Прекидачки регулатор појачања: основе дизајна и ефикасност

У електроници, регулатор је уређај или механизам који може стално регулисати излазну снагу. У домену напајања постоје различите врсте регулатора. Али углавном, у случају конверзије у једносмерну у једносмерну струју, на располагању су две врсте регулатора: линеарни или прекидачки.

Линеар Регулатор регулише излаз користећи отпорни пад напона, због чега овај линеарни регулатори пружају мању ефикасност и изгубити власт у облику топлоте.

На другој страни Прекидачки регулатор користи индуктор, диоду и прекидач за напајање за пренос енергије од свог извора до излаза.

На располагању су три врсте прекидачких регулатора.

1. степ-уп претварач (регулатор појачања)

2. Степ-Довн претварач (Буцк регулатор)

3. Инвертер (Флибацк)

У овом упутству описујемо склоп регулатора појачавања пребацивања. Дизајн регулатора појачања смо већ описали у претходном водичу. Овде ћемо разговарати о различитим аспектима Боост претварача и како побољшати његову ефикасност.

Основе дизајна круга претварача појачања

У многим случајевима морамо претворити нижи напон у виши напон у зависности од захтева. Регулатор појачања појачава напон са нижег на већи потенцијал.

На горњој слици приказан је једноставан регулатор регулационог круга, где се користе индуктор, диода, кондензатор и прекидач.

Сврха индуктора је да ограничи брзину струјања која пролази кроз прекидач за напајање. Ограничиће вишак јаке струје која је незаобилазна због отпора прекидача појединачно.

Такођер, индуктор складишти енергија, енергија мерена у џулима Е = (Л * И ² /2)

Разумећемо како индуктори преносе енергију на предстојећим сликама и графиконима.

У случају пребацивања регулатора појачања постоје две фазе, једна је фаза пуњења индуктора или фаза укључивања (прекидач је заправо затворен), а друга фаза пражњења или фаза искључивања (прекидач је отворен).

Ако претпоставимо да је прекидач већ дуже време у отвореном положају, пад напона на диоди је негативан, а напон на кондензатору једнак улазном напону. У овој ситуацији, ако се прекидач приближи, Вин се уплаши преко индуктора. Диода спречава пражњење кондензатора кроз прекидач на масу.

Струја кроз индуктор расте временом линеарно. Линеарна брзина пораста струје пропорционална је улазном напону подељеном са индуктивитетом ди / дт = Напон на индуктору / индуктивитету

У горњем графикону приказана је фаза пуњења индуктора. Оса к означава т (време), а И оса И (струја кроз пригушницу). Струја се линеарно повећава са временом када је прекидач затворен или укључен.

Сада, када се прекидач поново искључи или отвори, струја индуктора пролази кроз диоду и пуни излазни кондензатор. Када излазни напон порасте, нагиб струје кроз индуктор се обрће. Излазни напон расте док се не постигне напон кроз индуктор = Л * (ди / дт).

Стопа пада струје индуктора са временом је директно пропорционална напону индуктора. Што је већи напон индуктора, бржи пад струје кроз индуктор.

На горњем графикону, струја индуктора опада с временом када се прекидач искључи.

Када је преклопни регулатор у стабилном стању, просечни напон индуктора је Нула током целог прекидачког циклуса. За ово стање, просечна струја кроз пригушницу је такође у стабилном стању.

Ако претпоставимо да је време пуњења индуктора тона, а круг има улазни напон, тада ће за излазни напон постојати одређено Тофф или време пражњења.

Како је просечни напон индуктивитета у стабилном стању једнак нули, можемо конструисати појачавајући круг користећи следеће изразе

Вин Кс Тона = Тофф к ВЛ ВЛ = Вин к (Тона / Тофф)

Како је излазни напон једнак улазном напону и средњем напону пригушнице (Воут = Вин + ВЛ)

Можемо то рећи, Воут = Вин + Вин к (Тона / Тофф) Воут = Вин к (1 + Тона / Тофф)

Такође можемо израчунати Воут користећи радни циклус.

Радни циклус (Д) = тона / (тона + тофф)

За регулатор пребацивања појачања Воут ће бити Вин / (1 - Д)

ПВМ и радни циклус за круг претварача појачања

Ако контролишемо радни циклус, можемо контролисати стабилан излаз претварача појачања. Дакле, за варијацију радног циклуса користимо контролни круг преко прекидача.

