Инвертор питания к ноутбуку для грузового автомобиля 24...28В / 19В 10А.

Автор: Провада Юрий Петрович aka Simurg
Опубликовано 09.09.2010

2010

Предлагаемый Вашему вниманию преобразователь будет полезен водителям дальнобойщикам, водителям грузовых автомобилей с напряжением на борту 24 В, а также для тех, кто хочет разобраться в принципе работы и построения импульсного понижаемого преобразователя напряжения большой мощности. На грузовых машинах обычно установлены соединенные последовательно два аккумулятора по 12В. Большинство ноутбуков рассчитаны на 19В. Самый простой способ подключить ноутбук к линейному стабилизатору напряжения по схеме:

Но это давно в прошлом. Сейчас наступил век энергосбережения, и расходовать столько мощности на тепло, а потом бороться с его выделением - не наши методы. Наша цель - понижающий преобразователь напряжения до 19 В, без большого выделения тепла. Для самого мощного ноутбука на максимальной загрузке и зарядке с нуля необходим ток 5:8А, а с учетом запаса выходной ток преобразователя должен быть в районе 10:12А. А это уже не маленькая мощность 228 Вт. Нагревать силовыми компонентами схемы воздух в кабине недопустимо, и так жарко.
Эта статья предназначена для тех, кто хочет понять принцип работы импульсного понижающего преобразователя напряжения. Сделав данный преобразователь, вы получите достаточно опыта для самостоятельного проектирования понижаемых преобразователей DC/DC.
Сначала преподнесу немного теории, которую все из Вас знают. Освежить знания в памяти никогда вредным не бывает.
Основы накопления энергии. Уравнение (1.1), выражающее правило Ленца, содержит определение индуктивности. Катушка обладает индуктивностью в один генри, если изменение тока на один ампер за одну секунду производит напряжение на катушке в один вольт:
V=L di/dt.     (1.1)
Первое следствие уравнения (1.1) состоит в том, что ток, протекающий через катушку индуктивности, не может изменяться мгновенно. Ведь в этом случае на катушке возникло бы бесконечное напряжение. В реальности же такие эффекты, как, например, возникающая при "пробое" контактов электрическая дуга, ограничивают это напряжение очень высоким, но не бесконечным значением. Вторым следствием уравнения (1.1) является то, что напряжение на катушке индуктивности мгновенно изменяется с положительного на отрицательное при переключении с накопления энергии в индуктивности (производная di/dt положительна) на извлечение энергии из неё (di/dt отрицательна).
Разложим по коробочкам наш понижающий преобразователь. На Рис. 1 изображена идеальная модель понижающего преобразователя, содержащая из идеального источника напряжения, идеального управляемого ключа, идеального диода, идеального дросселя, идеального конденсатора и нагрузочного резистора.

Преобразователь понижающий потому, что выходное напряжение всегда меньше входного, так как напряжение на дросселе встречно входному (противоположно по полярности напряжению источника). Данный идеальный стабилизатор предназначен для работы от источника напряжением 24 В и обеспечивает напряжение 19 В на нагрузке 2 Ом. Ключ размыкается и замыкается через каждые 1 мкс, и на пассивных компонентах формируется сигнал с широтно - импульсной модуляцией. В установившемся режиме выходное напряжение стабилизатора равно
19вольт = 28вольта * коэффициент заполнения.
Следовательно: коэффициент заполнения = 19вольт / 28вольта (0,678 *100% = 68%)
Коэффициент заполнения - величина, характеризующая отношение между положительными и отрицательными полупериодами в последовательности импульсов. Это уравнение определяет выходное напряжение преобразователя вне зависимости от значений индуктивности, тока нагрузки и ёмкости выходного конденсатора, при условии, что через дроссель течёт непрерывный ток. При этом подразумевается, что напряжение на дросселе имеет прямоугольную форму. В данной схеме диод используется в качестве управляемого напряжением вентиля. В то время, когда входной ключ разомкнут, диод обеспечивает канал для протекания разрядного тока дросселя. Напряжение на дросселе при уменьшении протекающего через него тока, имеет отрицательную полярность, поэтому диод открывается. При замкнутом ключе дроссель накапливает энергию и диод смещён в обратном направлении, поэтому ток через него не течёт. При проектировании понижающего преобразователя мы будем для простоты считать, что прикладываемое к дросселю напряжение в процессе накопления энергии имеет идеально прямоугольную форму. Хорошее приближение к идеально прямоугольной форме достигается при колебаниях напряжения на дросселе в процессе накопления энергии в пределах 0.04 В при входном напряжении 24 В, т. е. 0.16%, а в процессе отдачи энергии - 0.04 В при выходном напряжении 19 В, т. е. 0.21%. Постоянная амплитуда прямоугольных импульсов способствует постоянству di/dt в уравнении (1.1). На Рис. 1.2 изображены кривая выходного напряжения (нижний график) и кривая тока дросселя (верхний график) в установившемся режиме преобразователя, обеспечивающем напряжение 19 В и ток 9,5 А на нагрузочном резисторе 2 ома.

