Ρυθμιστής αλλαγής εναλλαγής: βασικά στοιχεία σχεδιασμού και αποτελεσματικότητα

Στα ηλεκτρονικά, ένας ρυθμιστής είναι μια συσκευή ή μηχανισμός που μπορεί να ρυθμίζει συνεχώς την παραγωγή ισχύος. Υπάρχουν διάφορα είδη ρυθμιστών διαθέσιμων στον τομέα παροχής ηλεκτρικού ρεύματος. Αλλά κυρίως, στην περίπτωση μετατροπής DC σε DC, υπάρχουν δύο τύποι ρυθμιστών: Linear ή Switching.

Ένας γραμμικός ρυθμιστής ρυθμίζει την έξοδο χρησιμοποιώντας μια αντίσταση πτώσης τάσης, και λόγω αυτού οι γραμμικοί ρυθμιστές παρέχουν χαμηλότερη απόδοση και χάνουν ισχύ με τη μορφή θερμότητας.

Από την άλλη πλευρά, ο ρυθμιστής εναλλαγής χρησιμοποιεί πηνίο, δίοδο και διακόπτη ισχύος για να μεταφέρει ενέργεια από την πηγή του στην έξοδο.

Υπάρχουν τρεις τύποι ρυθμιστών εναλλαγής.

1. Μετατροπέας αναβάθμισης (Boost Regulator)

2. Μετατροπέας Step-Down (ρυθμιστής Buck)

3. Μετατροπέας (Flyback)

Σε αυτό το σεμινάριο περιγράφουμε το κύκλωμα Switching Boost Regulator. Περιγράψαμε ήδη το Boost Regulator Design στο προηγούμενο σεμινάριο. Εδώ θα συζητήσουμε διάφορες πτυχές του μετατροπέα Boost και πώς να βελτιώσουμε την αποτελεσματικότητά του.

Βασικά στοιχεία σχεδιασμού του κυκλώματος μετατροπέα ενίσχυσης

Σε πολλές περιπτώσεις, πρέπει να μετατρέψουμε την χαμηλότερη τάση στην υψηλότερη τάση ανάλογα με τις απαιτήσεις. Ο ρυθμιστής ενίσχυσης αυξάνει την τάση από χαμηλότερο δυναμικό σε υψηλότερο δυναμικό.

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται ένα απλό κύκλωμα ρυθμιστή Boost όπου χρησιμοποιούνται ένας επαγωγέας, μια δίοδος, ένας πυκνωτής και ένας διακόπτης.

Ο σκοπός του επαγωγέα είναι να περιορίσει τον τρέχοντα ρυθμό περιστροφής που ρέει μέσω του διακόπτη ισχύος. Θα περιορίσει το υπερβολικό ρεύμα υψηλής αιχμής που είναι αναπόφευκτο από την αντίσταση του διακόπτη ξεχωριστά.

Επίσης, η αποθηκεύει επαγωγέας ενέργεια, η ενέργεια μετριέται σε Joules Ε = (L * I ² /2)

Θα καταλάβουμε πώς οι επαγωγείς μεταφέρουν ενέργεια στις επερχόμενες εικόνες και γραφήματα.

Σε περίπτωση αλλαγής ρυθμιστή ώθησης, υπάρχουν δύο φάσεις, η μία είναι η φάση φόρτισης επαγωγέα ή η φάση ενεργοποίησης (ο διακόπτης είναι πραγματικά κλειστός) και ο άλλος είναι η φάση εκφόρτισης ή η φάση απενεργοποίησης (ο διακόπτης είναι ανοιχτός).

Εάν υποθέσουμε ότι ο διακόπτης βρίσκεται σε ανοιχτή θέση για μεγάλο χρονικό διάστημα, η πτώση τάσης κατά μήκος της διόδου είναι αρνητική και η τάση στον πυκνωτή είναι ίση με την τάση εισόδου. Σε αυτήν την περίπτωση, εάν ο διακόπτης πλησιάσει, το Vin φοβάται τον πηνίο. Η δίοδος αποτρέπει την εκφόρτιση του πυκνωτή μέσω του διακόπτη προς τη γείωση.

