- Atšķirība starp Buck un Boost Regulator
- Buka pārveidotāja shēmas projektēšanas pamati
- Buck Converter darbības režīmi
- PWM un darba cikls Buck Converter ķēdei
- Uzlabojiet Buck Converter ķēdes efektivitāti
- Buck Converter dizaina piemērs
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 aprakstīsim Buck Regulator pārslēgšanas ķēdi. Mēs jau aprakstījām Buck Regulator Design iepriekšējā apmācībā. Šeit mēs apspriedīsim dažādus Buck pārveidotāja aspektus un to, kā uzlabot tā efektivitāti.
Atšķirība starp Buck un Boost Regulator
Atšķirība starp sprādziena un palielināšanas regulatoru ir tāda, ka sprūda regulatorā induktora, diode un komutācijas ķēdes izvietojums atšķiras no pastiprināšanas regulatora. Arī palielināšanas regulatora gadījumā izejas spriegums ir lielāks par ieejas spriegumu, bet sprieguma regulatorā izejas spriegums ir mazāks par ieejas spriegumu.
Buks topoloģija vai buks pārveidotājs, ir viens no visvairāk izmantotā pamata topoloģiju izmanto SMPS. Tā ir populāra izvēle, kur mums jāpārvērš lielāks spriegums uz mazāku izejas spriegumu.
Tāds pats kā pastiprināšanas regulators, arī sprieguma pārveidotājs vai sprieguma regulators sastāv no induktora, bet induktora savienojums ir izejas, nevis ieejas posmā, ko izmanto palielināšanas regulatoros.
Tāpēc daudzos gadījumos mums ir jāpārvērš zemāks spriegums augstākā spriegumā atkarībā no prasībām. Buka regulators pārveido spriegumu no lielāka potenciāla uz mazāku potenciālu.
Buka pārveidotāja shēmas projektēšanas pamati
Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīta vienkārša Buka regulatora ķēde, kur tiek izmantots induktors, diode, kondensators un slēdzis. Ieeja ir tieši savienota pāri slēdzim. Induktors un kondensators ir savienoti pāri izejai, tādējādi slodze iegūst vienmērīgu izejas strāvas viļņu formu. Diodi izmanto negatīvās strāvas plūsmas bloķēšanai.
Pārslēgšanas pastiprinātāju pārslēgšanas gadījumā ir divas fāzes: viena ir induktora uzlādes fāze vai ieslēgšanas fāze (slēdzis faktiski ir slēgts), bet otra ir izlādes fāze vai izslēgšanas fāze (slēdzis ir atvērts).
Ja mēs pieņemam, ka slēdzis ilgu laiku ir bijis atvērtajā stāvoklī, ķēdē strāva ir 0, un tajā nav sprieguma.
Šajā situācijā, ja slēdzis tuvojas, strāva palielināsies, un induktors radīs spriegumu. Šis sprieguma kritums samazina avota spriegumu izejā, pēc dažiem mirkļiem strāvas maiņas ātrums samazinās, un spriegums pāri induktoram arī samazinās, kas galu galā palielina spriegumu visā slodzē. Induktors uzglabā enerģiju, izmantojot tā magnētisko lauku.
Tātad, kad slēdzis ir ieslēgts, visā induktorā spriegums ir V L = Vin - Vout
Induktora strāva pieaug ar ātrumu (Vin - Vout) / L
Strāva caur induktoru ar laiku palielinās lineāri. Lineārais strāvas pieauguma ātrums ir proporcionāls ieejas spriegumam, atņemot izejas spriegumu, dalīts ar induktivitāti
di / dt = (Vin - Vout) / L
Augšējais grafiks, kas parāda induktora uzlādes fāzi. X ass apzīmē t (laiku), un Y ass apzīmē i (strāva caur induktoru). Kad slēdzis ir aizvērts vai ieslēgts, strāva ar laiku palielinās lineāri.
šajā laikā, kamēr strāva joprojām mainās, visā induktorā vienmēr notiks sprieguma kritums. Spriegums visā slodzē būs mazāks par ieejas spriegumu. Izslēgtā stāvoklī, kamēr slēdzis ir atvērts, ieejas sprieguma avots tiek atvienots, un induktors pārnes uzkrāto enerģiju uz slodzi. Induktors kļūs pašreizējais avotu par slodzi.
