การสลับตัวควบคุมการเพิ่มประสิทธิภาพ: พื้นฐานการออกแบบและประสิทธิภาพ

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ Regulator คืออุปกรณ์หรือกลไกที่สามารถควบคุมกำลังขับได้ตลอดเวลา มีหน่วยงานกำกับดูแลหลายประเภทในโดเมนแหล่งจ่ายไฟ แต่ส่วนใหญ่ในกรณีของDC เพื่อแปลง DCมีสองประเภทของหน่วยงานกำกับดูแลที่ใช้ได้: เชิงเส้นหรือสวิทช์

ตัวควบคุมเชิงเส้นจะควบคุมเอาต์พุตโดยใช้แรงดันไฟฟ้าแบบต้านทานและเนื่องจากตัวควบคุมเชิงเส้นนี้ให้ประสิทธิภาพต่ำกว่าและสูญเสียพลังงานในรูปแบบของความร้อน

อีกด้านหนึ่งตัวควบคุมการสลับใช้ตัวเหนี่ยวนำไดโอดและสวิตช์เปิด / ปิดเพื่อถ่ายโอนพลังงานจากแหล่งที่มาไปยังเอาต์พุต

ตัวควบคุมการสลับมีสามประเภท

1. ตัวแปลง Step-up (Boost Regulator)

2. ตัวแปลง Step-Down (ตัวควบคุมบั๊ก)

3. อินเวอร์เตอร์ (Flyback)

ในการกวดวิชานี้เราอธิบายสลับ วงจร Boost Regulator เราได้อธิบายการออกแบบ Boost Regulator ไว้แล้วในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้ ที่นี่เราจะหารือเกี่ยวกับแง่มุมที่แตกต่างกันของการแปลง Boost และวิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพในการใช้

พื้นฐานการออกแบบวงจร Boost Converter

ในหลายกรณีเราจำเป็นต้องแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนด Boost regulator ช่วยเพิ่มแรงดันไฟฟ้าจากศักย์ต่ำไปยังศักย์สูง

ในภาพด้านบนจะแสดงวงจรควบคุม Boost แบบง่ายที่ใช้ตัวเหนี่ยวนำไดโอดตัวเก็บประจุและสวิตช์

จุดประสงค์ของตัวเหนี่ยวนำคือเพื่อ จำกัด อัตราการฆ่ากระแสที่ไหลผ่านสวิตช์เปิด / ปิด จะ จำกัด กระแสไฟสูงสุดที่สูงเกินซึ่งไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยความต้านทานของสวิตช์ทีละตัว

นอกจากนี้ร้านค้าพลังงานเหนี่ยวนำพลังงานที่วัดได้ในจูลE = (L * ฉัน² /2)

เราจะเข้าใจว่าตัวเหนี่ยวนำถ่ายเทพลังงานในภาพและกราฟที่กำลังจะเกิดขึ้นได้อย่างไร

ในกรณีของการควบคุมการสลับเปลี่ยนเพิ่มมีสองขั้นตอนหนึ่งคือขั้นตอนการเหนี่ยวนำค่าใช้จ่ายหรือสวิทช์ในเฟส (สวิทช์ปิดให้บริการจริง) และคนอื่น ๆ ที่เป็นขั้นตอนการจำหน่ายหรือสวิทช์ปิดเฟส (สวิทช์เปิด)

ถ้าเราสมมติว่าสวิตช์อยู่ในตำแหน่งเปิดเป็นเวลานานแรงดันตกคร่อมไดโอดจะเป็นลบและแรงดันไฟฟ้าทั่วตัวเก็บประจุเท่ากับแรงดันไฟฟ้าอินพุต ในสถานการณ์เช่นนี้หากสวิตช์เข้าใกล้ Vin จะตกใจข้ามตัวเหนี่ยวนำ ไดโอดป้องกันการปล่อยตัวเก็บประจุผ่านสวิตช์ลงกราวด์

กระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามเวลา อัตราการเพิ่มขึ้นของกระแสเชิงเส้นเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าอินพุตหารด้วยตัวเหนี่ยวนำdi / dt = แรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเหนี่ยวนำ / ตัวเหนี่ยวนำ

ในกราฟด้านบนแสดงเฟสการชาร์จของตัวเหนี่ยวนำ แกน x หมายถึง t (เวลา) และแกน Y หมายถึง I (กระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำ) กระแสจะเพิ่มขึ้นเป็นเชิงเส้นตามเวลาที่สวิตช์ปิดหรือเปิด

ตอนนี้เมื่อสวิตช์ปิดหรือเปิดอีกครั้งกระแสของตัวเหนี่ยวนำจะไหลผ่านไดโอดและชาร์จตัวเก็บประจุเอาท์พุท เมื่อแรงดันขาออกสูงขึ้นความลาดชันของกระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำจะกลับด้าน แรงดันไฟฟ้าขาออกเพิ่มขึ้นจนแรงดันไฟฟ้าผ่านตัวเหนี่ยวนำ = L * (di / dt) จะมาถึง

