Комутаційний регулятор підсилення: основи проектування та ефективність

В електроніці регулятор - це пристрій або механізм, який може постійно регулювати вихідну потужність. Існують різні типи регуляторів, доступних в області живлення. Але головним чином, у разі перетворення постійного струму в постійний, доступні два типи регуляторів: лінійний або комутаційний.

Лінійний регулятор регулює вихідний сигнал з використанням резистивного падіння напруги, і з - за цього Лінійні регулятори забезпечують більш низьку ефективність і втрачають потужність у вигляді тепла.

З іншого боку регулятор перемикання використовує індуктор, діод і перемикач живлення для передачі енергії від свого джерела до виходу.

Доступні три типи імпульсних регуляторів.

1. Підсилювач (Boost Regulator)

2. Перетворювач пониження (регулятор Бака)

3. Інвертор (Flyback)

У цьому посібнику ми описуємо схему регулятора імпульсного підсилення. Ми вже описали дизайн Boost Regulator у попередньому навчальному посібнику. Тут ми обговоримо різні аспекти Boost-перетворювача та способи підвищення його ефективності.

Основи проектування схеми Boost Converter

У багатьох випадках нам потрібно перетворити нижчу напругу на вищу, залежно від вимог. Регулятор підсилення підвищує напругу від нижчого до більшого потенціалу.

На зображенні вище показано просту схему регулятора підсилення, де використовуються індуктор, діод, конденсатор та перемикач.

Призначення індуктора - обмежити швидкість зниження струму, яка протікає через вимикач живлення. Це обмежить надлишковий піковий струм, якого не уникнути опір вимикача окремо.

Крім того, енергія індуктора зберігає, енергія вимірюється в джоулях Е = (L * I ² /2)

Ми зрозуміємо, як індуктори передають енергію на майбутніх зображеннях та графіках.

У разі перемикання регуляторів підсилення є дві фази, одна - фаза заряду індуктора або фаза вмикання (перемикач фактично закритий), а друга - фаза розряду або фаза вимкнення (перемикач відкритий).

Якщо припустити, що перемикач тривалий час знаходився у відкритому положенні, падіння напруги на діоді від’ємне, а напруга на конденсаторі дорівнює вхідній напрузі. У цій ситуації, якщо перемикач наближається, Vin перелякується через індуктор. Діод запобігає розряду конденсатора через перемикач на землю.

Струм через індуктор зростає з часом лінійно. Швидкість зростання лінійного струму пропорційна вхідній напрузі, поділеній на індуктивність di / dt = напруга на індукторі / індуктивності

На верхньому графіку показано фазу зарядки індуктора. Вісь х позначає t (час), а вісь Y - I (струм через індуктор). Струм лінійно збільшується з часом, коли перемикач закритий або увімкнений.

Тепер, коли перемикач знову вимикається або стає відкритим, струм індуктивності протікає через діод і заряджає вихідний конденсатор. Коли вихідна напруга підвищується, нахил струму через індуктор змінюється. Вихідна напруга зростає до досягнення напруги через індуктор = L * (di / dt).

Швидкість падіння струму індуктора з часом прямо пропорційна напрузі індуктора. Чим вище напруга індуктивності, тим швидше падає струм через індуктор.

На наведеному графіку струм індуктивності падає з часом, коли вимикач вимикається.

Коли регулятор перемикання знаходиться в стаціонарному робочому стані, середня напруга індуктора становить нуль протягом усього циклу перемикання. Для цього стану середній струм через індуктор також знаходиться в стаціонарному стані.

Якщо ми припустимо, що час заряду індуктивності дорівнює Тон, а схема має вхідну напругу, тоді для вихідної напруги буде певний час Тоффа або часу розряду.

Оскільки середня напруга індуктивності в рівноважному стані дорівнює нулю, ми можемо побудувати схему наддуву, використовуючи наступні умови

Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Тон / Toff)

Оскільки вихідна напруга дорівнює вхідній напрузі та середній напрузі індуктивності (Vout = Vin + VL)

Ми можемо сказати, що

Vout = Vin + Vin x (Тонн / Тофф) Vout = Vin x (1 + Тонн / Тофф)

Ми також можемо розрахувати Vout, використовуючи робочий цикл.

Цикл роботи (D) = Тонна / (Тонна + Тофф)

Для регулятора імпульсного підсилення Vout буде Vin / (1 - D)

ШІМ та робочий цикл для схеми Boost Converter

Якщо ми контролюємо робочий цикл, ми можемо керувати стаціонарним виходом підсилювального перетворювача. Отже, для варіації робочого циклу ми використовуємо схему управління через перемикач.

