58. Импульсные преобразователи

Линейный стабилизатор сжигает лишнее напряжение (раздел 55). Импульсный не сжигает, а перекладывает энергию порциями: накапливает её в дросселе, пока ключ открыт, и отдаёт в нагрузку, пока закрыт. Отсюда и КПД под девяносто процентов, и способность повышать напряжение, а не только понижать.

Раздел про то, из чего он состоит, как считаются дроссель и конденсатор, почему при малой нагрузке всё меняется и куда уходят оставшиеся десять процентов.

Управляющая часть — ШИМ и защитный интервал — в разделах 57 и 46; ключи — в разделе 52.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
switched-mode power supply (SMPS)	импульсный источник питания
buck / boost / buck-boost	понижающий / повышающий / понижающе-повышающий
topology	топология, схема преобразования
inductor, saturation current	дроссель, ток насыщения
current ripple	пульсации тока
continuous / discontinuous conduction mode	непрерывный / прерывистый режим
synchronous rectification	синхронное выпрямление
equivalent series resistance (ESR)	внутреннее последовательное сопротивление
load transient	скачок нагрузки
compensation, loop stability	коррекция, устойчивость контура
switching node	узел переключения

58.1 Три топологии

Формулы верны только в непрерывном режиме (см. 58.4) и без учёта потерь; реальная скважность чуть больше, и разницу добирает обратная связь.

Классическая понижающе-повышающая схема с одним ключом переворачивает полярность: из 12 В она даёт −5 В. Для положительного выхода от аккумулятора (58.8) берут микросхемы с четырьмя ключами: при высоком входе они работают понижающими, при низком — повышающими.

У повышающего входной ток больше выходного — это следствие сохранения энергии, и его постоянно упускают:

При повышении в шесть раз от входа берётся вшестеро больше тока. Отсюда практический предел топологии: батарея, дорожки и ключ должны выдержать не выходной ток, а входной.

58.2 Дроссель: главная деталь

Дроссель выбирают по двум числам: индуктивности и току насыщения.

Индуктивность задаёт пульсации тока. Общепринятый выбор — пульсации около 30 % от тока нагрузки: меньше — дроссель громоздкий, больше — растут потери и шум.

Для 12 → 5 В, 1 А, 500 кГц: пульсации 300 мА требуют 19,4 мкГн. Из ряда берут 22 мкГн, с ним пульсации получаются 265 мА.

Ток насыщения. Дроссель выбирают не по среднему току, а по пиковому: 1 А + 265 мА / 2 = 1,133 А, плюс запас процентов тридцать на переходные процессы — 1,47 А.

⚠️ Насыщение — это не «чуть хуже». У насыщенного дросселя индуктивность обваливается. Если она упадёт до 30 %, пульсации из 265 мА станут 0,88 А — почти весь ток нагрузки, ключ и дроссель перегреются за секунды. Симптом: преобразователь работает на малой нагрузке и «взрывается» на полной.

58.3 Выходной конденсатор

Пульсации напряжения складываются из двух частей:

С электролитическим конденсатором (200 мОм) только вторая часть дала бы 53 мВ — в пять раз хуже. Поэтому на выходе импульсных преобразователей ставят керамику, а электролит если и остаётся, то как дополнительный запас заряда.

Но выбирают конденсатор не по пульсациям. Решающий случай — скачок нагрузки: пока контур обратной связи среагирует (десятки микросекунд), ток берётся только из конденсатора. Скачок 0,5 А при реакции 20 мкс на 10 мкФ уронит выход на 1 В — в сто раз больше пульсаций. Чтобы удержать просадку в 100 мВ, нужно 100 мкФ.

Отсюда правило: ёмкость считают по допустимой просадке при скачке нагрузки, а пульсации проверяют потом — они получатся сами собой.

Ёмкость керамики — не надпись на ленте. Все числа здесь посчитаны по номиналу, а керамика X5R и X7R под постоянным напряжением теряет ёмкость (167.3): «10 мкФ» на 6,3 В в корпусе 0603 при 5 В — это несколько микрофарад. При 5 мкФ перезаряд и просадка на скачке вырастут вдвое, при 3,3 мкФ — втрое: вместо 1 В — 3 В. Считают по ёмкости с графика производителя при рабочем напряжении, а конденсатор берут на большее напряжение или в корпусе крупнее.

58.4 Прерывистый режим

Пока средний ток больше половины пульсаций, ток в дросселе не прерывается. Граница для нашего примера — 133 мА, то есть 13 % от номинальной нагрузки.

Ниже этой границы ток успевает упасть до нуля в каждом периоде, и преобразователь ведёт себя иначе: скважность перестаёт быть равной отношению напряжений, выход стремится подняться, а контур обратной связи должен это переварить. Хорошие микросхемы просто переходят в пачечный режим — выдают короткие серии импульсов с паузами, экономя ток потребления.

Практический вывод: преобразователь надо проверять и на малой нагрузке, и без неё, а не только на номинальной. Именно там вылезают писк дросселя (частота пачек попадает в слышимый диапазон) и повышенное выходное напряжение.

