Преклопни регулатор притиска: 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 и због овог Линеар 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 ћемо описати Свитцхинг Буцк Регулатор коло. Већ смо описали дизајн регулатора Буцк у претходном водичу. Овде ћемо разговарати о различитим аспектима Буцк претварача и како побољшати његову ефикасност.

Разлика између Буцк-а и Боост регулатора

Разлика између регулатора пуњења и појачања је у томе што се код регулатора пуњења положај индуктора, диоде и склопног круга разликује од регулатора појачања. Такође, у случају појачала регулатора, излазни напон је виши од улазног напона, али код доводног регулатора излазни напон је мањи од улазног напона.

Долар топологија или долар конвертор је један од најчешће коришћених основне топологије се користи у СМПС. То је популаран избор где морамо претворити виши напон у нижи излазни напон.

Исто као регулатор појачања, претварач са доње стране или регулатор са доњим механизмом састоје се од индуктора, али веза индуктора је у излазном ступњу, а не на улазном ступњу који се користи у регулаторима појачања.

Дакле, у многим случајевима морамо претворити нижи напон у виши напон у зависности од захтева. Буцк регулатор претвара напон из већег потенцијала у нижи потенцијал.

Основе дизајна круга претварача Буцк

На горњој слици приказано је једноставно Буц регулатор коло где се користе индуктор, диода, кондензатор и прекидач. Улаз је директно повезан преко прекидача. Индуктор и кондензатор повезани су преко излаза, тако да оптерећење добија танак облик излазне струје. Диода се користи за блокирање негативног протока струје.

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, струја у колу је 0 и нема присутног напона.

У овој ситуацији, ако се прекидач приближи, струја ће се повећати и индуктор ће створити напон на њему. Овај пад напона минимизира изворни напон на излазу, након неколико тренутака брзина промене струје се смањује, а напон на индуктору такође опада, што на крају повећава напон на оптерећењу. Индуктор складишти енергију користећи своје магнетно поље.

Дакле, када је прекидач укључен, на индуктору је напон В _Л = Вин - Воут

Струја у индуктору расте брзином од (Вин - Воут) / Л

Струја кроз индуктор расте временом линеарно. Линеарна брзина пораста струје пропорционална је улазном напону умањеном за излазни напон подељеном са индуктивитетом

ди / дт = (Вин - Воут) / Л.

Горњи графикон приказује фазу пуњења индуктора. Оса к означава т (време), а оса И означава и (струја кроз пригушницу). Струја се линеарно повећава са временом када је прекидач затворен или укључен.

за то време док се струја још увек мења, увек ће доћи до пада напона на индуктору. Напон на оптерећењу биће нижи од улазног напона. Током искљученог стања, док је прекидач отворен, извор улазног напона се искључује и индуктор ће преносити ускладиштену енергију у оптерећење. Индуктор ће постати актуелни извор за оптерећење.

Диода Д1 ће обезбедити повратни пут струје која протиче кроз пригушницу током прекида стања искључења.

Струја индуктора се смањује са нагибом једнаким –Воут / Л

Режими рада Буцк Цонвертера

Буцк претварачем се може управљати у два различита режима. Континуирани режим или дисконтинуални режим.

Непрекидни режим

Током континуалног начина рада, индуктор се никада није потпуно испразнио, циклус пуњења започиње када се индуктор делимично испразни.

На горњој слици можемо видети, када се прекидач укључи када се струја индуктора (иИ) линеарно повећава, затим када се прекидач искључи, индуктор почиње да се смањује, али прекидач се поново укључује док се индуктор делимично испразни. Ово је континуирани начин рада.

Енергија ускладиштена у индуктору је Е = (ЛИ _Л ²) / 2

Прекинути режим

Прекинути режим се мало разликује од континуираног. У прекинутом режиму, индуктор се потпуно испразнио пре почетка новог циклуса пуњења. Индуктор ће се потпуно испразнити на нулу пре него што се прекидач укључи.

Током прекида рада, као што можемо видети на горњој слици када се прекидач укључи, струја индуктора (ил) расте линеарно, затим када се прекидач искључи, индуктор почиње да се смањује, али прекидач се укључује тек након индуктора се потпуно испразни и струја индуктора је постала потпуно нула. Ово је прекидни начин рада. У овом поступку проток струје кроз пригушницу није континуиран.

ПВМ и радни циклус за круг претварача доле

Као што смо разговарали у претходном водичу за претварач буцк-а, варирајући радни циклус можемо управљати кругом регулатора доле. За ово је потребан основни систем управљања. Додатно је потребан појачавач грешака и управљачки круг прекидача који ће радити у континуираном или испрекиданом режиму.

Дакле, за комплетан регулатор регулационог круга потребан нам је додатни склоп који ће променити 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.

Контролни круг контролише временски период прекидача који остаје отворен или, контролишући колико времена се напуни или испразни индуктор.

Ово коло управља прекидачем у зависности од начина рада. 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 управљати прекидачем 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 прекидачких регулатора има уграђену ствар 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.

Побољшати ефикасност круга претварача Буцк

Сада, ако истражимо ефикасност, колику снагу 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. Пад напона напред помножен са струјом (Вф ки) је неискоришћена снага која се претвара у топлоту и смањује ефикасност кола прекидачког регулатора. Такође, додатни је трошак за струјна кола за технику управљања топлотом / грејањем помоћу хладњака или вентилатора за хлађење 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 модерној технологији постоји много избора доступних у одељку са преклопним регулатором, који лако пружају више од 90% ефикасности.

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 Буцк Цонвертер

Претходно смо креирали регулатор регулационог кола користећи МЦ34063 где се 5В излаз генерише од 12В улазног напона. МЦ34063 је прекидачки регулатор који је коришћен у конфигурацији са доњим регулатором. 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 75-78% ефикасности постиже овај МЦ34063 склопни регулатор регулационог круга. Даља ефикасност се може побољшати коришћењем одговарајуће ПЦБ технике и добијањем поступака термичког управљања.

Пример употребе Буцк регулатора-

1. Извор једносмерне струје у нисконапонској апликацији
2. Преносна опрема
3. Аудио опрема
4. Уграђени хардверски системи.
5. Соларни системи итд.