Bytte boost regulator: grunnleggende design og effektivitet

I elektronikk er en regulator en enhet eller mekanisme som kan regulere kraftuttaket konstant. Det er forskjellige typer regulatorer tilgjengelig i strømforsyningsdomenet. Men hovedsakelig, når det gjelder DC til DC-konvertering, er det to typer regulatorer tilgjengelig: Lineær eller Switching.

En lineær regulator regulerer utgangen ved hjelp av et resistivt spenningsfall, og på grunn av dette gir lineære regulatorer lavere effektivitet og mister strøm i form av varme.

På den andre siden Bryterregulator bruker spole, diode og en strømbryter for å overføre energi fra kilden til utgangen.

Det er tre typer bryteregulatorer tilgjengelig.

1. Step-up-omformer (Boost Regulator)

2. Step-Down omformer (Buck regulator)

3. Inverter (Flyback)

I denne opplæringen beskriver vi Switching Boost Regulator-kretsen. Vi har allerede beskrevet Boost Regulator Design i forrige opplæring. Her vil vi diskutere forskjellige aspekter av Boost-omformeren og hvordan du kan forbedre effektiviteten.

Design Basics of Boost Converter Circuit

I mange tilfeller trenger vi å konvertere lavere spenning til høyere spenning, avhengig av kravene. Boost regulator øker spenningen fra lavere potensial til høyere potensial.

På bildet ovenfor vises en enkel Boost regulator krets der en induktor, diode, kondensator og en bryter brukes.

Formålet med induktoren er å begrense den nåværende svinghastigheten som strømmer gjennom strømbryteren. Det vil begrense overflødig høy toppstrøm som ikke kan unngås av brytermotstanden individuelt.

Også induktoren lagrer energi, energi målt i Joule E = (L * I ^2- / 2)

Vi vil forstå hvordan induktorene overfører energi i de kommende bildene og grafene.

I tilfelle bryterregulatorer er det to faser, den ene er induktorens ladefase eller innkoblingsfasen (bryteren er faktisk lukket) og den andre er utladningsfase eller utkoblingsfasen (bryteren er åpen).

Hvis vi antar at bryteren har vært i åpen posisjon i lang tid, er spenningsfallet over dioden negativt og spenningen over kondensatoren er lik inngangsspenningen. I denne situasjonen, hvis bryteren nærmer seg, blir Vin skremt over induktoren. Dioden forhindrer kondensatorutladning gjennom bryteren til bakken.

Strømmen gjennom induktoren stiger lineært med tiden. Den lineære strømstigningshastigheten er proporsjonal med inngangsspenningen delt på induktansen di / dt = Spenning over induktor / induktans

I den øvre grafen viser ladefasen til induktoren. X-aksen betegner t (tid) og Y-aksen betegner I (strøm gjennom induktoren). Strømmen øker lineært med tiden når bryteren er lukket eller PÅ.

Nå, når bryteren igjen går av eller ble åpen, strømmer induktorstrømmen gjennom dioden og lader utgangskondensatoren. Når utgangsspenningen stiger, snur strømhellingen gjennom induktoren. Utgangsspenningen stiger til spenningen gjennom induktoren = L * (di / dt) er nådd.

Induktorens strømfall med tiden er direkte proporsjonal med induktorspenningen. Høyere induktorspenning, raskere faller strømmen gjennom induktoren.

I grafen ovenfor synker induktorstrømmen med tiden når bryteren slås av.

Når svitsjeregulatoren er i driftstilstand, er Induktors gjennomsnittsspenning null under hele koblingssyklusen. For denne tilstanden er gjennomsnittsstrømmen gjennom induktoren også i jevn tilstand.

Hvis vi antar at induktorens ladetid er Ton og kretsen har en inngangsspenning, vil det være en spesifikk Toff eller utladningstid for en utgangsspenning.

Ettersom den gjennomsnittlige induktorspenningen er lik null i steady state, kan vi konstruere boost-krets ved å bruke følgende vilkår

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

Siden utgangsspenningen er lik inngangsspenningen og gjennomsnittlig induktorspenning (Vout = Vin + VL)

Vi kan si det, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

Vi kan også beregne Vout ved hjelp av driftssyklus.

Driftssyklus (D) = Ton / (Ton + Toff)

For boost-bytteregulatoren vil Vout være Vin / (1 - D)

PWM og Duty Cycle for Boost Converter Circuit

Hvis vi kontrollerer driftssyklusen, kan vi kontrollere steady-state-utgangen til boost-omformeren. Så for driftssyklusvariasjonen bruker vi en kontrollkrets over bryteren.

