- Boost Dönüştürücü Devresinin Tasarım Temelleri
- Yükseltme Dönüştürücü Devresi için PWM ve Görev Döngüsü
- Yükseltme Dönüştürücü Devresinin verimliliğini artırın
- Boost Converter için Örnek Tasarım
Elektronikte regülatör, güç çıkışını sürekli olarak düzenleyebilen bir cihaz veya mekanizmadır. Güç kaynağı alanında farklı türde düzenleyiciler bulunmaktadır. Ancak esas olarak, DC'den DC'ye dönüştürme durumunda, iki tür düzenleyici mevcuttur: Doğrusal veya Anahtarlama.
Bir lineer regülatör lineer regülatör ısı şeklinde düşük verim ve kaybetmek güç sağlamak bu dirençli bir gerilim düşüşü kullanarak çıkış ve bağlı düzenler.
Diğer tarafta Anahtarlama regülatörü, enerjiyi kaynağından çıkışa aktarmak için indüktör, Diyot ve bir güç anahtarı kullanır.
Üç tür anahtarlama regülatörü mevcuttur.
1. Yükseltici dönüştürücü (Yükseltme Düzenleyici)
2. Kademeli dönüştürücü (Buck regülatörü)
3. İnvertör (Geri Dönüş)
Bu eğitimde Anahtarlama Takviye Düzenleyici devresini açıklıyoruz. Yükseltme Düzenleyici Tasarımını önceki eğitimde zaten tanımlamıştık. Burada Boost dönüştürücünün farklı yönlerini ve verimliliğini nasıl artıracağımızı tartışacağız.
Boost Dönüştürücü Devresinin Tasarım Temelleri
Çoğu durumda, gereksinimlere bağlı olarak daha düşük voltajı daha yüksek voltaja dönüştürmemiz gerekir. Takviye regülatörü, voltajı düşük potansiyelden daha yüksek potansiyele yükseltir.
Yukarıdaki görüntüde, bir Endüktör, diyot, Kapasitör ve bir anahtarın kullanıldığı basit bir Takviye regülatör devresi gösterilmektedir.
İndüktörün amacı, güç anahtarından akan akım dönüş oranını sınırlamaktır. Anahtar direnci tarafından ayrı ayrı kaçınılmaz olan aşırı yüksek tepe akımı sınırlayacaktır.
Ayrıca, bobin enerji depolar, Joule cinsinden ölçülen enerji E = (L * ı 2 /2), İndüktörlerin enerjiyi nasıl aktardığını önümüzdeki görüntülerde ve grafiklerde anlayacağız.
Takviye düzenleyicilerin anahtarlanması durumunda iki Faz vardır; Biri İndüktör Şarjı fazı veya Açma fazıdır (Anahtar fiilen kapalıdır) ve diğeri Boşaltma fazı veya kapatma fazıdır (Anahtar açık).
Anahtarın uzun süredir açık konumda olduğunu varsayarsak, diyot boyunca voltaj düşüşü negatiftir ve kapasitördeki voltaj giriş voltajına eşittir. Bu durumda, anahtar yakınlaşırsa Vin, indüktörden korkar. Diyot, kapasitörün anahtar aracılığıyla toprağa deşarjını önler.
İndüktörden geçen akım zamanla doğrusal olarak yükselir. Doğrusal akım yükselme oranı, giriş voltajı ile orantılıdır endüktans di / dt = İndüktör / Endüktans boyunca Gerilim
Üst grafikte, indüktörün Şarj fazını gösterir. X ekseni t (zaman) ve Y ekseni I (indüktörden geçen akım) anlamına gelir. Akım, anahtar kapatıldığında veya AÇIK olduğunda zamanla doğrusal olarak artar.
Şimdi, anahtar tekrar kapandığında veya açıldığında, indüktör akımı diyottan geçer ve çıkış kapasitörünü şarj eder. Çıkış voltajı yükseldiğinde, indüktörden geçen akım eğimi tersine döner. Çıkış voltajı , indüktör üzerinden Voltaj = L * (di / dt) ulaşılana kadar yükselir.
Zamanla indüktör akım düşüş oranı, indüktör voltajıyla doğru orantılıdır. İndüktör voltajı ne kadar yüksekse, indüktörden daha hızlı akım düşüşü.
Yukarıdaki grafikte, indüktör akımı anahtar kapandığında zamanla düşer.
Anahtarlama regülatörü sabit durumda çalışma durumunda olduğunda, tüm anahtarlama döngüsü boyunca İndüktörün ortalama voltajı Sıfırdır. Bu durum için, indüktörden geçen ortalama akım da sabit durumdadır.
İndüktör şarj süresinin Ton olduğunu ve devrenin bir giriş voltajına sahip olduğunu varsayarsak, o zaman bir çıkış voltajı için belirli bir Toff veya deşarj süresi olacaktır.
Ortalama indüktör voltajı sabit durumda sıfıra eşit olduğundan, aşağıdaki terimleri kullanarak güçlendirme devresi oluşturabiliriz.
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)
Çıkış voltajı Giriş voltajına ve ortalama indüktör voltajına eşit olduğundan (Vout = Vin + VL)
Bunu söyleyebiliriz
Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
Vout'u görev döngüsünü kullanarak da hesaplayabiliriz.
Görev Döngüsü (D) = Ton / (Ton + Toff)
Takviye anahtarlama regülatörü için Vout Vin / (1 - D) olacaktır
Yükseltme Dönüştürücü Devresi için PWM ve Görev Döngüsü
Görev döngüsünü kontrol edersek, yükseltici dönüştürücünün sabit durum çıkışını kontrol edebiliriz. Bu nedenle, görev döngüsü varyasyonu için, anahtar boyunca bir kontrol devresi kullanıyoruz.
