Комутаційний регулятор доларів: 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 завдяки цьому 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 підручнику ми опишемо схему регулятора перемикання. Ми вже описали дизайн регулятора Бака в попередньому підручнику. Тут ми обговоримо різні аспекти перетворювача Бака та способи підвищення його ефективності.

Різниця між регулятором Buck та Boost

Різниця між регулятором напруги та регулятором напруги полягає в тому, що в регуляторі напруги розміщення індуктора, діода та схеми перемикання відрізняється від регулятора напруги. Крім того, у випадку регулятора прискорення вихідна напруга вище вхідної напруги, але в регуляторі напруги вихідна напруга нижча за вхідну напругу.

Понижуючий топології або понижуючий перетворювач є одним з найбільш часто використовуваних базової топології, використовуваної в історії партії. Це популярний вибір, коли нам потрібно перетворити вищу напругу на нижчу вихідну напругу.

Так само, як регулятор прискорення, перетворювач напруги або регулятор напруги складаються з котушки індуктивності, але підключення котушки індуктивності знаходиться на вихідному каскаді, а не на вхідному каскаді, який використовується в регуляторах тиску.

Отже, у багатьох випадках нам потрібно перетворити нижчу напругу на вищу, залежно від вимог. Бак-регулятор перетворює напругу з вищого потенціалу на нижчий потенціал.

Основи проектування схеми Buck Converter

На зображенні вище показано просту схему регулятора Бака, де використовуються індуктор, діод, конденсатор та перемикач. Вхід безпосередньо підключений через перемикач. Індуктор і конденсатор з'єднані через вихід, таким чином навантаження отримує плавну форму вихідного струму. Діод використовується для блокування негативного потоку струму.

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

Якщо ми припустимо, що перемикач тривалий час знаходився у розімкнутому стані, сила струму в ланцюзі дорівнює 0 і напруги немає.

У цій ситуації, якщо перемикач наблизиться, тоді струм буде збільшуватися, а індуктор створюватиме на ньому напругу. Це падіння напруги мінімізує напругу джерела на виході, через кілька моментів швидкість зміни струму зменшується, а напруга на індукторі також зменшується, що з часом збільшує напругу на навантаженні. Індуктор накопичує енергію, використовуючи своє магнітне поле.

Отже, коли перемикач увімкнений, на індукторі напруга дорівнює V _L = Vin - Vout

Струм в індукторі зростає зі швидкістю (Vin - Vout) / л

Струм через індуктор зростає з часом лінійно. Швидкість зростання лінійного струму пропорційна вхідній напрузі за вирахуванням вихідної напруги, поділеній на індуктивність

di / dt = (Vin - Vout) / L

Верхній графік, що показує 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.

протягом цього часу, поки сила струму все ще змінюється, на індукторі завжди відбуватиметься падіння напруги. Напруга на навантаженні буде нижче вхідної напруги. У вимкненому стані, коли перемикач відкритий, джерело вхідної напруги відключається, і індуктор передаватиме накопичену енергію на навантаження. Індуктор стане джерелом струму для навантаження.

Діод D1 забезпечить зворотний шлях струму, що протікає через індуктор під час відключення вимикача.

Зменшення струму індуктивності з нахилом, рівним –Vout / L

Режими роботи Buck Converter

Конвертером Бака можна керувати у двох різних режимах. Безперервний режим або перервний режим.

Безперервний режим

У безперервному режимі індуктор ніколи не розряджався повністю, цикл зарядки починається, коли індуктор частково розряджається.

На наведеному вище зображенні ми бачимо, коли перемикач включається, коли струм котушки індуктивності (iI) збільшується лінійно, тоді, коли перемикач відключається, індуктор починає зменшуватися, але перемикач знову включається, поки індуктор частково розряджається. Це безперервний режим роботи.

Енергія, що зберігається в індукторі, становить E = (LI _L ²) / 2

Переривчастий режим

Неперервний режим дещо відрізняється від безперервного. У розривному режимі індуктор повністю розрядився перед початком нового циклу заряду. Індуктор розрядиться до нуля до того, як перемикач увімкнеться.

Під час переривчастого режиму, як ми бачимо на наведеному вище зображенні, коли перемикач потрапляє на, струм індуктивності (il) збільшується лінійно, тоді, коли вимикач вимикається, індуктор починає зменшуватися, але перемикач включається лише після котушки повністю розрядився, а струм індуктивності став абсолютно нульовим. Це перервний режим роботи. У цій операції струм струму через індуктор не є безперервним.

ШІМ та робочий цикл для ланцюга перетворювача Бака

Як ми обговорювали в попередньому навчальному посібнику з перетворювача, змінюючи робочий цикл, ми можемо управляти ланцюгом регулятора. Для цього потрібна базова система управління. Додатково потрібна схема підсилювача помилок і перемикача, яка буде працювати в безперервному або розривному режимі.

Отже, для повної схеми регулятора доларів 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 контролю робочого циклу схеми.

Схема управління контролює кількість часу, коли перемикач залишається розімкненим, або, контролюючи, скільки часу заряджає або розряджає індуктор.

Ця схема керує перемикачем залежно від режиму роботи. Він візьме вибірку вихідної напруги і відніме 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, у більшості сучасних комутаційних регуляторів зниження вбудовано 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.

Підвищити ефективність схеми Buck Converter

Тепер, якщо ми дослідимо ефективність, скільки енергії ми надаємо всередині схеми і скільки 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, помножене на струм (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 перемикача регуляторів, які забезпечують ефективність понад 90%.

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 для Buck Converter

Раніше ми створили схему регулятора зниження за допомогою MC34063, де вихід 5 В генерується від вхідної напруги 12 В. MC34063 - це імпульсний регулятор, який використовувався в конфігурації регулятора. 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 зможемо побачити, що 75-78% ефективності досягається за допомогою цієї схеми регулятора напруги MC34063. Подальшу ефективність можна підвищити, використовуючи належну техніку друкованих плат та отримання процедур терморегулювання.

Приклад використання регулятора Бака

1. Джерело постійного струму в низьковольтних додатках
2. Переносне обладнання
3. Аудіоапаратура
4. Вбудовані апаратні системи.
5. Сонячні системи тощо