- Buck ve Boost Regülatörü arasındaki fark
- Buck Dönüştürücü Devresinin Tasarım Temelleri
- Buck Dönüştürücü Çalışma Modları
- Buck Dönüştürücü Devresi için PWM ve Görev Döngüsü
- Buck Dönüştürücü Devresinin verimliliğini artırın
- Buck 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 nedeniyle kullanarak çıkışı 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 Anahtarlamalı Buck Regülatörü devresini açıklayacağız. Buck Regulator Design'ı önceki eğitimde zaten tanımlamıştık. Burada Buck dönüştürücünün farklı yönlerini ve verimliliğini nasıl artıracağımızı tartışacağız.
Buck ve Boost Regülatörü arasındaki fark
Buck ve boost regülatörü arasındaki fark, buck regülatöründe indüktör, diyot ve anahtarlama devresinin yerleştirilmesi, boost regülatöründen farklıdır. Ayrıca, hızlı regülatör durumunda çıkış voltajı giriş voltajından daha yüksektir, ancak buck regülatörde çıkış voltajı giriş voltajından daha düşüktür.
Bir buck topolojisi veya buck dönüştürücü, SMPS'de kullanılan en çok kullanılan temel topolojilerden biridir. Daha yüksek voltajı daha düşük bir çıkış voltajına dönüştürmemiz gereken popüler bir seçimdir.
Takviye düzenleyiciyle aynı, bir kova dönüştürücü veya kova düzenleyici bir indüktörden oluşur, ancak endüktörün bağlantısı, yükseltici düzenleyicilerde kullanılan giriş aşaması yerine çıkış aşamasındadır.
Bu nedenle, çoğu durumda, gereksinimlere bağlı olarak düşük voltajı daha yüksek voltaja dönüştürmemiz gerekir. Buck regülatörü, voltajı yüksek potansiyelden daha düşük potansiyele dönüştürür.
Buck Dönüştürücü Devresinin Tasarım Temelleri
Yukarıdaki görüntüde, bir Endüktör, diyot, Kapasitör ve bir anahtarın kullanıldığı basit bir Buck regülatör devresi gösterilmektedir. Giriş doğrudan anahtara bağlanır. İndüktör ve kondansatör çıkışa bağlanır, böylece yük düzgün çıkış akımı dalga formu alır. Diyot, negatif akım akışını engellemek için kullanılır.
Takviye düzenleyicilerin anahtarlanması durumunda, biri İndüktör Şarjı aşaması veya Açma aşaması (Anahtar fiilen kapalıdır) ve diğeri Boşaltma aşaması veya kapatma aşaması (Anahtar açık) olmak üzere iki Faz vardır.
Anahtarın uzun süre açık konumda olduğunu varsayarsak, devredeki akım 0'dır ve voltaj yoktur.
Bu durumda, anahtar yakınlaşırsa, akım artacak ve indüktör üzerinde bir voltaj oluşturacaktır. Bu voltaj düşüşü, çıkıştaki kaynak voltajını en aza indirir, birkaç dakika sonra akım değişim hızı düşer ve indüktör üzerindeki voltaj da azalır ve bu da sonunda yük boyunca voltajı artırır. İndüktör, manyetik alanını kullanarak enerjiyi depolar.
Yani, anahtar açıkken, indüktör boyunca voltaj V L = Vin - Vout'tur.
İndüktördeki akım (Vin - Vout) / L oranında yükselir
İndüktörden geçen akım zamanla doğrusal olarak yükselir. Doğrusal akım yükselme oranı, giriş voltajı ile orantılıdır, çıkış voltajı endüktansa bölünür.
di / dt = (Vin - Vout) / L
İndüktörün Şarj fazını gösteren üst grafik. X ekseni t (zaman) ve Y ekseni i (indüktörden geçen akım) gösterir. Akım, anahtar kapatıldığında veya AÇIK olduğunda zamanla doğrusal olarak artar.
bu süre boyunca akım hala değişirken, indüktör boyunca her zaman bir voltaj düşüşü meydana gelecektir. Yükteki voltaj, giriş voltajından daha düşük olacaktır. Kapalı durumda, anahtar açıkken, giriş voltajı kaynağı bağlantısı kesilir ve indüktör depolanan enerjiyi yüke aktarır. İndüktör akım kaynağı haline gelecektir yük için.
