- Forskjellen mellom Buck og Boost Regulator
- Design Basics of Buck Converter Circuit
- Driftstilstander for Buck Converter
- PWM og Duty Cycle for Buck Converter Circuit
- Forbedre effektiviteten til Buck Converter Circuit
- Eksempel på design for Buck Converter
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 vil vi beskrive Switching Buck Regulator-kretsen. Vi har allerede beskrevet Buck Regulator Design i forrige opplæring. Her vil vi diskutere forskjellige aspekter av Buck converter og hvordan du kan forbedre effektiviteten.
Forskjellen mellom Buck og Boost Regulator
Forskjellen mellom bukk og boost regulator er, i buck regulator er plasseringen av induktor, diode og bytte kretsen forskjellig fra boost regulatoren. I tilfelle boostregulator er utgangsspenningen høyere enn inngangsspenningen, men i buck regulator er utgangsspenningen lavere enn inngangsspenningen.
En buck-topologi eller buck-omformer er en av de mest brukte grunnleggende topologiene som brukes i SMPS. Det er et populært valg der vi trenger å konvertere høyere spenning til en lavere utgangsspenning.
Samme som boost regulatoren, en buck converter eller buck regulator består av en induktor, men forbindelsen til induktoren er i utgangstrinnet i stedet for inngangstrinnet som brukes i boost regulatorer.
Så i mange tilfeller trenger vi å konvertere lavere spenning til høyere spenning, avhengig av kravene. Buck regulator konverterer spenningen fra høyere potensial til lavere potensial.
Design Basics of Buck Converter Circuit
På bildet ovenfor vises en enkel Buck regulator krets der en induktor, diode, kondensator og en bryter brukes. Inngangen er direkte koblet over bryteren. Induktoren og kondensatoren er koblet over utgangen, slik at belastningen får jevn utgangsstrømbølgeform. Dioden brukes til å blokkere den negative strømstrømmen.
I tilfelle bryterregulatorer er det to faser, den ene er induktorens ladefase eller innkoblingsfasen (bryteren er faktisk lukket) og den andre er utladningsfasen eller utkoblingsfasen (bryteren er åpen).
Hvis vi antar at bryteren har vært i åpen stilling i lang tid, er strømmen i kretsen 0 og det er ingen spenning til stede.
I denne situasjonen, hvis bryteren nærmer seg, vil strømmen øke og induktoren vil skape en spenning over den. Dette spenningsfallet minimerer kildespenningen ved utgangen, etter noen øyeblikk reduseres strømendringens hastighet og spenningen over induktoren også reduseres, noe som til slutt øker spenningen over belastningen. Induktor lagrer energi ved hjelp av magnetfeltet.
Så når bryteren er på, er spenningen over induktoren V L = Vin - Vout
Strømmen i induktoren stiger med en hastighet på (Vin - Vout) / L.
Strømmen gjennom induktoren stiger lineært med tiden. Den lineære økende hastigheten er proporsjonal med inngangsspenningen minus utgangsspenningen delt på induktansen
di / dt = (Vin - Vout) / L.
Den øverste grafen som 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.
i løpet av denne tiden mens strømmen fortsatt er i endring, vil det alltid forekomme et spenningsfall over induktoren. Spenningen over belastningen vil være lavere enn inngangsspenningen. Under av-tilstanden, mens bryteren er åpen, kobles inngangsspenningskilden fra, og induktoren vil overføre lagret energi til lasten. Den spole vil bli gjeldende kilde for lasten.
Dioden D1 vil gi en returvei for strømmen som strømmer gjennom induktoren under utkoblingstilstanden.
Induktorstrømmen reduseres med en helling lik –Vout / L
Driftstilstander for Buck Converter
Buck-omformeren kan brukes i to forskjellige moduser. Kontinuerlig modus eller diskontinuerlig modus.
Kontinuerlig modus
I kontinuerlig modus tømmes induktoren aldri helt ut, ladesyklusen starter når induktoren er delvis utladet.
På bildet ovenfor kan vi se når bryteren slås på når induktorstrømmen (iI) øker lineært, så når bryteren går av, begynner induktoren å avta, men bryteren igjen slås på mens induktoren delvis er utladet. Dette er den kontinuerlige driftsmåten.
Energi lagret i induktoren er E = (LI L 2) / 2
Diskontinuerlig modus
Diskontinuerlig modus er litt annerledes enn kontinuerlig modus. I diskontinuerlig modus ble induktoren tømt helt før du starter en ny ladesyklus. Induktoren vil helt ut til null før bryteren ble slått på.
Under diskontinuerlig modus, som vi kan se på bildet ovenfor når bryteren slås på, vil induktorstrømmen (il) øke lineært, så når bryteren går av, begynner induktoren å avta, men bryteren slås bare på etter induktoren er fullstendig utladet og induktorstrømmen ble helt null. Dette er den diskontinuerlige driftsmåten. I denne operasjonen er ikke strømmen gjennom induktoren ikke kontinuerlig.
PWM og Duty Cycle for Buck Converter Circuit
Som vi diskuterte i forrige veiledning for buck-omformere, kan vi styre kretsen for reguleringskretsen ved å variere arbeidssyklusen. For dette kreves et grunnleggende kontrollsystem. Det kreves også en feilforsterker og bryterkontrollkrets som fungerer i kontinuerlig eller diskontinuerlig modus.
Så for en komplett krets for regulator av bukk, trenger vi et ekstra kretsløp som vil variere driftssyklusen og dermed hvor lang tid induktoren mottar energi fra kilden.
På bildet ovenfor kan det sees en feilforsterker som registrerer utgangsspenningen over belastningen ved hjelp av en tilbakemeldingsbane og styrer bryteren. Vanligste kontrollteknikk inkluderer PWM- eller pulsbreddemodulasjonsteknikk som brukes til å kontrollere kretsens driftssyklus.
Kontrollkretsen styrer hvor lang tid bryteren forblir åpen, eller styrer hvor lang tid spolen lader eller utlades.
Denne kretsen styrer bryteren avhengig av driftsmåten. 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 buck 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 Buck Converter Circuit
Nå, hvis vi undersøker effektiviteten, hvor mye strøm vi gir inne i kretsene og hvor mye vi får 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 spenningsfallet multiplisert med strøm (Vf xi) er den ubrukte effekten som blir konvertert til varme og reduserer effektiviteten til koblingsregulatorkretsen. 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 den totale effektiviteten.
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 buck regulator-seksjonen, som lett gir mer enn 90% effektivitet.
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 Buck Converter
Vi har tidligere opprettet en kretsregulatorkrets ved hjelp av MC34063 der 5V-utgangen genereres fra 12V-inngangsspenningen. MC34063 er bryterregulatoren som ble brukt i konfigurasjon av bukkeregulator. 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 75-78% effektivitet oppnås med denne MC34063 koblingsregulatorkretsen. Ytterligere effektivitet kan forbedres ved å bruke riktig PCB-teknikk og oppnå termiske styringsprosedyrer.
Eksempel på bruk av Buck regulator-
- Likestrømskilde i lavspenningsapplikasjonen
- Bærbart utstyr
- Audioutstyr
- Innebygde maskinvaresystemer.
- Solsystemer etc.