Преобразователи напряжения используются везде и всюду. Будь то огромные многотонные трансформаторы на электроподстанциях, обычные 50-герцовые трансформаторы в домашней аппаратуре или сложные импульсные схемы с умными микроконтроллерами. Любой электроприбор имеет собственные требования к питанию, да и отдельные узлы в этом приборе тоже привередливы к значениям напряжений. Вопрос — почему? Из статьи вы узнаете, зачем вообще нужны преобразователи и как работает DC-DC регулятор напряжения на материнской плате компьютера.
Никакого единства…
В розетке 220 вольт, у блока питания 12 вольт, у зарядки телефона 5 вольт. Может сложиться впечатление, что инженерам нравится играть с напряжением, сначала повышая его до миллионов вольт на линиях электропередач, а потом до единиц вольт для питания центрального процессора. Почему люди не придумали какое-то единое значение напряжения и не используют его везде?
Определенно, центральный процессор — да и вообще любой другой микрочип — питать высоким напряжением прямо из розетки нельзя. Двенадцать вольт после блока питания тоже не подойдут. Во-первых, на микроскопическом уровне даже лишние пара десятых вольта могут привести к утечкам тока и повлиять на стабильность схемы. Во-вторых, чем выше напряжение, тем большее энергии расходуется на работу процессора. Поэтому с уменьшением техпроцесса разработчики стараются снизить и рабочий вольтаж. Когда-то процессоры, например, древний Intel 8086 выпуска 70-х годов, питались от 5 вольт, а современные работают всего от 1-1,4 вольта.
Блоки питания с напряжением 1 вольт на выходе — тоже не вариант, так как сила тока будет чрезмерно высокой — от нескольких десятков до сотен ампер. Ведь, снижая напряжение, растет сила тока при той же мощности. Вычислить силу тока можно, поделив мощность на напряжение.
Большая сила тока вставляет палки в колеса при подборе проводников из-за их сопротивления. Сопротивление — эффект, когда структура проводника мешает беспрепятственному протеканию тока по нему. Заряженные частицы врезаются на полной скорости в атомы проводника, чем и вызывают сопутствующий нагрев, а сами частицы теряют энергию. Это как бег с препятствиями. Вы тоже потеряете энергию, если во время бега по густому лесу будете влетать в деревья.
Сопротивление любого провода не нулевое, причем оно увеличивается с ростом его длины. Толщина провода также влияет на сопротивление. Поэтому, чтобы передать большую мощность при низком значении напряжения и высокой силе тока, придется использовать довольно толстые провода.
К примеру, напряжение на ЛЭП специально увеличивают до сотен тысяч вольт после электростанции, чтобы передавать мегаватты электрической мощности на значительные расстояния с помощью относительно тонких проводов.
И последнее. У любой электроники свое значение рабочего напряжения, а у процессора оно еще и регулируется в зависимости от нагрузки и условий работы. Так что договориться и сделать единую энергосистему с одинаковым значением напряжения попросту нереально.
Нет, без преобразователей ну никак не обойтись.
Устройство DC-DC преобразователя
Для питания микроэлектроники от постоянного напряжения используются DC-DC преобразователи, основанные на принципах широтно-импульсной модуляции — ШИМ. Их еще называют регуляторами напряжения — VRM.
Как это работает? Возьмите обычный вентилятор. Что будет, если вы его включите? Правильно, он будет дуть с одинаковой силой.
Что произойдет, если с равной периодичностью дергать рубильник — включать вентилятор всего на полсекунды, а на следующие полсекунды выключать? Двигатель вентилятора не может мгновенно набрать максимальную скорость вращения, поэтому за такой небольшой промежуток времени он как следует не разгонится. Но и остановиться за то же время он не успеет, так как продолжит крутиться по инерции. Так что вентилятор продолжит дуть, но с гораздо меньшей мощностью. Попробуйте поэкспериментировать со своим домашним вентилятором.
