- Razlika med Buckom in Boost regulatorjem
- Osnove oblikovanja vezja pretvornika Buck
- Načini delovanja pretvornika Buck
- PWM in delovni cikel za vezje pretvornika Buck
- Izboljšajte učinkovitost vezja pretvornika Buck
- Primer zasnove za Buck 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 bomo opisali vezje stikalnega regulatorja. Zasnovo regulatorja Buck smo že opisali v prejšnji vadnici. Tu bomo razpravljali o različnih vidikih Buck pretvornika in o tem, kako izboljšati njegovo učinkovitost.
Razlika med Buckom in Boost regulatorjem
Razlika med regulatorjem in ojačevalnikom je v tem, da je v regulatorju položaja induktorja, diode in stikalnega vezja drugačna od regulatorja povečave. Tudi v primeru regulatorja povečave je izhodna napetost višja od vhodne napetosti, v regulatorju napetosti pa je izhodna napetost nižja od vhodne napetosti.
Buck topologija ali buck pretvornik je ena od najpogosteje uporabljene osnovne topologije, ki se uporablja v PTM. To je priljubljena izbira, pri kateri moramo pretvoriti višjo napetost v nižjo izhodno napetost.
Tako kot regulator ojačevalnika je tudi pretvornik ali regulator napetosti sestavljen iz induktorja, vendar je povezava induktorja v izhodni stopnji in ne vhodna stopnja, ki se uporablja v regulatorjih povečave.
V mnogih primerih moramo torej nižjo napetost pretvoriti v višjo, odvisno od zahtev. Buck regulator pretvori napetost iz višjega potenciala v nižji potencial.
Osnove oblikovanja vezja pretvornika Buck
Na zgornji sliki je prikazano preprosto vezje regulatorja Buck, kjer se uporabljajo induktor, dioda, kondenzator in stikalo. Vhod je neposredno povezan preko stikala. Induktor in kondenzator sta povezana preko izhoda, zato obremenitev dobi gladko valovno obliko izhodnega toka. Dioda se uporablja za blokiranje negativnega toka toka.
V primeru preklapljanja 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 tok v tokokrogu 0 in napetosti ni.
V tem primeru, če se stikalo približa, se bo tok povečal in induktor bo ustvaril napetost na njem. Ta padec napetosti zmanjša napetost vira na izhodu, po nekaj trenutkih se hitrost spremembe toka zmanjša, napetost na induktorju pa se tudi zmanjša, kar sčasoma poveča napetost na obremenitvi. Induktor hrani energijo s pomočjo magnetnega polja.
Torej, ko je stikalo vklopljeno, je na induktorju napetost V L = Vin - Vout
Tok v induktorju narašča s hitrostjo (Vin - Vout) / L
Tok skozi induktor sčasoma narašča linearno. Hitrost naraščanja linearnega toka je sorazmerna vhodni napetosti, zmanjšani za izhodno napetost, deljeni z induktivnostjo
di / dt = (Vin - Vout) / L
Zgornji graf prikazuje fazo 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.
v tem času, medtem ko se tok še spreminja, bo na induktorju vedno prišlo do padca napetosti. Napetost na bremenu bo nižja od vhodne napetosti. Med izklopljenim stanjem, medtem ko je stikalo odprto, se vir vhodne napetosti odklopi in induktor prenese shranjeno energijo v obremenitev. Induktor bo trenutni vir za tovor.
Dioda D1 bo zagotovila povratno pot toka, ki teče skozi induktor med med izklopom stikala.
Tok induktorja se zmanjša z naklonom, enakim –Vout / L
Načini delovanja pretvornika Buck
Pretvornik Buck je mogoče upravljati v dveh različnih načinih. Neprekinjen ali prekinjen način.
Neprekinjen način
V neprekinjenem načinu se induktor nikoli ni popolnoma izpraznil, polnilni cikel se začne, ko se induktor delno izprazni.
Na zgornji sliki lahko vidimo, ko se stikalo vklopi, ko se induktorski tok (iI) linearno poveča, nato pa, ko se stikalo izklopi, se induktor začne zmanjševati, vendar se stikalo spet vklopi, medtem ko je induktor delno izpraznjen. To je neprekinjen način delovanja.
V induktorju shranjena energija je E = (LI L 2) / 2
Prekinitveni način
Prekinitveni način se nekoliko razlikuje od neprekinjenega načina. V prekinitvenem načinu se je induktor popolnoma izpraznil pred začetkom novega cikla polnjenja. Induktor se bo popolnoma izpraznil, preden se bo stikalo vklopilo.
Kot lahko vidimo na zgornji sliki, ko se stikalo vklopi, se tok induktorja (il) linearno poveča, nato pa se pri izklopu stikala induktor zmanjša, toda stikalo se vklopi šele po induktorju se popolnoma izprazni in tok induktorja postane popolnoma nič. To je prekinitveni način delovanja. Pri tej operaciji tok toka skozi induktor ni neprekinjen.
PWM in delovni cikel za vezje pretvornika Buck
Kot smo razpravljali v prejšnji vadnici za pretvornik buck, lahko s spreminjanjem delovnega cikla nadzorujemo vezje regulatorja dolarja. Za to je potreben osnovni nadzorni sistem. Dodatno je potreben krmilni tokokrog ojačevalnika in stikala, ki bo deloval v neprekinjenem ali neprekinjenem načinu.
Za popolno regulacijsko vezje potrebujemo dodatno vezje, ki bo spreminjalo delovni cikel in s tem čas, ko induktor dobi energijo iz 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.
Krmilno vezje nadzoruje, koliko časa je stikalo ostalo odprto, in nadzoruje, koliko časa se napolni ali izprazni tuljava.
To vezje krmili stikalo, odvisno od načina delovanja. 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 večina sodobnih preklopnih regulatorjev to 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 Buck
Zdaj, če raziščemo o učinkovitosti, koliko moči zagotavljamo 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, pomnožen s tokom (Vf xi), je neuporabljena moč, ki se pretvori v toploto in zmanjša učinkovitost vezja stikalnega regulatorja. Prav tako 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, reverzno 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, ki omogoča več kot 90-odstotno učinkovitost.
Kljub večji učinkovitosti, stacionarna konstrukcijska tehnika, manjši sestavni, stikalni regulatorji so hrupni kot linearni regulator. Kljub temu so zelo priljubljeni.
Primer zasnove za Buck Converter
Prej smo ustvarili vezje regulatorja z uporabo MC34063, kjer se 5V izhod generira iz 12V vhodne napetosti. MC34063 je preklopni regulator, ki je bil uporabljen v konfiguraciji pasovnega 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 s tem MC34063 stikalnim regulacijskim vezjem MC34063 dosežemo 75-78% učinkovitost. Nadaljnjo učinkovitost je mogoče izboljšati z ustrezno tehniko PCB in pridobivanjem postopkov za termično upravljanje.
Primer uporabe Buck regulatorja
- Vir enosmernega toka v nizkonapetostni aplikaciji
- Prenosna oprema
- Zvočna oprema
- Vgrajeni strojni sistemi.
- Sončni sistemi itd.