Το ρεύμα μέσω του επαγωγέα αυξάνεται γραμμικά με το χρόνο. Ο ρυθμός αύξησης του γραμμικού ρεύματος είναι ανάλογος με την τάση εισόδου διαιρούμενη με την επαγωγή di / dt = Τάση κατά μήκος του επαγωγέα / επαγωγής

Στο επάνω γράφημα, που δείχνει τη φάση φόρτισης του επαγωγέα. Ο άξονας x υποδηλώνει t (χρόνος) και ο άξονας Υ δηλώνει I (ρεύμα μέσω του επαγωγέα). Το ρεύμα αυξάνεται γραμμικά με το χρόνο όταν ο διακόπτης είναι κλειστός ή ΟΝ.

Τώρα, όταν ο διακόπτης ξαναβγει ή ανοίξει, το ρεύμα επαγωγέα ρέει μέσω της διόδου και φορτίζει τον πυκνωτή εξόδου. Όταν η τάση εξόδου αυξάνεται, η τρέχουσα κλίση μέσω του επαγωγέα αντιστρέφεται. Η τάση εξόδου αυξάνεται έως ότου επιτευχθεί τάση μέσω του επαγωγέα = L * (di / dt).

Ο ρυθμός πτώσης του επαγωγέα με το χρόνο είναι άμεσα ανάλογος με την τάση του επαγωγέα. Όσο υψηλότερη είναι η τάση του πηνίου, γρηγορότερα η τρέχουσα πτώση μέσω του πηνίου.

Στο παραπάνω γράφημα, το ρεύμα πηνίου μειώνεται με το χρόνο όταν ο διακόπτης σβήνει.

Όταν ο ρυθμιστής μεταγωγής βρίσκεται σε κατάσταση λειτουργίας σε σταθερή κατάσταση, η μέση τάση του επαγωγέα είναι μηδέν καθ 'όλη τη διάρκεια του κύκλου μεταγωγής. Για αυτήν την κατάσταση, το μέσο ρεύμα μέσω του επαγωγέα είναι επίσης σε σταθερή κατάσταση.

Αν υποθέσουμε ότι ο χρόνος φόρτισης του επαγωγέα είναι Ton και το κύκλωμα έχει τάση εισόδου, τότε θα υπάρχει ένας συγκεκριμένος χρόνος Toff ή εκφόρτισης για μια τάση εξόδου.

Καθώς η μέση τάση επαγωγέα είναι ίση με μηδέν σε σταθερή κατάσταση, μπορούμε να κατασκευάσουμε κύκλωμα ενίσχυσης χρησιμοποιώντας τους ακόλουθους όρους

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

Καθώς η τάση εξόδου είναι ίση με την τάση εισόδου και τη μέση τάση επαγωγέα (Vout = Vin + VL)

Μπορούμε να το πούμε αυτό, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

Μπορούμε επίσης να υπολογίσουμε τον Vout χρησιμοποιώντας τον κύκλο λειτουργίας.

Duty Cycle (D) = Ton / (Ton + Toff)

Για τον ρυθμιστή αλλαγής ώθησης το Vout θα είναι Vin / (1 - D)

PWM και Duty Cycle για Boost Converter Circuit

Εάν ελέγξουμε τον κύκλο λειτουργίας, μπορούμε να ελέγξουμε την έξοδο σταθερής κατάστασης του μετατροπέα ώθησης. Έτσι, για την παραλλαγή του κύκλου λειτουργίας, χρησιμοποιούμε ένα κύκλωμα ελέγχου κατά μήκος του διακόπτη.