Выходит, если включать и выключать питание вентилятора, то вместо постоянного напряжения мы получим прерывистые импульсы той же амплитуды.
Так и работает простейший ШИМ-регулятор. Но вместо человека с выключателем используется транзистор — он то открывается на некоторое время (ВКЛ), то закрывается (ВЫКЛ). Только делает это с частотой не два раза в секунду (2 Гц), а десятки тысяч раз (10 кГц). Вы так точно не сможете. Такой транзистор называется «ключевым».
Кто-то может возмутиться: «Но, погодите, нам нужно получить напряжение в 1 вольт, а тут хоть и прерывистые, но те же 12 вольт, что и на входе! Кажется, нас обманывают!»
Действительно, таким образом питать процессор по-прежнему нельзя. Так что к ключевому транзистору (VT1) понадобятся еще несколько элементов: катушка индуктивности (L), конденсатор (C) и синхронный транзистор (VT2). Катушка и конденсатор образуют LC-фильтр.
Технически можно разделить цикл преобразования на две стадии: накачка энергии в катушку с конденсатором и стадию разряда.
Первая стадия — накачиваем энергию
Когда транзистор VT1 открыт, его собрат — синхронный транзистор VT2 — закрыт. В катушке L накапливается энергия, плавно нарастает ток и заряжается конденсатор C.
Вторая стадия — стадия разряда
Транзистор VT1 закрывается, открывается синхронный VT2 — он нужен, чтобы соединить вход катушки с отрицательным выводом нагрузки, создавая замкнутую цепь питания. Пусть мы и разорвали на этот краткий миг связь с источником питания, но катушка никуда не делась. Накопленная в катушке энергия теперь играет роль источника питания и поддерживает силу и направление тока, а конденсатор разряжается и питает нагрузку.
Затем транзистор VT1 снова открывается, а VT2 закрывается, и цикл начинается заново. Причем для наибольшей эффективности циклы повторяются с довольно высокой частотой — у современных компьютерных комплектующих миллионы раз в секунду (измеряется в мегагерцах, МГц).
Благодаря этому процессу мы получаем постоянное напряжение на нагрузке ниже, чем входное до ключевого транзистора. Импульсы как бы сглаживаются, образую близкую к прямой линию напряжения.
То, что линия напряжения не совсем прямая — это нормально. В реальных условиях идеальных LC-фильтров не бывает, и всегда присутствуют небольшие пульсации напряжения. И главное, подобрать параметры катушки и конденсатора таким образом, чтобы они не успевали разрядиться полностью к концу цикла. Тогда ток становится неразрывным.
К слову, ток на всей цепи примерно равен. А так как синхронный транзистор VT2 открыт несоизмеримо дольше — работать ему приходиться, что называется, за троих.
Как настраивается преобразователь
Уровень напряжения на нагрузке будет зависеть от длительности первой и второй стадий в рамках одного цикла. Ведь чем дольше открыт транзистор VT1, тем больше энергии успевает накопить катушка и тем выше будет по итогу напряжение после LC-фильтра.
Если мы поделим время первой стадии на длительность полного цикла, то получим коэффициент заполнения (D) от 0 до 100 %. Чтобы узнать выходное напряжение (U out), нужно коэффициент заполнения умножить на входное напряжение (U in).
А чтобы узнать коэффициент заполнения, делим U out на U in. Простой пример: чтобы получить типичное для центрального процессора напряжение в 1,2 вольта, то, поделив на входные 12 вольт (напряжение на выходе блока питания), получим D=0,1. Это значит, что первая стадия (накачки энергии) займет всего 10 % времени от общей длительности цикла, а оставшиеся 90 % времени уйдут на стадию разряда.
Когда одной фазы недостаточно
В мощных преобразователях часто используется не один канал с парой транзисторов, одной катушкой и одним конденсатором, а несколько параллельно подключенных каналов.
