- Design Basics of Boost Converter Circuit
- PWM og Duty Cycle for Boost Converter Circuit
- Forbedre effektiviteten af Boost Converter Circuit
- Eksempel på design til Boost Converter
I elektronik er en regulator en enhed eller mekanisme, der konstant kan regulere effekt. Der findes forskellige typer regulatorer inden for strømforsyningsdomænet. Men hovedsageligt i tilfælde af DC til DC-konvertering er der to typer regulatorer til rådighed: Lineær eller Switching.
En lineær regulator regulerer output ved hjælp af et resistivt spændingsfald, og på grund af dette giver lineære regulatorer lavere effektivitet og mister strøm i form af varme.
På den anden side Omskifteregulator bruger spole, diode og en afbryder til at overføre energi fra kilden til udgangen.
Der er tre typer omskifteregulatorer til rådighed.
1. Step-up konverter (Boost Regulator)
2. Step-Down konverter (Buck regulator)
3. Inverter (Flyback)
I denne vejledning beskriver vi Switching Boost Regulator-kredsløbet. Vi har allerede beskrevet Boost Regulator Design i den foregående tutorial. Her vil vi diskutere forskellige aspekter af Boost-konverter og hvordan man forbedrer effektiviteten.
Design Basics of Boost Converter Circuit
I mange tilfælde er vi nødt til at konvertere lavere spænding til den højere spænding afhængigt af kravene. Boost regulator øger spændingen fra lavere potentiale til højere potentiale.
I ovenstående billede vises et simpelt Boost regulator kredsløb, hvor en induktor, diode, kondensator og en switch anvendes.
Formålet med spolen er at begrænse den aktuelle svinghastighed, der strømmer gennem afbryderen. Det vil begrænse den overskydende højspidsstrøm, der er uundgåelig af switch-modstanden individuelt.
Også den inductor lagrer energi, den energi målt i joule E = (L * I 2 /2)
Vi vil forstå, hvordan induktorerne overfører energi i de kommende billeder og grafer.
I tilfælde af omskifterboostregulatorer er der to faser, den ene er induktorens opladningsfase eller tændingsfasen (afbryderen er faktisk lukket) og den anden er udladningsfase eller frakoblingsfasen (afbryderen er åben).
Hvis vi antager, at kontakten har været i åben position i lang tid, er spændingsfaldet over dioden negativt, og spændingen over kondensatoren er lig med indgangsspændingen. I denne situation, hvis kontakten nærmer sig, er Vin bange over induktoren. Dioden forhindrer kondensatorudladning gennem kontakten til jorden.
Strømmen gennem induktoren stiger lineært med tiden. Den lineære strømstigningshastighed er proportional med indgangsspændingen divideret med induktansen di / dt = Spænding på tværs af induktoren / induktansen
I den øverste graf, der viser induktorens opladningsfase. X-aksen betegner t (tid) og Y-aksen betegner I (strøm gennem induktoren). Strømmen stiger lineært med tiden, når kontakten er lukket eller TIL.
Nu, når kontakten igen slukkes eller blev åben, strømmer induktorstrømmen gennem dioden og oplader udgangskondensatoren. Når udgangsspændingen stiger, vender den aktuelle hældning gennem induktoren. Udgangsspændingen stiger, indtil spændingen gennem induktoren = L * (di / dt) er nået.
Induktorens nuværende faldhastighed med tiden er direkte proportional med induktorspændingen. Højere spolespænding, hurtigere falder strømmen gennem spolen.
I ovenstående graf falder induktorstrømmen med tiden, når kontakten slukkes.
Når omskifteregulatoren er i driftstilstand, er induktorens gennemsnitlige spænding nul under hele skiftecyklussen. For denne tilstand er den gennemsnitlige strøm gennem induktoren også i steady-state.
Hvis vi antager, at induktorens opladningstid er Ton, og kredsløbet har en indgangsspænding, vil der være en bestemt Toff- eller afladningstid for en udgangsspænding.
Da den gennemsnitlige induktorspænding er lig med nul i steady state, kan vi konstruere boost-kredsløb ved hjælp af følgende termer
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)
Da udgangsspændingen er lig med indgangsspændingen og den gennemsnitlige induktorspænding (Vout = Vin + VL)
Det kan vi godt sige, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
Vi kan også beregne Vout ved hjælp af driftscyklus.
Arbejdscyklus (D) = Ton / (Ton + Toff)
For boost switch-regulatoren vil Vout være Vin / (1 - D)
PWM og Duty Cycle for Boost Converter Circuit
Hvis vi styrer driftscyklussen, kan vi styre boost-konverterens steady-state output. Så til driftscyklusvariationen bruger vi et kontrolkredsløb over kontakten.
