Импульсный регулятор наддува: основы конструкции и эффективность

В электронике регулятор - это устройство или механизм, который может постоянно регулировать выходную мощность. В области источников питания доступны различные типы регуляторов. Но в основном, в случае преобразования постоянного тока в постоянный, доступны два типа регуляторов: линейный или импульсный.

Линейный регулятор регулирует выходной сигнал с использованием резистивного падения напряжения, и из - за этого Линейные регуляторы обеспечивают более низкую эффективность и теряют мощность в виде тепла.

С другой стороны, в импульсном регуляторе используется индуктор, диод и переключатель мощности для передачи энергии от источника к выходу.

Доступны три типа импульсных регуляторов.

1. Повышающий преобразователь (Boost Regulator)

2. Понижающий преобразователь (понижающий регулятор)

3. Инвертор (обратный ход)

В этом уроке мы опишем Switching схему наддува регулятора. Мы уже описали конструкцию регулятора Boost в предыдущем уроке. Здесь мы обсудим различные аспекты повышающего преобразователя и способы повышения его эффективности.

Основы проектирования схемы повышающего преобразователя

Во многих случаях нам необходимо преобразовать более низкое напряжение в более высокое в зависимости от требований. Регулятор Boost повышает напряжение от более низкого до более высокого.

На изображении выше показана простая схема регулятора Boost, в которой используются индуктор, диод, конденсатор и переключатель.

Назначение индуктора - ограничить скорость нарастания тока, протекающего через выключатель питания. Это ограничит чрезмерный высокий пиковый ток, который неизбежен индивидуальным сопротивлением переключателя.

Кроме того, энергия индуктора сохраняет, энергия измеряется в джоулях Е = (L * I ² /2)

Мы поймем, как индукторы передают энергию, на следующих изображениях и графиках.

В случае переключения регуляторов наддува есть две фазы: одна - это фаза заряда индуктора или фаза включения (переключатель фактически замкнут), а другая - фаза разряда или фаза выключения (переключатель разомкнут).

Если предположить, что переключатель находится в разомкнутом положении в течение длительного времени, падение напряжения на диоде будет отрицательным, а напряжение на конденсаторе будет равно входному напряжению. В этой ситуации, если переключатель приближается к индуктивности, Vin испускается. Диод предотвращает разряд конденсатора через переключатель на землю.

Ток через катушку индуктивности растет линейно со временем. Скорость линейного нарастания тока пропорциональна входному напряжению, деленному на индуктивность di / dt = напряжение на индукторе / индуктивность.

На верхнем графике показана фаза зарядки индуктора. Ось X обозначает t (время), а ось Y обозначает I (ток через катушку индуктивности). Ток линейно увеличивается со временем, когда переключатель замкнут или включен.

Теперь, когда переключатель снова выходит из строя или размыкается, ток индуктивности течет через диод и заряжает выходной конденсатор. Когда выходное напряжение возрастает, наклон тока через катушку индуктивности меняется на противоположный. Выходное напряжение повышается до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение на катушке индуктивности = L * (di / dt).

Скорость падения тока на индукторе со временем прямо пропорциональна напряжению на индукторе. Чем выше напряжение индуктора, тем быстрее падает ток через индуктор.

На приведенном выше графике ток катушки индуктивности падает со временем, когда переключатель выключается.

Когда импульсный стабилизатор находится в установившемся рабочем состоянии, среднее напряжение индуктора равно нулю в течение всего цикла переключения. В этом случае средний ток через катушку индуктивности также находится в установившемся состоянии.

Если мы предположим, что время заряда катушки индуктивности равно Ton и в цепи имеется входное напряжение, тогда будет определенное время Toff или время разряда для выходного напряжения.

Поскольку в установившемся режиме среднее напряжение индуктора равно нулю, мы можем построить схему повышения напряжения, используя следующие условия

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

Поскольку выходное напряжение равно входному напряжению и среднему напряжению индуктивности (Vout = Vin + VL)

Можно сказать, что

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

Мы также можем рассчитать Vout, используя рабочий цикл.

Рабочий цикл (D) = Тонна / (Тонна + Toff)

Для импульсного регулятора напряжения Vout будет Vin / (1 - D).

ШИМ и рабочий цикл схемы повышающего преобразователя

Если мы контролируем рабочий цикл, мы можем управлять установившимся выходом повышающего преобразователя. Итак, для изменения рабочего цикла мы используем цепь управления через переключатель.

Итак, для полной базовой схемы повышающего регулятора нам нужна дополнительная схема, которая будет изменять рабочий цикл и, следовательно, количество времени, в течение которого индуктор получает энергию от источника.