Заметим, что колебания выходного тока относительно малы по сравнению со значением постоянного тока в дросселе. В данном случае пиковый ток пульсаций составляет 1,4 А. Ещё одним важным моментом является то, что в установившемся режиме ток пульсаций не зависит от тока нагрузки, так как ток, протекающий через дроссель, управляется напряжением на нём. Крутизна нарастания тока и продолжительность фазы накопления энергии определяются исключительно разностью напряжений Vin-Vout. Средний ток дросселя равен выходному току. с
Работа понижающего преобразователя может также осуществляться в прерывистом режиме, при котором в течение некоторой части периода коммутации ток дросселя равен нулю.
Для прерывистого режима работы уравнение (1.1) несправедливо. Пульсации выходного напряжения в понижающем преобразователе, работающем в прерывистом режиме, выше, так как конденсатор фильтра должен обеспечивать ток нагрузки в то время, когда ток дросселя равен нулю. Как правило, понижающий преобразователь работает в прерывистом режиме, только когда ток нагрузки становится намного меньше номинального расчётного значения.
Режимы работы дросселя (непрерывный и прерывистый ток) - при увеличении индуктивности выше определенного значения (зависит от нагрузки) ток дросселя перестает уменьшаться до нуля в течении каждого периода. Индуктивность в таком случае влияет на приращение тока за время открытого состояния ключа. Если
W(I) =(L*I^2)/2
зависимость накопленной в дросселе энергии от тока, то в непрерывном режиме передаваемая за один период энергия составит W = W(I0 + deltaI) - W(I0), где I0 - ток в дросселе на момент включения ключевого транзистора. Скважность в режиме непрерывного тока от нагрузки не зависит. При увеличении нагрузки приращение тока дросселя (deltaI) остается постоянным, но растет I0 - за счет чего будет обеспечена любая выходная мощность при любом значении индуктивности. В режиме непрерывного тока, при дальнейшем увеличении индуктивности, форма тока ключа приближается к прямоугольным импульсам (соответственно, уменьшается пиковый ток). Приращение тока дросселя практически не зависит от сопротивления ключа. Оно определяется как
Uвх*ton/L.
Разумеется, в реальности мощность будет ограничена одним из следующих факторов:
1) потери на активном сопротивлении (ключа, дросселя, диода),
2) насыщение магнитопровода дросселя (как следствие, пункт 1),
3) переход ключевого транзистора в активный режим (опять же, как следствие, пункт 1),
4) ограниченный диапазон регулирования скважности ШИМ-контроллером
И многое другое.
При нормальном функционировании ключа, падение напряжения на нем в открытом состоянии много меньше напряжения питания. Соответственно, ток в дросселе нарастает практически линейно, в соответвии с законом
di=U*dt/L.
Если дело дошло до того, что активное сопротивление ключа существенно влияет на работу преобразователя - надо ставить другой ключ.
Слишком малая величина индуктивности потребует слишком большой пиковый ток ключа, но энергию накопит. Сколь угодно большая величина индуктиности не ограничит выходную мощность, даже если не менять рабочую частоту. Преобразователь будет работать в режиме непрерывного тока дросселя со всеми вытекающими. В общем случае, оптимальная индуктивность зависит от частоты, входного напряжения, и выходной мощности (а критерии оптимальности могут быть разными) Если использовать большую индуктивность (при той же частоте преобразования и выходной мощности), ничего страшного не произойдет. Потребуется дроссель больших габаритов, но уменьшится пиковый ток ключа. Преобразователь начнет работать в режиме непрерывного тока после того, как нагрузка превысит определенный порог. Форма тока ключа в таком режиме - трапеция.
В момент включения устройства ток дросселя нулевой, за одно включение ключа он увеличится до
Uпит*ton/L.
В следующий период, к моменту включения ключа, ток дросселя не успевает снизится до нуля, в чем собственно отличие режима непрерывного тока от прерывистого. С каждым следующим периодом начальный ток дросселя (на момент включения ключа) растет. Это происходит до тех пор, пока преобразователь не выйдет на установившийся режим (за энное количество периодов). В установившемся режиме (непрерывного тока), при достаточно большой индуктивности (любой конечной величине), пиковый ток дросселя практически равен среднему (пульсации тока много меньше среднего значения),
средний ток = Iвых*Uвых/Uвх (без учета потерь).
Дроссель работает как некое подобие трансформатора. В режиме непрерывного тока коэффициент заполнения от нагрузки не зависит. Время включения ключа составляет
ton = (1/f)*(Vout-Vin)/Vout (без учета потерь),
Передаточные функции преобразователя в режиме прерывистого и непрерывного тока разные. Если в первом случае дроссель работает как накопитель энергии, то во втором - как трансформатор (примерно).

