- Ontwerp de basisprincipes van het Boost Converter Circuit
- PWM en Duty Cycle voor Boost Converter Circuit
- Verbeter de efficiëntie van het Boost Converter Circuit
- Voorbeeldontwerp voor Boost Converter
In de elektronica is een regelaar een apparaat of mechanisme dat het uitgangsvermogen constant kan regelen. Er zijn verschillende soorten regelaars beschikbaar op het gebied van stroomvoorziening. Maar vooral, in het geval van DC naar DC-conversie, zijn er twee soorten regelaars beschikbaar: Lineair of Switching.
Een lineaire regelaar regelt de output met behulp van een resistieve spanningsval, en hierdoor zorgen lineaire regelaars voor een lager rendement en verliezen ze vermogen in de vorm van warmte.
Aan de andere kant: schakelende regelaar gebruikt inductor, diode en een aan / uit-schakelaar om energie over te brengen van de bron naar de uitgang.
Er zijn drie soorten schakelregelaars beschikbaar.
1. Step-up converter (Boost Regulator)
2. Step-Down-omzetter (Buck-regelaar)
3. Omvormer (Flyback)
In deze tutorial beschrijven we het Switching Boost Regulator-circuit. We hebben het Boost Regulator Design al beschreven in de vorige tutorial. Hier zullen we verschillende aspecten van Boost-converter bespreken en hoe de efficiëntie ervan kan worden verbeterd.
Ontwerp de basisprincipes van het Boost Converter Circuit
In veel gevallen moeten we de lagere spanning omzetten naar de hogere spanning, afhankelijk van de vereisten. Boostregelaar verhoogt de spanning van lager naar hoger potentieel.
In de bovenstaande afbeelding wordt een eenvoudig Boost-regulatorcircuit getoond waarbij een inductor, diode, condensator en een schakelaar worden gebruikt.
Het doel van de inductor is om de huidige zwenksnelheid te beperken die door de aan / uit-schakelaar vloeit. Het beperkt de overtollige hoge piekstroom die onvermijdelijk is door de schakelweerstand afzonderlijk.
Ook de spoel opgeslagen energie, de energie gemeten in Joules E = (L * I 2 /2)
We zullen begrijpen hoe de inductoren energie overdragen in de komende afbeeldingen en grafieken.
In het geval van het schakelen van boostregelaars, zijn er twee fasen, de ene is de inductorladingsfase of de inschakelfase (schakelaar is eigenlijk gesloten) en de andere is de ontlaadfase of de uitschakelfase (schakelaar is open).
Als we aannemen dat de schakelaar lange tijd open heeft gestaan, is de spanningsval over de diode negatief en de spanning over de condensator gelijk aan de ingangsspanning. In deze situatie, als de schakelaar dichtbij komt, is de Vin bang over de spoel. De diode voorkomt dat de condensator via de schakelaar naar de aarde ontlaadt.
De stroom door de inductor stijgt lineair met de tijd. De lineaire stroomstijgsnelheid is evenredig met de ingangsspanning gedeeld door de inductantie di / dt = spanning over inductor / inductantie
In de bovenste grafiek toont de oplaadfase van de inductor. De x-as geeft t (tijd) aan en de Y-as geeft I aan (stroom door de inductor). De stroom neemt lineair toe met de tijd wanneer de schakelaar gesloten of AAN is.
Nu, wanneer de schakelaar weer uit gaat of open werd, vloeit de inductorstroom door de diode en laadt de uitgangscondensator op. Wanneer de uitgangsspanning stijgt, keert de stroomhelling door de inductor om. De uitgangsspanning stijgt totdat spanning door de inductor = L * (di / dt) wordt bereikt.
De afvalsnelheid van de inductorstroom in de tijd is recht evenredig met de inductorspanning. Hoe hoger de inductorspanning, hoe sneller de stroom door de inductor daalt.
In de bovenstaande grafiek daalt de inductorstroom met de tijd wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld.
Wanneer de schakelende regelaar zich in een stabiele bedrijfstoestand bevindt, is de gemiddelde spanning van de inductor nul gedurende de gehele schakelcyclus. Voor deze toestand is de gemiddelde stroom door de inductor ook in stabiele toestand.
Als we aannemen dat de inductorlaadtijd Ton is en het circuit een ingangsspanning heeft, dan zal er een specifieke Toff- of ontladingstijd zijn voor een uitgangsspanning.
Omdat de gemiddelde inductorspanning gelijk is aan nul in stabiele toestand, kunnen we een boostcircuit construeren met behulp van de volgende termen
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)
Omdat de uitgangsspanning gelijk is aan de ingangsspanning en de gemiddelde inductorspanning (Vout = Vin + VL)
We kunnen stellen dat, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
We kunnen de Vout ook berekenen met de duty-cycle.
Inschakelduur (D) = Ton / (Ton + Toff)
Voor de boost-schakelregelaar is de Vout Vin / (1 - D)
PWM en Duty Cycle voor Boost Converter Circuit
Als we de duty-cycle regelen, kunnen we de steady-state-output van de boost-omzetter regelen. Dus voor de variatie in de duty-cycle gebruiken we een regelcircuit over de schakelaar.