Bu nedenle, eksiksiz bir temel yükseltme düzenleyici devresi için, görev döngüsünü ve dolayısıyla indüktörün kaynaktan enerji aldığı süreyi değiştirecek ek bir devreye ihtiyacımız var.
Yukarıdaki görüntüde, bir geri besleme yolu kullanarak yük boyunca çıkış voltajını algılayan ve anahtarı kontrol eden bir Hata amplifikatörü görülebilir. En yaygın kontrol tekniği, devrenin görev döngüsünü kontrol etmek için kullanılan PWM veya Darbe Genişliği Modülasyon tekniğini içerir.
Kontrol devresi kontrol süre anahtarı yük tarafından çekilen akımın bağlı olarak, açık veya kapalı kalır. Bu devre ayrıca sabit durumda sürekli çalışma için kullanır. Çıkış voltajının bir örneğini alacak ve bunu bir referans voltajından çıkaracak ve küçük bir hata sinyali oluşturacak, ardından bu hata sinyali bir osilatör rampa sinyaliyle karşılaştırılacak ve karşılaştırıcı çıkışından bir PWM sinyali anahtarı çalıştıracak veya kontrol edecektir. devre.
Çıkış voltajı değiştiğinde, hata voltajı da bundan etkilenir. Hatalı voltaj değişikliği nedeniyle, karşılaştırıcı PWM çıkışını kontrol eder. Çıkış voltajı sıfır hata voltajı oluşturduğunda PWM de bir konuma değiştirilir ve bunu yaparak kapalı kontrol döngüsü sistemi işi yürütür.
Neyse ki, çoğu modern Anahtarlama artırma düzenleyicisinde IC paketinin içinde bu şey bulunur. Böylece modern anahtarlama regülatörleri kullanılarak basit devre tasarımı elde edilir.
Referans geri besleme voltajı, bir direnç bölücü ağ kullanılarak yapılır. Bu, indüktör, diyotlar ve kapasitörlerle birlikte ihtiyaç duyulan ek devredir.
Yükseltme Dönüştürücü Devresinin verimliliğini artırın
Şimdi, verimliliği araştıracak olursak, devre içinde ne kadar güç sağladığımız ve çıkışta ne kadar aldığımızdır.
(Pout / Pin) *% 100
Enerji yaratılamadığından veya yok edilemediğinden, yalnızca dönüştürülebildiğinden, çoğu elektrik enerjisi ısıya dönüştürülen kullanılmayan güçleri kaybeder. Ayrıca pratik alanda ideal bir durum yoktur, Voltaj regülatörlerini seçmek için verimlilik daha büyük bir faktördür.
Bir anahtarlama regülatörü için ana güç kaybı faktörlerinden biri diyottur. İleri voltaj düşüşü zaman akımı (Vf xi), ısıya dönüştürülen ve anahtarlamalı regülatör devresinin verimini azaltan kullanılmayan watt değeridir. Ayrıca, bir soğutma bloğu kullanan termal / ısı yönetimi tekniklerinin devresi için ek maliyettir veya devreyi dağıtılan ısıdan soğutmak için Fanlar. Sadece ileri voltaj düşüşü değil, silikon diyotlar için ters geri kazanım da gereksiz güç kaybına ve genel verimliliğin azalmasına neden olur.
Standart bir kurtarma diyotundan kaçınmanın en iyi yollarından biri, düşük ileri voltaj düşüşüne ve daha iyi geri kazanıma sahip diyotların yerine Schottky diyotları kullanmaktır. Maksimum verim gerektiğinde, diyot MOSFET'ler kullanılarak değiştirilebilir. Modern teknolojide, Switching boost regulator bölümünde % 90'dan fazla verimliliği kolayca sağlayan çok sayıda seçenek bulunmaktadır.
Ayrıca, birçok modern cihazda kullanılan ve çok hafif yüklerde anahtarlama gerekmediğinde regülatörün anahtarlama döngülerini atlamasına izin veren bir “Atlama Modu” özelliği vardır. Hafif yük koşullarında verimliliği artırmanın harika bir yoludur. Atlama modunda, Anahtarlama çevrimi yalnızca çıkış voltajı bir düzenleme eşiğinin altına düştüğünde başlatılır.
Daha yüksek verimliliğe, sabit tasarım tekniğine, daha küçük bileşenlere, anahtarlamalı regülatörler, lineer bir regülatörden daha gürültülüdür. Yine de oldukça popülerler.
Boost Converter için Örnek Tasarım
Daha önce, 5V çıkışın 3.7V giriş voltajından üretildiği MC34063 kullanarak bir yükseltme regülatörü devresi oluşturduk. MC34063, hızlı regülatör konfigürasyonunda kullanılan anahtarlama regülatörüdür. Bir İndüktör, bir Schottky diyot ve kapasitörler kullandık.
Yukarıdaki görüntüde, Cout, çıkış kondansatörüdür ve ayrıca bir anahtarlama regülatörü için temel bileşenler olan bir indüktör ve Schottky diyot kullandık. Kullanılan bir Geribildirim ağı da vardır. R1 ve R2 dirençleri, karşılaştırıcının PWM'si ve hata yükseltme aşaması için gerekli olan bir voltaj bölücü devresi oluşturur. Karşılaştırıcının referans voltajı 1,25V'tur.
Projeyi detaylı olarak görürsek, bu MC34063 anahtarlamalı boost regülatör devresi ile% 70-75 verim elde edildiğini görebiliriz. Uygun PCB tekniği kullanılarak ve termal yönetim prosedürleri elde edilerek daha fazla verimlilik artırılabilir.