- Differenza tra Buck e Boost Regulator
- Nozioni di base sulla progettazione del circuito convertitore buck
- Modalità operative del convertitore buck
- PWM e ciclo di lavoro per circuito convertitore buck
- Migliora l'efficienza del circuito del convertitore buck
- Progetto di esempio per convertitore buck
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: lineare o a commutazione.
Un regolatore lineare regola l'uscita utilizzando una caduta di tensione resistiva e per questo 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, descriveremo il circuito Switching Buck Regulator. Abbiamo già descritto il design del regolatore Buck nel tutorial precedente. Qui discuteremo diversi aspetti del convertitore Buck e come migliorarne l'efficienza.
Differenza tra Buck e Boost Regulator
La differenza tra il regolatore buck e boost è che, nel regolatore buck, la posizione dell'induttore, del diodo e del circuito di commutazione è diversa dal regolatore boost. Inoltre, in caso di regolatore boost, la tensione di uscita è superiore alla tensione di ingresso, ma nel regolatore buck, la tensione di uscita è inferiore alla tensione di ingresso.
Una topologia buck o un convertitore buck è una delle topologie di base più utilizzate in SMPS. È una scelta popolare in cui è necessario convertire una tensione maggiore in una tensione di uscita inferiore.
Come il regolatore boost, un convertitore buck o un regolatore buck sono costituiti da un induttore, ma la connessione dell'induttore è nello stadio di uscita piuttosto che nello stadio di ingresso utilizzato nei regolatori boost.
Quindi, in molti casi, dobbiamo convertire una tensione inferiore in una tensione più alta a seconda dei requisiti. Il regolatore Buck converte la tensione da potenziale maggiore a potenziale inferiore.
Nozioni di base sulla progettazione del circuito convertitore buck
Nell'immagine sopra, viene mostrato un semplice circuito regolatore Buck in cui vengono utilizzati un induttore, un diodo, un condensatore e un interruttore. L'ingresso è collegato direttamente attraverso l'interruttore. L'induttore e il condensatore sono collegati attraverso l'uscita, quindi il carico ottiene una forma d'onda della corrente di uscita regolare. Il diodo viene utilizzato per bloccare il flusso di corrente negativo.
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 stato a lungo in posizione aperta, la corrente nel circuito è 0 e non è presente tensione.
In questa situazione, se l'interruttore si avvicina, la corrente aumenterà e l'induttore creerà una tensione attraverso di esso. Questa caduta di tensione riduce al minimo la tensione della sorgente all'uscita, dopo alcuni istanti la velocità di variazione della corrente diminuisce e diminuisce anche la tensione attraverso l'induttore, il che alla fine aumenta la tensione attraverso il carico. L'induttore immagazzina energia usando il suo campo magnetico.
Quindi, quando l'interruttore è acceso, attraverso l'induttore la tensione è V L = Vin - Vout
La corrente nell'induttore aumenta a una velocità di (Vin - Vout) / L
La corrente attraverso l'induttore aumenta linearmente con il tempo. La velocità di aumento della corrente lineare è proporzionale alla tensione di ingresso meno la tensione di uscita divisa per l'induttanza
di / dt = (Vin - Vout) / L
Il grafico superiore 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.
durante questo periodo, mentre la corrente sta ancora cambiando, ci sarà sempre una caduta di tensione attraverso l'induttore. La tensione attraverso il carico sarà inferiore alla tensione di ingresso. Durante lo stato off, mentre l'interruttore è aperto, la sorgente della tensione di ingresso viene scollegata e l'induttore trasferirà l'energia immagazzinata al carico. L' induttore diventerà la sorgente di corrente per il carico.
Il diodo D1 fornirà un percorso di ritorno della corrente che scorre attraverso l'induttore durante lo stato di spegnimento.
La corrente dell'induttore diminuisce con una pendenza pari a –Vout / L
Modalità operative del convertitore buck
Il convertitore Buck può essere utilizzato in due diverse modalità. Modalità continua o modalità discontinua.
Modalità continua
Durante la modalità Continua, l'induttore non si scarica mai completamente, il ciclo di carica inizia quando l'induttore è parzialmente scarico.
Nell'immagine sopra, possiamo vedere, quando l'interruttore si accende quando la corrente dell'induttore (iI) aumenta linearmente, quindi quando l'interruttore si spegne l'induttore inizia a diminuire, ma l'interruttore si riaccende mentre l'induttore è parzialmente scarico. Questa è la modalità di funzionamento Continua.
L'energia immagazzinata nell'induttore è E = (LI L 2) / 2
Modalità discontinua
La modalità discontinua è leggermente diversa dalla modalità continua. Nella modalità Discontinuo, l'induttore si è scaricato completamente prima di iniziare un nuovo ciclo di carica. L'induttore si scaricherà completamente a zero prima che l'interruttore si accenda.
Durante la modalità discontinua, come possiamo vedere nell'immagine sopra quando l'interruttore si accende, la corrente dell'induttore (il) aumenta linearmente, quindi quando l'interruttore si spegne l'induttore inizia a diminuire, ma l'interruttore si accende solo dopo l'induttore è completamente scarica e la corrente dell'induttore è diventata completamente zero. Questa è la modalità operativa discontinua. In questa operazione, il flusso di corrente attraverso l'induttore non è continuo.
PWM e ciclo di lavoro per circuito convertitore buck
Come abbiamo discusso nel precedente tutorial sul convertitore buck, variando il ciclo di lavoro possiamo controllare il circuito del regolatore buck. Per questo, è necessario un sistema di controllo di base. È inoltre necessario un amplificatore di errore e un circuito di controllo dell'interruttore che funzionerà in modalità continua o discontinua.
Quindi, per un circuito regolatore buck 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, controllando quanto tempo si carica o scarica l'induttore.
Questo circuito controlla l'interruttore a seconda della modalità di funzionamento. 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 buck Switching 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 buck
Ora, se indaghiamo sull'efficienza, 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 viene convertita 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 Switching buck regulator, che forniscono facilmente più del 90% di efficienza.
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 buck
Abbiamo precedentemente creato un circuito regolatore buck utilizzando MC34063 in cui l'uscita 5V viene generata dalla tensione di ingresso 12V. L'MC34063 è il regolatore a commutazione utilizzato nella configurazione del regolatore buck. 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 75-78% di efficienza è ottenuto da questo circuito regolatore di commutazione buck MC34063. Ulteriore efficienza può essere migliorata utilizzando una tecnica PCB adeguata e ottenendo procedure di gestione termica.
Esempio di utilizzo del regolatore Buck
- Fonte di alimentazione CC nell'applicazione a bassa tensione
- Attrezzatura portatile
- Equipaggiamento audio
- Sistemi hardware incorporati.
- Sistemi solari ecc.