Dus voor een compleet basis boost-regulatorcircuit hebben we een extra circuit nodig dat de duty-cycle zal variëren en dus de hoeveelheid tijd dat de inductor energie ontvangt van de bron.
In de bovenstaande afbeelding is een foutversterker te zien die de uitgangsspanning over de belasting detecteert met behulp van een feedbackpad en de schakelaar bestuurt. De meest gebruikelijke regeltechniek omvat PWM- of pulsbreedtemodulatietechniek die wordt gebruikt om de inschakelduur van het circuit te regelen.
Het stuurcircuit regelt de hoeveelheid tijd dat de schakelaar open of dicht blijft, afhankelijk van de stroom die door de belasting wordt getrokken. Dit circuit wordt ook gebruikt voor continu gebruik in de stabiele toestand. Het neemt een monster van de uitgangsspanning en trekt deze af van een referentiespanning en creëert een klein foutsignaal, dan wordt dit foutsignaal vergeleken met een oscillatorhellingssignaal en vanaf de comparatoruitgang zal een PWM-signaal de schakelaar bedienen of besturen. circuit.
Wanneer de uitgangsspanning verandert, wordt de foutspanning er ook door beïnvloed. Als gevolg van een verandering van de foutspanning, regelt de comparator de PWM-uitgang. De PWM veranderde ook naar een positie waarin de uitgangsspanning een nul-foutspanning creëert en door dit te doen, voert het gesloten regelkussysteem het werk uit.
Gelukkig hebben de meeste moderne Switching-boostregelaars dit ding ingebouwd in het IC-pakket. Aldus wordt een eenvoudig circuitontwerp bereikt met behulp van de moderne schakelregelaars.
De referentieterugkoppelspanning wordt gedaan met behulp van een weerstandsverdelernetwerk. Dit is de extra schakeling die nodig is, samen met inductor, diodes en condensatoren.
Verbeter de efficiëntie van het Boost Converter Circuit
Als we nu de efficiëntie onderzoeken, is het hoeveel stroom we binnen de schakelingen leveren en hoeveel we aan de uitgang krijgen.
(Steenbolk / Speld) * 100%
Omdat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, kan het alleen worden omgezet, de meeste elektrische energieën verliezen ongebruikte krachten die in warmte worden omgezet. Ook is er geen ideale situatie in de praktijk, efficiëntie is een grotere factor bij het selecteren van spanningsregelaars.
Een van de belangrijkste factoren voor vermogensverlies voor een schakelende regelaar is de diode. De voorwaartse spanningsval-tijden stroom (Vf xi) is het ongebruikte wattage dat wordt omgezet in warmte en de efficiëntie van het schakelende regelcircuit vermindert. Het zijn ook de extra kosten voor het circuit voor thermische / warmtebeheertechnieken met behulp van een koellichaam of ventilatoren om het circuit af te koelen van gedissipeerde warmte. Niet alleen de voorwaartse spanningsval, maar omgekeerd herstel voor siliciumdiodes zorgt ook voor onnodig vermogensverlies en een vermindering van de algehele efficiëntie.
Een van de beste manieren om een standaard hersteldiode te vermijden, is door Schottky-diodes te gebruiken in plaats van diodes met een lage voorwaartse spanningsval en een beter omgekeerd herstel. Wanneer maximale efficiëntie nodig is, kan de diode worden vervangen met behulp van MOSFET's. In moderne technologie zijn er tal van keuzes beschikbaar in het gedeelte Switching boost regulator, die gemakkelijk meer dan 90% efficiëntie bieden.
Er is ook een functie "Skip-modus" die in veel moderne apparaten wordt gebruikt, waardoor de regelaar schakelcycli kan overslaan wanneer er niet hoeft te worden geschakeld bij zeer lichte belastingen. Het is een geweldige manier om de efficiëntie te verbeteren bij lichte belasting. In de skip-modus wordt de schakelcyclus alleen gestart als de uitgangsspanning onder een regeldrempel zakt.
Ondanks dat ze een hogere efficiëntie, stationaire ontwerptechniek en kleinere componenten hebben, zijn schakelende regelaars luidruchtig dan een lineaire regelaar. Toch zijn ze erg populair.
Voorbeeldontwerp voor Boost Converter
We hebben eerder een boostregelaarcircuit gemaakt met MC34063, waarbij de 5V-uitvoer wordt gegenereerd door de 3,7V-ingangsspanning. MC34063 is de schakelende regelaar die werd gebruikt in de configuratie van de boostregelaar. We gebruikten een inductor, een Schottky-diode en condensatoren.
In de bovenstaande afbeelding is Cout de uitgangscondensator en we hebben ook een inductor en Schottky-diode gebruikt, die de basiscomponenten zijn voor een schakelende regelaar. Er wordt ook gebruik gemaakt van een feedbacknetwerk. R1- en R2-weerstanden creëren een spanningsdelercircuit dat nodig is voor de PWM- en foutversterkingsfase van de comparator. De referentiespanning van de comparator is 1,25V.
Als we het project in detail bekijken, kunnen we zien dat 70-75% efficiëntie wordt bereikt door dit MC34063 schakelende boostregelaarcircuit. Verdere efficiëntie kan worden verbeterd met behulp van de juiste PCB-techniek en het verkrijgen van thermische beheersprocedures.