Zdieľaj článok na Sieť

Obsah článku

Tradiční způsoby snižování napětí

Až do roku cca 1980 – 1990 kralovaly v počítačích transformátorové zdroje, které byly postupně vytlačeny novými, účinnějšími, výkonnějšími, menšími a lehčími spínanými zdroji. Tento pokrok jsme jistě zpozorovali. Co jsme ale nemuseli zpozorovat byl nástup spínaných DC-DC měničů. Ty začínaly postupně od roku cca 1980 vytlačovat lineární stabilizátory, avšak masivního rozšíření se dočkávají až od roku cca 1995.

Proč vlastně potřebujeme spínané měniče, a v čem jsou lepší? O tom je tato kapitola. Člověk vždy potřeboval podle potřeby manipulovat s napětím, nejběžnější jsou transformátory. Využívá se vysokého napětí v rozvodné síti (110kV, 35kV, 22kV) pro vedení elektrické energie na velké vzdálenosti při nízkých ztrátách. Protože by člověk doma asi 35kV nechtěl, protože by musel rozsvěcet lustr přes dielektrickou hůl a na dielektrickém koberci, tak si lokálně (na úrovni několika ulic) transformujeme napětí na 230 / 400V. Toto napětí si například osobní počítač snižuje na 3,3V, 5V a 12V. Základní deska si 12V dále snižuje na cca 1,2V. Nebo mobilní telefon - nabíječka snižuje napětí z 230V na 5V, telefon z 5V na 4,2V, a dále pro své potřeby na cca 0,9V a další napětí pro své komponent. Napětí měníme každou chvíli, převážně jej snižujeme, protože čím komplexnější a vyspělejší zařízení provozujeme, tím víc různých napětí toto zařízení potřebu pro svou činnost.

Rezistor – neregulovaný způsob snižování napětí

Nejprimitivnější způsoby snižování napětí jsou pomocí rezistoru, lidově též odporu, podle jeho majoritní vlastnosti (tedy, alespoň při nižších frekvencích). Běžně se setkáváme například s rezistorem předřazeným před světelnou diodu – LED. Na rozdíl od žárovek, které si vystačí s pevným napětím +- bůhví kolik procent, LED jsou mnohem citlivější, a i mírné přepětí, například o 0,1V může znamenat jejich mnohem rychlejší konec. Proto bylo odjakživa pravidlem před LED dávat rezistor.

Dejme si příklad: Zdroj 5V z USB má napájet LED. LED má změřen při 20mA úbytek napětí 3,3V. Rozdíl napětí činí 5V – 3,3V = 1,7V. Odpor rezistoru tedy bude 1,7V ÷ 0,02A = 85 Ω. Účinnost tohoto obvodu lze spočítat zjednodušeně, protože proud je napříč obvodem stejný. 3,3 ÷ 5 × 100 = 66%. Účinnost 66% asi mnoha lidem žíly trhat nebude, obzvlášť když se tu jedná o výkonovou ztrátu 1,7V × 0,02A = 34mW.

Dejme si ale jiný příklad: Zdroj 24V má napájet LED Cree XHP70.2, které bylo při 4,8A změřeno napětí 6V. Rozdíl napětí činí 18V. Hodnota rezistoru bude 18V ÷ 4,8A = 3,75Ω. Účinnost bude přesně 25% (logicky, proud je napříč obvodem stejný a 6V je čtvrtina ze 24V). O to horší tato účinnost 25% bude v tom, že výkonová ztráta bude činit 18V × 4,8A = 86,4W. To je na nějaký pořádný 100 wattový rezistor přišroubovaný na velký chladič s ventilátorem. Efektivita doslova šeredná, a ztráty při dnešních uměle vyhnaných cenách energií likvidační.

Nevýhoda rezistoru tedy tkví v tím mizernější účinnosti, čím vyšší je rozdíl napětí. Výkonová ztráta pak stoupá s klesající účinností, a zvyšujícím se proudem. Druhá nevýhoda rezistoru je, že má pořád stejný odpor (když pomineme kladný teplotní koeficient odporu). Pokud bychom například připojili další LED paralelně, tak jejich jas bude mnohem nižší, protože dvě LED paralelně vyžadují rezistor o polovičním odporu. Rezistor tedy nemá load regulation (zátěžová regulace) – nemění parametry v závislosti na odebíraném proudu. Další případ je změna vstupního napětí. Rezistor nedisponuje ani žádnou tzv. Line regulation (kompenzace změny vstupního napětí) - tedy neumí nijak zareagovat na změny vstupního napětí, a typicky mu výstupní napětí stoupá úměrně vstupnímu.

Tyto problémy by řešily regulované snižující zdroje.

Zenerovou diodou regulované zdroje

Nejjednodušší regulovaný zdroj je rezistor v kombinaci se zenerovovou diodou. Viz obrázek 1 - stabilizátor se zenerovou diodou. R1 je rezistor omezující proud a napětí. ZD1 je regulující zenerova dioda, která při přesáhnutí nominálního napětí sníží svůj odpor, čímž pomáhá napětí (jakžtakž) stabilizovat. RZ je pak naše zátěž. Stejně jako je tomu u řešení s rezistorem, ve výkonových aplikacích by byly ztráty i zde neúměrně obrovské. Navíc je tento zdroj velmi, lidově řečeno, měkký. Stačí odebírat o polovinu vyšší proud, a napětí zdroje dost klesne, dost možná pod únosnou mez. Řešením by bylo zkonstruováni tvrdšího zdroje. R1 s menším odporem a vyšší proud ZD1. Toto ovšem zvyšuje ztráty naprázdno, které jsou obecně u tohoto řešení markantní – přeci jen, R1 a ZD1 musí stále protékat klidový proud. Proto se toto řešení používá jen jako zdroj referenčního potenciálu. Load i line regulation jsou zde sice přítomny, avšak regulují dosti ledabyle, takže pokud bychom se vzdálili od pracovního bodu, pro který byl obvod navržen, mohou tyto regulace nedostatečně kompenzovat změny.

Obrázek 1 - stabilizátor se zenerovou diodou

Dále máme například zdroj s hlavním tranzistorem, který se otvírá nebo zavírá na základě záporné stabilizující zpětné vazby z pomocného tranzistoru. Viz obrázek 2 - stabilizátor s tranzistorem. Toto řešení má v porovnání s předchozím případem mnohem nižší poměrnou vlastní spotřebu ku nominálnímu proudu, který chceme odebírat. Jeho load a line regulation jsou také přesnější, nežli je tomu v minulém případě. Avšak stále mají dost daleko k takové stabilitě, jakou běžně požadujeme.

Obrázek 2 - stabilizátor s tranzistorem

Zpětnovazební lineární stabilizátory

V předcházejících případech stabilizátorů si můžeme povšimnout jednoho zásadního problému. Ze svého principu nedostatečně kompenzují změny zátěže i změny vstupního napětí, protože jediné, co využívají, je nelinearita proudu zenerovy diody. Zenerova dioda má sice v pracovním bodě velkou změnu pomyslného odporu, který představuje pro protékající proud, avšak toto „koleno“ má pořád dost daleko k ideálnímu průběhu pro regulaci. Pro představu si můžete vygooglit VA charakteristiku zenerovy diody. Takže je jasné, že zenerova dioda nemůže být jediný regulační prvek, a taky nemůžeme spoléhat na zesílení tranzistoru. Jak tedy dále? Buďto můžeme donekonečna kompenzovat jednou věcí druhou věc, nebo zavedeme zpětnou vazbu. To je obvod, který reaguje jen a pouze přímo na situaci na výstupu. Na obrázku 3 - zpětnovazební tranzistorový stabilizátor vidíme právě takový příklad. Tranzistor T2 téměř přímo reaguje na napětí na výstupu, a otvírá nebo přivírá tranzistor T1 přes jeho bázi. Bipolární tranzistory jsou však pořád velmi závislé na protékajícím proudu, takže tento zdroj není ideální, i když je jeho load regulation i line regulation mnohem přesnější, a to v širším pracovním rozsahu.

Obrázek 3 - zpětnovazební tranzistorový stabilizátor

Tento stabilizátor byl postupně vylepšen, a nyní jej můžeme koupit jako hotový integrovaný obvod, například LM317, 7805, 7812 apod, viz obrázek 4 - Lineární stabilizátory LM317, 7805, 7812. Tyto stabilizátory v sobě čítají klidně 17 tranzistorů, díky čemu je jejich load regulation téměř perfektní a line regulation dostatečně přesná pro většinu aplikací. 7805 má na výstupu pevné napětí 5V, 7809 9V, 7812 12V apod. Všechny tyto stabilizátory mají společnou zem a snižují klasný potenciál. Stabilizátory řady 79xx stabilizují záporný potenciál, vhodné jsou pro symetrická napájení. LM317 je velmi podobný, defacto by se dal nazvat 780125, stabilizuje totiž na 1,25V. Takto malé napětí většinou nikdo nechce, ale tento obvod to má z jiného důvodu. Referenční ADJ pin lze, stejně jako bázi tranzistoru T2 z obrázku 3 připojit na potenciometr zpětné vazby. Z LM317 se nyní stává nastavitelný stabilizátor. LM317 je pro toto použití velmi oblíbený, a stejně jako stabilizátory řady 78xx a 79xx jej nalezneme v mnoha přístrojích.

Obrázek 4 - Lineární stabilizátory LM317, 7805, 7812

Avšak pořád je trápí zásadní problém, nízká účinnost. Stejně jako u rezistoru, i zde účinnost klesá s rostoucím rozdílem vstupního mínus výstupního napětí. Ztráty jsou pak přímo úměrné jak účinnosti, tak i protékajícímu proudu.

Buck měniče

PWM

Naši předci si samozřejmě byli vědomi velké neefektivity, která typicky provází provoz lineárních stabilizátorů. A tak vymysleli PWM, pulzně šířkovou modulaci. Jeden příklad takové pulzně šířkové modulace vidíme na Obrázek 5 - Pulzně šířková modulace (PWM – Pulse Width Modulation). Snímek pochází z osciloskopu Hantek DSO2D10, a signály z funkčního generátoru FeelElec FY6900. Byla použita 50Ω terminace na straně osciloskopu pro omezení zákmitů zhoršujících čitelnost. Pulzně šířková modulace řeší jednu velkou vadu lineárních stabilizátorů – mají částečně otevřený tranzistor, který defacto představuje pomyslný rezistor (s elektronicky řízeným odporem) v cestě proudu. Na tomto pootevřeném tranzistoru samozřejmě vzniká úbytek napětí, a tudíž výkonová ztráta. Co kdybychom měli tranzistor otevřený naplno? Plně otevřený tranzistor má nízký (tranzistory typu FET dokonce mizivý) úbytek napětí, čili na tranzistoru je velmi malá výkonová ztráta. To vede k vysoké účinnosti, klidně nad 98%, takže tyto tranzistory se v běžné praxi dokonce ani nechladí chladičem, a spoléhá se, že své ztrátové teplo odvedou samy.

Mít pořád plně otevřený tranzistor sice přináší efektivitu, ale tak trochu to zabíjí účel obvodu – snížení napětí. Vždyť mám na výstupu skoro vstupní napětí. No tak ten tranzistor zase zavřu, obvodem pak neprotéká žádný proud, a tudíž nejsou žádné ztráty. PWM funguje tak, že při velmi vysoké frekvenci, zpravidla v řádu desítek kHz až 200 kHz generují výkonový obdélníkový signál. U tohoto obdélníku regulujeme poměr doby, po jakou je tranzistor sepnut a rozepnut. Čím delší poměrný čas je tranzistor sepnut v porovnání s časem, kdy je rozepnut, tím více energie přenášíme.

