Comutator regulator buck: elemente de bază de proiectare și eficiență

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 asigură 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)

In acest tutorial, vom descrie Switching circuitul Buck regulator. Am descris deja proiectarea regulatorului Buck în tutorialul anterior. Aici vom discuta despre diferite aspecte ale convertorului Buck și despre cum să-i îmbunătățim eficiența.

Diferența dintre Buck și Boost Regulator

Diferența dintre regulatorul Buck și boost este că, în regulatorul Buck, amplasarea inductorului, a diodei și a circuitului de comutare este diferită de regulatorul boost. De asemenea, în cazul regulatorului de tensiune, tensiunea de ieșire este mai mare decât tensiunea de intrare, dar în regulatorul Buck, tensiunea de ieșire este mai mică decât tensiunea de intrare.

O topologie buck sau un convertor buck este una dintre cele mai utilizate topologii de bază utilizate în SMPS. Este o alegere populară în care trebuie să convertim tensiunea mai mare la o tensiune de ieșire mai mică.

La fel ca regulatorul de amplificare, un convertor Buck sau un regulator Buck constă dintr-un inductor, dar conexiunea inductorului este mai degrabă în stadiul de ieșire decât în ​​stadiul de intrare utilizat în regulatoarele de amplificare.

Deci, în multe cazuri, trebuie să convertim tensiunea mai mică la cea mai mare, în funcție de cerințe. Regulatorul Buck convertește tensiunea de la potențial mai mare la potențial mai mic.

Bazele proiectării circuitului convertorului Buck

În imaginea de mai sus, este prezentat un circuit regulator Buck simplu, unde se utilizează un inductor, o diodă, un condensator și un comutator. Intrarea este conectată direct pe întrerupător. Inductorul și condensatorul sunt conectați la ieșire, astfel sarcina obține o formă de undă de curent de ieșire lină. Dioda este utilizată pentru blocarea fluxului negativ de curent.

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, curentul din circuit este 0 și nu există tensiune.

În această situație, dacă comutatorul se apropie, atunci curentul va crește și inductorul va crea o tensiune peste el. Această cădere de tensiune minimizează tensiunea sursei la ieșire, după câteva momente rata de schimbare a curentului scade și tensiunea de-a lungul inductorului scade, de asemenea, ceea ce crește în cele din urmă tensiunea de-a lungul sarcinii. Inductorul stochează energia folosind câmpul său magnetic.

Deci, atunci când comutatorul este pornit, pe inductor tensiunea este V _L = Vin - Vout

Curentul din inductor crește cu o rată de (Vin - Vout) / L

Curentul prin inductor crește liniar cu timpul. Rata de creștere a curentului liniar este proporțională cu tensiunea de intrare mai mică tensiunea de ieșire împărțită la inductanță

di / dt = (Vin - Vout) / L

Graficul superior care 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.

în acest timp, în timp ce curentul se schimbă în continuare, va apărea întotdeauna o cădere de tensiune pe inductor. Tensiunea peste sarcină va fi mai mică decât tensiunea de intrare. În timpul stării de oprire, în timp ce comutatorul este deschis, sursa de tensiune de intrare se deconectează, iar inductorul va transfera energia stocată la sarcină. Inductor va deveni sursa de curent pentru sarcina.

Dioda D1 va oferi o cale de întoarcere a curentului care curge prin inductor în timpul stării de oprire.

Curentul inductor scade cu o pantă egală cu –Vout / L

Moduri de operare a convertorului Buck

Convertorul Buck poate fi operat în două moduri diferite. Mod continuu sau discontinuu.

Mod continuu

În modul continuu, inductorul nu s-a descărcat niciodată complet, ciclul de încărcare începe când inductorul este descărcat parțial.

În imaginea de mai sus, putem vedea, când comutatorul pornește când curentul inductorului (iI) crește liniar, atunci când comutatorul se oprește, inductorul începe să scadă, dar comutatorul pornește din nou în timp ce inductorul este parțial descărcat. Acesta este modul continuu de funcționare.

Energia stocată în inductor este E = (LI _L ²) / 2

Mod discontinuu

Modul discontinuu este ușor diferit de modul continuu. În modul discontinuu, inductorul s-a descărcat complet înainte de a începe un nou ciclu de încărcare. Inductorul se va descărca complet la zero înainte de a porni comutatorul.

În timpul modului discontinuu, așa cum putem vedea în imaginea de mai sus când comutatorul pornește, curentul inductorului (il) crește liniar, apoi când comutatorul se oprește, inductorul începe să scadă, dar comutatorul pornește numai după inductor este complet descărcat și curentul inductor a devenit complet zero. Acesta este modul de operare discontinuu. În această operațiune, fluxul de curent prin inductor nu este continuu.

PWM și ciclul de funcționare pentru circuitul convertorului Buck

Așa cum am discutat în tutorialul anterior al convertorului buck, variind ciclul de funcționare, putem controla circuitul regulatorului buck. Pentru aceasta, este necesar un sistem de control de bază. Este necesar suplimentar un circuit de control al amplificatorului de eroare și al comutatorului, care va funcționa în modul continuu sau discontinuu.

Deci, pentru un circuit complet de reglare a buckului, 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.

Circuitul de comandă controlează timpul în care comutatorul rămâne deschis sau, controlând cât timp se încarcă sau se descarcă inductorul.

Acest circuit controlează comutatorul în funcție de modul de funcționare. 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, atunci acest semnal de eroare va fi comparat cu un semnal de rampă oscilator și din ieșirea comparatorului un semnal PWM va funcționa 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 Buck

Acum, dacă investigăm despre eficiență, câtă 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 directe înmulțită cu curent (Vf xi) este puterea neutilizată care este 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 Regulator de comutare, care oferă cu ușurință o eficiență de peste 90%.

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 Buck Converter

Am creat anterior un circuit regulator Buck folosind MC34063 unde ieșirea de 5V este generată de la tensiunea de intrare de 12V. MC34063 este regulatorul de comutare care a fost utilizat în configurația regulatorului buck. 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 o eficiență de 75-78% este obținută prin acest circuit de reglare a buckului de comutare MC34063. Eficiența suplimentară poate fi îmbunătățită folosind tehnica PCB adecvată și obținând proceduri de gestionare termică.

Exemplu de utilizare a regulatorului Buck-

1. Sursă de curent continuu în aplicația de joasă tensiune
2. Echipamente portabile
3. Echipamente audio
4. Sisteme hardware încorporate.
5. Sisteme solare etc.