- Nozioni di base di progettazione del circuito convertitore boost
- PWM e ciclo di lavoro per circuito convertitore boost
- Migliora l'efficienza del circuito del convertitore boost
- Progetto di esempio per convertitore boost
In elettronica, un regolatore è un dispositivo o meccanismo che può regolare costantemente la potenza in uscita. Sono disponibili diversi tipi di regolatori nel dominio dell'alimentazione. Ma principalmente, nel caso di conversione da CC a CC, sono disponibili due tipi di regolatori: lineari o a commutazione.
Un regolatore lineare regola l'uscita utilizzando una caduta di tensione resistiva e, a causa di ciò, i regolatori lineari forniscono un'efficienza inferiore e perdono potenza sotto forma di calore.
Dall'altro lato, il regolatore di commutazione utilizza un induttore, un diodo e un interruttore di alimentazione per trasferire l'energia dalla sorgente all'uscita.
Sono disponibili tre tipi di regolatori di commutazione.
1. Convertitore step-up (Boost Regulator)
2. Convertitore step-down (regolatore Buck)
3. Inverter (flyback)
In questo tutorial descriviamo il circuito Switching Boost Regulator. Abbiamo già descritto il Boost Regulator Design nel tutorial precedente. Qui discuteremo diversi aspetti del convertitore Boost e come migliorarne l'efficienza.
Nozioni di base di progettazione del circuito convertitore boost
In molti casi, dobbiamo convertire una tensione inferiore in una tensione più alta a seconda dei requisiti. Il regolatore boost aumenta la tensione da potenziale inferiore a potenziale maggiore.
Nell'immagine sopra, viene mostrato un semplice circuito regolatore Boost in cui vengono utilizzati un induttore, un diodo, un condensatore e un interruttore.
Lo scopo dell'induttore è limitare la velocità di variazione della corrente che scorre attraverso l'interruttore di alimentazione. Limiterà la corrente di picco elevato in eccesso che è inevitabile dalla resistenza dell'interruttore individualmente.
Inoltre, l'induttore memorizza energia, l'energia misurata in Joule E = (L * I 2 /2)
Capiremo come gli induttori trasferiscono energia nelle immagini e nei grafici imminenti.
In caso di commutazione dei regolatori boost, ci sono due fasi, una è la fase di carica dell'induttore o la fase di accensione (l'interruttore è effettivamente chiuso) e l'altra è la fase di scarica o la fase di spegnimento (l'interruttore è aperto).
Se assumiamo che l' interruttore sia rimasto in posizione aperta per un lungo periodo, la caduta di tensione attraverso il diodo è negativa e la tensione attraverso il condensatore è uguale alla tensione di ingresso. In questa situazione, se l'interruttore si chiude, Vin è spaventato dall'altra parte dell'induttore. Il diodo impedisce la scarica del condensatore attraverso l'interruttore a terra.
La corrente attraverso l'induttore aumenta linearmente con il tempo. La velocità di aumento della corrente lineare è proporzionale alla tensione di ingresso divisa per l'induttanza di / dt = tensione attraverso induttore / induttanza
Nel grafico in alto, che mostra la fase di carica dell'induttore. L'asse x indica t (tempo) e l'asse Y indica I (corrente attraverso l'induttore). La Corrente aumenta linearmente con il tempo quando l'interruttore è chiuso o ON.
Ora, quando l'interruttore si spegne nuovamente o si apre, la corrente dell'induttore scorre attraverso il diodo e carica il condensatore di uscita. Quando la tensione di uscita aumenta, la pendenza della corrente attraverso l'induttore si inverte. La tensione di uscita aumenta fino a raggiungere la tensione attraverso l'induttore = L * (di / dt).
Il tasso di caduta della corrente dell'induttore nel tempo è direttamente proporzionale alla tensione dell'induttore. Maggiore è la tensione dell'induttore, più veloce è la caduta di corrente attraverso l'induttore.
Nel grafico sopra, la corrente dell'induttore diminuisce con il tempo quando l'interruttore si spegne.
Quando il regolatore di commutazione è in condizione di funzionamento a regime, la tensione media dell'induttore è zero durante l'intero ciclo di commutazione. Per questa condizione, anche la corrente media attraverso l'induttore è in stato stazionario.
Se assumiamo che il tempo di carica dell'induttore sia Ton e il circuito abbia una tensione di ingresso, ci sarà un Toff o tempo di scarica specifico per una tensione di uscita.
Poiché la tensione media dell'induttore è uguale a zero in stato stazionario, possiamo costruire un circuito boost usando i seguenti termini
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)
Poiché la tensione di uscita è uguale alla tensione di ingresso e alla tensione media dell'induttore (Vout = Vin + VL)
Possiamo dire che, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
Possiamo anche calcolare il Vout utilizzando il duty cycle.
Ciclo di lavoro (D) = Ton / (Ton + Toff)
Per il regolatore di commutazione boost, Vout sarà Vin / (1 - D)
PWM e ciclo di lavoro per circuito convertitore boost
Se controlliamo il ciclo di lavoro, possiamo controllare l'uscita di stato stazionario del convertitore boost. Quindi, per la variazione del ciclo di lavoro, utilizziamo un circuito di controllo sull'interruttore.