Plnění (=duty cycle) 50 % znamená, že tranzistor je polovinu času sepnut a polovinu času rozepnut, viz obrázek 5 – žlutá stopa. V horní půlvlně je tranzistor plně sepnutý, a ve spodní plně rozepnutý. Efektivně to snižuje imaginární výstupní napětí na polovinu, tedy u rezistivní zátěže s konstantním odporem (rezistor) by se jednalo o čtvrtinový výkon. Pokud bych měl napájecí napětí 24V, pak výstupní napětí se bude střídat mezi 0V a 24V. Vzhledem k 50% plnění bude případný zatěžující rezistor topit stejně, jako by byl napájen z 12V.

Zelená stopa ukazuje plnění 70%. Můžeme si povšimnout, že horní půlvlna je výrazně delší než spodní, čili tranzistor je delší dobu sepnut, nežli rozepnut. V případě 24V napájení by se nám jednalo o efektivní hodnotu odpovídající, jdeme počítat: 24 × 70 ÷100 = 16,8 [V, %, %; V]. PWM se běžně v praxi napájí LED diody, DC komutátorové motory, klasické žárovky, ale lze s ní napájet i jakoukoliv rezistivní zátěž.

Obrázek 5 - Pulzně šířková modulace (PWM – Pulse Width Modulation).

PWM však nemůžeme napájet všechno, zejména citlivější obvody, jako jsou telefony, procesory atd. Ty by takovéto pulzy zničily, přeci jen, v PWM se objevují úrovně napětí daleko přesahující hodnoty napětí pro napájení těchto obvodů. Kdybych měl 100V vstup, a procesor na 1,2V, tak PWM s plněním 1,2% to opravdu nezachrání, protože procesor bude pořád dostávat sto voltové „prdy“, a velmi rychle se odebere do křemíkového nebe jakožto mučedník naší PWM zvůle. Jsou tu i jiné entity, například brushless ventilátory, nebo obecně brushless motory. Klasický komutátorový DC motor se PWM napájí běžně, nevadí mu to. Ale brushless motory jsou jiné. Jsou velmi podobné klasickým třífázovým synchronním motorům, a pro jejich napájení používáme ESC, electronic speed controller, je to takový jednoduchý frekvenční měnič. Tento ESC sestává z výkonových tranzistorů spínajících napájecí napětí na jednotlivá vinutí, defacto simuluje třífázové napájení, akorát se jedná o obdélník a frekvence se volí podle otáček motoru, jaké potřebujeme. Tyto tranzistory jsou plně řízeny ESC kontrolérem, běžně se jedná o specializovaný integrovaný obvod, ale klidně můžeme použít i nějaký klasický mikrokontrolér, jako STM32, Atmel, PIC apod. Tyto integrované obvody by také nepřežily PWM napájení, a i kdybychom oddělili napájení mikrokontroléru od napájení tranzistorů, tak se nám může aktuální úroveň našeho PWM špatně sejít se spínáním fází do motoru, a motor pak může jet dokonce i jen na dvě fáze. Nehledě na to, že naše maximální hodnota napětí PWM může přesáhnout U_DS spínajících mosfetů, které se následně prorazí do plné vodivosti, a motor i ESC se spálí.

Od PWM k buck měniči

PWM je velmi efektivní způsob snižování výkonu do zátěže, a snižování imaginárního napětí (takové pseudo snižování napětí), takže bychom se ho neměli hned tak rychle vzdávat, a pokusit se na něm něco postavit. Přemýšlejme, uvažujme například PWM s plněním 50% a napájecím napětím 24V. Střední hodnota toho signálu je 12V, tak co kdybychom to nějak odfiltrovali?

Obrázek 6 - Filtry

Co třeba dát na výstup kondenzátor, jako je tomu v případě a) na obrázku 6 - Filtry? V praxi se kondenzátor nabije už s první nebo druhou periodou na plných 24V. Při zatížení tohoto obvodu se akorát lehce zvedne zvlnění, a může začít topit výkonový tranzistor spínající ono PWM. Při vyšších frekvencích PWM a nižších plněních bude topit i onen kondenzátor, v závislosti na jeho ESR. Jsme tedy blízko, ale skoro na začátku.

Musíme proud do kondenzátoru nějak omezit, co takhle příklad b) ? Před kondenzátor zařadíme rezistor, který omezí nabíjecí proud kondenzátoru. Díky tomu nebude pod zátěží na výstupu napětí rovnající se vstupnímu, navíc jsme omezili zvlnění. Jenže pořád bude výstupní napětí klesat se vzrůstajícím výstupním proudem. Navíc rezistor protopí hodně výkonu, a naše velké snažení o efektivitu bude fuč.

Chce to tedy použít něco jiného než rezistor. Něco, co bude proud vyhlazovat, ale přebytečnou energii neprotopí, nýbrž naakumuluje, a ve správný čas vydá. Takto se chová například tlumivka. Sériově řazená tlumivka před zátěž se bude, lidově řečeno, snažit zachovat proud takový, jaký je. Pokud jí neprotéká žádný proud, a my přivedeme napětí, tak se tlumivka pokusí zachovat situaci žádného tekoucího proudu, a vytvoří na sobě takový úbytek napětí, aby vykompenzovala napětí vstupní. Ovšem tlumivka nemá nekonečnou indukčnost, takže bude polevovat. Jak napětí na tlumivce klesá, proud tlumivkou stoupá. A zase naopak, pokud tlumivkou protéká proud, a najednou vypneme vstupní napětí, tlumivka na sobě opět vytvoří napětí tak, aby ten pokles proudu dorovnala. Tlumivka nerada změny proudu, a snaží se proud maximálně stabilizovat. Pouhá sériově řazená tlumivka však není kompletní řešení, ale LC filtr tak, jak jej vidíme v c) už smysl má. Toto řešení bude mít velmi malé zvlnění i v zátěži, avšak stále bude výstupní napětí klesat se zvyšujícím se proudem do zátěže.

Jsme tedy ve stejné situaci jako u Zenerovou diodou regulované zdroje. Přidání zpětné vazby, jako je tomu v případě d) to vyřeší. Plnění PWM budeme řídit podle toho, co říká zpětná vazba o situaci na výstupu. Nyní stačí přidat řídící obvod, který bude plnění PWM upravovat podle výstupu, dále blokační diodu, která bude svádět napětí z cívky při odpínání tranzistoru přes sebe, a máme vyrobený spínaný DC-DC měnič. Jedná se o buck = step down, neboli měnič snižující napětí.

Buck měniče

Díky bohu se už od let cca mezi 1970-1980 nemusíme starat o složité obvodové zapojení, protože v těchto letech začaly vznikat první integrované obvody, které představovaly all-in-one křemíkové řešení pro spínané měniče. Téměř vše, co šlo integrovat bylo integrováno do integrovaného obvodu. V praxi pak stačilo kolem obvodu nasázet pár kondenzátorů, tlumivku, někdy i diodu nebo externí tranzistor, pokud ten integrovaný nestačil. Vznikly obvody jako SG1524, nebo notoricky známý MC34063, který můžeme vidět na následujícím obrázku.

Obrázek 7 - IO 34063 od ON semiconductor

Integrovaný obvod 34063 byl velmi oblíbený, zejména pro to, že zvládl 1,5A bez posílení externím spínacím tranzistorem. Tento obvod se na západě vyráběl ve velkém, zatímco u nás se stále ještě měřilo Avomety, a všude jsme používali lineární stabilizátory. Obvody s 34063 dosahovaly zpravidla 70-80% účinnosti (alespoň u mě), a tedy bylo to sice lepší řešení než lineární stabilizátor, ale ne o moc.

Jak šla doba dál, a technologie se vyvíjely, tak se samozřejmě zvyšovala komplexnost a účinnost spínaných měničů, respektive jejich kontrolérů, které toho integrovaly stále více a více.

Obrázek 8 - IO XL4015 a XL4016

Na Obrázek 8 - IO XL4015 a XL4016 vidíme poměrně moderní all in one IO XL4015 a XL4016 od XL semiconductor. XL4015 potřebuje externě jen pár kondenzátorů, tlumivku, diodu a odporový dělič (případně s trimrem nebo potenciometrem) pro zpětnou vazbu. Oproti 34063 zvládne XL4015 trvale až 5A proud, a XL4016 dokonce 8A. XL4016E snad až 12A. Jestliže 34063 dosahoval účinnosti typicky 70-80%, XL4015 dosahuje typicky 90%, a jeho výkonnější brácha pro montáž na chladič, XL4016E dokonce 92-95%.

Pamatujete na blokační diodu, která má svést napětí z tlumivky na zem? Všechny zmíněné obvody toto řešení používají. Avšak na diodě je samozřejmě úbytek napětí, i když použijeme schottkyho diodu s úbytkem cca 0,4V. Navíc tato dioda představuje i parazitní kapacitu. Tyto měniče s blokační diodou nazýváme asynchronně usměrněné (asynchronous rectification). Asynchronní měniče mají svůj efektivnostní strop.

Proto byly vyvinuty synchronně usměrněné měniče (synchronous rectification). Ovládací IO v sobě integruje tranzistor typu FET, který ve správný čas sepne, a nahradí funkci diody. Tranzistory FET mívají úbytky napětí zanedbatelné, jejich odpor R_DS se pohybuje typicky v řádu 5-20 mΩ, což vede k mnohem nižším úbytkům napětí, než jaké změříme i na moderních schottkyho diodách blízko jejich maximálního proudu.

Závěrem o buck měničích

Jdeme ukončit buck měniče. Tyto měniče jsou opravdovou spásou pro všechny výkonové aplikace, a zejména ty, kde se počítá každý zbytečně protopený watt, například u pohonu z baterií, fotovoltaiky. Tradiční řešení s LM317 měly efektivnostní strop η = 96,6 %, a efektivnostní dno η = 3,1 %. V praxi se provozovaly s účinností kolem 30-50%. Buck měniče, které jsou vyspělejší, dražší i složitější však přináší účinnost mnohem vyšší. V rámci svého testování měničů jsem zaznamenal i účinnosti blížící se 99%, a mnoho měničů má v rozmezí svých optimálních zatížení účinnost kolem 95%.

Boost měniče

DC-DC měniče toho mají však v rukávu mnohem více. Existují totiž i měniče zvyšující napětí. Využívá se zde schopnost tlumivek akumulovat energii, a při rázném poklesu sycení ji zase vydat (v opačném směru než byla sycena). Tato energie se přičte k napájecímu napětí a putuje na výstup. Z toho vyplývá, že tento měnič umí pouze zvyšovat napětí, a tedy není radno k němu připojovat nízkoimpedanční zátěž, nebo jej zkratovat. Na takovéto případy většinou reagují svou smrtí, nebo přerušením pojistky, pokud byla předřazena a správně dimenzována. Zjednodušené schéma klasického boost měniče vidíme na následujícím obrázku.

Obrázek 9 - Boost měnič

Boost měniče jsou snad možná ještě větší záchrana než buck měniče. Zvyšování stejnosměrného napětí byl odjakživa problém. Pro nízkovýkonové aplikace se běžně používalo nábojových pump s kondenzátory. I dnes se s tímto řešením můžeme setkat, ale málokde. Pro výkonové aplikace pak existoval pouze motorgenerátor, který běžně sestával z komutátorového elektromotoru spojeného hřídelí s dynamem. Motorgenerátory obecně byly ve své době velmi mocná zařízení, uměly ze stejnosměrného dělat střídavé, uměly generovat střídavé napětí o různých kmitočtech, mohly generovat anodové napětí pro elektronky napájené z baterií apod. Samozřejmě byly velké, drahé, hlučné, těžké, neefektivní, a jejich regulace se prováděla jen obtížně, a to v úzkém rozsahu. Někdy ani nebyla možná Boost měniče, frekvenční měniče a další křemíková zařízení v dnešní době téměř vyhladila motorgenerátory.

