Paglipat ng boost regulator: mga pangunahing kaalaman sa disenyo at kahusayan

Sa electronics, ang isang regulator ay isang aparato o mekanismo na maaaring regular na makontrol ang output output. Mayroong iba't ibang mga uri ng mga regulator na magagamit sa domain ng suplay ng kuryente. Ngunit higit sa lahat, sa kaso ng DC to DC conversion, mayroong dalawang uri ng mga regulator na magagamit: Linear o Switching.

Ang isang linear regulator ay kinokontrol ang output gamit ang isang resistive boltahe drop, at dahil sa mga Linear regulator na ito ay nagbibigay ng mas mababang kahusayan at mawalan ng lakas sa anyo ng init.

Sa kabilang panig ang regulator ng Paglipat ay gumagamit ng inductor, Diode at isang power switch upang ilipat ang enerhiya mula sa pinagmulan nito patungo sa output.

Mayroong tatlong uri ng mga switching regulator na magagamit.

1. Step-up converter (Boost Regulator)

2. Step-Down converter (Buck regulator)

3. Inverter (Flyback)

Sa tutorial na ito inilalarawan namin ang circuit ng Switching Boost Regulator. Inilarawan na namin ang Disenyo ng Boost Regulator sa nakaraang tutorial. Tatalakayin dito ang iba't ibang mga aspeto ng Boost converter at kung paano mapabuti ang kahusayan nito.

Mga Pangunahing Kaalaman sa Disenyo ng Boost Converter Circuit

Sa maraming mga kaso, kailangan nating mai-convert ang mas mababang boltahe sa mas mataas na boltahe depende sa mga kinakailangan. Ang boost regulator ay nagpapalakas ng boltahe mula sa mas mababang potensyal hanggang sa mas mataas na potensyal.

Sa imahe sa itaas, ipinapakita ang isang simpleng Boost regulator circuit kung saan ginagamit ang isang Inductor, diode, Capacitor at isang switch.

Ang layunin ng inductor ay upang limitahan ang kasalukuyang rate ng pagpatay na dumadaloy sa pamamagitan ng switch ng kuryente. Nililimitahan nito ang labis na kasalukuyang mataas na rurok na hindi maiiwasan ng paglaban ng switch nang paisa-isa.

Gayundin, ang inductor tindahan ng enerhiya, ang enerhiya sinusukat sa Joules E = (L * ko ² /2)

Mauunawaan namin kung paano maililipat ng mga inductor ang enerhiya sa paparating na mga imahe at grap.

Sa kaso ng paglipat ng mga regulator ng pagpapalakas, mayroong dalawang mga phase, Ang isa ay Inductor Charge phase o ang Switch on phase (Switch ay sarado talaga) at ang isa pa ay phase ng Pagpapalabas o ang switch off phase (bukas ang Switch).

Kung ipinapalagay natin na ang switch ay matagal nang bukas sa posisyon, ang pagbaba ng boltahe sa diode ay negatibo at ang boltahe sa capacitor ay katumbas ng input boltahe. Sa sitwasyong ito, kung malapit na ang switch ay takot ang Vin sa buong inductor. Pinipigilan ng Diode ang paglabas ng kapasitor sa pamamagitan ng paglipat sa lupa.

Ang kasalukuyang sa pamamagitan ng inductor ay tumataas sa tuwid na may oras. Ang linear kasalukuyang pagtaas ng rate ay proporsyonal sa input boltahe na hinati ng inductance di / dt = Boltahe sa kabuuan ng Inductor / Inductance

Sa itaas na graph, ipinapakita ang yugto ng Pagsingil ng inductor. Ang x-axis ay nangangahulugang t (oras) at ang Y-axis ay nangangahulugang I (kasalukuyang sa pamamagitan ng inductor). Ang Kasalukuyang ay dumaragdag nang linear sa oras kapag ang switch ay sarado o ON.

Ngayon, kapag ang switch ay muling bumaba o naging bukas, ang kasalukuyang inductor ay dumadaloy sa pamamagitan ng diode at singilin ang output capacitor. Kapag ang boltahe ng output ay tumataas, ang kasalukuyang slope sa pamamagitan ng inductor ay bumaliktad. Ang boltahe ng Output ay tumataas hanggang sa maabot ang Boltahe sa pamamagitan ng inductor = L * (di / dt).

