Kako delujejo vezja Buck-Boost

Preizkusite Naš Instrument Za Odpravo Težav





Vsi smo že veliko slišali o dovodnih in povečevalnih vezjih in vemo, da se ta vezja v bistvu uporabljajo v izvedbah SMPS za stopnjevanje ali znižanje določene napetosti na vhodu. Zanimivost te tehnologije je, da omogoča zgoraj navedene funkcije z zanemarljivim ustvarjanjem toplote, kar ima za posledico izjemno učinkovite pretvorbe.

Kaj je Buck-Boost, kako deluje

Naučimo se koncepta v prvem poglavju, ne da bi pri tem vključevali veliko tehničnih podrobnosti, tako da bo lažje razumeti, kaj točno je koncept buck boost, tudi za novince.



Med tremi temeljnimi topologijami, imenovanimi buck, boost in buck-boost, je tretja bolj priljubljena, saj omogoča uporabo obeh funkcij (buck boost) prek ene same konfiguracije samo s spreminjanjem vhodnih impulzov.

V topologiji buck-boost imamo predvsem elektronski preklopni element, ki je lahko v obliki tranzistorja ali MOSFET-a. Ta komponenta se preklopi preko utripajočega signala iz integriranega oscilatorja.



Poleg zgornje preklopne komponente ima vezje kot glavne sestavine še induktor, diodo in kondenzator.

Vsi ti deli so razporejeni v obliki, ki je lahko priča na naslednjem diagramu:

Sklicujoč se na zgornji diagram povečanja dolarja, je MOSFET tisti del, ki sprejema impulze, zaradi česar je prisiljen delovati v dveh pogojih: v stanju ON in OFF.

V stanju vklopa vhodni tok dobi jasno pot skozi MOSFET in se takoj poskuša prebiti skozi induktor, saj je dioda nameščena v obrnjenem pristranskem stanju.

Induktor zaradi svoje inherentne lastnosti poskuša omejiti nenaden vdor toka in v kompenzacijskem odzivu shrani v njem neko količino toka.

Zdaj, ko je MOSFET izklopljen, gre v stanje IZKLOP in blokira prehod vhodnega toka.

Induktor spet ne more obvladati te nenadne spremembe toka z določene magnitude na nič in v odziv, da to kompenzira, prek diode prek izhoda vezja vrne nazaj svoj shranjeni tok.

Pri tem se tok tudi shrani v kondenzator.

Med naslednjim vklopljenim stanju MOSFET-a se cikel ponovi, kot je opisano zgoraj, toda ko ni na voljo toka iz induktorja, kondenzator odvaja shranjeno energijo v izhod, kar pomaga ohranjati stabilnost izhoda do optimizirane stopnje.

Se morda sprašujete, kateri dejavnik odloča o rezultatih BUCK ali BOOST na izhodu? Preprosto je, odvisno je od tega, kako dolgo mora mosfet ostati v stanju ON ali OFF.

S povečanjem časa vklopa MOSFET-ov se vezje začne pretvarjati v pretvornik Boost, medtem ko čas izklopa MOSFET-ov, ki presega čas vklopa, povzroči, da se vezje obnaša kot Buckov pretvornik.

Tako se vhod v MOSFET lahko izvede prek optimiziranega PWM vezja za pridobitev potrebnih prehodov po istem vezju.

Tehnično raziskovanje Buck / Boost topologije v vezjih SMPS:

Kot je razloženo v zgornjem poglavju, so tri temeljne topologije, ki se popularno uporabljajo pri napajalnikih s stikalnim načinom, odmik, povišanje in zvišanje dolarja.

Ti so v bistvu neizolirani, pri katerih ima stopnja vhodne moči skupno osnovo z odsekom izhodne moči. Seveda bi lahko našli tudi osamljene različice, čeprav precej redke.

Zgoraj izražene tri topologije je mogoče ločiti enolično, odvisno od njihovih ekskluzivnih lastnosti. Lastnosti lahko identificiramo kot razmerja pretvorbe napetosti v ustaljenem stanju, naravo vhodnih in izhodnih tokov ter značaj valovanja izhodne napetosti.

Poleg tega je frekvenčni odziv delovnega cikla na izvedbo izhodne napetosti lahko ena od pomembnih lastnosti.

Med zgoraj navedenimi tremi topologijami je najbolj zaželena tokovna napetost, ker omogoča izhodu napetost, manjšo od vhodne napetosti (buck način), in tudi napetosti nad vhodno napetostjo (boost mode).

Vendar pa lahko izhodno napetost dobimo vedno z nasprotno polarnostjo od vhoda, kar ne ustvarja nobenih težav.

Uporabljeni vhodni tok pretvornika za povečanje napetosti je oblika pulzirajočega toka zaradi preklopa pripadajočega stikala za vklop (Q1).

Tu se tok med vsakim impulznim ciklom preklopi z nič na l. Enako velja tudi za izhod in dobimo pulzirajoči tok zaradi pripadajoče diode, ki vodi samo v eno smer, kar povzroči vklop in izklop utripajočega stanja med preklopnim ciklom .

Kondenzator je odgovoren za zagotavljanje kompenzacijskega toka, ko je dioda med preklopnimi cikli v izklopljenem ali obrnjenem stanju.

V tem članku so razložene funkcije stabilnega stanja pretvornika za povečanje napetosti v neprekinjenem in prekinitvenem načinu delovanja s predstavljenimi vzornimi valovnimi oblikami.

Funkcija izmenjave napetosti med obratovalnim ciklom in izhodom je predstavljena po uvedbi zasnove stikala PWM.