Как мы уже выяснили, любой проводник имеет ненулевое сопротивление и нагревается. Транзистор в ключевом режиме — тоже проводник, как обычный выключатель. И сопротивление (Rds) между его входом и выходом (сток-исток) не равно нулю. Значит, чем выше ток, тем сложнее будет электронам пробиться через него, что приведет к потерям энергии и нагреву. Чтобы минимизировать этот эффект и применяются несколько фаз — нагрузка распределяется между ними поровну.
Еще один интересный способ повысить эффективность: синхронный транзистор VT2 открыт примерно в семь-восемь раз дольше чем VT1, поэтому VT2 часто дублируют и стараются подобрать более продвинутую и дорогую модель с низким Rds.
Но это еще не все. Такие каналы не просто так называют «фазами». Процесс переключения транзисторов в разных каналах происходит не одновременно, а с небольшим сдвигом по фазе.
На выходе после LC-фильтров все фазы объединяются в одну, и амплитуда пульсаций становится значительно ниже, чем было бы у каждой фазы в отдельности.
Так что даже несколько десятков каналов в преобразователе на материнской плате неправильно называть «избытком». Ведь это не только меньшие потери, но и лучшее качество напряжения. Меньше пульсаций напряжения — меньше выбросов во внутренние узлы процессора — выше стабильность всей схемы, особенно при разгоне.
Те же принципы справедливы и для графического чипа видеокарты, процессора смартфона и любой другой «тонкой» электроники. Но в этом случае разработчики уже за нас рассчитали потребляемую мощность и количество необходимых узлов. А вот при выборе материнской платы пользователь должен сам определить, что ему нужно, учесть потребляемую мощность процессора. Тем более, если в планах серьезный разгон.
Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов
На китайских торговых площадках появится интересный модуль понижающего преобразователя напряжения XL4016. Схема позволяет работать с регулированием напряжения (CV) и тока (CC). После добавления в систему источника питания (например, ненужного блока питания ноутбука, трансформатора с выпрямителем и конденсатором) модуль можно использовать в качестве регулируемого БП, зарядки для авто АКБ 12 В или стабилизатора с фиксированным выходным напряжением.
Схема позволяет установить максимальный выходной ток или работать как источник тока (CC). Работа в режиме CC может использоваться, например, для питания светодиодов, зарядки аккумулятора (в том числе автомобильного) или питания модуля Пельтье. Многооборотные потенциометры, установленные на плате, можно заменить на более крупные и удобные, оснащенные ручкой. Импульсная система имеет высокую эффективность, но при более высоких мощностях потребуется принудительная циркуляция воздуха или больший радиатор.
Схема подключения модуля DC-DC
Модуль инвертора можно найти на Алиэкспрессе, его описание часто содержит параметры 9 A 300 Вт, 1,2 — 35 В. Давайте подробнее рассмотрим возможности схемы этого преобразователя и проведём тесты. На радиаторах установлены двойной диод 10A STPS2045 и цепь понижающего инвертора XL4016. Обозначение входов и выходов питания и распределение потенциометров можно найти на рисунке ниже:
Полупроводники изолированы от радиаторов, что снижает риск коротких замыканий, но также может снизить эффективность рассеивания тепла. Согласно найденному даташиту, XL4016 в корпусе TO220 имеет предел по току 8 А, возможно, в модуле был использован элемент с большей заявленной эффективностью. Двухцветный светодиод меняет свой цвет с синего на красный при выходном токе >0,8 А. После замыкания выхода с помощью амперметра удалось отрегулировать выходной ток в режиме от CC до 9 A. Работа светодиодов очень удобна и информативна. Потребляемый ток без нагрузки около 15 мА.
Электролитические конденсаторы находятся достаточно близко к радиаторам и температура может уменьшить их срок службы, в то время как большая индуктивность просто висит в воздухе, так что ее стоит закрепить клеем, чтобы не повредить печатную плату во время механических воздействий. С другой стороны платы припаян стабилизатор 5В, LM358 и резистор, используемый при измерении выходного тока.
