Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал о понижающих импульсных стабилизаторах постоянного напряжения. Данная статья продолжает рассказ об импульсных преобразователях, но уже другого типа, а именно, о повышающих преобразователях. Его выходное напряжение выше напряжения питания, что существенно отличает его от линейных стабилизаторов напряжения, в которых выходное напряжение не может быть больше входного.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Структурная схема импульсного повышающего преобразователя

Импульсный повышающий преобразователь, в иностранной литературе носит следующие названия: boost converter, step-up converter. Данный тип преобразователя также широко используется, как и понижающий преобразователь. Он находит широкое применение в схемах и приборах, где имеется только низковольтный источник питания. Например, питание основной схемы осуществляется от гальванических батарей напряжением 1,5…3 В или литиевого аккумулятора 3,7 В, но необходимо иметь дополнительное стабильное напряжение 5…15 В. Кроме того он применяется в схемах активных корректоров коэффициента мощности.

Схема импульсного преобразователя напряжения повышающего типа.

Получение выходного напряжения U_ВЫХ больше входного U_ВХ получается за счёт того, что дроссель L периодически подключается то к источнику питания через ключевой элемент в виде биполярного транзистора VT, то к конденсатору С_ВЫХ, через диод VD. Когда ток дросселя I_L течёт через транзистор, то нагрузку питает энергия, запасённая в выходном конденсаторе С_ВЫХ. Когда транзистор VT закрыт, то нагрузку и конденсатор питает энергия, поступающая от источника питания и накопленная в дросселе.

Когда транзистор VT открыт, то схема работает в режиме накопления энергии дросселя, ток от источника питания I_BX протекает через дроссель, накапливая в нём энергию и через открытый транзистор VT. При этом диод VD оказывается заперт и не позволяет разряжаться конденсатору С_ВЫХ через транзистор. Ток в нагрузку передается за счёт энергии накопленной в конденсаторе.

Когда транзистор VT закрыт, то схема работает в режиме передачи энергии дросселя в нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции дросселя L складывается со входным напряжением и энергия, запасённая в дросселе, заряжает выходной конденсатор С_ВЫХ. При этом могут создаться условия, когда выходное напряжение U_ВЫХ может стать больше входного U_ВХ.

Стоит отметить, что в отличие от преобразователя понижающего типа, в преобразователе повышающего типа дроссель L не является частью входного фильтра. А выходное напряжение определяется величиной индуктивности и характеристики импульсного напряжения поступающего на базу транзистора VT.

Также, как и преобразователь понижающего типа, данный тип преобразователя может работать в двух режимах: прерывистых токов дросселя и непрерывных токов дросселя. Рассмотрим их подробнее.

Режим непрерывных токов дросселя

Графики токов и напряжений, присутствующих в схеме при работе повышающего преобразователя напряжения в режиме непрерывных токов дросселя показаны ниже

Диаграммы изменений напряжений и токов в стабилизаторе повышающего типа в режиме непрерывных токов дросселя.

Рассмотрим данные диаграммы подробнее. В начальном положении (момент времени 0 – t₁) транзистор VT – закрыт, поэтому ток протекает через дроссель L и диод VD в нагрузку R_H и конденсатор С_ВЫХ. И напряжения на дросселе U_L и на транзисторе U_KE составят

где U_вых – напряжение на выходе стабилизатора (на нагрузке),

U_вх – напряжение на входе стабилизатора,

U_ПР – падение напряжения на диоде VD в открытом состоянии.

В момент времени t₁ на базу транзистора от системы управления (СУ) поступает сигнал U_ПУ, который его открывает. В результате через транзистор начинает протекать импульсный ток с максимальным значением I_{VT M}, который вызванный разрядом конденсатора С_ВЫХ через диод VD. Длительность данного импульса тока (период времени t₁ – t₂) зависит от инерционности диода, то есть рассасывания неосновных носителей зарядов в диоде VD. По окончанию данного процесса диод полностью закрывается и конденсатор отключается от дросселя и транзистора и начинает разряжаться в нагрузку R_H.

