Насправді, в наші дні режим розривних струмів мало не більш корисний, ніж режим нерозривних. У режимі розривних струмів перетворювач працює тоді, коли його навантаження мала, а з огляду на, що більшість сучасних контролерів і інших мікросхем мають дуже низьким енергоспоживанням, перетворювач, призначений для них, швидше за все буде працювати саме в режимі, який служить темою цієї статті - в іншому випадку для нього буде потрібно або індуктивність неймовірних розмірів, або частота в районі мегагерц, що не особливо зручно.
Отже, герой статті - безтрансформаторний підвищує перетворювач, що працює на малу навантаження:
Як вже говорилося, проектувати перетворювач для роботи в DCM доводиться в основному через обмеження нашого неідеального світу. Тому припустимо, що у нас ніяк не виходить поставити котушку індуктивністю більше 150 мкГн, частоту ну ніяк не підняти вище 10 кГц, а живити від трехвольтовой батареї нам треба двенадцатівольтових навантаження, яка споживає 90 мА, тобто, всього близько Ватта потужності. Бажаючі можуть самостійно (наприклад, за методикою з попередньої статті) переконатися, що такого перетворювача судилося працювати в режимі розривних струмів. Отже, при заданих параметрах навантаження і обраної індуктивності нам треба розрахувати коефіцієнт заповнення керуючого сигналу відомої частоти.
На відміну від CCM, цикл роботи в DCM складається з трьох частин:
У першій частині транзистор відкритий, струм в котушці зростає, енергія запасається. У другій частині транзистор закритий, струм в котушці падає, енергія передається в конденсатор і навантаження. У третій частині транзистор закритий, вся енергія в котушці скінчилася, не відбувається нічого.
Головна ідея розрахунку каскаду в DCM полягає в тому, що енергії, запасеної в котушці в фазі накопичення (коли ключ відкритий), навантаженні має вистачити на весь період. Власне, перш за все треба зрозуміти, а скільки енергії треба. Для цього порахуємо потужність навантаження, перемноживши ток на напругу. У нас виходить 12 * 0.09 = 1.08 Вт. Ватт - це Джоуль в секунду. Тобто, нам треба розрахувати параметри тактирования так, щоб за секунду в навантаження передавалося 1.08 Джоуля.
У фазі 1 ток в котушці зростає і енергія накопичується. Тут рівняння залежності струму від часу випливає з основного рівняння для котушки і має дуже простий вигляд:
Енергія, запасені в котушці, визначається по знайомій зі школи формулою:
Поєднуючи ці формули, можна отримати вираз для енергії, запасеної в котушці до певного моменту часу після замикання ключа:
Ця формула, звичайно, справедлива тільки якщо початковий струм котушки дорівнює нулю, і в DCM це саме так.
Зрозуміло, нас тут цікавить енергія в котушці до кінця фази 1. Тривалість фази 1 можна виразити, помноживши коефіцієнт заповнення на період керуючого сигналу, або, що те ж саме, поділивши його на частоту:
Як вже говорилося, потужність навантаження - це кількість енергії (в Джоулях), переданих в навантаження за секунду. Порцію енергії, що передається в навантаження за один період, ми тільки що отримали. Всього таких порцій в секунді буде стільки, скільки в ній періодів сигналу, що управляє. А кількість періодів в секунду - це частота. Тобто, потужність, що віддається в навантаження, дорівнює
Тепер можна поєднати всі рівняння і при відомій цільової потужності навантаження висловити залежність коефіцієнта заповнення від всього іншого:
Ось так, з квадратами і корінням. Підставляючи в отриману формулу числа, наведені в самому початку (150 мкГн, 10 кГц, 3 В на вході / 12 В на виході, струм навантаження 90 мА) отримуємо розрахунковий коефіцієнт заповнення 60%. пробуємо:
І бачимо приголомшливе збіг. Я навіть не очікував.
