- Boost Converter -piirin suunnittelun perusteet
- PWM ja Duty Cycle Boost Converter -piirille
- Paranna Boost Converter -piirin tehokkuutta
- Esimerkki Boost Converterin suunnittelusta
Elektroniikassa säädin on laite tai mekanismi, joka voi säätää tehoa jatkuvasti. Virtalähde-alueella on erilaisia säätimiä. Mutta pääasiassa DC-DC-muuntamisen tapauksessa on olemassa kahden tyyppisiä säätimiä: lineaarinen tai kytkentäinen.
Lineaarinen säädin säätää ulostuloa käyttäen resistiivinen jännitehäviö, ja tämän vuoksi lineaarisia säätimiä tarjota alhaisempi tehokkuus ja menettää tehoa lämpönä.
Toisaalta Kytkentäsäädin käyttää kelaa, diodia ja virtakytkintä energian siirtämiseen lähteestään lähtöön.
Kytkentäsäätimiä on kolmenlaisia.
1. Lisävaihdin (Boost Regulator)
2. Vaihe alas -muunnin (Buck-säädin)
3. Taajuusmuuttaja (Flyback)
Tässä opetusohjelmassa kuvataan Switching Boost Regulator -piiri. Olemme jo kuvanneet Boost Regulator Designin edellisessä opetusohjelmassa. Tässä keskustelemme Boost-muuntimen eri näkökohdista ja kuinka parantaa sen tehokkuutta.
Boost Converter -piirin suunnittelun perusteet
Monissa tapauksissa meidän on muunnettava alempi jännite suuremmaksi jännitteeksi vaatimuksista riippuen. Tehostinsäädin lisää jännitettä pienemmästä potentiaalista suurempaan potentiaaliin.
Yllä olevassa kuvassa on esitetty yksinkertainen Boost-säätimen piiri, jossa käytetään induktoria, diodia, kondensaattoria ja kytkintä.
Induktorin tarkoituksena on rajoittaa virtakytkimen läpi virtaavaa virtausnopeutta. Se rajoittaa ylimääräistä korkeahuippuvirtaa, jota kytkimen vastus ei voi välttää erikseen.
Myös, induktori varastoi energiaa, energian mitattu jouleina E = (L * I 2 /2)
Ymmärrämme, kuinka induktorit siirtävät energiaa tulevissa kuvissa ja kaavioissa.
Tehosäätimien kytkemisen yhteydessä on kaksi vaihetta, yksi on induktorilatausvaihe tai kytkentävaihe (kytkin on tosiasiallisesti kiinni) ja toinen on purkausvaihe tai sammutusvaihe (kytkin on auki).
Jos oletetaan, että kytkin on ollut auki asennossa pitkään, jännitteen pudotus diodin yli on negatiivinen ja kondensaattorin yli oleva jännite on sama kuin tulojännite. Tässä tilanteessa, jos kytkin menee lähelle, Vin pelkää kelaa. Diodi estää kondensaattorin purkautumisen kytkimen kautta maahan.
Induktorin läpi kulkeva virta nousee lineaarisesti ajan myötä. Lineaarinen virran nousunopeus on verrannollinen tulojännitteeseen jaettuna induktanssilla di / dt = jännite induktorin / induktanssin välillä
Yläkaaviossa induktorin latausvaihe. X-akseli tarkoittaa t (aika) ja Y-akseli I (induktorin läpi kulkeva virta). Virta kasvaa lineaarisesti ajan myötä, kun kytkin on kiinni tai päällä.
Nyt, kun kytkin taas irtoaa tai avautuu, kelausvirta kulkee diodin läpi ja lataa lähtökondensaattoria. Kun lähtöjännite nousee, virran kulma induktorin läpi kääntyy. Lähtöjännite nousee, kunnes induktorin läpi kulkeva jännite = L * (di / dt) saavutetaan.
Induktorin virran pudotusnopeus ajan myötä on suoraan verrannollinen induktorin jännitteeseen. Suurempi induktorin jännite, nopeampi virran pudotus induktorin läpi.
Edellä olevassa kaaviossa induktorivirta laskee ajan myötä, kun kytkin sammuu.
Kun kytkinsäädin on vakaassa tilassa, Inductorin keskimääräinen jännite on nolla koko kytkentäjakson ajan. Tätä tilaa varten keskimääräinen virta induktorin läpi on myös vakaassa tilassa.
Jos oletetaan, että induktorin latausaika on Ton ja piirillä on tulojännite, niin lähtöjännitteelle on tietty Toff- tai purkausaika.
Koska keskimääräinen induktorijännite on nolla vakaassa tilassa, voimme rakentaa tehopiirin seuraavin termein
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)
Koska lähtöjännite on yhtä suuri kuin tulojännite ja keskimääräinen induktorijännite (Vout = Vin + VL)
Voimme sanoa, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
Vout voidaan laskea myös käyttöjaksolla.
Käyttöjakso (D) = tonni / (tonni +offe)
Tehostuskytkimen säätimelle Vout on Vin / (1 - D)
PWM ja Duty Cycle Boost Converter -piirille
Jos hallitsemme käyttöjaksoa, voimme hallita tehostimen muuntimen vakaan tilan lähtöä. Joten käyttösyklin vaihteluun käytämme ohjauspiiriä kytkimen yli.
Joten täydelliseen perustehostimen säätöpiiriin tarvitsemme lisäpiirin, joka vaihtelee käyttöjaksoa ja siten aikaa, jonka kelauslaite vastaanottaa energiaa lähteestä.
