A DC/DC konverterek napjaink akkumulátoros táplálású mikrovezérlős eszközeinek elengedhetetlen alapelemei, hiszen ezek áramkörei gyakorta különböző tápfeszültséget igényelnek, de helyhiány miatt általában nincs lehetőség többfajta feszültségszint alkalmazására.

A megoldás a különféle DC/DC átalakítók használata lehet, melyek segítségével akár az akku feszültségnél kisebb vagy nagyobb tápfeszültség is nyerhető. A kimenet általában szabályozott, mely nagyon előnyös, amikor az akkufeszültség a tárolt energia elvesztésekor csökkenni kezd. Azokat a DC/DC átalakítókat, melyek a bemeneti feszültségnél kisebb kimeneti feszültséggel rendelkeznek, „step-down” vagy „buck” konvertereknek, a nagyobb feszültséget előállító verziókat pedig „step-up” vagy „boost” konvertereknek hívjuk.

Működési elv

A bemeneti feszültségtől eltérő értékű feszültségeket többféle módon is előállíthatunk, feszültségosztókkal, lineáris feszültségszabályozókkal, de ezek a megoldások egyrészt a bemeneti feszültségnél kisebb érték előállítására alkalmasok, másrészt hatásfokuk is alacsony, hiszen a „felesleges” energiát hő formájában disszipálják. Így még külön problémaként jelentkezik a hő elvezetésének kérdése. Sokkal „gazdaságosabb” a kapcsolóüzemű DC/DC átalakítók használata, melyek az energiát ideiglenesen mágneses vagy elektromos térben tárolva, és azt a megfelelő időben felszabadítva, a kimeneten a bemenettől eltérő feszültséget állítanak elő. A hatásfok jelentősen nagyobb, ami az akku élettartamának növekedéséhez vezet.

Step down – a Buck konverter

A bemeneti feszültségnél (Vin) a kimeneten alacsonyabb feszültséget (Vout) előállító DC/DC konvertereket „step-down” vagy „buck” konvertereknek nevezi a szakirodalom. A működési elvük az első ábrán látható ideális áramkör segítségével értelmezhető. Az áramköri képen látható kapcsoló reprezentálja azt a komponenst, ami az akku folyamatos le- és visszakapcsolásáról gondoskodik, és ami valójában egy MOSFET vagy egy IGBT.

Az induktivitás az energia tárolására szolgál, a telep bekapcsolása utáni tranziens a mágneses mező felépülése folytán feszültségesést indukál, mely a terhelésre jutó feszültséget csökkenti. Ha a kapcsoló a tér felépülésének befejeződése előtt újra kinyit, a kimenetre jutó feszültség folyamatosan a telep feszültsége alatt marad.

Buck konverter

Ebben a pillanatban a flyback dióda kinyit, újra zárt áramkör jön létre, és az induktivitás mágneses terében tárolt energia újra elektromos energiává alakul, és áramot hajt át a terhelésen. Addig, amíg a kikapcsolt állapot rövidebb, mint a tekercs mágneses mezejének leépülési ideje, a terhelésen az induktivitás folyamatos áramot hajt át, a kimeneti feszültség átlagértéke pedig a bemeneti feszültség értéke alatt marad. A párhuzamosan kapcsolt kondenzátor a kapcsolgatás miatti folyamatos fluktuáció keltette ripple feszültség simítására szolgál.

Stepup – a Boost konverter

A bemeneti feszültségnél (Vin) a kimeneten magasabb feszültséget (Vout) előállító DC/DC konvertereket „step-up” vagy „boost” konvertereknek nevezi a szakirodalom.

Boost konverter

Amikor a kapcsoló bekapcsolt állapotban van, az induktivitás elkezd töltődni, mágneses tere felépül, miközben a terhelésre jutó feszültség nulla. A kapcsoló nyitásakor a tekercsben tárolt mágneses energia ismét elektromos energiává alakul, és az akku mellett másodlagos feszültségforrásként táplálja az áramkört, a diódán keresztül a telep feszültségénél nagyobb feszültséggel kezdik el táplálni a terhelést és tölteni a kimeneti kondenzátort. Amikor a kapcsoló ismét kikapcsol, a kondenzátor elkezd kisülni. Ha a kapcsolgatás elég gyors ahhoz, hogy a kondenzátor ne süljön teljesen ki a következő ciklus előtt, akkor a terhelésre jutó feszültség értéke mindig a bemeneti feszültség felett marad.

A Buck-Boost konverter

A két konverter kapcsolás kombinálásával olyan szabályozó áramkört lehet előállítani, amely a bemeneti feszültségek széles skáláját képes kezelni, akár magasabb, akár alacsonyabb értéket, mint az ellátandó áramkör számára kellő feszültségszint. Szerencsére mind a buck, mind a boost konverter nagyon hasonló alkatrészeket használ; így csak át kell „kapcsolni” őket, a bemeneti feszültség szintjétől függően.

