Pengatur peningkatan peralihan: asas reka bentuk dan kecekapan

Dalam elektronik, pengatur adalah alat atau mekanisme yang dapat mengatur output daya secara berterusan. Terdapat pelbagai jenis pengatur yang tersedia dalam domain bekalan kuasa. Tetapi terutamanya, dalam kes penukaran DC ke DC, terdapat dua jenis pengatur yang tersedia: Linear atau Switching.

A pengatur linear mengawal output menggunakan penurunan voltan rintangan, dan kerana ini pengawal selia Linear menyediakan kecekapan yang lebih rendah dan kuasa kehilangan dalam bentuk haba.

Di sisi lain Pengatur peralihan menggunakan induktor, Diod dan suis kuasa untuk memindahkan tenaga dari sumbernya ke output.

Terdapat tiga jenis pengatur beralih yang tersedia.

1. Penukar langkah (Boost Regulator)

2. Penukar Step-Down (pengatur Buck)

3. Penyongsang (Flyback)

Dalam tutorial ini kami menerangkan rangkaian Switching Boost Regulator. Kami telah menerangkan Boost Regulator Design dalam tutorial sebelumnya. Di sini kita akan membincangkan pelbagai aspek penukar Boost dan bagaimana meningkatkan kecekapannya.

Asas Reka Bentuk Litar Penukar Boost

Dalam banyak kes, kita perlu menukar voltan yang lebih rendah kepada voltan yang lebih tinggi bergantung pada keperluannya. Boost regulator meningkatkan voltan dari potensi rendah ke potensi lebih tinggi.

Dalam gambar di atas, litar pengatur Boost sederhana ditunjukkan di mana Induktor, diod, Kapasitor dan suis digunakan.

Tujuan induktor adalah untuk mengehadkan laju arus semasa yang mengalir melalui suis kuasa. Ia akan mengehadkan kelebihan arus tinggi yang tidak dapat dielakkan oleh rintangan suis secara individu.

Selain itu, tenaga Kedai induktor, tenaga yang diukur dalam Joule E = (L * I ² /2)

Kami akan memahami bagaimana induktor memindahkan tenaga dalam gambar dan grafik yang akan datang.

Sekiranya pengatur pengalihan beralih, ada dua Fasa, Satu adalah fasa Pengisian Induktor atau fasa Hidupkan (Suis ditutup sebenarnya) dan yang lain adalah fasa Pelepasan atau fasa pematian (Suis terbuka).

Sekiranya kita menganggap bahawa suis telah berada dalam posisi terbuka untuk waktu yang lama, penurunan voltan merentasi diod adalah negatif dan voltan merentasi kapasitor sama dengan voltan masukan. Dalam keadaan ini, jika suis dekat, Vin ketakutan melintasi induktor. Diod menghalang pelepasan kapasitor melalui suis ke tanah.

Arus melalui induktor meningkat secara linear dengan masa. Kadar kenaikan arus linier berkadar dengan voltan input yang dibahagikan dengan aruhan di / dt = voltan merentas Induktor / Induktansi

Pada grafik atas, menunjukkan fasa Pengisian induktor. Paksi-x menunjukkan t (masa) dan paksi-Y menunjukkan I (arus melalui induktor). Arus meningkat secara linear dengan masa ketika suis ditutup atau AKTIF.

Sekarang, apabila suis kembali mati atau terbuka, arus induktor mengalir melalui diod dan mengisi kapasitor output. Apabila voltan keluaran meningkat, cerun arus melalui induktor terbalik. Voltan keluaran meningkat sehingga Voltan melalui induktor = L * (di / dt) tercapai.

Kadar penurunan arus Induktor dengan masa berkadar terus dengan voltan induktor. Semakin tinggi voltan induktor, semakin cepat penurunan arus melalui induktor.

Dalam grafik di atas, arus induktor turun dengan masa ketika suis dimatikan.

Apabila pengatur pensuisan berada dalam keadaan operasi dalam keadaan stabil, voltan purata Induktor adalah Sifar selama keseluruhan kitaran pensuisan. Untuk keadaan ini, arus rata-rata melalui induktor juga berada dalam keadaan stabil.

Sekiranya kita menganggap bahawa masa pengecasan induktor adalah Ton dan litar mempunyai voltan input, maka akan ada Toff atau masa pelepasan tertentu untuk voltan keluaran.

Oleh kerana voltan induktor rata-rata sama dengan sifar dalam keadaan stabil, kita boleh membina litar peningkatan menggunakan istilah berikut

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

Oleh kerana voltan keluaran sama dengan voltan Input dan voltan induktor purata (Vout = Vin + VL)

Kita boleh mengatakan bahawa, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

Kita juga boleh mengira Vout menggunakan kitaran tugas.

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

Untuk pengatur peralihan dorongan, Vout akan menjadi Vin / (1 - D)

PWM dan Duty Cycle untuk Boost Converter Circuit

Sekiranya kita mengawal kitaran tugas, kita dapat mengawal output keadaan tetap dari penukar rangsangan. Jadi, untuk variasi kitaran tugas, kami menggunakan litar kawalan di seluruh suis.

Oleh itu, untuk rangkaian pengatur rangsangan asas yang lengkap, kita memerlukan litar tambahan yang akan mengubah kitaran tugas dan dengan itu jumlah masa induktor menerima tenaga dari sumbernya.

