Spínací regulátor buck: 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 si popíšeme obvod Switching Buck Regulator. Návrh regulátoru Buck jsme již popsali v předchozím kurzu. Zde budeme diskutovat o různých aspektech převaděče Buck a o tom, jak zlepšit jeho účinnost.

Rozdíl mezi Buck a Boost Regulator

Rozdíl mezi buck a boost regulátorem je v buck regulátoru umístění induktoru, diody a spínacího obvodu odlišné od boost regulátoru. Také v případě zesilovacího regulátoru je výstupní napětí vyšší než vstupní napětí, ale v buckovém regulátoru je výstupní napětí nižší než vstupní napětí.

Převodník Buck topologie nebo Buck je jedním z nejvíce používaných základní topologii používané v SMPS. Je to populární volba, když potřebujeme převést vyšší napětí na nižší výstupní napětí.

Stejně jako regulátor zesílení, měnič měniče nebo regulátor měniče se skládá z induktoru, ale připojení induktoru je spíše v koncovém stupni než ve vstupním stupni použitém v zesilovacích regulátorech.

V mnoha případech tedy musíme převést nižší napětí na vyšší napětí v závislosti na požadavcích. Buckův regulátor převádí napětí z vyššího potenciálu na nižší potenciál.

Základy návrhu obvodu převaděče Buck

Na výše uvedeném obrázku je znázorněn jednoduchý obvod regulátoru Buck, kde se používá induktor, dioda, kondenzátor a spínač. Vstup je přímo připojen přes přepínač. Induktor a kondenzátor jsou připojeny přes výstup, takže zátěž získá hladký průběh výstupního proudu. Dioda slouží k blokování záporného proudu.

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 delší dobu v otevřené poloze, je proud v obvodu 0 a není přítomno žádné napětí.

V této situaci, pokud se spínač přiblíží, proud se zvýší a induktor vytvoří napětí přes něj. Tento pokles napětí minimalizuje zdrojové napětí na výstupu, po několika okamžicích se sníží rychlost změny proudu a sníží se také napětí na induktoru, což nakonec zvýší napětí na zátěži. Induktor ukládá energii pomocí magnetického pole.

Když je tedy spínač zapnutý, přes induktor je napětí V _L = Vin - Vout

Proud v induktoru stoupá rychlostí (Vin - Vout) / l

Proud induktorem stoupá s časem lineárně. Rychlost lineárního proudu je úměrná vstupnímu napětí sníženému o výstupní napětí děleno indukčností

di / dt = (Vin - Vout) / l

Horní graf ukazující fázi nabíjení induktoru. Osa x označuje t (čas) a osa Y označuje i (proud přes induktor). Proud se lineárně zvyšuje s časem, když je spínač sepnutý nebo zapnutý.

během této doby, kdy se proud stále mění, vždy dojde k úbytku napětí na induktoru. Napětí napříč zátěží bude nižší než vstupní napětí. Ve vypnutém stavu, když je spínač otevřený, se odpojí zdroj vstupního napětí a induktor přenese uloženou energii do zátěže. Induktor se stane zdroj proudu pro zatížení.

Dioda D1 bude poskytovat zpětnou cestu proudu protékajícího induktorem během vypnutého stavu.

Proud induktoru klesá se sklonem rovným –Vout / L

Provozní režimy převaděče Buck

Převodník Buck lze provozovat ve dvou různých režimech. Kontinuální režim nebo diskontinuální režim.

Kontinuální režim

Během nepřetržitého režimu se induktor nikdy nevybíjel úplně, nabíjecí cyklus začíná, když je induktor částečně vybitý.

Na výše uvedeném obrázku vidíme, když se spínač zapne, když se indukční proud (iI) lineárně zvýší, pak když se spínač odpojí, induktor se začne snižovat, ale spínač se znovu zapne, zatímco induktor je částečně vybitý. Toto je nepřetržitý provozní režim.

Energie uložená v induktoru je E = (LI _L ²) / 2

Diskontinuální režim

Diskontinuální režim se mírně liší od nepřetržitého režimu. V diskontinuálním režimu se induktor zcela vybil před zahájením nového nabíjecího cyklu. Induktor se zcela vybije na nulu, než se spínač zapne.

Během diskontinuálního režimu, jak vidíme na výše uvedeném obrázku, když se spínač zapne, se indukční proud (il) lineárně zvyšuje, poté, co se spínač vypne, induktor začne klesat, ale spínač se zapne až po induktoru je zcela vybitý a proud induktoru se stal zcela nulovým. Toto je diskontinuální provozní režim. V této operaci není tok proudu induktorem kontinuální.

PWM a pracovní cyklus pro obvod převodníku Buck

Jak jsme diskutovali v předchozím tutoriálu převaděče bucků, měnící se pracovní cyklus můžeme ovládat obvod regulátoru buck. K tomu je zapotřebí základní řídicí systém. Dále je vyžadován chybový ovládací obvod zesilovače a spínače, který bude pracovat v nepřetržitém nebo diskontinuálním režimu.

Takže pro kompletní obvod regulátoru buck 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.

Řídicí obvod řídí dobu, po kterou spínač zůstává otevřený, nebo řídí dobu, po kterou se induktor nabíjí nebo vybíjí.

Tento obvod ovládá spínač v závislosti na provozním režimu. 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 přepínacích regulátorů 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 převaděče Buck

Nyní, když zkoumáme účinnost, kolik energie poskytujeme uvnitř obvodů a kolik dostáváme 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. Dopadový pokles napětí vynásobený proudem (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 Switching buck regulator k dispozici spousta možností, které snadno poskytují účinnost vyšší než 90%.

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

Příklad návrhu převaděče Buck

Dříve jsme vytvořili obvod regulátoru buck pomocí MC34063, kde je výstup 5V generován ze vstupního napětí 12V. MC34063 je spínací regulátor, který byl použit v konfiguraci buckového 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 detailně prohlédneme projekt, můžeme vidět, že 75-78% účinnosti je dosaženo tímto obvodem spínaného buckového regulátoru MC34063. Další efektivitu lze zlepšit použitím správné techniky PCB a získáním postupů tepelného managementu.

Příklad použití regulátoru Buck

Zdroj stejnosměrného proudu v aplikaci s nízkým napětím
Přenosné vybavení
Audio zařízení
Vestavěné hardwarové systémy.
Solární systémy atd.