Regulátor zesílení spínání: základy návrhu a účinnost

V elektronice je regulátor zařízení nebo mechanismus, který může neustále regulovat výstupní výkon. V oblasti napájení jsou k dispozici různé druhy regulátorů. Ale hlavně v případě převodu DC na DC jsou k dispozici dva typy regulátorů: lineární nebo přepínací.

Lineární regulátor reguluje výstup pomocí odporový pokles napětí, a vzhledem k této lineární stabilizátory poskytují nižší účinnost a ztrácejí energii ve formě tepla.

Na druhé straně spínaný regulátor používá k přenosu energie ze zdroje na výstup induktor, diodu a vypínač.

K dispozici jsou tři typy spínacích regulátorů.

1. Step-up převodník (Boost Regulator)

2. Step-Down převodník (Buck regulátor)

3. Střídač (Flyback)

V tomto tutoriálu popisujeme obvod Switching Boost Regulator. Návrh Boost Regulator jsme již popsali v předchozím kurzu. Zde budeme diskutovat o různých aspektech převaděče Boost a o tom, jak zlepšit jeho účinnost.

Základy designu obvodu Boost Converter

V mnoha případech musíme převést nižší napětí na vyšší napětí v závislosti na požadavcích. Regulátor Boost zvyšuje napětí z nižšího potenciálu na vyšší potenciál.

Na výše uvedeném obrázku je zobrazen jednoduchý obvod regulátoru Boost, kde se používá induktor, dioda, kondenzátor a spínač.

Účelem induktoru je omezit aktuální rychlost přeběhu, která protéká výkonovým spínačem. Omezí nadměrný špičkový proud, kterému je nevyhnutelně zabráněno spínacím odporem jednotlivě.

Také energie induktor ukládá se měřená v joulech E = (L * I ² /2)

Budeme rozumět tomu, jak induktory přenášejí energii na následujících obrázcích a grafech.

V případě přepínání zesilovacích regulátorů existují dvě fáze, jedna je fáze nabíjení induktoru nebo fáze zapnutí (spínač je ve skutečnosti uzavřen) a druhá fáze vybíjení nebo fáze vypnutí (spínač je otevřený).

Pokud předpokládáme, že spínač byl v otevřené poloze po dlouhou dobu, pokles napětí na diodě je záporný a napětí na kondenzátoru se rovná vstupnímu napětí. V této situaci, pokud se spínač přiblíží, je Vin vyděšen přes induktor. Dioda zabraňuje vybití kondenzátoru spínačem na zem.

Proud induktorem stoupá s časem lineárně. Rychlost stoupání lineárního proudu je úměrná vstupnímu napětí dělenému indukčností di / dt = napětí na induktoru / indukčnost

V horním grafu ukazuje fázi nabíjení induktoru. Osa x označuje t (čas) a osa Y označuje I (proud induktorem). Proud se lineárně zvyšuje s časem, když je spínač sepnutý nebo zapnutý.

Nyní, když se spínač znovu rozepne nebo se rozepne, protéká proud induktoru diodou a nabíjí výstupní kondenzátor. Když výstupní napětí stoupá, sklon proudu induktorem se obrací. Výstupní napětí stoupá, dokud není dosaženo napětí přes induktor = L * (di / dt).

Pokles proudu induktoru v čase je přímo úměrný napětí induktoru. Čím vyšší je napětí induktoru, tím rychlejší je pokles proudu induktorem.

Ve výše uvedeném grafu proud induktoru klesá s časem, kdy se spínač vypne.

Když je spínací regulátor v ustáleném provozním stavu, průměrné napětí induktoru je nula během celého spínacího cyklu. Za této podmínky je průměrný proud přes induktor také v ustáleném stavu.

Pokud předpokládáme, že doba nabíjení induktoru je Ton a obvod má vstupní napětí, pak bude pro výstupní napětí existovat specifická doba Toff nebo doba vybití.

Protože se průměrné napětí induktoru v ustáleném stavu rovná nule, můžeme sestrojit zesilovací obvod pomocí následujících výrazů

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

Protože výstupní napětí se rovná vstupnímu napětí a průměrnému napětí induktoru (Vout = Vin + VL)

Můžeme říci, že

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

Můžeme také vypočítat Vout pomocí pracovního cyklu.

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

Pro regulátor přepínání zesílení bude Vout Vin / (1 - D)

PWM a pracovní cyklus pro obvod Boost Converter

Pokud řídíme pracovní cyklus, můžeme řídit ustálený výstup zesilovače. Takže pro změnu pracovního cyklu používáme řídicí obvod přes spínač.

Takže pro kompletní základní obvod regulátoru zesílení potřebujeme další obvody, které budou měnit pracovní cyklus a tím i dobu, po kterou induktor přijímá energii ze zdroje.