Дакле, за комплетан основни круг регулатора појачања требају нам додатни склопови који ће мењати радни циклус, а тиме и количину времена када индуктор прима енергију из извора.

На горњој слици се може видети појачало са грешком које осећа повратни напон на оптерећењу помоћу повратне путање и контролише прекидач. Најчешћа техника управљања укључује ПВМ или технику модулације ширине импулса која се користи за контролу радног циклуса кола.

На контрола коло контролише количина времена прекидач остаје отворен или близу, у зависности од струје које вуку оптерећења. Ово коло такође користи за континуирани рад у стабилном стању. Узимаће се узорак излазног напона и да би се одузео од референтног напона и створио мали сигнал грешке, тада ће се овај сигнал грешке упоредити са сигналом рампе осцилатора, а са излаза компаратора ПВМ сигнал ће управљати или контролисати прекидач струјно коло.

Када се промени излазни напон, на њега утиче и напон грешке. Због промене напона грешке, компаратор контролише ПВМ излаз. ПВМ се такође променио у положај када излазни напон ствара нулти напон грешке и тиме извршава посао затворена контролна петља.

Срећом, већина модерних регулатора појачавања пребацивања има ову ствар уграђену у ИЦ пакет. Тако се једноставним дизајном кола постиже савремени преклопни регулатор.

Референтни повратни напон се врши помоћу мреже отпорних отпорника. Ово је додатно коло, које је потребно заједно са пригушницом, диодама и кондензаторима.

Побољшајте ефикасност круга претварача појачања

Ако истражимо ефикасност, то је колико снаге дајемо унутар склопа и колико добијамо на излазу.

(Поут / Пин) * 100%

Како се енергија не може створити нити уништити, она се може само претворити, већина електричних енергија губи неискоришћене снаге претворене у топлоту. Такође, не постоји идеална ситуација у практичном пољу, ефикасност је већи фактор за одабир регулатора напона.

Диода је један од главних фактора губитка снаге преклопног регулатора. Напредни пад напона пута струја (Вф ки) је неискоришћена снага која се претвара у топлоту и смањује ефикасност склопног регулационог кола. Такође, то је додатни трошак за струјна кола за технику управљања топлотом / грејањем помоћу хладњака или за вентилаторе који хладе струјна кола од расипане топлоте. Не само пад напона унапред, обрнути опоравак силицијумских диода такође производи непотребне губитке снаге и смањење укупне ефикасности.

Један од најбољих начина да се избегне стандардна диода за опоравак је употреба Сцхоттки диода уместо диода које имају мали пад напона напред и бољи повратни опоравак. Када је потребна максимална ефикасност, диода се може заменити помоћу МОСФЕТ-ова. У савременој технологији постоји много избора доступних у одељку Прекидачки регулатор појачања, који лако пружају више од 90% ефикасности.

Такође, постоји функција „Режим прескакања“ која се користи у многим модерним уређајима која омогућава регулатору да прескочи циклусе пребацивања када нема потребе за пребацивањем при врло малим оптерећењима. То је одличан начин за побољшање ефикасности у условима лаког оптерећења. У режиму прескакања, циклус пребацивања покреће се само када излазни напон падне испод регулационог прага.

Упркос томе што имају већу ефикасност, техника стационарног дизајна, мање компоненте, прекидачки регулатори су бучни од линеарног регулатора. Ипак, они су широко популарни.

Пример дизајна за појачивач претварача

Претходно смо креирали регулатор појачала помоћу МЦ34063 где се излаз 5В генерише од улазног напона од 3,7В. МЦ34063 је прекидачки регулатор који је коришћен у конфигурацији појачаног регулатора. Користили смо индуктор, Сцхоттки диоду и кондензаторе.

На горњој слици, Цоут је излазни кондензатор, а користили смо и индуктор и Сцхоттки диоду који су основне компоненте за прекидачки регулатор. Такође се користи мрежа повратних информација. Отпорници Р1 и Р2 креирају коло делиоца напона које је потребно за ПВМ упоређивача и фазу појачавања грешака. Референтни напон компаратора је 1,25В.

Ако пројекат видимо детаљно, можемо видети да се овим склопом регулационог појачала МЦ34063 постиже ефикасност од 70-75%. Даља ефикасност се може побољшати коришћењем одговарајуће ПЦБ технике и добијањем поступака термичког управљања.