Buck çevirici - Buck converter
Bir düşüren dönüştürücü ( artırma konvertisörüdür ) a, DC-DC güç dönüştürücüsü kendi çıkışında (yük) girişine (besleme) den (mevcut artırmakla iken) voltajı indirir. Bu sınıfıdır anahtar-modlu güç tedarik (bir (SMPS), tipik olarak, en az iki yarı iletken içeren diyodu ve bir transistor , modern kova dönüştürücüler sık ikinci kullanılan transistor ile diyot yerine, ancak eşzamanlı düzeltme ve en az bir enerji depolama elemanı) bir kondansatör , bobin , ya da kombinasyon halinde iki. Voltaj projeksiyonuna azaltmak için, (indüktörlerle olarak kombinasyon halindeki) kondansatörlerin yapılan filtreler normal olarak bir dönüştürücünün çıkış (yük tarafındaki filtre) ve giriş (besleme tarafındaki filtre) ilave edilir.
(Örneğin kova dönüştürücüler gibi) açılır kapanır dönüştürücüler daha fazlasını temin güç verimi daha DC-DC dönüştürücüsü olarak , lineer regülatörlerin ısı gücü dağıtma alt voltaj, çıkış akımı, adım yok ama basit devrelerdir.
Buck dönüştürücüler gibi, bir bilgisayarın ana (dökme) besleme gerilimi (genellikle 12 dönüştürme gibi görevler için faydalı hale getirerek, (çoğu zaman daha yüksek,% 90 daha az) son derece verimli olabilir tarafından ihtiyaç duyulan daha düşük gerilimlerde aşağı V) , USB , DRAM ve CPU 1.8 ( V veya daha az).
içindekiler
- 1 operasyon teorisi
- 2 Kavram
- 3 Verim faktörleri
- 4 Empedans eşleştirme
- 5 Ayrıca bakınız
- 6 Kaynaklar
- 7 Dış bağlantılar
Operasyon teorisi
Kova dönüştürücünün temel işlem, bir in akımına sahiptir indüktör (genellikle iki anahtar ile kontrol transistörü ve diyot ). İdealize dönüştürücü olarak, tüm bileşenlerin mükemmel olarak kabul edilir. Özellikle anahtar ve diyot sıfır gerilim düşüşünü ve sıfır akım akışını var ve indüktör sıfır serisi direncine sahiptir. Dahası, bu giriş ve çıkış gerilimleri bir döngü boyunca değişmez olduğu varsayılır (bu varlık olarak çıktı kapasitans ima edebilir sonsuz ).
kavram
Kova dönüştürücünün kavramsal modeli en iyi akım ve indüktör voltaj arasındaki ilişki açısından anlaşılır. Anahtarı açık (kapalı halde) ile başlayarak, devredeki akım sıfırdır. Anahtarı ilk (açık duruma) kapatıldığında, mevcut artmaya başlar ve indüktör değişen akım tepki olarak uçları boyunca bir karşıt voltajı üretecektir. Bu gerilim düşümü kaynağının gerilimi düşürmeden ve bu nedenle yük karşısında net gerilimi azaltır. Zamanla, cari azalır değişim oranı ve indüktör da daha sonra yükte gerilim artar azalır. Bu süre boyunca, indüktör bir şeklinde enerji depolayan manyetik alan . Geçerli hala değişiyor iken anahtarı açılırsa yükte net gerilim daima giriş gerilimi kaynağının daha az olacaktır, böylece, o zaman her zaman, indüktör üzerindeki bir gerilim düşüşü olacaktır. Anahtar (kapalı halde) tekrar açıldığında, voltaj kaynağı devresi kaldırılır ve gerilimi azaltacaktır. Azalan akım (on durumdaki zıt damlasına) endüktörde gerilim düşüşünü üretecek ve şimdi indüktör bir Akım Kaynağı haline gelir. İndüktör manyetik alanında depolanan enerji yükü geçen akımı destekler. Mevcut akan sırasında açık duruma ile birleştirilmiş giriş voltaj kaynağı, ayrılmış durumda iken akan Bu akım, ortalama giriş akımına göre daha yüksek bir akım (kapalı-durum sırasında sıfır olmak üzere) için toplar. Ortalama akım içinde "artış" gerilimi azalma telafi ediyor ve ideal yüke verilen gücü korur. Dışı durumu sırasında, bobin devrenin geri kalan kısmı içine enerji depolanmış enerjisini boşaltmadan edilir. İndüktör tamamen boşalmadan önce anahtarı (on-devlet) tekrar kapalıysa, yükte gerilim daima sıfırdan büyük olacaktır.
