- Podstawy projektowania obwodu konwertera doładowania
- PWM i cykl pracy dla obwodu konwertera doładowania
- Popraw wydajność obwodu konwertera doładowania
- Przykładowy projekt konwertera doładowania
W elektronice regulator to urządzenie lub mechanizm, który może stale regulować moc wyjściową. W dziedzinie zasilania dostępne są różne rodzaje regulatorów. Ale głównie w przypadku konwersji prądu stałego na prąd stały dostępne są dwa typy regulatorów: liniowy lub przełączający.
Liniowy regulator reguluje produkcję za pomocą rezystancyjnego spadek napięcia, a ze względu na to Liniowe dają niższe wydajności i rozładowywać w postaci ciepła.
Z drugiej strony regulator przełączający wykorzystuje cewkę indukcyjną, diodę i wyłącznik zasilania do przenoszenia energii ze źródła na wyjście.
Dostępne są trzy typy regulatorów przełączających.
1. Konwerter podwyższający (regulator doładowania)
2. Konwerter obniżający (regulator Buck)
3. Falownik (Flyback)
W tym samouczku opisujemy obwód przełączającego regulatora doładowania. Projekt regulatora doładowania opisaliśmy już w poprzednim samouczku. Tutaj omówimy różne aspekty konwertera Boost i jak poprawić jego wydajność.
Podstawy projektowania obwodu konwertera doładowania
W wielu przypadkach musimy zamienić niższe napięcie na wyższe napięcie w zależności od wymagań. Regulator Boost zwiększa napięcie z niższego potencjału do wyższego potencjału.
Na powyższym obrazku pokazano prosty obwód regulatora doładowania, w którym zastosowano cewkę indukcyjną, diodę, kondensator i przełącznik.
Zadaniem cewki indukcyjnej jest ograniczenie szybkości narastania prądu przepływającego przez wyłącznik zasilania. Ograniczy nadmierny prąd o wysokiej wartości szczytowej, którego nie można uniknąć w przypadku indywidualnej rezystancji przełącznika.
Ponadto, energia przechowuje indukującego energii w dżulach E = (L * I 2 /2)
Zrozumiemy, w jaki sposób induktory przenoszą energię na nadchodzących obrazach i wykresach.
W przypadku przełączania regulatorów doładowania istnieją dwie fazy, jedna to faza ładowania cewki lub faza włączania (przełącznik jest faktycznie zamknięty), a druga to faza rozładowania lub faza wyłączania (przełącznik jest otwarty).
Jeśli założymy, że przełącznik był w pozycji otwartej przez długi czas, spadek napięcia na diodzie jest ujemny, a napięcie na kondensatorze jest równe napięciu wejściowemu. W tej sytuacji, jeśli przełącznik zbliży się, Vin jest przestraszona przez cewkę indukcyjną. Dioda zapobiega rozładowaniu kondensatora przez przełącznik do masy.
Prąd płynący przez cewkę rośnie liniowo w czasie. Liniowa szybkość narastania prądu jest proporcjonalna do napięcia wejściowego podzielonego przez indukcyjność di / dt = napięcie na cewce / indukcyjności
Na górnym wykresie, pokazujący fazę ładowania cewki indukcyjnej. Oś X oznacza t (czas), a oś Y oznacza I (prąd płynący przez cewkę). Prąd rośnie liniowo wraz z upływem czasu, gdy przełącznik jest zamknięty lub włączony.
Teraz, gdy przełącznik ponownie się wyłączy lub otworzy, prąd cewki przepływa przez diodę i ładuje kondensator wyjściowy. Gdy napięcie wyjściowe wzrasta, prąd przechodzący przez cewkę zmienia się. Napięcie wyjściowe rośnie, aż do osiągnięcia napięcia przez cewkę = L * (di / dt).
Szybkość spadku prądu cewki indukcyjnej w czasie jest wprost proporcjonalna do napięcia cewki. Im wyższe napięcie cewki, tym szybszy spadek prądu przez cewkę.
Na powyższym wykresie prąd cewki spada wraz z upływem czasu, gdy wyłącznik się wyłącza.
Gdy regulator przełączający znajduje się w ustalonym stanie roboczym, średnie napięcie cewki indukcyjnej wynosi zero podczas całego cyklu przełączania. W tym stanie średni prąd płynący przez cewkę również jest w stanie ustalonym.
Jeśli przyjmiemy, że czas ładowania cewki indukcyjnej wynosi Ton, a obwód ma napięcie wejściowe, wówczas będzie określony czas Toff lub rozładowania dla napięcia wyjściowego.
Ponieważ średnie napięcie cewki indukcyjnej jest równe zeru w stanie ustalonym, możemy zbudować obwód doładowania, używając następujących warunków
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)
Ponieważ napięcie wyjściowe jest równe napięciu wejściowemu i średniemu napięciu cewki indukcyjnej (Vout = Vin + VL)
Możemy to powiedzieć, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
Możemy również obliczyć Vout za pomocą cyklu pracy.
Cykl pracy (D) = tona / (tona + Toff)
Dla regulatora przełączania doładowania Vout będzie wynosić Vin / (1 - D)
PWM i cykl pracy dla obwodu konwertera doładowania
Jeśli kontrolujemy cykl pracy, możemy sterować stanem wyjściowym przetwornicy podwyższającej ciśnienie. Tak więc do zmiany cyklu pracy używamy obwodu sterującego na przełączniku.
