Повышающий преобразователь 6 → 15 В на LM2585

Повышающий преобразователь на LM2585 поднимает 6 В до 15 В с минимумом деталей: катушка 22 мкГн, диод Шоттки, два конденсатора и делитель.

С номиналами со схемы (R1 = 56 кОм, R2 = 4,7 кОм) выход получается около 15,9 В, а не 15 В: Uвых = 1,23 · (1 + R1 / R2). Ключ рассчитан на 3 А, поэтому по расчёту максимальный выходной ток около 0,7 А, а на практике закладывают до 0,5 А.

В повышающей схеме выход не защищён от короткого замыкания: ток идёт от источника через катушку и диод, и нужен предохранитель на входе.

Нужно 15 В, а есть шесть — от свинцовой батареи или четырёх элементов? Линейный стабилизатор тут бессилен, понадобится повышающий импульсный преобразователь. LM2585 — готовый вариант с ключом внутри.

Ниже — данные даташита, схема, расчёт выходного напряжения, скважности, индуктивности и тока, ошибки и вопросы.

Что говорит даташит

Данные из даташита Texas Instruments на LM2585:

Параметр	Значение
Входное напряжение	от 4 до 40 В
Ключ	NPN, 3 А; выдерживает 65 В
Частота преобразования	100 кГц
Опорное напряжение (вывод обратной связи, версия ADJ)	1,230 В (1,208–1,252 В при 25 °C)
Падение на ключе при 3 А	0,45 В типично, 0,65 В максимум (25 °C)
Ограничение тока ключа	4 А типично (3–7 А)
Максимальная скважность	98 % типично
Выходное напряжение	допуск ±4 % при заданных условиях

Даташит отдельно предупреждает: ток ключа и ток нагрузки в повышающем включении не равны, ток нагрузки внутри не ограничивается, и его нужно ограничить снаружи так, чтобы ключ не превышал 3 А.

Схема

Катушка L1 запасает энергию, пока внутренний ключ микросхемы замкнут, и отдаёт её через диод D1 в выходной конденсатор, когда ключ размыкается.

Делитель R1 и R2 сообщает микросхеме, сколько напряжения на выходе, а цепочка R3–C2 корректирует обратную связь, чтобы преобразователь не возбуждался. C4 — на входе, C1 — на выходе.

Расчёт выходного напряжения

Выходное напряжение: Uвых = Vref · (1 + R1 / R2), Vref = 1,23 В по даташиту.

Для R1 = 56 кОм и R2 = 4,7 кОм получается 1,23 · (1 + 56 / 4,7) ≈ 15,9 В.

С разбросом Vref (1,208–1,252 В) выход лежит примерно в пределах от 15,6 до 16,2 В, ещё без допуска резисторов.

Для ровно 15 В нужно R1 = R2 · (Uвых / 1,23 − 1) = 4,7 · (15 / 1,23 − 1) ≈ 52,6 кОм. Ближайший ряд E24: 51 кОм даёт 1,23 · (1 + 51 / 4,7) ≈ 14,6 В; из ряда E96 52,3 кОм даёт около 14,9 В.

Скважность, индуктивность и ток

Скважность в идеальной схеме: D = 1 − Uвх / Uвых = 1 − 6 / 15,9 ≈ 0,62.

Размах пульсаций тока катушки: ΔIL = Uвх · D / (L · f) = 6 · 0,62 / (22 · 10⁻⁶ · 100 · 10³) ≈ 1,7 А (L = 22 мкГн, f = 100 кГц).

Входной ток при выходном токе Iвых и КПД η (условно 0,85): Iвх = Iвых · Uвых / (Uвх · η). Пиковый ток ключа Iпик = Iвх + ΔIL / 2.

• 
  Iвых = 0,5 А.Pвых = 15,9 · 0,5 ≈ 7,95 Вт; Iвх = 7,95 / (6 · 0,85) ≈ 1,56 А; Iпик ≈ 1,56 + 0,85 ≈ 2,4 А.
• 
  Iвых = 0,7 А.Iвх ≈ 2,18 А; Iпик ≈ 3,0 А, то есть на пределе ключа.
• 
  Iвых = 0,8 А.Iвх ≈ 2,49 А; Iпик ≈ 3,3 А — выше 3 А.
• 
  Граница непрерывного тока.Iвх > ΔIL / 2 ≈ 0,85 А, то есть Iвых больше 0,27 А; ниже режим прерывистый.

