DC-DC-omvandlare
DC-DC-omvandlare är kretsar som omvandlar en likspänning till en annan. Behovet av detta finns nästan överallt, och det finns DC-DC-omvandlare i alla upptänkliga storlekar och prisklasser. De kallas ofta för spänningsregulatorer eftersom de reglerar utspänningen genom att mäta den och anpassa sin funktion beroende på hur hårt de belastas. Strikt talat så måste inte en DC-DC-omvandlare vara en regulator, och många exempel nedan visar omvandlare utan reglering för enkelhetens skull (de kopplingsscheman som visar reglerade omvandlare är dock också förenklade). Oreglerad omvandling är kanske vanligast i ostabiliserade AC-DC-omvandlare, som i princip består av en transformator (som omvandlar 240VAC till exempelvis 12VAC - ungefär), en likriktare samt kondensatorer för att jämna ut (glätta) vågformen. Den faktiska spänningen på en sådan omvandlare kan variera mycket beroende på strömuttag.
Spänningsregulatorer brukar delas in i två fack: linjära respektive switchande omvandlare (switched mode converter). I den här guiden kommer vi fokusera på de switchande omvandlarna, men för att illustrera skillnaderna kan det vara bra att också beskriva linjära omvandlare i korthet.
Linjära spänningsregulatorer
En mycket vanlig sorts linjär DC-DC-omvandlare är de klassiska spänningsregulatorerna i 780x-serien, eller justerbara regulatorer som LM317 och LM337 (för att reglera positiv respektive negativ spänning). De tar normalt en inspänning på upp till ungefär 40V, och reglerar ner den till 5V för 7805, 9V för 7809, osv. Det enda som krävs är en eller två kondensatorer på in- och utgångarna för att hålla regulatorn stabil. De justerbara regulatorerna fungerar snarlikt men behöver också ett par motstånd för att ställa in utspänningen.
Mer än detta krävs inte för att reglera ner spänningar från 7-35V till 5V. Byggsatsen EK023 hittar du här.
Linjära spänningsregulatorer sänker spänningen genom att använda en transistor (emitter-följare) som ett variabelt motstånd. Spänningen regleras genom att variera spänningen på transistorns bas. En transistor som används på det här sättet brukar kallas för en passtransistor. Metoden är okomplicerad, men precis som med oreglerade spänningsdelare med motstånd finns det en kostnad: resistansen orsakar förluster i form av värme. Metoden är också begränsad till att reglera ner spänningar, inte upp.
Till höger: schematisk, förenklad bild av linjär DC-DC-omvandlare.
Den stora fördelen hos linjära omvandlare är enkelheten. För många användningsområden behöver man i princip bara löda fast regulatorn, och så har man en jämn och fin reglering, utan att man behöver tänka särskilt mycket. Med switchade regulatorer blir det aldrig riktigt så enkelt. Även om man använder en ”färdig” regulatorkrets så krävs det fler kringkomponenter (mer om dem längre ner), och regleringsloopen är känsligare för värdena på dessa. Det finns webbverktyg som kan göra i princip hela jobbet åt en, men även när komponentvalen är gjorda kan t.ex. placeringen av dem avgöra om en krets fungerar eller inte.
Som tur är finns det färdiga moduler att köpa, med regulator-IC och alla nödvändiga kringkomponenter färdigmonterade på ett kort. När man använder sådana moduler behöver man inte anstränga sig mer än att se till att inspänningen ligger inom rätt spann (samt har rätt polaritet) och att strömuttaget inte är för stort, ungefär som med 780x eller 3x7-regulatorerna. Till skillnad från dem har modulerna ofta flera finesser, såsom enable-ingång, variabel utspänning, strömbegränsning m.m, men framför allt betydligt högre verkningsgrad, ofta runt 90% eller mer.
Några exempel på switchade DC-DC-moduler i Electrokits sortiment.
Switchade DC-DC-omvandlare
I switchade DC-DC-omvandlare används transistorn istället istället som en elektronisk omkopplare (switch). Anledningen är att omkopplare knappt har några resistiva förluster när de är slutna, och när de är öppna passerar ingen ström alls genom dem. Vissa förluster uppstår, framför allt under tiden att transistorn öppnar och stängs (då den passerar genom det linjära bandet), men dessa är mycket låga, avsevärt lägre än om de konstant används linjärt.
Istället för att ”bränna av” energi resistivt så öppnar och stänger istället man switchen olika mycket för att variera hur mycket ström som passerar, och sedan jämna ut denna pulsade likspänning med passiva komponenter. Metoden ger flera fördelar gentemot linjära omvandlare. Bättre verkningsgrad leder till lägre värmeutveckling, vilket ger lägre vikt och en stor platsbesparing.
En annan viktig fördel med switchande omvandlare är att de både kan omvandla spänning nedåt och uppåt, beroende på konfigurationen (topologin). Med linjära omvandlare är detta överhuvudtaget inte möjligt.
