การสลับตัวควบคุมบั๊ก: พื้นฐานการออกแบบและประสิทธิภาพ

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ Regulator คืออุปกรณ์หรือกลไกที่สามารถควบคุมกำลังขับได้ตลอดเวลา มีหน่วยงานกำกับดูแลหลายประเภทในโดเมนแหล่งจ่ายไฟ แต่ส่วนใหญ่ในกรณีของ DC เพื่อแปลง DC มีสองประเภทของหน่วยงานกำกับดูแลที่ใช้ได้: เชิงเส้นหรือสวิทช์

ตัวควบคุมเชิงเส้นจะควบคุมเอาต์พุตโดยใช้แรงดันไฟฟ้าแบบต้านทานและเนื่องจากตัวควบคุมเชิงเส้นนี้ให้ประสิทธิภาพต่ำกว่าและสูญเสียพลังงานในรูปแบบของความร้อน

อีกด้านหนึ่งตัวควบคุมการสลับใช้ตัวเหนี่ยวนำไดโอดและสวิตช์เปิด / ปิดเพื่อถ่ายโอนพลังงานจากแหล่งที่มาไปยังเอาต์พุต

ตัวควบคุมการสลับมีสามประเภท

1. ตัวแปลง Step-up (Boost Regulator)

2. ตัวแปลง Step-Down (ตัวควบคุมบั๊ก)

3. อินเวอร์เตอร์ (Flyback)

ในการกวดวิชานี้เราจะอธิบายการสลับ วงจรบั๊ก Regulator เราได้อธิบายการออกแบบ Buck Regulator ไว้แล้วในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้ ที่นี่เราจะหารือเกี่ยวกับแง่มุมที่แตกต่างกันของการแปลงบั๊กและวิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพในการใช้

ความแตกต่างระหว่าง Buck และ Boost Regulator

ความแตกต่างระหว่างตัวควบคุมบั๊กและตัวควบคุมบูสต์คือในตัวควบคุมบั๊กตำแหน่งของตัวเหนี่ยวนำไดโอดและวงจรสวิตชิ่งแตกต่างจากตัวควบคุมบูสต์ นอกจากนี้ในกรณีของตัวควบคุมการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออกจะสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้า แต่ในตัวควบคุมบั๊กแรงดันขาออกจะต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

topology เจ้าชู้หรือแปลงเจ้าชู้เป็นหนึ่งในโครงสร้างพื้นฐานที่ใช้ส่วนใหญ่ใช้ใน SMPS เป็นตัวเลือกยอดนิยมที่เราต้องแปลงแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเป็นแรงดันไฟฟ้าขาออกที่ต่ำกว่า

เช่นเดียวกับตัวควบคุมการเพิ่มตัวแปลงบั๊กหรือตัวควบคุมบั๊กประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำ แต่การเชื่อมต่อของตัวเหนี่ยวนำอยู่ในขั้นตอนการส่งออกแทนที่จะเป็นขั้นตอนอินพุตที่ใช้ในตัวควบคุมการเพิ่ม

ดังนั้นในหลาย ๆ กรณีเราจำเป็นต้องแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นตามข้อกำหนด บั๊กเรกูเลเตอร์แปลงแรงดันไฟฟ้าจากศักย์สูงไปเป็นศักย์ต่ำ

พื้นฐานการออกแบบวงจร Buck Converter

ในภาพด้านบนวงจรควบคุมบั๊กแบบธรรมดาจะแสดงที่ใช้ตัวเหนี่ยวนำไดโอดตัวเก็บประจุและสวิตช์ อินพุตเชื่อมต่อโดยตรงผ่านสวิตช์ ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเชื่อมต่อผ่านเอาต์พุตดังนั้นโหลดจึงได้รูปคลื่นกระแสเอาต์พุตที่ราบรื่น ไดโอดใช้สำหรับปิดกั้นการไหลของกระแสลบ

ในกรณีของการเปลี่ยนหน่วยงานกำกับดูแลเพิ่มมีสองขั้นตอนหนึ่งคือขั้นตอนการเหนี่ยวนำค่าใช้จ่ายหรือสวิทช์บนเฟส (สวิทช์ปิดให้บริการจริง) และคนอื่น ๆ ที่เป็นขั้นตอนการจำหน่ายหรือสวิทช์ปิดเฟส (สวิทช์เปิด)

