Spjega t-topoloġija tal-provvista tal-enerġija fil-modalità swiċċ f'artiklu wieħed

It-topoloġija taċ-ċirkwit tirreferi għall-konnessjoni bejn apparati tal-enerġija u komponenti elettromanjetiċi f'ċirkwit, filwaqt li d-disinn ta' komponenti manjetiċi, ċirkwiti ta' kumpensazzjoni b'ċirkwit magħluq, u l-komponenti l-oħra kollha taċ-ċirkwit jiddependi mit-topoloġija. L-aktar topoloġiji bażiċi huma Buck, Boost, u Buck/Boost, flyback b'tarf wieħed (flyback iżolat), forward, push-pull, half bridge, u konvertituri full bridge. Hemm madwar 14-il topoloġija komuni għal provvisti tal-enerġija switch mode, kull waħda bil-karatteristiċi u x-xenarji applikabbli tagħha. Il-prinċipju tal-għażla jiddependi fuq jekk hijiex ta' qawwa għolja jew baxxa, output ta' vultaġġ għoli jew output ta' vultaġġ baxx, u jekk teħtieġx l-inqas komponenti possibbli. Huwa importanti ħafna li tagħżel topoloġija b'mod xieraq u tkun familjari mal-vantaġġi, l-iżvantaġġi, u l-applikabbiltà ta' diversi topoloġiji. Għażliet żbaljati inevitabbilment iwasslu għall-falliment tad-disinn tal-provvista tal-enerġija mill-bidu.

F'dan l-artikolu, se nidħlu fil-fond fit-topoloġiji step-down, step-up, u step-down step-up minn perspettivi differenti.

Konvertitur Buck

Figura 1 hija dijagramma skematika ta' konvertitur buck asinkronu. Il-konvertitur buck inaqqas il-vultaġġ tad-dħul tiegħu għal vultaġġ tal-ħruġ aktar baxx. Meta s-swiċċ Q1 jinxtegħel, l-enerġija tiġi trasferita għat-terminal tal-ħruġ.

Figura 1: Dijagramma skematika ta' konvertitur buck asinkronu

Il-Formula 1 tikkalkula ċ-ċiklu tad-dazju:

Il-Formula 2 tikkalkula l-istress massimu ta' transistor tal-effett tal-kamp tas-semikonduttur tal-ossidu tal-metall (MOSFET):

Il-Formula 3 tipprovdi l-istress massimu tad-dijodi:

Vin huwa l-vultaġġ tad-dħul, Vout huwa l-vultaġġ tal-ħruġ, u Vf huwa l-vultaġġ 'il quddiem tad-dijodu.

Meta mqabbla mar-regolaturi lineari jew ir-regolaturi b'tnaqqis baxx fil-vultaġġ (LDOs), iktar ma tkun kbira d-differenza bejn il-vultaġġ tad-dħul u l-vultaġġ tal-ħruġ, iktar tkun għolja l-effiċjenza tal-konvertitur buck.

Għalkemm il-konvertitur buck għandu kurrent tal-polz fl-input, il-kurrent tal-output huwa kontinwu minħabba l-preżenza ta' filtru tal-kapaċitatur tal-induttur (LC) fl-output tal-konvertitur. B'riżultat ta' dan, ir-ripple tal-vultaġġ rifless fit-terminal tal-input se jkun akbar meta mqabbel mar-ripple fit-terminal tal-output.

Għal konvertituri buck b'ċikli ta' xogħol żgħar u kurrenti tal-ħruġ akbar minn 3A, huwa rakkomandat li jintużaw rettifikaturi sinkroniċi. Jekk il-provvista tal-enerġija tiegħek teħtieġ kurrent tal-ħruġ akbar minn 30A, huwa rakkomandat li jintużaw stadji tal-enerġija b'ħafna fażijiet jew interleaved, peress li dan jista' jimminimizza l-istress tal-komponent, iqassam is-sħana ġġenerata bejn stadji tal-enerġija multipli, u jnaqqas ir-ripple tar-riflessjoni fl-input tal-konvertitur.

