Buck regulatorin kytkentä: suunnittelun perusteet ja tehokkuus

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 ulostulo 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 kytkentäaukon säätimen piiri. Olemme jo kuvanneet Buck Regulator Designin edellisessä opetusohjelmassa. Tässä keskustelemme Buck-muuntimen eri näkökohdista ja kuinka parantaa sen tehokkuutta.

Ero Buckin ja Boost Regulatorin välillä

Ero buck- ja boost-säätimen välillä on, että buck-säätimessä induktorin, diodin ja kytkentäpiirin sijoitus on erilainen kuin boost-säätimen. Lisäksi tehosäätimen tapauksessa lähtöjännite on suurempi kuin tulojännite, mutta buck-säätimessä lähtöjännite on pienempi kuin tulojännite.

Buck topologia tai Buck Converter on yksi eniten käytetty perus topologian käytetään SMPS. Se on suosittu valinta, jossa meidän on muunnettava suurempi jännite pienemmäksi lähtöjännitteeksi.

Sama kuin tehostinsäädin, buck-muunnin tai buck-säädin koostuvat induktorista, mutta induktorin liitäntä on lähtövaiheessa eikä tehostinsäätimissä käytetyssä tulovaiheessa.

Joten monissa tapauksissa meidän on muunnettava alempi jännite suuremmaksi jännitteeksi vaatimuksista riippuen. Buck-säädin muuntaa jännitteen suuremmasta potentiaalista pienemmäksi.

Buck Converter -piirin suunnittelun perusteet

Yllä olevassa kuvassa on esitetty yksinkertainen Buck-säätimen piiri, jossa käytetään induktoria, diodia, kondensaattoria ja kytkintä. Tulo on kytketty suoraan kytkimen yli. Induktori ja kondensaattori on kytketty lähdön yli, jolloin kuorma saa tasaisen lähtövirran aaltomuodon. Diodia käytetään estämään negatiivisen virran virtaus.

Jos kytketään tehostinsäätimiä, on kaksi vaihetta, yksi on induktorilatausvaihe tai käynnistysvaihe (kytkin on tosiasiallisesti suljettu) ja toinen on purkausvaihe tai sammutusvaihe (kytkin on auki).

Jos oletamme, että kytkin on ollut pitkään avoimessa asennossa, virtapiirissä on 0 eikä jännitettä ole.

Tässä tilanteessa, jos kytkin tulee lähelle, virta kasvaa ja induktori luo jännitteen sen yli. Tämä jännitehäviö minimoi lähdejännitteen lähdössä, muutaman hetken kuluttua virranmuutosnopeus pienenee ja myös induktorin yli menevä jännite pienenee, mikä lopulta lisää jännitettä kuorman yli. Induktori tallentaa energiaa käyttämällä sen magneettikenttää.

Joten kun kytkin on päällä, induktorin poikki jännite on V _L = Vin - Vout

Induktorin virta kasvaa nopeudella (Vin - Vout) / L

Induktorin läpi kulkeva virta nousee lineaarisesti ajan myötä. Lineaarinen virran nousunopeus on verrannollinen tulojännitteellä vähennetyllä lähtöjännitteellä jaettuna induktanssilla

di / dt = (Vin - Vout) / L

Yläkaavio, joka näyttää induktorin latausvaiheen. X-akseli tarkoittaa t (aika) ja Y-akseli i: tä (virta induktorin läpi). Virta kasvaa lineaarisesti ajan myötä, kun kytkin on kiinni tai päällä.

tänä aikana, kun virta edelleen muuttuu, induktorin yli tapahtuu aina jännitehäviö. Kuorman jännite on pienempi kuin tulojännite. Sammutetun tilan aikana, kun kytkin on auki, tulojännitelähde kytketään irti ja induktori siirtää varastoidun energian kuormaan. Kelan tulee virtalähteen kuorman.

Diodi D1 tarjoaa induktorin läpi virtaavan virran paluureitin katkaisun sammutustilan aikana.

Induktorivirta pienenee kaltevuuden ollessa yhtä suuri kuin –Vout / L

Buck Converterin toimintatilat

Buck-muunninta voidaan käyttää kahdessa eri tilassa. Jatkuva tila tai epäjatkuva tila.

