Przetwornica DC-DC — różnice i jak wybrać odpowiednią

Czasami można odnieść wrażenie, że przetwornice napięcia są wszędzie, nawet tam, gdzie pozornie nie mają czego szukać.
Można je spotkać w powerbankach, smartfonach, TV boxach, komputerach, hubach USB, routerach i wielu innych urządzeniach.

Oprócz tego przetwornice są sprzedawane jako osobne moduły, przeznaczone zarówno do amatorskich projektów elektronicznych, jak i do całkiem profesjonalnych zastosowań. I właśnie o tych „niewidzialnych pomocnikach” będzie dziś mowa.

Jak zwykle przypominam: aby być na bieżąco z nowymi wpisami na blogu, polecam obserwować mnie na Instagramie. Będę tam publikować powiadomienia o nowych tematach, a może też pisać o czymś ciekawym — link do profilu


Przetwornice napięcia dzielą się na trzy główne grupy:
1. Obniżające
2. Podwyższające
3. Uniwersalne

Trzeci typ dzieli się przy tym na trzy podgrupy:
1. Złożone z dwóch przetwornic: najpierw podwyższającej, a potem obniżającej. Najczęściej nazywa się je Buck-Boost.
2. Uniwersalne, które automatycznie przełączają się między trybem obniżania i podwyższania napięcia
3. SEPIC — w pełni uniwersalna przetwornica

Przetwornice mogą mieć też dodatkowe funkcje:
1. Izolację galwaniczną wejścia i wyjścia
2. Kilka napięć wyjściowych
3. Odwracanie polaryzacji napięcia wyjściowego
4. Regulację prądu i/lub napięcia
5. Wskaźnik
6. Obsługę protokołów szybkiego ładowania Quick Charge, Power Delivery itp.

Już sama lista dostępnych wariantów (nie licząc ich kombinacji) pokazuje, że modeli przetwornic jest mnóstwo. Do tego dochodzą jeszcze inne różnice, na przykład możliwość podłączenia do komputera, bardzo niski pobór mocy w trybie czuwania, szerszy zakres napięcia wejściowego, zastosowanie prostownika synchronicznego zwiększającego sprawność itd.

Warto też pamiętać, że stabilizatory liniowe („KREN-ki”) nie są przetwornicami. W uproszczeniu przetwornice to „transformatory prądu stałego”: na przykład przy napięciu wyjściowym 5 V i prądzie 3 A oraz napięciu wejściowym 15 V prąd pobierany na wejściu będzie odpowiednio mniejszy. W stabilizatorach liniowych prąd jest natomiast zawsze taki sam.

Obniżające przetwornice napięcia.
Zazwyczaj pracują w topologii Step-Down. Napięcie wejściowe musi być zawsze o około 5–20% wyższe od wyjściowego.


Ostatnio coraz większą popularność zdobywają kompaktowe przetwornice synchroniczne oparte na układzie MP2225, z deklarowanym maksymalnym prądem wyjściowym do 5 A. Przy tak niewielkich rozmiarach wygląda to bardzo interesująco. Linki do pierwszego i drugiego modułu.
Jest też dość nietypowy moduł zasilający DC-DC DD4012SA, wykonany w formie „KREN-ki”, który pozwala ją zastąpić i zwiększyć sprawność.



Wśród elektroników-amatorów dobrze znane są przetwornice oparte na układach LM2596S, XL4005 i XL4015. Więcej uwagi warto poświęcić drugiemu i trzeciemu wariantowi. Układy sterujące z tych serii są zazwyczaj oryginalne, choć zaprojektowane w Chinach, natomiast LM2596 jest często podrabiany.
Te modele przetwornic zapewniają prąd wyjściowy do 3 lub 5 A, regulację napięcia oraz zakres napięcia wejściowego od 4–5 V do 30–40 V. Ich główną zaletą są całkiem dobre parametry pod obciążeniem przy niezbyt wysokiej cenie.


