Vienā rakstā izskaidrojiet komutācijas režīma barošanas avota topoloģiju

Ķēdes topoloģija attiecas uz savienojumu starp barošanas ierīcēm un elektromagnētiskajiem komponentiem ķēdē, savukārt magnētisko komponentu, slēgtas cilpas kompensācijas shēmu un visu pārējo shēmas komponentu konstrukcija ir atkarīga no topoloģijas. Visvienkāršākās topoloģijas ir Buck, Boost un Buck/Boost, vienpusēji savienotas atgriezeniskās saites (izolētas atgriezeniskās saites), tiešās, push-pull, pustilta un pilna tilta pārveidotāji. Ir aptuveni 14 izplatītas komutācijas režīma barošanas avotu topoloģijas, katrai no tām ir savas īpašības un piemērojamie scenāriji. Izvēles princips ir atkarīgs no tā, vai tā ir lielas vai mazas jaudas, lielas vai zemas jaudas izeja, un vai tai ir nepieciešams pēc iespējas mazāk komponentu. Ir ļoti svarīgi izvēlēties atbilstošu topoloģiju un iepazīties ar dažādu topoloģiju priekšrocībām, trūkumiem un piemērojamību. Nepareiza izvēle neizbēgami novedīs pie barošanas avota konstrukcijas neveiksmes jau no paša sākuma.

Šajā rakstā mēs aplūkosim pakāpeniskas, pakāpeniskas un pakāpeniskas pakāpeniskas topoloģijas no dažādām perspektīvām.

Buck pārveidotājs

1. attēlā redzama asinhronā sprieguma pazemināšanas pārveidotāja shematiska diagramma. Sprieguma pazemināšanas pārveidotājs samazina ieejas spriegumu līdz zemākam izejas spriegumam. Kad slēdzis Q1 ir ieslēgts, enerģija tiek pārnesta uz izejas spaili.

1. attēls: Asinhronā sprieguma pārveidotāja shematiska diagramma

1. formula aprēķina darba ciklu:

Formula 2 aprēķina metāla oksīda pusvadītāju lauka efekta tranzistora (MOSFET) maksimālo spriegumu:

Formula 3 nodrošina maksimālo diodes spriegumu:

Vin ir ieejas spriegums, Vout ir izejas spriegums, un Vf ir diodes tiešais spriegums.

Salīdzinot ar lineārajiem regulatoriem vai zemas izkrišanas regulatoriem (LDO), jo lielāka ir ieejas sprieguma un izejas sprieguma atšķirība, jo augstāka ir sprieguma krituma pārveidotāja efektivitāte.

Lai gan sprieguma svārstību pārveidotājam ieejā ir impulsa strāva, izejas strāva ir nepārtraukta, pateicoties induktora kondensatora (LC) filtram pārveidotāja izejā. Tā rezultātā sprieguma pulsācija, kas atstarojas uz ieejas spaili, būs lielāka salīdzinājumā ar pulsāciju izejas spailē.

Buck pārveidotājiem ar mazu darba ciklu un izejas strāvu, kas lielāka par 3 A, ieteicams izmantot sinhronos taisngriežus. Ja barošanas avotam ir nepieciešama izejas strāva, kas lielāka par 30 A, ieteicams izmantot daudzfāžu vai savstarpēji savienotas jaudas pakāpes, jo tas var samazināt komponentu spriegumu, sadalīt radīto siltumu starp vairākām jaudas pakāpēm un samazināt atstarošanas pulsāciju pārveidotāja ieejā.

Izmantojot N-FET, darba cikls ir ierobežots, jo katrā komutācijas ciklā ir jāuzlādē uzlādes kondensators. Šajā gadījumā maksimālais darba cikls ir 95–99% diapazonā.

Kļūdas pārveidotājiem (Buck) parasti ir labas dinamiskās īpašības, jo tiem ir tiešās topoloģijas struktūra. Sasniedzamā joslas platums ir atkarīgs no kļūdas pastiprinātāja kvalitātes un izvēlētās komutācijas frekvences.

2.–7. attēlā parādītas lauka tranzistoru, diodes un induktora sprieguma un strāvas viļņu formas nepārtrauktas vadīšanas režīmā (CCM) asinhronajos sprieguma svārstību pārveidotājos.

