладывал этот обзор, то времени не было, что настроения, но вот дошли у меня руки и до него.
Данный блок питания имеет несколько другие характеристики чем .
Основой блока питания будет плата DC-DC понижающего преобразователя с цифровым управлением.
Но всему свое время, а сейчас собственно немного стандартных фотографий.
Пришла платка в небольшой коробочке, ненамного больше пачки сигарет.

Внутри, в двух пакетиках (пупырчатом и антистатическом) была собственно героиня данного обзора, плата преобразователя.

Плата имеет довольно простую конструкцию, силовая часть и небольшая плата с процессором (данная плата похожа на плату из другого, менее мощного преобразователя), кнопками управления и индикатором.

Характеристики данной платы
Входное напряжение - 6-32 Вольта
Выходное напряжение - 0-30 Вольт
Выходной ток - 0-8 Ампер
Минимальная дискретность установки\отображения напряжения - 0.01 Вольта
Минимальная дискретность установки\отображения тока - 0.001 Ампера
Так же данная плата умеет измерять емкость, которая отдана в нагрузку и мощность.
Частота преобразования, указанная в инструкции - 150КГц, по даташиту контроллера - 300КГц, измеренная - около 270КГц, что заметно ближе к параметру указанному в даташите.

На основной плате размещены силовые элементы, ШИМ контроллер, силовой диод и дроссель, конденсаторы фильтра (470мкФ х 50 Вольт), ШИМ контроллер питания логики и операционных усилителей, операционные усилители, токовый шунт, а так же входные и выходные клеммники.

Сзади ничего практически и нет, только несколько силовых дорожек.

На дополнительной плате установлен процессор, микросхемы логики, стабилизатор 3.3 Вольта для питания платы, индикатор и кнопки управления.
Процессор -
Логика - 2 штуки
Стабилизатор питания -

На силовой плате установлены операционные усилители 2 штуки (такие же операционники стоит и в ZXY60xx)
ШИМ контроллер питания самой платы adj

В качестве силового ШИМ контроллера выступает микросхема . По даташиту это 12 Ампер ШИМ контроллер, так что здесь он работает не в полную силу, что не может не радовать. Однако стоит учесть, что входное напряжение лучше не превышать, это так же может быть опасно.
В описании на плату указано максимальное входное напряжение 32 Вольта, предельное для контроллера - 35 Вольт.
В более мощных преобразователях применяют слаботочный контроллер, управляющий мощным полевым транзистором, здесь все это делает один мощный ШИМ контроллер.
Приношу извинения за фотографии, никак не получалось добиться хорошего качества.

В инструкции, найденной мною в интернете, описан вход в сервисный режим, где можно изменить некоторые параметры. Для входа в сервисный режим надо подать питания при нажатой кнопке ОК, на экране будут последовательно переключаться цифры 0-2, что бы переключить настройку, надо отпустить кнопку во время отображения соответствующей цифры.
0 - Включение автоматической подачи напряжения на выход при подаче питания на плату.
1 - Включение расширенного режима, отображающего не только ток и напряжение, а и емкость, отданную в нагрузку и выходную мощность.
2 - Автоматический перебор отображения измерений на экране или ручной.

Так же в инструкции есть и пример запоминания настроек, так как у платы можно настроить лимит по установке тока и напряжения и есть память установок, но в эти дебри я уже не лез.
Так же я не трогал контактны для разъема UART, находящиеся на плате, так как даже если там что-то и есть, то программы для этой платы я все равно не нашел.

Резюме.
Плюсы .
1. Довольно богатые возможности - установка и измерение тока и напряжения, измерение емкости и мощности, а так же наличие режима автоматической подачи напряжения на выход.
2. Диапазон выходного напряжения и тока вполне достаточен для большинства любительских применений.
3. Качество изготовления не то что бы хорошее, но без явных огрехов.
4. Компоненты установлены с запасом, ШИМ на 12 Ампер при 8 заявленных, конденсаторы на 50 Вольт по входу и выходу, при заявленных 32 Вольта.