Sürekli mod
İndüktör üzerindeki akımdır (eğer Buck çevirici sürekli modda çalışır ) komütasyon döngüsü sırasında sıfıra düşmez. Bu modda, çalışma prensibi Şekil 4'te grafikleri ile tarif edilir:
- Yukarıda betimlenen anahtar (Şekil 2'nin üst) kapatıldığında, indüktör . İndüktörü üzerindeki akım (çok uzun gerilim düşmesi hemen hemen sabit olduğu, yaklasıklıkta) doğrusal olarak yükselir. Diyot gerilim kaynağı V tarafından geri bastırılmaktadır gibi, herhangi bir mevcut içinden akar;
- Anahtar açılır (Şekil 2'nin alt) olduğunda, diyot ileri itilir. İndüktör edilir (diyot damla ihmal). Güncel azalır.
L endüktansı depolanan enerji
Bu nedenle, olarak zamanı sırasında L arttıkça depolanan enerji görülebilir sonra artar ve kapalı-durum sırasında azalır. L dönüştürücü girişinden çıkışına enerji transfer etmek için kullanılır.
Değişim oranı hesaplanabilir:
İle eşit on-durumu sırasında ve kapalı durumu sırasında. Bu nedenle, sırasında akım artışı üzerinde devlet tarafından verilir:
burada adı verilen bir sayısal bir görev döngüsü , 0 ile 1 arasında bir değer ile.
Bunun aksine, kapalı durumu sırasında akım azalma ile elde edilir:
Biz dönüştürücü kararlı halde faaliyet olduğunu varsayarsak, bir komütasyon döngüsü T sonunda her bileşende depolanan enerji döngüsünün başında olduğu eşittir. Bu, mevcut olduğu anlamına gelir , aynı olan ve en (Şekil 4).
Bu yüzden yukarıdaki denklemlerinden yazabilirsiniz:
Yukarıdaki entegrasyonlar grafiksel yapılabilir. Şekil 4'te, san bir yüzey ve alanı ile orantılıdır bu yüzeyler indüktör voltaj (kırmızı çizgi) ile tarif edildiği gibidir, portakal yüzeyi alanına kadar artmasıdır. Bu yüzeyler, basit dikdörtgen olduğu için, bunların alan kolayca bulunabilir: sarı bir dikdörtgen ve turuncu biri için. Kararlı durum çalışması için, bu alanlar eşit olmalıdır.
Şekil 4'de görülen edilebilir ve .
Bu verim:
Bu denklemden, dönüştürücünün çıkış gerilimi, belirli bir giriş gerilimi için görev çevrimi ile doğrusal olarak değişmektedir olduğu görülebilir. Görev döngüsü olarak arasındaki orana eşittir ve süre , bu yüzden daha fazla 1. olamaz . Bu dönüştürücü olarak adlandırılır nedeni budur adım aşağı dönüştürücü .
Bu nedenle, örneğin, bizim teorik olarak ideal devrede,% 25 görev döngüsü gerektirir, 3 V (giriş voltajının bir çeyreğine eşit çıkış gerilimi) aşağı 12 V adım.
Kesikli mod
Bazı durumlarda, yük gerektirdiği enerji miktarı çok azdır. Bu durumda, indüktör üzerindeki akımdır döneminin bölümü sırasında sıfıra düşer. Yukarıda tarif edilen ilke olarak tek fark indüktör tamamen (bakınız Şekil 5) komütasyon çevriminin sonunda boşalan olmasıdır. Ancak bu, önceki denklemler üzerinde bazı etkileri vardır.
Sıfır her döngü sırasında çıkış kondansatörün deşarj sonuçları ve bu nedenle daha yüksek bir anahtarlama kayıpları altına düşmesi indüktör akımı. Olarak bilinen farklı bir kontrol tekniği darbe frekans modülasyonu Bu kayıpları en aza indirmek için de kullanılabilir.
Biz hala dönüştürücü kararlı durumda çalışmasını düşünün. Bu nedenle, indüktör enerji başlangıcında ve döngüsünün sonunda (sürekli olmayan modu durumunda, sıfırdır) aynıdır. Bu, indüktör voltaj (V ortalama değeri olduğu anlamına gelir L ), sıfırdır; yani, Şekil 5'te sarı ve turuncu dikdörtgen alanı aynı olduğu. Bu verim:
Yani ö değeridir:
Yük (teslim çıkış akımı biz çıkışı kondansatörün bir düzenleme döngüsü sırasında terminalleri üzerinden sabit bir gerilim sağlamak için yeterince büyük olduğunu düşünün gibi), sabittir. Bu kondansatör akan akım sıfır ortalama değere sahip olduğu anlamına gelmektedir. Bu nedenle, elimizde:
Burada endüktör akımının ortalama değeridir. Şekil 5'de görülebileceği gibi, indüktör akımı dalga formu bir üçgen şekle sahiptir. Bu nedenle, ortalama değeri L aşağıdaki gibi geometrik sıralanabilir:
İndüktör akımı başında sıfır ve t sırasında yükselir üzerinde ben kadar Lmax . Yani bunun anlamını Lmaks eşittir:
Ben değerini ikame Lmax önceki denklemde yol açar:
Ve verimi, yukarıda verilen ifadesi ile Í ikame:
Bu ifade, şu şekilde yazılabilir:
Süreksiz modda çalışan bir kova dönüştürücü çıkış voltajı çok daha karmaşık sürekli modda onun muadili daha olduğunu görülebilir. Ayrıca, çıkış voltajı hemen sadece giriş voltajı (V bir fonksiyonudur i değil, aynı zamanda İndüktör değeri (L)), ve görev döngüsü D, komütasyon süresi (T) ve çıkış akımı (I O ).
