Perjungimo spynos 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 aprašysime „ Switching Buck Regulator“ grandinę. „Buck Regulator Design“ mes jau aprašėme ankstesnėje pamokoje. Čia aptarsime įvairius „Buck“ keitiklio aspektus ir kaip pagerinti jo efektyvumą.

Skirtumas tarp „Buck“ ir „Boost Regulator“

Skirtumas tarp „buck“ ir „boost“ reguliatorių yra tas, kad „buck“ reguliatoriuje induktoriaus, diodo ir perjungimo grandinės vieta skiriasi nuo padidinimo reguliatoriaus. Be to, esant padidinimo reguliatoriui, išėjimo įtampa yra didesnė už įėjimo įtampą, tačiau „buck“ reguliatoriuje išėjimo įtampa yra mažesnė nei įėjimo įtampa.

„ Buck“ topologija arba „Buck Converter“ yra viena iš dažniausiai naudojamų pagrindinių topologijų, naudojamų SMPS. Tai populiarus pasirinkimas, kai turime didesnę įtampą paversti mažesne išėjimo įtampa.

Tą patį, kaip stiprinimo reguliatorių, „buck“ keitiklį arba „buck reguliatorių“ sudaro induktorius, tačiau induktoriaus jungtis yra išėjimo, o ne įvesties stadijoje, naudojama padidinimo reguliatoriuose.

Taigi, daugeliu atvejų, atsižvelgiant į reikalavimus, mes turime konvertuoti žemesnę įtampą į aukštesnę. Buck reguliatorius konvertuoja įtampą iš didesnio potencialo į mažesnį.

„Buck Converter“ grandinės projektavimo pagrindai

Ankstesniame paveikslėlyje parodyta paprasta „Buck“ reguliatoriaus grandinė, kurioje naudojamas induktorius, diodas, kondensatorius ir jungiklis. Įvestis yra tiesiogiai sujungta per jungiklį. Induktorius ir kondensatorius yra prijungti prie išėjimo, taigi apkrova išgauna sklandžią išėjimo srovės bangos formą. Diodas naudojamas neigiamos srovės srautui blokuoti.

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 manysime, kad jungiklis ilgą laiką buvo atviroje padėtyje, srovė grandinėje yra 0 ir nėra įtampos.

Esant tokiai situacijai, jei jungiklis bus arti, srovė padidės, o induktorius sukurs įtampą. Šis įtampos kritimas sumažina šaltinio įtampą išėjime, po kelių akimirkų srovės pokyčio greitis mažėja, o įtampa induktoriuje taip pat mažėja, o tai ilgainiui padidina įtampą visoje apkrovoje. Induktorius kaupia energiją naudodamas jo magnetinį lauką.

Taigi, kai jungiklis įjungtas, per induktorių įtampa yra V _L = Vin - Vout

Induktoriaus srovė didėja greičiu (Vin - Vout) / L

Srovė per induktorių su laiku kyla tiesiškai. Linijinis srovės didėjimo greitis yra proporcingas įėjimo įtampai, atėmus išėjimo įtampą, padalytai iš induktyvumo

di / dt = (Vin - Vout) / L

Viršutinis grafikas, rodantis induktoriaus įkrovimo fazę. X ašis žymi t (laikas), o Y ašis - i (srovė per induktorių). Srovė laikui bėgant didėja, kai jungiklis yra uždarytas arba įjungtas.

per šį laiką, kol srovė vis dar keičiasi, induktoriuje visada bus įtampos kritimas. Įtampa per apkrovą bus mažesnė nei įėjimo įtampa. Išjungimo būsenos metu, kai jungiklis yra atidarytas, įėjimo įtampos šaltinis atjungiamas, o induktorius perduos sukauptą energiją į apkrovą. Induktoriaus taps dabartinis šaltinis už krovinį.

Diodas D1 suteiks srovės, tekančios per induktorių, grįžimo kelią išjungimo būsenos metu.

Induktoriaus srovė mažėja, kai nuolydis lygus –Vout / L

„Buck Converter“ darbo režimai

„Buck“ keitiklį galima valdyti dviem skirtingais režimais. Nuolatinis arba pertraukiamasis režimas.