Испытания и тесты модуля XL4016
Стабильность выходного напряжения по сравнению с выходными токами является удовлетворительной, далее пример графика выходного напряжения, установленного на 3.3V в зависимости от тока нагрузки.
Влияние входного напряжения при установке выходного крайне мало.
Зависимость эффективности КПД преобразователя от изменения выходного тока для двух выходных напряжений.
Зависимость КПД от изменения входного напряжения.
Пульсации и отклонения выходного напряжения при разных условиях эксплуатации показаны на осциллограммах далее.
Применение понижающего преобразователя
Использован был этот модуль в качестве зарядного устройства для игрового ноутбука, он отлично работает и не нагревается критично. Вход: 29 В, выход 19 В, Imax 4 А в соответствии с параметрами исходного адаптера переменного тока 220 В.
Самый большой ток снимался с модуля работающего как блок питания для радиотелефона, на котором получалось 28 В и 9 A, что очень хорошо.
В качестве зарядного устройства он работает после добавления большого радиатора к XL или замены его на радиатор большего размера, чем заводской, плюс вентилятор, который также охлаждает конденсаторы.
Безопасный диапазон тока при длительной нагрузке составляет около 7 А, при напряжении выше 32 В стабилизатор очень горячий. Перед преобразователем хорошо будет поставить большой ёмкий конденсатор по питанию.
Сразу после первого вояжа на машине с семьёй на море возникла идея сделать в автомобиле стационарную разводу розеток под USB для зарядки мобильных устройств. Кстати сейчас новые автомобили стали уже комплектовать с инверторами на 220В и соответственно розетками на 5В. Я таких машин ещё не встречал.
Да, в продаже если и есть адаптеры на для мобильных ПК то они предназначены для зарядки одного, максимум двух устройств при условии, что второе устройство не такое уж мощное. У меня в машине и так постоянно подключены 3 адаптера, но спрятаны они под колодкой предохранителей. А пассажиры пользуются адаптером, который втыкается в разъём в пепельнице, что мне не очень удобно, так как его постоянно задеваю при переключении передач. После дня пути обычно у пассажиров разрежаются все устройства и начинается возня с зарядками мобильников. Приходится даже свой навигатор отключать, чтобы зарядить чьё нибудь устройство. Можно было сделать, как делают многие, покупают колодку на несколько адаптеров и сопли проводов тянутся по всему салону. И так требуется устройство выдающие положенные 5 вольт и мощностью 10А. Много? Прикинем: 4 телефона, потребляют около 1А каждый, планшет порядка 2А, навигатор больше 0,5А видеорегистратор тоже 0,5А и радар-детектор около 0,5А. И того 7, 5 А. В процессе было собранно 3 преобразователя, но не один не мог выдерживать и 3А продолжительное время. Один так вообще загорелся.
Нормально заработала только эта схема, взятая с сайта РадиоКот www.radiokot.ru/circuit/power/converter/11/ автор которой Поляников Игорь (OldPol).
Так же на этой странице подробное описание процесса изготовления DC/DC преобразователя. Я не стал слепо копировать, перечертил схему устройства в DipTrace и сам развёл плату.
Схема преобразователя DC/DC на MC34063
Да, моя плата далека от идеала, умение разводить плату сравнимо с талантом. Полевик с диодом расположил так, чтобы можно было прицепить практически любой радиатор, сделав плату чуть длиннее, а крепёж уже по месту. Специально подгонять плату под корпус не стал в виду отсутствия такового. Нет принципиальной важности, использовать именно те детали, что использовал Игорь. У меня почти всё нашлось в первом раскуроченном блоке питания от компьютера. Не поспешил бы я выбросить сам корпус от БП можно было схему уместить в нём.