Så, for en komplett grunnleggende boost regulator krets, trenger vi en ekstra krets som vil variere driftssyklusen og dermed hvor lang tid induktoren mottar energi fra kilden.

I den ovenstående bilde, en feilforsterker kan sees som avføler utgangsspenningen over lasten ved hjelp av en tilbakekoblingsvei, og styrer bryteren. Vanligste kontrollteknikk inkluderer PWM- eller pulsbreddemodulasjonsteknikk som brukes til å kontrollere kretsens driftssyklus.

De styrekretsen styrer den mengde tid forblir bryteren åpnes eller lukkes, avhengig av den strøm som trekkes av belastningen. Denne kretsen bruker også kontinuerlig drift i jevn tilstand. Det vil ta en prøve av utgangsspenningen og trekke den fra en referansespenning og lage et lite feilsignal, så blir dette feilsignalet sammenlignet med et oscillatorrampesignal og fra komparatorutgangen vil et PWM-signal betjene eller kontrollere bryteren krets.

Når utgangsspenningen endres, påvirkes også feilspenningen av den. På grunn av feilspenningsendring kontrollerer komparatoren PWM-utgangen. PWM endret seg også til en posisjon når utgangsspenningen skaper null feilspenning, og ved å gjøre dette utfører det lukkede kontrollsløyfesystemet arbeidet.

Heldigvis har de fleste moderne Switching boost regulators denne tingen innebygd i IC-pakken. Dermed oppnås enkel kretsdesign ved hjelp av moderne koblingsregulatorer.

Referansetilbakemeldingsspenningen gjøres ved hjelp av et motstandsdelernettverk. Dette er den ekstra kretsen, som er nødvendig sammen med induktor, dioder og kondensatorer.

Forbedre effektiviteten til Boost Converter Circuit

Nå, hvis vi undersøker effektiviteten, er det hvor mye strøm vi gir inne i kretsene og hvor mye vi får ved utgangen.

(Pout / Pin) * 100%

Ettersom energi ikke kan skapes eller ødelegges, kan den bare omdannes, de fleste elektriske energier mister ubrukt kraft omdannet til varme. Det er heller ingen ideell situasjon i det praktiske feltet, effektivitet er en større faktor for valg av spenningsregulatorer.

En av de viktigste strømtapfaktorene for en bryterregulator er dioden. Fremover spenningsfallstider (Vf xi) er den ubrukte effekten som konverteres til varme og reduserer effektiviteten til svitsjregulatorkretsen. Dessuten er det merkostnaden for kretsene for termisk / varmestyringsteknikk som bruker en kjøleribbe, eller Vifter for å kjøle ned kretsene fra spredt varme. Ikke bare spenningsfallet forover, reversert utvinning for silisiumdioder gir også unødvendig strømtap og reduksjon av total effektivitet.

En av de beste måtene å unngå en standard gjenopprettingsdiode er å bruke Schottky-dioder i stedet for dioder som har lavt fremover spenningsfall og bedre reversering av revers. Når maksimal effektivitet er nødvendig, kan dioden byttes ut med MOSFET. I moderne teknologi er det mange valg tilgjengelige i Switching boost regulator-seksjonen, som lett gir mer enn 90% effektivitet.

Det er også en funksjon “Skip Mode” som brukes i mange moderne enheter som gjør at regulatoren kan hoppe over bytter sykluser når det ikke er behov for å bytte ved svært lette belastninger. Det er en fin måte å forbedre effektiviteten i lett belastningstilstand. I hoppmodus startes byttesyklus bare når utgangsspenningen faller under en reguleringsgrense.

Til tross for at de har høyere effektivitet, er stasjonær designteknikk, mindre komponent, bytteregulatorer støyende enn en lineær regulator. Likevel er de allment populære.

Eksempel på design for Boost Converter

Vi opprettet tidligere en boost regulator krets ved hjelp av MC34063 der 5V utgangen genereres fra 3,7V inngangsspenningen. MC34063 er bryterregulatoren som ble brukt i boost regulator konfigurasjon. Vi brukte en induktor, en Schottky-diode og kondensatorer.

I bildet ovenfor er Cout utgangskondensatoren, og vi brukte også en induktor og Schottky-diode som er de grunnleggende komponentene for en bryterregulator. Det er også brukt et tilbakemeldingsnettverk. R1 og R2 motstander skaper en spenningsdelerkrets som er nødvendig for komparatorens PWM og feilforsterkningstrinn. Referansespenningen til komparatoren er 1,25V.

Hvis vi ser prosjektet i detalj, kan vi se at 70-75% effektivitet oppnås med denne MC34063 koblingsreguleringskretsen. Ytterligere effektivitet kan forbedres ved å bruke riktig PCB-teknikk og oppnå termiske styringsprosedyrer.