Buck-boost měniče

Buck-boost měniče jsou takové měniče, které umí vstupní napětí zvyšovat i snižovat, zatímco předchozí dva případy uměly pouze jedno. Nebudeme tu zacházet do detailů, protože jejich princip funkce je vždycky složitější, a navíc jich je hodně. Máme invertující, čuk, sepic, zeta, superlift, ultralift, je jich kupa, a upřímně už jim přestávám rozumět. Vždy bude platit pravidlo, že je lepší někam dát buck nebo boost měnič, než tam dávat buck-boost. Buck-boost měniče jsou obecně o něco dražší a o něco méně efektivní. Zato nabízí velkou variabilitu.

Buck → boost měniče

Zdánlivě podobné, ale je tu propastný rozdíl. Tyto měniče, namísto aby fungovaly jako nativní buck-boost měnič, tak vlastně sestávají ze dvou měničů za sebou. Nejdřív boost měnič, který zvýší vstupní napětí na například 35V, a hned za ním je buck měnič, který je již nastavitelný a vede na výstup. Toto řešení je pravý opak elegance, je náročné na místo, a ze svého principu nemůže mít dobrou účinnost. Ostatně jak se ukázalo, takový měnič sestávající z boost a pak buck měniče skutečně existuje, a dokonce je součástí testu měničů. Kde nativní buck-boost měniče vykazují účinnost mezi 88-95%, zde buck→boost měnič vykazuje cca 73%.

Regulace DC-DC měničů

DC-DC měniče mohou regulovat své výstupní napětí běžně dvěma způsoby.

CV

Klasická metoda je CV (constant voltage = konstantní napětí). Nastavím si na trimru nebo potenciometru třeba 5 V, a měnič se snaží si těch 5 V na výstupu zachovat ať už zátěž odebírá proud jaký chce. Je to nejpoužívanější metoda, která je i nejjednodušší na implementaci, a ve většině případů nejvhodnější.
Měniče pracující v režimu regulace CV mohou mít ještě kompenzaci úbytku výstupního vedení (output line voltage drop compensation). Tato funkce se implementuje u dražších rychlonabíječek, avšak mají ji i některé klasické měniče. Při návrhu této rychlonabíječky se například předpokládalo, že lidé budou připojovat zařízení přes kabel s odporem cca 50-100 mΩ, což je běžná hodnota pro kvalitnější kabely. Proto některé nabíječky mají line Compensation, uvažujme 50 mV / A. Funguje to tak, že nabíječka měří odebíraný proud, a na každý odebíraný jeden ampér zvedne výstupní napětí o 50 mV. Zvýšením napětí kompenzuje ztráty – úbytek napětí na kabelu, a pomůže do zařízení na konci cpát o drobek vyšší výkon.

CV – fast charge protokol

Speciálním případem CV regulace je regulace pomocí rychlonabíjecích protokolů. Tradičně CV nastavujeme buďto pevnými rezistory, trimry, nebo potenciometry. V případě rychlonabíjení se CV nastavuje elektronicky, buďto vnitřním přepínáním odboček, řízením reference, digitálním potenciometrem atd. Jak se postupem času telefony stávaly výkonnějšími, přestalo klasické nabíjení stačit. 5 V 1 A bylo málo. Přišel DCP protokol, který když podporovala nabíječka i zařízení, tak si telefon mohl vzít 5 V 1,5 A nebo 5 V 2,4 A. I to však přestalo stačit. Tahat proudy jako třeba 5 A přes nebohý USB-A konektor nepřipadalo v úvahu, navíc by takový USB kabel musel mít velmi tlusté vodiče.

Telefony se tedy inspirovaly rozvodnou sítí, a šlo se metodou zvyšování napětí. Vznikla celá řada komunikačních protokolů, přes které když si telefon s nabíječkou popovídá, nabíječka mu zvedne napětí na takové, jaké telefon chce, nebo maximální napětí, které nabíječka zvládne poskytnout. Nejstandardnější je protokol USB-PD a Qualcomm Quick Charge. Existují i decoy neboli trigger moduly, které když do USB zapojíme, tak si s jejich pomocí můžeme volit napětí dle vlastního uvážení. Taková rychlonabíječka v kombinaci s triggerem pak může posloužit například v polních podmínkách jako improvizovaný nastavitelný zdroj, avšak její možnosti jsou samozřejmě omezené.

CC

CC = constant current neboli konstantní proud je regulace, která se snaží změnit napětí z měniče tak, aby z něj byl odebírán stále stejný nastavený proud. Nutno podotknout, že tato regulace funguje pouze, pokud za měnič zapojíme zátěž odporového charakteru. Její odpor může být neměnný (rezistor), lehce proměnný (PTC termistor), nebo hodně proměnný (LED, transil, varistor). Nikdy však nesmíme za zdroj běžící v CC režimu připojit zátěž s vlastní regulací proudu, nebo dokonce zátěž s konstantním výkonem (například další DC-DC měnič).

Zátěž odporového charakteru se chová tak, že se zvýšením napájecího napětí stoupne jí odebíraný proud. Jak moc stoupne záleží na odporu, ať už na jmenovité hodnotě odporu rezistoru, nebo na aktuálním odporu, který představuje LED dioda. U LED a dalších podobných prvků odpor, který LED představuje klesá se zvyšujícím se napětím (nebo proudem). Avšak vždy platí, že vyšší napětí znamená vyšší proud.

Zátěž CP = constant power = konstantního výkonového charakteru se chová přesně obráceně. Představitelem může být takový DC-DC měnič, který má například na svém výstupu 5W spotřebič, a snaží se mermomocí pro něj zařídit 5 V, přičemž spotřebič požaduje 1 A. Takový měnič tedy uvažujme, že bude chtít brát i CP = 5 W. Pokud tento 5 W měnič zapojím za CC zdroj, tak mohou nastat dva scénáře. První je, že jej zapojím ještě před spuštěním CC zdroje, a tedy CC zdroj ihned po nastartování přejde do režimu CC. 5 W DC-DC měnič se pokusí vzít si větší proud, než jaký mu CC měnič dovolí, a CC měnič zareaguje snížením napětí. Nakonec bude CC zdroj dávat tak malé napětí, že se bude následný DC-DC měnič pořád resetovat. Druhý případ může nastat takový, že DC-DC 5 W měnič si vezme proud nižší než CC, a zdroj CC tedy zvýší napětí na své maximum, protože nemá důvod napětí omezovat, jelikož nastavený proud nebyl dosažen. CP zátěže jsou tedy zrádné v tom, že se zvyšujícím napětím klesá odebíraný proud. Takto se chovají všechny spínané zdroje a měniče.

CC/CV

Neznám zdroj, který by implementoval pouze CC režim. Vždy má zdroj buďto jen CV, nebo CC+CV. V případě nedosažení proudu CC přeci nemůže měnič zvyšovat napětí donekonečna, dokud svého vysněného proudu nedosáhne, není to technicky možné. Většina CC zdrojů, které se používají pro napájení LED zdrojů světla má CV limit pevně daný, a hodně vysoko. Například zdroj určený pro diodu 9 V 300 mA může mít maximální napětí 15 V, a samozřejmě CC = 300 mA, v praxi bych však zvolil lehce nižší, např. 250 mA.

Spínané měniče mívají CV limit nastavitelný, zpravidla trimrem.

U takového měniče implementujícího CC+CV se měnič provozuje v takovém režimu, jehož spouštěcí podmínka nastane dřív. Uvažujme zdroj CV = 12 V, CC = 1 A. Připojím k němu 6 Ω zátěž (která by při 12 V odebírala 2 A). Zdroj si všimne, že byl přesažen proudový limit CC, a začne snižovat napětí tak, aby z něj tekl pouze 1 A, tedy na svém výstupu omezí napětí na 6 V. Když však k takovému zdroji připojím zátěž 24 Ω, tak do zátěže poteče při 12 V jen 0,5 A, čili CC limit nebude dosažen, a zdroj poběží v režimu omezení CV na 12 V.

Analog vs. Digitál

Spínané DC-DC měniče mohou být regulovány analogově nebo digitálně. Obecně řečeno, digitální regulace je vždy přesnější a spolehlivější, a analogová je zase někdy rychlejší, ale trpí velkými nedostatky:

1. Nejde vidět jeden z limitů, pokud zdroj běží v druhém režimu. - Pokud například zdroj běží v CV režimu, a potřebuji mu nastavit CC, tak nevím, kolik jsem nastavil, dokud nedojde k samotnému CC omezení. Z tohoto důvodu jsem například u jednoho svého zdroje s analogově regulovanými měniči implementoval tlačítko, které přes relé připne malé odpory na výstup, čímž jej efektivně téměř vyzkratuje, a já si mohu nastavit CC. Bohužel toto nelze provádět například při nabíjení baterie nebo kondenzátoru. Tekl by zde velký, téměř zkratový proud. Digitálně regulované měniče zpravidla všechny limity píšou na displeji, a lze je libovolně a kdykoliv upravovat.
2. CC a CV nastavení se navzájem ovlivňují - Dalším neduhem analogové regulace je vzájemné ovlivňování se limitů CC a CV. Můžu si krásně nastavit CC limit na 1,000 A, a to díky kalibrovanému ampérmetru. Na tento svůj úspěch budu velmi hrdý, a 1,000 A se bude v očích každého perfekcionalisty zajisté jevit jako přenádherná skutečnost hodná otištění v novinách. Bohužel pak ale budu muset hnout s nevyhovujícím CV limitem a zvýšit jej o 7 voltů výš. Toto mi ale bohužel zajistí, že CC limit se hne na 1,045 A, a následný stres může mít psychické následky i do budoucna. Nehledě na následky pro obvod, který z takového zdroje napájím. V důsledku vzájemného ovlivňování hodnot mohu spotřebič poškodit. Digitální regulace tímto neduhem samozřejmě netrpí, protože všechno ovládá mikrokontrolér.
3. Předěl CC/CV může být tupý nebo lepivý - Tupý a lepivý je takový můj obrazný popis přechodového stavu, který se děje při přecházení mezi režimy CC a CV. Řekněme, že nabíjíme li-ion baterii, a to CC = 1 A a CV = 4,20 V. Příliš opatrná regulace s tupým předělem by běžela v CC režimu, a jakmile by napětí baterie začalo dosahovat 4,15V, začne napětí omezovat na 4,15V. A teprve, pokud se bude proud rovnat například 0,2A, tak měnič začne regulovat na CV = 4,20V. Tato otupělost regulace způsobí delší nabíjení akumulátoru, a může dokonce způsobit jeho neúplné nabití.

Lepivá regulace se zase mermomocí drží aktuálního režimu provozu, i když druhý limit byl již dávno přesažen. Můžeme použít předcházející případ nabíjení Li-ion baterie na 4,20 V a 1 A. Měnič se bude držet proudového limitu 1 A. Avšak jakmile dojde k dosažení 4,20 V, tak se měnič do CV režimu nepřepne, a bude dále nabíjet jedním ampérem. Měnič se z CC režimu odtrhne až třeba na 4,30 V, a teprve pak začne regulovat na 4,20V. Je to jako by CC režim byl lepivý, a měnič měl problémy se od něj odtrhnout.