Синхронное выпрямление
Во всех рассмотренных в этой главе схемах диоды используются в качестве ключей, управляемых напряжением. Смещённые в обратном направлении, они представляют собой разомкнутые ключи, а в прямом направлении - замкнутые. В качестве ключей могут также выступать полевые МОП-транзисторы (MOSFET). Если напряжение затвор-исток достаточно для отпирания транзистора, ток может течь через транзистор в том или другом направлении. Полевые транзисторы, применяемые в качестве ключей, имеют сопротивление в открытом состоянии от 0.01 Ом и ниже. Падение напряжения на диоде Шотки при токе 10 А составляет примерно 0.6 В, а мощность рассеяния - 6 Вт. Полевой транзистор с сопротивлением 0.01 Ом при токе 10 А рассеивает мощность 0.1 Вт. Поэтому применение полевого транзистора существенно повышает эффективность преобразователя. На Рис. 2 изображён понижающий стабилизатор с использованием синхронного выпрямителя и идеальных пассивных компонентов. В этой схеме используется интегральная микросхема - идеальный контроллер понижающего преобразователя, который управляет полевыми транзисторами и обеспечивает обратную связь по напряжению. Когда закрывается Q1, на короткое время открывается Q2, для сброса в начальный момент максимального тока, далее на малом остаточном ток работает диод шоттки. В этом примере показан только понижающий преобразователь, но подобным образом можно заменить диоды полевыми МОП-транзисторами во всех типах преобразователей.

В нашем понижающем преобразователе частота следования импульсов постоянна, а их ширина меняется, т. е. используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), и нам обеспечить электромагнитную совместимость оказывается проще чем в схеме с частотно-импульсной модуляцией, а пульсации на выходе схемы более предсказуемы и контролируемы. Базовая схема ШИМ-контроллера с управлением по напряжению изображена на Рис.3.