Switchade DC-DC-omvandlare kan höja, sänka och invertera spänningar, och ge stabila reglerade spänningar med kontroll över strömuttag, skydd mot överhettning med mera. Man hittar dem i allt ifrån mätutrustning, mobilladdare, power banks, datorer, tv-apparater, ljudutrustning – det är nästan enklare att lista saker som inte har DC-DC-omvandlare, än tvärtom. Storleken varierar från pyttesmå ytmonterade komponenter på några få kvadratmillimeter och uppåt.
Några vanliga topologier
Switchade DC-DC-omvandlare kan konstrueras på många olika sätt (som kallas olika topologier). Man brukar inte behöva tänka så mycket tänka på exakt vilken topologi man behöver, men för att hitta rätt omvandlare kan det vara bra att känna till vad de olika varianterna kan göra och vad de heter.
Buck converter (step-down)
Buck-convertern omvandlar ner spänning, t.ex: +12V in, +5V ut. Inspänningen måste alltid vara högre än önskad spänning ut. Typen kallas också för step-down och är mycket användbar och vanligt förekommande. Detta är den enda typen av switchad omvandlare som har en motsvarighet bland de linjära DC-DC-omvandlarna (om än med lägre verkningsgrad).
Till höger en förenklad buck-converter, utan reglering.
Boost converter (step-up)
Nästa topologi gör det motsatta från buck-convertern – den höjer spänningen. Man kan exempelvis ta +3V från två AA-batterier och omvandla upp spänningen till +5V för att driva logikkretsar. Inspänningen måste alltid vara lägre än önskad spänning ut.
Till höger en förenklad boost-converter, utan reglering.
Step-up/step-down (buck-boost converter)
Buck-boost-omvandlaren är en mycket användbar DC-DC-omvandlare, som både kan omvandla spänning upp och ner, T.ex. +3.3 till +12V in och +5V ut. Den är användbar när inspänningen varierar och kan vara både över eller under den önskade utspänningen. Ett exempel på användningsområde är batterier, vars spänning ju sjunker när de laddas ur.
Till höger en förenklad buck-boost-converter, utan reglering.
Med en buck-boost-converter kan man t.ex. driva en mikrokontroller som kräver 3.3V med ett lipobatteri, trots att spänningen sjunker från 4.2V (vid full laddning) till 3.2V (urladdat).
Tre switchade DC-DC-omvandlarmoduler. Från vänster: buck, boost och buck-boost.
Begrepp, specifikationer och parametrar
Verkningsgrad (effektivitet)
Den höga verkningsgraden är som sagt en av de stora fördelarna med switchade DC-DC-omvandlare. Den anges vanligtvis med en procentsats, t.ex. 90%, där siffran anger hur mycket av energin som går in som är användbar ut – resterande 10% är förluster. Förlusterna består bland annat av värmeutveckling när transistorn slår av/på, och den energi som förbrukas av oscillatorn och övriga reglerkretsar.
En hög verkningsgrad ger som sagt vinster utöver att man sparar energi. En viktig aspekt är att mer effektiva omvandlare både är lättare och mindre. Skillnaden är stor mellan switchade och linjära omvandlare, men kan också vara stor mellan switchade omvandlare av olika generationer.
Verkningsgraden hos en regulator är sällan konstant, utan varierar normalt beroende på strömuttag och skillnaden i in- och utspänning. Eftersom styrelektronikens energiförbrukning är relativt konstant brukar effektiviteten vara lägre vid låga strömuttag – då blir ju den förbrukningen en större del av det totala strömuttaget.
I diagrammet nedan ser man hur effektiviteten varierar hos buck-boost-omvandlaren TPS63070, för olika strömuttag och inspänningar och med 5V utspänning. Notera hur låga strömuttag och höga inspänningar ger lägre effektivitet, men också att stora strömuttag med lägre inspänningar ger sjunkande verkningsgrad.
Kurva över verkningsgrad hos TPS63070. Källa: Texas Instruments
Strömuttag
Anger helt enkelt hur mycket ström en regulator kan leverera. För många regulatorer är detta inte bara ett enkelt värde, utan något som beror på yttre faktorer. En buck-converter kan t.ex. leverera mer ström ut än den drar in, t.ex. 10V 2A in, och 5V 4A ut. Här kan högre inspänning göra att man kan göra större strömuttag.
Det omvända gäller för boost-converters: strömmen ut är alltid lägre än den in (men spänningen är ju högre). För dessa regulatorer anges ofta maximal ström som den som switcharna inuti regulatorn klarar. Om de t.ex. klarar 2A och man switchar upp från 3V till 9V så blir det maximala teoretiska strömuttaget (utan förluster) 2/3 = 0.667A. Med lägre inspänning eller högre utspänning blir strömuttaget ännu lägre.
In- och utspänning och dropout-spänning
Spänning in och ut är inga konstigheter, de anges bara med spänningar i volt. I de fall utspänningen är justerbar brukar det också anges vilken inspänning som krävs för en viss utspänning, eller för en buck-converter en minsta skillnad mellan in- och utspänning – den som kallas dropout voltage. Dropoutspänningen fungerar som med linjära regulatorer, men kan ofta vara lägre.