Paātrinājuma pārveidotājs

Paaugstināšanas pārveidotājs palielina ieejas spriegumu līdz lielākam izejas spriegumam. Kad slēdzis Q1 nav vadošs, enerģija tiek pārnesta uz izejas spaili. 8. attēlā redzama asinhronā pastiprinātāja pārveidotāja shematiska diagramma.

8. attēls: Asinhronā pastiprinātāja pārveidotāja shematiska diagramma

4. formula aprēķina darba ciklu:

Formula 5 aprēķina maksimālo MOSFET spriegumu:

Formula 6 nodrošina maksimālo diodes spriegumu:

Vin ir ieejas spriegums, Vout ir izejas spriegums, un Vf ir diodes tiešais spriegums.

Izmantojot pastiprinājuma pārveidotāju, var redzēt impulsa izejas strāvu, jo LC filtrs atrodas ieejas galā. Tāpēc ieejas strāva ir nepārtraukta, un izejas sprieguma pulsācija ir lielāka nekā ieejas sprieguma pulsācija.

Projektējot pastiprinātāja pārveidotāju, ir svarīgi zināt, ka pastāvīgs savienojums starp ieeju un izeju būs pat tad, ja pārveidotājs nedarbojas. Jāveic preventīvi pasākumi, lai novērstu iespējamus īsslēgumus izejas galā.

Ja izejas strāva pārsniedz 4 A, diožu aizstāšanai jāizmanto sinhronie taisngrieži. Ja barošanas avotam ir jānodrošina izejas strāva, kas lielāka par 10 A, stingri ieteicams izmantot daudzfāžu vai savstarpēji savienotu jaudas pakāpju metodes.

Darbojoties CCM režīmā, pastiprinājuma pārveidotāja dinamiskās īpašības ir ierobežotas tā pārneses funkcijas labās pusplaknes nulles punkta (RHPZ) dēļ. Tā kā RHPZ nespēj kompensēt, sasniedzamais joslas platums parasti būs mazāks par vienu piektdaļu līdz vienu desmitdaļu no RHPZ frekvences.

Lūdzu, skatiet 7. formulu:

Starp tiem Vout ir izejas spriegums, D ir darba cikls, Iout ir izejas strāva un L1 ir pastiprinātāja pārveidotāja induktivitāte.

9.–14. attēlā parādītas lauka efekta tranzistoru, diodes un induktora sprieguma un strāvas viļņu formas CCM režīmā asinhronos pastiprinātāja pārveidotājos.

Buck pastiprinātāja pārveidotājs

Sprieguma sprieguma paaugstināšanas pārveidotājs ir sprieguma pazemināšanas un paaugstināšanas jaudas pakāpju kombinācija, kurām ir viens un tas pats induktors.

Skatīt 15. attēlu.

15. attēls: Divu slēdžu sprieguma paaugstināšanas pārveidotāja shematiska diagramma

Buck boost topoloģija ir ļoti praktiska, jo ieejas spriegums var būt mazāks, lielāks vai tāds pats kā izejas spriegums, un tai ir nepieciešama izejas jauda, ​​kas lielāka par 50 W.

Ja izejas jauda ir mazāka par 50 W, izmaksu ziņā efektīvāka izvēle ir viengala primārais induktora pārveidotājs (SEPIC), jo tajā ir mazāk komponentu.

Ja ieejas spriegums ir lielāks par izejas spriegumu, sprieguma paaugstināšanas un pazemināšanas pārveidotājs darbojas sprieguma pazemināšanas režīmā; ja ieejas spriegums ir zemāks par izejas spriegumu, tas darbojas paaugstināšanas režīmā. Ja pārveidotājs darbojas pārraides diapazonā, kur ieejas spriegums ir izejas sprieguma diapazonā, ir divi koncepti, kā rīkoties šādās situācijās: vai nu sprieguma pazemināšanas un paaugstināšanas pakāpes ir vienlaicīgi aktīvas, vai arī komutācijas cikls mainās starp sprieguma pazemināšanas un paaugstināšanas pakāpēm, katrai parasti darbojoties ar pusi no normālās komutācijas frekvences. Otrais koncepts var izraisīt subharmonisku troksni izejā, un, salīdzinot ar parastajām sprieguma pazemināšanas vai paaugstināšanas darbībām, izejas sprieguma precizitāte var nebūt tik precīza, taču, salīdzinot ar pirmo konceptu, pārveidotājs būs efektīvāks.

