Ізольований, підвищуючий DC-DC перетворювач на мікросхемі SG3525

    У світі електроніки стабільне живлення — це не просто бажане, а критично необхідне. Особливо коли мова йде про живлення пристроїв, які мають працювати у складних умовах, з високою надійністю та безпекою. У таких випадках на допомогу приходять ізольовані DC-DC перетворювачі — модулі, які не просто змінюють рівень напруги, а й повністю електрично розривають вхід і вихід. 

Що таке ізольований DC-DC перетворювач?

Це перетворювач постійної напруги, який має гальванічну розв'язку між входом і виходом. Зазвичай він реалізується за допомогою трансформатора. Така конструкція дозволяє:

• запобігати переносу шумів і пульсацій між схемами;
• підвищити безпеку (особливо у випадках, коли вхід — це високовольтна шина або нестабільне джерело);
• створювати незалежні «плаваючі» живлення для чутливої електроніки.

    Ізольовані DC-DC перетворювачі — це не тільки про трансформацію напруги, а передусім про надійність, безпеку та стабільність роботи системи. У проєктах, де важливі електробезпека, розділення логіки та силової частини, а також захист від помилок — ізольований перетворювач стане незамінним компонентом.

    Далі у статті описано процес проектування то збирання ізольованого DC-DC перетворювача на популярному серед радіолюбителів ШІМ-контроллері SG3525.

Задамося необхідними параметрами:

• Вхідна напруга: 13В..15В
• Вихідна напруга: 16В
• Вихідний струм 10А
• Потужність без врахування ККД: 160 Вт.

    Конструктивно перетворювач складається з плати ШІМ-генератора [30 x 23 мм] і силової плати [60 x 113 мм], які з'єднані між собою кутовим-PLS конектором. Також передбачено радіатор для охолодження силових елементів.

1) Плата ШІМ-генератора має наступну схему:

Схема плати CTRL.

    Напруга живлення через захисний діод VD2 та через феритову бусину FB1 потрапляє на капи C1 і C2 і на вхід лінійного стабілізатора DA1.  

Розрахунок резисторів для LDO.

    Який розрахований на 12В вихідної напруги. Він має забезпечувати стабільним живленням мікросхему SG3525. Якщо планується живити DC-DC від більшої за 15В напруги, то варто підібрати стабілізатор з більшою максимально допустимою вхідною напругою. Бо цей козак розрахований лише на 15В.
    Частота роботи ШІМ-контроллера розрахована на 46 кГц

Розрахунок частоти SG3525.

    Транзистор VT1 слугує ключем, що відповідає за ввімкнення перетворювача. Якщо на його базу прилітає +12В, то на колекторі і відповідно на виводі SDN DA2 встановлюється низький логічний рівень і мікросхема починає генерувати ШІМ на свої виходи. VD1 - діод, що обмежує напругу на базі VT1. З платою керування думаю все!

2) Схема PWR-плати:

    Вхідна напруга подається на клеми X1 та X2. Далі запобіжник на 20А. Автор використав автомобільний запобіжник на 20А, розробив для нього футпрінт і запаяв прямо у плату. Без використання всяких холдерів. Вважаю так буде надійніше. Хоча і дещо незручно його міняти.
Після запобіжника у нас 3 штуки діодів Шоткі. Вони є захистом від переполюсовки. Після них вхідний фільтр з елементів C1, C3, L1, C2, C4,C5,C6,C7,C8.

    Відфільтрована вхідна напруга потрапляє на середню обмотку трансформатора TR1. Його розрахунок проводився у всім відомій програмі:

    Осердя для трансформатора купував у київському магазині - тут. П.С. На скріні вище невірно вказана частота(

Трансформатор мотався вручну. Виглядає ось так:

    Після трансформатора напруга випрямляється парою здвоєних діодів шоткі і згладжується вихідним фільтром С12, С13, L2, C16, C14, C19, C9, C15, C17, C18.

    Вузол на компонентах C11,R1, R2,R11,R12  Відповідає за захист від перевантаження. І налаштовується вже при монтажі перетворювача у проект. Коли значення струму через транзистори утворює падіння напруги на движку підстроювального резистора R1 -  більше 1В. То ця напруга потрапляє на вивод SDN мікросхеми SG3525 і апаратно перериває генерацію ШІМ.

    Вузол на компонентах VD2, R5, R6, D1, C10, R7, R8 - є контуром зворотнього звязку по-напрузі. І відповідає за її стабільність. R7 і R8 відповідають за значення вихідної напруги. (На схемі показані номінали елементів для вихідної напруги 12В)

Схема стабілізації вихідної напруги працює так:

1. TL431 починає проводити струм, і відкривати оптрон VD2 коли на його вхід (Ref) подано 2.5 В.

2. На цей вхід подається напруга з резистивного дільника — R7 і R8, підключених до виходу живлення.

3. Отже, вихідна напруга визначається формулою:

$$V_{\text{OUT}}=V_{\text{REF}}(1+\frac{R7}{R8})$$

де:

• $V_{\text{REF}} = 2.5$ В (опорна напруга TL431),

• R7 — верхній резистор дільника (між виходом і Ref),

• R8 — нижній резистор дільника (між Ref і GND).

Швидко порахувати R7 для заданого R8 і бажаної вихідної напруги можна так:

$$\boxed{R7 = R8 \cdot \left( \frac{V_{\text{OUT}}}{V_{\text{REF}}} - 1 \right)}$$

HG1 - індикація наявності напруги на виході, R10 - невеличкий нагрузочний резистор для нормальної роботи без основного навантаження.

Тепер фото як все це діло виглядає у зборі:

    На плату ШІМ було припаяно додатково електроліт на 10мкФ, між землею і виводом 8 мікросхеми 3525. Для плавного ввімкнення ШІМ.

Транзистори і діоди ізольовані від радіатора через термопрокладки.

Радіаторний профіль ось такий.

Монтажні схеми плат:

Репозиторій проекту, де можна взяти плати, BOM, GERBER: Vitech-ua@github.