Switching buck regulator: 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, kita akan menerangkan rangkaian Switching Buck Regulator. Kami telah menerangkan Reka Bentuk Pengatur Buck dalam tutorial sebelumnya. Di sini kita akan membincangkan pelbagai aspek penukar Buck dan bagaimana meningkatkan kecekapannya.

Perbezaan antara Buck dan Boost Regulator

Perbezaan antara regulator buck dan boost adalah, di regulator buck, penempatan induktor, dioda dan litar pensuisan berbeza dari regulator dorongan. Juga, dalam hal pengatur penguat, voltan keluaran lebih tinggi daripada voltan masukan, tetapi pada pengatur uang, voltan keluaran lebih rendah daripada voltan masukan.

A buck topologi atau buck converter adalah salah satu topologi asas yang paling digunakan digunakan dalam SMPS. Ini adalah pilihan yang popular di mana kita perlu menukar voltan yang lebih tinggi kepada voltan keluaran yang lebih rendah.

Sama seperti pengatur penguat, penukar buck atau pengatur buck terdiri dari induktor, tetapi sambungan induktor berada pada tahap output dan bukan tahap input yang digunakan dalam pengatur penguat.

Oleh itu, dalam banyak kes, kita perlu menukar voltan yang lebih rendah kepada voltan yang lebih tinggi bergantung pada keperluannya. Buck regulator menukar voltan dari potensi yang lebih tinggi ke potensi yang lebih rendah.

Asas Reka Bentuk Litar Penukar Buck

Dalam gambar di atas, litar pengatur Buck sederhana ditunjukkan di mana Induktor, diod, Kapasitor dan suis digunakan. Input disambungkan secara langsung di suis. Induktor dan kapasitor disambungkan di seluruh output, sehingga beban mendapat bentuk gelombang arus keluaran yang lancar. Diod digunakan untuk menyekat aliran arus negatif.

Sekiranya pengatur pengalihan peralihan, ada dua Fasa, Salah satunya 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, arus dalam litar adalah 0 dan tidak ada voltan.

Dalam keadaan ini, jika suis semakin hampir maka arus akan meningkat dan induktor akan membuat voltan melintangnya. Penurunan voltan ini meminimumkan voltan sumber pada output, setelah beberapa saat laju perubahan arus menurun dan voltan merentas induktor juga menurun yang akhirnya meningkatkan voltan merentasi beban. Induktor menyimpan tenaga menggunakan medan magnetnya.

Oleh itu, apabila suis dihidupkan, di seberang induktor voltan adalah V _L = Vin - Vout

Arus dalam induktor meningkat pada kadar (Vin - Vout) / L

Arus melalui induktor meningkat secara linear dengan masa. Kadar kenaikan arus linier berkadar dengan voltan input kurang voltan keluaran dibahagi dengan aruhan

di / dt = (Vin - Vout) / L

Graf atas menunjukkan fasa Pengecasan 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.

selama ini semasa arus masih berubah, akan selalu berlaku penurunan voltan di seluruh induktor. Voltan merentasi beban akan lebih rendah daripada voltan input. Semasa keadaan mati, semasa suis terbuka, sumber voltan input terputus, dan induktor akan memindahkan tenaga yang disimpan ke beban. The induktor akan menjadi sumber semasa untuk beban.

Diod D1 akan memberikan jalan balik arus yang mengalir melalui induktor semasa keadaan mati.

Arus induktor menurun dengan cerun sama dengan –Vout / L

Mod Pengendalian Buck Converter

Penukar Buck boleh dikendalikan dalam dua mod yang berbeza. Mod berterusan atau mod tidak berterusan.

Mod berterusan

Semasa mod berterusan, induktor tidak pernah habis sepenuhnya, kitaran pengisian bermula apabila induktor dilepaskan sebahagiannya.

Pada gambar di atas, kita dapat melihat, ketika suis menyala ketika arus induktor (iI) meningkat secara linier, kemudian ketika suis turun induktor mulai berkurang, tetapi suis kembali menyala ketika induktor sebagian habis. Ini adalah mod operasi berterusan.

Tenaga yang tersimpan di induktor adalah E = (LI _L ²) / 2

Mod Tidak Berterusan

Mod putus-putus sedikit berbeza daripada mod berterusan. Dalam mod Discontinuous, Induktor habis sepenuhnya sebelum memulakan kitaran pengisian baru. Induktor akan melepaskan sepenuhnya ke sifar sebelum suis dihidupkan.

Semasa mod terputus-putus, seperti yang kita lihat pada gambar di atas ketika suis menyala, arus induktor (il) meningkat secara linier, kemudian ketika suis mati, induktor mulai berkurang, tetapi suis hanya menyala setelah induktor habis sepenuhnya dan arus induktor menjadi sifar sepenuhnya. Ini adalah mod operasi Tidak Berterusan. Dalam operasi ini, aliran arus melalui induktor tidak berterusan.

PWM dan Duty Cycle untuk Buck Converter Circuit

Seperti yang telah kita bincangkan dalam tutorial penukar buck sebelumnya, dengan mengubah kitaran tugas kita dapat mengawal litar pengatur wang. Untuk ini, sistem kawalan asas diperlukan. Penguat ralat dan litar kawalan suis juga diperlukan yang akan berfungsi dalam mod berterusan atau tidak bersambung.

Jadi, untuk litar pengatur wang 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.

Litar kawalan mengawal jumlah masa suis tetap terbuka atau, mengawal berapa banyak masa pengisian atau pelepasan induktor.

Litar ini mengawal suis bergantung pada mod operasi. 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 Switching buck 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 Buck Converter Circuit

Sekarang, jika kita menyiasat tentang kecekapan, berapa banyak kuasa 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. Penurunan voltan ke depan berlipat kali ganda dengan arus (Vf xi) adalah watt yang tidak digunakan yang ditukar menjadi panas dan mengurangkan kecekapan litar pengatur beralih. Juga, itu 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 terdapat di bahagian pengatur Switching buck, yang memberikan kecekapan lebih dari 90% dengan mudah.

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 Buck Converter

Kami sebelum ini membuat litar pengatur wang menggunakan MC34063 di mana output 5V dihasilkan dari voltan input 12V. MC34063 adalah pengatur beralih yang digunakan dalam konfigurasi pengatur wang. 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 75-78% dicapai oleh litar pengatur beralih MC34063 ini. Kecekapan selanjutnya dapat ditingkatkan dengan menggunakan teknik PCB yang tepat dan mendapatkan prosedur pengurusan termal.

Contoh Penggunaan pengatur Buck-

1. Sumber kuasa Dc dalam aplikasi voltan rendah
2. Peralatan mudah alih
3. Peralatan audio
4. Sistem perkakasan terbenam.
5. Sistem suria dll.