- Bazele proiectării circuitului convertorului Boost
- PWM și ciclul de funcționare pentru circuitul convertorului Boost
- Îmbunătățiți eficiența circuitului convertorului Boost
- Exemplu de proiectare pentru Boost Converter
În electronică, un regulator este un dispozitiv sau mecanism care poate regla puterea constantă. Există diferite tipuri de regulatoare disponibile în domeniul sursei de alimentare. Dar, în principal, în cazul conversiei CC la CC, există două tipuri de regulatoare disponibile: Liniar sau Comutator.
Un regulator liniar reglează ieșirea folosind o cădere de tensiune rezistivă și, datorită acestui fapt, regulatoarele liniare oferă o eficiență mai mică și pierd puterea sub formă de căldură.
Pe de altă parte, regulatorul de comutare utilizează inductor, diodă și un comutator de alimentare pentru a transfera energia de la sursa sa la ieșire.
Există trei tipuri de regulatoare de comutare disponibile.
1. Convertor pas cu pas (Boost Regulator)
2. Convertor pas cu pas (regulator Buck)
3. Invertor (Flyback)
În acest tutorial descriem circuitul regulatorului de comutare a impulsului. Am descris deja Boost Regulator Design în tutorialul anterior. Aici vom discuta despre diferite aspecte ale convertorului Boost și despre cum să îmbunătățim eficiența acestuia.
Bazele proiectării circuitului convertorului Boost
În multe cazuri, trebuie să convertim tensiunea mai mică la cea mai mare, în funcție de cerințe. Regulatorul Boost crește tensiunea de la potențial mai mic la potențial mai mare.
În imaginea de mai sus, este prezentat un circuit simplu de reglare Boost unde se utilizează un inductor, o diodă, un condensator și un comutator.
Scopul inductorului este de a limita viteza curentă de rotire care curge prin întrerupătorul de alimentare. Acesta va limita excesul de curent de vârf ridicat, care este inevitabil de rezistența comutatorului individual.
De asemenea, energia de magazine inductor, energia măsurată în Jouli E = (L * I cu 2 /2)
Vom înțelege cum inductorii transferă energia în imaginile și graficele viitoare.
În cazul comutării regulatoarelor de creștere, există două faze, una este faza de încărcare a inductorului sau faza de pornire (comutatorul este închis efectiv), iar cealaltă este faza de descărcare sau faza de oprire (comutatorul este deschis).
Dacă presupunem că întrerupătorul a fost în poziție deschisă pentru o lungă perioadă de timp, căderea de tensiune pe diodă este negativă, iar tensiunea pe condensator este egală cu tensiunea de intrare. În această situație, dacă comutatorul se apropie, Vin se sperie peste inductor. Dioda previne descărcarea condensatorului prin comutator la sol.
Curentul prin inductor crește liniar cu timpul. Rata de creștere a curentului liniar este proporțională cu tensiunea de intrare împărțită la inductanța di / dt = Tensiune la inductor / inductanță
În graficul superior, arată faza de încărcare a inductorului. Axa x denotă t (timp), iar axa Y denotă I (curent prin inductor). Curentul crește liniar cu timpul când comutatorul este închis sau PORNIT.
Acum, când comutatorul se oprește din nou sau se deschide, curentul inductorului curge prin diodă și încarcă condensatorul de ieșire. Când tensiunea de ieșire crește, panta curentă prin inductor se inversează. Tensiunea de ieșire crește până când se atinge tensiunea prin inductor = L * (di / dt).
Rata de scădere a curentului inductorului în timp este direct proporțională cu tensiunea inductorului. Cu cât este mai mare tensiunea inductorului, cu atât mai rapidă scade curentul prin inductor.
În graficul de mai sus, curentul inductorului scade odată cu oprirea comutatorului.
Când regulatorul de comutare este în stare de funcționare în regim de echilibru, tensiunea medie a inductorului este zero pe parcursul întregului ciclu de comutare. Pentru această condiție, curentul mediu prin inductor este, de asemenea, în stare de echilibru.
Dacă presupunem că timpul de încărcare a inductorului este Ton și circuitul are o tensiune de intrare, atunci va exista un timp specific de descărcare sau Toff pentru o tensiune de ieșire.
Deoarece tensiunea medie a inductorului este egală cu zero în stare de echilibru, putem construi un circuit de impuls folosind următorii termeni
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)
Deoarece tensiunea de ieșire este egală cu tensiunea de intrare și tensiunea medie a inductorului (Vout = Vin + VL)
Putem spune că, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
De asemenea, putem calcula Vout folosind ciclul de funcționare.
Ciclul de funcționare (D) = Ton / (Ton + Toff)
Pentru regulatorul de comutare boost Vout va fi Vin / (1 - D)
PWM și ciclul de funcționare pentru circuitul convertorului Boost
Dacă controlăm ciclul de funcționare, putem controla ieșirea în regim stabil a convertorului de impuls. Deci, pentru variația ciclului de funcționare, folosim un circuit de control peste comutator.
