- Diferència entre Buck i Boost Regulator
- Conceptes bàsics del disseny del circuit de conversió Buck
- Modes d'operació del convertidor Buck
- PWM i cicle de servei per al circuit de conversió de Buck
- Millorar l’eficiència del circuit de conversió Buck
- Exemple de disseny per al convertidor Buck
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, gràcies a això, els reguladors lineals proporcionen una eficiència inferior 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, descriurem el circuit del regulador de commutació. Ja hem descrit el disseny del regulador Buck al tutorial anterior. Aquí analitzarem diferents aspectes del convertidor Buck i com millorar la seva eficiència.
Diferència entre Buck i Boost Regulator
La diferència entre el regulador Buck i el boost és que en el regulador Buck la col·locació de l’inductor, el díode i el circuit de commutació és diferent del regulador boost. A més, en cas de regulador d’impulsió, el voltatge de sortida és superior al voltatge d’entrada, però en el regulador Buck, el voltatge de sortida és inferior al voltatge d’entrada.
Una topologia de buck o convertidor de buck és una de les topologies bàsiques més utilitzades en SMPS. És una opció popular on hem de convertir un voltatge més alt a un voltatge de sortida inferior.
Igual que el regulador d’augment, un convertidor o regulador de buck consisteix en un inductor, però la connexió de l’inductor es troba en la fase de sortida en lloc de la fase d’entrada que s’utilitza en els reguladors d’augment.
Per tant, en molts casos, hem de convertir el voltatge més baix en el voltatge més alt en funció dels requisits. El regulador Buck converteix el voltatge de major potencial a menor potencial.
Conceptes bàsics del disseny del circuit de conversió Buck
A la imatge anterior, es mostra un senzill circuit regulador Buck on s’utilitza un inductor, un díode, un condensador i un commutador. L'entrada està connectada directament a través del commutador. L'inductor i el condensador estan connectats a la sortida, de manera que la càrrega obté una forma d'ona de corrent de sortida suau. El díode s’utilitza per bloquejar el flux de corrent negatiu.
En cas de commutació de reguladors d’augment, hi ha dues fases, una és la fase de càrrega d’inductor o la fase d’encesa (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, el corrent del circuit és 0 i no hi ha tensió present.
En aquesta situació, si l’interruptor s’acosta, el corrent augmentarà i l’inductor crearà una tensió a través seu. Aquesta caiguda de tensió minimitza la tensió de la font a la sortida, al cap d’uns instants, la taxa de canvi de corrent disminueix i també disminueix la tensió a través de l’inductor, que eventualment augmenta la tensió a la càrrega. L’inductor emmagatzema energia mitjançant el seu camp magnètic.
Per tant, quan l’interruptor està activat, a través de l’inductor la tensió és V L = Vin - Vout
El corrent de l’inductor augmenta a un ritme de (Vin-Vout) / L
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 menys la tensió de sortida dividida per la inductància
di / dt = (Vin - Vout) / L
El gràfic superior que 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.
durant aquest temps, mentre el corrent continua canviant, sempre es produirà una caiguda de tensió a l’inductor. El voltatge a través de la càrrega serà inferior al voltatge d’entrada. Durant l'estat apagat, mentre l'interruptor està obert, la font de tensió d'entrada es desconnecta i l'inductor transferirà l'energia emmagatzemada a la càrrega. L' inductor es convertirà en la font actual de la càrrega.
El díode D1 proporcionarà una ruta de retorn del corrent que flueix a través de l’inductor durant l’estat d’apagat.
El corrent d’inductor disminueix amb un pendent igual a –Vout / L
Modes d'operació del convertidor Buck
El convertidor Buck pot funcionar en dos modes diferents. Mode continu o mode discontinu.
Mode continu
Durant el mode continu, l’inductor no es descarrega mai completament, el cicle de càrrega s’inicia quan l’inductor es descarrega parcialment.
A la imatge anterior, podem veure quan l’interruptor s’encén quan el corrent d’inductor (iI) augmenta linealment, llavors quan l’interruptor s’apaga l’inductor comença a disminuir, però l’interruptor torna a engegar-se mentre l’inductor està parcialment descarregat. Aquest és el mode de funcionament continu.
L’energia emmagatzemada a l’inductor és E = (LI L 2) / 2
Mode discontinu
El mode discontinu és lleugerament diferent del mode continu. En el mode discontinu, l’inductor es va descarregar completament abans d’iniciar un nou cicle de càrrega. L’inductor es descarregarà completament fins al zero abans que l’interruptor s’encengui.
Durant el mode discontinu, com podem veure a la imatge anterior quan l’interruptor s’encén, el corrent de l’inductor (il) augmenta linealment, llavors quan l’interruptor s’apaga, l’inductor comença a disminuir, però l’interruptor només s’encén després de l’inductor està completament descarregat i el corrent d’inductor es va tornar completament nul. Aquest és el mode d'operació discontinu. En aquesta operació, el flux de corrent a través de l’inductor no és continu.
PWM i cicle de servei per al circuit de conversió de Buck
Com hem comentat en el tutorial anterior del convertidor de dòlars, variant el cicle de treball, podem controlar el circuit regulador de dòlars. Per a això, es requereix un sistema bàsic de control. Es requereix, a més, un amplificador d'error i un circuit de control de commutador que funcionarà en mode continu o discontinu.
Per tant, per a un circuit regulador complet, 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 el commutador roman obert o, controlant quant de temps es carrega o descarrega l’inductor.
Aquest circuit controla el commutador en funció del mode de funcionament. 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 moderns de commutació tenen això incorporat 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 de conversió Buck
Ara bé, si investigem sobre l’eficiència, quanta potència proporcionem a l’interior dels circuits i quant 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. La caiguda de tensió directa multiplicada per corrent (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 de regulador de commutació de dòlars, que proporcionen més d’un 90% d’ eficiència fàcilment.
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 al convertidor Buck
Prèviament vam crear un circuit regulador de dòlars mitjançant MC34063 on la sortida de 5V es genera a partir del voltatge d’entrada de 12V. MC34063 és el regulador de commutació que es va utilitzar en la configuració del regulador de buck. 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 de commutació MC34063 aconsegueix un 75-78% d’eficiència. Es pot millorar l’eficiència mitjançant la tècnica adequada del PCB i obtenint procediments de gestió tèrmica.
Exemple d'ús del regulador Buck-
- Font d'alimentació de corrent continu a l'aplicació de baixa tensió
- Equip portàtil
- Equips d'àudio
- Sistemes de maquinari incrustats.
- Sistemes solars, etc.