Switching boost regulator: grundläggande design och effektivitet

Inom elektronik är en regulator en enhet eller mekanism som kan reglera effektutgången hela tiden. Det finns olika typer av regulatorer tillgängliga i strömförsörjningsdomänen. Men främst, när det gäller DC till DC-omvandling, finns det två typer av regulatorer tillgängliga: Linjär eller Switching.

En linjär regulator reglerar utgången med hjälp av ett resistivt spänningsfall, och på grund av detta ger linjära regulatorer lägre effektivitet och tappar kraft i form av värme.

På andra sidan Omkopplingsregulator använder induktor, diod och en strömbrytare för att överföra energi från dess källa till utgången.

Det finns tre typer av omkopplingsregulatorer tillgängliga.

1. Steg-upp-omvandlare (Boost Regulator)

2. Steg-ner-omvandlare (Buck regulator)

3. Inverter (Flyback)

I den här handledningen beskriver vi Switching Boost Regulator-kretsen. Vi har redan beskrivit Boost Regulator Design i föregående handledning. Här kommer vi att diskutera olika aspekter av Boost-omvandlaren och hur man kan förbättra effektiviteten.

Design Basics of Boost Converter Circuit

I många fall behöver vi konvertera lägre spänning till högre spänning beroende på kraven. Boostregulator ökar spänningen från lägre potential till högre potential.

I bilden ovan visas en enkel Boost-regulatorkrets där en induktor, diod, kondensator och en omkopplare används.

Syftet med induktorn är att begränsa den aktuella svänghastigheten som strömmar genom strömbrytaren. Det begränsar den överflödiga högtoppsströmmen som är oundviklig av omkopplarens motstånd individuellt.

Också, den induktor lagrar energi, den energi mätt i joule E = (L * Jag ^två / 2), Vi kommer att förstå hur induktorerna överför energi i de kommande bilderna och graferna.

Vid omkopplingsförstärkningsregulatorer finns det två faser, den ena är induktorns laddningsfas eller kopplingsfasen (omkopplaren är faktiskt stängd) och den andra är urladdningsfas eller avstängningsfasen (omkopplaren är öppen).

Om vi ​​antar att omkopplaren har varit i öppet läge under lång tid är spänningsfallet över dioden negativt och spänningen över kondensatorn är lika med ingångsspänningen. I den här situationen, om strömbrytaren kommer nära, är Vin rädd över induktorn. Dioden förhindrar kondensatorns urladdning genom omkopplaren till marken.

Strömmen genom induktorn stiger linjärt med tiden. Den linjära stigningshastigheten är proportionell mot ingångsspänningen dividerad med induktansen di / dt = Spänning över induktorn / induktansen

I det övre diagrammet visar induktans laddningsfas. X-axeln betecknar t (tid) och Y-axeln betecknar I (ström genom induktorn). Strömmen ökar linjärt med tiden när strömbrytaren är stängd eller PÅ.

Nu, när omkopplaren åter blir off eller blev öppen, induktansen strömflödet genom dioden och ladda utgångskondensatorn. När utgångsspänningen stiger vänder strömslutningen genom induktorn. Utspänningen stiger tills spänningen genom induktorn = L * (di / dt) uppnås.

Induktorns strömfall med tiden är direkt proportionell mot induktansspänningen. Högre induktansspänning, desto snabbare faller strömmen genom induktorn.

I ovanstående diagram sjunker induktorströmmen med tiden när strömbrytaren stängs av.

När omkopplingsregulatorn är i driftstillstånd är Induktors genomsnittliga spänning noll under hela omkopplingscykeln. För detta tillstånd är medelströmmen genom induktorn också i steady-state.

Om vi ​​antar att induktans laddningstid är Ton och kretsen har en ingångsspänning, kommer det att finnas en specifik Toff- eller urladdningstid för en utgångsspänning.

Eftersom den genomsnittliga induktansspänningen är lika med noll i steady state kan vi konstruera boost-krets med följande termer

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

Eftersom utspänningen är lika med ingångsspänningen och genomsnittlig induktorspänning (Vout = Vin + VL)

Vi kan säga så, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

Vi kan också beräkna Vout med hjälp av arbetscykel.

Driftscykel (D) = Ton / (Ton + Toff)

För boost switch-regulatorn kommer Vout att vara Vin / (1 - D)

PWM och Duty Cycle för Boost Converter Circuit

Om vi ​​kontrollerar arbetscykeln kan vi styra boost-omvandlarens steady-state-utgång. Så för arbetscykelvariationen använder vi en styrkrets över strömbrytaren.

