- Conceptes bàsics del disseny del circuit de conversió Boost
- PWM i Cicle de servei per al circuit del convertidor Boost
- Millorar l’eficiència del circuit del convertidor Boost
- Exemple de disseny per a Boost Converter
En electrònica, un regulador és un dispositiu o mecanisme que pot regular la potència de sortida constantment. Hi ha diferents tipus de reguladors disponibles en el domini de la font d'alimentació. Però principalment, en el cas de la conversió de CC a CC, hi ha dos tipus de reguladors disponibles: lineals o de commutació.
Un regulador lineal regula la sortida mitjançant una caiguda de tensió resistiva i, a causa d’això, els reguladors lineals proporcionen una eficiència més baixa i perden energia en forma de calor.
A l'altre costat, el regulador de commutació utilitza un inductor, un díode i un interruptor d'alimentació per transferir energia de la seva font a la sortida.
Hi ha tres tipus de reguladors de commutació disponibles.
1. Convertidor intensiu (Boost Regulator)
2. Convertidor Step-Down (regulador Buck)
3. Inversor (Flyback)
En aquest tutorial es descriu el circuit del regulador d’augment de commutació. Ja hem descrit el disseny del regulador Boost al tutorial anterior. Aquí parlarem de diferents aspectes del convertidor Boost i de com millorar-ne l’eficiència.
Conceptes bàsics del disseny del circuit de conversió Boost
En molts casos, hem de convertir el voltatge més baix en el voltatge més alt en funció dels requisits. El regulador Boost augmenta el voltatge de menor potencial a major potencial.
A la imatge anterior, es mostra un senzill circuit regulador Boost on s’utilitza un inductor, un díode, un condensador i un commutador.
L’objectiu de l’inductor és limitar la velocitat de rotació actual que flueix a través de l’interruptor d’alimentació. Limitarà l'excés de corrent de pic alt que és inevitable per la resistència del commutador individualment.
A més, l'emmagatzema energia inductor, l'energia mesura en Joules E = (L * I 2 /2) EXEMPLAR
Comprendrem com els inductors transfereixen energia a les properes imatges i gràfics.
En cas de commutació de reguladors d’augment, hi ha dues fases, una és la fase de càrrega d’inductor o la fase d’ activació (l’interruptor està realment tancat) i l’altra és la fase de descàrrega o la fase d’apagada (l’interruptor està obert).
Si suposem que l’ interruptor ha estat en posició oberta durant molt de temps, la caiguda de tensió del díode és negativa i la tensió del condensador és igual a la tensió d’entrada. En aquesta situació, si l’interruptor s’acosta, el Vin té por de l’inductor. El díode impedeix la descàrrega del condensador a través del commutador a terra.
El corrent a través de l’inductor augmenta linealment amb el temps. La taxa d’augment del corrent lineal és proporcional a la tensió d’entrada dividida per la inductància di / dt = Voltatge a través d’inductor / inductància
Al gràfic superior, es mostra la fase de càrrega de l’inductor. L'eix X indica t (temps) i l'eix Y indica I (corrent a través de l'inductor). El corrent augmenta linealment amb el temps quan l’interruptor està tancat o activat.
Ara, quan l’interruptor es torna a apagar o s’obre, el corrent de l’inductor passa pel díode i carrega el condensador de sortida. Quan la tensió de sortida augmenta, el pendent de corrent a través de l’inductor s’inverteix. La tensió de sortida augmenta fins que s’arriba a la tensió a través de l’inductor = L * (di / dt).
La taxa de caiguda del corrent d’inductor amb el temps és directament proporcional a la tensió de l’inductor. Com més alta sigui la tensió de l’inductor, més ràpida serà la caiguda de corrent a través de l’inductor.
Al gràfic anterior, el corrent de l’ inductor baixa amb el temps quan l’interruptor s’apaga.
Quan el regulador de commutació està en estat de funcionament estacionari, la tensió mitjana de l’inductor és zero durant tot el cicle de commutació. Per a aquesta condició, el corrent mitjà a través de l’inductor també es troba en estat estacionari.
Si suposem que el temps de càrrega de l’inductor és Ton i que el circuit té una tensió d’entrada, hi haurà un temps específic de Toff o de descàrrega per a una tensió de sortida.
Com que la tensió mitjana de l’inductor és igual a zero en estat estacionari, podem construir un circuit d’augment mitjançant els termes següents
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)
Com que la tensió de sortida és igual a la tensió d’entrada i la tensió mitjana de l’inductor (Vout = Vin + VL)
Podem dir això, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
També podem calcular el Vout mitjançant el cicle de treball.
Cicle de treball (D) = Ton / (Ton + Toff)
Per al regulador de commutació d’impulsió, el Vout serà Vin / (1 - D)
PWM i Cicle de servei per al circuit del convertidor Boost
Si controlem el cicle de treball, podem controlar la sortida d’estabilitat del convertidor d’augment. Per tant, per a la variació del cicle de treball, fem servir un circuit de control a través de l’interruptor.