Ang kasalukuyang rate ng pagbagsak ng Inductor na may oras ay direktang proporsyonal sa boltahe ng inductor. Mas mataas ang boltahe ng inductor, mas mabilis ang kasalukuyang drop sa pamamagitan ng inductor.

Sa graph sa itaas, ang kasalukuyang inductor ay bumaba sa oras kapag ang switch ay naging off.

Kapag ang switching regulator ay nasa matatag na kondisyon ng pagpapatakbo ng estado, ang average na boltahe ng Inductor ay Zero sa panahon ng buong cycle ng paglipat. Para sa kondisyong ito, ang average na kasalukuyang sa pamamagitan ng inductor ay nasa matatag na estado din.

Kung ipinapalagay natin na ang oras ng pagsingil ng inductor ay Ton at ang circuit ay may input boltahe, pagkatapos ay magkakaroon ng isang tukoy na Toff o oras ng paglabas para sa isang boltahe ng output.

Tulad ng average na boltahe ng inductor ay katumbas ng zero sa matatag na estado maaari kaming bumuo ng boost circuit gamit ang mga sumusunod na term

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

Tulad ng boltahe ng output ay katumbas ng boltahe ng Input at average na boltahe ng inductor (Vout = Vin + VL)

Masasabi natin yan, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

Maaari din nating kalkulahin ang Vout gamit ang cycle ng tungkulin.

Duty Cycle (D) = Ton / (Ton + Toff)

Para sa boost switching regulator ang Vout ay magiging Vin / (1 - D)

PWM at Duty Cycle para sa Boost Converter Circuit

Kung makokontrol namin ang cycle ng tungkulin, makokontrol natin ang matatag na output ng boost converter. Kaya, para sa pagkakaiba-iba ng cycle ng tungkulin, gumagamit kami ng isang circuit ng kontrol sa buong switch.

Kaya, para sa isang kumpletong pangunahing boost regulator circuit, kailangan namin ng isang karagdagang circuitry na mag-iiba-iba ang cycle ng tungkulin at sa gayon ang dami ng oras na tumatanggap ang inductor ng enerhiya mula sa pinagmulan.

Sa imahe sa itaas, makikita ang isang Error amplifier na aling makakaintindi ng output boltahe sa kabuuan ng karga gamit ang isang path ng feedback at makontrol ang switch. Ang pinakakaraniwang technic ng control ay may kasamang PWM o Pulse Width Modulation na tekniko na ginagamit upang makontrol ang cycle ng tungkulin ng circuitry.

Ang control circuit kontrol ang dami ng oras ang switch ay nananatiling bukas o malapit na, depende sa kasalukuyang iginuhit ng load. Gumagamit din ang circuit na ito para sa patuloy na pagpapatakbo sa matatag na estado. Kukuha ito ng isang sample ng output voltage at upang ibawas ito mula sa isang sanggunian na boltahe at lumikha ng isang maliit na signal ng error, pagkatapos ang signal ng error na ito ay ihinahambing sa isang oscillator ramp signal at mula sa output ng kumpara isang signal na PWM ang gagana o kontrolin ang switch circuit

Kapag nagbago ang boltahe ng output, naapektuhan din ito ng boltahe ng error. Dahil sa pagbabago ng boltahe ng error, kinokontrol ng kumpare ang output ng PWM. Ang PWM ay nagbago rin sa isang posisyon kapag ang output boltahe ay lumilikha ng zero error boltahe at sa pamamagitan nito, ang closed control loop system ay nagpapatupad ng trabaho.

Sa kasamaang palad, Karamihan sa modernong mga regulator ng boosting boosting ay may nakapaloob na bagay na ito sa loob ng IC package. Sa gayon ang simpleng disenyo ng circuitry ay nakakamit gamit ang modernong mga regulator ng paglipat.

Ang boltahe ng sangguniang puna ay tapos na gamit ang isang resistor divider network. Ito ang karagdagang circuitry, na kinakailangan kasama ang inductor, diode, at capacitors.

