Regulátor zosilnenia prepínania: základy a účinnosť

V elektronike je regulátor zariadenie alebo mechanizmus, ktorý dokáže neustále regulovať výstupný výkon. V oblasti napájania sú k dispozícii rôzne druhy regulátorov. Ale hlavne v prípade konverzie DC na DC sú k dispozícii dva typy regulátorov: lineárny alebo spínací.

Lineárne regulátor reguluje výstup pomocou odporový pokles napätia, a vzhľadom k tejto lineárne stabilizátory poskytujú nižšiu účinnosť a strácajú energiu vo forme tepla.

Na druhej strane spínací regulátor používa induktor, diódu a hlavný vypínač na prenos energie zo zdroja na výstup.

K dispozícii sú tri typy spínacích regulátorov.

1. Step-up prevodník (Boost Regulator)

2. Step-Down prevodník (Buck regulátor)

3. Striedač (Flyback)

V tomto tutoriále popisujeme obvod prepínania zosilňovača. Návrh zosilňovača regulátora sme si už popísali v predchádzajúcom návode. Tu budeme diskutovať o rôznych aspektoch prevodníka Boost a o tom, ako zvýšiť jeho účinnosť.

Základy návrhu obvodu zosilňovača Boost

V mnohých prípadoch musíme prevádzať nižšie napätie na vyššie napätie v závislosti od požiadaviek. Regulátor zosilnenia zvyšuje napätie z nízkeho potenciálu na vyšší potenciál.

Na vyššie uvedenom obrázku je znázornený jednoduchý obvod regulátora Boost, kde sa používa tlmivka, dióda, kondenzátor a spínač.

Účelom induktora je obmedziť súčasnú rýchlosť záblesku, ktorá preteká cez výkonový vypínač. Obmedzí nadmerne vysoký špičkový prúd, ktorému sa nedá vyhnúť spínacím odporom jednotlivo.

Tiež energie induktor ukladá sa meraná v jouloch E = (L * I ² /2)

Pochopíme, ako induktory prenášajú energiu na nasledujúcich obrázkoch a grafoch.

V prípade spínania regulátorov zosilnenia existujú dve fázy, jedna je fáza nabíjania induktora alebo fáza zapínania (spínač je skutočne zatvorený) a druhá je fáza vybíjania alebo fáza vypínania (spínač je otvorený).

Ak predpokladáme, že spínač bol dlho v otvorenej polohe, pokles napätia na dióde je záporný a napätie na kondenzátore sa rovná vstupnému napätiu. V tejto situácii, ak sa spínač priblíži, vystraší sa Vin cez induktor. Dióda zabraňuje vybitiu kondenzátora spínačom na zem.

Prúd induktorom stúpa s časom lineárne. Rýchlosť lineárneho rastu prúdu je úmerná vstupnému napätiu vydelenému indukčnosťou di / dt = napätie na induktore / indukčnosť

V hornom grafe ukazuje fázu nabíjania induktora. Os x označuje t (čas) a os Y označuje I (prúd induktorom). Prúd sa lineárne zvyšuje s časom, keď je spínač zopnutý alebo zapnutý.

Teraz, keď sa spínač opäť vypne alebo sa otvorí, prúd induktora preteká diódou a nabíja výstupný kondenzátor. Keď stúpa výstupné napätie, sklon prúdu cez induktor sa obráti. Výstupné napätie stúpa, kým sa nedosiahne napätie cez induktor = L * (di / dt).

Rýchlosť poklesu induktora s časom je priamo úmerná napätiu induktora. Čím vyššie je napätie induktora, tým rýchlejší je pokles prúdu cez induktor.

Vo vyššie uvedenom grafe prúd induktora klesá s časom, keď sa vypínač vypne.

Keď je spínací regulátor v ustálenom prevádzkovom stave, priemerné napätie induktora je nulové počas celého spínacieho cyklu. Za tohto stavu je priemerný prúd cez induktor tiež v ustálenom stave.

Ak predpokladáme, že doba nabíjania induktora je Ton a obvod má vstupné napätie, potom bude pre výstupné napätie existovať konkrétny čas Toff alebo výboj.

Pretože priemerné napätie induktora sa v ustálenom stave rovná nule, môžeme zostrojiť zosilňovací obvod pomocou nasledujúcich výrazov

Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)

Pretože výstupné napätie sa rovná vstupnému napätiu a priemernému napätiu induktora (Vout = Vin + VL)

Môžeme povedať, že

Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

Môžeme tiež vypočítať Vout pomocou pracovného cyklu.

Pracovný cyklus (D) = Ton / (Ton + Toff)

Pre regulátor prepínania zosilnenia bude Vout Vin / (1 - D)

PWM a pracovný cyklus pre obvod prevodníka zosilnenia

Ak riadime pracovný cyklus, môžeme riadiť ustálený výstup zosilňovacieho prevodníka. Pre zmenu pracovného cyklu teda používame riadiaci obvod cez spínač.

Pre kompletný základný obvod zosilňovača teda potrebujeme ďalšie obvody, ktoré budú meniť pracovný cyklus a tým aj dobu, po ktorú induktor dostane energiu zo zdroja.

