- Verschil tussen Buck en Boost Regulator
- Ontwerpbeginselen van Buck Converter Circuit
- Buck Converter-bedieningsmodi
- PWM en Duty Cycle voor Buck Converter Circuit
- Verbeter de efficiëntie van het Buck Converter Circuit
- Voorbeeldontwerp voor Buck 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 zullen we het Switching Buck Regulator-circuit beschrijven. We hebben het Buck Regulator Design al beschreven in de vorige tutorial. Hier zullen we verschillende aspecten van Buck-converter bespreken en hoe de efficiëntie ervan kan worden verbeterd.
Verschil tussen Buck en Boost Regulator
Het verschil tussen de buck en boost regulator is dat bij de buck regulator de plaatsing van inductor, diode en het schakelcircuit anders is dan bij de boost regulator. Ook in het geval van een boostregelaar is de uitgangsspanning hoger dan de ingangsspanning, maar in de buck-regelaar is de uitgangsspanning lager dan de ingangsspanning.
Een buck-topologie of buck-converter is een van de meest gebruikte basistopologieën die in SMPS wordt gebruikt. Het is een populaire keuze waarbij we een hogere spanning naar een lagere uitgangsspanning moeten converteren.
Hetzelfde als de boostregelaar, een buck converter of buck regulator bestaat uit een inductor, maar de aansluiting van de inductor bevindt zich in de eindtrap in plaats van de ingangstrap die wordt gebruikt in boostregelaars.
Dus in veel gevallen moeten we een lagere spanning omzetten naar een hogere spanning, afhankelijk van de vereisten. Buck-regelaar converteert de spanning van hoger potentieel naar lager potentieel.
Ontwerpbeginselen van Buck Converter Circuit
In de bovenstaande afbeelding wordt een eenvoudig Buck-regulatorcircuit getoond waarbij een inductor, diode, condensator en een schakelaar worden gebruikt. De ingang is direct over de schakelaar aangesloten. De inductor en condensator zijn verbonden over de uitgang, dus de belasting krijgt een soepele uitgangsstroomgolfvorm. De diode wordt gebruikt om de negatieve stroom te blokkeren.
In het geval van het schakelen van boostregelaars, zijn er twee fasen, de ene is de inductorlaadfase 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 in open stand heeft gestaan, is de stroom in het circuit 0 en is er geen spanning aanwezig.
Als in deze situatie de schakelaar dichtbij komt, zal de stroom toenemen en zal de inductor er een spanning over creëren. Deze spanningsval minimaliseert de bronspanning aan de uitgang, na enkele ogenblikken neemt de snelheid van stroomverandering af en neemt ook de spanning over de inductor af, wat uiteindelijk de spanning over de belasting verhoogt. Inductor slaat energie op met behulp van zijn magnetische veld.
Dus, wanneer de schakelaar is ingeschakeld, over de spoel de spanning V L = Vin - Vout
De stroom in de inductor stijgt met een snelheid van (Vin - Vout) / L
De stroom door de inductor stijgt lineair met de tijd. De lineaire stijgingssnelheid van de stroom is evenredig met de ingangsspanning min de uitgangsspanning gedeeld door de zelfinductie
di / dt = (Vin - Vout) / L
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.
gedurende deze tijd, terwijl de stroom nog steeds verandert, zal er altijd een spanningsval optreden over de inductor. De spanning over de belasting zal lager zijn dan de ingangsspanning. Tijdens de uit-stand, terwijl de schakelaar open is, wordt de ingangsspanningsbron losgekoppeld en zal de inductor de opgeslagen energie overbrengen naar de belasting. De inductor wordt de huidige bron voor de belasting.
De diode D1 zorgt voor een retourpad van de stroom die door de inductor stroomt tijdens de uitschakeltoestand.
De inductorstroom neemt af met een helling gelijk aan –Vout / L
Buck Converter-bedieningsmodi
De Buck-converter kan in twee verschillende modi worden bediend. Continue modus of discontinue modus.
Continu modus
Tijdens de continue modus is de inductor nooit volledig ontladen, de oplaadcyclus begint wanneer de inductor gedeeltelijk wordt ontladen.
In de bovenstaande afbeelding kunnen we zien dat wanneer de schakelaar wordt ingeschakeld wanneer de inductorstroom (iI) lineair toeneemt, de inductor begint af te nemen wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld, maar de schakelaar weer wordt ingeschakeld terwijl de inductor gedeeltelijk wordt ontladen. Dit is de continue werkingsmodus.
Energie opgeslagen in de inductor is E = (LI L 2) / 2
Discontinue modus
De onderbroken modus is iets anders dan de continue modus. In de onderbroken modus is de inductor volledig ontladen voordat een nieuwe oplaadcyclus wordt gestart. De inductor zal volledig ontladen tot nul voordat de schakelaar werd ingeschakeld.
Tijdens de discontinue modus, zoals we in de bovenstaande afbeelding kunnen zien, wanneer de schakelaar wordt ingeschakeld, neemt de inductorstroom (il) lineair toe, en wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld, begint de inductor af te nemen, maar de schakelaar wordt pas ingeschakeld nadat de inductor is volledig ontladen en de inductorstroom werd volledig nul. Dit is de onderbroken modus. Bij deze bewerking is de stroom door de inductor niet continu.
PWM en Duty Cycle voor Buck Converter Circuit
Zoals we in de vorige tutorial met buck-converter hebben besproken, kunnen we door de duty-cycle te variëren het buck-regulatorcircuit regelen. Hiervoor is een basisregelsysteem vereist. Een foutversterker en schakelaarbesturingscircuit zijn bovendien vereist die in continue of discontinue modus werken.
Dus voor een compleet buck-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 tijd dat de schakelaar open blijft of, hoeveel tijd de inductor wordt opgeladen of ontladen.
Dit circuit bestuurt de schakelaar afhankelijk van de bedrijfsmodus. 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 buck-regulatoren 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 Buck Converter Circuit
Als we nu kijken naar de efficiëntie, hoeveel stroom we leveren in het circuit 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 vermenigvuldigd met 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, 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 de moderne technologie zijn er tal van keuzes beschikbaar in het gedeelte Switching buck regulator, die gemakkelijk meer dan 90% efficiëntie bieden.
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 Buck Converter
We hebben eerder een buck-regulatorcircuit gemaakt met MC34063, waarbij de 5V-uitvoer wordt gegenereerd door de 12V-ingangsspanning. MC34063 is de schakelende regelaar die werd gebruikt in de configuratie van de buck-regelaar. 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 75-78% efficiëntie wordt bereikt door dit MC34063 schakelende buck-regulatorcircuit. Verdere efficiëntie kan worden verbeterd met behulp van de juiste PCB-techniek en het verkrijgen van thermische beheersprocedures.
Voorbeeldgebruik van Buck-regelaar
- Gelijkstroomvoedingsbron in de laagspanningstoepassing
- Draagbaar materiaal
- Geluidsapparatuur
- Ingebouwde hardwaresystemen.
- Zonnesystemen etc.