Pārslēgšanas pastiprinātāja regulators: dizaina pamati un efektivitāte

Elektronikā regulators ir ierīce vai mehānisms, kas var pastāvīgi regulēt izejas jaudu. Strāvas padeves jomā ir pieejami dažādi regulatoru veidi. Bet galvenokārt līdzstrāvas līdz līdzstrāvas pārveidošanas gadījumā ir pieejami divu veidu regulatori: lineāri vai komutējoši.

Lineārs regulators regulē izeja, izmantojot pretestības sprieguma kritums, un sakarā ar to Linear regulatori nodrošina zemāku efektivitāti un zaudēt varu formā siltumu.

No otras puses, komutācijas regulators izmanto induktoru, diodi un strāvas slēdzi, lai pārsūtītu enerģiju no avota uz izeju.

Ir pieejami trīs veidu komutācijas regulatori.

1. Paaugstināšanas pārveidotājs (Boost Regulator)

2. Samazināšanas pārveidotājs (Buck regulators)

3. Invertors (Flyback)

Šajā apmācībā mēs aprakstām pārslēgšanas pastiprinātāja regulatora ķēdi. Iepriekšējā apmācībā mēs jau aprakstījām Boost Regulator Design. Šeit mēs apspriedīsim dažādus pārveidotāja Boost aspektus un to, kā uzlabot tā efektivitāti.

Boost Converter shēmas projektēšanas pamati

Daudzos gadījumos mums ir jāpārvērš zemāks spriegums augstākā spriegumā atkarībā no prasībām. Paaugstināšanas regulators palielina spriegumu no zemāka potenciāla uz lielāku potenciālu.

Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīta vienkārša Boost regulatora ķēde, kur tiek izmantots induktors, diode, kondensators un slēdzis.

Induktora mērķis ir ierobežot strāvas slēdža ātrumu, kas plūst caur strāvas slēdzi. Tas ierobežos pārmērīgu strāvas maksimumu, kuru nevar izvairīties, izmantojot slēdža pretestību atsevišķi.

Arī induktors veikali enerģija, spēks, ko mēra džoulos E = (L * I ² /2)

Mēs sapratīsim, kā induktori pārnes enerģiju gaidāmajos attēlos un grafikos.

Gadījumā, pārejot Boost regulatoriem, ir divas fāzes, Viens no tiem ir induktors Uzlādējiet fāze vai Ieslēdziet fāzi (Switch ir slēgts faktiski), un otrs ir izlādes fāzes vai izslēgšana fāzes (Switch ir atvērts).

Ja mēs pieņemam, ka slēdzis ilgu laiku ir bijis atvērtajā stāvoklī, sprieguma kritums visā diodē ir negatīvs un spriegums pāri kondensatoram ir vienāds ar ieejas spriegumu. Šajā situācijā, ja slēdzis tuvojas, Vin ir nobijies pāri induktoram. Diods novērš kondensatora izlādi, izmantojot slēdzi uz zemi.

Strāva caur induktoru ar laiku palielinās lineāri. Lineārās strāvas pieauguma ātrums ir proporcionāls ieejas spriegumam, dalīts ar induktivitāti di / dt = spriegums pāri induktoram / induktivitātei

Augšējā grafikā, parādot induktora uzlādes fāzi. X ass apzīmē t (laiks) un Y ass apzīmē I (strāva caur induktoru). Kad slēdzis ir aizvērts vai ieslēgts, strāva ar laiku palielinās lineāri.

Tagad, kad slēdzis atkal izslēdzas vai kļūst atvērts, induktora strāva plūst caur diode un uzlādē izejas kondensatoru. Kad izejas spriegums palielinās, strāvas slīpums caur induktoru mainās. Izejas spriegums palielinās, līdz tiek sasniegts spriegums caur induktoru = L * (di / dt).

Induktora strāvas krituma ātrums ar laiku ir tieši proporcionāls induktora spriegumam. Augstāks induktora spriegums, ātrāk strāvas kritums caur induktoru.

Iepriekš minētajā grafikā induktora strāva samazinās ar laiku, kad slēdzis izslēdzas.

Kad komutācijas regulators ir līdzsvara stāvoklī, Induktora vidējais spriegums ir Nulle visā komutācijas ciklā. Šajā stāvoklī vidējā strāva caur induktoru ir arī līdzsvara stāvoklī.

Ja mēs pieņemam, ka induktora uzlādes laiks ir Ton un ķēdei ir ieejas spriegums, tad izejas spriegumam būs noteikts Toff vai izlādes laiks.

Tā kā vidējais induktora spriegums vienmērīgā stāvoklī ir vienāds ar nulli, mēs varam izveidot pastiprināšanas ķēdi, izmantojot šādus nosacījumus

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

Tā kā izejas spriegums ir vienāds ar ieejas spriegumu un vidējo induktora spriegumu (Vout = Vin + VL)

Mēs varam teikt, ka

Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

Mēs varam arī aprēķināt Vout, izmantojot darba ciklu.

Darba cikls (D) = tonna / (tonna + izslēgts)

Pūtes pārslēgšanas regulatoram Vout būs Vin / (1 - D)

PWM un darba cikls Boost Converter ķēdei

Ja mēs kontrolējam darba ciklu, mēs varam kontrolēt palielināšanas pārveidotāja līdzsvara stāvokli. Tātad darba cikla izmaiņām mēs izmantojam vadības ķēdi pāri slēdzim.

Tātad, lai iegūtu pilnīgu pamata paaugstināšanas regulatora ķēdi, mums ir nepieciešama papildu shēma, kas mainīs darba ciklu un tādējādi laiku, kad induktors saņem enerģiju no avota.