Quindi, per un circuito regolatore boost di base completo, abbiamo bisogno di un circuito aggiuntivo che varierà il ciclo di lavoro e quindi la quantità di tempo in cui l'induttore riceve energia dalla sorgente.
Nell'immagine sopra, è possibile vedere un amplificatore di errore che rileva la tensione di uscita attraverso il carico utilizzando un percorso di feedback e controlla l'interruttore. La tecnica di controllo più comune include la tecnologia PWM o Pulse Width Modulation che viene utilizzata per controllare il ciclo di lavoro del circuito.
Il circuito di controllo controlla la quantità di tempo in cui l'interruttore rimane aperto o chiuso, a seconda della corrente assorbita dal carico. Questo circuito utilizza anche per il funzionamento continuo in condizioni stazionarie. Ci vorrà un campione della tensione di uscita e per sottrarlo da una tensione di riferimento e creare un piccolo segnale di errore, quindi questo segnale di errore verrà confrontato con un segnale di rampa dell'oscillatore e dall'uscita del comparatore un segnale PWM opererà o controllerà l'interruttore circuito.
Quando la tensione di uscita cambia, anche la tensione di errore viene influenzata da essa. A causa della variazione della tensione di errore, il comparatore controlla l'uscita PWM. Il PWM è anche cambiato in una posizione in cui la tensione di uscita crea una tensione di errore zero e così facendo, il sistema ad anello di controllo chiuso esegue il lavoro.
Fortunatamente, la maggior parte dei moderni regolatori Switching boost hanno questa cosa incorporata nel pacchetto IC. In questo modo si ottiene un design semplice dei circuiti utilizzando i moderni regolatori di commutazione.
La tensione di feedback di riferimento viene eseguita utilizzando una rete di divisori di resistori. Questo è il circuito aggiuntivo, necessario insieme a induttore, diodi e condensatori.
Migliora l'efficienza del circuito del convertitore boost
Ora, se indaghiamo sull'efficienza, è quanta potenza forniamo all'interno del circuito e quanta ne otteniamo in uscita.
(Pout / Pin) * 100%
Poiché l'energia non può essere creata né distrutta, può solo essere convertita, la maggior parte delle energie elettriche perdono poteri inutilizzati convertiti in calore. Inoltre, non esiste una situazione ideale nel campo pratico, l'efficienza è un fattore più importante per la selezione dei regolatori di tensione.
Uno dei principali fattori di perdita di potenza per un regolatore a commutazione è il diodo. La caduta di tensione diretta moltiplicata per la corrente (Vf xi) è la potenza inutilizzata che si converte in calore e riduce l'efficienza del circuito del regolatore di commutazione. Inoltre, è il costo aggiuntivo per i circuiti per le tecniche di gestione termica / del calore che utilizzano un dissipatore di calore o le ventole per raffreddare il circuito dal calore dissipato. Non solo la caduta di tensione diretta, il recupero inverso per i diodi al silicio produce anche inutili perdite di potenza e riduzione dell'efficienza complessiva.
Uno dei modi migliori per evitare un diodo di recupero standard è utilizzare diodi Schottky al posto di diodi che hanno una bassa caduta di tensione diretta e un migliore recupero inverso. Quando è necessaria la massima efficienza, il diodo può essere sostituito utilizzando MOSFET. Nella tecnologia moderna, ci sono molte scelte disponibili nella sezione Commutazione del regolatore boost, che forniscono facilmente più del 90% di efficienza.
Inoltre, è presente una funzione "Skip Mode" utilizzata in molti dispositivi moderni che consente al regolatore di saltare i cicli di commutazione quando non è necessario effettuare la commutazione a carichi molto leggeri. È un ottimo modo per migliorare l'efficienza in condizioni di carico leggero. In modalità skip, il ciclo di commutazione viene avviato solo quando la tensione di uscita scende al di sotto di una soglia di regolazione.
Nonostante abbiano una maggiore efficienza, tecnica di progettazione stazionaria, componenti più piccoli, i regolatori di commutazione sono rumorosi di un regolatore lineare. Tuttavia, sono molto popolari.
Progetto di esempio per convertitore boost
In precedenza abbiamo creato un circuito di regolazione boost utilizzando MC34063 in cui l'uscita 5V viene generata dalla tensione di ingresso 3,7V. MC34063 è il regolatore di commutazione utilizzato nella configurazione del regolatore boost. Abbiamo usato un induttore, un diodo Schottky e condensatori.
Nell'immagine sopra, Cout è il condensatore di uscita e abbiamo anche usato un induttore e un diodo Schottky che sono i componenti di base per un regolatore di commutazione. Viene utilizzata anche una rete di feedback. I resistori R1 e R2 creano un circuito divisore di tensione necessario per il PWM del comparatore e lo stadio di amplificazione dell'errore. La tensione di riferimento del comparatore è 1,25 V.
Se vediamo il progetto in dettaglio, possiamo vedere che il 70-75% di efficienza è ottenuto da questo circuito di regolazione boost di commutazione MC34063. Ulteriore efficienza può essere migliorata utilizzando una tecnica PCB adeguata e ottenendo procedure di gestione termica.