Для изготовления устройства понадобилось:
1. Конденсатор керамический С1 470 пФ (1шт)
2. Конденсатор электролитический С3,С5,С6 1000 мкФ, 16В (3шт)
3. Конденсатор электролитический С2 100 мкФ, 16В (1шт)
4. Конденсатор электролитический С4 470 мкФ, 25В лучше 50В(1шт)
5. Индуктивности DR1, DR2 типа гантелька (2шт)
6. Трансформатор импульсный DR3 кольцевой (1шт)
7. Индуктивность типа пенёк DR4 (1шт)
8. Винтовой клемник J1 (1шт)
9. Резистор R1 1,2 кОм (1шт)
10. Резистор R2 3,6 кОм (1шт)
11. Резистор R3 5,6 кОм (1шт)
12. Резистор R4 2,2 кОм (1шт)
13. Резистор R5 2,2 кОм или 1 кОм на 1ват (1шт)
14. Микроконтроллер U1 MC34063
15. Диод VD1, VD3 FR155 (2шт)
16. Диод VD2 SBL25L25CT (1шт)
17. Транзистор биполярный VT1 2SC1846 (1шт)
18. Полевой транзистор IRL3302 (1шт)
19. Панелька DIP8 (1шт)
20. Корпус по произвольным размерам
Основные компоненты: это сама микросхема U1, импульсный трансформатор DR3, мощный N канальный полевик VT2(может быть любым используемый в цепях питания) и диодная сборка VD2. Трансформатор VD3 изготовил из такого же трансформатора с того самого БП. Кольцо из пресспермалоя, желтого цвета. 27мм. Первичную обмотку набил проводом 2мм 22 витка, вторичную обмотку намотал проводом тоньше, 0,55мм 44 витка.
Индуктивности DR1 DR2 типа гантелька взял как есть из БП. Индуктивность типа пенёк DR4 тоже самое. Транзистор и диод разместил на радиаторе от того же БП.
Всё собрал на печатной плате собственной разработки. В ходе лабораторных испытаний пришлось внести изменения в предложенную автором схему. Дело в том что сам автор указывает на то что резистор R5 греется, даже замена на более мощный резистор проблему не решает. В течении часа резистор этот у меня почернел и обуглился. Решил попробовать увеличить сопротивление до 2,2кОм и всё греться он перестал. Транзистор VT1, перестраховался, заменил на более мощный. Трансформатор DR3 тоже сначала не много грелся, перемотал, добавил количество витков в первичную и во вторичную обмотки, стало 30 и 60. Не знаю что там с фронтами открытия полевого транзистора но схема работает нормально, при нагрузке в 2А устройство остаётся холодным. Радиаторы на транзистор и диод можно большие не ставить. Поставил на выходе +5В ферритовое кольцо, для уменьшения помех.
Вот мой первый, рабочий, испытательный прототип.
Испытание на сопротивление 1Ом сопротивление быстро нагрелось сила тока на фото.
И последние, кипятильник на 5В в работе. Смотрите силу тока на фото. Да вот тут уже начали греться транзистор с диодом.
Испытывал свой преобразователь на 5А работал почти весь день так немного тёплый. Потом нашёл старый блок питания от монитора которого уже нет. Плату пустил в разбор, в корпус уместил свою схему. Транзистор и диод расположил на кулере от старого ноутбука. В противоположной стороне коробки просверлил ряд отверстий. Очень даже получилось ничего. Воздух будет прокачиваться через всю схему.
Готовое устройство на установку в автомобиль.
Розетки двойные под USB планирую врезать в одну в переднюю панель вместо кнопки-зглушки и вторую к задним пассажирам в подлокотник передних сидений. Также думаю одинарную розетку в панель передней левой стойки и подвести питание к видеорегистратору который находится у зеркала. По данной схеме можно собрать вообще универсальный блок питания, то есть добавить каскад преобразования из 12В в 19В для питания ноутбука, что планирую в будущем.