Na výše uvedeném obrázku je vidět chybový zesilovač, který snímá výstupní napětí na zátěži pomocí zpětnovazební cesty a ovládá spínač. Nejběžnější řídicí technika zahrnuje PWM nebo Pulse Width Modulation techniku, která se používá k řízení pracovního cyklu obvodů.

Tyto kontrolní obvod ovládá množství času přepínač zůstává otevření nebo zavření v závislosti na proud odebíraný zátěží. Tento obvod také používá pro nepřetržitý provoz v ustáleném stavu. Bude to trvat vzorek výstupního napětí a odečteno od referenčního napětí a vytvořeno malý chybový signál, poté bude tento chybový signál porovnán se signálem rampy oscilátoru a z výstupu komparátoru bude signál PWM fungovat nebo ovládat spínač obvod.

Když se změní výstupní napětí, ovlivní to také chybové napětí. Kvůli změně chybného napětí komparátor řídí výstup PWM. PWM se také změnilo do polohy, když výstupní napětí vytváří nulové chybové napětí, a tím provede uzavřený systém regulační smyčky práci.

Naštěstí většina moderních regulačních zesilovačů přepínání má tuto věc zabudovanou uvnitř balíčku IC. Díky moderním spínacím regulátorům je tak dosaženo jednoduchého návrhu obvodu.

Referenční zpětnovazební napětí se provádí pomocí sítě odporového děliče. Jedná se o další obvody, které jsou potřebné spolu s induktorem, diodami a kondenzátory.

Zlepšete účinnost obvodu Boost Converter Circuit

Pokud nyní prozkoumáme účinnost, jedná se o to, kolik energie poskytujeme uvnitř obvodů a kolik dostaneme na výstupu.

(Pout / Pin) * 100%

Protože energii nelze vytvořit ani zničit, lze ji pouze přeměnit, většina elektrických energií ztrácí nevyužité síly přeměněné na teplo. V praktické oblasti také neexistuje ideální situace, účinnost je větší faktor pro výběr regulátorů napětí.

Jedním z hlavních činitelů ztráty výkonu pro spínací regulátor je dioda. Dopředný poklesový proud napětí (Vf xi) je nevyužitý příkon, který se převádí na teplo a snižuje účinnost obvodu spínacího regulátoru. Jedná se také o dodatečné náklady na obvody pro techniku ​​tepelného / tepelného managementu používající chladič nebo ventilátory pro chlazení obvodů z rozptýleného tepla. Nejen pokles napětí vpřed, reverzní zotavení pro křemíkové diody také produkují zbytečné ztráty energie a snižují celkovou účinnost.

Jedním z nejlepších způsobů, jak se vyhnout standardní obnovovací diodě, je použití Schottkyho diod namísto diod, které mají nízký pokles dopředného napětí a lepší zpětné zotavení. Pokud je potřeba maximální účinnost, lze diodu vyměnit pomocí MOSFETů. V moderní technologii je v sekci Přepínání zesilovače k ​​dispozici spousta možností, které poskytují snadno více než 90% účinnost.

Existuje také funkce „Skip Mode“, která se používá v mnoha moderních zařízeních a umožňuje regulátoru přeskočit spínací cykly, když není potřeba spínání při velmi malém zatížení. Je to skvělý způsob, jak zlepšit účinnost při lehkém zatížení. V režimu přeskočení je spínací cyklus zahájen pouze tehdy, když výstupní napětí poklesne pod regulační prahovou hodnotu.

Přestože mají vyšší účinnost, stacionární konstrukční technika, menší komponenty, spínací regulátory jsou hlučné než lineární regulátor. Přesto jsou velmi populární.

Příklad návrhu pro Boost Converter

Předtím jsme vytvořili obvod regulátoru zesílení pomocí MC34063, kde je výstup 5V generován ze vstupního napětí 3,7V. MC34063 je spínací regulátor, který byl použit v konfiguraci zesilovacího regulátoru. Použili jsme induktor, Schottkyho diodu a kondenzátory.

Na výše uvedeném obrázku je Cout výstupním kondenzátorem a také jsme použili induktor a Schottkyho diodu, které jsou základními součástmi spínacího regulátoru. Používá se také síť Feedback. Rezistory R1 a R2 vytvářejí obvod děliče napětí, který je potřebný pro stupeň PWM komparátoru a stupeň zesílení chyb. Referenční napětí komparátoru je 1,25V.

Pokud si podrobně prohlédneme projekt, můžeme vidět, že tohoto obvodu regulátoru spínaného zesílení MC34063 je dosaženo 70-75% účinnosti. Další efektivitu lze zlepšit použitím správné techniky PCB a získáním postupů tepelného managementu.