หากเราสมมติว่าสวิตช์อยู่ในตำแหน่งเปิดเป็นเวลานานกระแสไฟฟ้าในวงจรจะเป็น 0 และไม่มีแรงดันไฟฟ้าอยู่

ในสถานการณ์เช่นนี้หากสวิตช์เข้าใกล้กระแสจะเพิ่มขึ้นและตัวเหนี่ยวนำจะสร้างแรงดันไฟฟ้าพาดผ่าน แรงดันตกนี้จะลดแรงดันไฟฟ้าต้นทางที่เอาต์พุตหลังจากนั้นสักครู่อัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสจะลดลงและแรงดันไฟฟ้าทั่วตัวเหนี่ยวนำจะลดลงด้วยซึ่งจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าทั่วทั้งโหลดในที่สุด ตัวเหนี่ยวนำจะเก็บพลังงานโดยใช้สนามแม่เหล็ก

ดังนั้นเมื่อสวิตช์เปิดอยู่ในตัวเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าคือV _L = Vin - Vout

กระแสในตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้นในอัตรา(Vin - Vout) / L

กระแสไฟฟ้าผ่านตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามเวลา อัตราการเพิ่มขึ้นของกระแสเชิงเส้นเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าน้อยกว่าแรงดันขาออกหารด้วยตัวเหนี่ยวนำ

ดิ / dt = (Vin - Vout) / L

กราฟด้านบนแสดงเฟสการชาร์จของตัวเหนี่ยวนำ แกน x หมายถึง t (เวลา) และแกน Y หมายถึงi (กระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำ) กระแสจะเพิ่มขึ้นเป็นเชิงเส้นตามเวลาที่สวิตช์ปิดหรือเปิด

ในช่วงเวลานี้ในขณะที่กระแสไฟฟ้ายังคงเปลี่ยนแปลงอยู่จะมีแรงดันไฟฟ้าตกที่ตัวเหนี่ยวนำเสมอ แรงดันไฟฟ้าคร่อมโหลดจะต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้า ในระหว่างสถานะปิดในขณะที่สวิตช์เปิดอยู่แหล่งจ่ายแรงดันอินพุตจะถูกตัดการเชื่อมต่อและตัวเหนี่ยวนำจะถ่ายโอนพลังงานที่เก็บไว้ไปยังโหลด เหนี่ยวนำจะกลายเป็นแหล่งที่มาในปัจจุบันสำหรับการโหลด

ไดโอด D1 จะให้เส้นทางกลับของกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำระหว่างสถานะปิดสวิตช์

กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำลดลงโดยมีความชันเท่ากับ–Vout / L

โหมดการทำงานของ Buck Converter

ตัวแปลงบั๊กสามารถทำงานได้สองโหมด โหมดต่อเนื่องหรือโหมดต่อเนื่อง

โหมดต่อเนื่อง

ในระหว่างโหมดต่อเนื่องตัวเหนี่ยวนำจะไม่ปล่อยประจุออกจนหมดวงจรการชาร์จจะเริ่มต้นเมื่อตัวเหนี่ยวนำถูกปล่อยออกบางส่วน

ในภาพด้านบนเราจะเห็นว่าเมื่อสวิตช์เปิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (iI) เพิ่มขึ้นในเชิงเส้นจากนั้นเมื่อสวิตช์ปิดตัวเหนี่ยวนำจะเริ่มลดลง แต่สวิตช์จะเปิดขึ้นอีกครั้งในขณะที่ตัวเหนี่ยวนำถูกปล่อยออกบางส่วน นี่คือโหมดการทำงานต่อเนื่อง

พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำคือ E = (LI _L ²) / 2

โหมดไม่ต่อเนื่อง

โหมดไม่ต่อเนื่องแตกต่างจากโหมดต่อเนื่องเล็กน้อย ในโหมดไม่ต่อเนื่องตัวเหนี่ยวนำจะปล่อยประจุไฟฟ้าเต็มที่ก่อนเริ่มรอบการชาร์จใหม่ ตัวเหนี่ยวนำจะคายประจุจนสุดเป็นศูนย์ก่อนที่สวิตช์จะเปิด