Deci, pentru un circuit complet de reglare a impulsului de bază, avem nevoie de un circuit suplimentar care să varieze ciclul de funcționare și, astfel, cât timp inductorul primește energie de la sursă.
În imaginea de mai sus, se poate vedea un amplificator de eroare care detectează tensiunea de ieșire peste sarcină folosind o cale de feedback și controlează comutatorul. Cea mai comună tehnică de control include tehnologia PWM sau modularea lățimii impulsurilor, care este utilizată pentru a controla ciclul de funcționare al circuitelor.
În circuitul de comandă controlează cantitatea de timp comutatorul rămâne deschis sau aproape, în funcție de curentul absorbit de sarcină. Acest circuit este, de asemenea, utilizat pentru funcționarea continuă în starea de echilibru. Va lua un eșantion de tensiune de ieșire și o va scădea dintr-o tensiune de referință și va crea un semnal de eroare mic, apoi acest semnal de eroare va fi comparat cu un semnal de rampă oscilator și din ieșirea comparatorului un semnal PWM va acționa sau va controla comutatorul circuit.
Când se modifică tensiunea de ieșire, tensiunea de eroare este afectată și de aceasta. Datorită modificării tensiunii de eroare, comparatorul controlează ieșirea PWM. PWM s-a schimbat, de asemenea, într-o poziție când tensiunea de ieșire creează o tensiune de eroare zero și, făcând acest lucru, sistemul închis de buclă de control execută lucrarea.
Din fericire, majoritatea regulatoarelor de comutare moderne au acest lucru încorporat în pachetul IC. Astfel, proiectarea simplă a circuitelor este realizată folosind regulatoarele moderne de comutare.
Tensiunea de feedback de referință se face folosind o rețea de împărțire a rezistorului. Acesta este circuitul suplimentar, care este necesar împreună cu inductor, diode și condensatori.
Îmbunătățiți eficiența circuitului convertorului Boost
Acum, dacă investigăm despre eficiență, este cât de multă putere furnizăm în interiorul circuitelor și cât de mult obținem la ieșire.
(Pout / Pin) * 100%
Deoarece energia nu poate fi creată sau distrusă, ea poate fi convertită doar, majoritatea energiilor electrice pierd puteri neutilizate transformate în căldură. De asemenea, nu există o situație ideală în domeniul practic, eficiența este un factor mai mare pentru selectarea regulatoarelor de tensiune.
Unul dintre principalii factori de pierdere de putere pentru un regulator de comutare este dioda. Scăderea tensiunii înainte de curenți (Vf xi) este puterea neutilizată, convertită în căldură și reduce eficiența circuitului regulatorului de comutare. De asemenea, este costul suplimentar al circuitelor pentru tehnica de gestionare a căldurii / căldurii folosind un radiator sau Ventilatoare pentru răcirea circuitelor de căldură disipată. Nu numai căderea de tensiune directă, recuperarea inversă pentru diodele de siliciu produc, de asemenea, pierderi inutile de energie și reducerea eficienței generale.
Unul dintre cele mai bune moduri de a evita o diodă de recuperare standard este utilizarea diodelor Schottky în locul diodelor care au o cădere de tensiune redusă înainte și o recuperare inversă mai bună. Când este necesară o eficiență maximă, dioda poate fi înlocuită folosind MOSFET-uri. În tehnologia modernă, există o mulțime de opțiuni disponibile în secțiunea regulatorului de comutare, care oferă o eficiență mai mare de 90%.
De asemenea, există o caracteristică „Skip Mode” care este utilizată în multe dispozitive moderne, care permite regulatorului să sară peste ciclurile de comutare atunci când nu este nevoie de comutare la sarcini foarte ușoare. Este o modalitate excelentă de a îmbunătăți eficiența în condiții de încărcare ușoară. În modul skip, ciclul de comutare este inițiat numai atunci când tensiunea de ieșire scade sub un prag de reglare.
În ciuda eficienței mai mari, a tehnicii de proiectare staționară, a componentelor mai mici, regulatoarele de comutare sunt zgomotoase decât un regulator liniar. Totuși, acestea sunt foarte populare.
Exemplu de proiectare pentru Boost Converter
Am creat anterior un circuit de reglare a impulsului folosind MC34063 unde ieșirea de 5V este generată de la tensiunea de intrare de 3,7V. MC34063 este regulatorul de comutare care a fost utilizat în configurația regulatorului de impuls. Am folosit un inductor, o diodă Schottky și condensatori.
În imaginea de mai sus, Cout este condensatorul de ieșire și am folosit, de asemenea, un inductor și o diodă Schottky, care sunt componentele de bază pentru un regulator de comutare. Există, de asemenea, o rețea de feedback utilizată. Rezistoarele R1 și R2 creează un circuit divizor de tensiune, care este necesar pentru etapa de amplificare PWM și eroare a comparatorului. Tensiunea de referință a comparatorului este de 1,25V.
Dacă vedem proiectul în detaliu, putem vedea că eficiența de 70-75% este obținută prin acest circuit de regulare a comutatorului de comutare MC34063. Eficiența suplimentară poate fi îmbunătățită folosind tehnica PCB adecvată și obținând proceduri de gestionare termică.