Rippel
Rippel är resterna av switchningen och annat brus som ligger ovanpå likspänningen. Ju lägre, desto bättre. Mängden beror ofta på flera faktorer, såsom skillnad mellan in- och utspänning, lat och switchfrekvens (se nedan).
Switchfrekvens
Switchfrekvensen på DC-DC-omvandlar-IC varierar. På många omvandlare kan man ställa in den utifrån, med t.ex. externa motstånd och/eller kondensatorer. Frekvensen påverkar många saker.
Högre frekvenser gör att man kan använda mindre (och lättare) passiva komponenter, inte minst spolen (eller transformatorn). En högre frekvens kan också minimera att switchbruset tar sig ner till hörbart område. Detta är av stor vikt i ljudelektronik, men även elektronik som inte rör ljud kan avge störande ljud i form av högfrekvent vinande från spolar som vibrerar. Högre switchfrekvens möjliggör också snabbare reglering vid förändrade laster (step response).
Eftersom en stor del av switchade omvandlares förluster uppstår när transistorn växlar mellan av och på medför också höga switchningsfrekvenser större förluster. Varje växling medför en viss effektförlust, och med en hög frekvens sker ju detta oftar. Och även om höga frekvenser kan vara lättare att filtrera bort från hörbart område, så kan de också orsaka ledningsburen och elektromagnetisk störning (EMI), där högre frekvenser ibland förvärrar problemet.
Beståndsdelarna i en switchad DC-DC-omvandlare
En förenklad switchad DC-DC-omvandlare kräver bara fyra komponenter: en transistor, en diod, en induktor (spole) och en kondensator.
Transistorn i DC-DC-omvandlare är som sagt den elektroniska omkopplaren – en transistorswitch. Vanligtvis är transistorn en Mosfet, men för högre spänningar används ofta IGBT-transistorer. I förenklade illustrationer brukar switchen visas med symbolen för en strömbrytare.
Induktorn används för att lagra energi. Induktorer försöker alltid ha en konstant ström genom sig. När switchen öppnas och sluts passerar antingen ingen eller en viss ström (beroende på lasten) genom omvandlaren. Induktorn jämnar ut den strömmen.
Kondensatorn lagrar också energi, men på ett annat sätt: den försöker göra spänningen över kondensatorn så jämn som möjligt.
Dioden blockerar spänning i fel riktning. Den gör också att det kretsen inte är öppen när transistorswitchen öppnas. Utan den skulle strömmen genom induktorn brytas tvärt varje gång switchen öppnas, och den skulle inte kunna göra sitt jobb att lagra energi. Det är inte bra för spolar (eller elektroniken de är kopplade till) när strömmen bryts tvärt – för att bibehålla en konstant ström genereras då en kort spik med mycket hög spänning, ofta många kilovolt. Dioden ser till att ström kan fortsätta flöda genom spolen. Dioden brukar vara en typ med låg framspänning (ofta Schottkydioder), och i den här applikationen kallas de ofta för frihjulsdioder (freewheeling diode).
Dessa fyra komponenter sköter av själva DC-DC omvandlingen, och beroende på hur de kopplas ihop (olika topologier – mer om dem längre ner) får man olika typer av omvandlare. Verkliga DC-DC-omvandlare har betydligt fler komponenter än dessa fyra, bland annat för att skydda omvandlaren och den elektronik som omvandlaren spänningsmatar och minska elektrogmagnetisk störning (EMI). Avancerade omvandlare kan även begränsa strömmen på olika sätt, anpassa switchfrekvens efter lasten, variera switchfrekvensen kontinuerligt för att minska EMI (spread spectrum), begränsa stora ingångsströmmar på olika vis, m.m.
Reglering
Förutom de fyra komponenterna krävs också en oscillator som öppnar och stänger transistorn, samt elektronik som mäter den spänning omvandlaren genererar. Den elektroniken styr i sin tur över oscillatorn, och reglerar spänningen. Regleringen gör bland annat att DC-DC-omvandlare kan generera en fast spänning oberoende av variationer i både last och inspänning. Utan någon reglering skulle omvandlaren i bilden ovan omvandla spänningen till en lägre, men till vilken spänning skulle vara helt beroende av lasten, och variera skulle vara betydligt svårare att både förutsäga och styra.
Schematisk, förenklad bild av switchande DC-DC-omvandlare med reglering.
Oscillator med PWM
Det vanligaste sättet att styra DC-DC-omvandlare är genom att använda pulsbreddsmodulering (PWM). Det innebär att oscillatorn som öppnar och stänger transistorswitchen har en fast frekvens, med olika mängd hög/låg puls (alltså olika mängd av/på i transistorn). Ju större del av tiden omkopplaren är sluten, desto mer ström går genom den (i genomsnitt). Genomsnittet jämnas ut av induktor och kondensator enligt ovan.
Felförstärkare
Spänningen som kommer ut ur regulatorn mäts sedan i en felförstärkare där den jämförs med en referensspänning, t.ex. 1.25V. Skillnaden mellan önskad och verklig spänning blir till en felsignal, som på något vis används för att styra oscillatorns pulsbredd. Styrningen minskar felet gradvis, fram till dess att det försvinner helt (eller i alla fall så nära den kan komma).