Превключващ регулатор на усилването: основи на дизайна и ефективност

В електрониката регулаторът е устройство или механизъм, които могат да регулират постоянно изходната мощност. В областта на захранването има различни видове регулатори. Но главно, в случай на преобразуване в постоянен и постоянен ток, има два вида регулатори: линейни или превключващи.

А линеен регулатор регулира изхода с помощта на резистивен спад на напрежението, както и поради това линейни регулатори дават по-ниска ефективност и губят енергия под формата на топлина.

От другата страна превключващият регулатор използва индуктор, диод и превключвател на захранването, за да прехвърля енергия от своя източник към изхода.

Предлагат се три вида превключващи регулатори.

1. Преобразувател за повишаване (регулатор на усилване)

2. Стъпков преобразувател (Buck регулатор)

3. Инвертор (Flyback)

В този урок ние описваме веригата на превключващия усилвател. Вече описахме Boost Regulator Design в предишния урок. Тук ще обсъдим различни аспекти на Boost конвертора и как да подобрим неговата ефективност.

Основи на дизайна на Boost Converter Circuit

В много случаи трябва да преобразуваме по-ниско напрежение в по-високо напрежение в зависимост от изискванията. Регулаторът за усилване повишава напрежението от по-нисък потенциал към по-висок потенциал.

На горното изображение е показана проста схема на регулатор на усилване, където се използват индуктор, диод, кондензатор и превключвател.

Целта на индуктора е да ограничи текущата скорост на нарастване, която протича през превключвателя на захранването. Това ще ограничи излишния високо пиков ток, който е неизбежен от съпротивлението на превключвателя поотделно.

Също така, индуктор съхранява енергия, енергията измерва в джаули Е = (L * I ² /2)

Ще разберем как индукторите предават енергия в предстоящите изображения и графики.

В случай на превключване на усилващите регулатори има две фази, едната е фаза на зареждане на индуктор или фаза на включване (превключвателят е всъщност затворен), а другата е фаза на разреждане или фаза на изключване (превключвателят е отворен).

Ако приемем, че превключвателят е бил в отворено положение за дълго време, спадът на напрежението на диода е отрицателен и напрежението на кондензатора е равно на входното напрежение. В тази ситуация, ако превключвателят се затвори, Vin се плаши през индуктора. Диодът предотвратява разреждането на кондензатора през превключвателя към земята.

Токът през индуктора се увеличава линейно с времето. Скоростта на нарастване на линейния ток е пропорционална на входното напрежение, разделено на индуктивността di / dt = напрежение в индуктор / индуктивност

В горната графика, показваща фазата на зареждане на индуктора. Оста x означава t (време), а оста Y означава I (ток през индуктора). Токът нараства линейно с времето, когато превключвателят е затворен или включен.

Сега, когато превключвателят отново излезе или се отвори, индуктивният ток преминава през диода и зарежда изходния кондензатор. Когато изходното напрежение се повиши, наклона на тока през индуктора се обръща. Изходното напрежение се повишава, докато се достигне напрежение през индуктора = L * (di / dt).

Скоростта на падане на тока на индуктора с времето е право пропорционална на напрежението на индуктора. Колкото по-високо е напрежението на индуктора, толкова по-бързо пада тока през индуктора.

В горната графика токът на индуктора пада с времето, когато превключвателят се изключи.

Когато превключващият регулатор е в стабилно работно състояние, средното напрежение на индуктора е нула по време на целия цикъл на превключване. За това състояние средният ток през индуктора също е в стационарно състояние.

Ако приемем, че времето за зареждане на индуктора е Тон и веригата има входно напрежение, тогава ще има конкретно време на Тоф или разряд за изходно напрежение.

Тъй като средното напрежение на индуктора е равно на нула в стабилно състояние, можем да изградим усилваща верига, като използваме следните термини

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

Тъй като изходното напрежение е равно на входното напрежение и средното напрежение на индуктора (Vout = Vin + VL)

Можем да кажем, Vout = Vin + Vin x (тон / Toff) Vout = Vin x (1 + тон / Toff)

Също така можем да изчислим Vout, използвайки митовия цикъл.

Работен цикъл (D) = тон / (тон + тоф)

За регулатора за превключване на усилването Vout ще бъде Vin / (1 - D)

ШИМ и работен цикъл за верига за усилващ преобразувател

Ако контролираме работния цикъл, можем да контролираме стационарния изход на усилващия преобразувател. Така че, за вариацията на работния цикъл, ние използваме верига за управление през превключвателя.