Na podobnych płytkach można czasem znaleźć dwa, a nawet trzy potencjometry montażowe. Drugi służy zazwyczaj do regulacji ograniczenia prądu, a jeśli jest trzeci, ustawia się nim próg sygnalizacji ograniczenia prądu. Takie płytki stosuje się tam, gdzie potrzebne jest ograniczenie prądu, na przykład przy zasilaniu matryc mocnych diod LED lub ładowaniu akumulatorów. Czasami na takich płytkach montuje się też wskaźnik napięcia i prądu, co jeszcze bardziej zwiększa wygodę użytkowania i w praktyce zmienia je w uniwersalną ładowarkę., P
Pierwsza płytka, druga i trzecia.


Dostępne są też mocniejsze wersje, na przykład oparte na popularnym kontrolerze XL4016. Zwykle deklarowany prąd obciążenia wynosi w ich przypadku 8-12 A, a czasem do takich płytek dodaje się amperomierz z woltomierzem, uzyskując prosty zasilacz laboratoryjny.
Jeśli to za mało, po prawej pokazano na przykład przetwornicę z ograniczeniem prądu, napięciem wejściowym 20-70 V i prądem wyjściowym do 30 A przy napięciu 2,5-58 V. Można jej już użyć do zasilania lodówki samochodowej z akumulatora 24 V.
Pierwsza płytka, druga i trzecia



Przetwornice podwyższające
Równie ciekawy i przydatny segment urządzeń, choć nie tak popularny.
Warto od razu wyjaśnić pewną cechę większości przetwornic w topologii Step-Up, która może pomóc uniknąć spalenia urządzenia lub przetwornicy. Przetwornice zbudowane w tej topologii nie mogą podać na wyjściu napięcia niższego niż napięcie wejściowe pomniejszone o spadek napięcia na diodzie. Czyli jeśli na wejściu jest 20 V, na wyjściu nie uzyskamy mniej niż 19,5 V. To ważne i trzeba o tym pamiętać.
Pamiętajcie też, że jeśli dla przetwornicy podwyższającej podano maksymalny prąd wyjściowy, to najpewniej jest to prąd przy minimalnym stosunku napięcia wejściowego do wyjściowego. Lepiej kierować się maksymalnym prądem wejściowym i obliczyć moc przetwornicy.
Uwzględnienie powyższych cech pozwoli uniknąć błędów i korzystać z przetwornic podwyższających skuteczniej i bezpieczniej.



Na początek można wyróżnić kilka „popularnych” modeli, które mimo bardzo niskiej ceny zaspokajają większość potrzeb majsterkowiczów.
Dwa pierwsze modele są oparte na kontrolerach SX1308 i MT3608. Ich zaletą jest to, że zaczynają pracować już przy napięciu 1,8-2 V, co ma kluczowe znaczenie w urządzeniach zasilanych z akumulatora.
W trzeciej przetwornicy zastosowano układ XL6009. Minimalne napięcie wejściowe wynosi tu 5 V, a moc wyjściowa jest nieco większa niż w poprzednich modelach. Ogólnie są jednak bardzo podobne, dlatego SX1308 i MT3608 są ciekawsze ze względu na mniejsze rozmiary.

Takie przetwornice dobrze sprawdzają się przy zasilaniu odbiorników o niewielkiej mocy, na przykład taśm LED 12 V zasilanych z jednego lub dwóch akumulatorów litowo-jonowych.



Mocniejsze przetwornice oparte na XL6019 również mają minimalne napięcie wejściowe 5 V i dopuszczają prąd wbudowanego klucza do 5 A, czyli około dwa razy większy niż w poprzednich modelach.
Jeśli trzeba zasilić jeszcze większe obciążenie, na przykład laptop z akumulatora samochodowego, sprawdzi się przetwornica QSKJ QS-1224CBD o prądzie od 10 A i mocy do 150 W.
Pierwsza płytka i druga, jako trzecią opcję polecę nieco inną, ale równie przydatną. Mam też jej recenzję.