Jatkuva tila

Jatkuvan tilan aikana induktori ei koskaan purkautunut kokonaan, lataussykli alkaa, kun induktori on osittain purettu.

Yllä olevasta kuvasta voimme nähdä, kun kytkin käynnistyy, kun induktorin virta (iI) kasvaa lineaarisesti, sitten kun kytkin irtoaa induktorista, se alkaa laskea, mutta kytkin käynnistyy jälleen, kun induktori on osittain purettu. Tämä on jatkuva toimintatila.

Induktoriin varastoitu energia on E = (LI _L ²) / 2

Jatkuva tila

Epäjatkuvalla on hieman erilainen kuin jatkuvassa moodissa. Jatkuvassa tilassa induktori purkautui kokonaan ennen uuden lataussyklin aloittamista. Induktori purkautuu täysin nollaan ennen kytkimen käynnistymistä.

Jatkuvan tilan aikana, kuten voimme nähdä yllä olevasta kuvasta, kun kytkin pääsee päälle, induktorivirta (il) kasvaa lineaarisesti, sitten kun kytkin sammuu, induktori alkaa laskea, mutta kytkin käynnistyy vasta induktorin jälkeen on täysin tyhjä ja induktorivirta muuttui täysin nollaksi. Tämä on jatkuva toimintatila. Tässä toiminnossa induktorin läpi kulkeva virta ei ole jatkuva.

BW-muunninpiirin PWM- ja käyttöjakso

Kuten keskustelimme edellisestä buck-muunninoppaasta, vaihtamalla työjaksoa voimme hallita buck-säätimen piiriä. Tätä varten tarvitaan perusohjausjärjestelmä. Lisäksi tarvitaan virhevahvistin ja kytkimen ohjauspiiri, joka toimii jatkuvassa tai epäjatkuvassa tilassa.

Joten täydellistä buck-säätöpiiriä varten tarvitsemme lisäpiirin, joka vaihtelee käyttöjaksoa ja siten aikaa, jonka kelauslaite vastaanottaa energiaa lähteestä.

Yllä olevassa kuvassa näkyy virhevahvistin, joka havaitsee lähtöjännitteen kuormituksessa palautepolun avulla ja ohjaa kytkintä. Yleisin ohjaustekniikka sisältää PWM- tai pulssinleveyden modulaatiotekniikan, jota käytetään ohjaamaan piirien toimintajaksoa.

Ohjauspiiri säätelee kytkimen aukioloaikaa tai säätelee kuinka kauan induktorin varaus tai purkaus.

Tämä piiri ohjaa kytkintä käyttötavasta riippuen. 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 Switching buck -säätimillä 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 Buck Converter -piirin tehokkuutta

Jos nyt tutkitaan tehokkuutta, kuinka paljon virtaa tarjoamme piirin sisällä ja kuinka paljon saamme lähtöön. (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 tärkeimmistä teho-häviötekijöiden varten hakkurin on diodi. Eteenpäin suuntautuva jännitehäviö kerrottuna virralla (Vf xi) on käyttämätön teho, joka muunnetaan lämmöksi ja vähentää kytkentäsäätimen piirin tehokkuutta. Lisäksi se on lisäkustannus 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 buck regulator -osassa on paljon vaihtoehtoja, jotka tarjoavat yli 90%: n hyötysuhteen helposti.

Huolimatta korkeammasta hyötysuhteesta, kiinteä suunnittelutekniikka, pienempi komponentti, kytkentäsäätimet ovat meluisia kuin lineaariset säätimet. Silti ne ovat laajalti suosittuja.

Esimerkkisuunnittelu Buck Converterille

Olemme aiemmin luoneet buck-säätöpiirin MC34063: lla, jossa 5 V: n lähtö tuotetaan 12 V: n tulojännitteestä. MC34063 on kytkinsäädin, jota käytettiin kauko-ohjaimen 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 75-78% hyötysuhde saavutetaan tällä MC34063-kytkentäkauhan säätimen piirillä. Tehokkuutta voidaan parantaa käyttämällä asianmukaista piirilevytekniikkaa ja hankkimalla lämmönhallintamenetelmät.

Esimerkki Buck-säätimen käytöstä

1. DC-virtalähde pienjännitesovelluksessa
2. Kannettavat laitteet
3. Äänilaitteet
4. Sulautetut laitteistojärjestelmät.
5. Aurinkokunnat jne.