Έτσι, για ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα ρυθμιστή βασικής ενίσχυσης, χρειαζόμαστε ένα πρόσθετο κύκλωμα που θα μεταβάλλει τον κύκλο λειτουργίας και συνεπώς το χρόνο που ο επαγωγέας λαμβάνει ενέργεια από την πηγή.

Στην παραπάνω εικόνα, μπορεί να φανεί ένας ενισχυτής σφάλματος που αντιλαμβάνεται την τάση εξόδου σε όλο το φορτίο χρησιμοποιώντας μια διαδρομή ανατροφοδότησης και ελέγχει το διακόπτη. Η πιο κοινή τεχνική ελέγχου περιλαμβάνει την τεχνική PWM ή Pulse Width Modulation που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του κύκλου λειτουργίας του κυκλώματος.

Το κύκλωμα ελέγχου ελέγχει το χρονικό διάστημα που ο διακόπτης παραμένει ανοιχτός ή κλειστός, ανάλογα με το ρεύμα που τραβάει το φορτίο. Αυτό το κύκλωμα χρησιμοποιεί επίσης για συνεχή λειτουργία σε σταθερή κατάσταση. Θα πάρει ένα δείγμα της τάσης εξόδου και για να το αφαιρέσει από μια τάση αναφοράς και να δημιουργήσει ένα μικρό σήμα σφάλματος, τότε αυτό το σήμα σφάλματος θα συγκριθεί με ένα σήμα ράμπας ταλαντωτή και από την έξοδο του συγκριτή ένα σήμα PWM θα λειτουργήσει ή θα ελέγξει τον διακόπτη κύκλωμα.

Όταν αλλάζει η τάση εξόδου, η τάση σφάλματος επηρεάζεται επίσης από αυτήν. Λόγω αλλαγής τάσης σφάλματος, ο συγκριτής ελέγχει την έξοδο PWM. Το PWM άλλαξε επίσης σε θέση όταν η τάση εξόδου δημιουργεί μηδενική τάση σφάλματος και κάνοντας αυτό, το σύστημα κλειστού βρόχου ελέγχου εκτελεί την εργασία.

Ευτυχώς, οι περισσότεροι σύγχρονοι ρυθμιστές ενίσχυσης Switching έχουν αυτό το πράγμα ενσωματωμένο στο πακέτο IC. Έτσι, επιτυγχάνεται απλός σχεδιασμός κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας τους σύγχρονους ρυθμιστές μεταγωγής.

Η τάση ανάδρασης αναφοράς γίνεται χρησιμοποιώντας ένα δίκτυο διαχωριστή αντίστασης. Αυτό είναι το πρόσθετο κύκλωμα, το οποίο απαιτείται μαζί με επαγωγέα, διόδους και πυκνωτές.

Βελτιώστε την απόδοση του κυκλώματος μετατροπέα Boost

Τώρα, εάν διερευνήσουμε για την αποδοτικότητα, είναι πόση ισχύς παρέχουμε στο κύκλωμα και πόσα παίρνουμε στην έξοδο.

(Σύκο / Καρφίτσα) * 100%

Καθώς η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί, μπορεί να μετατραπεί μόνο, οι περισσότερες ηλεκτρικές ενέργειες χάνουν αχρησιμοποίητες δυνάμεις που μετατρέπονται σε θερμότητα. Επίσης, δεν υπάρχει ιδανική κατάσταση στον πρακτικό τομέα, η αποδοτικότητα είναι ένας μεγαλύτερος παράγοντας για την επιλογή ρυθμιστών τάσης.

