Buck или Boost: как выбрать понижающий или повышающий DC-DC-преобразователь

Что меняется, кроме напряжения?

Нагрузка на 5 В с током 1 А потребляет 5 Вт. При питании от 12 В понижающий преобразователь и линейный стабилизатор берут от источника разный ток и рассеивают разное количество тепла.

Для импульсного понижающего преобразователя источник выбирают по входному току, а плату — по выходному. В линейной схеме основная задача — отвести 7 Вт тепла.

Для стабилизированного источника на 12 В и нагрузки 5 В, 1 А можно рассмотреть понижающий модуль Elecbee с фиксированным выходом 5 В (EB0044142). На странице товара указан входной диапазон 7–26 В. Для длительной работы рекомендуется ток не более 1,6 А. Значение 3 А — максимальное. Проверьте охлаждение в корпусе.

В обеих схемах ключ управляет накоплением и отдачей энергии дросселем. На схемах показаны диод и выходной конденсатор C. У понижающего преобразователя ключ стоит со стороны питания, у повышающего он замыкает ветвь на общий провод.

Как измерить диапазон входного напряжения

Номинал на корпусе не описывает весь диапазон на плате. Влияют как изменения напряжения самого источника, так и потери на пути тока. Литий-ионный элемент на 3,7 В после полной зарядки даёт около 4,2 В, а по мере разряда или под большой нагрузкой напряжение падает. Нестабилизированный источник при малой нагрузке тоже может выдавать больше номинала. Под током возникают дополнительные падения на проводах, разъёмах, предохранителях и ключах защиты батареи.

Чтобы найти минимум, ближе к концу разряда приложите максимальную нагрузку и измерьте напряжение прямо на входе модуля. Можно измерить на источнике под той же нагрузкой и вычесть суммарное падение на прямом и обратном пути от точек измерения до модуля.

Учитывайте это падение один раз. Показание на конце кабеля со стороны платы уже его учитывает. Сверьте с предельным входным напряжением также максимум при полном заряде и малой нагрузке или на холостом ходу.

Сравните оба края диапазона с требуемым выходом. Чисто повышающий модуль не понизит завышенное напряжение. Для понижающего на нижнем краю важна минимальная разность входного и выходного напряжений, нужная именно этой плате под нагрузкой.

Хватит ли 5,10 В на входе для стабильных 5 В?

Допустим, нагрузка допускает на своих выводах 5,00 В ±5%, то есть 4,75–5,25 В. При полной нагрузке на входе остаётся 5,10 В. При таком токе плате нужен запас 0,30 В, чтобы удержать 5,00 В.

Не хватает 0,20 В запаса. Стабилизация на 5,00 В уже не гарантирована, но из этого не следует, что на выходе будет 4,80 В. Выход может следовать за входом, проседать при скачке нагрузки или отключаться по низкому напряжению. Проверьте данные производителя для требуемого тока.

Если нужны стабилизированные 5,00 В, выясните, можно ли снижением потерь в проводке удержать вход выше 5,30 В или подобрать плату, которой хватает имеющихся 0,10 В. Если вход может упасть ниже цели, рассмотрите неинвертирующую повышающе-понижающую плату.

Если допустимы все ±5%, по указанной выходной характеристике и потерям в выходных проводах проверьте обе границы на нагрузке: 4,75 и 5,25 В. Даже при выходе из режима стабилизации напряжение может оставаться допустимым во всех условиях работы.

Когда напряжение батареи пересекает заданный уровень выхода

Заряженный элемент даёт на входе больше 3,3 В, а при разряде под нагрузкой напряжение опускается ниже 3,3 В. Для точной стабилизации во всём диапазоне нужны и понижение, и повышение.

Сначала проверьте полярность модуля с маркировкой buck-boost. Классическая инвертирующая схема с одним дросселем выдаёт отрицательное напряжение относительно общего провода. Для положительного выхода выберите неинвертирующую схему и убедитесь, что стабилизация сохраняется в переходной области. Четыре ключа для этого необязательны: ориентируйтесь на заявленные характеристики перехода.

Потянет ли источник нагрузку при минимальном напряжении?