Na vyššie uvedenom obrázku je vidieť chybový zosilňovač, ktorý sníma výstupné napätie cez záťaž pomocou spätnoväzbovej cesty a ovláda prepínač. Najbežnejšia riadiaca technika zahrnuje PWM alebo Pulse Width Modulation techniku, ktorá sa používa na riadenie pracovného cyklu obvodov.

Tieto kontrolné obvod ovláda množstvo času prepínač zostáva otvorenie alebo zatvorenie v závislosti na prúd odoberaný záťažou. Tento obvod tiež používa na nepretržitú prevádzku v ustálenom stave. Zoberie sa vzorka výstupného napätia a odčíta sa od referenčného napätia a vytvorí sa malý chybový signál, potom sa tento chybový signál porovná so signálom rampy oscilátora a z výstupu komparátora bude signál PWM pracovať alebo riadiť spínač. obvod.

Pri zmene výstupného napätia ním ovplyvnené aj chybové napätie. Kvôli zmene chybného napätia komparátor riadi výstup PWM. PWM sa tiež zmenil do polohy, keď výstupné napätie vytvára nulové chybové napätie, a tým vykoná prácu systém s uzavretou regulačnou slučkou.

Našťastie, väčšina moderných prepínacích zosilňovačov má túto vec zabudovanú vo vnútri balíka IC. Týmto sa dosahuje jednoduchá konštrukcia obvodov pomocou moderných spínacích regulátorov.

Referenčné spätnoväzbové napätie sa vykonáva pomocou siete odporového deliča. Toto sú ďalšie obvody, ktoré sú potrebné spolu s induktormi, diódami a kondenzátormi.

Zvýšte účinnosť obvodu Boost Converter

Teraz, keď skúmame účinnosť, je to to, koľko energie poskytujeme vo vnútri obvodov a koľko dostaneme na výstupe.

(Pout / Pin) * 100%

Pretože energiu nie je možné vytvoriť ani zničiť, je možné ju iba premeniť a väčšina elektrických energií stratí nevyužité sily prevedené na teplo. V praktickej oblasti tiež neexistuje ideálna situácia, efektívnosť je väčším faktorom pri výbere regulátorov napätia.

Jedným z hlavných faktorov straty výkonu pre spínací regulátor je dióda. Prúd poklesu času vpred (Vf xi) je nevyužitý príkon, ktorý sa prevádza na teplo a znižuje účinnosť obvodu spínacieho regulátora. Jedná sa tiež o dodatočné náklady na obvody pre techniku ​​tepelného / tepelného hospodárstva využívajúcu chladič alebo ventilátory na ochladenie obvodov z rozptýleného tepla. Nielen pokles napätia vpred, reverzné zotavenie pre kremíkové diódy tiež produkujú zbytočné straty energie a znižujú celkovú účinnosť.

Jedným z najlepších spôsobov, ako sa vyhnúť štandardnej dióde na zotavenie, je použitie Schottkyho diód namiesto diód, ktoré majú nízky pokles napätia vpred a lepšie spätné zotavenie. Ak je potrebná maximálna účinnosť, dióda sa dá vymeniť pomocou MOSFETov. V modernej technológii je v sekcii Regulátor zosilnenia prepínania k dispozícii veľa možností, ktoré ľahko poskytujú účinnosť viac ako 90%.

Existuje tiež funkcia „Skip Mode“, ktorá sa používa v mnohých moderných zariadeniach a umožňuje regulátoru preskočiť spínacie cykly, keď nie je potrebné spínať pri veľmi malom zaťažení. Je to skvelý spôsob, ako zlepšiť účinnosť pri ľahkom zaťažení. V režime preskočenia sa spínací cyklus spustí, až keď výstupné napätie klesne pod regulačnú prahovú hodnotu.

Napriek vyššej účinnosti, stacionárnej konštrukčnej technike a menšej súčiastke sú spínacie regulátory hlučné ako lineárny regulátor. Napriek tomu sú veľmi populárne.

Príklad návrhu pre Boost Converter

Predtým sme vytvorili obvod zosilňovacieho regulátora pomocou MC34063, kde je výstup 5V generovaný zo vstupného napätia 3,7V. MC34063 je spínací regulátor, ktorý sa použil v konfigurácii zosilňovacieho regulátora. Použili sme induktor, Schottkyho diódu a kondenzátory.

Na vyššie uvedenom obrázku je Cout výstupným kondenzátorom a tiež sme použili induktor a Schottkyho diódu, ktoré sú základnými komponentmi spínacieho regulátora. Používa sa tiež sieť spätnej väzby. Rezistory R1 a R2 vytvárajú obvod deliča napätia, ktorý je potrebný pre PWM komparátora a pre stupeň zosilnenia chyby. Referenčné napätie komparátora je 1,25V.

Ak si pozrieme projekt podrobne, môžeme vidieť, že tento obvod regulátora spínaného zosilnenia MC34063 dosahuje 70 - 75% účinnosť. Ďalšiu účinnosť je možné zvýšiť použitím správnej techniky PCB a získaním postupov tepelného hospodárstva.