Buck-Boost konverter

Az ábrán a buck és a boost konverter közös alkotóelemeinek kombinációját láthatjuk. Szükséges hozzá továbbá ez vezérlőegység, amely érzékeli a bemeneti feszültség szintjét, majd kiválasztja a megfelelő áramköri kapcsolást. A példa áramkörben a tranzisztorok MOSFET-ek, a diódák pedig un. Schottky típusok, amelyek alacsony nyitóirányú feszültséggel, és magas kapcsolási sebességgel rendelkeznek.

Gyakorlati megoldások

A fenti áramköröket az Adafruit cég paneljaival könnyen meg tudjuk valósítani:

1. PowerBoost 500Charger – Rechargeable 5V Lipo USB Boost @ 500mA+

Adafruit PowerBoost 500

A panel egy boost áramkör és egy akkutöltő kombinációja, ami a bemeneten lévő 3.7V-os LiIon/LiPoly akkumulátor feszültségét alakítja a kimeneten 5.2V-ra, ez az összes 5V-os projekt táplálására tökéletes. A minimális feszültség „többlet” az esetleg bekövetkező feszültség esést hivatott kompenzálni, ami az esetleges kis keresztmetszetű, vagy hosszú kábel következtében állhat elő. A panel központi eleme egy TPS61090 boost konverter chip a TI-től. Az áramkör 700kHz-es kapcsolófrekvenciával dolgozik, hatásfoka 90% felett van. Kiegészítő szolgáltatás a 3.2V alatt bekapcsoló, alacsony töltöttséget jelző led.

Az áramkör az alkalmazott akkumulátor kapacitásának függvényében 500mA – 1000mA közötti áram leadására alkalmas.

További információk: https://www.adafruit.com/product/1944

2. PowerBoost 1000Charger – Rechargeable 5V Lipo USB Boost @ 1A – 1000C

Adafruit PowerBoost 1000

A panel egy boost áramkör és egy akkutöltő kombinációja, ami a bemeneten lévő 3.7V-os LiIon/LiPoly akkumulátor feszültségét alakítja a kimeneten 5.2V-ra, ez az összes 5V-os projekt táplálására tökéletes.

A PowerBoost 1000 panel az előző típusban ismertetett TPS61090-re épül, „tudása” azonos az 500-as panelével, de nagyobb áramerősséget biztosít a táplált áramkör számára.

További információk: https://www.adafruit.com/product/2465

3. PowerBoost 500 Basic – 5V USB Boost @ 500mA from 1.8V+

Adafruit PowerBoost 500 Basic

A PowerBoost 500 egy alap boost konverter, ami már 1.8V feszültségtől 500mA áramot, és 5.2V feszültséget biztosít a kimeneten. Nem tartalmaz akkumulátortöltő áramkört, központi eleme a TI TPS61090-es chip-je. Kisebb teljesítménye mellett egyéb paraméterei (hatásfok, akku merülést jelző led, kivezetések) megegyeznek a nagyobb teljesítményű változatéval!

További információk: https://www.adafruit.com/product/1903

4. VERTER 5V USB Buck-Boost (500mA 3V-5V / 1000ma 5V-12V)

VERTER 5V USB Buck-Boost

A Buck-Boost konverter modul 3 – 12V közötti bemeneti feszültségtartományból állítja elő a kimeneti 5V-os feszültségszintet. Az áramkör alkalmazása olyan esetekben indokolt, amikor a bemeneti szint nem állandó, hanem adott határok között ingadozó érték. A használat során figyelembe kell venni, hogy az áramkör két működési működési tartományban dolgozik, a 3 – 5V-os sávban 500mA-es, az 5 – 12V-os tartományban 1000mA-es terhelhetőséggel! További alkalmazási szempont, hogy az áramkör, a felhasznált chip paramétereinek következtében ideálisabban használható buck konverterként, mint boost konverternek. Ha a táplált áramkör áramfelvétele 500mA körüli, a feszültségszint leeshet 4.8V-ra. Ez az érték még belefér az USB szabvány által adott sávba, de nem tekinthető ideális feszültségszintnek.

Amennyiben alkalmazásunkban csak a boost funkciót alkalmazzuk, ideálisabb egy erre a célra dedikált áramkör!

A VERTER áramkör központi eleme egy TPS63060 TI chip, ami kiváló hatásfokkal, és 2.2MHz-es kapcsoló frekvenciával üzemel.

További információk: https://www.adafruit.com/product/2190

A cikkben bemutatott panelok megvásárolhatóak a MálnaPC Webshopjában:

Adafruit 1944

Adafruit 2465

Adafruit 2190