Выходное напряжение преобразователя через делитель напряжения поступает на неинвертирующий вход усилителя ошибки, на выходе которого формируется масштабированный, с учётом опорного напряжения, сигнал ошибки (рассогласования). Для генерации пилообразного сигнала постоянной частоты используется мультивибратор, такой, как в микросхеме КР1006ВИ1. Как правило, зарядный ток времязадающего конденсатора определяется сопротивлением времязадающего резистора. Когда напряжение на конденсаторе достигает точки срабатывания, включается входящий в состав генератора пилообразного напряжения (ГПН) триггер и конденсатор быстро разряжается до напряжения отпускания. В результате сравнения напряжения на выходе усилителя ошибки и напряжения ГПН вырабатывается сигнал управления выходным ключом преобразователя, что иллюстрирует график:

Когда напряжение ГПН меньше выходного напряжения усилителя ошибки, ключ открывается (замыкается). Когда напряжение ГПН превышает выходное напряжение усилителя ошибки, ключ размыкается. Если напряжение ошибки меньше, чем минимальное значение пилообразного напряжения, то коэффициент заполнения составляет 80%; если напряжение ошибки превышает максимальную величину пилообразного напряжения, то коэффициент заполнения составляет 0%.
В обратноходовых и повышающих преобразователях необходимо обеспечивать некое минимальное значение интервала между импульсами, то есть коэффициент заполнения не должен достигать 100%, с тем чтобы энергия, накопленная в дросселе, могла быть передана в выходную цепь. Некоторые схемы прямоходовых преобразователей также требуют определённого значения интервала между импульсами. Современные ШИМ-контроллеры с управлением по напряжению снабжены механизмом, обеспечивающим коэффициент заполнения менее 100%.

ШИМ управление по току имеет свои преимущества перед управлением по напряжению. Они заключаются в улучшенной переходной характеристике и более простом контуре управления. На Рис. 4 изображена типовая схема ШИМ контроллера с управлением по току (типа UC3842 - UC3845). В этой схеме используется генератор импульсов постоянной частоты.

Очередной импульс с генератора, поступающий на вход установки (S) RS-триггера, устанавливает его выход в ВЫСОКИЙ уровень, что приводит к открыванию транзисторного ключа. Когда напряжение на токоизмерительном резисторе Лизм. достигает величины задаваемого усилителем ошибки напряжения срабатывания компаратора, последний "сбрасывает" (переключает) триггер, в результате чего ключ размыкается (ток через транзистор больше не течет). Усилитель ошибки используется для регулировки точки срабатывания ключа по току так, чтобы тока дросселя хватило для поддержания выходного напряжения. По мере того как выходное напряжение достигает желаемого значения, сигнал ошибки "снижает" ток срабатывания, чтобы поддерживать средний ток дросселя постоянным.

Далее конкретно по нашим схемам:
Первая схема (готовая плата), не большой мощности, годится для небольшого ноутбука, или нетбука с максимальным током 4 ампера.

Частота преобразования 78кГц. В ходе испытаний выяснилось, что при приближении к максимальной мощности выходному ключу не хватает драйвера. (Что бы исправить этот недостаток, можно собрать на LM3477 у которой уже есть встроенный драйвер. Даташит на неё https://www.nscrus.ru/content/catalog/pdf/LM3477.pdf

или вообще, если лень пересиливает, без транзистора на LM2677 (см. даташит по ссылке https://www.nscrus.ru/content/catalog/pdf/LM2677.pdf )). Так как коты лёгких путей не ищут, то экспериментируем, исследуем свои схемы.
Схема на LM3578 работает и многократно испытана. В данной схеме нет токового ограничения, и она боится короткого замыкания в нагрузке. Будьте внимательны. Дроссель намотан на желтом кольце с одной белой стороной. Индуктивность дросселя 88 мкГн, но можно до 100мкГн. Примерно 50-65 витков ПЭВ-2 0,6 мм равномерно распределённых по кольцу. Схема собрана на МС LM3578. Даташит на неё здесь: https://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS008711.PDF
Выходной транзистор здесь: https://www.datasheetcatalog.org/datasheet/cet/CEM9435A.pdf

Вид печатной платы:

Для защиты от перенапряжения при пробое транзистора, используется супрессор на 20 вольт 1,5КЕ20А в паре с предохранителем на 5 ампер. Микросхема не дорогая, но дороже чем МС34063. В данной схеме нет синхронного выпрямления и диод греется до 85 градусов, что не есть хорошо. В следующей схеме мы будем использовать синхронное выпрямление на полевом n-канальном транзисторе, что бы увеличить КПД на 5 - 10%.