Bardzo często potrzebna jest nie tylko stosunkowo duża moc wyjściowa, ale także funkcja ograniczenia prądu. Znacznie poszerza to zakres zastosowań, umożliwiając ładowanie akumulatorów do rowerów elektrycznych i zasilanie mocnych naświetlaczy LED. Co więcej, z przetwornicą podwyższającą można wykorzystać dosłownie to, co akurat jest pod ręką, na przykład niedrogie zasilacze 12 V albo akumulator samochodowy.
Trzeba jednak pamiętać, że takie przetwornice nie mają zabezpieczenia przed zwarciem i ograniczają prąd tylko do momentu, gdy napięcie na obciążeniu spadnie poniżej napięcia źródła.

Pierwsza przetwornica ma moc do 400 W przy maksymalnym prądzie do 12 A
QSKJ QS-2448CCBD jest bardziej kompaktowa, ale ma moc do 100 W (190 W przy dodatkowym chłodzeniu); komponenty zamontowano na aluminiowym podłożu, które można przymocować do radiatora, aby poprawić chłodzenie.
Z kolei przetwornica podwyższająca BMM9201 oprócz ograniczenia prądu ma także wyświetlacz, na którym można wyświetlić informacje o prądzie lub napięciu — zarówno wejściowym, jak i wyjściowym. Służy do tego specjalna zworka.



Jeśli to nadal za mało, można użyć przetwornicy QSKJ QS-4884CCCV. Ma ona również funkcję ograniczania prądu wyjściowego, ale jest dostępna w dwóch wersjach: 1200 i 1800 W. Różnica w cenie między nimi jest minimalna, a kluczowe różnice w modelu 1800 W to mocniejszy dławik i trzy bezpieczniki zamiast dwóch w słabszej wersji.
Oba modele mają masywny radiator i aktywne chłodzenie.

Maksymalny prąd wejściowy pierwszego modelu wynosi 20 A, a drugiego około 25–30 A, więc przy zasilaniu napięciem 12 V uzyskamy tylko 240 lub 360 W.
Ponadto, ponieważ prąd wejściowy przetwornicy podwyższającej jest większy od prądu wyjściowego proporcjonalnie do współczynnika konwersji, trzeba się upewnić, że źródło zasilania będzie w stanie dostarczyć taki prąd. Dotyczy to wszystkich przetwornic podwyższających. Przykładowo: maksymalny prąd wejściowy przetwornicy wynosi 10 A, a na wyjściu chcemy uzyskać 36 V i 5 A. Oznacza to, że napięcie źródła musi wynosić co najmniej (36×5)/10 = 18 V, bez uwzględnienia sprawności. Ponieważ sprawność wynosi zwykle około 90%, potrzeba co najmniej 20 V, a najlepiej 24 V.



Przetwornice uniwersalne.
To szczególna seria przetwornic, których kluczową cechą jest możliwość zarówno podwyższania, jak i obniżania napięcia. Stosuje się je rzadziej niż przetwornice podwyższające lub obniżające, ale czasami nie da się bez nich obejść. Przykładem jest zasilanie urządzeń wymagających 12 V w samochodzie, gdzie napięcie może się zmieniać od 10 do 15 V, zależnie od sytuacji.

Są tu trzy podstawowe warianty.

Step-Up Step-Down.
Pod tą nazwą sprzedawane są różne rozwiązania, ale prawidłowe jest to, w którym na płytce znajdują się dwie niezależne przetwornice. Pierwsza podwyższa napięcie wejściowe do określonej wartości, a druga obniża je do wymaganej wartości.


Takie przetwornice są skomplikowane i mają niską sprawność, a ponieważ ich konstrukcja to „dwa w jednym”, cena też nie zachwyca.
Mają jednak jedną zaletę: niski poziom tętnień na wyjściu.
Ze względu na wymienione cechy spotyka się je rzadko. Przykładem jest niewielka płytka o niezbyt dobrych parametrach oraz całkiem niezła regulowana przetwornica DPS5005, która wyróżnia się dobrymi parametrami i dość wysoką sprawnością.