อัตราการตกกระแสของตัวเหนี่ยวนำกับเวลาเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงดันไฟฟ้าตัวเหนี่ยวนำ แรงดันไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำสูงขึ้นกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำได้เร็วขึ้น

ในกราฟข้างต้นเหนี่ยวนำในปัจจุบันลดลงด้วยเวลาเมื่อสวิทช์จะกลายเป็นปิด

เมื่อตัวควบคุมการสลับอยู่ในสภาวะการทำงานคงที่แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยของตัวเหนี่ยวนำจะเป็นศูนย์ในระหว่างรอบการเปลี่ยนทั้งหมด สำหรับเงื่อนไขนี้กระแสเฉลี่ยผ่านตัวเหนี่ยวนำจะอยู่ในสถานะคงที่เช่นกัน

ถ้าเราสมมติว่าเวลาในการชาร์จตัวเหนี่ยวนำเป็นตันและวงจรมีแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะมีเวลา Toff หรือเวลาปล่อยเฉพาะสำหรับแรงดันขาออก

เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าตัวเหนี่ยวนำเฉลี่ยเท่ากับศูนย์ในสภาวะคงที่เราสามารถสร้างวงจรเพิ่มโดยใช้เงื่อนไขต่อไปนี้

Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (ตัน / Toff)

เนื่องจากแรงดันขาออกเท่ากับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและแรงดันไฟฟ้าตัวเหนี่ยวนำเฉลี่ย(Vout = Vin + VL)

เราสามารถพูดได้ว่า

Vout = Vin + Vin x (ตัน / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

นอกจากนี้เรายังสามารถคำนวณ Vout โดยใช้รอบการทำงาน

รอบการทำงาน (D) = ตัน / (Ton + Toff)

สำหรับตัวควบคุมการเร่งการเปลี่ยน Vout จะเป็นVin / (1 - D)

PWM และ Duty Cycle สำหรับ Boost Converter Circuit

หากเราควบคุมรอบการทำงานเราสามารถควบคุมเอาต์พุตแบบคงที่ของตัวแปลงบูสต์ได้ ดังนั้นสำหรับการเปลี่ยนแปลงรอบการทำงานเราจึงใช้วงจรควบคุมข้ามสวิตช์

ดังนั้นสำหรับวงจรควบคุมบูสต์พื้นฐานที่สมบูรณ์เราจำเป็นต้องมีวงจรเพิ่มเติมซึ่งจะเปลี่ยนรอบการทำงานและระยะเวลาที่ตัวเหนี่ยวนำได้รับพลังงานจากแหล่งกำเนิด

ในภาพด้านบนสามารถเห็นเครื่องขยายข้อผิดพลาดซึ่งรับรู้ถึงแรงดันไฟฟ้าขาออกตลอดโหลดโดยใช้เส้นทางป้อนกลับและควบคุมสวิตช์ เทคนิคการควบคุมทั่วไปส่วนใหญ่รวมถึงเทคนิค PWM หรือ Pulse Width Modulation ซึ่งใช้ในการควบคุมรอบการทำงานของวงจร

วงจรควบคุมการควบคุมปริมาณของเวลาที่สวิทช์ยังคงเปิดหรือปิดขึ้นอยู่กับปัจจุบันวาดโดยโหลด วงจรนี้ยังใช้สำหรับการทำงานอย่างต่อเนื่องในสภาวะคงที่ จะใช้ตัวอย่างของแรงดันขาออกและลบออกจากแรงดันอ้างอิงและสร้างสัญญาณข้อผิดพลาดเล็ก ๆ จากนั้นสัญญาณข้อผิดพลาดนี้จะถูกเปรียบเทียบกับสัญญาณทางลาดของออสซิลเลเตอร์และจากเอาต์พุตตัวเปรียบเทียบสัญญาณ PWM จะทำงานหรือควบคุมสวิตช์ วงจร.

เมื่อแรงดันไฟฟ้าขาออกเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ผิดพลาดจะได้รับผลกระทบด้วย เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าผิดพลาดตัวเปรียบเทียบจะควบคุมเอาต์พุต PWM PWM ยังเปลี่ยนเป็นตำแหน่งเมื่อแรงดันเอาต์พุตสร้างแรงดันไฟฟ้าผิดพลาดเป็นศูนย์และด้วยการทำเช่นนี้ระบบลูปควบคุมปิดจะดำเนินการทำงาน

โชคดีที่ตัวควบคุมการเพิ่มการเปลี่ยนสวิตช์ที่ทันสมัยที่สุดมีสิ่งนี้อยู่ภายในแพ็คเกจ IC ดังนั้นการออกแบบวงจรอย่างง่ายจึงทำได้โดยใช้ตัวควบคุมการสลับที่ทันสมัย

