- Osnove oblikovanja vezja pretvornika ojačevalnika
- PWM in delovni cikel za vezje pretvornika povečave
- Izboljšajte učinkovitost vezja pretvornika povečanja
- Primer zasnove za Boost Converter
V elektroniki je regulator naprava ali mehanizem, ki lahko nenehno uravnava izhodno moč. Na področju napajanja so na voljo različne vrste regulatorjev. Toda v primeru pretvorbe v enosmerni v enosmerni tok sta na voljo dve vrsti regulatorjev: linearni ali preklopni.
Linearni regulator regulira po izhodu uporovnem padec napetosti, in zaradi tega linearni regulatorji zagotavljajo nižjo učinkovitost in izgubijo moč v obliki toplote.
Na drugi strani stikalni regulator za prenos energije od svojega vira do izhoda uporablja induktor, diodo in stikalo za vklop.
Na voljo so tri vrste preklopnih regulatorjev.
1. Pretvornik pospeševanja (Boost Regulator)
2. Pretvornik navzdol (regulator Buck)
3. Pretvornik (Flyback)
V tej vadnici opisujemo vezje regulatorja preklopa. Zasnovo regulatorja ojačevanja smo že opisali v prejšnji vadnici. Tu bomo razpravljali o različnih vidikih pretvornika Boost in o tem, kako izboljšati njegovo učinkovitost.
Osnove oblikovanja vezja pretvornika ojačevalnika
V mnogih primerih moramo pretvoriti nižjo napetost v višjo, odvisno od zahtev. Boost regulator poveča napetost iz nižjega potenciala v višji potencial.
Na zgornji sliki je prikazano preprosto vezje regulatorja ojačevanja, kjer se uporabljajo induktor, dioda, kondenzator in stikalo.
Namen induktorja je omejiti trenutno hitrost porasta, ki teče skozi stikalo za vklop. Omejil bo presežek visokega toka, ki se mu upor stikala ne more izogniti.
Tudi tuljavi shranjuje energija, energija merjena v J E = (L * I 2 /2)
Razumeli bomo, kako induktorji prenašajo energijo na prihajajočih slikah in grafih.
V primeru preklopa ojačevalnih regulatorjev obstajata dve fazi, ena je faza polnjenja induktorja ali faza vklopa (stikalo je dejansko zaprto), druga pa faza praznjenja ali faza izklopa (stikalo je odprto).
Če predpostavimo, da je stikalo že dalj časa v odprtem položaju, je padec napetosti na diodi negativen in napetost na kondenzatorju enaka vhodni napetosti. V tem primeru, če se stikalo približa, se Vin prestraši preko induktorja. Dioda preprečuje praznjenje kondenzatorja skozi stikalo na tla.
Tok skozi induktor sčasoma narašča linearno. Hitrost naraščanja linearnega toka je sorazmerna vhodni napetosti, deljeni z induktivnostjo di / dt = Napetost na induktorju / induktivnosti
V zgornjem grafu je prikazana faza polnjenja induktorja. Os x označuje t (čas), os Y pa I (tok skozi induktor). Tok se s časom linearno povečuje, ko je stikalo zaprto ali vklopljeno.
Zdaj, ko se stikalo spet izklopi ali odpre, tok induktorja teče skozi diodo in napolni izhodni kondenzator. Ko se izhodna napetost dvigne, se naklon toka skozi induktor obrne. Izhodna napetost narašča, dokler ni dosežena napetost skozi induktor = L * (di / dt).
Hitrost padca toka induktorja s časom je neposredno sorazmerna z napetostjo induktorja. Višja je napetost induktorja, hitrejši padec toka skozi induktor.
V zgornjem grafu tok induktorja pada s časom, ko se stikalo izklopi.
Ko je stikalni regulator v stanju stabilnega stanja, je povprečna napetost induktorja med celotnim preklopnim ciklom nič. V tem stanju je v stanju dinamičnega ravnovesja tudi povprečni tok skozi induktor.
Če predpostavimo, da je čas polnjenja tuljave ton in ima vezje vhodno napetost, bo za izhodno napetost določen čas Toff-a ali praznjenja.
Ker je povprečna napetost induktorja v ustaljenem stanju enaka nič, lahko zgradimo ojačevalno vezje z uporabo naslednjih izrazov
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)
Ker je izhodna napetost enaka vhodni napetosti in povprečni napetosti induktorja (Vout = Vin + VL)
Lahko rečemo, da
Vout = Vin + Vin x (ton / toff) Vout = Vin x (1 + ton / toff)
Vout lahko izračunamo tudi z uporabo delovnega cikla.
Delovni cikel (D) = ton / (ton + toff)
Za regulator preklopa ojačitve bo Vout Vin / (1 - D)
PWM in delovni cikel za vezje pretvornika povečave
Če nadzorujemo delovni cikel, lahko nadzorujemo izhod stacionarnega stanja ojačevalnega pretvornika. Torej za spremembo delovnega cikla uporabljamo krmilno vezje čez stikalo.