ในระหว่างโหมดไม่ต่อเนื่องดังที่เราเห็นในภาพด้านบนเมื่อสวิตช์เปิดขึ้นกระแสตัวเหนี่ยวนำ (il) จะเพิ่มขึ้นในเชิงเส้นจากนั้นเมื่อสวิตช์ดับลงตัวเหนี่ยวนำจะเริ่มลดลง แต่สวิตช์จะเปิดขึ้นหลังจากตัวเหนี่ยวนำเท่านั้น ถูกปล่อยออกมาจนหมดและกระแสตัวเหนี่ยวนำกลายเป็นศูนย์อย่างสมบูรณ์ นี่คือโหมดการทำงานที่ไม่ต่อเนื่อง ในการดำเนินการนี้การไหลของกระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำจะไม่ต่อเนื่อง

PWM และ Duty Cycle สำหรับ Buck Converter Circuit

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วในบทช่วยสอนตัวแปลงบั๊กก่อนหน้านี้การเปลี่ยนแปลงรอบการทำงานที่เราสามารถควบคุมวงจรควบคุมบั๊กได้ สำหรับสิ่งนี้จำเป็นต้องมีระบบควบคุมพื้นฐาน จำเป็นต้องมีวงจรควบคุมเครื่องขยายเสียงและสวิตช์ข้อผิดพลาดเพิ่มเติมซึ่งจะทำงานในโหมดต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่อง

ดังนั้นสำหรับวงจรควบคุมบั๊กที่สมบูรณ์เราจำเป็นต้องมีวงจรเพิ่มเติมซึ่งจะเปลี่ยนรอบการทำงานและระยะเวลาที่ตัวเหนี่ยวนำได้รับพลังงานจากแหล่งกำเนิด

ในภาพด้านบนเครื่องขยายข้อผิดพลาดสามารถมองเห็นได้ซึ่งรับรู้แรงดันไฟฟ้าขาออกตลอดโหลดโดยใช้เส้นทางป้อนกลับและควบคุมสวิตช์ เทคนิคการควบคุมทั่วไปส่วนใหญ่รวมถึงเทคนิค PWM หรือ Pulse Width Modulation ซึ่งใช้ในการควบคุมรอบการทำงานของวงจร

วงจรควบคุมจะควบคุมระยะเวลาที่สวิตช์ยังคงเปิดอยู่หรือควบคุมระยะเวลาที่ตัวเหนี่ยวนำชาร์จหรือคายประจุ

วงจรนี้ควบคุมสวิตช์ขึ้นอยู่กับโหมดการทำงาน จะใช้ตัวอย่างของแรงดันขาออกและลบออกจากแรงดันอ้างอิงและสร้างสัญญาณข้อผิดพลาดเล็ก ๆ จากนั้นสัญญาณข้อผิดพลาดนี้จะถูกเปรียบเทียบกับสัญญาณทางลาดของออสซิลเลเตอร์และจากเอาต์พุตตัวเปรียบเทียบสัญญาณ PWM จะทำงานหรือควบคุมสวิตช์ วงจร.

เมื่อแรงดันไฟฟ้าขาออกเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ผิดพลาดจะได้รับผลกระทบด้วย เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าผิดพลาดตัวเปรียบเทียบจะควบคุมเอาต์พุต PWM PWM ยังเปลี่ยนเป็นตำแหน่งเมื่อแรงดันเอาต์พุตสร้างแรงดันไฟฟ้าผิดพลาดเป็นศูนย์และด้วยการทำเช่นนี้ระบบลูปควบคุมปิดจะดำเนินการทำงาน

โชคดีที่ตัวควบคุมบั๊กการสลับที่ทันสมัยส่วนใหญ่มีสิ่งนี้อยู่ภายในแพ็คเกจ IC ดังนั้นการออกแบบวงจรอย่างง่ายจึงทำได้โดยใช้ตัวควบคุมการสลับที่ทันสมัย