Så for et komplet grundlæggende boost regulator kredsløb har vi brug for et ekstra kredsløb, som vil variere driftscyklussen og dermed den tid, som induktoren modtager energi fra kilden.
I ovenstående billede kan en fejlforstærker ses, som registrerer udgangsspændingen over belastningen ved hjælp af en feedbackvej og styrer kontakten. Mest almindelige kontrolteknik inkluderer PWM eller pulsbreddemodulationsteknik, der bruges til at styre kredsløbets driftscyklus.
De Styrekredsløbet styrer den tid omskifteren forbliver åben eller tæt, afhængigt af den aktuelle trækkes af belastningen. Dette kredsløb bruger også til kontinuerlig drift i stabil tilstand. Det tager en prøve af udgangsspændingen og trækker den fra en referencespænding og opretter et lille fejlsignal, så vil dette fejlsignal blive sammenlignet med et oscillatorrampesignal, og fra komparatorudgangen vil et PWM-signal betjene eller styre kontakten kredsløb.
Når udgangsspændingen ændres, påvirkes fejlspændingen også af den. På grund af fejlspændingsændring kontrollerer komparatoren PWM-output. PWM'en skiftede også til en position, når udgangsspændingen skaber nul fejlspænding, og ved at gøre dette udfører det lukkede kontrolsløjfesystem arbejdet.
Heldigvis har de fleste moderne Switching boost regulatorer denne ting indbygget i IC-pakken. Således opnås simpelt kredsløbskonstruktion ved hjælp af de moderne koblingsregulatorer.
Referencefeedback-spændingen udføres ved hjælp af et modstandsdelernetværk. Dette er det ekstra kredsløb, som er nødvendigt sammen med induktor, dioder og kondensatorer.
Forbedre effektiviteten af Boost Converter Circuit
Nu, hvis vi undersøger effektiviteten, er det hvor meget strøm vi leverer inde i kredsløbet, og hvor meget vi får ved udgangen.
(Pout / Pin) * 100%
Da energi ikke kan skabes eller ødelægges, kan den kun konverteres, de fleste elektriske energier mister ubrugte kræfter omdannet til varme. Der er heller ingen ideel situation i det praktiske felt, effektivitet er en større faktor til valg af spændingsregulatorer.
En af de vigtigste effekttabfaktorer for en koblingsregulator er dioden. Strømmen for fremadspændingsfaldstider (Vf xi) er den ubrugte watt, der konverteres til varme og reducerer effektiviteten af koblingsreguleringskredsløbet. Det er også ekstraomkostningerne for kredsløbet for termisk / varmestyringsteknik ved hjælp af en kølelegeme eller Ventilatorer til at afkøle kredsløbet fra spredt varme. Ikke kun det fremadrettede spændingsfald, omvendt opsving for siliciumdioder, producerer også unødvendigt effekttab og reduktion af den samlede effektivitet.
En af de bedste måder at undgå en standardgenoprettelsesdiode er at bruge Schottky-dioder i stedet for dioder, der har et lavt fremadspændingsfald og bedre omvendt genopretning. Når der er behov for maksimal effektivitet, kan dioden udskiftes ved hjælp af MOSFET'er. I moderne teknologi er der masser af valgmuligheder i sektionen Switching boost regulator, som let giver mere end 90% effektivitet.
Der er også en funktion "Skip Mode", som bruges i mange moderne enheder, som gør det muligt for regulatoren at springe over skiftecyklusser, når der ikke er behov for at skifte ved meget lette belastninger. Det er en fantastisk måde at forbedre effektiviteten i let belastningstilstand. I spring-tilstand startes kun skiftecyklus, når udgangsspændingen falder under en reguleringstærskel.
På trods af at der er højere effektivitet, er stationær designteknik, mindre komponent, koblingsregulatorer støjende end en lineær regulator. Stadig er de meget populære.
Eksempel på design til Boost Converter
Vi har tidligere oprettet et boost regulator kredsløb ved hjælp af MC34063, hvor 5V output genereres fra 3,7V input spændingen. MC34063 er den switch regulator, der blev brugt til boost regulator konfiguration. Vi brugte en induktor, en Schottky-diode og kondensatorer.
I ovenstående billede er Cout outputkondensatoren, og vi brugte også en induktor og Schottky-diode, som er de grundlæggende komponenter til en omskifteregulator. Der er også et feedbacknetværk brugt. R1- og R2-modstande skaber et spændingsdelerkredsløb, som er nødvendigt for komparatorens PWM- og fejlforstærkningstrin. Komparatorens referencespænding er 1,25V.
Hvis vi ser projektet i detaljer, kan vi se, at 70-75% effektivitet opnås med dette MC34063 switch boost regulator kredsløb. Yderligere effektivitet kan forbedres ved hjælp af korrekt PCB-teknik og opnåelse af termiske styringsprocedurer.