- A Boost Converter áramkör tervezési alapjai
- PWM és munkaciklus a Boost Converter áramkörhöz
- Javítsa a Boost Converter áramkör hatékonyságát
- Példa a Boost Converter tervezésére
Az elektronikában a szabályozó olyan eszköz vagy mechanizmus, amely folyamatosan szabályozza a teljesítményt. A tápegység területén különféle típusú szabályozók állnak rendelkezésre. De főleg DC-DC átalakítás esetén kétféle szabályozó áll rendelkezésre: Lineáris vagy Switching.
Egy lineáris szabályozó egy rezisztív feszültségesés segítségével szabályozza a kimenetet, és ennek köszönhetően a lineáris szabályozók alacsonyabb hatékonyságot biztosítanak, és hő formájában elveszítik az energiát.
A másik oldalon a kapcsolószabályozó induktivitást, diódát és tápkapcsolót használ az energia átviteléhez a forrásból a kimenetbe.
Háromféle kapcsolószabályozó áll rendelkezésre.
1. Fokozatos átalakító (Boost Regulator)
2. Léptető átalakító (Buck szabályozó)
3. Inverter (Flyback)
Ebben az oktatóanyagban leírjuk a Kapcsoló Boost Regulator áramkört. A Boost Regulator Design-t már ismertettük az előző oktatóanyagban. Itt megvitatjuk a Boost konverter különféle aspektusait és annak hatékonyságának javítását.
A Boost Converter áramkör tervezési alapjai
Sok esetben a követelményektől függően alacsonyabb feszültséget kell magasabb feszültséggé alakítanunk. A Boost szabályozó növeli a feszültséget az alacsonyabb potenciálról a nagyobbra.
A fenti képen egy egyszerű Boost szabályozó áramkör látható, ahol egy induktivitást, diódát, kondenzátort és egy kapcsolót használunk.
Az induktor célja a hálózati kapcsolón keresztül áramló áramlási sebesség korlátozása. Korlátozni fogja azt a magas csúcsáramot, amelyet a kapcsoló ellenállása egyenként elkerülhetetlen.
Továbbá, a tekercs tárolja az energiát, az energia mért Joule E = (L * I 2 /2)
Megértjük, hogy az induktorok hogyan továbbítják az energiát a készülő képeken és grafikonokon.
A fokozásszabályozók kapcsolása esetén két fázis létezik, az egyik az induktivitöltési fázis vagy a bekapcsolási fázis (a kapcsoló valóban zárva van), a másik pedig a kisütési fázis vagy a kikapcsolási fázis (a kapcsoló nyitva van).
Ha azt feltételezzük, hogy a kapcsoló hosszú ideig nyitott helyzetben volt, akkor a diódán át eső feszültségesés negatív, a kondenzátoron pedig egyenlő a bemeneti feszültség. Ebben a helyzetben, ha a kapcsoló közel kerül, a Vin megijed az induktoron. A dióda megakadályozza a kondenzátor kisülését a kapcsolón keresztül a földre.
Az induktoron átmenő áram az idővel lineárisan emelkedik. A lineáris áramnövekedési sebesség arányos a bemeneti feszültséggel, osztva az induktivitással di / dt = feszültség az induktivitáson / induktivitáson
A felső grafikonon az induktor töltési fázisa látható. Az x tengely t (idő), az Y tengely pedig I (az induktoron keresztüli áram). Az áram lineárisan növekszik az idővel, amikor a kapcsoló zárva vagy BE van kapcsolva.
Most, amikor a kapcsoló ismét kikapcsol, vagy nyitottá válik, az induktor áram átfolyik a diódán, és feltölti a kimeneti kondenzátort. Amikor a kimeneti feszültség emelkedik, az induktoron átmenő áram meredeksége megfordul. A kimeneti feszültség addig növekszik, amíg az induktoron keresztüli feszültség = L * (di / dt) el nem éri.
Az induktor áramcsökkenési sebessége idővel egyenesen arányos az induktor feszültségével. Magasabb az induktivitás, annál gyorsabban csökken az áram az induktoron.
A fenti grafikonon az induktív áram idővel csökken, amikor a kapcsoló kikapcsol.
Amikor a kapcsolószabályozó állandó állapotban van, az Inductor átlagos feszültsége nulla a teljes kapcsolási ciklus alatt. Ennél az állapotnál az induktoron átmenő átlagos áram is állandó állapotban van.
Ha azt feltételezzük, hogy az induktor töltési ideje Ton, és az áramkör bemeneti feszültséggel rendelkezik, akkor a kimeneti feszültségre meghatározott Toff vagy kisütési idő lesz.
Mivel az átlagos induktivitás feszültsége állandó állapotban nulla, a következő kifejezések felhasználásával felépíthetjük a boost áramkört
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)
Mivel a kimeneti feszültség megegyezik a bemeneti feszültséggel és az átlagos induktivitási feszültséggel (Vout = Vin + VL)
Mondhatjuk, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
Kiszámíthatjuk a Vout-ot is a ciklus segítségével.
Üzemeltetési ciklus (D) = tonna / (tonna + toff)
A fokozatkapcsoló szabályozónál a Vout Vin / (1 - D) lesz
PWM és munkaciklus a Boost Converter áramkörhöz
Ha szabályozzuk a munkaciklust, akkor szabályozhatjuk a boost konverter állandó állapotú kimenetét. Tehát a munkaciklus-variációhoz egy vezérlő áramkört használunk a kapcsolón keresztül.