Мощный понижающий преобразователь с синхронным выпрямлением
Схема:

Это понижающий преобразователь с синхронным выпрямлением. Данный вид преобразователя лучший вариант, так как при большой мощности синхронное выпрямление дает нам прирост КПД на 5-10%, при этом сильно не усложняет схему.
Управляющая микросхема МС34063, как самая доступная. Микросхему выпускают большое количество производителей. MC34063 плоховато годится для маленькой нагрузки при работе на дополнительный ключ, а не на свой встроенный. При избыточно установленной мощности, в ней включается режим пропуска такта при малой нагрузке, следствием которого будут повышенные помехи в выходном напряжении. Но это есть во многих контроллерах питания. Например, в той же TNY26х. Только в МС34063 это сделано просто. Если хочется удостоверится в сходстве, то возьмите, например, всем известную UC3842, про которую явно написано, что это "ШИМ-контроллер с обратной связью по току". Что произойдет, если сигнал на входе Vfb упадет ниже 1,3В? Да то же самое, что и у МС34063 - UC3842 будет пропускать импульсы. Это, кстати, один из способ ее блокировки (подтягивание сигнала на Vfb к потенциалу PGND).
Для питания же мощного ноутбука использование в качестве управляющей микросхемы МС34063 вполне приемлемо. Главные достоинства МС34063 низкая стоимость, минимум дополнительной обвязки, шунт в плюсовой цепи. Но сюда конечно можно установить и UC3843 и UC3842 (если UC3842, то напряжение питания надо поднять до 16,3в) с соответствующей обвязкой, но тогда шунт будет на минусовом проводе, что очень плохо. Тогда нельзя подключаться к диагностическому разъему самого автомобиля при одновременном питании от преобразователя. Шунт в этом случае будет закорочен. Далее по схеме драйвер. Драйвер силовых транзисторов IR2183 (цена около 3 у.е.). Один из ее входов - прямой, второй - инверсный и для синхронного выпрямления внешний инвертор не нужен. В микросхему встроена логика, препятствующая одновременному отпиранию обоих транзисторов (сквозные токи) и генератор пауз ("мертвое время", dead time) между импульсами на выходах. У микросхемы мощные для управления выходными полевыми транзисторами выходы - 1,7А. Дифференцирующая цепь R6, C4 - для работы нижнего транзистора в синхронном выпрямителе, позволяет драйверу включать его только в короткий момент времени, сразу после закрытия верхнего транзистора. В этот короткий момент ток протекающий через транзистор максимальный. В дальнейшем, когда ток уже минимальный, работает 45- вольтовый диод шоттки с компьютерного блока питания канала 5 вольт. Если цепь R6, C4 не ставить, а соединить выводы 2 и 3 вместе, транзистор нижнего уровня будет открыт больше необходимого, тем самым закоротит выходной конденсатор. В качестве диода, использован полевой транзистор VT2 - у диодов падение напряжения на переходе 0,8В, у диодов Шоттки - 0,6В, здесь оно около 0,1В. Для оптимальной работы транзистора подбирается цепочка R6C4 и делитель R7R8. Для защиты от короткого замыкания нагрузки и ограничения выходного тока работает блок защиты встроенный в микросхему МС34063. Резистор R12 - датчик тока, при падении напряжения на этом резисторе более 300 мВ, МС34063 уменьшит длительность импульсов на своем выходе, соответственно уменьшится напряжение на выходе преобразователя. Для питания микросхемы драйвера и коллектора выходного транзистора в МС34063 напряжение питания 15 В. Фильтрующие электролитические конденсаторы набраны из нескольких параллельно соединенных конденсаторов меньшей емкости, и зашунтированы керамическими SMD. При работе эти конденсаторы немного теплые. При токе нагрузки 5:6 А, нагрев всего преобразователя менее 40 градусов при окружающей температуре 28 градусов. Дроссель взят в качестве эксперимента с компьютерного блока питания канала 3,3 вольта и не перематывался. Во время испытаний показал хорошие характеристики и не сильно греется. Его индуктивность 51 мкГн. Дроссель намотан на желтом кольце с одной белой стороной. Его так и оставил, хотя можно было бы и перемотать в несколько проволочек, для снижения скин-эффекта.
Процесс сборки:
Плата сделана по технологии ЛУТа.