Минусы
1. Очень неудобно сделан экран, он может отображать только 1 параметр, например -
0.000 - Ток
00.00 - Напряжение
Р00.0 - Мощность
С00.0 - Емкость.
В случае последних двух параметров точка плавающая.
2. Исходя из первого пункта, довольно неудобное управление, валкодер бы очень не помешал.

Мое мнение.
Вполне достойная плата для построения простенького регулируемого блока питания, но блок питания лучше и проще использовать какой нибудь готовый.
Обзор понравился +123 +268

Сегодня я напишу не только о товаре, который я тестировал, а и о том, как иногда бывает, когда планируешь одно, а выходит почему то совсем другое.
В общем кому интересно, прошу под кат.

Недавно коллега ksiman выкладывал «половинки» этого преобразователя, той же платки, только без устройства индикации, потому отчасти эти обзоры дополняют друг друга.
В комментариях я упомянул о том, что также планирую сделать обзор на эту плату. В обзоре писалось, что все закончилось не очень хорошо (а вернее совсем плохо). У меня также все было не очень гладко, хотя закончилось лучше, но об этом чуть позже, а пока перейду к обзору своего варианта этого DC-DC преобразователя.

В общем увидел я такой себе мелкий DC-DC преобразователь и захотел пощупать, что он из себя представляет. Заказал на обзор, через некоторое время получил, но как то некогда было с ним разбираться и я в общем пока отложил его.

Через некоторое время дошли у меня наконец то руки, сделал некоторое количество фотографий, ощупал, осмотрел.
Пришел он в небольшом запаянном пакете.

Сам по себе небольшой, размером меньше спичечного коробка.
При этом производитель заявляет следующие характеристики:
Input voltage: 5V-30V
Выходное напряжение: 0.8V-29V
Выходной ток: максимум 5A (Требуется радиатор при токах более 3A)
КПД преобразования: 95% (максимум)
Частота преобразования: 300KHz
Выходные пульсации: 50mV (максимум)
Рабочая температура: -40℃ to +85℃
Размер: 51 x 26.3 x 114

По бокам находятся разъемы для подключения к блоку питания и к нагрузке.
Сборка аккуратная, тут ничего плохого точно не скажу.

Сверху находятся два подстроечных резистора, один регулирует ток, второй соответственно напряжение.
Ток регулируется в диапазоне 0.06-5.5 Ампера.
Напряжение в диапазоне 0.82-30 Вольт
Также около подстроечных резисторов находится красный светодиод индикации перехода в режим стабилизации тока.

Обратная сторона платы можно сказать «голая», присутствует только шунт в виде резистора сопротивлением 50мОм.
Кстати сразу замечу, что в устройствах такого типа, где тепло с микросхемы отводится на плату, для лучшей передачи тепла вообще принято делать много переходов с металлизацией между сторонами платы. Здесь этого, к сожалению, не сделано. Потому установка радиатора с обратной стороны неэффективна.

Как я выше писал, состоит преобразователь из двух плат. DC-DC преобразователь ничем не отличается от преобразователя из вышеуказанного мною . Отличие этих двух модификаций в том, что к моему была прицеплена плата индикации.
Причем подключается она через монтажные стойки.
Левые две - вход платы преобразователя, правые соответственно к выходу.
Такое подключение позволяет контролировать напряжение на выходе и измерять протекающий ток.
Конструкция получается весьма удобной и простой.

Преобразователь собран с использованием ШИМ контроллера XL4005E1. Это ШИМ контроллер рассчитанный на 5 Ампер выходного тока и входное напряжение до 32 Вольт.
Судя по даташиту весьма неплохая микросхема, но как показала практика, весьма «нежная».
Также стоит отметить диод SK86, судя по он имеет максимальный ток в 8 Ампер. Если честно, мне непонятно как он может рассеивать мощность, которая на нем выделяется при таком токе.
Но в любом случае производитель поставил довольно мощный диод, частенько ставят что нибудь похуже.