Iepriekš redzamajā attēlā var redzēt kļūdas pastiprinātāju, kas izjūt izejas spriegumu visā slodzē, izmantojot atgriezenisko saiti un kontrolējot slēdzi. Visizplatītākā vadības tehnika ietver PWM vai impulsa platuma modulācijas tehniku, ko izmanto, lai kontrolētu shēmas darba ciklu.

Par vadības ķēdes vadības daudzums laika slēdzis paliek atvērts vai tuvu, atkarībā no strāvu, slodzi. Šī ķēde tiek izmantota arī nepārtrauktai darbībai vienmērīgā stāvoklī. Tas ņems izejas sprieguma paraugu un atņems to no atskaites sprieguma un izveidos nelielu kļūdas signālu. Pēc tam šo kļūdas signālu salīdzinās ar oscilatora rampas signālu, un no salīdzinājuma izejas PWM signāls darbosies vai kontrolēs slēdzi ķēde.

Kad izejas spriegums mainās, tas ietekmē arī kļūdas spriegumu. Kļūdas sprieguma maiņas dēļ salīdzinātājs kontrolē PWM izeju. PWM mainījās arī stāvoklī, kad izejas spriegums rada nulles kļūdas spriegumu, un, to darot, slēgto vadības cilpu sistēma izpilda darbu.

Par laimi, lielākajai daļai mūsdienu komutācijas pastiprināšanas regulatoru šī lieta ir iebūvēta IC pakotnē. Tādējādi tiek panākta vienkārša shēmu konstrukcija, izmantojot modernus komutācijas regulatorus.

Atsauces atgriezeniskais spriegums tiek veikts, izmantojot rezistoru dalītāju tīklu. Šī ir papildu shēma, kas nepieciešama kopā ar induktoru, diodēm un kondensatoriem.

Uzlabojiet Boost Converter ķēdes efektivitāti

Tagad, ja mēs izpētīsim efektivitāti, tas ir, cik daudz enerģijas mēs piegādājam shēmas iekšpusē un cik daudz mēs iegūstam pie izejas.

(Menca / tapa) * 100%

Tā kā enerģiju nevar radīt vai iznīcināt, to var tikai pārveidot, lielākā daļa elektrisko enerģiju zaudē neizmantoto enerģiju, kas pārveidota par siltumu. Arī praktiskajā jomā nav ideālas situācijas, efektivitāte ir lielāks faktors sprieguma regulatoru izvēlei.

Viens no galvenajiem komutācijas regulatora jaudas zuduma faktoriem ir diode. Sprieguma krituma uz priekšu reizes strāva (Vf xi) ir neizmantotā jauda, ​​kas pārveidota par siltumu un samazina komutācijas regulatora ķēdes efektivitāti. Turklāt tās ir papildu izmaksas shēmai par siltuma / siltuma vadības tehniku, izmantojot radiatoru, vai ventilatoriem, lai atdzesētu ķēdi no izkliedētā siltuma. Ne tikai sprieguma kritums uz priekšu, silīcija diodes reversā atgūšana rada arī nevajadzīgus jaudas zudumus un samazina kopējo efektivitāti.

Viens no labākajiem veidiem, kā izvairīties no standarta atkopšanas diodes, ir izmantot Schottky diodes tādu diodu vietā, kurām ir zems sprieguma kritums uz priekšu un labāka reversā atgūšana. Kad nepieciešama maksimāla efektivitāte, diode var tikt nomainīta, izmantojot MOSFET. Mūsdienu tehnoloģijās ir daudz iespēju izvēlēties Switching boost regulator sadaļā, kas nodrošina vairāk nekā 90% efektivitāti.

Ir arī funkcija “Izlaist režīmu”, kas tiek izmantota daudzās mūsdienu ierīcēs, kas ļauj regulatoram izlaist pārslēgšanās ciklus, kad nav nepieciešams pārslēgties pie ļoti mazām slodzēm. Tas ir lielisks veids, kā uzlabot efektivitāti nelielas slodzes apstākļos. Izlaišanas režīmā pārslēgšanas cikls tiek uzsākts tikai tad, kad izejas spriegums nokrītas zem regulēšanas sliekšņa.

Neskatoties uz augstāku efektivitāti, stacionārā dizaina tehnika, mazāks komponents, komutācijas regulatori ir skaļš nekā lineārs regulators. Tomēr tie ir plaši populāri.

Boost Converter dizaina piemērs

Iepriekš mēs izveidojām paaugstināšanas regulatora ķēdi, izmantojot MC34063, kur 5 V izeja tiek ģenerēta no 3,7 V ieejas sprieguma. MC34063 ir komutācijas regulators, kas tika izmantots pastiprinātāja regulatora konfigurācijā. Mēs izmantojām induktoru, Schottky diode un kondensatorus.

Iepriekš minētajā attēlā Cout ir izejas kondensators, un mēs arī izmantojām induktoru un Schottky diode, kas ir komutācijas regulatora pamatkomponenti. Ir izmantots arī atsauksmju tīkls. R1 un R2 rezistori rada sprieguma dalītāja ķēdi, kas nepieciešama salīdzinātāja PWM un kļūdu pastiprināšanas stadijai. Salīdzinātāja atskaites spriegums ir 1,25 V.

Ja mēs detalizēti redzam projektu, mēs varam redzēt, ka 70-75% efektivitāte tiek panākta ar šo MC34063 pārslēgšanas pastiprinātāja regulatora ķēdi. Papildu efektivitāti var uzlabot, izmantojot atbilstošu PCB tehniku ​​un iegūstot termiskās pārvaldības procedūras.