На изображении выше можно увидеть усилитель ошибки, который измеряет выходное напряжение на нагрузке с помощью цепи обратной связи и управляет переключателем. Наиболее распространенная техника управления включает в себя технику ШИМ или широтно-импульсной модуляции, которая используется для управления рабочим циклом схемы.

Схема управления регулирует количество времени, в течение которого переключатель остается разомкнутым или замкнутым, в зависимости от тока, потребляемого нагрузкой. Эта схема также используется для непрерывной работы в установившемся режиме. Он будет взять образец выходного напряжения и вычесть его из опорного напряжения и создать небольшой сигнал ошибки, то этот сигнал ошибки будет по сравнению с сигналом генератора пилообразного и с выхода компаратора ШИМ - сигнала будет работать или управлять переключателем цепь.

При изменении выходного напряжения это также влияет на напряжение ошибки. Из-за ошибки изменения напряжения компаратор управляет выходом ШИМ. ШИМ также перешел в положение, когда выходное напряжение создает нулевое напряжение ошибки, и при этом система замкнутого контура управления выполняет работу.

К счастью, в большинстве современных импульсных регуляторов усиления эта штука встроена в корпус IC. Таким образом, простая схемотехника достигается за счет использования современных импульсных регуляторов.

Опорного напряжения обратной связи осуществляется с использованием сети резистора делителя. Это дополнительная схема, которая нужна вместе с катушкой индуктивности, диодами и конденсаторами.

Повышение эффективности схемы повышающего преобразователя

Теперь, если мы исследуем эффективность, это то, сколько энергии мы обеспечиваем внутри схемы и сколько мы получаем на выходе.

(Надутый / Булавка) * 100%

Поскольку энергия не может быть создана или уничтожена, ее можно только преобразовать, большая часть электрической энергии теряет неиспользованную энергию, превращающуюся в тепло. Кроме того, на практике не существует идеальной ситуации, эффективность является более важным фактором при выборе регуляторов напряжения.

Одним из основных факторов потери мощности импульсного стабилизатора является диод. Прямое падение напряжения, умноженное на ток (Vf xi), представляет собой неиспользованную мощность, которая преобразуется в тепло и снижает эффективность схемы импульсного регулятора. Кроме того, это дополнительные затраты на схему для техники управления теплом / теплом, использующей радиатор или вентиляторы для охлаждения схемы от рассеянного тепла. Не только прямое падение напряжения, обратное восстановление кремниевых диодов также приводит к ненужным потерям мощности и снижению общего КПД.

Один из лучших способов избежать использования стандартного восстанавливающего диода - использовать диоды Шоттки вместо диодов с низким падением прямого напряжения и лучшим обратным восстановлением. Когда требуется максимальная эффективность, диод можно заменить на полевые МОП-транзисторы. В современных технологиях есть множество вариантов, доступных в секции импульсного регулятора наддува, которые легко обеспечивают КПД более 90%.

Кроме того, есть функция «Режим пропуска», которая используется во многих современных устройствах, которая позволяет регулятору пропускать циклы переключения, когда нет необходимости переключаться при очень малых нагрузках. Это отличный способ повысить эффективность в условиях небольшой нагрузки. В режиме пропуска цикл переключения запускается только тогда, когда выходное напряжение падает ниже регулируемого порога.

Несмотря на более высокий КПД, стационарную конструкцию, меньшие по размеру компоненты, импульсные регуляторы шумнее, чем линейный регулятор. Тем не менее, они широко популярны.

Пример дизайна для повышающего преобразователя

Ранее мы создали схему повышающего регулятора с использованием MC34063, где выход 5 В генерируется из входного напряжения 3,7 В. MC34063 - это импульсный регулятор, который использовался в конфигурации повышающего регулятора. Мы использовали индуктор, диод Шоттки и конденсаторы.

На изображении выше Cout - это выходной конденсатор, а также мы использовали катушку индуктивности и диод Шоттки, которые являются основными компонентами импульсного стабилизатора. Также используется сеть обратной связи. Резисторы R1 и R2 образуют схему делителя напряжения, которая необходима для ШИМ компаратора и каскада усиления ошибки. Опорное напряжение компаратора 1.25V.

Если мы рассмотрим проект в деталях, то увидим, что эта схема импульсного повышающего регулятора MC34063 обеспечивает КПД 70-75%. Дальнейшая эффективность может быть улучшена с помощью надлежащей техники печатной платы и процедур управления температурным режимом.