Як випливає з рівнянь вище, перетворювач в DCM - такий пристрій, який буде всіма силами намагатися підтримати в навантаженні постійну потужність. Якщо опір навантаження збільшити - напруга зросте. Якщо зменшити - впаде. Очевидно. потрібна стабілізація. З огляду на міцний вид формули, влаштовувати тут ШІМ якось не хочеться, тому зазвичай надходять по-іншому: перетворювач проектується так, щоб при постійній роботі він видавав у навантаження максимальну потужність (а краще з запасом); при цьому, якщо максимальна потужність в якомусь режимі не потрібна, силова частина просто періодично вимикається повністю. Широтно-імпульсна модуляція сигналу в цьому випадку не використовується - коефіцієнт заповнення завжди однаковий і розрахований на максимальне навантаження. Наприклад, давайте зробимо з уже розрахованого перетворювач з вихідним напругою 10 В, для чого введемо зворотний зв'язок:
Стабілітрон D3 має напруга стабілізації дев'ять з невеликим вольт, з урахуванням напруги база-емітер Q2 виходить приблизно 10 В. Якщо навантаження перетворювача буде мала, напруга на виході перевищить це значення, через D3 потече струм, транзистор Q2 відкриється, замкне затвор ключового транзистора на землю і тим самим відключить перетворювач. Коли ви будете витрачати енергії, запасеної в конденсаторі, вихідна напруга буде падати. Коли воно впаде нижче напруги стабілізації, D3 і Q2 закриються, перетворювач почне працювати і підкачає в конденсатор і навантаження ще енергії, після чого напруга на виході виросте і процес повториться - на графіку струму, наведеному вище, ясно видно періоди вимикання перетворювача. Очевидно, що до тих пір, поки потужність навантаження не перевищує тієї потужності, яку перетворювач здатний віддати, працюючи постійно, вихідна напруга буде визначатися виключно зворотним зв'язком. Можна ставити будь-стабілітрон і довільно регулювати напругу на виході.
Головним достоїнством DCM є можливість зібрати перетворювач з того, що є під рукою. Проте, недоліки у нього теж є.
По-перше, підвищений струм ключа - видно, що вже при струмі навантаження в 90 мА піковий струм становить понад ампера. Виникають проблеми з вибором ключа і винятком насичення котушки.
По-друге, пульсації вихідної напруги в DCM істотно вище, ніж в CCM. Цьому сприяє як то, що в цьому режимі навантаження більшу частину часу харчується виключно від конденсатора, так і принцип стабілізації напруги включенням / виключенням силового каскаду. Так що в деяких випадках може виникнути необхідність установки додаткового лінійного стабілізатора.
Тому людство намагається використовувати CCM і проектує перетворювачі, що працюють на мегагерцових частотах. аби не переходити в DCM. Проте, якщо потужність навантаження така, що конденсаторний помножувач вже нездатний забезпечити її, а й побудова CCM-перетворювача все ще представляє складність, то DCM - єдиний вибір. Ну, за винятком трансформаторних топологій. 🙂
На закінчення слід зазначити, що запропонована методика дає дещо завищені результати (близько 30%). З огляду на принцип регулювання такого перетворювача, це не баг, а фіча. Щоб отримати «чесні», теоретично оптимальні цифри, замість вихідної напруги на навантаженні треба підставляти напруга самоіндукції - тобто, якщо з трьох вольт ми хочемо отримати 12, підставляти треба 9. Сенс в цьому наступний: ми чесно розраховуємо, скільки енергії котушка повинна додати до енергії джерела в ході передачі потужності в навантаження. В цьому випадку цифра виходить теоретично оптимальна, але відрізняється від реальності приблизно на 10% в меншу сторону. Ігнорування цієї ідеї в розрахунку вище дає деякий запас по потужності, який покликаний покривати різноманітні неідеальної, що, як видно з симуляції, з успіхом і відбувається.
До слова, в сенсі теоретичної оптимальності наведений розрахунок справедливий для инвертирующего перетворювача, оскільки в ньому ЕРС самоіндукції котушки не складається зі вхідною напругою і вся потужність в навантаженні є виключно потужністю, що запасається в котушці.