sürekli moda süreksiz (ve tam tersi) kaynaktan
bu bölümün başında da belirtildiği üzere, burada aşağı dönüştürücü düşük akım yükü ile çizildiğinde kesikli modda çalışır ve daha yüksek yük akımı düzeyde sürekli modda. süreksiz ve sürekli mod arasında sınır indüktör akımı komütasyon döngüsünün sonunda tam olarak sıfıra düştüğünde ulaşılır. Şekil 5'teki gösterimler kullanarak, bu karşılık gelir:
Bu nedenle, süreksiz ve sürekli modları arasında sınırda (ortalama indüktör akımı eşit) çıkış akımı (yukarı bakınız) bir:
Ben ikame Lmaks değeri ile:
iki mod arasında sınır üzerinde, çıkış voltajı sürekli ve süreksiz bölümlerde sırasıyla verilen ifadeler, her iki uyar. Özel olarak, önceki bir
Bu yüzden olim olarak yazılabilir:
Şimdi şu iki gösterimler tanıştırayım:
- normalize gerilim, tarafından tanımlanan . Sıfır zaman olduğu ve 1 ;
- tarafından tanımlanan normalleştirilmiş akım, . Terimi, bir devir sırasında bobin akımın azami artışa eşittir; yani, bir görev döngüsü D = 1 ile bobin akımının artması. Yani, konvertör kararlı durum operasyonda, bu demektir maksimum akım dönüştürücü sunabilirsiniz için hiçbir çıkış akımı için 0 ve 1 eşittir.
Bu açıklamalar kullanılarak elimizde:
- sürekli modda:
- süreksiz modunda:
sürekli ve süreksiz modu arasında sınırında akım:
Bu nedenle, sürekli ve süreksiz modları arasında sınır eğrisi ile elde edilir:
Bu ifadeler Bundan şekil 6'da çizilen edilmiş, buna süreksiz modunda çok daha karmaşıktır oysa sürekli modda, çıkış voltajı sadece, görev döngüsü bağlıdır yok ettiği sonucuna varılabilir. Bu bakış bir kontrol noktasından önemlidir.
Devre düzeyde, CCM ile DCM arasında sınır tespit genellikle yüksek doğruluk ve hızlı detektörleri gerektiren bir endüktör akım sensörüyle temin edilmiştir:
İdeal olmayan devresi
Bir önceki çalışmada aşağıdaki varsayımlara ile yürütülmüştür:
- çıkış kapasitör gerilimi gözle görülür herhangi bir değişiklik olmadan yük (basit bir direnç) güç sağlamak için yeterli kapasitansa sahiptir.
- ileri önyargılı diyot üzerinde gerilim düşümü sıfırdır
- anahtarı ne de diyot yok komütasyon kayıpları
Bu varsayımlar oldukça uzakta gerçeklerden olabilir ve gerçek bileşenlerin kusurlar dönüştürücü çalışması üzerinde olumsuz bir etkisi yoktur.
