КПД DC-DC преобразователей.

Стабилизатор напряжения - неотъемлемая часть любого электронного устройства. И в последние годы линейные стабилизаторы почти полностью вытеснены DC-DC преобразователями, которые имеют большую эффективность и меньшее тепловыделение, по сравнению с линейными стабилизаторами. Причиной тому - высокий КПД DC-DC преобразователей. Вы наверняка встречали в описании DC-DC преобразователей строку "КПД: до 96%". И вот это "ДО" выглядит как маркетинговый ход не особо умного маркетолога, вроде тех гениальных ходов, которые мы ежедневно можем наблюдать в рекламе по телевизору.

• До 5 раз больше объема волос!
• До 7 раз больше чистой посуды!!
• Батарейки "дурасел" работают до 10 раз дольше!!!

То есть возможно и до 10 раз дольше и больше, но результат никто не гарантирует, потому как нижний предел не указан. И после таких маркетинговых ходов КПД DC-DC преобразователей ДО 96% не вызывает доверия. Каков же реальный КПД DC-DC преобразователей? Предлагаю провести лабораторную работу, по измерению КПД DC-DC преобразователей. Для этого нам понадобятся:

• Регулируемый блок питания со встроенным вольт-амперметром;
• Два мультиметра, включенные в режиме вольтметра и амперметра (и щупы к ним);
• Нагрузка в виде нихромовой спирали (дешево и сердито);
• Различные DC-DC преобразователи (повышающие, понижающие и универсальные).

Расчеты я предлагаю проводить в табличном редакторе, пусть это будут таблицы Google. Испытательный стенд построен по следующей схеме. Слева в пунктирном прямоугольнике расположены символ аккумуляторной батареи, вольтметра и амперметра - таким образом я обозначил блок питания со встроенными вольт- и амперметром. Посредине - наш подопытный DC-DC преобразователь, справа - нагрузка в виде спирали и снова пара вольтметр и амперметр. Зачем необходимо устанавливать вольтметр и амперметр одновременно? Дело в том, что КПД DC-DC преобразователей считается по мощности, необходимо выходную мощность поделить на мощность на входе. А значит в таблицу необходимо внести четыре значения силы тока и напряжения на входе и на выходе, остальные значения будут вычислены (на то нам таблицы гугл и нужны). Первый подопытный - понижающий DC-DC преобразователь, построенный на микросхеме XL4015 (достаточно распространенный преобразователь). КПД этого преобразователя может достигать фантастических 96%.

Первым делом я предлагаю проверить зависимость КПД от разности напряжения на входе и выходе. Напомню, в качестве нагрузки я использовал нихромовую спираль, которую можно приобрести в практически любом хозяйственном магазине. Я выбрал участок спирали, сопротивление которого составляет примерно 10 Ом (вы сами сможете посчитать сопротивление по закону Ома исходя из данных таблицы замеров). А вот собственно и сама таблица с замерами и расчетами.

Что мы здесь видим? Выходные значения стабильны и предсказуемы. Я установил напряжение на выходе 5 вольт, сопротивление постоянно, а значит и сила тока и мощность тоже будут стабильны. А входное напряжение я менял, сила тока соответственно тоже менялась. Что примечательно, мощность на входе растет, ну а КПД (отношение выходной мощности к входной) - падает. Максимальное входное напряжение для XL4015 составляет 38 вольт, однако предел для моего ЛБП - 30 вольт, а значит нижнее предельное значение КПД установить не удастся. Тем не менее, закономерность видна, и из этой закономерности делаем первый вывод - КПД понижающего DC-DC преобразователя зависит от разности напряжений на входе и выходе, чем разность выше, тем КПД ниже.

Но это ещё не всё. А что если изменять не напряжение, а силу тока на выходе? Поэтому я провел ещё пару опытов, на этот раз я не изменял напряжение на входе и выходе, а изменял сопротивление нагрузки, чтобы получить различные значения силы тока. В первом случае я установил разницу напряжений на входе и выходе DC-DC преобразователя минимальной, чтобы КПД был побольше, во втором случае разность напряжений выше. На нихромовой спирали я заранее определил точки подключения, прикрепив туда “крокодилы”. Получилось 6 точек. Заметьте, что при снижении сопротивления нагрузки, слегка падает напряжение на выходе DC-DC преобразователя, это естественно. А вот сила тока и мощность конечно же растут, сопротивление нагрузки то снижается.

А что же соотношение мощностей и КПД? В целом прослеживается закономерность - чем выше сила тока на выходе преобразователя, тем ниже КПД. НО в таблице показания немного скачут. Дело в том, что в качестве нагрузки используется нихромовая спираль, сопротивление которой зависит от температуры спирали. На самом деле сопротивление спирали достаточно стабильно. Но в моем случае сопротивление спирали имеет значение до 10 Ом, и нагрев достаточно сильно влияет на сопротивление, силу тока и мощность. Поскольку показания с приборов я снимал вручную, то снимал их я не в один момент, и показания на одном приборе успевали измениться, пока я записывал показания с другого.

С понижающими преобразователями разобрались. А что же с повышающими? Ответ даст следующий тест, для которого я использовал преобразователь, построенный на микросхеме XL6009.

Здесь прослеживаются абсолютно те же закономерности:

• чем выше разница между входным и выходным напряжением, тем ниже КПД DC-DC преобразователя;
• чем выше сила тока на выходе DC-DC преобразователя, тем ниже КПД.

Также заметен нижний порог входного напряжения: при 6 вольт на входе, напряжение на выходе резко проседает. Таким образом, фраза “КПД до 96%” - это не маркетинговый ход. Но нужно понимать, что такое высокое значение КПД достижимо только в определенных случаях - при малой разнице входного и выходного напряжений и при малой силе тока. Что же в итоге?

Допустим, что ваше устройство питается от аккумулятора, напряжение которого выше напряжения работы вашего устройства, и в вашем устройстве установлен понижающий преобразователь. Когда аккумулятор полностью заряжен, разница напряжений на входе и на выходе преобразователя больше, чем когда аккумулятор разряжен, а значит КПД ниже и аккумулятор разряжается быстрее. По мере разрядки аккумулятора КПД будет расти и аккумулятор будет разряжаться медленнее.

Рассмотрим другой случай. У меня есть портативный (насколько это можно) фонарик, со светодиодом 10 ватт, который работает от напряжения 36 вольт. Для питания этого светодиода я применяю сборку из 4 литиевых аккумуляторов 18650, соединенных последовательно, и повышающий преобразователь. В этом случае, когда аккумуляторы заряжены, разность на входе и выходе преобразователя минимальна, и аккумуляторы разряжаются медленно. По мере увеличения заряда аккумуляторов разность напряжений растет, КПД снижается и аккумуляторы начинают разряжаться быстрее. В случае питания устройств от сетевых источников питания входное напряжение стабильно, а значит КПД будет зависеть исключительно от силы тока потребителя.

В конце лабораторной работы обычно присутствует вывод. В этом случае я думаю выводы очевидны. КПД DC-DC преобразователей действительно может достигать высоких значений, в некоторых условиях. При это необходимо понимать, что в автономных устройствах, работающих от аккумуляторов, скорость разряда аккумуляторов неравномерна, и зависит в первую очередь от разности напряжения на входе и выходе преобразователя.