На этом фото видно часть, отвечающую за регулировку ограничения тока и индикации окончания заряда (справа видно два небольших светодиода).
Схему блока питания можно увидеть в коллеги Ksiman-а, за что ему большое спасибо:)

Сверху расположены два индикатора.
Верхний, синего цвета, отображает выходное напряжение, до 10 Вольт отображает в формате 1.23, выше 10 Вольт- 23.4. Последний разряд отображает символ - V
Нижний индикатор, красного цвета, отображает выходной ток в формате 1.23, последний разряд отображает символ - А.
Слева присутствует разъем RX-TX. Это была одна из причин, почему я заказал эту плату, хотелось попробовать подвязать ее к компьютеру, но увы, ничего не вышло:(
Назначение правого разъема мне вообще непонятно.

Плата собрана скажем так, на троечку, вроде и нормально, но явно видна некоторая неаккуратность.

На плате установлены:
Микроконтроллер
Сдвиговый регистр для управления индикатором
Предположительно операционный усилитель sgm8592y
Стабилизатор напряжения 7130H

А вот теперь небольшой нюанс. Это вторая плата, первая умерла смертью храбрых в ходе тестирования и подготовки обзора. Я не могу сказать точно от чего она умерла, но выглядело это так - Входное напряжение около 28-29 Вольт, к выходу прицеплен резистор 10 Ом, я плавно повышаю напряжение на резисторе при помощи подстроечного резистора платы, потом небольшой щелчок и на выходе входное напряжение, пробой силового транзистора.
Возможно брак, возможно какие то пульсации или еще что то, но я бы не советовал задирать сильно входное напряжение, хотя по даташиту и указано 32 Вольта и максимальное 35 Вольт.
Лучше ограничить на уровне 25-27 Вольт.
После этого я заказал вторую плату, так как по подготовке к обзору было сделано уже довольно много.

При первом включении плата настроена на выходное напряжение около 5 Вольт. Ток около 1 Ампера.
На фото плата подключена к 24 Вольта блоку питания из моего недавнего .
Если выкрутить подстроечный резистор регулировки напряжения на максимум, то выходное напряжение на холостом ходу равно входному.

Особо расписывать по плате вроде и нечего, потому перейду к тестированию.
В тестировании будут принимать участие:
Обозреваемая плата.
на 24 Вольта.
Бесконтактный

Электронная
Ручка и бумажка:)

Методика тестирования была такой:
Измерялся нагрев и пульсации выходного напряжения при следующих установленных напряжениях 5-10-15-20 Вольт, при каждом напряжении задавались токи нагрузки 1-2-3 Ампера.
Сначала измерялись характеристики при 5 Вольт, под током 1-2-3 Ампера, с интервалом 10 минут, после этого плата остывала до комнатной температуры и цикл повторялся, но уже со следующим напряжением. Итого вышло 12 измерений.
Проблем добавляла динамическая индикация, приходилось делать кучу снимков чтобы потом выбрать такой, на котором видно максимальное количество разрядов индикатора. Вообще индикация имеет довольно низкую частоту переключения разрядов, мерцание немного но заметно.
Первая проверка на холостом ходу, пульсации практически отсутствуют.
Делитель щупа осциллографа стоит в положении 1:1.

Более подробные результаты тестирования

3. 5 Вольт 3 Ампера
4. 10 Вольт 1 Ампер

5. 10 Вольт 2 Ампера
6. 10 Вольт 3 Ампера

7. 15 Вольт 1 Ампер
8. 15 Вольт 2 Ампера

9. 15 Вольт 3 Ампера
10. 20 Вольт 1 Ампер

11. 20 Вольт 2 Ампера
12. 20 Вольт 3 Ампера

Весь цикл проверки занял около 3.5 часа.
Полученные температурные режимы:
Контролировалась температура ШИМ контроллера, диода, дросселя и выходного конденсатора.
Когда испытывал, то решил проверять на 3 Ампера, как было написано на странице магазина, решил что спалю, так спалю, будет пара таких лежать. Но эксперимент показал, что преобразователь вышел и микруха не ушла в защиту, максимально достигнутая температура у ШИМ контроллера была 110.2 градуса.