Sprieguma samazināšanas topoloģijai ir impulsu strāvas gan ieejas, gan izejas galos, jo nevienā virzienā nav LC filtra.

Sprieguma samazināšanas un palielināšanas pārveidotājiem aprēķiniem var izmantot atsevišķi gan sprieguma samazināšanas, gan palielināšanas jaudas pakāpes.

Sprieguma samazināšanas un palielināšanas pārveidotājs ar diviem slēdžiem ir piemērots jaudas diapazonam no 50 W līdz 100 W (piemēram, LM5118), un sinhronās taisngriešanas jauda var sasniegt 400 W (tāpat kā LM5175). Ieteicams izmantot sinhrono taisngriezi ar tādu pašu strāvas ierobežojumu kā nekonjugētajām sprieguma samazināšanas un palielināšanas jaudas pakāpēm.

Jums ir jāizstrādā kompensācijas tīkls sprieguma paaugstināšanas pakāpes sprieguma paaugstināšanas pārveidotājam, jo ​​RHPZ ierobežos regulatora joslas platumu.

Bieži sastopamas topoloģiskās pamatstruktūras

■Buck sprieguma samazināšana

■Paātrināt paātrināt

■Buck Boost sprieguma samazināšanas pastiprinātājs

■Atpakaļgaita

■Uz priekšu Uz priekšu

■Divi transformatori uz priekšu, divkāršs tranzistors uz priekšu

■Stumt un vilkt

■Pusbridžs Pusbridžs

■Pilns tilts

■ SEPIC

■ C'uk

1. Impulsa platuma modulācijas pamata viļņu forma

Šīs topoloģiskās struktūras ir saistītas ar komutācijas režīma shēmām, un pamata impulsa platuma modulācijas viļņu forma ir definēta šādi:

2. Baks

Raksturīgs:

■Samaziniet ieejas spriegumu līdz zemākam.

■Tā varētu būt vienkāršākā shēma.

■Induktora/kondensatora filtrs pēc pārslēgšanas saplacina taisnstūrvilni.

■ Izvades signāls vienmēr ir mazāks vai vienāds ar ievades signālu.

■ Ieejas strāva ir pārtraukta (smalcināta).

Vienmērīga izejas strāva.

3. Paātrinājums

Raksturīgs:

■Paaugstiniet ieejas spriegumu līdz augstākam līmenim.

■Līdzīgi sprieguma samazināšanai, bet ar pārkārtotiem induktoriem, slēdžiem un diodēm.

■ Izeja vienmēr ir lielāka vai vienāda ar ieeju (ignorējot diodes tiešo sprieguma kritumu).

■Vienmērīga ieejas strāva.

■ Pārtraukta izejas strāva (smalcināšana).

4. Buck-Boost

Raksturīgs:

■Vēl viena induktoru, slēdžu un diožu izvietošanas metode.

■Apvienojot gan pazeminošo, gan paaugstinošo shēmu trūkumus.

■ Ieejas strāva ir pārtraukta (smalcināta).

■Arī izejas strāva ir pārtraukta (smalcināta).

■ Izeja vienmēr ir pretēja ieejai (ņemiet vērā kondensatora polaritāti), bet amplitūda var būt mazāka vai lielāka nekā ieeja.

■"Atpakaļejošās darbības" pārveidotājs faktiski ir pakāpeniskas samazināšanas/paaugstināšanas ķēdes izolācijas (transformatora savienojuma) veidā.

5. Atpakaļlidojums

Raksturīgs:

■Tā darbojas kā sprieguma paaugstināšanas shēma, bet induktoram ir divi tinumi, kas darbojas gan kā transformators, gan kā induktors.

■ Izeja var būt pozitīva vai negatīva, ko nosaka spoles un diodes polaritāte.

■ Izejas spriegums var būt lielāks vai mazāks par ieejas spriegumu, ko nosaka transformatora apgriezienu attiecība.

■Šī ir vienkāršākā izolētā topoloģijas struktūra.

■ Pievienojot sekundāros tinumus un shēmas, var iegūt vairākas izejas.

6. Uz priekšu

Raksturīgs:

■ Pazeminošās ķēdes transformatora savienojuma forma.

