Превключващ регулатор на долара: 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 пад на напрежение 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 ще опишем веригата на превключващия регулатор. Вече описахме дизайна на Buck Regulator в предишния урок. Тук ще обсъдим различни аспекти на Buck конвертора и как да подобрим неговата ефективност.

Разлика между Buck и Boost Regulator

Разликата между регулатора на усилвателя и усилването е, че в регулатора на разположението индукторът, диодът и превключващата верига са различни от усилващия регулатор. Също така, в случай на усилващ регулатор, изходното напрежение е по-високо от входното напрежение, но при регулатора на изхода, изходното напрежение е по-ниско от входното напрежение.

А парите топология или долар конвертор е един от най-използван основно топология използва в ДЗПО. Това е популярен избор, при който трябва да преобразуваме по-високо напрежение в по-ниско изходно напрежение.

Подобно на усилващия регулатор, преобразувателят на гърба или регулаторът се състои от индуктор, но връзката на индуктора е в изходен етап, а не на входния етап, използван в усилващите регулатори.

Така че, в много случаи трябва да преобразуваме по-ниско напрежение в по-високо напрежение в зависимост от изискванията. Buck регулаторът преобразува напрежението от по-висок потенциал в по-нисък потенциал.

Основи на дизайна на веригата Buck Converter

На горното изображение е показана проста верига на Buck регулатор, където се използват индуктор, диод, кондензатор и превключвател. Входът е директно свързан през превключвателя. Индукторът и кондензаторът са свързани през изхода, като по този начин натоварването получава гладка форма на изходния ток. Диодът се използва за блокиране на отрицателния токов поток.

В случай на превключване на усилващите регулатори има две фази, едната е фаза на зареждане на индуктор или фаза на включване (всъщност превключвателят е 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, токът във веригата е 0 и няма напрежение.

В тази ситуация, ако ключът се приближи, токът ще се увеличи и индукторът ще създаде напрежение върху него. Този спад на напрежението минимизира източника на напрежение на изхода, след няколко момента скоростта на промяна на тока намалява и напрежението на индуктора също намалява, което в крайна сметка увеличава напрежението в товара. Индукторът съхранява енергията, използвайки своето магнитно поле.

И така, когато превключвателят е включен, през индуктора напрежението е V _L = Vin - Vout

Токът в индуктора се повишава със скорост от (Vin - Vout) / L

Токът през индуктора се увеличава линейно с времето. Скоростта на нарастване на линейния ток е пропорционална на входното напрежение минус изходното напрежение, разделено на индуктивността

di / dt = (Vin - Vout) / L

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 ключът е затворен или включен.

през това време, докато токът все още се променя, винаги ще има спад на напрежението в индуктора. Напрежението в товара ще бъде по-ниско от входното напрежение. По време на изключено състояние, докато превключвателят е отворен, източникът на входно напрежение се изключва и индукторът ще прехвърли съхранената енергия към товара. В индуктор ще стане източник на ток за товара.

Диодът D1 ще осигури обратна пътека на тока, протичащ през индуктора по време на изключване.

Токът на индуктора намалява с наклон, равен на –Vout / L

Режими на работа на Buck Converter

Преобразувателят Buck може да работи в два различни режима. Непрекъснат режим или прекъснат режим.

Непрекъснат режим

По време на непрекъснат режим индукторът никога не се разрежда напълно, цикълът на зареждане започва, когато индукторът е частично разреден.

На горното изображение можем да видим, когато превключвателят се включи, когато токът на индуктора (iI) се увеличи линейно, след това, когато превключвателят излезе, индукторът започва да намалява, но превключвателят отново се включва, докато индукторът е частично разреден. Това е непрекъснат режим на работа.

Енергията, съхранявана в индуктора, е E = (LI _L ²) / 2

Прекъснат режим

Прекъснатият режим е малко по-различен от непрекъснатия режим. В режим на прекъсване индукторът се разрежда напълно, преди да започне нов цикъл на зареждане. Индукторът ще се разреди напълно до нула, преди превключвателят да е включен.

По време на прекъснат режим, както можем да видим на горното изображение, когато превключвателят се включи, токът на индуктора (il) се увеличава линейно, след това, когато ключът излезе, индукторът започва да намалява, но превключвателят се включва само след индуктора се разрежда напълно и токът на индуктора става напълно нулев. Това е прекъснат режим на работа. При тази операция текущият поток през индуктора не е непрекъснат.

ШИМ и работен цикъл за верига Buck Converter

Както обсъждахме в предишния урок за конвертор на долари, варирайки работния цикъл, ние можем да контролираме веригата на регулатора на долара. За това е необходима основна система за контрол. Допълнително се изисква верига за усилвател на грешка и превключвател, която ще работи в непрекъснат или прекъснат режим.

И така, за пълна верига на регулатора на долара, ние 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 в товара, използвайки 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.

Контролната верига контролира времето, през което превключвателят остава отворен или, контролирайки колко време се зарежда или разрежда индукторът.

Тази схема управлява превключвателя в зависимост от режима на работа. 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 с сигнал на рампата на осцилатора и от изхода на компаратора ще работи ШИМ сигнал или ще 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 модерни превключващи регулатори 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 веригата Buck Converter

Сега, ако изследваме за ефективността, 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. Спадът на напрежението напред, умножен по ток (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 веригата 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 съвременната технология има много възможности за избор в секцията за превключване на регулатора, които осигуряват повече от 90% ефективност лесно.

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 Buck Converter

По-рано създадохме верига на регулатора, използвайки MC34063, където 5V изходът се генерира от 12V входно напрежение. MC34063 е превключващият регулатор, който е използван в конфигурацията на регулатора. 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 видим проекта в детайли, можем да видим, че 75-78% ефективност се постига чрез тази схема на превключващ 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.

Пример за използване на регулатор Buck-

1. Източник на постоянен ток в приложението с ниско напрежение
2. Преносимо оборудване
3. Аудио оборудване
4. Вградени хардуерни системи.
5. Слънчеви системи и т.н.