Przełączanie regulatora buck: podstawy projektowania i wydajność

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 i 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 opiszemy obwód przełączania regulatora Buck. Projekt regulatora Buck opisaliśmy już w poprzednim samouczku. Tutaj omówimy różne aspekty konwertera Buck i sposoby poprawy jego wydajności.

Różnica między regulatorem Buck i Boost

Różnica między regulatorem buck i boost polega na tym, że w regulatorze buck umieszczenie cewki indukcyjnej, diody i obwodu przełączającego jest inne niż w regulatorze boost. Również w przypadku regulatora doładowania napięcie wyjściowe jest wyższe niż napięcie wejściowe, ale w regulatorze buck napięcie wyjściowe jest niższe niż napięcie wejściowe.

Topologii buck lub buck converter jest jednym z najczęściej stosowanych topologii podstawowych stosowanych w ZPR. Jest to popularny wybór, w przypadku którego musimy zamienić wyższe napięcie na niższe napięcie wyjściowe.

Podobnie jak regulator doładowania, konwerter buck lub regulator buck składa się z cewki indukcyjnej, ale połączenie cewki indukcyjnej jest na stopniu wyjściowym, a nie na stopniu wejściowym używanym w regulatorach doładowania.

Dlatego w wielu przypadkach musimy przekształcić niższe napięcie na wyższe napięcie w zależności od wymagań. Regulator Buck przekształca napięcie z wyższego potencjału na niższy.

Podstawy projektowania obwodu konwertera Buck

Na powyższym obrazku pokazano prosty obwód regulatora Buck, w którym zastosowano cewkę indukcyjną, diodę, kondensator i przełącznik. Wejście jest podłączone bezpośrednio do przełącznika. Cewka indukcyjna i kondensator są połączone w poprzek wyjścia, dzięki czemu obciążenie uzyskuje płynny przebieg prądu wyjściowego. Dioda służy do blokowania przepływu prądu ujemnego.

W przypadku przełączania regulatorów doładowania występują dwie fazy, jedna to faza ładowania cewki lub faza włączenia (przełącznik jest faktycznie zamknięty), a druga to faza rozładowania lub faza wyłączania (przełącznik jest otwarty).

Jeśli założymy, że łącznik był w pozycji otwartej przez długi czas, prąd w obwodzie wynosi 0 i nie ma napięcia.

W tej sytuacji, jeśli przełącznik zbliży się, prąd wzrośnie, a cewka indukcyjna wytworzy na nim napięcie. Ten spadek napięcia minimalizuje napięcie źródła na wyjściu, po kilku chwilach zmniejsza się szybkość zmian prądu i maleje również napięcie na cewce, co ostatecznie zwiększa napięcie na obciążeniu. Induktor magazynuje energię za pomocą swojego pola magnetycznego.

Tak więc, gdy przełącznik jest włączony, napięcie na cewce wynosi V _L = Vin - Vout

Prąd w cewce rośnie w tempie (Vin - Vout) / l

Prąd płynący przez cewkę rośnie liniowo w czasie. Liniowa szybkość narastania prądu jest proporcjonalna do napięcia wejściowego pomniejszonego o napięcie wyjściowe podzielonego przez indukcyjność

di / dt = (Vin - Vout) / L

Górny wykres przedstawiający 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.

w tym czasie, gdy prąd wciąż się zmienia, zawsze będzie występował spadek napięcia na cewce. Napięcie na obciążeniu będzie niższe niż napięcie wejściowe. W stanie wyłączenia, gdy przełącznik jest otwarty, źródło napięcia wejściowego zostaje odłączone, a cewka indukcyjna przekaże zmagazynowaną energię do obciążenia. Cewka stanie się źródłem prądu do obciążenia.

Dioda D1 zapewni ścieżkę powrotną prądu płynącego przez cewkę podczas stanu wyłączenia wyłącznika.

Prąd cewki maleje przy zboczu równym –Vout / L

Tryby pracy konwertera buck

Konwerter Buck może pracować w dwóch różnych trybach. Tryb ciągły lub nieciągły.

