Preklopni regulator pojačanja: osnove dizajna i učinkovitost

U elektronici, regulator je uređaj ili mehanizam koji može stalno regulirati izlaznu snagu. U domeni napajanja postoje različite vrste regulatora. Ali uglavnom, u slučaju pretvorbe u istosmjernu istosmjernu struju, postoje dvije vrste regulatora: linearni ili preklopni.

Linearni regulator regulira izlaz pomoću buntovna pad napona, a zbog toga Linearni regulator osigurati manju učinkovitost i gube snagu u obliku topline.

S druge strane Prekidački regulator koristi induktor, diodu i prekidač za napajanje za prijenos energije od svog izvora do izlaza.

Dostupne su tri vrste sklopnih regulatora.

1. Povećavajući pretvarač (regulator pojačanja)

2. Step-Down pretvarač (Buck regulator)

3. Pretvarač (povratni let)

U ovom uputstvu opisujemo sklop regulatora pojačanog pojačanja. Dizajn regulatora pojačanja smo već opisali u prethodnom vodiču. Ovdje ćemo razgovarati o različitim aspektima Boost pretvarača i kako poboljšati njegovu učinkovitost.

Osnove dizajna kruga pretvarača pojačanja

U mnogim slučajevima moramo pretvoriti niži napon u viši napon, ovisno o zahtjevima. Regulator pojačanja pojačava napon s nižeg na veći potencijal.

Na gornjoj je slici prikazan jednostavan krug regulatora pojačanja gdje se koriste induktor, dioda, kondenzator i prekidač.

Svrha prigušnice je ograničiti brzinu strujanja koja prolazi kroz prekidač za napajanje. Ograničit će prekomjernu visoku struju koja je neizbježna zbog otpora prekidača pojedinačno.

Također, induktivitet pohranjuje energija, energija mjeri u Joulea E = (L * I ² /2), Razumjet ćemo kako induktori prenose energiju na nadolazećim slikama i grafikonima.

U slučaju prebacivanja regulatora pojačanja postoje dvije faze, jedna je faza punjenja induktora ili faza uključivanja (sklopka je zapravo zatvorena), a druga je faza pražnjenja ili faza isključivanja (sklopka je otvorena).

Ako pretpostavimo da je prekidač već duže vrijeme u otvorenom položaju, pad napona na diodi je negativan, a napon na kondenzatoru jednak ulaznom naponu. U ovoj se situaciji, ako se sklopka približi, Vin se preplaši preko induktora. Dioda sprečava pražnjenje kondenzatora kroz prekidač na masu.

Struja kroz prigušnicu raste s vremenom linearno. Brzina porasta linearne struje proporcionalna je ulaznom naponu podijeljenom s induktivitetom di / dt = Napon na induktivitetu / induktivitetu

U gornjem grafikonu, prikazuje fazu punjenja prigušnice. Os x označava t (vrijeme), a os Y I (struja kroz prigušnicu). Struja se linearno povećava s vremenom kada je sklopka zatvorena ili uključena.

Sada, kada se sklopka ponovno isključi ili otvori, struja induktora prolazi kroz diodu i puni izlazni kondenzator. Kad se izlazni napon povisi, nagib struje kroz prigušnicu se obrne. Izlazni napon raste dok se ne postigne napon kroz prigušnicu = L * (di / dt).

Stopa pada struje induktora s vremenom izravno je proporcionalna naponu prigušnice. Što je veći napon prigušnice, to je brži pad struje kroz prigušnicu.

Na gornjem grafikonu, struja prigušnice pada s vremenom kad se sklopka isključi.

Kada je preklopni regulator u stabilnom stanju, prosječni napon induktora je Nula tijekom cijelog prekidačkog ciklusa. U tom je stanju prosječna struja kroz prigušnicu također u ustaljenom stanju.

Ako pretpostavimo da je vrijeme punjenja induktora tona, a krug ima ulazni napon, tada će za izlazni napon postojati određeno vrijeme Toff-a ili pražnjenja.

Kako je prosječni napon induktiviteta u stabilnom stanju jednak nuli, možemo konstruirati potisni krug koristeći sljedeće izraze

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

Kako je izlazni napon jednak ulaznom naponu i prosječnom naponu prigušnice (Vout = Vin + VL)

Možemo reći da

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

Također možemo izračunati Vout koristeći radni ciklus.

Radni ciklus (D) = tona / (tona + toff)

Za regulator prebacivanja pojačanja Vout će biti Vin / (1 - D)

PWM i radni ciklus za krug pretvarača pojačanja

Ako kontroliramo radni ciklus, možemo kontrolirati ustaljeni izlaz pretvarača pojačanja. Dakle, za varijaciju radnog ciklusa koristimo upravljački krug preko prekidača.

Dakle, za cjeloviti osnovni krug regulatora pojačanja trebamo dodatni sklop koji će mijenjati radni ciklus, a time i količinu vremena kad induktor prima energiju iz izvora.