แรงดันไฟฟ้าป้อนกลับอ้างอิงทำได้โดยใช้เครือข่ายตัวแบ่งตัวต้านทาน นี่คือวงจรเพิ่มเติมซึ่งจำเป็นพร้อมกับตัวเหนี่ยวนำไดโอดและตัวเก็บประจุ

ปรับปรุงประสิทธิภาพของ Boost Converter Circuit

ตอนนี้ถ้าเราตรวจสอบเกี่ยวกับประสิทธิภาพนั่นคือปริมาณพลังงานที่เราให้ภายในวงจรและปริมาณที่เราได้รับจากเอาต์พุต

(มุ่ย / พิน) * 100%

เนื่องจากพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้จึงสามารถแปลงได้เท่านั้นพลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่จะสูญเสียพลังที่ไม่ได้ใช้ไปเปลี่ยนเป็นความร้อน นอกจากนี้ไม่มีสถานการณ์ที่ดีที่สุดในสนามจริงประสิทธิภาพเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า

หนึ่งในปัจจัยพลังงานสูญเสียที่สำคัญสำหรับการควบคุมการเปลี่ยนเป็นไดโอด แรงดันตกไปข้างหน้าเวลาปัจจุบัน (Vf xi) คือวัตต์ที่ไม่ได้ใช้ซึ่งแปลงเป็นความร้อนและลดประสิทธิภาพของวงจรควบคุมการสลับ นอกจากนี้ยังเป็นค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมสำหรับวงจรสำหรับเทคนิคการจัดการความร้อน / ความร้อนโดยใช้ฮีทซิงค์หรือพัดลมเพื่อทำให้วงจรเย็นลงจากความร้อนที่กระจายไป ไม่เพียง แต่แรงดันตกไปข้างหน้าการย้อนกลับสำหรับไดโอดซิลิคอนยังทำให้สูญเสียพลังงานโดยไม่จำเป็นและลดประสิทธิภาพโดยรวม

วิธีที่ดีที่สุดวิธีหนึ่งในการหลีกเลี่ยงไดโอดกู้คืนมาตรฐานคือการใช้ไดโอด Schottky แทนไดโอดที่มีแรงดันไฟฟ้าตกไปข้างหน้าต่ำและการกู้คืนย้อนกลับได้ดี เมื่อต้องการประสิทธิภาพสูงสุดสามารถเปลี่ยนไดโอดได้โดยใช้มอสเฟต ในเทคโนโลยีสมัยใหม่มีตัวเลือกมากมายในส่วนควบคุมการเพิ่มประสิทธิภาพการสลับซึ่งให้ประสิทธิภาพมากกว่า90%ได้อย่างง่ายดาย

นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติ“ Skip Mode” ซึ่งใช้ในอุปกรณ์สมัยใหม่จำนวนมากซึ่งช่วยให้ตัวควบคุมสามารถข้ามรอบการสลับได้เมื่อไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนที่โหลดที่มีน้ำหนักเบามาก เป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมในการปรับปรุงประสิทธิภาพในสภาวะโหลดเบา ในโหมดข้ามรอบการสลับจะเริ่มต้นก็ต่อเมื่อแรงดันขาออกลดลงต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด

แม้จะมีประสิทธิภาพสูงกว่า แต่เทคนิคการออกแบบเครื่องเขียนส่วนประกอบที่เล็กกว่าตัวควบคุมการสลับก็มีเสียงดังกว่าตัวควบคุมเชิงเส้น ยังคงเป็นที่นิยมอย่างกว้างขวาง

ตัวอย่างการออกแบบสำหรับ Boost Converter

ก่อนหน้านี้เราได้สร้างวงจรควบคุมบูสต์โดยใช้ MC34063 ซึ่งเอาต์พุต 5V ถูกสร้างขึ้นจากแรงดันไฟฟ้าอินพุต 3.7V MC34063 เป็นตัวควบคุมการสลับที่ใช้ในการกำหนดค่าตัวควบคุมบูสต์ เราใช้ตัวเหนี่ยวนำไดโอด Schottky และตัวเก็บประจุ

ในภาพด้านบน Cout เป็นตัวเก็บประจุเอาท์พุทและเรายังใช้ตัวเหนี่ยวนำและไดโอด Schottky ซึ่งเป็นส่วนประกอบพื้นฐานสำหรับตัวควบคุมการสลับ นอกจากนี้ยังมีการใช้เครือข่าย Feedback ตัวต้านทาน R1 และ R2 สร้างวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าซึ่งจำเป็นสำหรับ PWM ของตัวเปรียบเทียบและขั้นตอนการขยายข้อผิดพลาด แรงดันอ้างอิงของเครื่องเปรียบเทียบคือ 1.25V

หากเราดูโครงการโดยละเอียดเราจะเห็นว่าประสิทธิภาพ 70-75% นั้นทำได้โดยวงจรควบคุมการเพิ่มประสิทธิภาพการสลับ MC34063 นี้ สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพเพิ่มเติมได้โดยใช้เทคนิค PCB ที่เหมาะสมและได้รับขั้นตอนการจัดการความร้อน