Dc dc преобразователь. устройство и принцип работы основных схем

Инвертирующий и обратноходовой преобразователи

И в инвертирующем (Inverting Converter), и в обратноходовом (Flyback Converter) преобразователях к обмоткам дросселя на первом этапе прикладывается полное входное (V_L1 = V_IN), а на втором – полное выходное напряжение (V_L2 = V_OUT), как показано на рисунок 6. Поэтому базовое уравнение для определения их регулировочных характеристик одинаково (формула 14):

$$\frac{V_{IN}}{N_{1}}\times t_{ON}=-\frac{V_{OUT}}{N_{2}}\times t_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{14}{\mathrm{)}}$$

Рис. 6. Принцип работы инвертирующего и обратноходового преобразователей

Но, поскольку инвертирующие преобразователи обычно строятся на основе однообмоточных дросселей, для которых N₁ = N₂, то их регулировочная характеристика при работе во всех режимах, кроме разрывного, несколько проще (формула 15):

$$V_{OUT}=-V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}=-V_{IN}\times \frac{D}{1-D}\qquad{\mathrm{(}}{15}{\mathrm{)}}$$

Ключевой особенностью обратноходового преобразователя является возможность обеспечения гальванической развязки между входом и выходом. В этом случае обмотки дросселя могут иметь разное количество витков (формула 16):

$$V_{OUT}=-V_{IN}\times \frac{t_{ON}}{t_{OFF}}\times \frac{N_{2}}{N_{1}}=-V_{IN}\times \frac{D}{1-D}\times \frac{N_{2}}{N_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{16}{\mathrm{)}}$$

Для инвертирующего преобразователя, вход и выход которого имеют один общий провод, выходное напряжение V_OUT по абсолютному значению может быть как больше, так и меньше входного V_IN. Однако оно обязательно должно иметь обратную полярность, ведь ни продолжительность первого t_ON, ни второго t_OFF этапов преобразования не могут быть отрицательными. Для обратноходового преобразователя обеспечение двухполярного напряжения на обмотке осуществляется правильной фазировкой обмоток и включением диода VD1. Если это правило будет нарушено, то обратноходовой преобразователь работать не будет (фактически он превратится в прямоходовой, который имеет несколько иной принцип работы).

При использовании в понижающей, повышающей и инвертирующей схемах дросселя с одной обмоткой наибольшая эффективность преобразователя будет в диапазоне 0,1 ≤ V_IN…V_OUT ≤ 10. Если же входное напряжение отличается от входного больше чем в 10 раз, тогда, в соответствии с формулой 9, длительность одного из этапов преобразования (t_ON или t_OFF) будет значительно меньше другого (рисунок 7).

Рис. 7. Зависимости соотношения напряжения на входе и выходе преобразователей (VOUT/VIN) от соотношения длительностей первого и второго этапов (tON/tOFF)

При этом становится сложно как регулировать выходное напряжение, так и фильтровать его, поскольку при малых длительностях t_ON или t_OFF увеличиваются пульсации токов, что в конечном итоге приводит к катастрофическому уменьшению КПД, вплоть до физической невозможности реализации данного режима (необходимая длительность t_ON или t_OFF может оказаться меньше чем время включения/выключения полупроводникового компонента). Поэтому при большой разнице напряжений между входом и выходом используют автотрансформаторное включение дросселей, при котором транзистор или диод подключаются к части обмотки (рисунок 8). В этом случае N₁ ≠ N₂ и формулы 10…15 придется выводить заново из базового соотношения формулы 9.

Рис. 8. Понижающий преобразователь с автотрансформаторным включением дросселя, работающий при большой разнице напряжений (VIN >>VOUT)

Популярные преобразователи DC-DC

i7A

The i7A 33A series can be used to derive additional high power outputs from a 24V, 36V or 48V DC power supply, at a much lower cost than isolated DC-DC converters. 
Efficiencies of up to 98% minimise internal losses and allow the i7A to operate in ambient temperatures of -40oC to +125oC, even with low airflow conditions.  The i7A’s design provides low output ripple and excellent response to dynamic loads. Very few required external components are required, compared to discrete solutions, saving cost and printed circuit board space.
A choice of three mechanical configurations is available, measuring just 34mm wide and 36.8mm in length. The 11.5mm high open frame model is most suitable for applications requiring a very low profile. A baseplate version for conduction cooling to a cold plate is 12.7mm high, or models with an integral heatsink for convection or forced air cooling are 24.9mm high.
Standard features include an output voltage adjustment trim pin, + remote sense, remote on-off (positive or negative logic), input under-voltage, over-current and over-temperature protection.

PXD-M

Certified to the IEC 60601-1 and IEC 62368-1 standards for Medical and Audio/Video, Information and Communication Technology Equipment, the PXD Medical series is housed in the industry  standard 2” x 1 package. Featuring an input to output isolation voltage of 5,000Vac and accepting either a 9 to 36Vdc or 18 to 75Vdc input, the PXD Medical series is available with output voltages of 5, 12, 15, 24, +/- 5, +/- 12 and +/- 15Vdc. Operation from 12V and 24V, or 24V and 48V nominal inputs reduces inventory carrying costs and improves part availability.
 

PXG-M

Certified to the IEC 60601-1 and IEC 62368-1 standards for Medical and Audio/Video, Information and Communication Technology Equipment, the PXG Medical series is housed in the industry standard 1.6” x 1” DIP package.
Featuring an input to output isolation voltage of 5,000Vac and accepting
either a 9 to 36Vdc or 18 to 75Vdc input, the PXG Medical series is available with output voltages of 5, 12, 15, 24, +/- 5, +/- 12 and +/- 15Vdc. Operation from 12V and 24V, or 24V and 48V nominal inputs reduces inventory carrying costs and improves part availability.
 

i7C

 
i7C — это конвертор повышающего/понижающего типа  для организации вторичного преобразования, который может быть запитан от модуля AC-DC  с выходами 12, 24 или 48В. Функционал модуля расширен опциями синхронизации частоты коммутации, мониторингом выходного тока и сигналом Power Good. i7C имеет КПД до 97% и несколько вариантов исполнения корпуса, включая вариант со встроенным радиатором.  

DDA

The DDA DIN rail mount, non-isolated step-down converters are ideal for creating additional high current output voltages from a single output 24V or 48V AC-DC power supply. This highly efficient, compact series accepts a very wide DC input and has a wide output adjustment range with a choice of single or dual output models.