Значит, максимальный выходной ток по расчёту — около 0,7 А, а на практике закладывают до 0,5 А. Катушка и диод должны выдерживать ток не менее 3 А.

Потери при Iвых = 0,5 А: Pвх − Pвых = 9,35 − 7,95 ≈ 1,4 Вт. Из них на диоде около 0,475 В · 0,5 А ≈ 0,24 Вт (прямое падение 1N5820 при 3 А по даташиту Fairchild), остальное — ключ, катушка и конденсаторы.

Пульсации на выходе: ΔUвых ≈ Iвых · D / (f · C1) = 0,5 · 0,62 / (100 · 10³ · 680 · 10⁻⁶) ≈ 4,6 мВ без учёта ESR (оценка).

Диод Шоттки

1N5820 — диод Шоттки на 3 А с повторяющимся обратным напряжением 20 В (серия 1N5820–1N5822: 20, 30, 40 В по даташиту ST).

Выход 15,9 В близок к 20 В, запас мал, а на ключе возможны выбросы. Надёжнее взять 1N5822 на 40 В.

Типовые ошибки

Где пригодится сегодня

Питание 12–15 В от литиевой сборки или свинцового аккумулятора в переносных устройствах. Сейчас чаще берут готовый модуль на XL6009 или подобном: они дешевле деталей. Но разбирать схему на LM2585 стоит, чтобы понимать, как модуль работает.

Что в итоге

Подходит: питание 12–15 В от батареи при токе до полуампера. Не подходит: питание, где нужна защита от короткого замыкания, — берите преобразователь с защитой или добавьте предохранитель.

Выбор типа блока — в обзоре «Какой блок питания собрать». По теме: преобразователь 3→5 В на MAX660 и «DC-DC модуль или линейный стабилизатор». Если импульсный блок не работает, поможет диагностика импульсного блока питания.

Частые вопросы

Какое выходное напряжение даёт схема с R1 = 56 кОм и R2 = 4,7 кОм?

По формуле Uвых = 1,23 · (1 + R1 / R2) около 15,9 В. С разбросом опорного напряжения по даташиту — от 15,6 до 16,2 В.

Для 15 В нужно R1 около 52,6 кОм: 51 кОм даст примерно 14,6 В.

Какой ток нагрузки допустим?

Ключ рассчитан на 3 А. По расчёту при входе 6 В и КПД 0,85 максимум около 0,7 А, на практике закладывают до 0,5 А.

Выше пиковый ток ключа превышает 3 А, а ограничить ток нагрузки внутри в повышающем режиме нельзя.

Как рассчитать скважность и индуктивность?

Скважность D = 1 − Uвх / Uвых, для 6 → 15,9 В около 0,62. Пульсации тока катушки ΔIL = Uвх · D / (L · f): для 22 мкГн и 100 кГц около 1,7 А.

Катушка должна выдерживать пиковый ток, то есть 3 А и выше.

Чем заменить диод 1N5820?

Для выхода 15–16 В надёжнее 1N5822 на 40 В: 1N5820 рассчитан на 20 В, а запас над 15,9 В мал.

Оба диода выпускаются в корпусе DO-201AD и продаются в российских магазинах радиодеталей.

Нужна ли защита от короткого замыкания?

Да, предохранитель на входе. В повышающей схеме ток при замыкании выхода идёт от источника через катушку и диод, и ограничение ключа не помогает.

У готовых модулей, которые продаются в российских магазинах, защита зависит от модели: смотрите описание.

Полезно при расчёте

• Делитель напряженияВыходное напряжение по R1 и R2, подбор R1, влияние нагрузки
• Катушка индуктивности (однослойная)Индуктивность по диаметру, длине намотки и числу витков, обратный расчёт числа витков
• Закон Ома и мощностьПо любым двум из четырёх величин U, I, R, P — две остальные