Tehát a teljes alapfokú szabályozó áramköréhez szükségünk van egy további áramkörre, amely megváltoztatja a munkaciklust és ezáltal azt az időtartamot, amikor az induktor energiát kap a forrásból.
A fenti képen egy Error erősítő látható, amely visszacsatolási útvonal segítségével érzékeli a terhelés teljes kimeneti feszültségét és vezérli a kapcsolót. A leggyakoribb vezérléstechnika magában foglalja a PWM vagy az impulzusszélesség modulációs technikát, amelyet az áramkörök munkaciklusának vezérlésére használnak.
A vezérlő áramkör szabályozza, hogy a kapcsoló mennyi ideig marad nyitva vagy zárva, a terhelés által felvett áram függvényében. Ez az áramkör állandó állapotban történő folyamatos működéshez is használható. Mintát vesz a kimeneti feszültségből, és levonja azt egy referenciafeszültségről, és kis hibajelet hoz létre, majd ezt a hibajelet összehasonlítjuk egy oszcillátor rámpa jelével, és az összehasonlító kimenetről egy PWM jel működik vagy vezérli a kapcsolót áramkör.
Amikor a kimeneti feszültség megváltozik, a hibafeszültség is befolyásolja. A hiba feszültségváltozása miatt az összehasonlító vezérli a PWM kimenetet. A PWM akkor is helyzetbe váltott, amikor a kimeneti feszültség nulla hibafeszültséget eredményez, és ezzel a zárt vezérlőhurok rendszer végzi a munkát.
Szerencsére a legtöbb modern Switching boost szabályozó beépíti ezt az IC-csomagba. Így egyszerű áramköri kialakítás érhető el a modern kapcsolószabályozókkal.
A referencia-visszacsatolási feszültséget egy ellenállástosztó hálózat segítségével végezzük. Ez a kiegészítő áramkör, amelyre szükség van az induktivitással, a diódákkal és a kondenzátorokkal együtt.
Javítsa a Boost Converter áramkör hatékonyságát
Most, ha megvizsgáljuk a hatékonyságot, akkor mennyi energiát biztosítunk az áramkör belsejében, és mennyit kapunk a kimeneten.
(Pout / Pin) * 100%
Mivel az energiát nem lehet létrehozni és megsemmisíteni, csak átalakítani lehet, a legtöbb elektromos energia elveszíti a hővé alakított fel nem használt energiákat. Ezenkívül a gyakorlati területen nincs ideális helyzet, a hatékonyság nagyobb tényező a feszültségszabályozók kiválasztásában.
A kapcsolószabályozó egyik fő teljesítményveszteségi tényezője a dióda. Az előremenő feszültségesés szorzata (Vf xi) a fel nem használt teljesítmény, amely hővé alakul és csökkenti a kapcsolószabályozó áramkör hatékonyságát. Ezenkívül az áramköri többletköltségek a hő / hőmenedzsment technikák számára hűtőborda használatával, vagy a Ventilátorok az áramkör hűsítésére az elvezetett hőtől. Nemcsak az előremenő feszültségesés, hanem a szilíciumdiódák fordított visszanyerése is szükségtelen energiaveszteséget okoz és csökkenti az általános hatékonyságot.
Az egyik legjobb módszer a standard helyreállítási dióda elkerülésére az, ha Schottky diódákat használunk olyan diódák helyett, amelyeknek alacsony az előremenő feszültségesése és jobb a hátramenet. Ha maximális hatékonyságra van szükség, a dióda MOSFET-ekkel cserélhető. A modern technológiában rengeteg választási lehetőség áll rendelkezésre a Switching boost regulátor szakaszban, amelyek könnyen több mint 90% -os hatékonyságot biztosítanak.
Van még egy „Skip Mode” funkció, amelyet számos modern eszköz használ, amely lehetővé teszi a szabályozó számára, hogy átugorja a kapcsolási ciklusokat, amikor nincs szükség váltásra nagyon kis terheléseknél. Remek módszer a hatékonyság javítására könnyű terhelés esetén. Átugrási módban a kapcsolási ciklus csak akkor indul, ha a kimeneti feszültség egy szabályozási küszöb alá csökken.
Annak ellenére, hogy nagyobb hatékonyságú, a helyhez kötött tervezési technika, a kisebb alkatrészek, a kapcsolószabályozók zajosak, mint a lineáris szabályozók. Ennek ellenére széles körben népszerűek.
Példa a Boost Converter tervezésére
Korábban létrehoztunk egy erősítésszabályozó áramkört az MC34063 segítségével, ahol az 5 V kimenetet a 3,7 V bemeneti feszültségből generáljuk. Az MC34063 az a kapcsolószabályozó, amelyet a boost szabályozó konfigurációjában használtak. Induktort, Schottky-diódát és kondenzátorokat használtunk.
A fenti képen a Cout a kimeneti kondenzátor, és induktivitást és Schottky-diódát is használtunk, amelyek a kapcsolószabályozó alapkomponensei. Van egy visszacsatolási hálózat is. Az R1 és R2 ellenállások feszültségosztó áramkört hoznak létre, amelyre szükség van az összehasonlító PWM és hibaerősítési szakaszához. Az összehasonlító referenciafeszültsége 1,25 V.
Ha részletesen megnézzük a projektet, láthatjuk, hogy 70-75% -os hatékonyságot ér el ez az MC34063 kapcsolóerősítés-szabályozó áramkör. A további hatékonyság javítható a megfelelő PCB technika alkalmazásával és a hőkezelési eljárások megszerzésével.