Понижающий DC-DC преобразователь напряжения (или: Импульсный понижающий преобразователь напряжения)

Введение

DC-DC преобразователь понижающего типа

Преобразователь понижающего типа, или понижающий DC-DC преобразователь, – это DC-DC преобразователь, который уменьшает напряжение, одновременно увеличивая ток, от входа (источника питания) к выходу (нагрузке). Он относится к классу импульсных источников питания. Импульсные преобразователи (такие как понижающие преобразователи) обеспечивают значительно более высокую энергоэффективность, чем линейные стабилизаторы, которые представляют собой более простые схемы, рассеивающие мощность в виде тепла, но не увеличивающие выходной ток. Эффективность понижающих преобразователей может быть очень высокой, часто превышая 90%, что делает их полезными для таких задач, как преобразование основного напряжения питания компьютера, обычно 12 В, в более низкие напряжения, необходимые для USB, DRAM и центрального процессора, которые обычно составляют 5, 3,3 или 1,8 В. Понижающие преобразователи обычно содержат как минимум два полупроводниковых прибора (диод и транзистор, хотя в современных понижающих преобразователях диод часто заменяется вторым транзистором, используемым для синхронного выпрямления) и как минимум один элемент накопления энергии (конденсатор, индуктор или их комбинацию). Для снижения пульсаций напряжения к выходу такого преобразователя (фильтр на стороне нагрузки) и входу (фильтр на стороне источника питания) обычно добавляются фильтры, состоящие из конденсаторов (иногда в сочетании с индукторами). Свое название преобразователь получил от индуктора, который "понижает" или противодействует напряжению питания. Понижающие преобразователи обычно работают в диапазоне частот переключения от 100 кГц до нескольких МГц. Более высокая частота переключения позволяет использовать более компактные индукторы и конденсаторы, но также увеличивает потери эффективности из-за более частых переключений транзисторов.

Идеальный случай

Концептуальная модель понижающего преобразователя лучше всего понимать, рассматривая взаимосвязь между током и напряжением индуктора. Начиная с разомкнутого переключателя (выключенного состояния), ток в цепи равен нулю. Когда переключатель впервые замыкается (включается), ток начинает увеличиваться, и индуктор создает противодействующее напряжение на своих выводах в ответ на изменение тока. Это падение напряжения противодействует напряжению источника и, следовательно, уменьшает результирующее напряжение на нагрузке. Со временем скорость изменения тока уменьшается, и напряжение на индукторе также уменьшается, увеличивая напряжение на нагрузке. В течение этого времени индуктор накапливает энергию в виде магнитного поля. Если переключатель размыкается, пока ток все еще изменяется, на индукторе всегда будет падение напряжения, поэтому результирующее напряжение на нагрузке всегда будет меньше, чем напряжение источника питания. Когда переключатель снова размыкается (выключается), источник напряжения отключается от цепи, и ток начинает уменьшаться. Уменьшающийся ток создает падение напряжения на индукторе (противоположное падению при включенном состоянии), и теперь индуктор становится источником тока. Энергия, накопленная в магнитном поле индуктора, поддерживает протекание тока через нагрузку. Этот ток, протекающий при отключенном источнике питания, в сумме с током, протекающим при включенном состоянии, дает ток, превышающий средний входной ток (который равен нулю в выключенном состоянии). "Увеличение" среднего тока компенсирует снижение напряжения и в идеале сохраняет мощность, передаваемую на нагрузку. В выключенном состоянии индуктор отдает накопленную энергию в остальную часть цепи. Если переключатель снова замыкается до полного разряда индуктора (включается), напряжение на нагрузке всегда будет больше нуля.

Непрерывный режим

Конвертеры понижающего типа работают в непрерывном режиме, если ток через индуктивность никогда не достигает нуля в течение цикла переключения. В этом режиме принцип работы описывается графиками на рисунке 4:

Многофазный бак

Многофазный понижающий преобразователь – это топология схемы, в которой базовые понижающие преобразователи включены параллельно между входом и нагрузкой. Каждая из n "фаз" включается через равные промежутки времени в течение периода переключения. Эта схема обычно используется с синхронной топологией понижающего преобразователя, описанной выше. Этот тип преобразователя может реагировать на изменения нагрузки так же быстро, как если бы он переключался в n раз быстрее, без соответствующего увеличения потерь на переключение. Таким образом, он способен реагировать на быстроизменяющиеся нагрузки, такие как современные микропроцессоры. Также значительно снижается пульсация тока. Снижение происходит не только за счет увеличения эффективной частоты, но и в тех случаях, когда n, умноженное на рабочий цикл, является целым числом – пульсация тока стремится к нулю; скорость нарастания тока индуктора в включенных фазах точно соответствует скорости его спада в выключенных фазах. Еще одним преимуществом является распределение тока нагрузки между n фазами многофазного преобразователя. Такое распределение нагрузки позволяет рассеивать тепловые потери на каждом ключевом элементе по большей площади. Эта топология схемы используется в материнских платах компьютеров для преобразования 12-вольтового источника питания в более низкое напряжение (около 1 В), подходящее для процессора. Современные требования к мощности процессоров могут превышать 200 Вт, могут изменяться очень быстро и предъявляют строгие требования к пульсациям, менее 10 мВ. Типичные блоки питания процессоров, используемые на материнских платах, содержат 3 или 4 фазы, в то время как в высокопроизводительных системах может быть 16 и более фаз. Одной из основных задач, связанных с многофазным преобразователем, является обеспечение равномерного распределения тока нагрузки между n фазами. Балансировка тока может быть реализована различными способами. Ток можно измерить "без потерь", измеряя напряжение на индукторе или нижнем ключе (когда он включен). Этот метод считается беспроигрышным, поскольку он основан на сопротивлениях, присущих топологии понижающего преобразователя. Другой метод заключается во включении небольшого резистора в схему и измерении напряжения на нем. Этот подход более точен и настраиваем, но требует дополнительных затрат – по занимаемому месту, эффективности и стоимости. Наконец, ток можно измерить на входе. Напряжение можно измерить без потерь на верхнем ключе или с использованием мощного резистора для приблизительной оценки потребляемого тока. Этот подход технически сложнее, поскольку шум переключения сложно отфильтровать. Однако он дешевле, чем использование резистора для измерения тока в каждой фазе.

The multiphase buck converter is a circuit topology where basic buck converter circuits are placed in parallel between the input and load. Each of the n "phases" is turned on at equally spaced intervals over the switching period. This circuit is typically used with the synchronous buck topology, described above. This type of converter can respond to load changes as quickly as if it switched n times faster, without the increase in switching losses that would cause. Thus, it can respond to rapidly changing loads, such as modern microprocessors. There is also a significant decrease in switching ripple. Not only is there the decrease due to the increased effective frequency, but any time that n times the duty cycle is an integer, the switching ripple goes to 0; the rate at which the inductor current is increasing in the phases which are switched on exactly matches the rate at which it is decreasing in the phases which are switched off. Another advantage is that the load current is split among the n phases of the multiphase converter. This load splitting allows the heat losses on each of the switches to be spread across a larger area. This circuit topology is used in computer motherboards to convert the 12 VDC power supply to a lower voltage (around 1 V), suitable for the CPU. Modern CPU power requirements can exceed 200W, can change very rapidly, and have very tight ripple requirements, less than 10mV. Typical CPU power supplies found on mainstream motherboards use 3 or 4 phases, while high end systems can have 16 or more phases. One major challenge inherent in the multiphase converter is ensuring the load current is balanced evenly across the n phases. This current balancing can be performed in a number of ways. Current can be measured "losslessly" by sensing the voltage across the inductor or the lower switch (when it is turned on). This technique is considered lossless because it relies on resistive losses inherent in the buck converter topology. Another technique is to insert a small resistor in the circuit and measure the voltage across it. This approach is more accurate and adjustable, but incurs several costs—space, efficiency and money. Finally, the current can be measured at the input. Voltage can be measured losslessly, across the upper switch, or using a power resistor, to approximate the current being drawn. This approach is technically more challenging, since switching noise cannot be easily filtered out. However, it is less expensive than having a sense resistor for each phase.

Эффективность

Существует два основных явления, влияющих на эффективность: потери на проводимость и потери на переключение. Потери на проводимость возникают при протекании тока через компоненты и, следовательно, зависят от нагрузки. Они обусловлены эффектом Джоуля в сопротивлении проводников, когда транзистор или MOSFET находятся во включенном состоянии, сопротивлением обмотки индуктора и эквивалентным последовательным сопротивлением конденсатора. В этом случае потери пропорциональны квадрату тока. Потери на проводимость также возникают из-за прямого падения напряжения на диоде (обычно 0,7 В или 0,4 В для диода Шоттки) и в этом случае пропорциональны току. Потери на переключение происходят в транзисторе и диоде, когда напряжение и ток пересекаются во время переходов между открытым и закрытым состояниями. Диод Шоттки можно использовать для минимизации потерь на переключение, вызванных обратным восстановлением обычного PN-диода. Потери на переключение пропорциональны частоте переключения. В полноценном реальном преобразователе также присутствует управляющая схема для регулирования выходного напряжения или тока индуктора. Эта схема и драйвер затвора MOSFET потребляют энергию, что влияет на общую эффективность преобразователя.

Соответствие импеданса

Понижающий преобразователь может быть использован для максимизации передачи мощности за счет согласования импедансов. Одно из применений – отслеживатель точки максимальной мощности, широко используемый в фотоэлектрических системах. Это особенно полезно в приложениях, где импедансы динамически изменяются.