При одинаковой выходной мощности и близком КПД входной ток растёт по мере снижения напряжения. Проверьте и источник, и модуль при наименьшем ожидаемом напряжении на входных выводах. Подставьте КПД в этой рабочей точке в долях единицы и учтите остальные ограничения.

Средний входной ток (А) = выходное напряжение (В) × ток нагрузки (А) ÷ [минимальное напряжение на входе модуля (В) × КПД]

На входе осталось 3,0 В, а нагрузке нужны 5 В и 1 А, то есть 5 Вт. Для обоих случаев примем КПД в этой точке равным 85% и подставим в формулу 0,85.

Расчёт проверяет мощность источника в установившемся режиме. Затем проверьте длительную работу платы при ожидаемой температуре и обдуве, а также запуск системы при минимальном входном напряжении.

Что означает «2 А» в характеристиках модуля?

В примере нагрузка берёт 1 А, а источник на 3,0 В отдаёт в среднем около 1,96 А. Ток дросселя меняется в каждом периоде переключения, поэтому мгновенный пиковый ток ключа выше. Смысл надписи «2 А» определяется названием параметра и условиями испытания.

Сравним два условных описания для этой нагрузки.

• Для платы А указано только «2 А» в заголовке. Запросите длительный выходной ток при входе 3,0 В и выходе 5 В с указанием условий охлаждения. До этого пригодность платы неясна.
• Для платы Б даны кривые. На кривой для выхода 5 В найдите вход 3,0 В и сравните соответствующий выходной ток с 1 А. По КПД при этих входе и нагрузке оцените ток источника. Различайте типовые и гарантированные значения и сравните условия охлаждения с вашим корпусом.

Найдите минимальное напряжение запуска под нагрузкой. Сравните бросок тока с допустимым импульсным током источника и проверьте глубину просадки на входе платы. Если устройство продолжает работать от разряженной батареи, это ещё не гарантирует повторный запуск. Измерения запуска у TI

Для TPS61022 компания TI указывает порог ограничения тока ключа по нижнему значению при входе 3,6 В и выходе 5 В. Это нижняя точка тока дросселя за период переключения.

Минимум	Типовое	Максимум
6,5 А	8 А	10 А

Для другой рабочей точки, 1,8 В на входе и 5 В на выходе, TI берёт минимальный порог 6,5 А, пульсации тока дросселя и КПД 87% и получает оценку выходного тока 2,12 А. Типовые 8 А и расчётные 2,12 А относятся к разным токам. Пример расчёта TI

Что измерить, если устройство на батарее перезагружается

Сравните напряжения при одном и том же изменении нагрузки. Измерьте на клеммах источника и на входе модуля. При наличии выходного кабеля измерьте и на плате, и на нагрузке.

Сравните клеммы источника со входом платы

Если напряжение падает уже на источнике при включении нагрузки, проверьте заряд батареи, допустимый длительный ток и фактическое потребление.

Если источник держит напряжение, а на входе оно заметно ниже, осмотрите прямой и обратный провод, разъёмы, выключатели и держатели предохранителей.

Просадка на плате или в выходном кабеле?

Если выход понижающего модуля проседает при приближении входа к заданному напряжению, возможна нехватка запаса. Могут также влиять большой ток нагрузки или тепловое ограничение.

Если на плате выход стабилен, а на нагрузке проседает, проверьте выходные провода и контакты. Если проседает на самой плате при допустимом входном напряжении, проверьте токовые и тепловые ограничения и потребление нагрузки.

Перезапуск при включении или после прогрева?

Мультиметр усредняет показания и в зависимости от частоты выборки может пропустить короткую просадку. Если показания стабильны, но перезапуск связан с включением или импульсом нагрузки, используйте быстрый захват минимума и максимума или осциллограф на входе и выходе.

Если холодный запуск проходит нормально, различите постепенный разряд батареи, при котором падает входное напряжение и растёт ток для той же мощности, и тепловое ограничение платы. Запишите входное напряжение и температуру платы в момент перезапуска.

Зная реальный входной диапазон, требуемое выходное напряжение и наибольший рабочий ток, сравните их с характеристиками DC-DC-преобразователей.