Diyot D1, kapanma durumunda indüktörden akan akımın bir dönüş yolunu sağlayacaktır.
Endüktör akımı –Vout / L'ye eşit bir eğimle azalır
Buck Dönüştürücü Çalışma Modları
Buck dönüştürücü iki farklı modda çalıştırılabilir. Sürekli mod veya süreksiz mod.
Sürekli mod
Sürekli mod sırasında, indüktör hiçbir zaman tam olarak deşarj olmadı, şarj döngüsü indüktör kısmen deşarj olduğunda başlar.
Yukarıdaki görüntüde, indüktör akımı (iI) doğrusal olarak arttığında anahtar açıldığında, ardından anahtar kapandığında indüktör azalmaya başlar, ancak indüktör kısmen deşarj olduğunda anahtar tekrar açılır. Bu, Sürekli çalışma modudur.
İndüktörde depolanan enerji E = (LI L 2) / 2'dir
Süreksiz Mod
Süreksiz mod, sürekli moddan biraz farklıdır. Süreksiz modda, İndüktör yeni bir şarj döngüsüne başlamadan önce tamamen boşaldı. Endüktör, anahtar açılmadan önce tamamen sıfıra deşarj olacaktır.
Süreksiz mod sırasında, yukarıdaki resimde gördüğümüz gibi, anahtar açıldığında, indüktör akımı (il) doğrusal olarak artar, ardından anahtar kapandığında, indüktör azalmaya başlar, ancak anahtar yalnızca indüktörden sonra açılır. tamamen boşaldı ve indüktör akımı tamamen sıfır oldu. Bu, Süreksiz çalışma modudur. Bu işlemde, indüktörden geçen akım akışı sürekli değildir.
Buck Dönüştürücü Devresi için PWM ve Görev Döngüsü
Önceki kova dönüştürücü eğitiminde tartıştığımız gibi, görev döngüsünü değiştirerek kova regülatör devresini kontrol edebiliriz. Bunun için temel bir kontrol sistemi gereklidir. Ek olarak, sürekli veya kesintili modda çalışacak bir Hata amplifikatörü ve anahtar kontrol devresi gereklidir.
Bu nedenle, tam bir buck regülatör 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, anahtarın açık kaldığı süreyi veya indüktörün ne kadar şarj edileceğini veya deşarj olduğunu kontrol ederek kontrol eder.
Bu devre, çalışma moduna bağlı olarak anahtarı kontrol eder. 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 Switching buck regülatöründe 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.
Buck Dönüştürücü Devresinin verimliliğini artırın
Şimdi, verimliliği araştırırsak, devre içinde ne kadar güç sağladığımızı ve çıktıda ne kadar aldığımızı. (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. Akımla çarpılan ileri voltaj düşüşü (Vf xi), ısıya dönüştürülen ve anahtarlamalı regülatör devresinin verimliliğini 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 buck regulator bölümünde % 90'dan fazla verimi rahatlıkla sağlayan çok sayıda seçenek bulunmaktadır.
Daha yüksek verimliliğe, sabit tasarım tekniğine, daha küçük bileşenlere, anahtarlamalı regülatörler, lineer bir regülatörden daha gürültülüdür. Yine de oldukça popülerler.
Buck Converter için Örnek Tasarım
Daha önce, 5V çıkışın 12V giriş voltajından üretildiği MC34063 kullanarak bir buck regülatör devresi oluşturduk. MC34063, buck 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 anahtarlama kova regülatör devresi ile% 75-78 verim elde edildiğini görebiliriz. Uygun PCB tekniği kullanılarak ve termal yönetim prosedürleri elde edilerek daha fazla verimlilik artırılabilir.
Buck regülatörünün Örnek Kullanımı-
- Alçak gerilim uygulamasında DC güç kaynağı
- Taşınabilir ekipman
- Ses ekipmanı
- Gömülü donanım sistemleri.
- Güneş sistemleri vb.