Stejná lepivost je nebezpečná i v předělu z CV na CC. Například napájím výkonovou LED, která potřebuje 300 mA, a v zahřátém stavu jsem jí naměřil úbytek 9,00 V. Ve studeném stavu má ale při 300mA úbytek 9,2V. Pokud bych měnič nastavil na teplý stav, tj. 9,0 V 300 mA, tak nastane průšvih. Zapnu svítidlo, a měnič poběží v režimu CV = 9,0 V. Jenže jakmile se LED rozpálí, proud začne přesahovat 300 mA. Zdroj má však lepivou regulaci, čili CC omezení nezasáhne, a než se tomu tak stane, LED čipem může protékat klidně 400 mA, což jej poškodí.

Digitální regulace tímto neduhem lepivosti nebo tuposti samozřejmě netrpí, a její předěl je ostrý jako Chuck Norris.

Ze zmíněných tří případů vyplývá, že digitální regulace je nejpřesnější a nejbezpečnější. Bohužel její implementace je složitá a drahá, a značně zvyšuje komplexnost měniče, i jeho cenu a velikost. Proto se digitální regulace používá jen u kvalitnějších laboratorních zdrojů a dražších LED driverů (zdrojů pro LED). Naopak klasické modulové DC-DC měniče téměř vždy implementují analogovou regulaci.
Osobně se z těchto důvodů snažím CC vyhýbat, jak jen to jde, a snažím se vždy situaci vyřešit CV zdrojem

Provoz DC-DC měničů

DC-DC měniče jsou velmi mocná zařízení, avšak jako všechny složitější obvody, i DC-DC měniče mají svá specifika, své požadavky, a své vlastnosti, které musíme brát v potaz a případně se jim přizpůsobit.

Náběhový proud

První jejich vlastnost je poměrně velký náběhový proud (angl. Inrush current). DC-DC měniče jsou vysokofrekvenční pulzní zdroje, které pracují řádově na desítkách kHz až 200 kHz (některé atypické až 1,2 MHz), takže jejich požadavky na kondenzátory jsou hlavně na jejich nízké ESR čili vnitřní sériový odpor kondenzátoru. ESR popisuje měkkost kondenzátoru jakožto zdroje proudu, a čím nižší ESR má kondenzátor, tím vyšší proudy zvládne přijmout nebo vydat. Proti tomu kapacita obvykle nebývá potřeba zase až tak vysoká. V praxi se běžně páruje jeden nebo dva keramické kondenzátory a jeden elektrolytický provedení LowESR. Právě kvůli nízkému ESR jak keramických kondenzátorů, tak velkých elektrolytických je náběhový proud do modulu DC-měniče velmi vysoký. Když přes vypínač připojím 24 V napětí na měnič, jehož kondenzátory jsou vybité, tak v tu chvíli sepnutí se chovají téměř jako zkrat, a kdybych měl vypínač průhledný, uvidím pěkné modré zablýsknutí v moment sepnutí.

Pozn.: Malé modré zablýsknutí stykačů, relé nebo vypínačů je normální. Kdybych ale viděl oranžové zablýsknutí, tak to značí poškozené kontakty, jejichž materiál již opouští své místo. Obvykle se to stane po tom, co se povrchové pokovení (běžně stříbro) již ošlehalo buďto velkým provozním opotřebením, nebo poddimenzováním spínacího prvku. Oranžové jiskry znamenají, že součástku je nutné vyměnit! To platí i pro uhlíky komutátorových motorů.

Tento náběhový proud DC-DC měničů je poměrně velký problém, který v praxi málokdo řeší. Nikdo totiž není zvyklý ho řešit. Staré trafozdroje a lineární stabilizátory měly malý náběhový proud. Trafozdroje s usměrňovacím můstkem jsou vlastně nízkofrekvenční pulzní zdroje (50 nebo 100 Hz). Zde se LowESR kondenzátory nepoužívají, nízké ESR není vyžadováno. Zato je vyžadována vyšší kapacita pro pokrytí poklesu napětí, když je zrovna napětí v zásuvce daleko od spodního nebo horního vrcholu sinusovky. Vybité klasické elektrolytické kondenzátory se sice stále chovají jako zkrat, ale díky svému vysokému ESR je to spíš zkrat přes malý rezistor, a proud je běžně o řád nižší. U měničů napájených z nízkého napětí se náběhový proud obvykle moc neomezuje, ale u měničů napájených třeba z 60 V stejnosměrných je to už skutečně velká rána. Před tyto měniče se běžně dávají rezistory (což trošku podkopává jejich účinnost), nebo termistory NTC, které jsem si osobně velmi oblíbil pro omezení náběhového proudu. Běžně se používají i u síťových spínaných zdrojů. Další možnosti jsou aktivní omezení náběhového proudu. Například předřazený LC filtr, který kromě omezení náběhového proudu omezí také rušení, které bude z DC-DC měniče putovat zpět do zdroje. Nebo do cesty napájení měniče vřadit rezistor / termistor, který omezí náběhový proud, a po čase se sepne relé nebo tranzistor, který jej překlene, aby během provozu měniče nevznikaly ztráty. Toto řešení se účinně používá například u svářeček.

Poslední možnost je do cesty napájení vřadit pouze tranzistor, který se bude po přivedení napájení pomalu otvírat.

Paralelní chod pro vyšší výkon

Většina DC-DC měničů umožňuje paralelní chod. Dokonce jsem se osobně v životě ani nesetkal s měničem, který by takto nemohl fungovat. Avšak nemůžeme jen tak vzít dva (nebo víc) měničů, nakroutit jim na trimru +- stejné napětí a hurá do provozu. Toto v praxi vyústí v to, že jeden měnič bude přetížen, zatímco druhý bude běžet na mírné zatížení. V praxi se pak stane, že ten nejvytíženější může odejít, čímž se zátěž přesune na ostatní měniče, které taky odejdou. Z toho důvodu je na místě zaprvé řešit jištění pro každý měnič zvlášť, a zadruhé, omezit každému měniči proud.

Pro paralelní chod se tedy nejvíce hodí měniče s CC/CV. Budeme pak počítat s maximální reálnou zátěží, tu vydělíme počtem měničů, přidáme si rezervu cca 10–20 %, a tento proud nastavíme na každém měniči. Uvedu příklad: Máme 5 měničů, které se podílí na 12 V a max 50 A. Každý měnič tedy nastavím na proudové omezení CC = 50 ÷ 5 * 1,15 = 11,5 A.

Pro paralelní chod je možné použít měniče bez CC režimu (pouze CV), a to v případě, že jejich zátěžová regulace (load regulation) funguje nedostatečně, a napětí měniče při větší zátěži značně poklesne. Tento nedostatek zpětnovazební regulace napětí nám defacto zajistí, že zdroje budou namáhány +- podobně. Samozřejmě v opačném případě, kdy zdroje mají tzv. line compensation neboli kompenzaci úbytku na výstupním vedení by to fungovalo přesně naopak. Line compensation by u nejvíce zatěžovaného měniče zvýšilo nejvíc napětí, a ten by se ihned přetížil. Touto funkcí naštěstí disponují snad jen měniče pro nabíjení telefonů a notebooků.

Samozřejmě většinou platí, že je lepší osadit jeden dostatečně dimenzovaný měnič než dávat vedle sebe tucty slabých měničů. Jsou ale případy, kdy je paralelní chod nevyhnutelný kvůli redundanci, o které je následující kapitola.

Paralelní chod pro redundantní napájení a problém s backflow

Měniče mohou být provozovány v paralelním chodu i v případě dvou redundantních zdrojů, nebo v případě zálohovaného napájení, které bude předmětem další kapitoly. U obou případů bychom se měli postarat o tzv. backflow. Backflow reálně hrozí jen u step-down měničů, a dokonce i lineárních stabilizátorů. Kdybych odpojil vstup měniče, a na jeho výstup přivedl napětí, to napětí se (s malým úbytkem na diodě tranzistoru) objeví na vstupu měniče.

Uveďme příklad: Sítový zdroj 14 V napájí 60 W autožárovku a DC-DC měnič, který nabíjí autobaterii, řekněme třeba na 13,2 V. Vlivem poruchy síťového zdroje, jeho odpojení, nebo závady na elektroinstalaci či distribuční síti přestane síťový zdroj fungovat a vypne se. V tuto chvíli nastane docela ošklivý backflow. DC-DC měnič, který má na výstupu baterii o 13,2 V začne propouštět napětí z výstupu na vstup, a to o velikosti cca 12,8 V. Tímto napětím bude napájet onu autožárovku. Tekoucí 5 A backflow proud je ovšem dostatečně vysoký na to, aby zničil hlavní spínací tranzistor v DC měniči. Tranzistor se nejspíše nenávratně prorazí, a kromě toho, že se naše baterie vybije do žárovky, a tedy v případě absence dozoru přijdeme o baterii, ale navíc bude třeba vyměnit tranzistor v DC měniči.

Některé měniče na backflow netrpí, u těch se většinou výrobce chlubí funkcí „Anti-backflow“. U všech ostatních musíme tento jev předpokládat.

Proti backflow se bojuje v praxi dvěma způsoby. První je použít radši buck-boost měnič místo buck měniče. Druhá možnost je zařadit před vstup měniče diodu. Preferuje se schottkyho dioda pro svůj malý úbytek napětí v propustném směru, a osobně doporučím diody obecně dimenzovat na dvojnásobný proud, úbytek napětí i ztráty na diodě se tím značně sníží. Pro klasické redundantní napájení stačí vyřešit backflow a stejně nastavená napětí měničů. Redundantní napájení uplatníme tam, kde by mohly být selháním měniče způsobeny větší škody, například ztráta dat, vypnutí ventilace atd. Osobně bych doporučil kombinovat do redundance dva jiné zdroje, aby se vyloučil případ, kdy vlivem špatně odhalitelné chyby při návrhu měniče, či z důvodu vadné série odejdou oba měniče naráz.

Paralelní chod pro napájení s prioritou (včetně zálohovaného)

U paralelního chodu s prioritou se jedná o takovou situaci, kde je žádoucí, aby byl objekt napájen primárně z prioritního měniče, a teprve při jeho výpadku či přetížení z druhého měniče. Toto využívám například u svého 18,5/12 V systému s celkem třemi zdroji energie a jednou baterií. Tento systém je však zálohován s dvojí prioritou, takže si představíme podobný, avšak zjednodušený systém:

Uvažujme, že mám několik zařízení na 12 voltů, která musí být odolná proti výpadku elektrické energie. Například stejnosměrné oběhové čerpadlo kotle, nebo zařízení, která se ztrátou napájení přijdou o důležitá data. Hlavní výkonové prvky jsou: primární napájecí zdroj, baterie, dobíječ baterie. Baterie, uvažujme 24 V olověnou zálohovací baterii je stále připojena k nabíječi, který ji udržuje řekněme na 26,4 voltech. Z baterie je poháněn DC-DC step-down měnič nastavený na 12,0 V. Jeho výstup je propojen se síťovým spínacím zdrojem, který je nastaven na například 12,7 V a je za ním zařazena schottkyho dioda s úbytkem 0,4 V, čili výstupní napětí tohoto celku je 12,3 V. Díky domu, že síťový zdroj (s diodou na výstupu) poskytuje o 0,3 V vyšší napětí, DC-DC měnič poháněný z baterie nebude mít důvod odebírat proud z baterie, jelikož na svém výstupu uvidí napětí vyšší, než nastavené. Jakmile by přestala jít elektřina v rozvodné síti, během pár milisekund poklesne napětí kondenzátorů ve spínaném zdroji natolik, že výstupní napětí klesne na 12,0 V, a v tuto chvíli začne DC-DC měnič napájený z baterie zvyšovat svůj výkon, aby měl na výstupu stále 12,0 V. Po skončení výpadku sítě naběhne síťový spínaný zdroj, zvedne napětí na 12,3 V a DC-DC měnič přestane pumpovat energii z baterie. Dobíječ baterie ji pak dobije zpět (v těchto případech to chce dobíječ, který nevyžaduje zásah do ovládání po výpadku napájení, a který začne nabíjet ihned jakmile má příznivé podmínky).