Tak więc, aby uzyskać kompletny podstawowy obwód regulatora doładowania, potrzebujemy dodatkowego obwodu, który będzie zmieniać cykl pracy, a tym samym ilość czasu, przez jaki cewka indukcyjna odbiera energię ze źródła.
Na powyższym obrazku można zobaczyć wzmacniacz błędu, który wykrywa napięcie wyjściowe na obciążeniu za pomocą ścieżki sprzężenia zwrotnego i steruje przełącznikiem. Najbardziej powszechna technika sterowania obejmuje PWM lub technikę modulacji szerokości impulsu, która jest używana do sterowania cyklem pracy obwodu.
Do obwodu sterowania kontroluje ilość czasu wyłącznik pozostaje otwarty lub blisko, w zależności od prądu pobieranego przez obciążenie. Ten obwód służy również do ciągłej pracy w stanie ustalonym. Pobierze próbkę napięcia wyjściowego i odejmie je od napięcia odniesienia i utworzy mały sygnał błędu, następnie ten sygnał błędu zostanie porównany z sygnałem rampy oscylatora, a z wyjścia komparatora sygnał PWM będzie działał lub sterował przełącznikiem obwód.
Gdy zmienia się napięcie wyjściowe, wpływa to również na napięcie błędu. Z powodu błędu zmiany napięcia komparator steruje wyjściem PWM. PWM również zmieniło się w położenie, w którym napięcie wyjściowe wytwarza zerowe napięcie błędu i robiąc to, układ zamkniętej pętli sterowania wykonuje pracę.
Na szczęście większość nowoczesnych regulatorów doładowania przełączającego ma to wbudowane w pakiet IC. W ten sposób uzyskuje się prostą konstrukcję obwodów przy użyciu nowoczesnych regulatorów przełączających.
Referencyjne napięcie zwrotne jest realizowane za pomocą sieci dzielnika rezystorowego. To jest dodatkowy obwód, który jest potrzebny wraz z cewką indukcyjną, diodami i kondensatorami.
Popraw wydajność obwodu konwertera doładowania
Teraz, jeśli zbadamy sprawność, to jest to, ile mocy dostarczamy w obwodzie i ile otrzymujemy na wyjściu.
(Pout / Pin) * 100%
Ponieważ energii nie można wytworzyć ani zniszczyć, można ją jedynie przekształcić, większość energii elektrycznej traci niewykorzystane moce zamieniane na ciepło. Nie ma również idealnej sytuacji w praktyce, efektywność jest większym czynnikiem przy wyborze regulatorów napięcia.
Jednym z głównych czynników strat mocy regulatora impulsowego jest dioda. Spadek napięcia przewodzenia pomnożony przez prąd (Vf xi) to niewykorzystana moc, która przekształca się w ciepło i zmniejsza sprawność obwodu regulatora przełączającego. Jest to również dodatkowy koszt dla obwodów elektrycznych związanych z technikami zarządzania ciepłem / ciepłem za pomocą radiatora lub wentylatorów do chłodzenia obwodów z rozpraszanego ciepła. Nie tylko spadek napięcia do przodu, ale także powrót do stanu wyjściowego dla diod krzemowych powoduje niepotrzebne straty mocy i zmniejszenie ogólnej wydajności.
Jednym z najlepszych sposobów uniknięcia standardowej diody regeneracyjnej jest zastosowanie diod Schottky'ego zamiast diod, które mają niski spadek napięcia przewodzenia i lepsze odzyskiwanie do tyłu. Gdy wymagana jest maksymalna wydajność, diodę można wymienić za pomocą tranzystorów MOSFET. W nowoczesnej technologii istnieje wiele opcji dostępnych w sekcji Przełączanie regulatora doładowania, które z łatwością zapewniają ponad 90% wydajności.
Ponadto w wielu nowoczesnych urządzeniach dostępna jest funkcja „Skip Mode”, która pozwala regulatorowi na pomijanie cykli przełączania, gdy nie ma potrzeby przełączania przy bardzo małych obciążeniach. To świetny sposób na poprawę wydajności w warunkach lekkiego obciążenia. W trybie pomijania cykl przełączania jest inicjowany tylko wtedy, gdy napięcie wyjściowe spadnie poniżej progu regulacji.
Pomimo wyższej wydajności, stacjonarna technika projektowania, mniejsze komponenty, przełączające regulatory są głośne niż regulatory liniowe. Mimo to są bardzo popularne.
Przykładowy projekt konwertera doładowania
Wcześniej stworzyliśmy obwód regulatora doładowania za pomocą MC34063, w którym wyjście 5 V jest generowane z napięcia wejściowego 3,7 V. MC34063 to regulator przełączający, który został użyty w konfiguracji regulatora doładowania. Użyliśmy cewki indukcyjnej, diody Schottky'ego i kondensatorów.
Na powyższym obrazku Cout jest kondensatorem wyjściowym, a także użyliśmy cewki indukcyjnej i diody Schottky'ego, które są podstawowymi komponentami regulatora przełączającego. Wykorzystywana jest również sieć opinii. Rezystory R1 i R2 tworzą obwód dzielnika napięcia, który jest potrzebny do PWM komparatora i stopnia wzmocnienia błędu. Napięcie odniesienia komparatora wynosi 1,25 V.
Jeśli przyjrzymy się szczegółowo projektowi, zobaczymy, że ten obwód regulatora doładowania przełączającego MC34063 osiąga 70-75% wydajności. Dalszą wydajność można poprawić stosując odpowiednią technikę PCB i uzyskując procedury zarządzania termicznego.