Spínaný regulátor: 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 si popíšeme obvod Switching Buck Regulator. Návrh regulátora Buck sme už opísali v predchádzajúcom návode. Tu budeme diskutovať o rôznych aspektoch prevodníka Buck a o tom, ako zvýšiť jeho účinnosť.

Rozdiel medzi regulátorom Buck a Boost

Rozdiel medzi regulátorom zosilnenia a zosilnením je v regulátore zosilnenia, v ktorom je umiestnenie tlmivky, diódy a spínacieho obvodu odlišné od zosilňovača. Taktiež v prípade zosilňovacieho regulátora je výstupné napätie vyššie ako vstupné napätie, ale v buckovom regulátore je výstupné napätie nižšie ako vstupné napätie.

Prevodník Buck topológia alebo Buck je jedným z najviac používaných základné topológiu používané v SMPS. Je to populárna voľba, keď potrebujeme prevádzať vyššie napätie na nižšie výstupné napätie.

Rovnako ako zosilňovací regulátor, aj prevodník alebo regulátor buck pozostávajúci z induktora, ale pripojenie induktora je skôr v koncovom stupni, ako vo vstupnom stupni použitom v zosilňovacích regulátoroch.

Takže v mnohých prípadoch musíme prevádzať nižšie napätie na vyššie napätie v závislosti od požiadaviek. Buck regulátor prevádza napätie z vyššieho potenciálu na nižší potenciál.

Základy návrhu obvodu prevodníka Buck

Na vyššie uvedenom obrázku je znázornený jednoduchý obvod regulátora Buck, kde sa používa tlmivka, dióda, kondenzátor a spínač. Vstup je priamo pripojený cez prepínač. Induktor a kondenzátor sú spojené cez výstup, takže záťaž dostane hladký priebeh výstupného prúdu. Dióda sa používa na blokovanie toku záporného prúdu.

V prípade prepínania 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, prúd v obvode je 0 a nie je prítomné žiadne napätie.

V tejto situácii, ak sa spínač priblíži, potom sa zvýši prúd a induktor vytvorí na ňom napätie. Tento pokles napätia minimalizuje zdrojové napätie na výstupe, po niekoľkých okamihoch sa rýchlosť zmeny prúdu zníži a napätie na induktore sa tiež zníži, čo nakoniec zvýši napätie na záťaži. Induktor ukladá energiu pomocou svojho magnetického poľa.

Takže keď je spínač zapnutý, cez induktor je napätie V _L = Vin - Vout

Prúd v induktore stúpa rýchlosťou (Vin - Vout) / l

Prúd induktorom stúpa s časom lineárne. Rýchlosť lineárneho rastu prúdu je úmerná vstupnému napätiu zníženému o výstupné napätie delené indukčnosťou

di / dt = (Vin - Vout) / l

Horný graf zobrazujúci fázu nabíjania induktora. Osa x označuje t (čas) a os Y označuje i (prúd cez induktor). Prúd sa lineárne zvyšuje s časom, keď je spínač zopnutý alebo zapnutý.

počas tejto doby, zatiaľ čo sa prúd stále mení, vždy dôjde k poklesu napätia na induktore. Napätie naprieč záťažou bude nižšie ako vstupné napätie. Počas vypnutého stavu, keď je spínač otvorený, sa odpojí zdroj vstupného napätia a induktor prenesie uloženú energiu do záťaže. Induktor sa stane zdroj prúdu pre zaťaženie.

Dióda D1 poskytne spätnú cestu prúdu pretekajúceho induktorom počas vypnutého stavu.

Prúd induktora klesá so sklonom rovným –Vout / L

Prevádzkové režimy prevádzača Buck

Prevodník Buck je možné prevádzkovať v dvoch rôznych režimoch. Kontinuálny režim alebo diskontinuálny režim.

Kontinuálny režim

Počas nepretržitého režimu sa induktor nikdy úplne nevybíjal, nabíjací cyklus sa začne, keď je induktor čiastočne vybitý.

Na vyššie uvedenom obrázku vidíme, keď sa spínač zapne, keď sa prúd induktora (iI) lineárne zvyšuje, potom keď sa spínač odpojí, induktor sa začne znižovať, ale spínač sa znova zapne, zatiaľ čo induktor je čiastočne vybitý. Toto je nepretržitý prevádzkový režim.

Energia uložená v tlmivke je E = (LI _L ²) / 2

Diskontinuitný režim

Diskontinuitný režim sa mierne líši od nepretržitého režimu. V diskontinuálnom režime sa induktor úplne vybil pred zahájením nového nabíjacieho cyklu. Induktor sa úplne vybije na nulu pred zapnutím spínača.

Počas diskontinuálneho režimu, ako vidíme na obrázku vyššie, keď sa spínač zapne, sa indukčný prúd (il) lineárne zvyšuje, potom keď sa spínač vypne, induktor začne klesať, ale spínač sa zapne až po induktore je úplne vybitý a prúd induktora sa stal úplne nulovým. Toto je diskontinuálny prevádzkový režim. V tejto operácii nie je tok prúdu cez induktor kontinuálny.

PWM a pracovný cyklus pre obvod prevodníka Buck

Ako sme diskutovali v predchádzajúcom návode na prevodník buckov, meniaci sa pracovný cyklus môžeme riadiť obvod regulátora buck. K tomu je potrebný základný riadiaci systém. Ďalej je potrebný chybový riadiaci obvod zosilňovača a spínača, ktorý bude pracovať v nepretržitom alebo prerušovanom režime.

Pre úplný obvod regulátora buck 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.

Riadiaci obvod riadi čas, po ktorý spínač zostáva otvorený, alebo riadi, koľko času sa induktor nabije alebo vybije.

Tento obvod riadi spínač v závislosti od prevádzkového režimu. 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 regulátorov 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 prevodníka Buck

Teraz, keď skúmame efektívnosť, 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. Dopadový pokles napätia vynásobený prúdom (Vf xi) je nevyužitý príkon, ktorý sa prevedie na teplo a zníži 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 prepínania regulátora dolára k dispozícii veľa možností, ktoré ľahko poskytujú viac ako 90% účinnosť.

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

Príklad návrhu pre prevodník buckov

Predtým sme vytvorili obvod regulátora buck pomocou MC34063, kde je výstup 5V generovaný zo vstupného napätia 12V. MC34063 je spínací regulátor, ktorý sa použil v konfigurácii buckového 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 75-78% účinnosť sa dosahuje týmto spínacím obvodom regulátora MC34063. Ďalšiu účinnosť je možné zvýšiť použitím správnej techniky PCB a získaním postupov tepelného hospodárstva.

Príklad použitia regulátora Buck-

Zdroj energie DC v aplikácii s nízkym napätím
Prenosné vybavenie
Audio zariadenie
Zabudované hardvérové systémy.
Solárne systémy atď.