Kapcsoló bak szabályozó: a tervezés alapjai és hatékonysága

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 útmutatóban leírjuk Switching Buck szabályozó áramkör. A Buck Regulator Design-t már ismertettük az előző oktatóanyagban. Itt megvitatjuk a Buck konverter különböző aspektusait és annak hatékonyságának javítását.

Különbség a Buck és a Boost Regulator között

A különbség a buck és a boost szabályozó között az, hogy a buck szabályozóban az induktor, a dióda és a kapcsoló áramkör elhelyezkedése eltér a boost szabályozótól. Emellett a boost szabályozó esetén a kimeneti feszültség magasabb, mint a bemeneti feszültség, de a buck szabályozóban a kimeneti feszültség alacsonyabb, mint a bemeneti feszültség.

A buck topológia vagy a buck konverter az egyik leggyakrabban használt alap topológia az SMPS-ben. Népszerű választás, ahol a magasabb feszültséget alacsonyabb kimeneti feszültséggé kell átalakítanunk.

Ugyanúgy, mint a fokozásszabályozó, a buck konverter vagy a buck szabályozó egy induktivitásból áll, de az induktor csatlakozása kimeneti, nem pedig a boost szabályozóknál alkalmazott bemeneti szakaszban van.

Tehát sok esetben az alacsonyabb feszültséget magasabb feszültséggé kell átalakítanunk a követelményektől függően. A baki szabályozó a nagyobb potenciálból a feszültséget alacsonyabbá alakítja.

A Buck Converter áramkör tervezési alapjai

A fenti képen egy egyszerű Buck szabályozó áramkör látható, ahol egy induktivitást, diódát, kondenzátort és egy kapcsolót használunk. A bemenet közvetlenül a kapcsolón keresztül csatlakozik. Az induktor és a kondenzátor a kimeneten vannak összekötve, így a terhelés sima kimeneti áram hullámformát kap. A dióda a negatív áramáram blokkolására szolgál.

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 az áram az áramban 0, és nincs feszültség.

Ebben a helyzetben, ha a kapcsoló közel kerül, akkor az áram növekszik, és az induktor feszültséget hoz létre rajta. Ez a feszültségesés minimalizálja a kimeneti forrásfeszültséget, néhány pillanat múlva csökken az áramváltozás sebessége, és az induktoron átmenő feszültség is csökken, ami végül megnöveli a terhelés teljes feszültségét. Az induktor mágneses terét felhasználva tárolja az energiát.

Tehát, ha a kapcsoló be van kapcsolva, az induktoron a feszültség V _L = Vin - Vout

Az induktivitásban az áram (Vin - Vout) / L sebességgel emelkedik

Az induktoron átáramló áram az idővel lineárisan emelkedik. A lineáris áramnövekedési sebesség arányos a kimeneti feszültséggel csökkentett bemeneti feszültséggel, osztva az induktivitással

di / dt = (Vin - Vout) / L

A felső grafikon mutatja az induktor töltési fázisát. Az x tengely t (idő), az Y tengely pedig i (az induktoron keresztüli áram) jelöli. Az áram lineárisan növekszik az idővel, amikor a kapcsoló zárva vagy BE van kapcsolva.

ezalatt, amíg az áram még változik, mindig feszültségesés lép fel az induktoron. A terhelés alatti feszültség alacsonyabb lesz, mint a bemeneti feszültség. Kikapcsolt állapotban, miközben a kapcsoló nyitva van, a bemeneti feszültségforrás lekapcsolódik, és az induktor a tárolt energiát átviszi a terhelésre. Az induktor lesz a terhelés aktuális forrása.

A D1 dióda a kikapcsolási állapot alatt az induktoron átfolyó áram visszatérő útját biztosítja.

Az induktor áramának csökkenése –Vout / L egyenlőségű lejtéssel történik

Buck Converter működési módok

A Buck konverter kétféle üzemmódban működtethető. Folyamatos vagy folytonos üzemmód.

Folyamatos mód

Folyamatos üzemmódban az induktivitás soha nem merült ki teljesen, a töltési ciklus akkor kezdődik, amikor az induktor részben lemerül.

A fenti képen láthatjuk, hogy amikor a kapcsoló bekapcsol, amikor az induktor áram (iI) lineárisan növekszik, akkor amikor a kapcsoló leszáll, az induktor csökkenni kezd, de a kapcsoló ismét bekapcsol, miközben az induktor részben lemerült. Ez a folyamatos üzemmód.

Az induktorban tárolt energia E = (LI _L ²) / 2

Folyamatos mód

A folyamatos üzemmód kissé eltér a folyamatos üzemmódtól. Folyamatos üzemmódban az induktor teljesen lemerült, mielőtt új töltési ciklust indított volna. Az induktor teljesen nullára merül, mielőtt a kapcsoló bekapcsol.

Folyamatos üzemmódban, amint azt a fenti képen láthatjuk, amikor a kapcsoló bekapcsol, az induktív áram (il) lineárisan növekszik, majd amikor a kapcsoló lekapcsol, az induktor csökkenni kezd, de a kapcsoló csak az induktivitás után kapcsol be teljesen lemerült, és az induktív áram teljesen nulla lett. Ez a Folyamatos üzemmód. Ebben a műveletben az induktoron átmenő áram nem folyamatos.

PWM és munkaciklus a Buck Converter áramkörhöz

Amint azt az előző buck konverter oktatóanyagban tárgyaltuk, a munkaciklus változtatásával vezérelhetjük a buck szabályozó áramkörét. Ehhez alapvető kontrollrendszerre van szükség. Hibaerősítőre és kapcsoló vezérlő áramkörre van szükség, amelyek folyamatos vagy szakaszos üzemmódban működnek.

Tehát egy teljes buck szabályozó áramkörhöz 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 azt, hogy mennyi ideig tartsa az induktor töltését vagy kisütését.

Ez az áramkör a kapcsolót a működési módtól függően vezérli. Mintát vesz a kimeneti feszültségből, és levonja azt egy referenciafeszültségről, és kis hibajelet hoz létre, majd ezt a hibajelet összehasonlítjuk egy oszcillátor rámpajelével, 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 buck szabályozó beépíti ezt a dolgot 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 Buck Converter áramkör hatékonyságát

Most, ha megvizsgáljuk a hatékonyságot, 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 árammal (Vf xi) a fel nem használt teljesítmény, amely hővé alakul, és csökkenti a kapcsolószabályozó áramkör hatékonyságát. Ez is az áramköröknek járó többletköltségek a hő / hőkezelés technikája számára, hűtőbordát használva, vagy a Ventilátorok, amelyek hűtik az áramkört 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 buck regulator szakaszban, amelyek könnyedén biztosítják a több mint 90% -os hatékonyságot.

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 Buck Converter tervezésére

Korábban létrehoztunk egy bak szabályozó áramkört az MC34063 segítségével, ahol az 5 V kimenetet a 12 V bemeneti feszültségből generáljuk. Az MC34063 az a kapcsolószabályozó, amelyet a bakszabályozó 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 75-78% -os hatékonyságot ér el ez az MC34063 kapcsoló bak-szabályozó áramkör. A további hatékonyság javítható a megfelelő PCB technika alkalmazásával és a hőkezelési eljárások megszerzésével.

Példa a Buck szabályozó használatára-

1. DC áramforrás kisfeszültségű alkalmazásban
2. Hordozható berendezések
3. Audio berendezés
4. Beágyazott hardver rendszerek.
5. Naprendszerek stb.