Edellä kuvan, virhe vahvistin voidaan nähdä jotka tunnistavat lähtöjännite kuorman yli käyttäen palautetta polku ja ohjata kytkintä. Yleisin ohjaustekniikka sisältää PWM- tai pulssinleveyden modulaatiotekniikan, jota käytetään ohjaamaan piirien toimintajaksoa.
Ohjauspiiri ohjaa aikaa kytkimen pysyy auki tai lähellä, riippuen virtaan kuorman. Tätä piiriä käytetään myös jatkuvaan toimintaan vakaan tilan aikana. Se ottaa näytteen lähtöjännitteestä ja vähentää sen vertailujännitteestä ja luo pienen virhesignaalin, sitten tätä virhesignaalia verrataan oskillaattorin ramppisignaaliin ja vertailulähdöstä PWM-signaali toimii tai ohjaa kytkintä piiri.
Kun lähtöjännite muuttuu, se vaikuttaa myös virhejännitteeseen. Virhejännitteen muutoksen vuoksi vertailija ohjaa PWM-lähtöä. PWM muuttui myös asentoon, kun lähtöjännite luo nollavirhejännitteen ja näin tekemällä suljettu ohjauspiirijärjestelmä suorittaa työn.
Onneksi useimmilla moderneilla kytkentätehosäätimillä on tämä asia sisäänrakennettu IC-paketin sisällä. Siten yksinkertainen piirisuunnittelu saavutetaan käyttämällä moderneja kytkinsäätimiä.
Referenssipalautejännite tehdään vastuksenjakajaverkkoa käyttäen. Tämä on lisäpiiri, jota tarvitaan yhdessä induktorin, diodien ja kondensaattoreiden kanssa.
Paranna Boost Converter -piirin tehokkuutta
Jos tutkimme tehokkuutta, on se, kuinka paljon virtaa tarjoamme piirin sisällä ja kuinka paljon saamme lähdössä.
(Pout / Pin) * 100%
Koska energiaa ei voida luoda eikä tuhota, se voidaan muuntaa vain, useimmat sähköenergiat menettävät käyttämättömät voimat, jotka muunnetaan lämmöksi. Käytännössä ei myöskään ole ihanteellista tilannetta, tehokkuus on suurempi tekijä jännitesäätimien valinnassa.
Yksi virta-häviötekijöiden varten hakkurin on diodi. Eteenpäin suuntautuvan jännitteen pudotus kertaa virta (Vf xi) on käyttämätön teho, joka muuttuu lämmöksi ja vähentää kytkentäsäätimen piirin tehokkuutta. Se on myös lisäkustannuksia piirille lämpö- / lämmönhallintatekniikoille, joissa käytetään jäähdytyselementtiä tai tuulettimia piirien jäähdyttämiseksi hajautetusta lämmöstä. Paitsi eteenpäin suuntautuva jännitehäviö, piidiodien käänteinen palautus tuottaa myös tarpeetonta tehohäviötä ja vähentää kokonaishyötysuhdetta.
Yksi parhaista tavoista välttää tavallinen palautumisdiodi on käyttää Schottky-diodeja sellaisten diodien sijasta, joilla on pieni eteenpäin suuntautuva jännitehäviö ja parempi palautus taaksepäin. Kun tarvitaan suurinta hyötysuhdetta, diodi voidaan korvata MOSFET-laitteilla. Nykyaikaisessa tekniikassa Switching boost -säätimen osassa on paljon vaihtoehtoja, jotka tarjoavat yli 90%: n hyötysuhteen helposti.
Lisäksi on olemassa ominaisuus "Ohitustila", jota käytetään monissa nykyaikaisissa laitteissa ja jonka avulla säädin voi ohittaa kytkentäjaksot, kun kytkentää ei tarvita erittäin kevyillä kuormilla. Se on loistava tapa parantaa tehokkuutta kevyessä kuormituksessa. Ohitustilassa kytkentäjakso aloitetaan vain, kun lähtöjännite laskee alle säätökynnyksen.
Huolimatta korkeammasta hyötysuhteesta, kiinteä suunnittelutekniikka, pienempi komponentti, kytkentäsäätimet ovat meluisia kuin lineaariset säätimet. Silti ne ovat laajalti suosittuja.
Esimerkki Boost Converterin suunnittelusta
Olemme aiemmin luoneet tehostimen säätöpiirin MC34063: lla, jossa 5 V: n lähtö tuotetaan 3,7 V: n tulojännitteestä. MC34063 on kytkinsäädin, jota käytettiin tehosäätimen kokoonpanossa. Käytimme induktoria, Schottky-diodia ja kondensaattoreita.
Yllä olevassa kuvassa Cout on lähtökondensaattori ja käytimme myös induktoria ja Schottky-diodia, jotka ovat kytkentäsäätimen peruskomponentteja. Käytössä on myös palaute-verkko. R1- ja R2-vastukset luovat jännitteenjakajan piirin, jota tarvitaan vertailijan PWM- ja virhevahvistusvaiheeseen. Vertailijan vertailujännite on 1,25 V.
Jos näemme projektin yksityiskohtaisesti, voimme nähdä, että tällä MC34063-kytkimellä tehostetun säätimen piirillä saavutetaan 70-75%: n hyötysuhde. Tehokkuutta voidaan parantaa käyttämällä asianmukaista piirilevytekniikkaa ja hankkimalla lämmönhallintamenetelmät.