Ρυθμιστής μεταγωγής buck: 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, θα περιγράψουμε το κύκλωμα Switching Buck Regulator. Περιγράψαμε ήδη το Buck Regulator Design στο προηγούμενο σεμινάριο. Εδώ θα συζητήσουμε διάφορες πτυχές του μετατροπέα Buck και πώς να βελτιώσουμε την αποτελεσματικότητά του.

Διαφορά μεταξύ Buck και Boost Regulator

Η διαφορά μεταξύ του ρυθμιστή buck και boost είναι, στον ρυθμιστή buck η τοποθέτηση του επαγωγέα, της διόδου και του κυκλώματος μεταγωγής είναι διαφορετική από τον ρυθμιστή ενίσχυσης. Επίσης, σε περίπτωση ρυθμιστή ενίσχυσης, η τάση εξόδου είναι υψηλότερη από την τάση εισόδου, αλλά στον ρυθμιστή buck, η τάση εξόδου είναι χαμηλότερη από την τάση εισόδου.

Η τοπολογία buck ή ο μετατροπέας buck είναι μια από τις πιο χρησιμοποιούμενες βασικές τοπολογίες που χρησιμοποιούνται στο SMPS. Είναι μια δημοφιλής επιλογή όπου πρέπει να μετατρέψουμε την υψηλότερη τάση σε χαμηλότερη τάση εξόδου.

Όπως και ο ρυθμιστής ενίσχυσης, ένας μετατροπέας buck ή ρυθμιστής buck αποτελείται από έναν επαγωγέα, αλλά η σύνδεση του επαγωγέα είναι σε στάδιο εξόδου και όχι στο στάδιο εισόδου που χρησιμοποιείται σε ρυθμιστές ενίσχυσης.

Έτσι, σε πολλές περιπτώσεις, πρέπει να μετατρέψουμε την χαμηλότερη τάση στην υψηλότερη τάση ανάλογα με τις απαιτήσεις. Ο ρυθμιστής Buck μετατρέπει την τάση από υψηλότερο δυναμικό σε χαμηλότερο δυναμικό.

Βασικά στοιχεία σχεδιασμού του κυκλώματος μετατροπέα Buck

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται ένα απλό κύκλωμα ρυθμιστή Buck όπου χρησιμοποιείται ένας επαγωγέας, μια δίοδος, ένας πυκνωτής και ένας διακόπτης. Η είσοδος συνδέεται απευθείας μέσω του διακόπτη. Ο επαγωγέας και ο πυκνωτής συνδέονται κατά μήκος της εξόδου, έτσι το φορτίο παίρνει ομαλή κυματομορφή ρεύματος εξόδου. Η δίοδος χρησιμοποιείται για τον αποκλεισμό της αρνητικής ροής ρεύματος.

Σε περίπτωση αλλαγής ρυθμιστή ενίσχυσης, 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, το ρεύμα στο κύκλωμα είναι 0 και δεν υπάρχει τάση.

Σε αυτήν την περίπτωση, εάν ο διακόπτης πλησιάσει τότε το ρεύμα θα αυξηθεί και ο επαγωγέας θα δημιουργήσει μια τάση απέναντί ​​του. Αυτή η πτώση τάσης ελαχιστοποιεί την τάση πηγής στην έξοδο, μετά από λίγα λεπτά ο ρυθμός αλλαγής ρεύματος μειώνεται και η τάση διαμέσου του επαγωγέα επίσης μειώνεται, η οποία τελικά αυξάνει την τάση στο φορτίο. Ο επαγωγέας αποθηκεύει ενέργεια χρησιμοποιώντας το μαγνητικό πεδίο.

Έτσι, όταν ο διακόπτης είναι ενεργοποιημένος, κατά μήκος του πηνίου η τάση είναι V _L = Vin - Vout

Το ρεύμα στο πηνίο αυξάνεται με ρυθμό (Vin - Vout) / L

Το ρεύμα μέσω του επαγωγέα αυξάνεται γραμμικά με το χρόνο. Ο ρυθμός αύξησης του γραμμικού ρεύματος είναι ανάλογος με την τάση εισόδου μείον την τάση εξόδου διαιρούμενη με την επαγωγή

di / dt = (Vin - Vout) / L

Το άνω 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.

κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ενώ το ρεύμα αλλάζει, θα υπάρχει πάντα μια πτώση τάσης στον εγκέφαλο. Η τάση στο φορτίο θα είναι χαμηλότερη από την τάση εισόδου. Κατά την κατάσταση απενεργοποίησης, ενώ ο διακόπτης είναι ανοιχτός, η πηγή τάσης εισόδου αποσυνδέεται και ο επαγωγέας θα μεταφέρει την αποθηκευμένη ενέργεια στο φορτίο. Ο επαγωγέας θα γίνει η τρέχουσα πηγή για το φορτίο.

Η δίοδος D1 θα παρέχει μια διαδρομή επιστροφής του ρεύματος που ρέει μέσω του επαγωγέα κατά την κατάσταση απενεργοποίησης.

Το ρεύμα πηνίου μειώνεται με κλίση ίση με –Vout / L

Λειτουργίες λειτουργίας μετατροπέα Buck

Ο μετατροπέας Buck μπορεί να λειτουργήσει με δύο διαφορετικούς τρόπους. Συνεχής λειτουργία ή ασυνεχής λειτουργία.