Зачищаем и покрываем спирто-канифольным раствором (у автора он хранится в масленке, так проще пользоваться), далее сушим термофеном, чтобы не прилипала к рукам в процессе сборки. Фото по шагам. Счищаем наждачной бумагой тонер:

Плата разрабатывалась под такой радиатор

Готовая плата:

Верхняя сторона минусового проводника соединяется с нижней стороной по самому краю платы с дорожкой входа выхода и является экраном.

Настройка. Подключаем к блоку питания через лампочку на 24 В, 1:2 А. Напряжение на выходе преобразователя около 19 В, лампочка по питанию не светится. При работе преобразователь не должен возбуждаться, не должно быть слышно никакого треска. Теперь вместо лампочки в цепи питания ставим амперметр с пределом измерений более 20 А, а к выходу подключаем спираль из нихрома на ток 8 А (т.е. ее мощность 24:48 Вт). Потребляемый схемой от аккумулятора ток должен быть примерно в 1,3 раза меньше тока спирали, оба полевых транзистора греться сильно не должны и температура обоих транзисторов должна быть одинаковой. Если нижний транзистор вообще не греется, а заметно греется диод, то надо убедиться в присутствии сигнала на его затворе. Настройка синхронного выпрямителя: Вместо R6 подключите подстроечный резистор и медленно вращая его смотрим на потребляемый схемой ток. Он начнет уменьшаться - примерно на 5:10%. Этот ток раньше потреблял диод шоттки. Если вращать далее то, потребляемый схемой ток резко возрастает в несколько раз. Движок устанавливаем в такое положение, когда потребляемый ток уменьшился, но до резкого возрастания далеко. Все электролиты необходимо набрать из нескольких параллельно соединенных конденсаторов, но меньшей емкости, а так же параллельно им включить многослойные SMD керамические конденсаторы емкостью 1 мкф и больше. Силовые дорожки должны быть потолще и тщательно пролужены с толстым-толстым слоем шоколада припоя. Если возникает возбуждение - скорее всего, недостаточно керамических шунтирующих конденсаторов по питанию.
Вышеприведенные инверторы легко можно переделать на выходное напряжение 12 вольт, изменив лишь резистор обратной связи по напряжению на другой номинал.
Теперь некоторые осциллограммы:
На выходе 34063. Драйвер и транзисторы еще не подключены. 34063 на максимальной ширине.

С выхода драйвера нижнего ключа

И оно же более растянуто

По транзисторам:
Автор применил выходные транзисторы, аккуратно выломанные из UPS-ов, у которых вышел из строя аккумулятор.
Фото транзисторов для преобразователя:

Для корпуса возьмем готовую покупную коробочку-корпус ценой за 1,5$

Фото собранного преобразователя на испытаниях. Ток выхода 7 ампер 19 вольт.
Под радиатором вырезана нихромовой проволочкой большое отверстие для платы, которая в него проваливается до радиатора.
Надпись напротив светодиодов "Safety is damaged" означает что предохранитель сгорел, а "Accum. Discharged" - аккумулятор сел. Схема индикатора разрядки аккумулятора:

В результате проделанных исследований получился понижающий преобразователь с 28 на 19 вольт для любого ноутбука с высоким КПД 84 - 90% в зависимости от входного напряжения, и номинальным током 10А.
Удачных экспериментов, а также увлекательной и познавательной работы. Спасибо за проявленное терпение в чтении статьи.

Файлы:
Печатные платы в формате SL 5.0.

Вопросы, как обычно, складываем тут.