Paglipat ng buck 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, ilalarawan namin ang circuit ng Switching Buck Regulator. Inilarawan na namin ang Disenyo ng Buck Regulator sa nakaraang tutorial. Tatalakayin dito ang iba't ibang aspeto ng Buck converter at kung paano mapabuti ang kahusayan nito.

Pagkakaiba sa pagitan ng Buck at Boost Regulator

Ang pagkakaiba sa pagitan ng buck at boost regulator ay, sa buck regulator ang paglalagay ng inductor, diode at ang switching circuit ay naiiba kaysa sa boost regulator. Gayundin, sa kaso ng boost regulator ang output voltage ay mas mataas kaysa sa input voltage, ngunit sa regulator ng buck, ang output boltahe ay mas mababa kaysa sa input boltahe.

Ang isang buck topology o buck converter ay isa sa pinaka ginagamit na pangunahing topology na ginamit sa SMPS. Ito ay isang tanyag na pagpipilian kung saan kailangan nating mai-convert ang mas mataas na boltahe sa isang mas mababang boltahe ng output.

Kapareho ng boost regulator, ang isang buck converter o buck regulator ay binubuo ng isang inductor, ngunit ang koneksyon ng inductor ay nasa yugto ng output kaysa sa input yugto na ginamit sa mga boost regulator.

Kaya, sa maraming mga kaso, kailangan nating baguhin ang mas mababang boltahe sa mas mataas na boltahe depende sa mga kinakailangan. Pinapalitan ng Buck regulator ang boltahe mula sa mas mataas na potensyal hanggang sa mas mababang potensyal.

Mga Pangunahing Kaalaman sa Disenyo ng Buck Converter Circuit

Sa imahe sa itaas, ipinapakita ang isang simpleng circuit ng Buck regulator kung saan ginagamit ang isang Inductor, diode, Capacitor at isang switch. Ang input ay direktang konektado sa buong switch. Ang Inductor at capacitor ay konektado sa kabuuan ng output, sa gayon ang pagkarga ay nakakakuha ng makinis na kasalukuyang output ng alon. Ginagamit ang diode para sa pagharang sa negatibong kasalukuyang daloy.

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 kasalukuyang nasa circuit ay 0 at walang kasalukuyang boltahe.

Sa sitwasyong ito, kung ang switch ay magiging malapit pagkatapos ang kasalukuyang ay tataas at ang inductor ay lilikha ng isang boltahe sa kabuuan nito. Ang pagbagsak ng boltahe na ito ay binabawasan ang pinagmulan ng boltahe sa output, pagkatapos ng ilang sandali ang rate ng kasalukuyang pagbabago ay bumababa at ang boltahe sa kabuuan ng inductor ay bumababa din na kalaunan ay nadaragdagan ang boltahe sa kabuuan ng karga. Nag-iimbak ng enerhiya ang inductor gamit ang magnetic field.

Kaya, kapag ang switch ay nakabukas, sa buong inductor ang boltahe ay V _L = Vin - Vout

Ang kasalukuyang sa inductor tumaas sa isang rate ng (Vin - Vout) / L

Ang kasalukuyang sa pamamagitan ng inductor ay tumataas sa tuwid na may oras. Ang linear na kasalukuyang pagtaas ng rate ay proporsyonal sa input boltahe na mas mababa ang output boltahe na hinati ng inductance

di / dt = (Vin - Vout) / L

Ang itaas na grap na nagpapakita ng phase 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.

sa oras na ito habang ang kasalukuyang nagbabago pa rin, palaging may isang pagbagsak ng boltahe na nagaganap sa buong inductor. Ang boltahe sa kabuuan ng pagkarga ay magiging mas mababa kaysa sa boltahe ng pag-input. Sa panahon ng off state, habang bukas ang switch, nakakakuha ng pagkakakonekta ang mapagkukunan ng input boltahe, at ililipat ng inductor ang nakaimbak na enerhiya sa pag-load. Ang inductor ay magiging kasalukuyang mapagkukunan para sa pag-load.

Magbibigay ang Diode D1 ng isang pabalik na landas ng kasalukuyang dumadaloy sa pamamagitan ng inductor sa panahon ng switch off-state.