Za popolno osnovno vezje regulatorja povišanja potrebujemo dodatno vezje, ki bo spreminjalo delovni cikel in s tem čas, ko induktor dobi energijo od vira.
Na zgornji sliki je razviden ojačevalnik napak, ki s pomočjo povratne poti zazna izhodno napetost na bremenu in krmili stikalo. Najpogostejša krmilna tehnika vključuje tehniko modulacije PWM ali impulzne širine, ki se uporablja za nadzor delovnega cikla vezja.
V krmilne naprave kontrole količina časa stikalo ostaja odprto ali zaprto, odvisno od toka, ki ga pripravi tovora. To vezje uporablja tudi za neprekinjeno delovanje v ustaljenem stanju. Vzel bo vzorec izhodne napetosti in jo odšteval od referenčne napetosti in ustvaril majhen signal napake, nato pa se bo ta signal napake primerjal s signalom rampe oscilatorja in iz izhoda primerjalnika bo PWM signal deloval ali krmilil stikalo vezje.
Ko se izhodna napetost spremeni, nanjo vpliva tudi napetost napake. Zaradi spremembe napetosti napake primerjalnik nadzoruje izhod PWM. PWM se je prav tako spremenil v položaj, ko izhodna napetost ustvari ničelno napetost napake in s tem sistem izvede zaprta krmilna zanka.
Na srečo je v večini sodobnih regulatorjev za povečanje preklopa ta stvar vgrajena v paket IC. Tako s pomočjo sodobnih stikalnih regulatorjev dosežemo preprosto zasnovo vezij.
Referenčna povratna napetost se izvede z uporabo upornega delilnega omrežja. To je dodatno vezje, ki je potrebno skupaj z induktorjem, diodami in kondenzatorji.
Izboljšajte učinkovitost vezja pretvornika povečanja
Zdaj, če raziščemo o učinkovitosti, je to, koliko energije dobimo znotraj vezja in koliko dobimo na izhodu.
(Dut / Pin) * 100%
Ker energije ni mogoče ustvariti ali uničiti, jo je mogoče samo pretvoriti, večina električne energije izgubi neizkoriščene moči, ki se pretvorijo v toploto. Prav tako na praktičnem področju ni idealne situacije, učinkovitost je večji dejavnik pri izbiri regulatorjev napetosti.
Eden glavnih dejavnikov izgube moči za preklopni regulator je dioda. Padec napetosti s kratkim tokom (Vf xi) je neuporabljena moč, ki se pretvori v toploto in zmanjša učinkovitost vezja stikalnega regulatorja. Poleg tega so dodatni stroški za vezje za tehniko upravljanja toplote / toplote z uporabo hladilnika ali ventilatorji za hlajenje vezja pred odvajanjem toplote. Ne samo padec napetosti naprej, povratno okrevanje silicijevih diod povzroči tudi nepotrebno izgubo moči in zmanjšanje celotne učinkovitosti.
Eden najboljših načinov, kako se izogniti standardni obnovitveni diodi, je uporaba Schottkyjevih diod namesto diod, ki imajo nizek padec napetosti naprej in boljše povratno okrevanje. Kadar je potrebna največja učinkovitost, lahko diodo zamenjamo z MOSFET-ji. V sodobni tehnologiji je na voljo veliko možnosti v razdelku Preklopni regulator ojačanja, ki omogočajo več kot 90-odstotno učinkovitost.
Obstaja tudi funkcija "Preskoči način", ki se uporablja v številnih sodobnih napravah, ki regulatorju omogoča, da preskoči preklopne cikle, kadar ni potrebe po preklopu pri zelo majhnih obremenitvah. To je odličen način za izboljšanje učinkovitosti pri lahki obremenitvi. V načinu preskoka se preklopni cikel začne šele, ko izhodna napetost pade pod regulacijski prag.
Kljub večji učinkovitosti, stacionarna konstrukcijska tehnika, manjši sestavni, stikalni regulatorji so hrupni kot linearni regulator. Kljub temu so zelo priljubljeni.
Primer zasnove za Boost Converter
Pred tem smo z MC34063 ustvarili regulator regulacijskega tokokroga, kjer se 5V izhod generira iz vhodne napetosti 3,7V. MC34063 je preklopni regulator, ki je bil uporabljen pri konfiguraciji ojačevalnega regulatorja. Uporabili smo induktor, Schottkyjevo diodo in kondenzatorje.
Na zgornji sliki je Cout izhodni kondenzator, uporabili pa smo tudi induktor in Schottkyjevo diodo, ki sta osnovni komponenti za preklopni regulator. Uporabljeno je tudi omrežje za povratne informacije. Upori R1 in R2 ustvarijo vezje delilnika napetosti, ki je potrebno za stopnjo PWM primerjave in ojačitev napak. Referenčna napetost primerjalnika je 1,25V.
Če si projekt podrobno ogledamo, lahko vidimo, da to vezje MC34063 preklopnega ojačevalnega regulatorja doseže 70-75% učinkovitost. Nadaljnjo učinkovitost je mogoče izboljšati z ustrezno tehniko PCB in pridobivanjem postopkov za termično upravljanje.