แรงดันไฟฟ้าป้อนกลับอ้างอิงทำได้โดยใช้เครือข่ายตัวแบ่งตัวต้านทาน นี่คือวงจรเพิ่มเติมซึ่งจำเป็นพร้อมกับตัวเหนี่ยวนำไดโอดและตัวเก็บประจุ

ปรับปรุงประสิทธิภาพของ Buck Converter Circuit

ทีนี้ถ้าเราตรวจสอบเกี่ยวกับประสิทธิภาพเราให้กำลังไฟฟ้าภายในวงจรเท่าใดและเราได้รับที่เอาต์พุต (มุ่ย / พิน) * 100%

เนื่องจากพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้จึงสามารถแปลงได้เท่านั้นพลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่จะสูญเสียพลังที่ไม่ได้ใช้ไปเปลี่ยนเป็นความร้อน นอกจากนี้ไม่มีสถานการณ์ที่ดีที่สุดในสนามจริงประสิทธิภาพเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า

ปัจจัยการสูญเสียพลังงานหลักอย่างหนึ่งสำหรับตัวควบคุมการสลับคือไดโอด แรงดันตกไปข้างหน้าคูณด้วยกระแส (Vf xi) คือวัตต์ที่ไม่ได้ใช้ซึ่งจะถูกแปลงเป็นความร้อนและลดประสิทธิภาพของวงจรควบคุมการสลับ นอกจากนี้ยังเป็นค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมสำหรับวงจรสำหรับเทคนิคการจัดการความร้อน / ความร้อนโดยใช้ฮีทซิงค์หรือพัดลมเพื่อทำให้วงจรเย็นลงจากความร้อนที่กระจายไป ไม่เพียง แต่แรงดันตกไปข้างหน้าการย้อนกลับสำหรับไดโอดซิลิคอนยังทำให้สูญเสียพลังงานโดยไม่จำเป็นและลดประสิทธิภาพโดยรวม

วิธีที่ดีที่สุดวิธีหนึ่งในการหลีกเลี่ยงไดโอดกู้คืนมาตรฐานคือการใช้ไดโอด Schottky แทนไดโอดที่มีแรงดันไฟฟ้าตกไปข้างหน้าต่ำและการกู้คืนย้อนกลับได้ดี เมื่อต้องการประสิทธิภาพสูงสุดสามารถเปลี่ยนไดโอดได้โดยใช้มอสเฟต ในเทคโนโลยีสมัยใหม่มีตัวเลือกมากมายในส่วน Switching buck regulator ซึ่งให้ประสิทธิภาพมากกว่า90%ได้อย่างง่ายดาย

แม้จะมีประสิทธิภาพสูงกว่า แต่เทคนิคการออกแบบเครื่องเขียนส่วนประกอบที่เล็กกว่าตัวควบคุมการสลับก็มีเสียงดังกว่าตัวควบคุมเชิงเส้น ยังคงเป็นที่นิยมอย่างกว้างขวาง

ตัวอย่างการออกแบบสำหรับ Buck Converter

ก่อนหน้านี้เราได้สร้างวงจรควบคุมบั๊กโดยใช้ MC34063 ซึ่งเอาต์พุต 5V สร้างขึ้นจากแรงดันไฟฟ้าอินพุต 12V MC34063 เป็นตัวควบคุมการสลับที่ใช้ในการกำหนดค่าตัวควบคุมบั๊ก เราใช้ตัวเหนี่ยวนำไดโอด Schottky และตัวเก็บประจุ

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

หากเราดูโครงการโดยละเอียดเราจะเห็นว่าประสิทธิภาพ 75-78% นั้นทำได้โดยวงจรควบคุมบั๊ก MC34063 นี้ สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพเพิ่มเติมได้โดยใช้เทคนิค PCB ที่เหมาะสมและได้รับขั้นตอนการจัดการความร้อน

ตัวอย่างการใช้ Buck regulator-

แหล่งจ่ายไฟ Dc ในแอปพลิเคชันแรงดันไฟฟ้าต่ำ
อุปกรณ์พกพา
เครื่องเสียง
ระบบฮาร์ดแวร์ในตัว
ระบบสุริยะเป็นต้น