Отже, для повної схеми базового регулятора підсилення нам потрібна додаткова схема, яка буде змінювати робочий цикл і, отже, кількість часу, який індуктор отримує енергію від джерела.

На зображенні вище видно підсилювач помилок, який визначає вихідну напругу на навантаженні за допомогою тракту зворотного зв'язку та керує перемикачем. Найбільш поширена техніка управління включає ШІМ або техніку модуляції ширини імпульсу, яка використовується для управління робочим циклом схеми.

Схема управління контролює кількість часу, коли перемикач залишається розімкнутим або закритим, залежно від сили струму, навантаженого навантаженням. Ця схема також використовується для безперервної роботи в стаціонарному режимі. Він візьме вибірку вихідної напруги і, щоб відняти її від опорної напруги і створить невеликий сигнал помилки, тоді цей сигнал помилки буде порівнюватися з сигналом осцилятора, а з виходу компаратора сигнал ШІМ буде працювати або керувати перемикачем ланцюга.

Коли вихідна напруга змінюється, напруга помилки також впливає на це. Через помилку зміни напруги компаратор управляє ШІМ-виходом. ШІМ також змінився в положення, коли вихідна напруга створює нульову напругу похибки, і, роблячи це, система замкнутого контуру управління виконує роботу.

На щастя, більшість сучасних регуляторів імпульсного підсилення мають цю річ, вбудовану всередині пакета ІС. Таким чином, проста конструкція схем досягається за допомогою сучасних комутаційних регуляторів.

Опорна напруга зворотного зв'язку здійснюється за допомогою резисторної дільникової мережі. Це додаткова схема, яка потрібна разом з індуктором, діодами та конденсаторами.

Підвищення ефективності схеми Boost Converter

Тепер, якщо ми дослідимо ефективність, це те, скільки енергії ми надаємо всередині схеми і скільки ми отримуємо на виході.

(Pout / Pin) * 100%

Оскільки енергію неможливо створити або знищити, її можна лише перетворити, більшість електричних енергій втрачають невикористані сили, перетворені в тепло. Крім того, в практичній галузі немає ідеальної ситуації, ефективність є більшим фактором для вибору регуляторів напруги.

Одним з основних факторів втрати потужності для імпульсного регулятора є діод. Пряме падіння напруги в рази струму (Vf xi) - це невикористана потужність, яка перетворюється на тепло і зменшує ефективність схеми регулятора комутації. Крім того, це додаткові витрати на схему для техніки теплового / теплового управління за допомогою радіатора, або вентилятори для охолодження схеми від розсіяного тепла. Не тільки пряме падіння напруги, але і зворотне відновлення діодів кремнію також призводять до непотрібних втрат потужності та зниження загальної ефективності.

Одним з найкращих способів уникнути стандартного діода відновлення є використання діодів Шотткі замість діодів, які мають низьке пряме падіння напруги та краще зворотне відновлення. Коли потрібна максимальна ефективність, діод можна замінити за допомогою MOSFET. У сучасних технологіях існує безліч варіантів перемикання регулятора імпульсного підсилення, які забезпечують ефективність понад 90%.

Крім того, є функція «Пропуск режиму», яка використовується у багатьох сучасних пристроях, що дозволяє регулятору пропускати цикли перемикання, коли немає необхідності перемикатися при дуже невеликих навантаженнях. Це чудовий спосіб підвищити ефективність в умовах невеликого навантаження. У режимі пропуску цикл перемикання запускається лише тоді, коли вихідна напруга опускається нижче порогового значення регулювання.

Незважаючи на більш високу ефективність, стаціонарна техніка проектування, менші компоненти, комутаційні регулятори шумні, ніж лінійний регулятор. І все-таки вони користуються широкою популярністю.

Приклад дизайну Boost Converter

Раніше ми створили схему регулятора підсилення, використовуючи MC34063, де вихід 5 В генерується від вхідної напруги 3,7 В. MC34063 - це імпульсний регулятор, який використовувався в конфігурації регулятора підсилення. Ми використовували індуктор, діод Шотткі та конденсатори.

На зображенні вище, Cout є вихідним конденсатором, і ми також використовували індуктор та діод Шотткі, які є основними компонентами регулятора перемикання. Також використовується мережа зворотного зв'язку. Резистори R1 і R2 створюють ланцюг дільника напруги, який необхідний для ШІМ і етапу посилення помилок компаратора. Опорна напруга компаратора становить 1,25 В.

Якщо ми детально розглянемо проект, то побачимо, що 70-75% ефективності досягається за допомогою цієї схеми регулятора імпульсного підсилення MC34063. Подальшу ефективність можна підвищити, використовуючи належну техніку друкованих плат та отримання процедур терморегулювання.