Немного о применении платы

На фото выше вы можете увидеть заводской блок питания на 24 Вольта. Но так как была эпопея с перезаказом платы, то как вы понимаете, заниматься я начал этим устройством довольно давно, и заводского блока питания у меня в наличии еще не было, потому пришлось делать самому.
Да и заводской БП по моим прикидкам не очень лез в выбранный мною корпус, хотя гораздо проще использовать именно заводской.
БП моей конструкции я уже описывал в одном из , это та же плата, но некоторые элементы установлены больше\мощнее. Если интересно, то могу выложить схему здесь со всеми изменениями.
Мысли в слух, может стоит заняться производством конструкторов.....:)

Подготовил для сборки такой себе «конструктор»:)

Так как изначально я все таки рассчитывал на примерно 25-28 Вольт и 3 Ампера, то БП делал с запасом, Ватт на 90-100. А так как один из ключевых элементов, габарит которого напрямую зависит от мощности, это трансформатор, то и его выбрал с запасом.
Правда плата не была рассчитана под такой размер, но с некоторыми ухищрениями я его таки всунул:)

Вышел такой себе аккуратный трансформатор.

Еще одной из проблем было то, что мне надо в районе низковольтной части добиться минимальной толщины, чтобы элементы блока питания не мешали плате преобразователя.
Из-за этого часть элементов пришлось положить.
Плата получилась немного некрасивой, но все элементы соответствуют расчетной мощности, мне это было главнее.
Радиатор выходного диода представлял собой алюминиевую пластинку, стоящую вдоль длинной стороны, для безопасности я изолировал его в районе расположения оптрона обратной связи.
На этом фото его еще нет.
Радиатор ШИМ контроллера отрезан из специального профиля (покупал как то с метр, плата страссирована под два типа радиаторов)

Блок питания получился габаритами гораздо больше чем плата преобразователя.

Но и тут не все было просто.
Часть элементов у меня была в наличии, как у любого запасливого радиолюбителя, а часть элементов надо было купить.
В список покупок попала и микросхема ШИМ контроллера.
Программа расчета импульсного БП рекомендовала мне использовать TOP249. Но как то так совпало, что магазин, где я обычно покупаю, был закрыт и я пошел в другой, но там 249 не было, но был 250, он немного мощнее. Я подумал что ничего страшного, куплю.
Когда произвел первое включение БП, то не подавал признаков жизни, вообще.
Единственное что было, это напряжение 5 Вольт на управляющей ноге ШИМ контроллера, оно там и должно быть, но ШИМ контроллер не стартовал.
Так как я собрал довольно много разных блоков питания, то прекрасно знал, что вся остальная схема в полном порядке, да и при непорядках в остальной части ведет она себя по другому, делая попытки запуска. Но здесь было тихо.
Порывшись в запасах, я нашел ШИМ контроллер послабее, TOP247, поставил его и БП завелся с пол пинка.
Получается что купил подделку. Если есть кто то из Харькова, то могу сказать где НЕ надо покупать.
Причем фейковая микруха имеет лазерную маркировку, а нормальная - маркировку краской.

В общем поборов очередную проблему я приступил к дальнейшей сборке.
Собрал в кучку все необходимое, клеммы, переменные резисторы и ручки к ним, провода, выключатель питания.

Резистор регулировки напряжения подключается двумя проводами, тока - тремя.
Так как вышепроведенный эксперимент показал, что плата не дает нормально даже 3 Ампера, то я решил сделать ограничение на 2 Ампера, а так хотелось 3:(
Для этого я поставил параллельно крайним контактам переменного резистора постоянный резистор на 5.1 КОм. Получился максимум регулировки до примерно 2.3 Ампера.
Диапазон регулировки напряжения я так же ограничил, и таким же способом, но номинал поставил 51КОм, получилось около 26 Вольт.
Заодно вышепроведенные операции немного растянули шкалу регулировки и стало удобнее пользоваться,

Дальше я разметил и рассверлил/вырезал все необходимые отверстия, под индикатор, переменные резисторы, клеммы, кабель питания и выключатель.

