Принцип работы источников питания DC-DC

В работе многих импульсных источников питания применяется явление самоиндукции. Допустим, через катушку индуктивности протекает постоянный ток. Если внезапно прервать протекание тока, то в магнитном поле, индуцированном вокруг катушки, возникает ЭДС самоиндукции, при этом полярность напряжения на ее клеммах меняется на противоположную.

Типовая схема импульсного источника питания DC-DC состоит из катушки индуктивности (дросселя), конденсатора, диода и ключевого транзистора, например биполярного, MOSFET или IGBT. Транзистор может находиться в двух состояниях: открытом или закрытом. В первом состоянии через него протекает ток, а во втором – нет.

Рассмотрим основные принципы работы источников питания (преобразователей напряжения DC-DC), понижающих или повышающих выходное напряжение относительно входного.

Принцип работы понижающего преобразователя DC-DC

Когда транзистор открыт, ток от входной сети протекает по цепи: ключевой транзистор VT1 – дроссель L1 - нагрузка. При этом происходит нарастание тока от минимального до максимального значения. Ток увеличивается не скачкообразно, а постепенно. Энергия от сети передается в нагрузку, а также накапливается в дросселе и конденсаторе C2. Происходит так называемая фаза накачки. В это время диод VD1 заперт.

Когда транзистор закрывается, полярность напряжения на дросселе меняется на противоположную и происходит передача накопленной энергии в нагрузку - наступает фаза разряда. Ток через закрытый транзистор не протекает, а течет по цепи: дроссель L1 - диод VD1 - нагрузка.

Величина выходного напряжения регулируется путем управления временем открытия и закрытия ключевого транзистора и осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который заключается в изменении ширины импульса постоянной амплитуды при постоянной частоте. Отношение времени импульса к общему времени цикла (импульс + пауза) называется коэффициентом заполнения. Чем больше коэффициент заполнения, тем больше величина энергии, передаваемая в нагрузку. Максимальное напряжение на выходе данной схемы может быть ниже, или равным входному, но не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное применяются повышающие преобразователи.

Принцип работы повышающего преобразователя DC-DC

Схема повышающего преобразователя содержит те же элементы, что и понижающего преобразователя, но соединение их отличается.

Когда ключевой транзистор открыт, ток проходит через дроссель и транзистор. Ток через дроссель L1 постепенно увеличивается, и дроссель накапливает энергию. Диод VD1 на этом этапе закрыт, чтобы не позволить разрядиться через транзистор VT1 выходному конденсатору C2, который питает нагрузку.

При понижении выходного напряжения до определенного уровня транзистор закрывается управляющим сигналом. Когда транзистор закрывается, полярность напряжения на дросселе меняется на противоположную и энергия, запасенная в дросселе, через диод подзаряжает выходной конденсатор, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции дросселя складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения. При достижении уровня заданного напряжения транзистор опять открывается, и цикл повторяется.