Meta jintuża N-FET, iċ-ċiklu tad-dazju huwa limitat għaliex il-kapaċitatur tal-bootstrap jeħtieġ li jiġi ċċarġjat mill-ġdid f'kull ċiklu ta' swiċċjar. F'dan il-każ, iċ-ċiklu tad-dazju massimu huwa fil-medda ta' 95-99%.

Il-konvertituri Buck tipikament ikollhom karatteristiċi dinamiċi tajbin għax għandhom struttura ta' topoloġija 'l quddiem. Il-bandwidth li tista' tinkiseb tiddependi fuq il-kwalità tal-amplifikatur tal-iżball u l-frekwenza tal-iswiċċjar magħżula.

Il-Figuri 2 sa 7 juru l-forom tal-mewġ tal-vultaġġ u l-kurrent tal-FET, id-dijodu, u l-induttur fil-modalità ta' konduzzjoni kontinwa (CCM) f'konvertituri buck asinkroni.

Konvertitur tal-ispinta

Il-konvertitur boost iżid il-vultaġġ tad-dħul tiegħu għal vultaġġ tal-ħruġ akbar. Meta s-swiċċ Q1 ma jkunx konduttiv, l-enerġija tiġi trasferita lit-terminal tal-ħruġ. Il-Figura 8 hija dijagramma skematika ta' konvertitur boost asinkroniku.

Figura 8: Dijagramma skematika ta' konvertitur boost asinkroniku

Il-Formula 4 tikkalkula ċ-ċiklu tad-dazju:

Il-Formula 5 tikkalkula l-istress massimu tal-MOSFET:

Il-Formula 6 tipprovdi l-istress massimu tad-dijodi:

Vin huwa l-vultaġġ tad-dħul, Vout huwa l-vultaġġ tal-ħruġ, u Vf huwa l-vultaġġ 'il quddiem tad-dijodu.

Bl-użu ta' konvertitur boost, il-kurrent tal-ħruġ tal-polz jista' jidher, billi l-filtru LC jinsab fit-tarf tad-dħul. Għalhekk, il-kurrent tad-dħul huwa kontinwu, u r-ripple tal-vultaġġ tal-ħruġ huwa akbar mir-ripple tal-vultaġġ tad-dħul.

Meta tfassal konvertitur boost, huwa importanti li tkun taf li se jkun hemm konnessjoni permanenti mill-input għall-output anke jekk il-konvertitur ma jkunx qed jaqleb. Għandhom jittieħdu miżuri preventivi biex jiġu evitati avvenimenti potenzjali ta' short circuit fit-tarf tal-output.

Għal kurrenti tal-ħruġ akbar minn 4A, għandhom jintużaw rettifikaturi sinkroniċi biex jissostitwixxu d-dijodi. Jekk il-provvista tal-enerġija teħtieġ li tipprovdi kurrent tal-ħruġ akbar minn 10A, huwa rakkomandat ħafna li jintużaw metodi ta' stadju tal-enerġija b'ħafna fażijiet jew interleaved.

Meta jopera fil-modalità CCM, il-karatteristiċi dinamiċi tal-konvertitur boost huma limitati minħabba l-punt żero tan-nofs pjan tal-lemin (RHPZ) tal-funzjoni tat-trasferiment tiegħu. Minħabba l-inkapaċità tal-RHPZ li jikkumpensa, il-bandwidth li tista' tinkiseb tipikament tkun inqas minn wieħed minn ħamsa sa wieħed minn għaxra tal-frekwenza RHPZ.

Jekk jogħġbok irreferi għall-formula 7:

Fost dawn, Vout huwa l-vultaġġ tal-ħruġ, D huwa ċ-ċiklu tad-dazju, Iout huwa l-kurrent tal-ħruġ, u L1 hija l-induttanza tal-konvertitur boost.

Il-Figuri 9 sa 14 juru l-forom tal-mewġ tal-vultaġġ u l-kurrent tal-FET, id-dijodu, u l-induttur fil-modalità CCM f'konvertituri boost asinkroniċi.

Konvertitur Buck boost

Konvertitur buck boost huwa taħlita ta' stadji ta' qawwa buck u boost li jaqsmu l-istess induttur.

Irreferi għall-Figura 15.

