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Einführung in DC-DC-Wandler

DC-DC-Wandler werden weithin verwendet, um effizient eine geregelte Spannung aus einer Quelle zu erzeugen, die für eine Last, die konstant sein kann oder nicht, gut gesteuert werden kann oder nicht. Dieses Whitepaper stellt DC/DC-Wandler kurz vor, erwähnt gängige Beispiele und beschreibt wichtige Datenblattparameter und Anwendungen von DC/DC-Wandlern.
Ein DC-DC-Wandler ist eine Hochfrequenz-Leistungsumwandlungsschaltung, die Hochfrequenzschaltungen und Induktivitäten, Transformatoren und Kondensatoren verwendet, um Schaltgeräusche auf eine geregelte Gleichspannung zu reduzieren. Eine geschlossene Rückkopplungsschleife hält eine konstante Ausgangsspannung aufrecht, selbst wenn sich die Eingangsspannung und der Ausgangsstrom ändern. Mit einem Wirkungsgrad von 90 % sind sie typischerweise viel effizienter und kleiner als lineare Regler. Ihre Nachteile sind Lärm und Komplexität.
DC/DC-Wandler sind in nicht isolierten und isolierten Ausführungen erhältlich. Die Isolation hängt davon ab, ob die Eingangsmasse mit der Ausgangsmasse verbunden ist oder nicht.
Vier gängige Topologien, die Hersteller nützlich finden könnten, sind Buck-, Boost-, Buck-Boost- und SEPIC-Wandler.
Der Tiefsetzsteller senkt die Spannung, um eine Spannung zu erzeugen, die kleiner als die Eingangsspannung ist. Ein Abwärtswandler kann verwendet werden, um einen Lithium-Ionen-Akku mit bis zu 4,2 V von einer 5-V-USB-Quelle aufzuladen.

Abwärtswandler
Ein Aufwärtswandler verstärkt die Spannung, um eine Spannung zu erzeugen, die höher als die Eingangsspannung ist. Ein Aufwärtswandler kann verwendet werden, um eine Reihe von LEDs von einer Lithiumzelle anzutreiben oder einen 5-V-USB-Ausgang von einer Lithiumzelle bereitzustellen.

Schnellumrechner

Ein Buck-Boost-Wandler erhöht oder verringert eine Spannung, um eine Spannung über oder unter der Eingangsspannung zu erzeugen. Sie können einen Buck-Boost verwenden, um einen 12-V-Ausgang von einer 12-V-Batterie bereitzustellen. Die Spannung einer 12-V-Batterie kann zwischen 10 V und 14,7 V variieren. Ein Buck-Boost kann auch eine LED aus einer einzelnen Zelle versorgen. Der LED-Vorwärtsabfall beträgt bis zu 3 V. Lithiumbatteriezellen können zwischen 2,5 V und 4,2 V variieren. Es gibt einen Buck-Boost, der positive und negative Spannungen erzeugt.

: Buck-Boost-Konverter

SEPIC-Wandler erhöhen oder verringern auch die Spannung, um eine Spannung über oder unter der Eingangsspannung zu erzeugen. SEPIC wird für Buck-Boost-ähnliche Anwendungen verwendet, bietet aber in einigen Anwendungen einige Vorteile.

: SEPIC-Konverter
Wichtige Beispiele für isolierte DC-DC-Wandler sind Vorwärts- und Sperrwandler. Der Durchflusswandler ist ein isolierter Abwärtswandler. Der Flyback ist ein isolierter Aufwärtswandler. Ein isolierter Stromrichter hat keine Eingangsmasse und keine Ausgangsmasseverbindung. Dies kann verwendet werden, um positive und negative Spannungen zu erzeugen, je nachdem, wie Sie die Ausgangsklemmen verbinden. Siehe Abbildung 5 für ein Beispiel für die Verwendung eines isolierten DC/DC-Wandlers zur Erzeugung positiver und negativer Ausgangsspannungen.
wichtige Leistungsmerkmale
Datenblätter von DC/DC-Wandlern enthalten Schlüsselparameter, die wichtige Eigenschaften beschreiben. Hier sind einige wichtige Merkmale, die Sie bei Ihrem Design berücksichtigen sollten:

Effizienz

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der Eingangsleistung, die die Last erreicht. Einige DC-DC-Wandler haben einen Wirkungsgrad von mehr als 90 %. Wenn Sie einen DC/DC-Wandler verwenden, sollten Sie sicherstellen, dass die Quelle, die den DC/DC-Wandler mit Strom versorgt, genügend Leistung liefern kann, um die Ineffizienz auszugleichen. Eine gute Faustregel ist, davon auszugehen, dass der DC-DC-Wandler einen Wirkungsgrad von 80 % hat, und eine Quelle mit 125 % Lastleistung zu verwenden. Wenn Sie beispielsweise eine 4-W-Last benötigen, verwenden Sie einen 4-W-DC-DC, der von einer 5-W-Quelle gespeist wird. Der Wirkungsgrad eines wandler/dc-dc wird normalerweise durch eine Kurve angegeben, bei der bei einem bestimmten Laststrom der maximale Wirkungsgrad erreicht wird. Der Wirkungsgrad kann bei niedrigen Leistungsausgängen niedriger sein, wenn die zur Versorgung der Schaltung erforderliche Leistungsmenge mit der Lastleistung vergleichbar ist.
aktuelle Bewertung
Dies ist die maximale Strommenge, die der Benutzer versuchen sollte, den DC-DC-Wandler an die Last zu liefern. DC-DC-Wandler können mehr Strom als diese Menge liefern, aber sie können heiß werden und ausfallen.
Temperaturklasse
Dies ist die maximale Umgebungstemperatur, bei der der DC-DC-Wandler unter Volllast laufen darf. Das Überschreiten dieser Sicherheitsgrenze kann dazu führen, dass der DC-DC-Wandler überhitzt und beschädigt oder als Schutzmaßnahme abgeschaltet wird.

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