И така, за пълна основна схема на регулатора на усилването се нуждаем от допълнителна схема, която ще променя работния цикъл и по този начин времето, през което индукторът получава енергия от източника.

На горното изображение може да се види усилвател за грешка, който усеща изходното напрежение през товара с помощта на обратна връзка и управлява превключвателя. Най-често срещаната техника за управление включва PWM или Pulse Width Modulation техника, която се използва за управление на работния цикъл на веригата.

На управляващата верига за управление на размера на време ключа остава отваря и затваря, в зависимост от тока през товара. Тази схема също се използва за непрекъсната работа в стабилно състояние. Ще вземе проба от изходното напрежение и ще го извади от референтното напрежение и ще създаде малък сигнал за грешка, след което този сигнал за грешка ще бъде сравнен със сигнала на осцилатора и от изхода на компаратора PWM сигнал ще работи или управлява превключвателя верига.

Когато изходното напрежение се промени, напрежението на грешката също се влияе от него. Поради промяна на напрежението на грешката, компараторът контролира PWM изхода. ШИМ също се променя в положение, когато изходното напрежение създава нулево напрежение на грешка и като прави това, системата за затворен контур за изпълнение изпълнява работата.

За щастие, повечето съвременни регулатори за усилване на превключването имат това нещо, вградено в пакета IC. По този начин се постига опростен дизайн на веригата с помощта на модерните превключващи регулатори.

Референтното напрежение с обратна връзка се извършва с помощта на резисторна разделителна мрежа. Това е допълнителната схема, която е необходима заедно с индуктор, диоди и кондензатори.

Подобрете ефективността на Boost Converter Circuit

Сега, ако изследваме за ефективността, това е колко мощност осигуряваме във веригата и колко получаваме на изхода.

(Pout / Pin) * 100%

Тъй като енергията не може да бъде създадена или унищожена, тя може само да се преобразува, повечето електрически енергии губят неизползвани сили, превърнати в топлина. Също така, няма идеална ситуация в практическата област, ефективността е по-голям фактор за избор на регулатори на напрежението.

Един от основните фактори за загуба на мощност за превключващ регулатор е диодът. Предният спад на напрежението по тока (Vf xi) е неизползваната мощност, която се преобразува в топлина и намалява ефективността на веригата на превключващия регулатор. Също така, Това е допълнителният разход за веригите за техники за топлинно / топлинно управление с помощта на радиатор или Вентилатори за охлаждане на веригата от разсеяна топлина. Не само спадът на напрежението напред, Обратното възстановяване на силициевите диоди също произвежда ненужни загуби на мощност и намаляване на общата ефективност.

Един от най-добрите начини за избягване на стандартен диод за възстановяване е да се използват диоди на Шотки вместо диоди, които имат нисък спад на напрежението напред и по-добро възстановяване в обратна посока. Когато е необходима максимална ефективност, диодът може да бъде заменен с помощта на MOSFET. В съвременните технологии има много възможности за избор в секцията за превключване на усилващия регулатор, които осигуряват повече от 90% ефективност лесно.

Също така има функция „Пропускане на режим“, която се използва в много съвременни устройства, която позволява на регулатора да пропуска цикли на превключване, когато не е необходимо превключване при много леки товари. Това е чудесен начин за подобряване на ефективността при леко натоварване. В режим на пропускане цикълът на превключване се стартира само когато изходното напрежение падне под регулиращ праг.

Въпреки че имат по-висока ефективност, техниката за стационарен дизайн, по-малките компоненти, превключващите регулатори са шумни от линейния регулатор. И все пак те са широко популярни.

Примерен дизайн за Boost Converter

Преди това създадохме схема за усилващ регулатор, използвайки MC34063, където 5V изходът се генерира от входното напрежение 3.7V. MC34063 е превключващият регулатор, който е използван в конфигурацията на усилващия регулатор. Използвахме индуктор, диод на Шотки и кондензатори.

В горното изображение Cout е изходният кондензатор и ние също използвахме индуктор и диод на Шотки, които са основните компоненти за превключващ регулатор. Използва се и мрежа за обратна връзка. Резисторите R1 и R2 създават верига на делител на напрежението, която е необходима за PWM на етапа на усилване на грешката на компаратора. Референтното напрежение на компаратора е 1,25V.

Ако разгледаме проекта в детайли, можем да видим, че 70-75% ефективност се постига чрез тази схема за превключване на усилващия регулатор MC34063. По-нататъшната ефективност може да бъде подобрена с помощта на подходяща техника за печатни платки и получаване на процедури за управление на топлината.