Toto zapojení lze modifikovat, například na DC-DC měniči zvednout napětí o 0,4 V a také za něj zařadit schottkyho diodu. Takové schéma, samozřejmě zjednodušené je na následujícím obrázku.

Obrázek 10 - Prioritní paralelní chod se zálohováním z baterie

Co se běžně dělá, ale nedoporučuji to, je mechanické přepínání síť / záloha pomocí stykače nebo relé. Toto se implementuje například u střídavých napětí (kde nelze použít diody, a/nebo kombinaci vyššího a nižšího napětí), ale u stejnosměrného napětí je to zbytečné, ba kontraproduktivní, někdy i nebezpečné. Viz následující schéma.

Obrázek 11 - Prioritní paralelní chod se zálohováním z baterie a stykačem

V tomto případě měnič běží neustále naprázdno, a jeho výstupní kondenzátory jsou zbytečně zatěžovány spínáním tranzistoru. V případě výpadku sítě bude stykači a jeho těžkým mechanickým kontaktům nějakou chvíli trvat, než přepnou na napájení z DC-DC měniče. Tato prodleva vytvoří mikro výpadek, který sice čerpadlu vadit nebude, ale citlivé elektronice by vadit mohl. Ta se pak vyresetuje, a data jsou ztracena.

Ještě horší případ by bylo, kdyby se další rozpínací kontakt stykače zařadil mezi měnič a baterii. Měnič by pak byl v normálním stavu zcela bez napětí. K oné prodlevě přepnutí stykače pak ještě přičtěme prodlevu od připojení napájecího napětí na měnič, po jeho naběhnutí. Celková prodleva může nabrat klidně jedno až tří vteřinovou délku. Taková prodleva by byla nežádoucí i pro stejnosměrné čerpadlo, kterému za tu dobu klesnou otáčky, a po opětovném připojení napájení z měniče začne odebírat nadstandardně vysoký proud ve snaze zpět se rozeběhnout na nominální otáčky. Měnič bude navíc nabíhat do velké zátěže, což některé mohou vyhodnotit jako zkrat a vypnout se. Další nevýhoda by byl fakt, že měnič může být bez napětí klidně více let v kuse, a jeho elektrolytické kondenzátory budou vyžadovat formování (kapacita jim za tu dobu bez napětí klesne). Některé nekvalitní elektrolytické kondenzátory se navíc mohou vyfouknout a klidně vytéct. Známé tím byly elektrolytické kondenzátory Jamicon, které v provozu vydržely mnoho let, ale paradoxně skladování v beznapěťovém stavu obvykle vzdaly velmi brzy. A samozřejmě poslední argument, všechna řešení se stykačem trpí vyšší pořizovací cenou, a vlastní spotřebou cívky stykače.

Výstupní zvlnění

Spínané měniče jsou mezi radioamatéry známé pro své výstupní zvlnění, anglicky ripple, output ripple, nebo také output noise, výstupní šum. Ten vzniká samotným spínáním výkonového tranzistoru, a je následně filtrován kondenzátory, případně kombinací kondenzátorů s tlumivkou, tzv CLC filtr. Spínané měniče s CLC filtry mívají zvlnění malé, a obvykle nezpůsobují problémy. V případě potřeby lze vždy snadno sestavit vlastní filtr, viz následující obrázek.

Obrázek 12 - CLCLCLC filtr 98 Hz 10 A 35 V s XT60

Tento filtr jsem si sestavil jako plug’n‘play. Sestává ze 4x LowESR kondenzátorů 2200 μF 35 V a 3 tlumivek. De-facto už na 100 kHz jsou tyto elektrolyty těžko použitelné. Tento filtr však svůj účel plní, používám jej pro snadné odrušení nižších frekvencí.

Kombinace tlumivek a kondenzátorů se používá pro své výhody a nevýhody, které musíme balancovat. Kondenzátory mají nevýhodu v tom, že schovávají velký náboj, a nerady mění své napětí, takže jsou nebezpečné pro své proudové rázy jak při zapínání, tak při skokových změnách odebíraného proudu. Tlumivky zase chtějí zachovat stále stejný protékající proud. Samotné zapínání aktivně zpomalí, zato jsou ale schopné při rázném poklesu proudu vrátit zpátky na svorky výrazný záporný puls, který může zničit některá citlivá zařízení. Z toho důvodu u malých měničů používáme pouze kondenzátory, a u větších měničů kombinaci tlumivek a kondenzátorů. Na krajích musí být vždy kondenzátor, protože tlumivka na kraji by s oblibou zabíjela připojená zařízení velkým pulzem záporného napětí při rázném poklesu protékaného proudu. Součástí testu měničů je i jeden měnič, který spoléhal jen na výstupní tlumivku, neměl na výstupu jediný kondenzátor. Sice byl díky tomu účinný, ale občas se šeredně rozkmital, že jsem jej musel tlumit filtry kolem něj, a nakonec se sám zavraždil právě zápornou ranou z tlumivky. Jednalo se o velmi špatně navržený měnič.

U levných měničů se obvykle na filtraci šetří, a typická filtrace sestává z kombinace jednoho keramického a jednoho elektrolytického kondenzátoru. Tento elektrolyt dostává velmi zabrat, a kvůli svému ESR, které se při běžných pracovních frekvencích DC měničů už dost projeví se značně zahřívá, někdy i přehřívá, a dokonce může i pískat, podobně jako tlumivky. Toto poddimenzování výstupní filtrace vede k degradaci elektrolytického kondenzátoru, který brzy odejde, a zvlnění se pak již stane nesnesitelným, a bude rušit všechno kolem sebe. Proto u měničů s pocitově poddimenzovanou filtrací doporučuji přidání paralelních keramických kondenzátorů (dají se stohovat na sebe). A pokud je to možné, co nejblíže výstupu připájet přídavný elektrolytický kondenzátor, který také dost odlehčí práci tomu hlavnímu.

Obecně nejlepší by asi však bylo mít na výstupu keramický kondenzátor, za ním tlumivku, a za ní polymerový kondenzátor. Polymerové kondenzátory dosahují vyšších kapacit, životností a nižšího ESR než klasické elektrolyty. Ale jsou dražší. Keramické kondenzátory mají mizivou kapacitu, zato však zvládají vysoké frekvence, proto se umisťují nejblíže zdroji zvlnění.

Zvýšení spolehlivosti DC měničů

V době, kdy se tlačí na nízkou výrobní cenu se na jednu stranu snižuje odolnost a spolehlivost zařízení, avšak tato zařízení se stávají cenově dostupnějšími, a jsou tedy využívána hojněji. Toto se týká i DC měničů, tedy hlavně těch klasických čínských, které koupíme na Aliexpressu nebo eBay. Pokud chceme zařídit jejich vysokou spolehlivost, je mnoho způsobů, jak toho docílit:

Přidání výstupního jištění

Obecně řečeno, vstupy i výstupy DC měničů by se měly vždy jistit. Avšak osobně kolem DC měničů preferuji pojistky polyfuse namísto klasických. Jedná se o speciální typy PTC (PPTC), které fungují jako velmi rychlé pojistky, které se po odstranění zátěže samy vyresetují. Navíc reagují rychleji, než i ty nejrychlejší standardní trubičkové pojistky. Přidání pojistky na výstup má u CC/CV měničů primárně význam pro ochranu napájeného zařízení. CC limit nastavíme vysoko, a pojistku dimenzujeme jen s malou rezervou. V případě závady na zařízení polyfuse zareaguje, a omezí proud na minimum, čímž může zabránit potenciální řetězové reakci způsobené postupným selháváním na sobě závislých komponent, a dokonce i některé komponenty zachránit.

Přidání pojistky za CV měnič plní jak již zmíněnou funkci, tak zároveň funkci ochrany měniče. CV měniče mohou a nemusí mít ochranu proti přetížení. Ty levnější ji nemívají. Potenciální závada na spotřebiči by mohla levnější měnič značně přetížit, a ten pak shoří. Pojistka na vývodu měniče tomu dokáže efektivně zabránit. Avšak nesmíme zde používat pomalých pojistek.

U CC/CV měničů by se nemělo spoléhat na to, že CC by mělo nahradit výstupní jištění. CC pouze omezí výstupní proud, a tedy sníží poruchový proud na nastavenou mez. Poruchový proud však stále teče dál, i když omezen, a může dále páchat škody, i když v omezenějším rozsahu. Nebo stejného rozsahu, ale pomalejším tempem.

Přidání vstupního jištění

Přidání pojistky na vstup měniče slouží pro ochranu měniče. Občas se v praxi setkáváme s případy, kdy je pojistka na vstupu měniče dimenzována tak, aby zabrala i v případě závady na zařízení napájeném z měniče. Toto má však jednu nevýhodu v případě použití polyfuse, a jinou nevýhodu v případě použití trubičkové pojistky. U trubičkové pojistky v případě jejího přehoření nebudeme vědět, jestli shořela kvůli závadě na měniči, nebo na zařízení. U polyfuse dojde po jejím vybavení k vypnutí kontroléru měniče, měnič se deaktivuje. V tuto chvíli polyfuse zjistí, že zátěž byla odpojena, vystydne, a navrátí se zpět do vodivého stavu. Samozřejmě že se závada může projevit znova, a polyfuse se zase na chvíli vypne. Tento cyklus se pak může stále opakovat. Z těchto důvodů musíme vstupní jištění dimenzovat tak, aby v případě závady na zařízení zabralo nejdřív jištění vývodu měniče, a tedy vstupní jištění bude reagovat pouze na závadu samotného měniče. Nejčastější závada DC měniče je jeho přehřátí, ať už kvůli přetížení, nebo poddimenzovanému chlazení, nebo neočekávaným vnějším vlivům jako selhání chlazení nebo selhání blízkých komponent. Přehřátí obvykle vyústí v proražení blokační diody, která uvede spínací tranzistor defacto do zkratu. V praxi mám mnohokrát ověřeno, že napájet takový přehřátý měnič přímo z baterie nebo jiného tvrdého zdroje obvykle způsobí těžké přetížení diody i tranzistoru, a selhání obou součástek. Jejich křemík se doslova roztaví a sleje, a slabší prvek, obvykle tranzistor následně exploduje, čímž se přeruší a přestane téct i poruchový proud. Výměna diody bývá snadná, ale tranzistor je v polovině případů součástí all-in-one kontroléru, a tedy je nutná výměna i tohoto kontroléru, který je dražší, a kvůli svému typicky vyššímu počtu vývodů složitější na výměnu. Nehledě na nutnost demontáže případných chladičů.