Ένας από τους κύριους παράγοντες απώλειας ισχύος για έναν ρυθμιστή εναλλαγής είναι η δίοδος. Το ρεύμα πτώσης τάσης προς τα εμπρός (Vf xi) είναι η αχρησιμοποίητη ισχύ που μετατράπηκε σε θερμότητα και μειώνει την απόδοση του κυκλώματος ρυθμιστή μεταγωγής. Επίσης, είναι το πρόσθετο κόστος για τα κυκλώματα για τεχνικές θερμικής / θερμικής διαχείρισης με τη χρήση ψύκτρας ή ανεμιστήρων για την ψύξη του κυκλώματος από απορριμμένη θερμότητα. Όχι μόνο η πτώση τάσης προς τα εμπρός, η ανάστροφη ανάκτηση για διόδους πυριτίου παράγει επίσης περιττή απώλεια ισχύος και μείωση της συνολικής απόδοσης.

Ένας από τους καλύτερους τρόπους για να αποφύγετε μια τυπική δίοδο ανάκτησης είναι να χρησιμοποιήσετε δίοδο Schottky στη θέση των διόδων που έχουν χαμηλή πτώση τάσης προς τα εμπρός και καλύτερη ανάστροφη ανάκτηση. Όταν απαιτείται μέγιστη απόδοση, η δίοδος μπορεί να αντικατασταθεί χρησιμοποιώντας MOSFET. Στη σύγχρονη τεχνολογία, υπάρχουν πολλές διαθέσιμες επιλογές στο τμήμα ρυθμιστή Switching boost, οι οποίες παρέχουν αποδοτικότητα άνω του 90% εύκολα.

Επίσης, υπάρχει ένα χαρακτηριστικό "Skip Mode" το οποίο χρησιμοποιείται σε πολλές σύγχρονες συσκευές που επιτρέπει στον ρυθμιστή να παραλείψει κύκλους εναλλαγής όταν δεν υπάρχει ανάγκη εναλλαγής σε πολύ ελαφριά φορτία. Είναι ένας πολύ καλός τρόπος για να βελτιώσετε την απόδοση σε συνθήκες ελαφρού φορτίου. Στη λειτουργία παράλειψης, ο κύκλος εναλλαγής ξεκινά μόνο όταν η τάση εξόδου πέσει κάτω από ένα όριο ρύθμισης.

Παρά το γεγονός ότι έχει υψηλότερη απόδοση, σταθερή τεχνική σχεδίασης, μικρότερο εξάρτημα, οι ρυθμιστές εναλλαγής είναι θορυβώδεις από έναν γραμμικό ρυθμιστή. Ωστόσο, είναι ευρέως δημοφιλείς.

Παράδειγμα σχεδίασης για Boost Converter

Προηγουμένως δημιουργήσαμε ένα κύκλωμα ρυθμιστή ενίσχυσης χρησιμοποιώντας το MC34063 όπου η έξοδος 5V παράγεται από την τάση εισόδου 3.7V. Το MC34063 είναι ο ρυθμιστής μεταγωγής που χρησιμοποιήθηκε στη διαμόρφωση ρυθμιστή ενίσχυσης. Χρησιμοποιήσαμε έναν επαγωγέα, μια δίοδο Schottky και πυκνωτές.

Στην παραπάνω εικόνα, το Cout είναι ο πυκνωτής εξόδου και χρησιμοποιήσαμε επίσης έναν επαγωγέα και μια δίοδο Schottky που είναι τα βασικά συστατικά για έναν ρυθμιστή εναλλαγής. Υπάρχει επίσης ένα δίκτυο ανατροφοδότησης που χρησιμοποιείται. Οι αντιστάσεις R1 και R2 δημιουργούν ένα κύκλωμα διαχωριστή τάσης που απαιτείται για το στάδιο PWM και ενίσχυσης σφάλματος του συγκριτή. Η τάση αναφοράς του συγκριτή είναι 1,25V.

Εάν δούμε λεπτομερώς το έργο, μπορούμε να δούμε ότι η απόδοση 70-75% επιτυγχάνεται με αυτό το κύκλωμα ρυθμιστή ώθησης MC34063. Περαιτέρω αποτελεσματικότητα μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας την κατάλληλη τεχνική PCB και λαμβάνοντας διαδικασίες θερμικής διαχείρισης.