Switching buck regulator: design basics and efficiency

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 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 guiden kommer vi att beskriva Switching Buck Regulator-kretsen. Vi har redan beskrivit Buck Regulator Design i föregående handledning. Här kommer vi att diskutera olika aspekter av Buck-omvandlare och hur man kan förbättra effektiviteten.

Skillnad mellan Buck och Boost Regulator

Skillnaden mellan buck och boost regulator är, i buck regulator placeringen av induktor, diod och omkopplingskretsen är annorlunda än boost regulator. Vid boostregulator är utspänningen också högre än ingångsspänningen, men i buckregulator är utspänningen lägre än ingångsspänningen.

En buck-topologi eller buck-omvandlare är en av de mest använda grundläggande topologi som används i SMPS. Det är ett populärt val där vi behöver konvertera högre spänning till en lägre utspänning.

Samma som boost-regulatorn, en buck-omvandlare eller en buck-regulator består av en induktor, men anslutningen av induktorn är i utgångssteget snarare än det ingångssteg som används i boost-regulatorer.

Så i många fall behöver vi konvertera lägre spänning till högre spänning beroende på kraven. Buckregulator omvandlar spänningen från högre potential till lägre potential.

Design Basics of Buck Converter Circuit

I bilden ovan visas en enkel Buck-regulatorkrets där en induktor, diod, kondensator och en omkopplare används. Ingången är direkt ansluten över strömbrytaren. Induktorn och kondensatorn är anslutna över utgången, så belastningen får en jämn utgående strömvågform. Dioden används för att blockera det negativa strömflödet.

Vid växlingsförstärkningsregulatorer finns det två faser, den ena är induktorns laddningsfas eller tillkopplingsfasen (strömbrytaren är faktiskt stängd) och den andra är urladdningsfasen eller avstängningsfasen (strömbrytaren är öppen).

Om vi ​​antar att omkopplaren har varit i öppet läge under lång tid är strömmen i kretsen 0 och det finns ingen spänning närvarande.

I den här situationen, om strömställaren kommer nära, kommer strömmen att öka och induktorn kommer att skapa en spänning över den. Detta spänningsfall minimerar källspänningen vid utgången, efter några ögonblick minskar strömförändringshastigheten och spänningen över induktorn minskar också vilket så småningom ökar spänningen över belastningen. Induktor lagrar energi med hjälp av magnetfältet.

Så när strömbrytaren är på, är spänningen över induktorn V _L = Vin - Vout

Strömmen i induktorn stiger med en hastighet av (Vin - Vout) / L.

Strömmen genom induktorn stiger linjärt med tiden. Den linjära strömstigningshastigheten är proportionell mot ingångsspänningen minus utspänning dividerad med induktansen

di / dt = (Vin - Vout) / L.

Den övre grafen som 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.

under denna tid medan strömmen fortfarande ändras kommer det alltid att uppstå ett spänningsfall över induktorn. Spänningen över belastningen kommer att vara lägre än ingångsspänningen. Under avstängt tillstånd, medan strömbrytaren är öppen, kopplas ingångsspänningskällan bort och induktorn överför lagrad energi till lasten. Den Induktorn blir strömkällan för lasten.

Dioden Dl ger en returväg för strömmen som strömmar genom induktorn under frånkopplingstillståndet.

Induktansströmmen minskar med en lutning lika med –Vout / L

Driftlägen för Buck Converter

Buck-omvandlaren kan manövreras i två olika lägen. Kontinuerligt läge eller diskontinuerligt läge.

Kontinuerligt läge

Under kontinuerligt läge laddas induktorn aldrig ur helt, laddningscykeln startar när induktorn är delvis urladdad.

I ovanstående bild kan vi se när strömbrytaren slås på när induktansströmmen (iI) ökar linjärt, sedan när strömbrytaren går av börjar induktorn minska, men strömbrytaren startar igen medan induktorn delvis är urladdad. Detta är det kontinuerliga driftläget.

Energi lagrad i induktorn är E = (LI _L ²) / 2

Diskontinuerligt läge

Diskontinuerligt läge är något annorlunda än det kontinuerliga läget. I diskontinuerligt läge urladdades induktorn helt innan en ny laddningscykel startades. Induktorn laddas helt ut till noll innan strömbrytaren slogs på.

Under diskontinuerligt läge, som vi kan se i bilden ovan när strömbrytaren sätts på, ökar induktansströmmen (il) linjärt, sedan när strömställaren slår av börjar induktorn minska, men strömbrytaren tänds först efter induktorn är helt urladdad och induktorströmmen blev helt noll. Detta är det diskontinuerliga driftsättet. I denna operation är strömflödet genom induktorn inte kontinuerligt.

PWM och Duty Cycle för Buck Converter Circuit

Som vi diskuterade i föregående tutorial för buck-omvandlare, varierar arbetscykeln kan vi styra buck regulator circuit. För detta krävs ett grundläggande styrsystem. En felförstärkare och omkopplarkontrollkrets krävs dessutom som fungerar i kontinuerligt eller diskontinuerligt läge.

Så, för en komplett kretsregulatorkrets behöver vi en ytterligare krets som varierar arbetscykeln och därmed den tid induktorn får 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.

Styrkretsen kontrollerar hur länge strömbrytaren förblir öppen eller styr hur mycket tid induktorn laddar eller laddar ur.

Denna krets styr omkopplaren beroende på driftsättet. 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 växelregulatorer den här saken inbyggd i 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 Buck Converter Circuit

Om vi ​​nu undersöker effektiviteten, hur mycket effekt vi ger 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. Framspänningsfallet multiplicerat med ström (Vf xi) är den oanvända watt som omvandlas till värme och minskar effektiviteten hos omkopplingsregulatorns krets. Det är också en extra kostnad för kretsarna för värme- / värmehanteringsteknik som använder en kylfläns eller fläktar för att kyla ned kretsarna från utsläppt 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 valmöjligheter i avsnittet Switching buck regulator, som enkelt ger mer än 90% effektivitet.

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 Buck Converter

Vi skapade tidigare en kretsregulatorkrets med MC34063 där 5V-utgången genereras från 12V-ingångsspänningen. MC34063 är omkopplingsregulatorn som användes i buckregulator-konfiguration. 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 75-78% effektivitet uppnås med denna MC34063 switch-regulator-krets. Ytterligare effektivitet kan förbättras med hjälp av korrekt PCB-teknik och erhållande av termiska hanteringsrutiner.

Exempel på användning av Buck regulator-

1. Likströmskälla i lågspänningsapplikationen
2. Bärbar utrustning
3. Ljudutrustning
4. Inbyggda hårdvarusystem.
5. Solsystem etc.