Perjungimo stiprinimo reguliatorius: projektavimo pagrindai ir efektyvumas

Elektronikoje reguliatorius yra įtaisas arba mechanizmas, galintis nuolat reguliuoti galingumą. Maitinimo srityje yra įvairių rūšių reguliatorių. Bet dažniausiai nuolatinės srovės ir nuolatinės srovės keitimo atveju yra dviejų tipų reguliatoriai: linijiniai arba perjungimo.

Linijinis reguliatorius reguliuoja išėjimo naudojant varžinio įtampos kritimas, ir dėl to Linear reguliatoriai suteikia mažesnį efektyvumą ir prarasti energiją šilumos pavidalu.

Kita vertus, perjungimo reguliatorius naudoja induktorių, diodą ir maitinimo jungiklį, kad energija būtų perduota iš šaltinio į išėjimą.

Galimi trijų rūšių perjungimo reguliatoriai.

1. Pakopinis keitiklis („Boost Regulator“)

2. „ Down-down“ keitiklis („Buck“ reguliatorius)

3. Inverteris (grįžtamasis ryšys)

Šioje pamokoje aprašome perjungimo padidinimo reguliatoriaus grandinę. Ankstesnėje pamokoje jau aprašėme „Boost Regulator Design“. Čia aptarsime skirtingus „Boost“ keitiklio aspektus ir kaip pagerinti jo efektyvumą.

„Boost Converter“ grandinės projektavimo pagrindai

Daugeliu atvejų, atsižvelgiant į reikalavimus, turime konvertuoti žemesnę įtampą į aukštesnę. „Boost“ reguliatorius padidina įtampą nuo mažesnio potencialo iki didesnio potencialo.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta paprasta „Boost“ reguliatoriaus grandinė, kurioje naudojamas induktorius, diodas, kondensatorius ir jungiklis.

Induktoriaus paskirtis yra apriboti srovės perjungimo greitį, tekantį per maitinimo jungiklį. Tai apribos perteklinę aukštos smailės srovę, kurios neišvengiama atskirai naudojant jungiklio varžą.

Be to, induktorių parduotuvės energijos, energijos matuojamas džauliais E = (L * I ² /2)

Suprasime, kaip induktoriai perduoda energiją būsimuose vaizduose ir grafikuose.

Jei perjungiami padidinimo reguliatoriai, yra dvi fazės: viena yra induktoriaus įkrovimo fazė arba įjungimo fazė (jungiklis yra faktiškai uždarytas), o kitas yra išleidimo fazė arba išjungimo fazė (jungiklis yra atidarytas).

Jei manome, kad jungiklis ilgą laiką buvo atviroje padėtyje, įtampos kritimas diode yra neigiamas, o kondensatoriaus įtampa yra lygi įėjimo įtampai. Šioje situacijoje, jei jungiklis uždaromas, „Vin“ išsigąsta per induktorių. Diodas neleidžia kondensatoriui išsikrauti per jungiklį į žemę.

Srovė per induktorių su laiku kyla tiesiškai. Linijinis srovės didėjimo greitis yra proporcingas įėjimo įtampai, padalytai iš induktyvumo di / dt = įtampa per induktorių / induktyvumą

Viršutiniame grafike rodoma induktoriaus įkrovimo fazė. X ašis žymi t (laikas), o Y ašis - I (srovė per induktorių). Srovė laikui bėgant didėja, kai jungiklis yra uždarytas arba įjungtas.

Dabar, kai jungiklis vėl išsijungia arba tampa atviras, induktoriaus srovė teka per diodą ir įkrauna išėjimo kondensatorių. Kai išėjimo įtampa pakyla, srovės nuolydis per induktorių pasikeičia. Išėjimo įtampa didėja, kol pasiekiama įtampa per induktorių = L * (di / dt).

Induktoriaus srovės kritimo greitis su laiku yra tiesiogiai proporcingas induktoriaus įtampai. Didesnė induktoriaus įtampa, greičiau srovė nukrenta per induktorių.

Aukščiau pateiktame grafike induktoriaus srovė krinta laikui bėgant, kai jungiklis išsijungia.

Kai perjungimo reguliatorius veikia pastovios būsenos būsenoje, vidutinė induktoriaus įtampa yra nulis per visą perjungimo ciklą. Esant šiai būklei, vidutinė srovė per induktorių taip pat yra pastovios būsenos.

Jei manysime, kad induktoriaus įkrovimo laikas yra Ton, o grandinė turi įėjimo įtampą, tada išėjimo įtampai bus specifinis Toff arba iškrovos laikas.

Kadangi vidutinė induktoriaus įtampa pastovioje būsenoje lygi nuliui, mes galime sukonstruoti padidinimo grandinę, naudodamiesi šiais terminais

Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)

Kadangi išėjimo įtampa yra lygi įėjimo įtampai ir vidutinei induktoriaus įtampai (Vout = Vin + VL)

Mes galime tai pasakyti

„Vout“ = „Vin“ + „Vin x“ (t / Toff) „ Vout“ = „Vin x“ (1 + tonas / „Toff“)

Mes taip pat galime apskaičiuoti „Vout“ naudodami darbo ciklą.

Darbo ciklas (D) = tona / (tona + išjungimas)

Didinimo perjungimo reguliatoriaus Vout bus Vin / (1 - D)

PWM ir darbo ciklas padidinimo keitiklio grandinei

Jei valdysime darbo ciklą, galime valdyti pastoviosios būsenos padidinimo keitiklio išėjimą. Taigi, veikimo ciklo kitimui mes naudojame valdymo jungimą visame jungiklyje.