Ang kasalukuyang inductor ay bumababa na may isang slope na katumbas ng –Vout / L

Mga Mode ng Pagpapatakbo ng Buck Converter

Ang Buck converter ay maaaring patakbuhin sa dalawang magkakaibang mga mode. Patuloy na mode o hindi nagpapatuloy na mode.

Patuloy na mode

Sa panahon ng Nagpapatuloy na mode, ang inductor ay hindi kailanman pinalabas nang buo, nagsisimula ang siklo ng pagsingil kapag ang inductor ay bahagyang natanggal.

Sa imahe sa itaas, maaari nating makita, kapag ang switch ay nakabukas kapag ang kasalukuyang inductor (iI) ay tumaas nang linear, pagkatapos kapag ang switch ay bumaba sa inductor ay nagsimulang mabawasan, ngunit ang switch ay muling nakakakuha habang ang inductor ay bahagyang natanggal. Ito ang Patuloy na mode ng pagpapatakbo.

Ang enerhiya na nakaimbak sa inductor ay E = (LI _L ²) / 2

Patuloy na Mode

Ang tuluy-tuloy na mode ay bahagyang naiiba kaysa sa tuluy-tuloy na mode. Sa Patuloy na mode, ang Inductor ay ganap na pinalabas bago simulan ang isang bagong ikot ng singil. Ang Inductor ay ganap na magpapalabas sa zero bago mag-on ang switch.

Sa panahon ng hindi nagpapatuloy na mode, tulad ng nakikita natin sa nasa itaas na imahe kapag ang switch ay nakabukas sa, ang kasalukuyang inductor (il) ay tumaas nang linear, pagkatapos kapag bumaba ang switch, ang inductor ay nagsimulang mabawasan, ngunit ang switch ay makakakuha lamang matapos ang inductor ay ganap na natapos at ang kasalukuyang inductor ay naging ganap na zero. Ito ang Patuloy na mode ng pagpapatakbo. Sa operasyong ito, ang kasalukuyang daloy sa pamamagitan ng inductor ay hindi tuloy-tuloy.

PWM at Duty Cycle para sa Buck Converter Circuit

Tulad ng tinalakay sa nakaraang tutorial ng buck converter, pag-iiba-iba ang cycle ng tungkulin maaari naming makontrol ang circuit ng buck regulator. Para sa mga ito, kinakailangan ng isang pangunahing sistema ng kontrol. Ang isang Error amplifier at switch control circuit ay karagdagan na kinakailangan na gagana sa tuloy-tuloy o hindi natuloy na mode.

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

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.

Kinokontrol ng circuit ng kontrol ang dami ng oras na mananatiling bukas ang switch o, kinokontrol kung gaano karaming oras ang singil o paglabas ng inductor.

Kinokontrol ng circuit na ito ang switch depende sa mode ng operasyon. Kukuha ito ng isang sample ng output voltage at upang bawasan ito mula sa isang sanggunian na boltahe at lumikha ng isang maliit na signal ng error, kung gayon ang error signal 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 mga modernong Switching buck regulator ay may naka-built 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 Buck Converter Circuit

Ngayon, kung susuriin natin ang tungkol sa kahusayan, kung magkano ang kapangyarihan na ibinibigay namin sa loob ng circuitry at kung magkano ang makukuha namin 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 drop boltahe ng pasulong na multiply ng 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 pagpipilian na magagamit sa Paglipat ng seksyon ng regulator ng buck, na nagbibigay ng higit sa 90% na kahusayan nang madali.

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 Buck Converter

Nakagawa kami dati ng isang circuit ng buck regulator gamit ang MC34063 kung saan ang 5V output ay nabuo mula sa 12V input boltahe. Ang MC34063 ay ang switching regulator na ginamit sa pagsasaayos ng buck 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 75-78% na kahusayan ay nakamit ng MC34063 switching buck 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.

Halimbawa ng Paggamit ng Buck regulator-

Pinagmulan ng kuryente ng DC sa mababang aplikasyon ng boltahe
Portable na kagamitan
Kagamitan sa audio
Mga naka-embed na system ng hardware.
Mga solar system atbp.