Diods D1 nodrošinās strāvas atgriešanās ceļu, kas plūst caur induktoru izslēgšanas stāvoklī.
Induktora strāva samazinās ar slīpumu, kas vienāds ar –Vout / L
Buck Converter darbības režīmi
Buck pārveidotāju var darbināt divos dažādos režīmos. Nepārtraukts vai pārtraukts režīms.
Nepārtraukts režīms
Nepārtrauktā režīmā induktors nekad nav pilnībā izlādējies, uzlādes cikls sākas, kad induktors ir daļēji izlādēts.
Iepriekš redzamajā attēlā mēs varam redzēt, kad slēdzis ieslēdzas, kad induktora strāva (iI) palielinās lineāri, tad, kad slēdzis izkāpj, induktors sāk samazināties, bet slēdzis atkal ieslēdzas, kamēr induktors ir daļēji izlādēts. Tas ir nepārtrauktās darbības režīms.
Induktorā uzkrātā enerģija ir E = (LI L 2) / 2
Nepārtraukts režīms
Pārtrauktas režīms ir nedaudz atšķiras no nepārtrauktā režīmā. Nepārtrauktā režīmā induktors pilnībā izlādējies pirms jauna uzlādes cikla sākšanas. Pirms slēdža ieslēgšanās induktors pilnībā izlādēsies līdz nullei.
Pārtrauktā režīma laikā, kā mēs redzam augšējā attēlā, kad slēdzis ieslēdzas, induktora strāva (il) palielinās lineāri, tad, kad slēdzis izslēdzas, induktors sāk samazināties, bet slēdzis ieslēdzas tikai pēc induktora ir pilnībā izlādējies un induktora strāva kļuva pilnīgi nulle. Šis ir nepārtrauktās darbības režīms. Šajā operācijā strāvas plūsma caur induktoru nav nepārtraukta.
PWM un darba cikls Buck Converter ķēdei
Kā mēs apspriedām iepriekšējā buck pārveidotāja apmācībā, mainot darba ciklu, mēs varam kontrolēt buck regulatora ķēdi. Lai to izdarītu, nepieciešama pamata vadības sistēma. Papildus ir nepieciešama kļūdas pastiprinātāja un slēdža vadības ķēde, kas darbosies nepārtrauktā vai pārtrauktajā režīmā.
Tātad, lai iegūtu pilnīgu sprieguma regulatora ķēdi, mums 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.
Vadības ķēde kontrolē, cik ilgi slēdzis paliek atvērts, vai arī kontrolē, cik ilgi induktors uzlādējas vai izlādējas.
Šī shēma kontrolē slēdzi atkarībā no darbības režīma. 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 Switching buck 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 Buck Converter ķēdes efektivitāti
Tagad, ja mēs izpētīsim efektivitāti, 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 kritums uz priekšu, reizināts ar strāvu (Vf xi), ir neizmantotā jauda, kas tiek 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 diodu 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 izvēles iespēju Switching buck regulator sadaļā, kas nodrošina vairāk nekā 90% efektivitāti.
Neskatoties uz augstāku efektivitāti, stacionārā dizaina tehnika, mazāks komponents, komutācijas regulatori ir skaļš nekā lineārs regulators. Tomēr tie ir plaši populāri.
Buck Converter dizaina piemērs
Iepriekš mēs izveidojām sprieguma regulatora ķēdi, izmantojot MC34063, kur 5 V izeja tiek ģenerēta no 12 V ieejas sprieguma. MC34063 ir komutācijas regulators, kas tika izmantots bukses 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 šī MC34063 komutācijas spailes regulatora ķēde nodrošina 75-78% efektivitāti. Papildu efektivitāti var uzlabot, izmantojot atbilstošu PCB tehniku un iegūstot termiskās pārvaldības procedūras.
Buka regulatora izmantošanas piemērs
- Līdzstrāvas avots zemsprieguma pielietojumā
- Pārnēsājamas iekārtas
- Audio tehnika
- Iegultās aparatūras sistēmas.
- Saules sistēmas utt.