58.5 Куда уходят потери

Для того же преобразователя 12 → 5 В при 1 А:

Переключение и диод вдвоём дают 88 % всех потерь — и оба лечатся.

Синхронное выпрямление. Заменив диод вторым ключом, получаем вместо 0,233 Вт всего 17 мВт: КПД поднимается до 94,0 %, прибавка 3,7 процентного пункта. Ровно ради этого во всех современных микросхемах второй ключ встроен. Цена — необходимость защитного интервала (раздел 57.6) и риск сквозного тока.

Потери переключения уменьшают быстрым драйвером затвора (раздел 52.3) и разумной частотой.

58.6 Частота: за что платим

Индуктивность обратно пропорциональна частоте:

Между 100 кГц и 2 МГц — двадцатикратная разница по индуктивности, то есть по размеру и цене дросселя. Соблазн поднять частоту очевиден.

Но потери переключения растут прямо пропорционально: на 2 МГц они составят 0,96 Вт — почти 20 % выходной мощности, втрое больше всех остальных потерь вместе. Плюс сложнее разводка и шире спектр помех.

Разумный диапазон для питания микроконтроллерных плат — сотни килогерц. Мегагерцы берут там, где место дороже КПД.

58.7 Разводка: почему схема работает не всегда

Импульсный преобразователь — единственная часть платы, где разводка влияет на работоспособность, а не только на помехи.

Главный контур — путь, по которому ток меняется скачком: вход, ключ, диод (или второй ключ), выходной конденсатор. Его площадь надо делать минимальной: каждый лишний сантиметр — это индуктивность, а на ней при скачке тока возникает выброс напряжения (раздел 51.2).

Практические правила:

• входной конденсатор — вплотную к ключу, не «где-то рядом с микросхемой»;
• узел переключения (точка «ключ — дроссель — диод») делают компактным: на нём максимальный размах напряжения и он излучает;
• цепь обратной связи ведут подальше от узла переключения и от дросселя;
• земля — сплошным слоем, силовая и сигнальная соединяются в одной точке у микросхемы;
• дроссель экранированного типа, если рядом есть аналоговые цепи.

Симптом плохой разводки: работает при малом токе, свистит или перезагружается при большом; выход «дребезжит» при подключении осциллографа.

58.8 Что выбрать для платы с микроконтроллером

И общий совет: не проектируйте преобразователь с нуля, если можно взять готовую микросхему. Производитель уже посчитал коррекцию контура, защиту и режимы малой нагрузки; ваша задача — дроссель, конденсаторы и разводка по рекомендованной схеме. Полностью свой преобразователь имеет смысл там, где готового нет: нестандартные напряжения, специальные требования, управление от микроконтроллера напрямую (раздел 46.3).

58.9 Грабли

Работает на холостом ходу, греется под нагрузкой. Дроссель входит в насыщение: пиковый ток выше паспортного.

Дроссель свистит. Прерывистый или пачечный режим на малой нагрузке — частота пачек попадает в слышимый диапазон. Иногда лечится минимальной нагрузкой, иногда так и задумано.

Выход просаживается при включении нагрузки. Мала выходная ёмкость: считать по скачку, а не по пульсациям.

Выходное напряжение выше номинала без нагрузки. Прерывистый режим.

Шум в АЦП. Помеха на частоте преобразования: фильтр после преобразователя, отдельный линейный стабилизатор для аналоговой части, разводка.

Преобразователь перезагружается при подключении осциллографа. Земляной провод щупа образует петлю в главном контуре — мерить надо пружинкой вместо «крокодила».

Всё посчитано верно, а КПД низкий. Диод вместо синхронного выпрямления: 43 % потерь.

На 2 МГц получилось хуже, чем на 500 кГц. Потери переключения растут пропорционально частоте.

58.10 Итоги

• Скважность задаётся отношением напряжений; у повышающего входной ток больше выходного — при повышении в шесть раз вшестеро.
• Дроссель считают по пульсациям (30 % от тока нагрузки) и выбирают по пиковому току с запасом: 19,4 мкГн и 1,47 А для нашего примера.
• Насыщение обваливает индуктивность: пульсации 265 мА превращаются в 0,88 А.
• Выходную ёмкость считают по просадке при скачке нагрузки (1 В на 10 мкФ), а не по пульсациям (9,3 мВ) — и по реальной ёмкости керамики при рабочем напряжении, а не по номиналу.
• Ниже 13 % нагрузки режим становится прерывистым, и простые формулы перестают работать: проверять надо и на малом токе.
• Потери: переключение 45 %, диод 43 %; синхронное выпрямление даёт +3,7 процентного пункта КПД.
• Частота и размер дросселя обратно пропорциональны, но потери переключения растут пропорционально частоте.
• Разводка главного контура влияет на работоспособность, а не только на помехи.

Дальше: раздел 59 «Цифровая логика: вентили и законы алгебры логики» — от аналоговой части к цифровой, из которой сделан сам микроконтроллер.