Pada gambar di atas, penguat Kesalahan dapat dilihat yang merasakan voltan keluaran merentasi beban menggunakan jalur maklum balas dan mengendalikan suis. Teknik kawalan yang paling biasa merangkumi teknik PWM atau Pulse Width Modulation yang digunakan untuk mengawal kitaran tugas litar.

The kawalan litar kawalan jumlah masa suis masih terbuka atau dekat, bergantung kepada semasa yang dikeluarkan oleh beban. Litar ini juga digunakan untuk operasi berterusan dalam keadaan stabil. Ia akan mengambil sampel voltan keluaran dan mengurangkannya dari voltan rujukan dan membuat isyarat ralat kecil, maka isyarat ralat ini akan dibandingkan dengan isyarat tanjakan pengayun dan dari output pembanding isyarat PWM akan beroperasi atau mengawal suis litar.

Apabila voltan keluaran berubah, voltan ralat juga dipengaruhi olehnya. Kerana perubahan voltan ralat, pembanding mengawal output PWM. PWM juga berubah menjadi kedudukan apabila voltan output menghasilkan voltan ralat sifar dan dengan melakukan ini, sistem gelung kawalan tertutup melaksanakan kerja.

Nasib baik, kebanyakan pengatur peningkatan Switching moden mempunyai perkara ini di dalam pakej IC. Oleh itu, reka bentuk litar mudah dicapai dengan menggunakan pengatur beralih moden.

Voltan maklum balas rujukan dilakukan menggunakan rangkaian pembahagi perintang. Ini adalah litar tambahan, yang diperlukan bersama dengan induktor, diod, dan kapasitor.

Meningkatkan kecekapan Boost Converter Circuit

Sekarang, Jika kita menyiasat tentang kecekapan, Berapa banyak daya yang kita berikan di dalam litar dan berapa banyak yang kita dapat pada output.

(Pout / Pin) * 100%

Oleh kerana tenaga tidak dapat dibuat atau dimusnahkan, ia hanya dapat ditukarkan, kebanyakan tenaga elektrik kehilangan kuasa yang tidak digunakan yang ditukar menjadi panas. Juga, tidak ada situasi ideal dalam bidang praktikal, kecekapan adalah faktor yang lebih besar untuk memilih pengatur voltan.

Salah satu faktor kehilangan kuasa utama untuk pengatur beralih adalah dioda. Arus penurunan voltan ke hadapan (Vf xi) adalah watt yang tidak digunakan yang ditukar menjadi panas dan mengurangkan kecekapan litar pengatur beralih. Juga, Ini adalah kos tambahan untuk litar untuk teknik pengurusan haba / haba menggunakan heatsink, atau Kipas untuk menyejukkan litar dari panas yang hilang. Bukan hanya penurunan voltan ke hadapan, pemulihan terbalik untuk diod silikon juga menghasilkan kehilangan kuasa yang tidak perlu dan pengurangan kecekapan keseluruhan.

Salah satu kaedah terbaik untuk mengelakkan diod pemulihan standard adalah menggunakan dioda Schottky sebagai ganti diod yang mempunyai penurunan voltan ke hadapan yang rendah dan pemulihan terbalik yang lebih baik. Apabila kecekapan maksimum diperlukan, dioda dapat diganti menggunakan MOSFET. Dalam teknologi moden, terdapat banyak pilihan yang tersedia di bahagian Pengatur peningkatan peralihan, yang memberikan kecekapan lebih dari 90% dengan mudah.

Juga, ada fitur "Skip Mode" yang digunakan di banyak perangkat modern yang memungkinkan pengatur untuk melewati kitaran beralih ketika tidak perlu beralih pada beban yang sangat ringan. Ini adalah kaedah terbaik untuk meningkatkan kecekapan dalam keadaan beban ringan. Dalam mod langkau, Putaran beralih dimulakan hanya apabila voltan keluaran turun di bawah ambang pengatur.

Walaupun mempunyai kecekapan yang lebih tinggi, teknik reka bentuk pegun, komponen yang lebih kecil, pengatur peralihan bising daripada pengatur linier. Namun, mereka sangat popular.

Contoh Reka Bentuk untuk Boost Converter

Kami sebelumnya membuat rangkaian pengatur rangsangan menggunakan MC34063 di mana output 5V dihasilkan dari voltan input 3.7V. MC34063 adalah pengatur beralih yang digunakan dalam konfigurasi penguat penguat. Kami menggunakan Induktor, dioda Schottky, dan kapasitor.

Dalam gambar di atas, Cout adalah kapasitor output dan kami juga menggunakan induktor dan dioda Schottky yang merupakan komponen asas untuk pengatur beralih. Terdapat juga rangkaian Maklumbalas yang digunakan. Perintang R1 dan R2 membuat litar pembahagi voltan yang diperlukan untuk tahap pembesaran PWM dan ralat ralat. Voltan rujukan pembanding ialah 1.25V.

Sekiranya kita melihat projek secara terperinci, kita dapat melihat bahawa kecekapan 70-75% dicapai oleh rangkaian pengatur peningkatan peralihan MC34063 ini. Kecekapan selanjutnya dapat ditingkatkan dengan menggunakan teknik PCB yang tepat dan mendapatkan prosedur pengurusan termal.