Изолированный или неизолированный DC/DC-преобразователь: что выбрать? | Бизнес-мудрость

Изолированный или неизолированный DC/DC-преобразователь: что выбрать?

Взвесив еще раз все pro et contra касательно DC/DC-преобразователя и, как говорится, рассмотрев доводы сторон, мы пришли к однозначному выводу — выгоднее его купить. А чтобы купить именно то, что нам нужно, и не прогадать, нас должен, в первую очередь, интересовать определенный круг наиболее важных вопросов, большинство из которых весьма подробно рассмотрены в [2].

Хотя мелочей здесь нет, сведем проблему выбора DC/DC-преобразователя к нескольким понятным пунктам. Итак, что мы должны учесть:

  1. назначение изделия, для которого мы выбираем DC/DC-преобразователь, и перечень сопутствующих стандартов безопасности, электромагнитной совместимости вкупе с выполнением требований по защите окружающей среды;
  2. диапазон рабочих температур;
  3. необходимый диапазон входных напряжений;
  4. диапазон нагрузок по току;
  5. Необходимое номинальное выходное напряжение (напряжения) во всем диапазоне нагрузок и приемлемую точность его (их) поддержания, не забыв при этом учесть реакцию на изменение нагрузки (так называемый сброс/наброс), которая, из-за особенности петли регулирования конкретного типа преобразователя, может вызвать недопустимый для нашего конечного изделия переходной процесс;
  6. допустимую для нашего конечного решения площадь размещения преобразователя и максимальную высоту профиля, учитывая все необходимые для его конечной реализации элементы, т.е. рассматривать решение уже в виде законченного устройства;
  7. приемлемый уровень КПД во всем диапазоне нагрузок;
  8. надежность конечного решения DC/DC-преобразователя в реальных условиях эксплуатации;
  9. граничную цену конечного решения DC/DC-преобразователя и определение его поставщика.
Рис. 1. Пример топологии неизолированного DC/DC-преобразователя с двумя выходными напряжениями

Хотя сегодня на рынке предлагаются DC/DC-преобразователи, как говорится, на любой вкус, цвет и кошелек, для начала все сводится к основному вопросу: покупаем мы изолированный или неизолированный DC/DC-преобразователь. Чтобы ясно понимать, о чем идет речь, кратко поясним: изолированный преобразователь подразумевает, что его выход и вход не имеют гальванической связи и разделены изоляционным барьером с той или иной диэлектрический прочностью. Этот параметр указывает на устойчивость изоляционного барьера к приложенному между его входом и выходом напряжению, и, в большинстве случаев, определяет возможную область применения устройства. Соответственно, неизолированный преобразователь не обеспечивает гальванической развязки между его входом и выходом, и этот факт также является определяющим для областей его применения. Все изложенное — это глобальные различия, которые определяют схемотехнические решения, электрические характеристики и даже конструктивное исполнение преобразователей.

Понятно, что все это влияет на стоимость указанных типов DC/DC-преобразователей. Ответственному разработчику здесь необходимо пользоваться одним полезным правилом. Его любил повторять Бенджамин Франклин — великий американский политический деятель, чей портрет украшает купюру в $100, дипломат, энциклопедист, писатель, журналист, издатель и изобретатель. Для справки: это он ввел общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний «+» и «−» и объяснил принцип действия лейденской банки, прародительницы всех современных конденсаторов, установив, что главную роль traco power в ней играет диэлектрик, разделяющий ее токопроводящие обкладки. Он говорил: A penny saved is a penny gained («Сбереженный пенни — это заработанный пенни»), что очень хорошо описывает его отношение к оптимизации стоимости конечного продукта.

Давайте более пристально взглянем с этой позиции на различия преобразователей (что поможет нам впоследствии), взвесив еще раз все pro et contra, и остановимся на нужном нам конкретном решении преобразователя для конкретного конечного устройства. То есть, попробуем уйти от характерного для разработчиков искушения типа: «а давайте-ка поставим сюда вот это, оно мне нравится!». Знакомый веский аргумент, не так ли?

Если обратиться к ценовому аспекту, то в общем плане выигрывают неизолированные преобразователи, что связано с их природой. Однако это не касается корпусированных, полностью законченных решений с входными и выходными фильтрами, отвечающих жестким требованиям по электромагнитной совместимости и имеющих высокую механическую устойчивость. Здесь ценовые отличия в значительной степени нивелируются. Что касается топологии неизолированных преобразователей, то нам доступны повышающие, понижающие, повышающее-понижающие и инвертирующие топологии, которые уже стали классикой и описаны многократно. С некоторой доработкой, используя трансформатор, мы можем получить на базе неизолированных преобразователей решения с несколькими, чаще двумя, выходными напряжениями, причем, одно из таких напряжений будет изолированное, что дает целый ряд преимуществ, свойственных их изолированным собратьям. Пример такого, не часто встречающегося в технической литературе и на практике решения, приведен на рис. 1 [3].