SEPIC
To dość stara topologia, ale bardzo interesująca, ponieważ wymaga tylko jednego sterownika PWM, jednego tranzystora mocy i diody. Jej cechą charakterystyczną są dwa jednakowe dławiki, choć spotyka się też wariant z jednym dławikiem z dwoma uzwojeniami.
Zalety: prosta konstrukcja układu, niezbyt wysoka cena i wyższa sprawność niż w przetwornicy podwyższająco-obniżającej, ale też wyższy poziom tętnień.
Podobnie jak poprzednia, może umożliwiać regulację nie tylko napięcia wyjściowego, ale także prądu, a ponadto całkowite wyłączenie wyjścia.


Wybór przetwornic tego typu jest duży, więc znalezienie odpowiedniej nie stanowi problemu.
SEPIC na bazie bardzo popularnego układu XL6019, napięcie wejściowe 5-32 V, wyjściowe 1,25-35 V, prąd obciążenia do 1,5 A. Prosta i niedroga przetwornica, wyposażona w dodatkowy filtr ograniczający tętnienia na wyjściu.
Bardziej zaawansowana przetwornica DC-DC ZK-SJVA-4X ma już nie tylko regulację napięcia i prądu, ale także wyświetlacz. Zakres napięcia wejściowego wynosi 5,5-30 V, a wyjściowego 0,5-30 V przy prądzie do 4 A.
Trzecia przetwornica nie ma wprawdzie regulacji prądu wyjściowego, ale jest wyposażona w zabezpieczenie przed przegrzaniem, ma moc do 80 W i wskaźnik napięcia, co również może się przydać.


Przetwornica uniwersalna.
Bardzo nietypowa topologia przetwornicy, wyróżniająca się wysoką sprawnością, większą niezawodnością i możliwością regulacji nie tylko napięcia i prądu, ale także minimalnego napięcia wejściowego. Ma chyba tylko dwie wady: cenę i niewielki wybór modeli, ponieważ konstrukcje te bazują głównie na kontrolerze LTC3780 firmy Linear.

Ta przetwornica jest hybrydowa i zawiera jeden kontroler PWM oraz jeden dławik, ale dwa stopnie mocy z prostowaniem synchronicznym, które działają zależnie od stosunku napięcia wejściowego do wyjściowego.


Wybór modeli jest niewielki, a różnice między nimi minimalne. Istnieje wprawdzie wersja podwójna, składająca się z dwóch modułów na jednej płytce, ale spotyka się ją bardzo rzadko.
Przetwornica na bazie LTC3780 działa przy napięciu wejściowym 5-30 V i zapewnia na wyjściu napięcie 0,5-30 V, prąd do 8-10 A oraz moc do 80-130 W.
Przetwornica świetnie nadaje się do ładowania akumulatorów, budowy zasilaczy awaryjnych ze stabilizowanym wyjściem, a także do zasilania wymagających odbiorników.



Przetwornice o dodatkowych funkcjach.
W niektórych przypadkach przetwornice mogą mieć dodatkowe funkcje lub cechy, które wyróżniają je na tle innych, dlatego warto wydzielić je w osobną grupę.

Przetwornice z wyjściem USB do ładowania lub zasilania tabletów, smartfonów i innych urządzeń zasilanych przez USB.
Są bardzo proste modele, których jedyną zaletą jest niska cena i możliwość uzyskania 5 V z pojedynczego akumulatora Li-Ion.
Dostępne są też wielokanałowe przetwornice obniżające, takie jak QSKJ QS-1205CBUM, ale jej wyróżnikiem nie jest liczba kanałów, lecz nowoczesny kontroler PWM z prostowaniem synchronicznym i zewnętrznymi tranzystorami mocy, dzięki czemu uzyskano prąd wyjściowy do 8 A przy wysokiej sprawności. Ponadto ma zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją zasilania oraz „oszukiwacze” na każdym porcie, które pozwalają prawidłowo rozpoznawać różne modele smartfonów.
Przetwornica MH-KC24 jest bardzo kompaktowa i przypomina pierwszą, ale ma też swój „bajer” — obsługuje urządzenia Quick Charge. Jest to również przetwornica obniżająca, a maksymalne napięcie wyjściowe wynosi 12 V.


