Курс силовой электроники с QSPICE, выпуск 19: собираем простой повышающий преобразователь

От схемы до испытаний: преобразователь на MOSFET IRL540 и микроконтроллере PIC16F628A поднимает 12 В от свинцового аккумулятора примерно до 90 В при частоте 10 кГц. В статье разобраны таблица зависимости выхода от коэффициента заполнения, выбор дросселя, разводка платы и порядок сборки.

В предыдущих выпусках курса мы разбирали, как работает повышающий преобразователь, и исследовали его режимы работы в расчётах QSPICE. В этой статье подход будет куда более практическим: мы соберём простой работающий повышающий преобразователь, пройдя путь от схемы до итоговых испытаний. Цель не только понять принцип работы, но и столкнуться с практическими трудностями сборки импульсного преобразователя, поэтому речь пойдёт о размещении элементов, разводке печатной платы, монтаже и опытных измерениях.

Импульсные преобразователи сегодня практически везде: в промышленных источниках питания, переносных устройствах, автомобильной технике, возобновляемой энергетике и встраиваемых системах. Сборка небольшого повышающего преобразователя помогает понять настоящие трудности, связанные с высокочастотным переключением, путями тока, пульсациями и управлением энергией.

Как мы показывали в предыдущей статье курса, повышающий преобразователь удобен тем, что позволяет получить выходное напряжение выше входного. В нашем примере схема питается постоянным напряжением 12 В от свинцового аккумулятора. Основа преобразователя — дроссель, который запасает энергию, пока ключ открыт, и затем отдаёт её нагрузке. Конденсатор уменьшает пульсации на выходе, а MOSFET служит электронным ключом, управляемым широтно-импульсным сигналом от блока управления — в нашем случае от микроконтроллера.

Схема

В схеме применены свинцовый аккумулятор (его можно заменить трансформатором с выпрямителем и сглаживающим фильтром), силовой MOSFET с управлением затвором от логического сигнала, быстрый диод, дроссель, фильтрующий конденсатор, нагрузка, модуль индикации и микроконтроллер, который выдаёт широтно-импульсный сигнал и прочие команды.

Схема работает в режиме повышения, а MOSFET управляется широтно-импульсным сигналом с меняющимся коэффициентом заполнения. Пока он открыт, дроссель запасает энергию, а диод закрыт; в этот момент нагрузку питает конденсатор C1. Когда MOSFET закрывается, дроссель отдаёт запасённую энергию через диод на выход, и выходное напряжение превышает входное.

Управление коэффициентом заполнения — основа работы системы: меняя отношение времени открытого состояния к длительности периода, можно прямо задавать выходное напряжение.

Сопротивление открытого канала у MOSFET должно быть достаточно малым; при необходимости можно соединить два транзистора параллельно. В этом проекте выбран IRL540, потому что его затвором можно управлять напряжением 5 В и он хорошо подходит для работы с микроконтроллером, а сопротивление открытого канала у него довольно мало — около 0,077 Ом.

Стабилизатор 7805 даёт устойчивое напряжение 5 В для микроконтроллера PIC; на его вход и выход рекомендуется поставить по конденсатору 100 нФ. Микроконтроллер управляет затвором MOSFET широтно-импульсным сигналом и считывает состояние кнопок, чтобы менять коэффициент заполнения. Что касается электролитического конденсатора, то чем он больше, тем меньше пульсации, но тем медленнее отклик на изменения.

Повышающий преобразователь работает за счёт быстрого переключения MOSFET широтно-импульсным сигналом от микроконтроллера PIC. Отношение выходного напряжения к входному определяется коэффициентом заполнения, который лежит в пределах от 0 до 1: чем он больше, тем выше выходное напряжение. Кроме того, выходное напряжение зависит и от других условий — частоты переключения и нагрузки.

Измерения показывают, что с ростом коэффициента заполнения выходное напряжение постепенно растёт, следуя теоретической зависимости. Вот теоретические и расчётные значения выходного напряжения в вольтах при разных коэффициентах заполнения в процентах: 5% — 12,63 и 12,00; 10% — 13,33 и 12,84; 15% — 14,12 и 13,66; 20% — 15,00 и 14,60; 25% — 16,00 и 15,66; 30% — 17,14 и 16,88; 35% — 18,46 и 18,30; 40% — 20,00 и 19,96; 45% — 21,81 и 21,94; 50% — 24,00 и 24,33; 55% — 26,67 и 27,23; 60% — 30,00 и 30,94; 65% — 34,28 и 35,63; 70% — 40,00 и 42,11; 75% — 48,00 и 50,87; 80% — 60,00 и 64,28; 85% — 80,00 и 84,54; 90% — 120,00 и 99,36; 95% — 240,00 и 99,32; 100% — бесконечность и 19,70.

При малых и средних коэффициентах заполнения расчётные значения близки к теоретическим, что говорит о правильной и эффективной работе схемы. Заметьте, что примерно до 70–80% разница между теоретическим и действительным напряжением остаётся довольно небольшой: преобразователь по-прежнему успешно передаёт энергию со входа на выход.

Однако при очень больших коэффициентах заполнения расхождения становятся всё заметнее. Например, при 90% теоретическое значение должно было бы дойти примерно до 120 В, а расчёт останавливается около 99 В. При 95%, и особенно при 100%, теоретическое поведение уже не наблюдается вовсе. Причина в том, что идеальная теоретическая модель не учитывает потерь в схеме и, что важнее, дроссель уже не способен передавать энергию. Преобразователь перестаёт работать как положено, и напряжение резко падает вместо того, чтобы теоретически стремиться к бесконечности.

