Импульсный понижающий стабилизатор: 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 благодаря этому 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 руководстве мы опишем схему понижающего регулятора переключения. Мы уже описали конструкцию понижающего регулятора в предыдущем уроке. Здесь мы обсудим различные аспекты понижающего преобразователя и способы повышения его эффективности.

Разница между Buck и Boost Regulator

Разница между понижающим и повышающим стабилизаторами заключается в том, что в понижающем регуляторе расположение индуктора, диода и схемы переключения отличается от повышающего регулятора. Кроме того, в случае повышающего регулятора выходное напряжение выше входного напряжения, но в понижающем стабилизаторе выходное напряжение ниже входного.

Понижающий топологии или понижающий преобразователь является одним из наиболее часто используемых базовой топологии, используемой в ИИП. Это популярный выбор, когда нам нужно преобразовать более высокое напряжение в более низкое выходное напряжение.

Как и в случае повышающего регулятора, понижающий преобразователь или понижающий регулятор состоят из индуктора, но подключение индуктивности осуществляется в выходной каскад, а не во входной каскад, используемый в повышающих регуляторах.

Таким образом, во многих случаях нам необходимо преобразовать более низкое напряжение в более высокое в зависимости от требований. Понижающий регулятор преобразует напряжение с более высокого потенциала в более низкий потенциал.

Основы проектирования схемы понижающего преобразователя

На изображении выше показана простая схема понижающего регулятора, в которой используются индуктор, диод, конденсатор и переключатель. Вход напрямую подключается к переключателю. Индуктор и конденсатор подключены к выходу, таким образом нагрузка имеет плавную форму выходного тока. Диод используется для блокировки прохождения отрицательного тока.

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

Если предположить, что переключатель находился в разомкнутом положении в течение длительного времени, ток в цепи равен 0 и напряжение отсутствует.

В этой ситуации, если переключатель приближается, ток увеличится, и катушка индуктивности создаст на нем напряжение. Это падение напряжения минимизирует напряжение источника на выходе, через несколько мгновений скорость изменения тока уменьшается, а напряжение на катушке индуктивности также уменьшается, что в конечном итоге увеличивает напряжение на нагрузке. Индуктор накапливает энергию, используя свое магнитное поле.

Итак, когда переключатель включен, на катушке индуктивности напряжение V _L = Vin - Vout.

Ток в катушке индуктивности увеличивается со скоростью (Vin - Vout) / L

Ток через катушку индуктивности растет линейно со временем. Скорость линейного нарастания тока пропорциональна входному напряжению за вычетом выходного напряжения, деленному на индуктивность.

di / dt = (Vin - Vout) / L

Верхний график показывает фазу 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.

в течение этого времени, пока ток все еще изменяется, на катушке индуктивности всегда будет происходить падение напряжения. Напряжение на нагрузке будет ниже входного. В выключенном состоянии, когда переключатель разомкнут, источник входного напряжения отключается, и индуктор передает накопленную энергию нагрузке. Индуктор станет источником тока для нагрузки.

Диод D1 обеспечивает обратный путь тока, протекающего через катушку индуктивности в выключенном состоянии.

Ток индуктора уменьшается с наклоном, равным –Vout / L

Режимы работы понижающего преобразователя

Понижающий преобразователь может работать в двух разных режимах. Непрерывный режим или прерывистый режим.

Непрерывный режим

В непрерывном режиме индуктор никогда не разряжается полностью, цикл зарядки начинается, когда индуктор частично разряжен.

На изображении выше мы можем видеть, когда включается переключатель, когда ток индуктора (iI) линейно увеличивается, затем, когда переключатель выключается, индуктор начинает уменьшаться, но переключатель снова включается, в то время как индуктор частично разряжен. Это непрерывный режим работы.

Энергия, запасенная в индукторе, равна E = (LI _L ²) / 2.

Прерывистый режим

Прерывистый режим немного отличается от непрерывного режима. В прерывистом режиме индуктор полностью разряжается перед началом нового цикла заряда. Индуктор полностью разрядится до нуля до включения переключателя.

В прерывистом режиме, как мы видим на изображении выше, когда переключатель включается, ток индуктора (il) линейно увеличивается, затем, когда переключатель выключается, индуктор начинает уменьшаться, но переключатель включается только после индуктора. полностью разряжен, и ток индуктора стал полностью нулевым. Это прерывистый режим работы. В этой операции ток через индуктор не является непрерывным.

ШИМ и рабочий цикл для схемы понижающего преобразователя

Как мы обсуждали в предыдущем руководстве по понижающему преобразователю, изменяя рабочий цикл, мы можем управлять схемой понижающего регулятора. Для этого требуется базовая система управления. Дополнительно требуется усилитель ошибки и схема управления переключателем, которые будут работать в непрерывном или прерывистом режиме.

Итак, для полной схемы понижающего 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, контролируя, сколько времени индуктор заряжается или разряжается.

Эта схема управляет переключателем в зависимости от режима работы. 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 понижающих регуляторов эта штука встроена в корпус ИС. 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 понижающего преобразователя

Теперь, если мы исследуем эффективность, 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 с использованием радиатора или вентиляторов для охлаждения схемы от рассеиваемого тепла. Не только прямое падение напряжения, обратное восстановление кремниевых диодов также приводит к ненужным потерям мощности и снижению общей эффективности.

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 в секции импульсного понижающего регулятора имеется множество вариантов, которые легко обеспечивают КПД более 90%.

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 понижающего преобразователя

Ранее мы создали схему понижающего стабилизатора с использованием MC34063, где выход 5 В генерируется из входного напряжения 12 В. MC34063 - это импульсный стабилизатор, который использовался в конфигурации понижающего 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 подробно, то увидим, что эта схема импульсного понижающего стабилизатора MC34063 обеспечивает КПД 75-78%. Дальнейшая эффективность может быть улучшена с помощью надлежащей техники печатной платы и процедур управления температурным режимом.

Пример использования понижающего регулятора-

1. Источник питания постоянного тока в приложениях низкого напряжения
2. Портативное оборудование
3. Аудио оборудование
4. Встраиваемые аппаратные системы.
5. Солнечные системы и т. Д.