Osobną pozycję na liście ładowarek USB zajmują przetwornice firmy YZXStudio. Oprócz prawidłowego układu, wysokiej jakości komponentów i niezawodnego działania obsługują wiele protokołów szybkiego ładowania.
ZC822 to podstawowy model, obsługujący QC/PD i moc wyjściową do 27 W.
ZC823 obsługuje już nie tylko QC/PD, ale może też zapewnić moc 60 W przy napięciu wyjściowym 20 V.
ZC826P to bardzo rzadka przetwornica. Oprócz funkcji szybkiego ładowania jest dwukierunkowa: jeśli podłączymy akumulator do jej wejścia, a do wyjścia USB Type-C zamiast obciążenia zasilacz, przetwornica zacznie działać w odwrotnym kierunku i ładować akumulator. Mając taką przetwornicę i akumulator, można więc samodzielnie zbudować powerbank z mocnym wyjściem i obsługą wielu protokołów. Przy zasilaniu napięciem 12 V przetwornica może podawać od 5 do 20 V, jest więc uniwersalna i dwukierunkowa.

Niestety nie ma ich już na AliExpress. Dostępny jest podobny model, ale nie 60, tylko 120 W — link
Recenzje tych przetwornic: pierwsza, druga, trzecia.
YZXStudio oferuje również płytki rozszerzeń do swoich urządzeń. Po zamontowaniu na nich pokazanych modułów można zbudować wielokanałową ładowarkę „według własnego uznania”. Właśnie dlatego wszystkie moduły mają takie same wymiary i rozmieszczenie złączy.



W ostatnim czasie coraz większą popularność zdobywa mały transport elektryczny: hoverboardy, hulajnogi elektryczne, rowery elektryczne i skutery. Pojawia się więc potrzeba uzyskania niskiego napięcia z ich akumulatorów.
W sprzedaży jest wiele przetwornic obniżających zbudowanych w topologii Step-Down, ale ich niska niezawodność i brak izolacji galwanicznej mogą się źle skończyć dla podłączonych urządzeń. Przetwornica może po prostu ulec zwarciu, a na obciążeniu pojawi się pełne napięcie akumulatora.
Do takich zastosowań można polecić markowe moduły firmy Murata. Moduły te były używane w sprzęcie telekomunikacyjnym, ale obecnie można je znaleźć także w zwykłej sprzedaży, i to za niewielkie pieniądze. Ich najważniejsze zalety to wysoka jakość wykonania i izolacja galwaniczna. Wadą jest stałe napięcie wyjściowe, choć w razie potrzeby można je nieco skorygować.
Do najciekawszych należy muRata HPH-12/30-D48NHL2-Y, który przy napięciu wejściowym 36-75 V zapewnia na wyjściu 12 V i prąd do 30 A, czyli 360 W.
Recenzja tych przetwornic — link



Produkowane są również przetwornice przeznaczone do pracy w trudnych warunkach, na przykład w samochodach i łodziach. Zazwyczaj mają szczelną obudowę, która przy dużej mocy wyjściowej pełni funkcję radiatora, oraz dodatkowe układy zabezpieczające.

Na przykład szeroki wybór podobnych przetwornic oferuje firma RCNUN. Samo wymienienie dostępnych wariantów zajęłoby połowę artykułu, dlatego polecam zajrzeć do ich sklepu. Są to przetwornice obniżające, podwyższające, uniwersalne, regulowane i o stałym napięciu, dostępne z przewodami, zaciskami lub złączami USB.

Jako przykłady można podać:
RC120503 — wejście 6-20 V, wyjście 5 V, 3 A
RC8-40S1210 — wejście 8-40 V, wyjście 12 V, 10 A
RC12240540 — wejście 8-36 V, wyjście 5 V, 40 A


Jak widać, wybór topologii, modeli i wersji wykonania przetwornic jest naprawdę ogromny, a pokazaliśmy zaledwie niewielki ułamek tego, co jest obecnie produkowane.
Najważniejsze zadanie to teraz dobrać przetwornicę do konkretnego zastosowania. Mam nadzieję, że ten artykuł w tym pomoże.