Συνεχής λειτουργία

Κατά τη συνεχή λειτουργία, ο επαγωγέας δεν εκφορτίστηκε ποτέ πλήρως, ο κύκλος φόρτισης ξεκινά όταν ο επαγωγέας έχει μερικώς αποφορτιστεί.

Στην παραπάνω εικόνα, μπορούμε να δούμε, όταν ο διακόπτης ανάβει όταν το ρεύμα επαγωγέα (iI) αυξάνεται γραμμικά, τότε όταν ο διακόπτης κατεβαίνει ο επαγωγέας αρχίζει να μειώνεται, αλλά ο διακόπτης ενεργοποιείται ξανά ενώ ο επαγωγέας έχει μερικώς αποφορτιστεί. Αυτός είναι ο συνεχής τρόπος λειτουργίας.

Η ενέργεια που αποθηκεύεται στον επαγωγέα είναι E = (LI _L ²) / 2

Ασυνεχής λειτουργία

Η ασυνεχής λειτουργία είναι ελαφρώς διαφορετική από τη συνεχή λειτουργία. Στην κατάσταση ασυνεχούς λειτουργίας, ο επαγωγέας αποφορτίζεται πλήρως πριν ξεκινήσει ένας νέος κύκλος φόρτισης. Ο επαγωγέας θα εκφορτιστεί πλήρως στο μηδέν πριν ενεργοποιηθεί ο διακόπτης.

Κατά τη διάρκεια ασυνεχούς λειτουργίας, όπως μπορούμε να δούμε στην παραπάνω εικόνα όταν ο διακόπτης ανάβει, το ρεύμα πηνίου (il) αυξάνεται γραμμικά, τότε όταν ο διακόπτης σβήνει, ο επαγωγέας αρχίζει να μειώνεται, αλλά ο διακόπτης ενεργοποιείται μόνο μετά τον επαγωγέα έχει αποφορτιστεί πλήρως και το ρεύμα επαγωγής έγινε εντελώς μηδέν. Αυτός είναι ο ασυνεχής τρόπος λειτουργίας. Σε αυτήν τη λειτουργία, η ροή ρεύματος μέσω του επαγωγέα δεν είναι συνεχής.

Κύκλος PWM και Duty για κύκλωμα μετατροπέα Buck

Όπως συζητήσαμε στο προηγούμενο σεμινάριο μετατροπέα buck, διαφοροποιώντας τον κύκλο λειτουργίας μπορούμε να ελέγξουμε το κύκλωμα ρυθμιστή buck. Για αυτό, απαιτείται ένα βασικό σύστημα ελέγχου. Απαιτείται επιπλέον ένα κύκλωμα ενισχυτή σφάλματος και ελέγχου διακόπτη, το οποίο θα λειτουργεί σε συνεχή ή ασυνεχή λειτουργία.

Έτσι, για ένα πλήρες κύκλωμα ρυθμιστή buck, χρειαζόμαστε ένα επιπλέον κύκλωμα το οποίο θα μεταβάλλει τον κύκλο λειτουργίας και έτσι το χρονικό διάστημα 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 τεχνική PWM ή Pulse Width Modulation η οποία χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του κύκλου λειτουργίας του κυκλώματος.

Το κύκλωμα ελέγχου ελέγχει το χρονικό διάστημα που ο διακόπτης παραμένει ανοιχτός ή, ελέγχοντας τον χρόνο φόρτισης ή εκφόρτισης του επαγωγέα.

Αυτό το κύκλωμα ελέγχει το διακόπτη ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας. Θα πάρει ένα δείγμα της τάσης εξόδου και θα το αφαιρέσει από μια τάση αναφοράς και θα 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 Switching buck 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 Buck

Τώρα, αν διερευνήσουμε για την αποδοτικότητα, πόση ισχύς παρέχουμε μέσα στο κύκλωμα και πόσο έχουμε 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. Η πτώση τάσης προς τα εμπρός πολλαπλασιάζεται με το ρεύμα (Vf xi) είναι η αχρησιμοποίητη ισχύ που μετατρέπεται 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 διασκορπισμένη 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 buck, οι οποίες παρέχουν ευκολία αποδοτικότητας άνω του 90%.

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 μετατροπέα Buck

Δημιουργήσαμε προηγουμένως ένα κύκλωμα ρυθμιστή buck χρησιμοποιώντας MC34063 όπου η έξοδος 5V παράγεται από την τάση εισόδου 12V. Το MC34063 είναι ο ρυθμιστής μεταγωγής που χρησιμοποιήθηκε στη διαμόρφωση του ρυθμιστή buck. 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 75-78% επιτυγχάνεται με αυτό το κύκλωμα ρυθμιστή εναλλαγής MC34063. Περαιτέρω αποτελεσματικότητα μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας την κατάλληλη τεχνική PCB και λαμβάνοντας διαδικασίες θερμικής διαχείρισης.

Παράδειγμα χρήσης του ρυθμιστή Buck-

1. Πηγή ισχύος DC στην εφαρμογή χαμηλής τάσης
2. Φορητός εξοπλισμός
3. Εξοπλισμός ήχου
4. Ενσωματωμένα συστήματα υλικού.
5. Ηλιακά συστήματα κ.λπ.