Figura 15: Dijagramma skematika ta' konvertitur buck boost b'swiċċ doppju

It-topoloġija buck boost hija prattika ħafna għaliex il-vultaġġ tad-dħul jista' jkun iżgħar, akbar, jew l-istess bħall-vultaġġ tal-ħruġ, u teħtieġ qawwa tal-ħruġ akbar minn 50W.

Għal qawwa tal-ħruġ inqas minn 50W, konvertitur ta' induttur primarju b'tarf wieħed (SEPIC) huwa għażla aktar kosteffettiva peress li juża inqas komponenti.

Meta l-vultaġġ tad-dħul ikun akbar mill-vultaġġ tal-ħruġ, il-konvertitur buck boost jopera fil-modalità buck; Meta l-vultaġġ tad-dħul ikun inqas mill-vultaġġ tal-ħruġ, jopera fil-modalità boost. Meta konvertitur jopera fir-reġjun tat-trażmissjoni fejn il-vultaġġ tad-dħul ikun fil-medda tal-vultaġġ tal-ħruġ, hemm żewġ kunċetti biex jiġu mmaniġġjati dawn is-sitwazzjonijiet: jew l-istadji buck u boost ikunu attivi simultanjament, jew iċ-ċiklu tal-iswiċċjar jalterna bejn l-istadji buck u boost, kull wieħed tipikament jopera b'nofs il-frekwenza normali tal-iswiċċjar. It-tieni kunċett jista' jikkawża storbju subarmoniku fil-ħruġ, u meta mqabbel ma' operazzjonijiet konvenzjonali buck jew boost, il-preċiżjoni tal-vultaġġ tal-ħruġ tista' ma tkunx daqshekk preċiża, iżda meta mqabbel mal-ewwel kunċett, il-konvertitur ikun aktar effiċjenti.

It-topoloġija buck boost għandha kurrenti tal-polz kemm fit-truf tad-dħul kif ukoll tal-ħruġ għaliex m'hemm l-ebda filtru LC fl-ebda direzzjoni.

Għal konvertituri buck boost, l-istadji tal-qawwa buck u boost jistgħu jintużaw separatament għall-kalkolu.

Il-konvertitur buck boost b'żewġ swiċċijiet huwa adattat għal firxa ta' qawwa bejn 50W u 100W (bħal LM5118), u l-qawwa tar-rettifika sinkronika tista' tilħaq 400W (l-istess bħal LM5175). Huwa rakkomandat li jintuża rettifikatur sinkroniku bl-istess limitazzjoni tal-kurrent bħall-istadji tal-qawwa buck u boost mhux konjugati.

Jeħtieġ li tiddisinja netwerk ta' kumpens għall-konvertitur buck boost għall-istadju boost, peress li RHPZ se jillimita l-bandwidth tar-regolatur.

Strutturi topoloġiċi bażiċi komuni

■ Tnaqqis fil-vultaġġ Buck

■ Spinta Spinta

■Boost għat-tnaqqis tal-vultaġġ Buck Boost

■Flyback Flyback

■ 'Il Quddiem 'il Quddiem

■ Żewġ Transformer 'il Quddiem transistor doppju 'l quddiem

■Imbotta Iġbed

■Nofs Pont Nofs Pont

■Pont Sħiħ

■ SEPIC

■ Ċuk

1. Forma ta' mewġa bażika tal-modulazzjoni tal-wisa' tal-polz

Dawn l-istrutturi topoloġiċi huma kollha relatati maċ-ċirkwiti tal-modalità swiċċ, u l-forma bażika tal-mewġa tal-modulazzjoni tal-wisa' tal-polz hija definita kif ġej:

2、Buck

Karatteristika:

■Naqqas l-input għal vultaġġ aktar baxx.

■Jista' jkun l-aktar ċirkwit sempliċi.

■ Il-filtru tal-induttur/kapaċitatur jiċċattja l-mewġa kwadra wara l-iswiċċjar.

■L-output huwa dejjem inqas minn jew ugwali għall-input.

■ Il-kurrent tad-dħul huwa diskontinwu (qtugħ).

Kurrent tal-ħruġ bla xkiel.

3、Spinta

Karatteristika:

■ Żid l-input għal vultaġġ ogħla.

■ Simili għat-tnaqqis tal-vultaġġ, iżda b'indutturi, swiċċijiet u dijodi rranġati mill-ġdid.

