Преобразователь постоянного напряжения в постоянный (DC/DC) представляет собой устройство, преобразующее энергию постоянного тока одного напряжения в другой уровень. Другими словами, на вход DC/DC преобразователя подается постоянное напряжение и на выходе он также получает постоянное напряжение: низкое или высокое, выше входного напряжения или ниже. Благодаря этому DC/DC преобразователи можно разделить на три типа:

• Повышающие (boost),
• Понижающие (buck, step-down),
• Понижающе-повышающие (buck-boost).

Большой ассортимент такой продукции в продаже позволяет разработчикам выбрать правильный и оптимальный преобразователь для применения в зависимости от требований к уровням напряжения, мощности и условиям использования.

Применение преобразователей DC/DC

Преобразователи используются в устройствах управления в промышленности, схемах распределения электроэнергии, связи, транспорта, схемах сигнализации, измерительных приборах, медицинском оборудовании, автомобилестроении, IoT, возобновляемых источниках энергии, компьютерах, оргтехнике, военной, авиационной и других областях. Такой широкий спектр применения означает, что эти компоненты играют все более важную роль в технике.

В этих различных устройствах существует множество электрических цепей, которые требуют более низких или более высоких напряжений, чем те, которые подаются от основного источника питания. В этом случае как раз и нужна схема преобразования или изменения уровня принимаемого входного напряжения, то есть просто преобразователь питания.

Основные функции преобразователей

1. Главная задача состоит в изменении значения напряжения (желательно без потерь), но иногда и в изменении полярности, чтобы создать два разных напряжения одинаковой или противоположной полярности.
2. Вторая задача – гальваническая развязка. Для обеспечение безопасности, то есть физическая гальваническая развязка вторичной цепи от поражения электрическим током опасным напряжением, подаваемым на первичную сторону, и защита от перенапряжения и разрядов. Изоляция также позволяет запитать несколько цепей в устройстве с разными потенциалами земли, например, в инверторе с IGBT-транзисторами в мостовой схеме для систем управления.

Другой целью изоляции является снижение шума. Преобразователь позволяет подключить питание аналоговой и цифровой части без передачи помех, исключить контуры заземления и питать чувствительные аналоговые цепи в измерительной аппаратуре.

Инвертор также является безопасным источником тока, так как имеет встроенную защиту от короткого замыкания, перенапряжения, перегрузки и обратного подключения питания. Выходное напряжение можно стабилизировать, дистанционно включать, что избавляет от необходимости в дополнительных компонентах в приложении. Поэтому его можно рассматривать как фильтр активной мощности.

Основные параметры DC/DC инверторов

Основными параметрами преобразователя напряжения являются тип и размер корпуса, прочность изоляции, выходная мощность, а также входное и выходное напряжения. Корпуса бывают различных размеров и типов: SIP, DIP, SMD, прямоугольные, а также варианты без корпуса. Преобразователи малой мощности обычно изготавливаются в герметичных корпусах компактной формы, а изделия большой мощности обычно выпускаются в формате короба или в виде открытой конструкции, построенной на несущем шасси.

Входное напряжение может быть постоянным (с небольшим допустимым отклонением) или с широким изменением (2:1-12:1), а также оно может быть изолированным или неизолированным от входа.

DC/DC преобразователи с постоянным входным напряжением обычно работают при напряжениях 3,3, 5, 12, 15, 24 и 48 В. Широкополосный DC/DC преобразователь входного напряжения поддерживает диапазоны входного напряжения 2:1/4:1/7:1/ 8:1/12:1, в том числе 4,5–9 В постоянного тока, 9–36 В, 36–75 В или 40–160 В. Выходное напряжение для типовых решений составляет 3,3, 5, 9, 12, 15, 24, 28 и 48 В и симметричных выходов ± 5, ± 9, ± 12, ± 15 В.

Прочность изоляции обычно составляет от 1000 до 1500, 3000, 6000 и даже 12000 В постоянного напряжения и более. Выходная мощность является произведением выходного напряжения и тока и зависит от конкретного типа. Производимые версии имеют номинальную мощность примерно от 0,5 Вт.

Выбор DC/DC преобразователей

Выбор правильного преобразователя DC/DC для различных устройств является одним из решающих факторов успеха разработки проекта. Есть несколько моментов, которые следует учитывать при выборе:

Диапазон входного напряжения и выходное напряжение. Преобразователи постоянного входного напряжения подходят, например, для изоляции сигнала RS485. Для питания устройства от промышленной (24 В) или телекоммуникационной (48 В) шины требуется использовать преобразователи, допускающие более широкий диапазон входных напряжений. То же самое относится к питанию от шины (110 В) или выпрямленному сетевому напряжению (220–240 В переменного тока). Широкий диапазон входных напряжений является обязательным условием для всех видов батарей и аккумуляторных систем, установок возобновляемой энергии и т.п.

Номинальная мощность. Рекомендуется, чтобы нагрузка инвертора составляла от 30 до 80% его номинальной мощности. Слишком низкая нагрузка — это пустая трата средств и места, слишком высокая нагрузка отрицательно сказывается на возможности работы при высоких температурах окружающей среды в корпусе и надежности. При высоких температурах рекомендуется использовать снижение номинальных характеристик (снижение мощности) до 70 %. При высокой температуре окружающей среды и плохих условиях теплоотвода при одинаковой мощности предпочтительнее модуль с корпусом большего размера.

Корпус. Эмпирическое правило заключается в том, чтобы выбрать корпус преобразователя в зависимости от выходной мощности и требуемого метода монтажа. Начать лучше всего с выбора корпуса, соответствующего международным стандартам и габаритам. Конечно, размер и объем должны быть как можно меньше при определенной мощности, чтобы обеспечить больше места для других компонентов в схеме. Наконец, корпус должен позволять заменять преобразователь на другой без замены печатной платы, чтобы облегчить расширение системы.

Напряжение изоляции. Прочность изоляции должна быть выше номинального входного напряжения преобразователя. Кроме того, при выборе изолированного преобразователя напряжения следует учитывать характеристики тока утечки, который уменьшается по мере уменьшения емкости изоляции.

Диапазон рабочих температур и требования по снижению номинальных характеристик. Преобразователи DC-DC выпускаются в нескольких диапазонах рабочих температур (классах): коммерческие, промышленные, военные и так далее. Чем шире диапазон, тем выше цена продукта из-за используемых материалов и производственных процессов и сертификации. Неправильный выбор диапазона рабочих температур влияет на параметры и надежность и должен определяться с учетом требуемой мощности электропитания и колебаний температуры окружающей среды.

Энергопотребление и эффективность. КПД изолированного преобразователя обычно составляет около 80 %, а КПД неизолированного — около 90 % или даже больше. Чем больше КПД, тем меньше потери мощности и нагрев. Высокий КПД позволяет схеме работать при более высоких температурах окружающей среды, обеспечивает более длительный срок службы и снижает затраты.

Пример подбора инвертора

В качестве примера применения таких преобразователей будет показано решение для электропитания контроллера кондиционирования воздуха на железных дорогах. При этом источник питания должен обеспечивать подавление помех по входному напряжению и диэлектрическую изоляцию. Сюда подбираем реобразователь UW-TH1D24QB-100WR3 со сверхшироким диапазоном входных напряжений 14–160 В, который является оптимальным вариантом и отвечает конструктивным требованиям по усиленной изоляции, выдерживающей 3000 В переменного тока. Этот 100-ваттный модуль имеет широкий диапазон рабочих температур от –40 до +105°С и отличается высокой устойчивостью к ударам и вибрации.