Tryb ciągły

W trybie ciągłym cewka nigdy nie jest całkowicie rozładowana, cykl ładowania rozpoczyna się, gdy cewka jest częściowo rozładowana.

Na powyższym obrazku widzimy, że gdy włącznik włącza się, gdy prąd cewki indukcyjnej (iI) rośnie liniowo, to gdy wyłącznik wyłącza się, cewka zaczyna maleć, ale przełącznik ponownie włącza się, gdy cewka jest częściowo rozładowana. To jest ciągły tryb pracy.

Energia zmagazynowana w cewce wynosi E = (LI _L ²) / 2

Tryb nieciągły

Tryb nieciągły różni się nieco od trybu ciągłego. W trybie nieciągłym cewka indukcyjna została całkowicie rozładowana przed rozpoczęciem nowego cyklu ładowania. Cewka indukcyjna rozładuje się całkowicie do zera, zanim przełącznik zostanie włączony.

W trybie nieciągłym, jak widać na powyższym obrazku, gdy włącznik włącza się, prąd cewki indukcyjnej (il) rośnie liniowo, następnie gdy wyłącznik wyłącza się, cewka zaczyna się zmniejszać, ale włącznik włącza się dopiero za cewką jest całkowicie rozładowany, a prąd cewki stał się całkowicie zerowy. To jest nieciągły tryb pracy. W tej operacji przepływ prądu przez cewkę nie jest ciągły.

PWM i cykl pracy dla obwodu przetwornika buck

Jak omówiliśmy w poprzednim samouczku konwertera buck, zmieniając cykl pracy możemy sterować obwodem regulatora buck. W tym celu wymagany jest podstawowy system sterowania. Wymagany jest dodatkowo wzmacniacz błędu i obwód sterujący przełącznikiem, który będzie pracował w trybie ciągłym lub nieciągłym.

Tak więc, dla pełnego obwodu regulatora buck, potrzebujemy dodatkowego obwodu, który będzie zmieniał cykl pracy, a tym samym ilość czasu, przez który 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.

Obwód sterujący kontroluje czas, przez jaki przełącznik pozostaje otwarty, lub kontroluje czas ładowania lub rozładowania cewki indukcyjnej.

Ten obwód steruje przełącznikiem w zależności od trybu pracy. 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 przełączających buck ma to wbudowane w pakiecie 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 przetwornika buck

Teraz, jeśli zbadamy wydajność, 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 jest zamieniana na ciepło i zmniejsza sprawność obwodu regulatora przełączającego. Jest to również dodatkowy koszt dla obwodów elektrycznych dla technik zarządzania temperaturą / ciepłem za pomocą radiatora lub wentylatorów do chłodzenia obwodów z rozpraszanego ciepła. Nie tylko spadek napięcia w przód, ale także powrót do stanu początkowego dla diod krzemowych powoduje również niepotrzebne straty mocy i zmniejszenie ogólnej sprawności.

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 regulatora przełączania buck, które z łatwością zapewniają ponad 90% sprawności.

Pomimo wyższej wydajności, stacjonarna technika projektowania, mniejsze komponenty, przełączające regulatory są głośne niż regulatory liniowe. Mimo to są bardzo popularne.

Przykładowy projekt konwertera Buck

Wcześniej stworzyliśmy obwód regulatora buck przy użyciu MC34063, w którym wyjście 5 V jest generowane z napięcia wejściowego 12 V. MC34063 to regulator przełączający, który został użyty w konfiguracji regulatora buck. 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 przełączającego buck MC34063 osiąga 75-78% wydajności. Dalszą wydajność można poprawić stosując odpowiednią technikę PCB i uzyskując procedury zarządzania termicznego.

Przykładowe zastosowanie regulatora Buck

1. Źródło prądu stałego w zastosowaniach niskonapięciowych
2. Sprzęt przenośny
3. Sprzęt audio
4. Wbudowane systemy sprzętowe.
5. Systemy słoneczne itp.