■ L-output huwa dejjem akbar minn jew ugwali għall-input (jekk jiġi injorat it-tnaqqis fil-vultaġġ 'il quddiem tad-dijodu).

■ Kurrent tad-dħul bla xkiel.

■ Kurrent tal-ħruġ mhux kontinwu (tqattigħ).

4、Buck-Boost

Karatteristika:

■ Metodu ieħor ta' arranġament għal indutturi, swiċċijiet, u dijodi.

■Tgħaqqad l-iżvantaġġi kemm taċ-ċirkwiti step-down kif ukoll ta' dawk step-up.

■ Il-kurrent tad-dħul huwa diskontinwu (qtugħ).

■ Il-kurrent tal-ħruġ huwa wkoll mhux kontinwu (tqattigħ).

■ L-output huwa dejjem oppost għall-input (innota l-polarità tal-kapaċitatur), iżda l-amplitudni tista' tkun iżgħar jew akbar mill-input.

■ Il-konvertitur "flyback" fil-fatt huwa fil-forma ta' iżolament taċ-ċirkwit step-down step-up (akkoppjar tat-transformer).

5、Flyback

Karatteristika:

■ Jaħdem bħal ċirkwit buck boost, iżda l-induttur għandu żewġ koljaturi li jaġixxu kemm bħala transformer kif ukoll bħala induttur.

■ L-output jista' jkun pożittiv jew negattiv, determinat mill-polarità tal-kolja u d-dijodu.

■ Il-vultaġġ tal-ħruġ jista' jkun akbar jew inqas mill-vultaġġ tad-dħul, determinat mill-proporzjon tad-dawriet tat-transformer.

■Din hija l-aktar struttura ta' topoloġija iżolata sempliċi.

■Iż-żieda ta' koljaturi u ċirkwiti sekondarji tista' tirriżulta f'outputs multipli.

6、'il Quddiem

Karatteristika:

■ Il-forma tal-akkoppjar tat-trasformatur taċ-ċirkwit step-down.

■ Kurrent tad-dħul mhux kontinwu, kurrent tal-ħruġ bla xkiel.

■Minħabba l-użu ta' transformers, l-output jista' jkun akbar jew inqas mill-input, u jista' jkun ta' kwalunkwe polarità.

■Iż-żieda ta' koljaturi sekondarji u ċirkwiti tista' tikseb outputs multipli.

■ Il-qalba tat-transformer trid tiġi demagnetizzata matul kull ċiklu ta' swiċċjar. Il-prattika komuni hija li żżid koljatura bl-istess numru ta' dawriet bħall-koljatura primarja.

■ L-enerġija maħżuna fl-induttur primarju matul il-fażi tax-xgħil tiġi rilaxxata permezz ta' koljaturi u dijodi addizzjonali matul il-fażi tat-tfi.

7、Żewġ Transistors 'il Quddiem

Karatteristika:

■Żewġ swiċċijiet jaħdmu simultanjament.

■ Meta s-swiċċ jiġi skonnettjat, l-enerġija maħżuna fit-transformer taqleb il-polarità tal-primarja, u b'hekk id-dijodu jikkonduċi.

Vantaġġi ewlenin:

■ Il-vultaġġ fuq kull swiċċ qatt ma jaqbeż il-vultaġġ tad-dħul.

■ M'hemmx bżonn li tirrisettja l-binarju tal-istralċ.

8、Imbotta-Iġbed

Karatteristika:

■ Is-swiċċ (FET) imexxi fażijiet differenti u jwettaq modulazzjoni tal-wisa' tal-polz (PWM) biex jirregola l-vultaġġ tal-ħruġ.

■ Rata tajba ta' utilizzazzjoni tal-qlub manjetiċi tat-trasformaturi - trasmissjoni tal-qawwa fiż-żewġ nofs ċikli.

■ Struttura ta' topoloġija ta' mewġa sħiħa, għalhekk il-frekwenza tat-tmewwiġ tal-ħruġ hija d-doppju tal-frekwenza tat-transformer.

■ Il-vultaġġ applikat għall-FET huwa d-doppju tal-vultaġġ tad-dħul.

