Як отримати потрібну напругу для живлення електроніки в автомобілі та автономних системах

Вимоги до джерел живлення для автомобільних застосувань можуть бути складними. Конструкції можуть мати нестандартні обмеження, зумовлені особливостями автомобільного середовища, і вимагати великої кількості вихідних напруг. Вибирати відповідний понижуючий DC/DC перетворювач для автомобільних застосувань може бути непросто, якщо враховувати всі вимоги, які необхідно виконати.

Традиційні рішення та їхні переваги

Щоб отримати стабілізовану напругу 5 або 12 В, джерело живлення DC/DC повинно мати можливість підвищувати напругу акумулятора до рівня від 3 В під час запуску двигуна та знижувати напругу акумулятора, коли вона перевищує необхідну вихідну напругу.

На рисунках 1–4 показані спрощені силові архітектури традиційних рішень. Для спрощення представлення на цих рисунках як випрямлячі використовуються діоди, однак для підвищення ефективності перетворення потужності їх можна замінити силовими польовими транзисторами метал-оксид-напівпровідник (MOSFET).

Які функції виконують DC-DC-перетворювачі

Залежно від моделі DC-DC-перетворювачі можуть виконувати такі функції:

• коригувальну – змінювати напругу відповідно до вимог підключеної техніки, наприклад знижувати напругу 12 В, яка надходить від батареї, до 5 В;
• стабілізувальну – підтримувати стабільну напругу при коливаннях вхідної. Це особливо необхідно для критично важливого навантаження;
• розв’язувальну – забезпечувати гальванічну розв’язку для нейтралізації перешкод, некоректної напруги;
• захисну – захищати лінію від перевантажень, короткого замикання, перегріву, небезпечної напруги.

Три основні типи перетворювачів

Існує три базові неізольовані типи DC-DC-перетворювачів, які відрізняються способом увімкнення ключа та дроселя.

Понижувальний перетворювач (Buck Converter) — найбільш поширений тип, який знижує вхідну напругу. Ключ розташований до дроселя. Він порціями «пропускає» напругу на дросель, який згладжує ці імпульси, і в результаті на виході отримується напруга, нижча за вхідну. Такі перетворювачі застосовуються для отримання 5, 3,3 і 1,8 В для живлення процесорів і мікросхем від вищої напруги, наприклад 12 або 24 В.

Підвищувальний перетворювач (Boost Converter), навпаки, підвищує вхідну напругу. Дросель розташований до ключа. Спочатку він накопичує енергію від джерела, а в момент розмикання ключа ця енергія підсумовується з напругою джерела, створюючи на виході напругу, вищу за вхідну. Такий тип перетворювачів застосовується для отримання 12 або 24 В від однієї літій-іонної батареї (3,7 В), а також для живлення світлодіодних стрічок.

Інвертувальний перетворювач (Buck-Boost Converter) здатний інвертувати полярність напруги, створюючи на виході негативну напругу з позитивної. Схема увімкнення влаштована таким чином, що накопичена в дроселі енергія віддає заряд у навантаження зі зворотною полярністю. Такі перетворювачі застосовуються для створення двополярного живлення операційних підсилювачів та іншої аналогової техніки з однополярного джерела.

Існують також ізольовані DC-DC-перетворювачі, у яких використовується трансформатор для гальванічної розв’язки входу та виходу. Вони необхідні в медицині, на транспорті та в інших сферах, де потрібен максимальний рівень безпеки.

Отримання потрібної напруги для живлення електроніки в автомобілі та автономних системах потребує врахування особливостей джерела живлення, характеристик навантаження та можливих змін вхідної напруги. DC-DC-перетворювач дає змогу адаптувати напругу джерела до вимог конкретного електронного пристрою, одночасно забезпечуючи її стабілізацію та захист.