В последний момент чуть не забыл подключить провода к плате. Дело в том что я плату думал приклеить, соответственно провода потом не подключить.

Плата, резисторы и клеммники установлены. Большая честь внутренностей стоит буквально впритык, но все влезло:)

Провода к блоку питания припаиваются непосредственно перед его установкой.
Если бы это был заводской блок питания, было бы удобнее, там уже есть клеммы.

Стягиваем входные провода стяжками, чтобы не лезли к радиатору, компонуем остальные и можно закрывать.

Все, блок питания практически готов, очень нехватает темного стекла на индикатор.
На самом деле показания читаются лучше, чем получилось на фото. Со вспышкой видно выключенные сегменты, а без вспышки индикатор начинает слепить, так что лучше фото сделать у меня не вышло, уж извините.
Управление не подписывал, в принципе все сделал максимально логично, синий индикатор - напряжение, соответственно его регулирует переменник с синей ручкой, аналогично ток.
Вывел на панель индикацию режима ограничения тока, два светодиода с индикации режима заряда не выводил, не вижу в них смысла.

Ограничение тока получилось на уровне 2.23 Ампера, думаю что в таком режиме плата будет работать без проблем.
Хотел сначала прицепить к плате радиатор, но потом понял всю бессмысленность данной идеи, так как греется и дроссель, который надо увеличивать и диод с микросхемой, а тепло на обратную сторону платы передается слабо.

Кстати насчет дросселя, теоретически эта плата с охлаждением должна была выдать 30 Вольт 5 Ампер, это 150 Ватт. Формально это половина он моего лабораторного 300 Ватт блока питания, только вот если зайти в его и примерно сравнить габариты силовых элементов, то разница как говорится налицо. Эта плата даже теоретически не сможет выдать 5 Ампер, разве что с другим дросселем и при низком выходном напряжении.

И так резюме:
Плюсы .
Аккуратное изготовление, не отличное, но вполне хорошее.
Преобразователь прошел проверку на токе до 3 Ампер, хотя и с большими температурами.
Точность измерения тока и напряжения вполне неплохая, особых нареканий не вызвала.
Низкий уровень пульсаций, максимально зарегистрировано около 60мВ при частоте работы 300КГц.
Компактная конструкция.

Минусы .
Большой нагрев на токах более 2-2.5 Ампер.
Следует аккуратно относиться к превышению входного напряжения или поставить защитный супрессор по входу.
Дроссель намотан тонким проводом

Мое мнение, на токах до 2 Ампер можно вполне нормально эксплуатировать. Несколько расстроило то, что не смог разобраться с сигналами RF/TX. Преобразователь вполне можно доработать «малой кровью», перемотать дроссель более толстым проводом с уменьшением количества витков раза в 1.5, либо заменить на более мощный (это лучше). Заменить диод на более мощный, а еще лучше еще и вынести его, хотя бы на обратную сторону платы, улучшится тепловой режим работы.
Заявленный КПД в 95% вряд ли достижим, но думаю что реальный где то рядом, но с большой оговоркой, при определенном режиме работы. При токе в 3 Ампера на плате выделялось около 4 Ватт тепла (ориентировочно), что дается нам очень низкий КПД при 5 Вольт выходных. С повышением выходного напряжения КПД постепенно растет, хотя у СтепДауна не должно быть такой крутой зависимости.
В общем что можно сказать, потратил деньги на запчасти, кучу времени на сборку платы БП, сборку всего этого вместе, но в результате получил БП с характеристиками:
Выходное напряжение - 0.85-24 Вольта.
Выходной ток - 0.06-2.25 Ампера.
Негусто, но имеет право на жизнь, просто блок питания можно было не делать такой мощности.

Надеюсь что предоставленная мною информация была полезна.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.