9、Nofs Pont

Karatteristika:

■Struttura ta' topoloġija użata komunement f'konvertituri ta' qawwa għolja.

■ Is-swiċċ (FET) imexxi fażijiet differenti u jwettaq modulazzjoni tal-wisa' tal-polz (PWM) biex jirregola l-vultaġġ tal-ħruġ.

■ Rata tajba ta' utilizzazzjoni tal-qlub manjetiċi tat-trasformaturi - trasmissjoni tal-qawwa fiż-żewġ nofs ċikli. ■ Barra minn hekk, ir-rata ta' utilizzazzjoni tal-istralċ primarju hija aħjar minn dik taċ-ċirkwit push-pull.

■ Struttura ta' topoloġija ta' mewġa sħiħa, għalhekk il-frekwenza tat-tmewwiġ tal-ħruġ hija d-doppju tal-frekwenza tat-transformer.

■ Il-vultaġġ applikat għall-FET huwa ugwali għall-vultaġġ tad-dħul.

10, Pont sħiħ

Karatteristika:

■L-istruttura tat-topoloġija l-aktar użata komunement għal konvertituri ta' qawwa għolja.

■Is-swiċċijiet (FETs) jitħaddmu f'pari djagonali u l-modulazzjoni tal-wisa' tal-polz (PWM) titwettaq biex tirregola l-vultaġġ tal-ħruġ.

■ Rata tajba ta' utilizzazzjoni tal-qlub manjetiċi tat-trasformaturi - trasmissjoni tal-qawwa fiż-żewġ nofs ċikli.

■ Struttura ta' topoloġija ta' mewġa sħiħa, għalhekk il-frekwenza tat-tmewwiġ tal-ħruġ hija d-doppju tal-frekwenza tat-transformer.

■ Il-vultaġġ applikat għall-FETs huwa ugwali għall-vultaġġ tad-dħul.

■ B'qawwa partikolari, il-kurrent primarju huwa nofs dak tan-nofs pont.

11. Konvertitur ta' induttur primarju b'tarf wieħed SEPIC (SEPIC)

Karatteristika:

■ Il-vultaġġ tal-ħruġ jista' jkun akbar jew inqas mill-vultaġġ tad-dħul.

■ Bħal ċirkwit ta' spinta, il-kurrent tad-dħul huwa bla xkiel, iżda l-kurrent tal-ħruġ huwa mhux kontinwu.

■L-enerġija tiġi trażmessa mill-input għall-output permezz ta' capacitors.

■ Huma meħtieġa żewġ indutturi.

12、C'uk (brevett Slobodan C'uk)

Karatteristika:

■Output f'fażi inversa.

■ L-amplitudni tal-vultaġġ tal-ħruġ tista' tkun akbar jew inqas mill-input.

■ Il-kurrent tad-dħul u l-kurrent tal-ħruġ huma t-tnejn bla xkiel.

■L-enerġija tiġi trażmessa mill-input għall-output permezz ta' capacitors.

■ Huma meħtieġa żewġ indutturi.

■ L-induttanza tista' tiġi akkoppjata biex tikseb kurrent ta' induttur ta' żero ripple.

13. Dettalji tal-Operazzjoni taċ-Ċirkwit

■ Dan li ġej jispjega d-dettalji tax-xogħol ta' diversi strutturi tat-topoloġija:

■ Regolatur tal-vultaġġ: konduzzjoni kontinwa, konduzzjoni kritika, konduzzjoni mhux kontinwa.

■ Regolatur tal-ispinta (konduzzjoni kontinwa).

■Tħaddim tat-trasformatur.

■ trasformatur flyback.

■ Trasformatur 'il quddiem.

14. Regolatur tal-vultaġġ Buck b'konduttività kontinwa

Karatteristika:

■ Il-kurrent tal-induttur huwa kontinwu.

■Vout hija l-medja tal-vultaġġ tad-dħul tagħha (V1).

■ Il-vultaġġ tal-ħruġ huwa l-prodott tal-vultaġġ tad-dħul u l-proporzjon tat-tagħbija tas-swiċċ (D).

■ Meta jkun imqabbad, il-kurrent tal-induttur joħroġ mill-batterija.

■ Meta s-swiċċ jintefa, il-kurrent jgħaddi mid-dijodu.