Nepertraukiamas režimas

Nepertraukiamo režimo metu induktorius niekada nebuvo išsikrovęs iki galo, įkrovimo ciklas prasideda, kai induktorius iš dalies iškraunamas.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje galime pamatyti, kada jungiklis įsijungia, kai induktoriaus srovė (iI) didėja tiesiškai, tada, kai jungiklis išjungiamas, induktorius pradeda mažėti, tačiau jungiklis vėl įsijungia, kol induktorius iš dalies išleidžiamas. Tai yra nepertraukiamas darbo režimas.

Induktoriuje sukaupta energija yra E = (LI _L ²) / 2

Nenutrūkstamas režimas

Netolydinis režimas yra šiek tiek kitoks, nei nenutrūkstamu režimu. Nenutrūkstamo režimo metu induktorius visiškai išsikrauna prieš pradedant naują įkrovimo ciklą. Prieš įjungiant jungiklį, induktorius visiškai išsikrovės iki nulio.

Nenutrūkstamo režimo metu, kaip matome aukščiau esančiame paveikslėlyje, kai jungiklis įsijungia, induktoriaus srovė (il) didėja tiesiškai, tada, kai jungiklis išjungiamas, induktorius pradeda mažėti, tačiau jungiklis įsijungia tik po induktoriaus yra visiškai iškrautas, o induktoriaus srovė tapo visiškai nulis. Tai yra nenutrūkstamas darbo režimas. Atliekant šią operaciją, srovės srautas per induktorių nėra nuolatinis.

Pucker keitiklio grandinės PWM ir darbo ciklas

Kaip aptarėme ankstesnėje „buck“ keitiklio pamokoje, keisdami darbo ciklą, galime valdyti „buck“ reguliatoriaus grandinę. Tam reikalinga pagrindinė kontrolės sistema. Papildomai reikalingas klaidos stiprintuvas ir jungiklio valdymo grandinė, kuri veiks nepertraukiamu arba pertraukiamu režimu.

Taigi, norint sukurti pilną „buck“ reguliatoriaus grandinę, mums reikia papildomos schemos, kuri pakeis darbo ciklą ir laiką, per 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.

Valdymo grandinė kontroliuoja, kiek laiko jungiklis lieka atidarytas, arba kontroliuoja, kiek laiko induktoriaus įkrovimas ar iškrovimas.

Ši grandinė valdo jungiklį, priklausomai nuo darbo režimo. 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 „Switching buck“ 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 „Buck Converter“ grandinės efektyvumą

Dabar, jei ištirsime apie efektyvumą, 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 kritimas padaugintas iš srovės (Vf xi) yra nepanaudota galia, kuri paverčiama šiluma ir sumažina perjungimo reguliatoriaus grandinės efektyvumą. Be to, tai yra papildomos išlaidos šilumos / šilumos valdymo technikos, naudojant radiatorių, arba ventiliatorių, skirtų grandinėms atvėsinti nuo išsisklaidžiusios šilumos, sąnaudos. 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 yra daugybė pasirinkimo galimybių „Switching buck regulator“ skyriuje, kurie užtikrina daugiau nei 90% efektyvumą.

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

„Buck Converter“ dizaino pavyzdys

Anksčiau mes sukūrėme „buck“ reguliatoriaus grandinę naudodami MC34063, kur 5 V išėjimas generuojamas iš 12 V įėjimo įtampos. MC34063 yra perjungimo reguliatorius, kuris buvo naudojamas „buck“ 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 pastebėti, kad 75-78% efektyvumas pasiekiamas naudojant šią MC34063 perjungimo spynos reguliatoriaus grandinę. Tolesnį efektyvumą galima pagerinti naudojant tinkamą PCB techniką ir gaunant šilumos valdymo procedūras.

„Buck“ reguliatoriaus naudojimo pavyzdys

1. Nuolatinės srovės šaltinis žemos įtampos programoje
2. Nešiojama įranga
3. Garso aparatūra
4. Įterptosios aparatūros sistemos.
5. Saulės sistemos ir kt.