Çıkış gerilimi dalga (sürekli mod)
Çıkış gerilimi dalga çıkış gerilimi üzerinde-durum sırasında artar ve dışı durumu sırasında düşer fenomen verilen isimdir. Çeşitli faktörler de dahil olmak üzere, bu katkı, ancak anahtarlama frekansı, çıkış kapasitans, endüktör, yük ve kontrol devresinin bir akım sınırlama özellikleri ile sınırlı değildir. En temel düzeyde çıkış voltajı yükselir ve şarj ve deşarj çıkış kondansatör sonucunda düşmek:
Biz, böylece ortalama çıkış geçerli zaman ekseni boyunca aşağı zaman dalga (sürekli modda) karşı çıkış akımını kaydırarak iyi yaklaşık çıkış dalgalanma gerilimdir olabilir. Bunu yaptığımız zaman, biz AC akım dalga şekli içine ve çıkış kondansatör (testere dişi dalga şekli) dışarı akan görüyoruz. Biz (Vc kapasitör gerilimi) Vc dk t-off / 2'de t-on (kapasitör deşarj hemen sonra) / 2 ve Vc-max oluştuğunu not edin. dV = Idt / C olarak yazma çıkış dalgalanma gerilimi çıkış akımı dalga altında biz ekseninin üzerinde alan entegre; Idt (I = dQ / dt olarak, C = S / V dV = dQ / C bunu = dq) entegre edilerek olarak zirve-tepeye dalgalanma gerilimi olsun: delta V = delta I * delta ben şimdiki zirve-tepeye dalgalanma ve T dalgalanma zaman süreci T / 8C (; eğer yapabilirsen detaylar için Konuşma sekmesine bakın 't grafiksel burada alanları çalışmak tam bir açıklaması var verilir) bizim dalgalanma gerilimi sinuzoidale olması gerektiğini temel AC devre teorisinden not:.. kondansatör empedansı süreleri geçerli zirve-tepeye değerini dalgalanma, veya delta V = delta I / (2 x omega ° C), omega, f dalgalanma frekansı 2 * pi * f =, ve f = 1 / T, T dalga süresi. Delta, V = ö I T / (2 x Pi * C) *, ve bir temel AC devre teorisinden bir faktör ~ 6.3 vs 8 bir faktör olduğu yukarıdaki teyit etmek için bu değere karşılaştırın Bu verir sinüzoidi. Bu burada dalgalanma gerilimi ile ilgili değerlendirmelerde güven veriyor. Ardından aşağıdaki paragraf bu, hemen yukarıdaki ilgilidir ve yanlış olabilir. Bu paragrafta denklemleri kullanın. ilgili çıkış dalgalanma gerilim ve AoE (Elektronik 3 baskısının Sanat): Bir kez daha, daha fazlası için konuşma sekmesine bakın lütfen.
Off-devlet sırasında, bu denklemde geçerli yük akımıdır. ON-durumunda akım anahtarı akımının (ya da arz akımı) ve yük akımı arasındaki farktır. süresinin uzunluğu (dT) görev döngüsü ile ve anahtarlama frekansı ile tanımlanır.
On-devlet için:
Off-devlet için:
Kalitatif olarak, çıkış kapasitör veya anahtarlama frekansı arttıkça, dalgalanma büyüklüğü azalır. Çıkış voltaj dalgalanması tipik olarak güç kaynağı için bir tasarım özellikleri ve çeşitli faktörlere bağlı olarak seçilir. Kapasitör seçme normal olarak maliyet fiziksel boyut ve farklı kondansatör türleri olmayan idealiteden göre belirlenir. Frekans seçimi geçiş tipik olarak aşağıda tarif edildiği gibi, daha yüksek bir işletim frekanslarında azalma eğilimi gösterir verim gereksinimleri göre belirlenir verimliliği olmayan ideal olana Etkileri . Daha yüksek anahtarlama frekansı da EMI endişelerine yol açabilir.
Çıkış voltaj dalgalanması sviçlemeli bir güç kaynağına dezavantajlarından biridir ve aynı zamanda kalite ölçü olabilir.
verimliliği üzerinde olmayan ideality Etkileri
kova dönüştürücünün basitleştirilmiş bir analiz, yukarıda tarif edildiği gibi, devre bileşenleri olmayan idealiteden hesaba ne de gerekli kontrol devresi için o hesaba katmaz. (Anahtarlar, diyotlar, indüktörler, vb) enerji cihazlarının olmayan idealsizliklerinden dönüştürücü güç kayıpları toplu hesaba güç aygıtları kayıpları ile karşılaştırıldığında kontrol devresine bağlı olarak güç kayıpları genelde önemsizdir.
Hem statik ve dinamik güç kayıpları herhangi anahtarlama regülatör görülür. Statik elektrik kayıpları dahil herhangi bir elektrik devresinde olduğu gibi (iletim) teller veya PCB izleri kayıp, hem de anahtarları ve bobin,. Dinamik güç kayıpları bu tür anahtar kapısının şarj ve deşarj olarak, anahtarlama sonucunda oluşur ve anahtarlama frekansı ile orantılıdır.
Öyle İdeal olmayan bir kova dönüştürücü için görev döngüsünü hesaplayarak başlamak yararlıdır:
nerede:
- V sw güç anahtarını gerilim düşümü olduğunu,
- V sw, senkron senkron anahtar ya da diyotun voltaj düşüşü ve
- V L indüktör voltaj damladır.
Gerilim damla yukarıda tarif edilen esas olarak DC akımı bağımlı olan tüm statik güç kayıpları ve bu nedenle kolayca hesaplanabilir. Bir diyot damla için, V sw ve V sw, senkron önceden seçilen cihazın özelliklerine göre, bilinebilir.