- Razlika između regulatora Buck i Boost
- Osnove dizajna kruga pretvarača Buck
- Načini rada pretvarača Buck
- PWM i radni ciklus za krug pretvarača s naponom
- Poboljšati učinkovitost kruga pretvarača Buck
- Primjer dizajna za Buck Converter
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 i zbog tog 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 vodiču ćemo opisati Prebacivanje Buck regulator krug. Dizajn Buck regulatora već smo opisali u prethodnom vodiču. Ovdje ćemo razgovarati o različitim aspektima Buck pretvarača i kako poboljšati njegovu učinkovitost.
Razlika između regulatora Buck i Boost
Razlika između regulatora dovodnosti i pojačivača je u tome što se u regulatoru donje strane induktor, dioda i sklopni krug razlikuju od regulatora pojačanja. Također, u slučaju regulatora pojačanja, izlazni napon je veći od ulaznog napona, ali kod dovodnog regulatora, izlazni napon je niži od ulaznog napona.
Mužjak topologija ili mužjak pretvarač je jedan od najčešće korištenih osnovne topologije koriste u SMPS. To je popularan izbor gdje moramo pretvoriti viši napon u niži izlazni napon.
Isto kao regulator pojačanja, pretvarač sa donje strane ili regulator donje struje sastoje se od prigušnice, ali spoj prigušnice je u izlaznom stupnju, a ne ulazni stupanj koji se koristi u regulatorima pojačanja.
Dakle, u mnogim slučajevima moramo pretvoriti niži napon u viši napon, ovisno o zahtjevima. Buck regulator pretvara napon iz većeg potencijala u niži potencijal.
Osnove dizajna kruga pretvarača Buck
Na gornjoj je slici prikazan jednostavan krug Buck regulatora gdje se koriste prigušnica, dioda, kondenzator i prekidač. Ulaz je izravno povezan preko prekidača. Induktor i kondenzator povezani su preko izlaza, tako da opterećenje dobiva glatki valni oblik izlazne struje. Dioda služi za blokiranje negativnog protoka struje.
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, struja u krugu je 0 i nema prisutnog napona.
U ovoj situaciji, ako se sklopka približi, struja će se povećati i induktor će stvoriti napon na njoj. Ovaj pad napona minimizira napon izvora na izlazu, nakon nekoliko trenutaka smanjuje se brzina promjene struje, a napon na induktoru također smanjuje što na kraju povećava napon na opterećenju. Induktor pohranjuje energiju koristeći svoje magnetsko polje.
Dakle, kada je prekidač uključen, na induktivitetu je napon V L = Vin - Vout
Struja u induktoru raste brzinom (Vin - Vout) / L
Struja kroz prigušnicu raste s vremenom linearno. Brzina linearnog porasta struje proporcionalna je ulaznom naponu umanjenom za izlazni napon podijeljenom s induktivitetom
di / dt = (Vin - Vout) / L
Gornji graf koji prikazuje fazu punjenja prigušnice. Os x označava t (vrijeme), a os Y označava i (struja kroz prigušnicu). Struja se linearno povećava s vremenom kada je sklopka zatvorena ili uključena.
za to vrijeme dok se struja još uvijek mijenja, na induktoru će uvijek doći do pada napona. Napon na opterećenju bit će niži od ulaznog napona. Tijekom isključenog stanja, dok je prekidač otvoren, izvor ulaznog napona se odvaja, a induktor će prenositi uskladištenu energiju u opterećenje. Induktor će postati trenutni izvor za teret.
Dioda D1 pružit će povratni put struje koja prolazi kroz prigušnicu tijekom isključivanja.
Struja prigušnice smanjuje se s nagibom jednakim –Vout / L
Načini rada pretvarača Buck
Buck pretvaračem se može upravljati u dva različita načina. Kontinuirani način rada ili diskontinuirani način rada.
Neprekidni način rada
Tijekom kontinuiranog načina rada induktor se nikada nije potpuno ispraznio, ciklus punjenja započinje kad se induktor djelomično isprazni.
Na gornjoj slici možemo vidjeti, kada se prekidač uključi kad se struja induktora (iI) linearno povećava, zatim kad se sklopka isključi, induktor počne smanjivati, ali prekidač se ponovno uključuje dok se induktor djelomično isprazni. Ovo je kontinuirani način rada.
Energija pohranjena u induktoru je E = (LI L 2) / 2
Prekinuti način rada
Prekinuti način rada malo se razlikuje od kontinuiranog načina rada. U prekinutom načinu rada, prigušnica se potpuno ispraznila prije pokretanja novog ciklusa punjenja. Induktor će se potpuno isprazniti na nulu prije nego što se prekidač uključio.
Tijekom prekida rada, kao što možemo vidjeti na gornjoj slici kad prekidač upali struja induktora (il) raste linearno, a kad se sklopka isključi, induktor počinje opadati, ali prekidač se uključuje tek nakon induktora je potpuno ispražnjen i struja induktora postala je potpuno nula. Ovo je prekidni način rada. U ovom postupku strujanje struje kroz prigušnicu nije kontinuirano.
PWM i radni ciklus za krug pretvarača s naponom
Kao što smo razgovarali u prethodnom vodiču za pretvarač buck, varirajući radni ciklus možemo kontrolirati krug regulatora dolje. Za to je potreban osnovni sustav upravljanja. Dodatno je potreban upravljački krug pojačala i prekidača koji će raditi u kontinuiranom ili prekinutom načinu rada.
Dakle, za cjeloviti krug regulatora dojke potreban nam je dodatni sklop koji će mijenjati radni ciklus, a time i količinu vremena kada 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.
Upravljački krug kontrolira koliko će vremena prekidač ostati otvoren ili, kontrolirajući koliko vremena punjenja ili pražnjenja prigušnice.
Ovaj krug kontrolira prekidač ovisno o načinu rada. 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 preklopnih regulatora 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.
Poboljšati učinkovitost kruga pretvarača Buck
Sada, ako istražimo o učinkovitosti, 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 naprijed pomnožen sa strujom (Vf xi) je neiskorištena snaga koja se pretvara u toplinu i smanjuje učinkovitost kruga sklopnog regulatora. Također, dodatni je 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 Prebacivanje donjeg regulatora, koji lako pružaju više od 90% učinkovitosti.
Unatoč većoj učinkovitosti, tehnika stacionarnog dizajna, manji dijelovi, sklopni regulatori bučni su od linearnog regulatora. Ipak, nadaleko su popularni.
Primjer dizajna za Buck Converter
Prethodno smo stvorili krug regulatora sa MC34063 gdje se 5V izlaz generira od 12V ulaznog napona. MC34063 je sklopni regulator koji je korišten u konfiguraciji donjeg regulatora. 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 sklopnim regulacijskim krugom MC34063 postiže 75-78% učinkovitosti. Daljnja učinkovitost može se poboljšati primjenom odgovarajuće PCB tehnike i dobivanjem postupaka upravljanja toplinom.
Primjer upotrebe Buck regulatora-
- Izvor napajanja istosmjernom strujom u primjeni niskog napona
- Prijenosna oprema
- Audio oprema
- Ugrađeni hardverski sustavi.
- Sunčevi sustavi itd.