Рис. 2. Примеры преобразования полярности с использованием изолированного DC/DC-преобразователя

Данная топология эффективна, но для относительно малых токов в дополнительной цепи. Автор статьи использовал ее на практике для формирования двух напряжений 3,3 В (3,5 А) и –12 В (0,250 мА) и использовал как часть системы питания ATX платы индустриального компьютера. Все это хорошо, но это не завершенное решение, которое можно купить в модульном исполнении. Самостоятельно же, как мы определили еще в начале статьи, делать что-либо преобразующее не выгодно — это и дорого, и долго, и результат не гарантирован, и нужно нанимать специалистов в этом вопросе, которых у нас нет. Стоит отметить, что в виде неизолированных преобразователей, как правило, доступны только простейшие варианты, часть которых направлены на эффективную замену линейных стабилизаторов.

Что касается неизолированных преобразователей, они являются приемлемыми и оправданными для построения систем распределенного питания PoL (Point-of-Load), то есть, тогда, когда нужно запитывать нагрузки в непосредственной близости их размещения, при небольших длинах шин промежуточного питания. Еще один из вариантов — это формирование питающих шин для плат небольших форм-факторов, где можно обойтись без разделения земель и, предпочтительно, нет гибридных решений, то есть, там, где нет сочетания аналоговых и цифровых каскадов.

А что нам могут дать изолированные DC/DC-преобразователи? Для рядового разработчика, не очень вникающего в суть такой «мелочи», как DC/DC-преобразователь (что потом может ему аукнуться уже на завершающей стадии проекта), тем более в модульном исполнении, — это такой «черный ящик» с выводами, который просто выполняет нужную функцию, как тот же конденсатор или транзистор. Основная его функция — это создание соответствующего изоляционного барьера и выдача напряжения нужной мощности. Однако тут не все так просто и явно. Действительно, если вопрос упирается только в изоляционный барьер, как, например, это показано на примере использования изделий известной компании TRACO Electronic в медицинском оборудовании в [4], или в случае, когда по причине значительной удаленности от основного источника питания требуется разделение земель, то здесь выбора нет, и все ясно. Более сложный вопрос касается, например, телекоммуникационного оборудования и систем с распределенным питанием при длинных промежуточных шинах, а также оборудования с каскадами смещенного типа.

Что нам могут предложить изолированные DC/DC-преобразователи? Как говорил Сергей Капица в увлекательной передаче нашей молодости «Очевидное–невероятное», — «Вопрос, конечно, интересный». Для его раскрытия обратимся к практическим примерам, приведенным в [5]. Дело в том, что изолированные преобразователи могут в ряде случаев с успехом заменить неизолированные, дав нам целый ряд преимуществ, часто весьма существенных, которые упростят проектирование конечного изделия.

Рис. 3. Простой удвоитель напряжения

Поскольку изолированный DC/DC-преобразователь имеет плавающий выход, так как он не привязан к общему проводу или, как мы часто говорим, к земле. Точно также можно считать, что имеет место и плавающий вход. Поэтому любой изолированный DC/DC-преобразователь может быть использован для того, чтобы инвертировать полярность напряжения шины питания. Если гальваническая развязка посредством изоляции не требуется, но имеется общая точка подключения, то любой выход может быть привязан к любому входу, а также к любому желаемому опорному напряжению. На рис. 2 [5] показаны две возможные конфигурации включения изолированных DC/DC-преобразователя для получения отрицательного напряжения на выходе из положительного напряжения на его входе, и наоборот. И если получить –15 В из +5 В можно и неизолированным DC/DC-преобразователем, то получить +5 В из –48 В уже не настолько и просто.

Существуют DC/DC-приложения, в которых гальваническая развязка через изоляцию не требуется, но требуется более высокое выходное напряжение, чем входное. В следующем примере, приведенном на рис. 3, показан удвоитель напряжения, выполненный на базе DC/DC-преобразователя, который продуцирует выходное напряжение, в два раза превышающее входное.

Преимущества здесь скрываются в, казалось бы, странном факте: если DC/DC-преобразователь рассчитан на мощность 15 Вт, то при выходном напряжении, равном 12 В, он обеспечит рабочий ток до 1,25 A. Тем не менее, это выходное напряжение находится выше входного напряжения 12 В. Поэтому на нагрузку подается напряжение 24 В с током 1,25 A, то есть мы имеем общую мощность 30 Вт.