■ Pārtraukta ieejas strāva, vienmērīga izejas strāva.

■Transformatoru izmantošanas dēļ izejas signāls var būt lielāks vai mazāks par ieejas signālu, un tam var būt jebkura polaritāte.

■Pievienojot sekundāros tinumus un shēmas, var iegūt vairākas izejas.

■Transformatora kodols ir jādemagnetizē katra komutācijas cikla laikā. Parasti tiek pievienots tinums ar tādu pašu vijumu skaitu kā primārajam tinumam.

■Enerģija, kas ieslēgšanas fāzē uzkrāta primārajā induktorā, izslēgšanas fāzē tiek atbrīvota caur papildu tinumiem un diodēm.

7. Divu tranzistoru tiešais slēgums

Raksturīgs:

■Divi slēdži darbojas vienlaicīgi.

■Kad slēdzis ir atvienots, transformatorā uzkrātā enerģija maina primārā vada polaritāti, liekot diodei vadīt strāvu.

Galvenās priekšrocības:

■ Katra slēdža spriegums nekad nepārsniegs ieejas spriegumu.

■Nav nepieciešams atiestatīt tinumu sliedi.

8. Push-Pull

Raksturīgs:

■Slēdzis (FET) vada dažādas fāzes un veic impulsa platuma modulāciju (PWM), lai regulētu izejas spriegumu.

■Transformatora magnētisko serdeņu labs izmantošanas līmenis — jaudas pārraide abos pusciklos.

■Pilna viļņa topoloģijas struktūra, tāpēc izejas pulsācijas frekvence ir divreiz lielāka par transformatora frekvenci.

■ Lauka tranzistoram pievadītais spriegums ir divreiz lielāks par ieejas spriegumu.

9. Puse tilta

Raksturīgs:

■Topoloģijas struktūra, ko parasti izmanto lieljaudas pārveidotājos.

■Slēdzis (FET) vada dažādas fāzes un veic impulsa platuma modulāciju (PWM), lai regulētu izejas spriegumu.

■Transformatora magnētisko serdeņu labs izmantošanas koeficients — jauda tiek pārraidīta abos pusciklos. ■Turklāt primārā tinuma izmantošanas koeficients ir labāks nekā push-pull shēmas izmantošanas koeficients.

■Pilna viļņa topoloģijas struktūra, tāpēc izejas pulsācijas frekvence ir divreiz lielāka par transformatora frekvenci.

■ Lauka tranzistoram pievadītais spriegums ir vienāds ar ieejas spriegumu.

10, Pilna tilta

Raksturīgs:

■Visbiežāk izmantotā topoloģijas struktūra lieljaudas pārveidotājiem.

■Slēdži (lauka tranzistori) tiek darbināti diagonālos pāros, un izejas sprieguma regulēšanai tiek veikta impulsa platuma modulācija (PWM).

■Transformatora magnētisko serdeņu labs izmantošanas līmenis — jaudas pārraide abos pusciklos.

■Pilna viļņa topoloģijas struktūra, tāpēc izejas pulsācijas frekvence ir divreiz lielāka par transformatora frekvenci.

■ Lauka tranzistoriem pievadītais spriegums ir vienāds ar ieejas spriegumu.

■ Pie noteiktas jaudas primārā strāva ir puse no pustilta strāvas.

11. SEPIC viengala primārais induktora pārveidotājs (SEPIC)

Raksturīgs:

■ Izejas spriegums var būt lielāks vai mazāks par ieejas spriegumu.

■Tāpat kā pastiprināšanas ķēdē, ieejas strāva ir vienmērīga, bet izejas strāva ir pārtraukta.

■Enerģija tiek pārnesta no ieejas uz izeju caur kondensatoriem.

■Nepieciešami divi induktori.

12. C'uk (Slobodan C'uk patents)

Raksturīgs:

■ Izeja apgrieztā fāzē.

■ Izejas sprieguma amplitūda var būt lielāka vai mazāka par ieejas spriegumu.

■ Gan ieejas, gan izejas strāva ir vienmērīga.

■Enerģija tiek pārnesta no ieejas uz izeju caur kondensatoriem.

■Nepieciešami divi induktori.

■ Induktivitāte var tikt savienota, lai iegūtu nulles pulsācijas induktora strāvu.