Per tant, per a un circuit bàsic complet del regulador d’impulsió, necessitem un circuit addicional que variï el cicle de treball i, per tant, la quantitat de temps que l’inductor rep energia de la font.
A la imatge anterior, es pot veure un amplificador d’error que detecta la tensió de sortida a través de la càrrega mitjançant un camí de retroalimentació i controla l’interruptor. La tècnica de control més comuna inclou la tècnica de modulació de l'amplada de pols o PWM que s'utilitza per controlar el cicle de treball dels circuits.
El circuit de control controla la quantitat de temps que l'interruptor roman obert o tancat, en funció del corrent generat per la càrrega. Aquest circuit també s'utilitza per a un funcionament continu en estat estacionari. Es prendrà una mostra de la tensió de sortida i es restarà d’una tensió de referència i es crearà un petit senyal d’error, llavors aquest senyal d’error es compararà amb un senyal de rampa de l’oscil·lador i de la sortida del comparador un senyal PWM funcionarà o controlarà l’interruptor circuit.
Quan canvia la tensió de sortida, també afecta la tensió d'error. A causa del canvi de voltatge d'error, el comparador controla la sortida PWM. El PWM també va canviar a una posició quan el voltatge de sortida crea zero voltatge d'error i, en fer-ho, el sistema de bucle de control tancat executa el treball.
Afortunadament, la majoria dels reguladors de canvi de commutació moderns incorporen aquesta cosa dins del paquet IC. Així, el disseny de circuits senzills s’aconsegueix utilitzant els reguladors de commutació moderns.
La tensió de retroalimentació de referència es fa mitjançant una xarxa divisora de resistències. Aquest és el circuit addicional que es necessita juntament amb inductors, díodes i condensadors.
Millorar l’eficiència del circuit del convertidor Boost
Ara, si investigem sobre l'eficiència, és la quantitat de potència que proporcionem a l'interior del circuit i la quantitat que obtenim a la sortida.
(Pout / Pin) * 100%
Com que l'energia no es pot crear ni destruir, només es pot convertir, la majoria de les energies elèctriques perden potències inutilitzades convertides en calor. A més, no hi ha una situació ideal en el camp pràctic, l'eficiència és un factor més important per seleccionar reguladors de tensió.
Un dels principals factors de pèrdua de potència d’un regulador de commutació és el díode. El temps de caiguda de tensió directa (Vf xi) és la potència no utilitzada que es converteix en calor i redueix l'eficiència del circuit regulador de commutació. A més, és el cost addicional del circuit per a tècniques de gestió tèrmica / de calor mitjançant un dissipador de calor o ventiladors per refredar el circuit a partir de calor dissipada. No només la caiguda de tensió directa, la recuperació inversa per a díodes de silici també produeix pèrdues d’energia innecessàries i la reducció de l’eficiència general.
Una de les millors maneres d’evitar un díode de recuperació estàndard és fer servir díodes Schottky en lloc de díodes que tinguin una baixa caiguda de tensió directa i una millor recuperació inversa. Quan es necessita la màxima eficiència, el díode es pot substituir mitjançant MOSFET. A la tecnologia moderna, hi ha moltes opcions disponibles a la secció del regulador d’impulsió de commutació, que proporcionen més d’un 90% d’ eficiència fàcilment.
A més, hi ha una funció "Skip Mode" que s'utilitza en molts dispositius moderns que permet al regulador saltar els cicles de commutació quan no cal canviar a càrregues molt lleugeres. És una gran manera de millorar l'eficiència en condicions de càrrega lleugera. En mode de salt, el cicle de commutació només s'inicia quan la tensió de sortida baixa per sota d'un llindar de regulació.
Tot i tenir una major eficiència, un disseny estacionari, un component més petit, els reguladors de commutació són més sorollosos que un regulador lineal. Tot i així, són molt populars.
Exemple de disseny per a Boost Converter
Prèviament vam crear un circuit regulador d’augment mitjançant MC34063 on la sortida de 5V es genera a partir del voltatge d’entrada de 3,7V. MC34063 és el regulador de commutació que es va utilitzar en la configuració del regulador d’augment. Hem utilitzat un inductor, un díode Schottky i condensadors.
A la imatge anterior, Cout és el condensador de sortida i també hem utilitzat un inductor i un díode Schottky, que són els components bàsics d’un regulador de commutació. També s’utilitza una xarxa de comentaris. Les resistències R1 i R2 creen un circuit divisor de voltatge necessari per a la fase d'amplificació d'errors PWM i comparador. La tensió de referència del comparador és d’1,25V.
Si veiem el projecte en detall, podem veure que el circuit regulador d’impulsió de commutació MC34063 aconsegueix un 70-75% d’eficiència. Es pot millorar l’eficiència mitjançant la tècnica adequada del PCB i obtenint procediments de gestió tèrmica.