Když jsem však před takový měnič zařadil klasickou pojistku, obvykle polovina měničů stav závady přežije, a po vychladnutí a výměně pojistky je možné je používat bez omezení dál. V druhé polovině případů buďto stejně došlo ke zničení komponent (i když ne tak devastujícímu), nebo byly součástky „načnuté“, čili poškozené takovým způsobem, že v malém zatížení nebo při malém napětí fungovat mohly, ale při mírném zatížení opět selhaly. Polyfuse reagují mnohem rychleji a při nižším procentuálním přetížení než klasické pojistky s vláknem, které má přehořet. Úspěšnost přežití měničů velmi stoupla v porovnání s pojistkami. Co reaguje téměř mžikově je elektronické jištění pomocí měření proudu bočníkem a případnému rozepnutí spínacího tranzistoru. U digitálních laboratorních zdrojů se tato funkce jmenuje OCP = over current protection, nadproudová ochrana. Existují například i moduly elektronických nadproudových ochran pro průmyslové použití. Sám jsem několikrát montoval ochrany od firmy Murr elektronik. Tyto ochrany reagují stejně rychle a přesně, jako váš laboratorní zdroj. Akorát teda poslední dobou mají tak mizernou dostupnost, že musím osazovat zase klasické pojistky. Tyto elektronické ochrany mají ještě větší poměr zachráněných měničů než už tak dobré pojistky polyfuse. Elektronické nadproudové ochrany jsou však šeredně drahé, a cpát všude modulové digitální laboratorní zdroje také není kdovíjak levná záležitost. Zkušený bastlíř však může zvládnout si s pomocí operačního zesilovače, mosfetu, odporového bočníku a nějakého „smetí okolo“ takovou jednodušší ochranu sestavit.

Některé měniče mají na svém vstupu pojistku, obvykle připájenou malou trubičkovou 3,6x10 mm, nebo automobilní, mini či běžnou, připájenou přímo, či vsunutou do pouzdra nebo konektorů typu faston. Tato pojistka je však klasická tavná, a ty automobilní bývají obzvlášť pomalé. Málokdy tyto pojistky zachrání měnič před jeho zničením, spíš ochrání okolí od selhávajícího měniče a jeho potenciálního ohňostroje. Proto i v případě měničů s vlastní pojistkou doporučuji použít externí jištění.

Záchrana měniče vstupní pojistkou nemusí mít však pouze blahodárný ekonomický vliv, ale i blahodárný vliv na lidské zdraví. Například se může ze selhávajícího mosfetu za speciálních audiovizuálních efektů oddělit fragment jeho epoxidového pouzdra, a následně se díky své značné kinetické energii přemístit do lidského oka, způsobivší podráždění či poškození oka. Následný úlek a reflexe člověka mají potenciál způsobit sekundární zranění a škody, nehledě na škody způsobené úlekem hospodářských zvířat. Každý řádný hospodář dbá správného jištění svých měničů, nežli jich do provozu uvésti ráčí. Vstupní jištění před měniči se někdy z důvodu pohodlnosti, lenosti nebo ceny nepoužívá, zejména pak pokud je přítomno výstupní jištění, nebo má měnič ochranu proti zkratu. Kde však vždy doporučuji použití vstupního jištění jsou boost měniče. Toto bude vysvětleno v kapitole Nastavování boost měničů.

Přídavné chlazení

Měniče produkují tím více tepla, čím více je zatěžujeme a čím horší mají účinnost. Vysoké teploty sice obecně snižují ztráty, protože některým PN přechodům stoupne vodivost, avšak obecně se jim snažíme vyvarovat. Setrvávání na vyšších teplotách degraduje křemík výkonových prvků, které pak mohou po nějaké době zčistajasna selhat, i když byly po deset let provozovány za zcela stejných podmínek. Výkonovým prvkům škodí též tepelné cykly, respektive změny teplot, zejména rychlejší. A konečně, se zahřátím polovodičů klesají jejich průrazná napětí, na což trpí zejména schottkyho diody, které se běžně dimenzují na fest (s malou rezervou), například 40 V dioda do 30 V měniče. Taková dioda SS540 sice za normálních podmínek vydrží 40 V v závěrném směru a snese až 5 A proud v propustném směru, avšak se zahřátím její závěrné napětí klesá, a může klesnout i na úroveň napájecího napětí. Co se pak stane jsme si už řekli v kapitole Přidání vstupního jištění. Přídavné chlazení pomůže tyto tři problémy eliminovat.

Přídavné chlazení obvykle řešíme vektorováním přirozeného pohybu vzduchu – odstraněním zábran, které by bránily přirozenému stoupání teplého vzduchu ven, a nasávání studeného vzduchu spodem. Další možnost je montáž přídavného chlazení. Velmi jsem si oblíbil nalepovací chladiče. Na Aliexpressu se dají koupit po deseti za skutečně rozumné ceny. Velmi jsem si oblíbil obchod „WE DO HEATSINK Store“. V běžných českých obchodech bývají hliníkové chladiče, kor ty samolepící šíleně předražené. U chladičů se vždy vyplatí je schraňovat z vyřazených přístrojů. Samolepící teplovodivá oboustranka, nebo teplovodivý bílý silikon jsou naštěstí velmi levné. Chladit doporučuji zejména hlavní spínací tranzistor (někdy součástí kontroléru) a blokační diodu. Ukázkové přichlazení těchto výkonových komponent je na následujícím obrázku.

Obrázek 13 - Nalepovací chladiče u buck-boost s XL6019 a CC/CV buck s XL4015

Kondenzátory

Kondenzátory v DC měničích obecně velmi trpí, a také bývají předmětem přehřívání. Běžně se setkáváme s kombinací keramického kondenzátoru (malé hnědé SMD) a elektrolytického (velké hliníkové válce). Kondenzátory slouží k filtraci výstupního napětí. Jedná se o zvlnění, které chceme eliminovat. Zvlnění (ripple, noise) vzniká spínáním tranzistoru, a mívá frekvence řádově desítky kHz až 200 kHz. Zvlnění je horší při vyšší zátěži, a také při vyšším rozdílu vstupního a výstupního napětí. Správné odrušení, a tedy filtrace vyžaduje několik kondenzátorů podpořených tlumivkou (LCL filtr), avšak s tímto řešením se u čínských měničů tak často nesetkáváme. Běžnější je prostě jen kondenzátor, respektive pár kondenzátorů paralelně. Můžeme jim dost odlehčit přidáním dalších kondenzátorů paralelně. Keramické se dají snadno stohovat na sebe, 2 nebo 3 se na sebe téměř vždy vejdou. Elektrolyty často užijí výměnu za lepší, například originální 105°c vyměnit za 125°c Nichicon, Nippon, Chemicon, CapXon, a další přední výrobci kvalitních Japonských kondenzátorů.

Elektrolytickým kondenzátorům teplo obecně velmi vadí. Každých 10°c nahoru znamená zkrácení doby fungování na polovinu. Proto se stále častěji v počítačích objevují polymerové kondenzátory, též nazývané solid capacitors, které na tyto problémy netrpí, a proti elektrolytickým zvládají vyšší frekvence. Samozřejmě ne tak vysoké jako keramické kondenzátory.

Kondenzátorům obecně vadí i vysoká napětí, ať je to tantal, keramika, polymer i elektrolyt, pohybovat se v blízkosti jejich maximálního napětí jim výrazně zkracuje životnost. Kondenzátory se vyrábějí na napětí je standardní řadě 6,3; 10; 16; 25; 35; 50; 63; 100; 160; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 630 voltů. Do měniče nebo zdroje o výstupním napětí 5 V by teoreticky stačil 6,3 V kondenzátor, avšak ten moc dlouho pracovat nevydrží, takže volíme 10 V. Pro 12 V bych volil 25 V, a pro 24 V 35 V kondenzátory.

Při nahrazování kondenzátorů kondenzátorem na jiné napětí musíme dbát jednoho pravidla – ve stejné modelové řadě kondenzátorů ESR klesá s vyšší kapacitou, a stoupá s vyšším napětím. Nahrazení kondenzátoru 10 V 1000 μF kondenzátorem 16 V 1000 μF tedy může znamenat problémy se zvlněním, a kondenzátor může být i více horký. Správnější náhrada by byl 16 V 1500 μF. Musíme však počítat s tím, že má vyšší kapacitu, která teoreticky může něčemu vadit. Většinou tomu však nebývá.

Elektrolytické kondenzátory bývají vybaveny tzv. vent pouzdrem, kdy je pouzdro nastřiženo. Uvnitř elektrolytického kondenzátoru je kapalný elektrolyt, něco jako olej. Při přehřátí se roztahuje, a kondenzátor se nafukuje. Aby nevybuchl, nastřižená uměle zeslabená část má selhat jako první, a kondenzátor si takzvaně ufoukne. Netřeba zmínit, že takový kondenzátor už plní svou funkci jen nepatrně a je na místě jej vyměnit.

Pokud dojde k ráznému přetížení kondenzátoru, běžně vlivem přepětí, nebo selhání izolace, elektrolyt se rychle odpaří, a zde to už nic nezachrání, pouzdro elektrolytu se roztrhne, nebo vystřelí nahoru.

Diody

Většina menších měničů má asynchronní usměrnění (asynchronous rectification), a tyto měniče jsou vybaveny diodou, která je též velmi zatěžována. Obvykle se setkáváme se Schottkyho diodami v SMD pouzdrech, a to SMB a větším SMC. Běžný představitel budiž například SS340 nebo SS560. SS340 se vyrábí hlavně v menším SMB, zvládne 3 A v propustném směru, a vydrží blokovat závěrné napětí až 40 voltů. SS560 je zase na 5 A a 60 V. Vývodové diody se obvykle značí SR, pravidla pro napětí a proud jsou stejná. Jak již bylo dříve řečeno, horké diodě se snižuje napětí, při kterém dojde k průrazu. Proto pokud bychom měli v měniči diodu SS540, měnič by byl často velmi zatěžován, a napájen napětím 35 voltů, je na místě diodu vyměnit za SS560, která bude mít vyšší rezervu. Nutno podotknout, že tato dioda sníží účinnost měniče, ale za vyšší spolehlivost, respektive zabránění selhání to může stát.

Tlumivka

Tlumivky jsou na spínaných měničích často to nejdražší. Pro vysoké frekvence se používá výhradně toroidních tlumivek s feritovým jádrem, klasické ocelové tlumivky by akorát topily a netlumivkovaly. Možná by se projevila i jejich mezizávitová kapacita, a taková klasická tlumivka by lépe posloužila jako kondenzátor, tedy součástka přesně opačná. Tomu říkám paradox. Koneckonců, i u velkých elektrolytických kondenzátorů přichází při frekvencích kolem 100 kHz ke slovu víc indukčnost navinuté folie nežli kapacita. Jsou to potvory falešné, a mění strany víc než Itálie za druhé světové.

Osobně jsem dosahoval úspěchů při nahrazení originální tlumivky za tlumivku s vyšší indukčností. Vyšší indukčnost se dosahuje více závity, avšak pokud použiji tlumivku ve stejném pouzdře (stejně velkou), tak musí být namotána tenčím drátem nežli původní tlumivka, aby se tam to vinutí vůbec vešlo. Vyústí to ve větší odpor vinutí, a tedy menší zatížitelnost tlumivky. Při nižší zátěži benefitujeme z vyšší indukčnosti, ale při vyšší zátěži už nám stojí v cestě tenčí drát, ze kterého je tlumivka navinuta.

Proto pokud možno, osazujeme tlumivky se zároveň vyšší indukčností a na vyšší proud. V praxi se to nedělává, protože jak jsme si již řekli na začátku kapitoly, tlumivky bývají to nejdražší.

Tlumivky, ač se často také zahřívají, nemusíme zas tak moc hrotit. Tlumivky si můžou topit jak chtějí, kdovíjak jim to nevadí. Spíš to vadí okolním komponentům, které se od nich zbytečně zahřívají. Tlumivky je tedy lepší dávat trošku bokem, a izolovat je od kondenzátorů a diody. Samozřejmě už jsem se se spálenou tlumivkou v DC měniči setkal, avšak ta byla už na pohled velmi šíleně poddimenzována, a tam jsem její selhání i čekal.