Taigi, norint sukurti pilną pagrindinio stiprinimo reguliatoriaus grandinę, mums reikia papildomos schemos, kuri pakeis darbo ciklą, taigi ir laiką, kurį induktorius gauna energiją iš šaltinio.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje galima pamatyti klaidos stiprintuvą, kuris suvokia išėjimo įtampą per apkrovą naudodamas grįžtamojo ryšio kelią ir valdydamas jungiklį. Dažniausiai naudojama valdymo technika apima PWM arba impulsų pločio moduliavimo techniką, kuri naudojama valdyti grandinės darbo ciklą.

Kad valdymo grandinių kontrolė, kiek laiko jungiklis lieka atviras arba arti, priklausomai nuo srovę apkrovos. Ši grandinė taip pat naudojama nuolatiniam darbui esant pastoviai būsenai. Tai paims išėjimo įtampos pavyzdį ir atims jį iš etaloninės įtampos ir sukurs nedidelį klaidos signalą. Tada šis klaidos signalas bus lyginamas su osciliatoriaus rampos signalu, o iš lyginamojo išėjimo PWM signalas veiks arba valdys jungiklį grandinė.

Keičiant išėjimo įtampą, įtakos turi ir paklaidos įtampa. Dėl klaidos įtampos pokyčio palyginamasis valdo PWM išėjimą. PWM taip pat pasikeitė į padėtį, kai išėjimo įtampa sukuria nulinę klaidos įtampą ir tai atlikdama uždaro valdymo ciklo sistema atlieka darbą.

Laimei, dauguma šiuolaikinių perjungimo stiprinimo reguliatorių turi šį dalyką integruotą IC pakete. Taigi, naudojant šiuolaikinius perjungimo reguliatorius, paprasta schema suprojektuota.

Etaloninė grįžtamoji įtampa atliekama naudojant rezistoriaus daliklio tinklą. Tai yra papildoma schema, reikalinga kartu su induktoriumi, diodais ir kondensatoriais.

Pagerinkite „Boost Converter“ grandinės efektyvumą

Dabar, jei mes ištirsime apie efektyvumą, tai yra tai, kiek energijos mes suteikiame grandinės viduje ir kiek mes gauname išėjime.

(Pout / Pin) * 100%

Kadangi energijos negalima sukurti ar sunaikinti, ją galima tik paversti, dauguma elektros energijos praranda nepanaudotas galias, paverstas šiluma. Be to, praktiškoje srityje nėra idealios situacijos, efektyvumas yra didesnis veiksnys pasirenkant įtampos reguliatorius.

Vienas iš pagrindinių perjungimo reguliatoriaus galios praradimo veiksnių yra diodas. Į priekį įtampos kritimo kartų srovė (Vf xi) yra nepanaudota galia, kuri paverčiama šiluma ir sumažina perjungimo reguliatoriaus grandinės efektyvumą. Be to, tai yra papildomos išlaidos šilumos / šilumos valdymo technikos, naudojančios radiatorių, arba ventiliatorių grandinėms nuo išsisklaidžiusios šilumos atvėsinti. Ne tik priekinės įtampos kritimas, atvirkštinis silicio diodų atkūrimas taip pat sukelia nereikalingą energijos nuostolį ir sumažina bendrą efektyvumą.

Vienas iš geriausių būdų išvengti standartinio atkūrimo diodo yra naudoti Schottky diodus vietoj diodų, kurių įtampos kritimas į priekį yra mažesnis ir geresnis atgalinis. Kai reikia maksimalaus efektyvumo, diodą galima pakeisti naudojant MOSFET. Šiuolaikinėse technologijose „Switching boost reguliator“ skyriuje yra daugybė pasirinkimų, kurie lengvai užtikrina daugiau nei 90% efektyvumą.

Be to, yra funkcija „Praleidimo režimas“, naudojama daugelyje šiuolaikinių prietaisų, leidžianti reguliatoriui praleisti perjungimo ciklus, kai nereikia perjungti esant labai mažai apkrovai. Tai puikus būdas pagerinti efektyvumą esant lengvoms apkrovoms. Praleidimo režime perjungimo ciklas pradedamas tik tada, kai išėjimo įtampa nukrenta žemiau reguliavimo ribos.

Nepaisant didesnio efektyvumo, stacionarios konstrukcijos technika, mažesnis komponentas, perjungimo reguliatoriai yra triukšmingi nei linijiniai. Vis dėlto jie yra labai populiarūs.

„Boost Converter“ dizaino pavyzdys

Anksčiau mes sukūrėme padidinimo reguliatoriaus grandinę naudodami MC34063, kur 5 V išėjimas generuojamas iš 3,7 V įėjimo įtampos. MC34063 yra perjungimo reguliatorius, kuris buvo naudojamas stiprintuvo reguliatoriaus konfigūracijoje. Mes naudojome induktorių, Schottky diodą ir kondensatorius.

Ankstesniame paveikslėlyje Cout yra išėjimo kondensatorius, be to, mes naudojome induktorių ir Schottky diodą, kurie yra pagrindiniai perjungimo reguliatoriaus komponentai. Taip pat naudojamas atsiliepimų tinklas. R1 ir R2 rezistoriai sukuria įtampos daliklio grandinę, kuri reikalinga komparatoriaus PWM ir klaidų stiprinimo stadijai. Palyginamojo etaloninė įtampa yra 1,25 V.

Išsamiai pamatę projektą galime pamatyti, kad 70-75% efektyvumas pasiekiamas naudojant šią MC34063 perjungimo stiprinimo reguliatoriaus grandinę. Tolesnį efektyvumą galima pagerinti naudojant tinkamą PCB techniką ir gaunant šilumos valdymo procedūras.