■Jekk jiġu traskurati t-telf fis-swiċċijiet u l-indutturi, D huwa indipendenti mill-kurrent tat-tagħbija.

■ Il-karatteristiċi tar-regolatur tal-vultaġġ u ċ-ċirkwiti derivattivi tiegħu huma:

■ Kurrent tad-dħul mhux kontinwu (tqattigħ), kurrent tal-ħruġ kontinwu (twittija).

15. Regolatur tal-vultaġġ Buck b'konduttività kritika

■ Il-kurrent tal-induttur għadu kontinwu, iżda jilħaq iż-żero meta s-swiċċ jerġa' jinxtegħel, u dan jissejjaħ "konduzzjoni kritika". Il-vultaġġ tal-ħruġ għadu ugwali għall-vultaġġ tad-dħul immultiplikat b'D.

16. Regolatur tal-vultaġġ Buck b'konduzzjoni mhux kontinwa

■ F'dan il-każ, il-kurrent fl-induttur huwa żero għal perjodu ta' żmien f'kull ċiklu.

■ Il-vultaġġ tal-ħruġ jibqa' (dejjem) il-valur medju ta' v1.

■ Il-vultaġġ tal-ħruġ mhuwiex il-prodott tal-vultaġġ tad-dħul u l-proporzjon tat-tagħbija tas-swiċċ (D).

■ Meta l-kurrent tat-tagħbija jkun taħt il-valur kritiku, D jinbidel mal-kurrent tat-tagħbija (filwaqt li Vout jibqa' kostanti).

17. Regolatur tal-ispinta

■ Il-vultaġġ tal-ħruġ huwa dejjem akbar minn (jew ugwali għal) il-vultaġġ tad-dħul.

■ Kurrent kontinwu tad-dħul, kurrent mhux kontinwu tal-ħruġ (oppost għar-regolatur tal-vultaġġ).

■ Ir-relazzjoni bejn il-vultaġġ tal-ħruġ u l-proporzjon tat-tagħbija (D) mhijiex sempliċi daqs f'regolatur tal-vultaġġ. Fil-każ ta' konduttività kontinwa:

F'dan l-eżempju, Vin = 5, Vout = 15, u D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.

18. Tħaddim tat-trasformatur (inkluż ir-rwol tal-induttanza primarja)

■ Transformer huwa kkunsidrat bħala transformer ideali, bl-induttanza primarja (manjetizzata) tiegħu konnessa b'mod parallel mal-primarja.

19. Trasformatur Flyback

■ L-induttanza primarja hawnhekk hija baxxa ħafna, użata biex tiddetermina l-ogħla kurrent u l-enerġija maħżuna. Meta s-swiċċ primarju jintefa, l-enerġija tiġi trasferita għas-sekondarja.

20. Trasformatur tal-konvertitur 'il quddiem

■ L-induttanza primarja hija għolja għaliex m'hemmx bżonn li tinħażen l-enerġija.

Il-kurrent tal-manjetizzazzjoni (i1) jiċċirkola fl-"induttur tal-manjetizzazzjoni", u jikkawża li l-qalba manjetika tiddemagnetizza (vultaġġ invers) wara li s-swiċċ primarju jintefa.

Sommarju

■ Dan l-artiklu jirrevedi l-aktar topoloġiji taċ-ċirkwiti komuni fil-konverżjoni tal-enerġija tal-modalità swiċċ tal-kurrent.

■ Hemm ħafna strutturi topoloġiċi oħra, iżda ħafna minnhom huma kombinazzjonijiet jew varjazzjonijiet tat-topoloġija deskritta hawn.

■ Kull struttura tat-topoloġija fiha kompromessi uniċi tad-disinn:

1) Vultaġġ applikat lis-swiċċ

2) Tqattigħ u twittija tal-kurrenti tad-dħul u tal-ħruġ

3) Rata ta' utilizzazzjoni tal-istralċ

■ L-għażla tat-topoloġija ottimali teħtieġ riċerka dwar:

1) Firxa tal-vultaġġ tad-dħul u tal-ħruġ

2) Firxa tal-kurrent

3) Il-proporzjon bejn l-ispiża u l-prestazzjoni, id-daqs u l-piż