Så för en komplett grundläggande boost-regulatorkrets behöver vi en extra krets som varierar arbetscykeln och därmed den tid induktorn tar emot energi från källan.

I bilden ovan kan en felförstärkare ses som känner av utspänningen över belastningen med hjälp av en återkopplingsväg och styr omkopplaren. Vanligaste styrteknik inkluderar PWM eller pulsbreddsmoduleringsteknik som används för att styra kretsarnas arbetscykel.

De Styrkretsen styr hur länge omkopplaren förblir öppen eller nära, beroende på den ström som dras av lasten. Denna krets använder också för kontinuerlig drift i steady state. Det tar ett urval av utspänningen och att subtrahera den från en referensspänning och skapa en liten felsignal, då kommer denna felsignal att jämföras med en oscillatorrampsignal och från komparatorutgången kommer en PWM-signal att fungera eller styra omkopplaren krets.

När utspänningen ändras påverkas felspänningen också av den. På grund av felspänningsförändring kontrollerar komparatorn PWM-utgången. PWM ändrades också till en position när utspänningen skapar nollfelspänning och genom att göra detta utför det slutna styrslingan arbetet.

Lyckligtvis har de flesta moderna Switching boost-regulatorer den här inbyggda inuti IC-paketet. Således uppnås enkel kretskonstruktion med de moderna omkopplingsregulatorerna.

Referensåterkopplingsspänningen görs med hjälp av ett motståndsdelningsnätverk. Detta är den extra kretsen, som behövs tillsammans med induktor, dioder och kondensatorer.

Förbättra effektiviteten hos Boost Converter Circuit

Nu, om vi undersöker effektiviteten, är det hur mycket kraft vi tillhandahåller inuti kretsarna och hur mycket vi får vid utgången.

(Pout / Pin) * 100%

Eftersom energi inte kan skapas eller förstöras, kan den bara omvandlas, de flesta elektriska energier förlorar oanvända krafter omvandlade till värme. Det finns inte heller någon ideal situation inom det praktiska området, effektivitet är en större faktor för val av spänningsregulatorer.

En av de viktigaste effektförlustfaktorerna för en omkopplingsregulator är dioden. Strömmen för framåt spänningsfallstiden (Vf xi) är den oanvända watt som omvandlas till värme och minskar effektiviteten hos kopplingsregulatorns krets. Det är också tilläggskostnaden för kretsarna för värme- / värmehanteringsteknik som använder en kylfläns eller fläktar för att kyla ned kretsarna från försvunnen värme. Inte bara framspänningsfallet, omvänd återhämtning för kiseldioder ger också onödig strömförlust och minskning av den totala effektiviteten.

Ett av det bästa sättet att undvika en standardåtervinningsdiod är att använda Schottky-dioder i stället för dioder som har lågt spänningsfall framåt och bättre återvinning. När maximal effektivitet behövs kan dioden bytas ut med MOSFET. I modern teknik finns det många alternativ i Switching boost regulator-sektionen, som ger mer än 90% effektivitet enkelt.

Det finns också en funktion "Skip Mode" som används i många moderna enheter som gör att regulatorn kan hoppa över omkopplingscykler när det inte finns något behov av att byta vid mycket lätta belastningar. Det är ett utmärkt sätt att förbättra effektiviteten i lätt belastning. I hoppläge initieras växlingscykeln endast när utspänningen sjunker under ett reglerande tröskelvärde.

Trots att de har högre effektivitet, är stationär designteknik, mindre komponent, omkopplingsregulatorer bullriga än en linjär regulator. Ändå är de allmänt populära.

Exempel på design för Boost Converter

Vi skapade tidigare en boost-regulatorkrets med MC34063 där 5V-utgången genereras från 3,7V-ingångsspänningen. MC34063 är omkopplingsregulatorn som användes i boost-regulatorkonfigurationen. Vi använde en induktor, en Schottky-diod och kondensatorer.

I bilden ovan är Cout utgångskondensatorn och vi använde också en induktor och Schottky-diod som är de grundläggande komponenterna för en omkopplingsregulator. Det finns också ett Feedback-nätverk som används. R1- och R2-motstånd skapar en spänningsdelarkrets som behövs för komparatorns PWM- och felförstärkningssteg. Jämförelsens referensspänning är 1,25V.

Om vi ​​ser projektet i detalj kan vi se att 70-75% effektivitet uppnås genom denna MC34063 switch boost regulator circuit. Ytterligare effektivitet kan förbättras med hjälp av korrekt PCB-teknik och erhållande av termiska hanteringsrutiner.