13. Ķēdes darbības detaļas

■ Tālāk ir paskaidrota vairāku topoloģijas struktūru darbības informācija:

■Sprieguma regulatorsNepārtraukta vadītspēja, kritiska vadītspēja, pārtraukta vadītspēja.

■Sprieguma regulators (nepārtraukta vadītspēja).

■Transformatora darbība.

■ atgriezeniskā transformatora.

■ Tiešsprieguma transformators.

14. Buka sprieguma regulatora nepārtraukta vadītspēja

Raksturīgs:

■Induktora strāva ir nepārtraukta.

■Vout ir tā ieejas sprieguma (V1) vidējā vērtība.

■Izejas spriegums ir ieejas sprieguma un slēdža slodzes attiecības (D) reizinājums.

■Kad induktors ir savienots, no akumulatora izplūst strāva.

■Kad slēdzis ir izslēgts, caur diodi plūst strāva.

■ Neņemot vērā zudumus slēdžos un induktoros, D nav atkarīgs no slodzes strāvas.

■Sprieguma regulatora un tā atvasinājumu shēmu raksturlielumi ir šādi:

■ Ieejas strāva ir pārtraukta (smalcināšana), izejas strāva ir nepārtraukta (izlīdzināšana).

15. Buka sprieguma regulatora kritiskā vadītspēja

■ Induktora strāva joprojām ir nepārtraukta, bet sasniedz nulli, kad slēdzis tiek atkal ieslēgts, ko sauc par "kritisko vadītspēju". Izejas spriegums joprojām ir vienāds ar ieejas spriegumu, kas reizināts ar D.

16. Buka sprieguma regulatora pārtrauktā vadītspēja

■ Šajā gadījumā strāva induktorā katrā ciklā noteiktu laika periodu ir nulle.

■ Izejas spriegums (vienmēr) paliek v1 vidējā vērtība.

■ Izejas spriegums nav ieejas sprieguma un slēdža slodzes attiecības (D) reizinājums.

■Kad slodzes strāva ir zem kritiskās vērtības, D mainās līdz ar slodzes strāvu (kamēr Vout paliek nemainīgs).

17. Paātrinājuma regulators

■ Izejas spriegums vienmēr ir lielāks (vai vienāds ar) ieejas spriegumu.

■ Nepārtraukta ieejas strāva, pārtraukta izejas strāva (pretēji sprieguma regulatoram).

■ Izejas sprieguma un slodzes attiecības (D) attiecība nav tik vienkārša kā sprieguma regulatorā. Nepārtrauktas vadītspējas gadījumā:

Šajā piemērā Vin = 5, Vout = 15 un D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.

18. Transformatora darbība (ieskaitot primārās induktivitātes lomu)

■ Transformators tiek uzskatīts par ideālu transformatoru, kura primārā (magnetizētā) induktivitāte ir savienota paralēli primārajai induktivitātei.

19. Atpakaļejošais transformators

■ Primārā induktivitāte šeit ir ļoti zema, un to izmanto, lai noteiktu maksimālo strāvu un uzkrāto enerģiju. Kad primārais slēdzis ir izslēgts, enerģija tiek pārnesta uz sekundāro.

20. Uz priekšu vērstā pārveidotāja transformators

■ Primārā induktivitāte ir augsta, jo nav nepieciešams uzkrāt enerģiju.

Magnetizējošā strāva (i1) ieplūst "magnetizējošajā induktorā", izraisot magnētiskā kodola demagnetizāciju (apgriezto spriegumu) pēc primārā slēdža izslēgšanas.

Kopsavilkums

■ Šajā rakstā ir apskatītas visizplatītākās ķēdes topoloģijas strāvas komutācijas režīma jaudas pārveidošanā.

■ Pastāv daudzas citas topoloģiskas struktūras, taču lielākā daļa no tām ir šeit aprakstītās topoloģijas kombinācijas vai variācijas.

■ Katrai topoloģijas struktūrai ir unikāli dizaina kompromisi:

1) Slēdzim pieliktais spriegums

2) Ieejas un izejas strāvu samazināšana un izlīdzināšana

3) Tinuma izmantošanas ātrums

■ Optimālās topoloģijas izvēlei nepieciešami pētījumi par:

1) Ieejas un izejas sprieguma diapazons

2) Strāvas diapazons

3) Izmaksu un veiktspējas, izmēra un svara attiecība