Pagbutihin ang kahusayan ng Boost Converter Circuit

Ngayon, Kung susuriin natin ang tungkol sa kahusayan, Ito ay kung gaano karaming lakas ang ibinibigay namin sa loob ng circuitry at kung magkano ang makukuha natin sa output.

(Pout / Pin) * 100%

Dahil ang enerhiya ay hindi maaaring malikha o masira, maaari lamang itong mai-convert, karamihan sa mga enerhiyang elektrikal ay maluwag ang mga hindi nagamit na kapangyarihan na na-convert sa init. Gayundin, walang perpektong sitwasyon sa praktikal na larangan, ang kahusayan ay isang mas malaking kadahilanan para sa pagpili ng mga Regulator ng Boltahe.

Ang isa sa mga pangunahing kadahilanan sa pagkawala ng kuryente para sa isang switching regulator ay ang diode. Ang forward boltahe drop beses kasalukuyang (Vf xi) ay ang hindi nagamit na wattage na na-convert sa init at binabawasan ang kahusayan ng switching regulator circuit. Gayundin, Ito ang karagdagang gastos sa circuitry para sa mga teknolohiyang pang-thermal / heat management na gumagamit ng heatsink, o Mga Tagahanga upang palamigin ang circuitry mula sa nadulas na init. Hindi lamang ang pagbagsak ng boltahe sa unahan, Ang kabaligtaran na pagbawi para sa mga diode ng silikon ay gumagawa din ng hindi kinakailangang pagkawala ng kuryente at pagbawas ng pangkalahatang kahusayan.

Ang isa sa pinakamahusay na paraan upang maiwasan ang isang karaniwang pag-diode ng pag-recover ay ang paggamit ng mga Schottky diode na kapalit ng mga diode na may mababang boltahe na pagbaba ng boltahe at mas mahusay na pag-recover. Kung kinakailangan ang maximum na kahusayan, ang diode ay maaaring mapalitan gamit ang MOSFETs. Sa modernong teknolohiya, maraming mga pagpipilian na magagamit sa Paglipat ng boost regulator section, na nagbibigay ng higit sa 90% na kahusayan nang madali.

Gayundin, mayroong isang tampok na "Skip Mode" na ginagamit sa maraming mga modernong aparato na nagbibigay-daan sa regulator na laktawan ang paglipat ng mga cycle kapag hindi na kailangan ng paglipat sa napakagaan na pag-load. Ito ay isang mahusay na paraan upang mapabuti ang kahusayan sa kundisyon ng light load. Sa skip mode, ang Siklo ng paglipat ay pinasimulan lamang kapag ang output boltahe ay bumaba sa ibaba ng isang kumokontrol na threshold.

Sa kabila ng pagkakaroon ng Mas mataas na kahusayan, Teknikal ng disenyo ng nakatigil, mas maliit na sangkap, mga switch ng regulator ay maingay kaysa sa isang linear regulator. Gayunpaman, ang mga ito ay malawak na tanyag.

Halimbawa ng Disenyo para sa Boost Converter

Nilikha namin dati ang isang boost regulator circuit gamit ang MC34063 kung saan ang 5V output ay nabuo mula sa 3.7V input voltage. Ang MC34063 ay ang switching regulator na ginamit sa pagsasaayos ng boost regulator. Gumamit kami ng isang Inductor, isang Schottky diode, at mga capacitor.

Sa imahe sa itaas, ang Cout ay ang output capacitor at gumamit din kami ng isang inductor at Schottky diode na siyang pangunahing sangkap para sa isang switching regulator. Mayroon ding ginamit na network ng Feedback. Ang mga resistor ng R1 at R2 ay lumilikha ng isang circuit ng divider ng boltahe na kinakailangan para sa PWM ng kumpare at yugto ng pagpapalaki ng error. Ang boltahe ng sanggunian ng kumpare ay 1.25V.

Kung nakita namin ang proyekto nang detalyado, maaari naming makita na ang 70-75% na kahusayan ay nakamit ng MC34063 switching boost regulator circuit na ito. Ang karagdagang kahusayan ay maaaring mapabuti gamit ang wastong tekniko ng PCB at pagkuha ng mga pamamaraan ng pamamahala ng thermal.