Na gornjoj se slici može vidjeti pojačalo s pogreškama koje pomoću povratnog puta upravlja izlaznim naponom na opterećenju i upravlja prekidačem. Najčešća tehnika upravljanja uključuje PWM ili tehniku ​​modulacije širine impulsa koja se koristi za kontrolu radnog ciklusa sklopa.

U nadzorni krug kontrole količina vremena prekidač ostaje otvorena ili zatvorena, ovisno o trenutnom izvučeni opterećenjem. Ovaj krug također koristi za kontinuirani rad u ustaljenom stanju. Uzet će se uzorak izlaznog napona i da bi se oduzeo od referentnog napona i stvorio mali signal pogreške, tada će se taj signal pogreške usporediti sa signalom rampe oscilatora, a iz izlaza komparatora PWM signal će upravljati ili upravljati prekidačem sklop.

Kada se promijeni izlazni napon, na njega utječe i napon pogreške. Zbog promjene napona pogreške, komparator kontrolira PWM izlaz. PWM se također promijenio u položaj kada izlazni napon stvara nultu vrijednost napona pogreške i time izvršava posao zatvorena upravljačka petlja.

Srećom, većina modernih regulatora pojačanog pojačanja ima ovu stvar ugrađenu u IC paket. Tako se jednostavni dizajn sklopova postiže pomoću modernih sklopnih regulatora.

Referentni povratni napon vrši se pomoću mreže otpornih djelitelja. Ovo je dodatni sklop, koji je potreban zajedno s prigušnicom, diodama i kondenzatorima.

Poboljšajte učinkovitost kruga pretvarača pojačanja

Ako istražimo učinkovitost, to je koliko snage pružamo unutar sklopa i koliko dobivamo na izlazu.

(Izlaz / pribadača) * 100%

Kako se energija ne može stvoriti niti uništiti, ona se može samo pretvoriti, većina električne energije gubi neiskorištene snage pretvorene u toplinu. Također, nema idealne situacije u praktičnom području, učinkovitost je veći faktor za odabir regulatora napona.

Dioda je jedan od glavnih čimbenika gubitka snage preklopnog regulatora. Pad napona prema trenutnoj struji (Vf xi) je neiskorištena snaga koja se pretvara u toplinu i smanjuje učinkovitost kruga sklopnog regulatora. Također, to je dodatni trošak za sklop za tehniku ​​upravljanja toplinom / toplinom pomoću hladnjaka ili Ventilatori za hlađenje sklopa od rasipane topline. Ne samo pad napona prema naprijed, obrnuti oporavak silicijskih dioda također proizvodi nepotreban gubitak snage i smanjenje ukupne učinkovitosti.

Jedan od najboljih načina za izbjegavanje standardne diode za oporavak je upotreba Schottky dioda umjesto dioda koje imaju mali pad napona prema naprijed i bolji povratni oporavak. Kada je potrebna maksimalna učinkovitost, dioda se može zamijeniti pomoću MOSFET-ova. U modernoj tehnologiji postoji mnogo izbora dostupnih u odjeljku Regulator pojačanog pojačanja, koji lako pružaju više od 90% učinkovitosti.

Također, postoji značajka "Preskoči način" koja se koristi u mnogim modernim uređajima koja omogućava regulatoru da preskače preklopne cikluse kada nema potrebe za prebacivanjem pri vrlo malim opterećenjima. To je izvrstan način za poboljšanje učinkovitosti pri laganom opterećenju. U načinu preskakanja, ciklus prebacivanja pokreće se samo kada izlazni napon padne ispod regulacijskog praga.

Unatoč većoj učinkovitosti, tehnika stacionarnog dizajna, manji dijelovi, sklopni regulatori bučni su od linearnog regulatora. Ipak, nadaleko su popularni.

Primjer dizajna za pojačivač pretvarača

Prethodno smo stvorili regulator regulacijskog kruga pomoću MC34063 gdje se 5V izlaz generira od ulaznog napona od 3,7V. MC34063 je sklopni regulator koji je korišten u konfiguraciji regulatora pojačanja. Koristili smo induktor, Schottky-jevu diodu i kondenzatore.

Na gornjoj je slici Cout izlazni kondenzator, a koristili smo i induktor i Schottky-jevu diodu koji su osnovne komponente preklopnog regulatora. Također se koristi mreža povratnih informacija. Otpornici R1 i R2 stvaraju krug djelitelja napona koji je potreban za PWM usporedbe i stupanj pojačavanja pogrešaka. Referentni napon komparatora je 1,25V.

Ako projekt vidimo detaljno, možemo vidjeti da se ovim sklopom regulacijskog pojačala MC34063 postiže 70-75% učinkovitosti. Daljnja učinkovitost može se poboljšati primjenom odgovarajuće PCB tehnike i dobivanjem postupaka upravljanja toplinom.