В период времени t₁ – t₂, открывающее напряжение U_ПУ на базе транзистора продолжает действовать, и транзистор находится в открытом состоянии (режиме насыщения). Следовательно, дроссель продолжает накапливать энергию, то есть происходит увеличение протекающего через него тока от I_Lmin до I_Lmax. При этом напряжения на транзисторе U_KE, дросселе U_L и диоде U_VD составят

где U_{KE нас} – напряжение насыщения транзистора.

После окончания действия импульса на базе транзистора от системы управления (СУ) происходит закрытие транзистора VT, но оно происходит не мгновенно, а через промежуток времени t_РАС – время рассасывания неосновных носителей заряда в транзисторе. В результате в момент времени t₃ наступает цикличное повторение процесса.

Работа преобразователя напряжения в режиме прерывистых токов дросселя

Отличие данного режима работы преобразователя от режима непрерывных токов дросселя видна на диаграмме, изображённой ниже.

Диаграммы изменений напряжений и токов в стабилизаторе повышающего типа в режиме прерывистых токов дросселя.

До момента прекращения сигнала от системы управления (СУ) и закрытия транзистора VT, процесс работы в данном режиме аналогичен режиму непрерывных токов дросселя.

В момент времени t₂ транзистор закрывается и ток, протекающий через дроссель I_L и диод I_VD уменьшится до нуля в момент времени t₃. В тоже время напряжения на транзисторе U_KE, дросселе U_L и диоде U_VD составят

И будут оставаться такими до момента поступления импульса от системы управления на базу транзистора (момент времени t₄). После чего транзистор открывается и его коллекторный ток I_VT начинает плавно увеличиваться без выброса I_{VT M}, так как диод в этот период времени закрыт.

Основным недостатком данного режима работы преобразователя напряжения является увеличенная амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке из-за более длительного разряда конденсатора на выходе стабилизатора по сравнению с режимом непрерывных токов дросселя.

Методика расчёта импульсного повышающего преобразователя

В настоящее время обычно, повышающий преобразователь разрабатывается на основе готовой интегральной микросхемы, поэтому параметры элементов – дросселя, диода, конденсаторов и транзистора, можно просто взять из типовой схемы включения. Однако, в ряде случаев расчёты необходимо выполнить самостоятельно. Поэтому я приведу методику проведения данных расчётов.

Для проведения расчёта импульсного повышающего преобразователя необходимо иметь следующие исходные данные: входное напряжение (напряжение питания) U_ВХ, пределы его изменения ΔU_ВХ; номинальное выходное напряжение U_ВЫХ и пределы его регулировки ΔU_ВЫХ; минимальный и максимальный ток нагрузки I_Hmin и I_Hmax; максимальная амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке U_Н~; частоту преобразования f_п.

1. Выбираем частоту преобразования f_п и предварительно выбираем КПД преобразователя η_ст = 0,9.

2. Определяем минимальное D_MIN, номинальное D_N и максимальное D_MAX значения относительное длительности открытого состояния регулирующего транзистора (коэффициент заполнения импульса)

3. Для обеспечения режима непрерывности токов дросселя определим его минимальную индуктивность L_MIN

4. Определяем средний I_Lcp, минимальный I_Lmin и максимальный I_Lmax ток, протекающий через дроссель

5. Выбираем регулирующий резистор VT по току и напряжению

6. Выбираем силовой диод со следующими параметрами допустимого прямого тока I_{ПР max}, допустимого обратного напряжения U_{обр max} и времени обратного восстановления t_{обр. вост}

7. Определяем потери мощности на транзисторе, которые являются суммой потерь в режиме насыщения и потери в момент переключения (динамические потери)

где U_ПР – падение напряжения на диоде VD в открытом состоянии,

t_вкл – время включения транзистора,

t_выкл – время выключения транзистора.

8. Определяем потери мощности на диоде, которые обусловлены в основном потерями в прямом направлении и динамическими при его выключении

где U_ПР – падение напряжения на диоде VD в открытом состоянии,

t_{вост.обр} – время обратного восстановления диода.

9. Вычисляем КПД стабилизатора

где ΣР_ПОТ – суммарные потери мощности в преобразователе (в диоде, дросселе, схеме управлении, ключевом транзисторе), кроме вышеописанных потерь мощности сюда можно добавить потери от цепей управления микросхемы преобразователя, различные токи утечки и так далее, которые в сумме могут составлять до 10% от суммарных потерь мощности.