На графике выходного напряжения в зависимости от коэффициента заполнения теоретическая и расчётная кривые при малых и средних значениях почти совпадают: преобразователь работает очень близко к идеальной модели, и влияние потерь невелико. Выше примерно 80–85% преобразователь переходит в критический режим, и потери становятся весьма значительными.

Дроссель

Дроссель можно взять готовый или намотать самому. В продаже есть экранированные дроссели для силовой электроники, рассчитанные на малые потери и ограничение электромагнитных помех. С технической точки зрения это лучшее решение: высокий КПД, меньше помех, выше надёжность, — но стоить они могут довольно дорого.

Для опытов дроссель можно изготовить вручную на простом цилиндрическом пластмассовом основании или на тороидальном ферритовом сердечнике: достаточно намотать эмалированный медный провод до нужной индуктивности. Ферритовый или тороидальный сердечник собирает магнитное поле, повышая КПД и уменьшая рассеяние магнитного потока.

Выбор дросселя сильно зависит от частоты переключения преобразователя, нужного нагрузке тока и желаемой величины пульсаций тока.

Микроконтроллер

Программа реализует цифровое управление повышающим преобразователем на микроконтроллере PIC16F628A. Она формирует программный широтно-импульсный сигнал, управляющий MOSFET силового каскада, и тем задаёт выходное напряжение преобразователя.

Коэффициент заполнения меняется двумя кнопками: одна увеличивает значение, другая уменьшает. Изменение коэффициента заполнения меняет время открытого состояния MOSFET и, соответственно, количество энергии, передаваемой дросселем нагрузке.

В программе есть и простая защита: ограничение наименьшего и наибольшего коэффициента заполнения. Предусмотрена также небольшая задержка при опросе кнопок, чтобы избежать слишком быстрого переключения и дребезга контактов. Исходный текст написан на языке Great Cow Basic, вместе с ним в исходной статье приводится и готовый файл прошивки.

Печатная плата

Один из важнейших вопросов при сборке импульсного преобразователя — разводка печатной платы. В отличие от низкочастотных аналоговых схем, здесь пути тока должны быть как можно короче и компактнее. MOSFET, диод и дроссель нужно размещать очень близко друг к другу, для больших токов делать широкие дорожки, а выходной конденсатор ставить рядом с нагрузкой. Быстрое переключение создаёт электромагнитные помехи и нежелательные выбросы напряжения, поэтому силовые дорожки нужно отделять от дорожек управления. Неправильная разводка способна испортить работу даже при верной схеме.

Впрочем, плата в этом примере не профессиональная: она сделана вручную, вместе с ручной разводкой элементов. Невысокая рабочая частота схемы — 10 кГц — позволяет обойтись таким некритичным, но работающим исполнением.

Сборка, пайка и монтаж

Собирать нужно в определённом порядке: начать с самых низких элементов, затем установить MOSFET, дроссель, электролитические конденсаторы и силовые клеммы. Паяные соединения должны быть чистыми, без замыканий между соседними дорожками. Силовому MOSFET рекомендуется поставить небольшой радиатор. Для первых испытаний лучше взять лабораторный источник питания со стабилизацией.

Испытания

При простом управлении широтно-импульсным сигналом на 10 кГц с меняющимся коэффициентом заполнения преобразователь поднимает 12 В примерно до 90 В.

Испытывать нужно постепенно. Первая проверка — отсутствие замыканий и правильная установка элементов. Затем следует подать на схему пониженное напряжение и убедиться осциллографом, что широтно-импульсный сигнал формируется правильно. Полученные в QSPICE осциллограммы полезно сравнить с действительным поведением схемы. В ходе испытаний нормально видеть небольшие пульсации и переходные процессы, особенно при изменении коэффициента заполнения кнопками.

Перечень элементов

C1 — электролитический конденсатор 1000 мкФ; D1 — быстрый диод; J1 — разъём для аккумулятора; J2 — разъём выхода напряжения; J3 — разъём модуля вольтметра; J4 — разъём кнопки увеличения коэффициента заполнения; J5 — разъём кнопки уменьшения; L1 — дроссель; Q1 — MOSFET IRL540; R1 — резистор 220 Ом; R2 и R3 — резисторы 10 кОм; R4 — проволочная перемычка; U1 — стабилизатор 7805; U2 — микроконтроллер PIC16F628A в панельке; две кнопки без фиксации и модуль вольтметра.

Схема, которую можно собрать

Этой практической работой мы превратили повышающий преобразователь из теоретической схемы в устройство, которое действительно можно собрать. Проект наглядно показывает, как поднять напряжение одной схемой преобразования. Расчёты в QSPICE весьма полезны, чтобы предсказать поведение преобразователя до сборки, сократить время разработки и избежать ошибок проектирования; так поступают во всех отраслях.

Простой повышающий преобразователь — хорошая возможность понять, как работают современные импульсные источники питания. Заметьте, что печатная плата не оптимизирована, поскольку разводилась вручную. Выходное напряжение без нагрузки, разумеется, будет выше, чем под нагрузкой. Небольшими изменениями по этому же методу можно собрать и понижающий преобразователь.