Switching buck regulator: grundlæggende design og effektivitet

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 Buck Regulator-kredsløbet. Vi har allerede beskrevet Buck Regulator Design i den foregående tutorial. Her vil vi diskutere forskellige aspekter af Buck converter og hvordan man forbedrer effektiviteten.

Forskel mellem Buck og Boost Regulator

Forskellen mellem bukke- og boost-regulatoren er, at i buck-regulatoren er placeringen af ​​induktor, diode og omskiftningskredsløbet forskellig fra boost-regulatoren. I tilfælde af boost regulator er udgangsspændingen også højere end indgangsspændingen, men i buck regulator er udgangsspændingen lavere end indgangsspændingen.

En buck-topologi eller buck-konverter er en af ​​de mest anvendte grundlæggende topologier, der anvendes i SMPS. Det er et populært valg, hvor vi har brug for at konvertere højere spænding til en lavere udgangsspænding.

Samme som boost-regulatoren består en buck-konverter eller buck-regulator af en induktor, men forbindelsen til induktoren er i output-trin snarere end det input-trin, der anvendes i boost-regulatorer.

Så i mange tilfælde er vi nødt til at konvertere lavere spænding til den højere spænding afhængigt af kravene. Buck regulator konverterer spændingen fra højere potentiale til lavere potentiale.

Design Basics of Buck Converter Circuit

I ovenstående billede vises et simpelt Buck regulator kredsløb, hvor en induktor, diode, kondensator og en switch anvendes. Indgangen er direkte forbundet over kontakten. Induktoren og kondensatoren er forbundet på tværs af udgangen, så belastningen får en jævn udgangsstrømbølgeform. Dioden bruges til at blokere den negative strømstrøm.

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 strømmen i kredsløbet 0, og der er ingen spænding til stede.

I denne situation, hvis kontakten kommer tæt, vil strømmen stige, og induktoren vil skabe en spænding over den. Dette spændingsfald minimerer kildespændingen ved udgangen, efter nogle få øjeblikke falder strømændringshastigheden, og spændingen over induktoren falder også, hvilket til sidst øger spændingen over belastningen. Induktor lagrer energi ved hjælp af magnetfeltet.

Så når kontakten er tændt, er spændingen over induktoren V _L = Vin - Vout

Strømmen i induktoren stiger med en hastighed på (Vin - Vout) / L.

Strømmen gennem induktoren stiger lineært med tiden. Den lineære strømstigningshastighed er proportional med indgangsspændingen minus udgangsspænding divideret med induktansen

di / dt = (Vin - Vout) / L.

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.

i løbet af denne tid, mens strømmen stadig ændrer sig, vil der altid forekomme et spændingsfald over induktoren. Spændingen over belastningen vil være lavere end indgangsspændingen. Under slukket tilstand, mens kontakten er åben, afbrydes indgangsspændingskilden, og induktoren overfører den lagrede energi til belastningen. Den spole bliver den aktuelle kilde for fragten.

Dioden D1 tilvejebringer en returvej for den strøm, der strømmer gennem induktoren under frakoblingstilstanden.

Induktorstrømmen falder med en hældning svarende til –Vout / L

Buck Converter-driftstilstande

Buck-konverteren kan betjenes i to forskellige tilstande. Kontinuerlig tilstand eller diskontinuerlig tilstand.

Kontinuerlig tilstand

Under kontinuerlig tilstand aflades induktoren aldrig helt, opladningscyklussen starter, når induktoren delvist aflades.

I ovenstående billede kan vi se, når kontakten tændes, når induktorstrøm (iI) stiger lineært, så når kontakten slukker, begynder induktoren at falde, men kontakten tændes igen, mens induktoren delvist er afladet. Dette er den kontinuerlige driftstilstand.

Energi lagret i induktoren er E = (LI _L ²) / 2

Diskontinuerlig tilstand

Diskontinuerlig tilstand er lidt anderledes end den kontinuerlige tilstand. I tilstanden Diskontinuerligt aflades induktoren helt, før en ny opladningscyklus startes. Induktoren aflades helt til nul, før kontakten blev tændt.

Under diskontinuerlig tilstand, som vi kan se i ovenstående billede, når kontakten tændes, øges induktorstrømmen (il) lineært, så når kontakten slukker, begynder induktoren at falde, men kontakten tændes først efter induktoren er fuldt afladet, og induktorstrømmen blev helt nul. Dette er den diskontinuerlige driftsform. I denne operation er strømmen gennem induktoren ikke kontinuerlig.

PWM og Duty Cycle for Buck Converter Circuit

Som vi diskuterede i den foregående buck-konverteringsvejledning, varierende pligtcyklus kan vi styre buck regulator kredsløb. Til dette kræves et grundlæggende kontrolsystem. Der kræves desuden en fejlforstærker og et switchkontrolkredsløb, som fungerer i kontinuerlig eller diskontinuerlig tilstand.

Så for et komplet buck regulator kredsløb har vi brug for et ekstra kredsløb, der 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.

Kontrolkredsløbet styrer den tid, kontakten forbliver åben, eller styrer, hvor meget tid induktoren oplades eller aflades.

Dette kredsløb styrer kontakten afhængigt af driftsformen. 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 kontrollere 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 buck 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 ​​Buck Converter Circuit

Nu, hvis vi undersøger effektiviteten, 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. Fremadspændingsfaldet ganget med strøm (Vf xi) er det ubrugte wattforbrug, der omdannes til varme og reducerer effektiviteten af ​​koblingsreguleringskredsløbet. Det er også de ekstra omkostninger 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 buck regulator, som let giver mere end 90% effektivitet.

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 Buck Converter

Vi har tidligere oprettet et buck regulator kredsløb ved hjælp af MC34063, hvor 5V output genereres fra 12V input spænding. MC34063 er omskifteregulatoren, der blev brugt i buck 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 75-78% effektivitet opnås ved hjælp af dette MC34063 skifteboksregulator kredsløb. Yderligere effektivitet kan forbedres ved hjælp af korrekt PCB-teknik og opnåelse af termiske styringsprocedurer.

Eksempel på anvendelse af Buck regulator-

1. DC-strømkilde i lavspændingsapplikationen
2. Bærbart udstyr
3. Audioudstyr
4. Indlejrede hardwaresystemer.
5. Solsystemer osv.