MOS-FET

Mosfet se obvykle používá jako hlavní spínací tranzistor. Většina menších měničů jej má integrován v all-in-one kontroléru, ale u větších měničů jsou mosfety externě jakožto samostatné součástky. Originální mosfet můžeme nahradit za lepší, a to následovně:

• RDS_on je odpor mezi drain a source vývody, když je mosfet sepnut. Nový tranzistor volíme tak, aby měl tento parametr nižší.
• U_DS je maximální napětí, jaké mosfet zvládne spínat. Volíme stejné nebo mírně vyšší.
• CG je kapacita gate mosfetu, udává se často trošku jinak, CGS atd. Mosfet s vyšší kapacitou gatu se bude bránit změnám ovládacího napětí, proto tento parametr musí mít nový mosfet stejný nebo nižší. Vyšší kapacita gate by způsobila, že mosfet nebude úplně otevřen či zavřen, a bude výrazně topit, nebo přetíží obvod, který gate budí, a ten obvod shoří, nebo se gate utaví, protože jím potečou příliš vysoké proudy.

Poznámka autora: Kapacitu gatu neberte na lehkou váhu. Obecně mosfety s nízkým RDS mívají kapacity gatu enormní, a gate nemá téměř žádný svod. Mosfet vám může vydržet sepnutý klidně několik minut! Mluvím z vlastní zkušenosti s kondenzátorovou bodovačkou spínanou mosfety.

Nastavení DC-DC měničů

Pokud před sebou máte digitálně řízený měnič, který se nastavuje softwarově, tuto kapitolu můžete vynechat. Složitosti s nastavováním těchto limitů jsou jen u analogově regulovaných zdrojů. Nastavování DC měničů je velice jednoduché, pokud se nám jedná o CV. Ale ostatní hodnoty se nastavují mnohem složitěji, a například konkrétně při nastavování CC u step-upu může snadno dojít k jeho zničení. Mnoho lidí mi psalo že zničili třeba tři step-upy v ceně celkem 750 korun, a bohužel, opravdu je velmi snadné je zničit.

Nastavení měniče, který běží pouze v režimu CV je intuitivní a nevyžaduje žádný fikaný postup, proto se budeme věnovat CC/CV a dalším speciálním funkcím. Všechny měniče mají společné jedno – CV nastavujeme až jako poslední.

Nastavování buck měničů

Většina buck měničů má výstupní rozsah např. 1,25–30 V. Existují sice zdroje, které „jedou od nuly“, ale běžně jsou to však jen laboratorní zdroje, a modulové DC-DC měniče toto nemívají. Laboratorní zdroje a všechny ostatní, které jedou od nuly, například 0–30 V, zde stačí pro nastavení CC jen vyzkratovat výstup a můžeme točit potenciometrem. Pokud bychom však vyzkratovali měnič, který jede až od 1,25 V, nebo jiného nenulového napětí, koledujeme si o přetížení a případné zničení měniče. Potřebujeme tedy dvě klasické diody, které dáme sériově. Jedna dioda má úbytek cca 0,7 V, takže dvě budou mít úbytek cca 1,4 V, respektive je to napětí, při kterém začínají vodit. Pokud jimi budeme hrát větší proudy, jejich úbytek může stoupnout až na 2,0 V, ale výš by už jít neměl. Toto je tedy ideální kandidát na nastavení CC.

DC měnič připojíme na zdroj a zapneme. Na výstup připojíme voltmetr a nastavíme si kolem 3 voltů. Poté zdroj vypneme, a na výstup zapojíme ampérmetr a dvě diody, vše do série. Pro proudy nad 5A už můžeme i s klidem v duši použít ampérmetr klešťový, ovšem pouze fungující na hallovém principu – DCA klešťák. Stáhneme si CC omezení na minimum a zapneme napájecí zdroj. Pak už stačí jen kroutit potenciometrem nebo trimrem na nastavení CC a dosáhnout tak požadovaného proudu. Pokud jej nelze dosáhnout, tak naše diody s ampérmetrem mají větší úbytek než kolik jsme zprvu nastavili CV, takže si CV lehce zvedneme, a můžeme nastavovat CC dál.

Až budeme s hodnotou CC spokojeni, tak odpojíme naši zátěž sestávající z ampérmetru a dvou diod, a zapojíme opět voltmetr, a s ním nastavíme už naše finální požadované CV. Pozor! Vždy připojujte diody s ampérmetrem k vypnutému měniči, a až posléze jej zapněte. Pokud byste jej nechali běžet a zčistajasna jej zkratovali diodami, je možné, že náboj uložený ve výstupních kondenzátorech spálí pojistku v multimetru nebo prorazí diody, a dojde ke škodám.

Pozor! Dbejte správného dimenzování použitých diod. Jistě pro nastavování proudu 5 A nebudu používat diodu 1N4007, která zvládne jen 1 A, ale místo ní použiju například diodový usměrňovací můstek na 25A. Tento bude mít velkou rezervu, a nejenže nemůže dojít k jeho poškození, ale dost možná zvládne chvíli uchladit ztrátový výkon, který na něm bude přítomen. Zde by to bylo prakticky cca kolem 7-10 W

Nastavování buck-boost měničů

Buck-boost měniče nastavujeme stejně jako buck měniče.

Nastavování boost měničů

A teď nám začíná sranda, boost měniče jsou na nastavování CC limitů pěkné peklo. Mnoho lidí si svůj boost měnič zvládlo odpálit, a dokonce byly případy, kdy si lidi odpálili i svůj napájecí zdroj.

Představme si, že mám boost měnič pro napájení LED, napájen je z 24V baterie a chci jej nastavit na 36 V 1 A. Jak to mají boost měniče s výstupním napětím? Boost neboli step-up, česky zvyšující měniče umí napětí jen a pouze zvyšovat, tedy rozsah jejich dosažitelného výstupního napětí je VIN – VMAX, přičemž VIN je vstupní napětí a VMAX je pak maximální napětí, třeba 60 V, to je teď ale fuk. Boost měniče tedy nemohou jít pod své napájecí napětí, a to je kámen úrazu. Když omylem nebo úmyslně vyzkratujeme buck nebo buck-boost měnič, většina jich to ustojí, a ty nejlepší přejdou do OCP režimu, a budou si s cca vteřinovým intervalem „ťukat“ malé napětí na výstup a zkoumat, jestli zkrat už zmizel. Jenže boost měniče toto nemohou, ony nemají možnost přerušit napájecí vedení, protože mají v cestě jen tlumivku a diodu, a žádný řízený spínací prvek. Obvykle při zkratu na výstupu boost měniče pak dojde ke spálení diody a tlumivky, pokud samozřejmě dřív nezabere předřazená pojistka. U boost měničů je tedy vstupní nadproudová ochrana ještě důležitější než u ostatních. Pokud se nad situací zamyslíme, pak vyvodíme jako důsledek následující –budu měnič napájet co nejnižším napětím, při kterém ještě poběží, a nastavím jej za pomocí většího množství diod. Toto však s sebou nese velké problémy, zejména mnohem vyšší vstupní proud, který může měnič přetížit, ale taky velké rozměry onoho většího množství diod spojených dohromady.

Jako nejlepší řešení se tedy jeví nastavit měnič za podmínek, za kterých bude provozován. Tedy připojím k němu onu 36V 1A LED.

Nastavíme si CV lehce vyšší, aby nám CV limit nesahal do CC režimu, jako je tomu u analogové regulace zvykem. CC limit pak stáhneme na minimum. Vypneme zdroj, připojíme LED s ampérmetrem a zapneme zdroj. Nyní již stačí nastavovat CC dokud nebude proud dosahovat požadované hodnoty. Poté odpojíme LED a donastavíme si CV.

CC+CV

V kapitole CC a CV nastavení se navzájem ovlivňují a v kapitole Předěl CC/CV může být tupý nebo lepivý jsme se seznámili se záludnostmi provozování zdrojů s analogovou regulací, pokud potřebujeme využívat jak CV, tak CC režimu. Pro napájení LED a dalších choulostivějších součástek tedy nezbývá než doporučit držet se pouze CV nebo pouze CC, a ten druhý limit prostě vyhnat nahoru, aby neovlivňoval regulaci. Pokud bychom například nastavili měnič na LED 36V 1A, tak si představme scénář s lepivou „ostrou“ regulací:

LED je studená, její odpor je mírně vyšší. Začneme ji napájet zdrojem CC 1 A CV 36 V. Měnič poběží v režimu CV = 36 V a LED může protékat například 0,9 A. Jak se bude LED provozem zahřívat, její odpor bude klesat a v důsledku toho proud stoupat. V momentě, kdy se proud vyšplhá na 1,00 A by se měj zdroj ideálně přepnout do režimu CC, a řídit se maximálním proudem. Jenže takový zdroj s lepivou regulací se bude ještě chvíli držet CV režimu, a to až do okamžiku dosažení například 1,2 A, kdy konečně zabere analogová regulace a zdroj přejde do CC 1 A režimu. Během této fáze ohřívání tedy LED doplatí na špatnou analogovou regulaci, a odnese si z toho doživotní trauma v podobě zkrácení životnosti.

UVP

Některé větší a dražší měniče implementují funkci UVP – under voltage protection = ochrana před podpětím. Ta má dvě funkce: Obecně slouží k zabránění podvybití například autobaterie, ze které je měnič poháněn. Může sloužit i jako detektor nastartovaného motoru (UVP na 12,9 V) a následné spuštění nabíjení například baterie v karavanu. Druhá funkce je typická pro boost a buck boost měniče. Při poklesu napájecího napětí na polovinu vzroste měničem odebíraný proud na dvojnásobek. UVP je tedy možné nastavit i z důvodu ochrany proti přetížení měniče, nebo napájecího vedení.

MPP

Některé měniče mají funkci MPP, kterou známe z fotovoltaiky. Zjednodušeně řečeno, měnič běží naplno (podle CC a CV limitů), a pokud by vstupní napětí mělo klesnout na nastavené VMPP, tak měnič sníží výstupní výkon tak, aby napětí na vstupu nekleslo pod nastavené VMPP. Tato funkce je dobře využitelná u malých fotovoltaických systémů, kde je potřeba zajistit impedanční přizpůsobení zátěže. V závislosti na intenzitě dopadajícího světla na panel se neustále mění vnitřní odpor solárního panelu (jeho tvrdost). Pokud bychom obyčejný CC/CV měnič nastavili optimálně pro zataženo, tak v případě jasného počasí se nebude využívat plného výkonového potenciálu z panelů. Kdybychom zase nastavili měnič na jasno, tak v případě zatažena poklesne v důsledku velkého odběru napětí na panelu natolik, že bude mnohem víc energie ztraceno do tepla, než kolik energie dostaneme do baterií. Z těchto důvodů maximalizace výkonového zisku musíme u FV panelů a dalších podobných zdrojů využívat měniče MPP nebo MPPT.

Vlastní řešení vs. Hotový měnič

Když se nad tím zamyslíme, které řešení je vlastně lepší? Mám si měnič postavit sám, nebo si koupit již hotový? Máme tu mnoho argumentů podporujících oba přístupy, a tak si je shrňme.

Cena

Cenově výhodnější bude vždy si hotový měnič koupit. I kdybyste brali součástky po 100ks na reelu, nedostanete se s BOM cenou (cena podle kusovníku) na cenu, za jakou to koupíte. Dokonce je i cenově výhodné si dle potřeby sám vyměnit nějakou součástku na hotovém měniči za jinou, a to i když budeme počítat s tím, že tu odpájenou již nikde nevyužijeme.

Toto samozřejmě platí pouze pokud bereme měniče přímo od prodejců, kteří jsou jen jeden krok od fabriky, která ty měniče valí na běžícím pásu. Běžně se dají sehnat na Aliexpress a eBay. Pokud bychom se rozhodli kupovat měnič od dalších přeprodejců, jejich cenová výhodnost pozbyde velkého náskoku, a dokonce se může cena kupovaného měniče vyšplhat na cenu vlastního řešení. Ale to jen z toho důvodu, že tito překupníci si dávají nemorálně vysoké přirážky. Bavíme se tu například o známé stránce laskakit která prodává Step-down měnič s XL4015, CC/CV, červené provedení za 88 Kč (+ doprava). Já ho naposledy kupoval i s dopravou za 39,3 Kč/ks, a to jsem jej kupoval z maloobchodní sítě aliexpress. Na velkoobchodní alibabě stojí kus 19 Kč, pokud jich odebereme alespoň 50. Nebo mikro step-down měnič s MP2315, laskakit ho prodávají za 34 a já ho mám za 12 Kč. VO cena pak činí cca 7,4 Kč. Podobné weby jsou například dratek.cz, pajenicko.cz, hadex.cz, ale musím přiznat, že hadex je cenami ještě v pohodě. Ale když vidím, jak nějaký e-shop má sortiment jako kdyby na Aliexpressu udělali Ctrl+C a na svém e-shopu Ctrl+V, a cenu přemrštili dvoj až trojnásobně, přičemž nepřidali žádnou vlastní přidanou hodnotu, tak mně osobně to hýbe žlučí.

Když už kapitalismus, tak řízený morálkou a etikou. Přirážka se dává +5 % až +30 %, a ne +200 %...

Pružnost provedení

Pokud máme speciální požadavky, ať už na prazvláštní a dost specifické funkce, nebo například jen škálovatelnost, zde málokdy vyhoví hotový modul měniče. V případě, že chceme například měnič ovládat na dálku, po sběrnici, dodělat mu enable apod, někdy postačí přidání operačního zesilovače, někdy digitální potenciometr, ale tyto úpravy mohou a nemusí způsobit sekundární problémy. Proto pokud budeme potřebovat speciální funkce, musíme buďto koupit a upravit měnič, který je svou koncepcí pro toto vhodný, nebo si holt navrhnout měnič svůj.

Čas vývoje

Výběr hotového měniče by vám dřív zabral docela dlouho, klidně celé hodiny prolézání Aliexpressu a ebaye, a do toho prolézání internetových fór a dělání si poznámek o tom který zdroj je problémový, nebo má špatnou účinnost atd. Naštěstí s vydáním mého testu 27 DC měničů se toto pro mnohé dost zjednodušilo, a po vydání této publikace a souvisejících videí stačí na dohledání vhodného měniče doslova pár minut.

Pouštět se do vývoje DC měniče mohou jen zkušení lidé, případně i nezkušení řídící se cizím schématem. První schéma může být hotové během pár hodin. Dále musíme dohledat snadno sehnatelné součástky, které můžeme koupit výhodně, a jsou pokud možno co nejvíce běžné. S těmito součástkami pak upravíme schéma, a vygenerujeme soubory pro výrobu desky plošných spojů – DPS. Výroba DPS zabere zpravidla pár dní – buďto si prototyp vyrobíme sami, nebo jej pošleme do JLCPCB či PCBWAY a dalších služeb. Jejich doručení trvá zpravidla dva až tři týdny. Poslední možnost je osadit si prototyp na univerzální desku, a propoje si dělat vlastními vodiči. Je to sice neskutečně šeredné, a každý, kdo se kolem toho ochomýtne si zcela jistě „odplivne lečo“, ale na druhou stranu je to rychlejší a levnější než výroba prototypové desky.

Takže, máme revizi 1. U té zjistíme mnoho závad a přijdeme na další optimalizace. Vyrobíme, nebo dáme vyrobit další desku, revizi 2. Následovat můžou i další revize, a celkově se vývoj tohoto měniče může protáhnout klidně na dobu přesahující dva měsíce.

Kontrolér versus hradla a komparátory

Doba vývoje vlastního řešení se také ještě výrazně protáhne, pokud se rozhodneme využít klasická hradla a komparátory pro generaci PWM signálu. Obvodové řešení nabere neskutečné složitosti a rozměrů, a budeme muset laborovat s obrovským množstvím mosfetů, indukčností, a pořád si hrát s frekvencí. Doba vývoje se protáhne klidně na půl roku.

Proti tomu použití již hotového kontroléru spínaného měniče dost problémů usnadní vzhledem k jednoduchosti, potřebě mnohem menšího množství externích součástek („smetí kolem“), a taky faktu, že výrobce v datasheetu (datový list) velmi často udává typická zapojení pro různé aplikace, a také poskytuje mnohé vzorce, jejichž výpočty můžeme docílit lepších účinností, nebo něco vyřešit jednodušeji atd.

Odolnost a životnost

Životnost závisí zejména na dimenzování součástek, a jejich míře zatěžování. Obecně zastarávají jen elektrolytické kondenzátory, a časem se může vyhřát křemík (spínací prvky – MOSFET a diody). Dlouhou životnost kondenzátorů zajistíme dostatečným dimenzováním, a ideálně kombinací keramika – tlumivka – keramika + polymer, případně další variace. Životnost křemíku prodloužíme chlazením. Obecně tedy stačí pro delší životnost volit měnič takový, který se při provozu moc nezahřeje a bude se flákat. Ovšem někdy to přináší i špatnou účinnost, a zde je třeba se rozhodnout pro správný kompromis.

Odolnost, a zde se bavíme z hlediska elektrického se dá velice snadno zvýšit externími součástkami. Například anti-backflow diodou, vstupní pojistkou v kombinaci s TVS – transilem na vstupu a klidně i výstupu. Zvyšování spolehlivosti přidáváním chlazení a vhodným dimenzováním součástek je vždy snažší u vlastního návrhu měniče. Zvyšování odolnosti jde velmi často dodělat i na hotový měnič, ale nemusí to vypadat k světu. Zde tedy s mírnou převahou vítězí vlastní řešení.

Vzdělávací potenciál

U hotových měničů se můžeme jejich úpravami naučit pár zákonitostí, například výměnou některých výkonových komponent. Při návrhu vlastního měniče se však dostaneme problematice více do hloubky, a přijdeme si na mnohem více zákonitostí.

Dlouhodobá dostupnost

Dlouhodobá dostupnost je u hotových měničů nejistá. Naštěstí bývají vyrobené z nejběžnějších komponent, jaké existují, a tak v případě jejich nedostupnosti je možné provést reverzní inženýrství, případně si i něco doladit, a začít si měnič vyrábět sám. Samozřejmě je tu problém s najetím do výroby – zejména čekání na dodání desek atd.

U vlastních konstrukcí musíme dbát na to, abychom používali co nejstandardnější komponenty, a vyvarovali se například kontrolérů na pokraji EOL – end of life – součástky, které se brzo přestanou vyrábět. Musíme mít také vytipované náhrady za některé klíčové komponenty, aby v případě nestíhání dodávky od jednoho výrobce jsme mohli objednat tyto komponenty u výrobce jiného. Samozřejmost je držet si skladové zásoby.

Konkurence a motivace

Pokud se chceme pouštět do vývoje vlastního DC měniče, pak nás k tomu povede jedna ze tří skutečností. První možnost je, že se to prostě chci naučit. Sám jsem si stavěl měniče kolem obvodů MC34063, moc dobře to znám. Dalo mi to dost zkušeností. V těchto případech člověk soutěží sám se sebou, a snaží se překonat svůj vlastní návrh neustálými vylepšeními.

Druhá možnost je, když prostě našim požadavkům nic nevyhovuje. Pak ano, stavba vlastního měniče je jediná možnost. Třetí případ je, když pracujeme ve firmě, která valí produkty s vestavěnými měniči například někam do průmyslu. Zde si rádi navrhneme měnič svůj, dostatečně kvalitní, a dostatečně odolný. Samozřejmě firma pak na svých bedrech nese poměrně nákladný vývoj, a je jen na ní, aby od tohoto výrobku prodala mnoho kusů, aby se jí vývoj zaplatil.

Shrnutí teoretické části

DC-DC měniče nabízejí své služby zejména ve výkonovějších aplikacích, a jejich výhody se stávají markantnějšími s vyšším proudem, nebo větším rozdílem vstupního versus výstupního napětí, a to díky své vysoké efektivitě, někdy až nesrovnatelně vyšší proti tradičním lineárním stabilizátorům, nebo obyčejnému rezistoru. Jaká ta efektivita bude, o tom je druhá část, která bude následovat. DC-DC měniče navíc umožňují co nebylo doposud vůbec snadné, umí stejnosměrné napětí i zvyšovat, nebo snižovat a zároveň zvyšovat. Jejich provedení se však liší, a tak musíme topologii měniče vždy zvolit správně tak, abychom za všech přípustných provozních podmínek dostali naše napětí na výstupu.

Měniče mohou pracovat v režimu konstantního napětí CV (napěťový zdroj), nebo v režimu konstantního proudu CC (proudový zdroj). Speciálním případem CV regulace je rychlonabíjení, kdy měnič slouží jako rychlonabíječka pro telefony, tablety a notebooky, a napětí je řízeno fast charge kontrolérem, který si povídá s nabíjeným zařízením, a podle jeho přání upravuje výstupní napětí. U měničů s analogovou regulací bychom se měli vyvarovat častému pohybu pracovního bodu kolem předělu CC/CV, který bývá tupý nebo lepivý.

Řekli jsme si dále o zajímavostech s provozem DC měničů. Například proč mají měniče vysoký náběhový proud, a jak jej můžeme efektivně zmírnit. Nebo zásady pro paralelní chod dvou a více měničů současně, dále zásady pro paralelní chod s funkcí redundantního napájení, a jak nám tu může škodit tzv. backflow. A také jak vypadá paralelní chod měničů s prioritou, a kde jej lze využít. A v poslední řadě jsme si řekli proč na výstupu DC měničů vzniká vysokofrekvenční zvlnění, a řekli jsme si o způsobech jak jej omezit – odfiltrovat.

Další kapitola se týkala zvýšení spolehlivosti DC měničů, a pojednávala zejména o přidání nadproudové ochrany na vstup i výstup měniče, a v čem je taková ochrana spásná. Také jsme si popsali jak se bránit proti otočené polaritě vstupního napětí, jak se bránit proti přepětí, a jak se bránit proti vstupnímu zvlnění. Pro zvýšení spolehlivosti má také výrazný vliv správné chlazení křemíkových komponent i kondenzátorů, stejně jako jejich správné dimenzování.

Nastavování provozních parametrů může být jednak jednoduché, pokud například nastavujeme CV, ale taky velmi nebezpečné, třeba pokud nastavujeme CC u boost měniče. Mnoho lidí mi psalo jak si měnič při nastavování spálili, a tak tato publikace popisuje i správné postupy nastavení CV a CC limitů pro všechny tři druhy měničů (buck, boost a buck-boost). Jako bonus jsme si řekli i o nastavení limitu UVP a MPP.

Poslední teoretická kapitola pojednávala o zamyšlení se nad výhodami a nevýhodami pokud bychom srovnávali měnič navržený a postavený doma, versus měnič hotový.