Slika 1 poenostavljena shema stopnje povečanja moči z dodanim blokom pogonskega vezja. Stikalo za vklop Q1 je n-kanalni MOSFET. Izhodna dioda je CR1.

Induktor L in kondenzator C predstavljata učinkovito izhodno filtriranje. Kondenzator ESR, RC (enakovredni serijski upor) in enosmerni upor induktorja RL so analizirani v. Upor R ustreza obremenitvi, ki jo določa izhod moči.

Kako delujejo vezja SMPS Buck-Boost

Med rednim delovanjem stopnje za povečanje moči se Q1 nenehno vklaplja in izklaplja s časi vklopa in izklopa, ki jih ureja krmilno vezje.

To preklopno vedenje omogoča verigo impulzov na stičišču Q1, CR1 in L.

Čeprav je induktor L povezan z izhodnim kondenzatorjem C, če samo CR1 izvaja, se vzpostavi uspešen L / C izhodni filter. Očisti zaporedje impulzov, da povzroči enosmerno izhodno napetost.

Analiza stanja dinamičnega ravnovesja Buck-Boost

Stopnja moči lahko deluje pri neprekinjeni ali prekinitveni nastavitvi toka induktorja. Neprekinjen tok induktorskega toka se identificira s tokom, ki je neprekinjeno v induktorju nad preklopnim zaporedjem v stanju dinamičnega ravnovesja.

Način prekinitvenega induktorskega toka se prepozna po tem, ko induktivni tok ostane ničen v odseku preklopnega cikla. Začne se pri nič, se razširi na največjo vrednost in se vrne na nič med vsakim preklopnim vzorcem.

Dve ločeni metodi sta pozneje omenjeni veliko podrobneje in predstavljeni so predlogi modelov za vrednost induktorja, ki vzdržuje izbrani način funkcionalnosti, saj so predstavljene zmožnosti nazivne obremenitve. Za pretvornik je precej ugodno, da je v enem formatu samo v predvidenih okoliščinah delovanja, saj se frekvenčni odziv stopnje moči bistveno spremeni med dvema ločenima tehnikama delovanja.

Pri tej oceni se uporabi n-kanalni napajalni MOSFET in s krmilnega vezja od vrat do izvornih sponk Q1 napaja pozitivna napetost VGS (ON), ki vklopi FET. Prednost uporabe n-kanalnega FET je nižji RDS (vklopljen), vendar je krmilno vezje zapleteno, ker je potreben suspendiran pogon. Za enake dimenzije paketa ima p-kanalni FET višji RDS (vklopljen), kljub temu pa morda ni potreben plavajoči pogonski krog.

Tranzistor Q1 in dioda CR1 sta prikazana znotraj obrisa črtkane črte s sponkami, označenima a, p in c. Temeljito je obravnavano v delu Buck-Boost Power Stage Modeling.

Analiza načina neprekinjenega vodenja Buck-Boost v stanju dinamičnega ravnovesja

V nadaljevanju je opisano povečanje napetosti, ki deluje v stanju dinamičnega ravnovesja v neprekinjeni prevodni metodi. Primarni cilj tega segmenta bi bil predstaviti izpeljavo razmerja napetostne transformacije za stopnjo moči neprekinjenega prevodnega načina povečanja moči.

To bo pomembno, saj označuje način določanja izhodne napetosti glede na delovni cikel in vhodno napetost ali, nasprotno, kako je mogoče določiti delovni cikel glede na vhodno napetost in izhodno napetost.

Stacionarno stanje pomeni, da so vhodna napetost, izhodna napetost, izhodni tok obremenitve in obratovalni cikel konstantni v nasprotju s spreminjanjem. Velike tiskane črke so običajno na voljo na spremenljivih nalepkah, da predlagajo velikost stanja dinamičnega ravnovesja. V neprekinjenem prevodnem načinu pretvornik za povečanje napetosti vzame nekaj stanj na preklopni cikel.

Stanje ON je vsakič, ko je Q1 vklopljen in CR1 izklopljen. Stanje OFF je vsakič, ko je Q1 OFF in CR1 ON. Preprosto linearno vezje bi lahko simboliziralo vsako od obeh stanj, v katerih sta stikali v tokokrogu v vsakem stanju nadomeščeni z ustreznim vezjem. Shema vezij za oba pogoja je predstavljena na sliki 2.

Kako delujejo vezja Buck Boost

Obdobje stanja vklopa je D × TS = TON, v katerem je D obratovalni cikel, določen s pogonskim vezjem, prikazan v obliki razmerja med obdobjem vklopa stikala in obdobjem enega samega polnega preklopnega zaporedja, Ts.

Dolžina stanja OFF je znana kot TOFF. Ker lahko v neprekinjenem prevodnem načinu najdemo le nekaj pogojev na preklopni cikel, je TOFF enak (1-D) × TS. Velikost (1-D) se občasno imenuje D '. Ta obdobja so skupaj z valovnimi oblikami predstavljena na sliki 3.

Če pogledamo sliko 2, v stanju ON ON Q1 nudi zmanjšano upornost RDS (vklopljeno) od odtoka do vira in kaže manjši padec napetosti VDS = IL × RDS (vklopljen).

Poleg tega je majhen padec napetosti na enosmerni upornosti induktorja enak IL × RL.

Tako je vhodna napetost, VI, zmanjšana za primanjkljaje (VDS + IL × RL), prek induktorja vklopljena, L. CR1 je v tem obdobju izklopljen, saj bi bil obrnjen.

Induktorski tok, IL, prehaja iz vhodnega napajanja VI skozi Q1 in na tla. V stanju vklopa je napetost na induktorju konstantna in enaka VI - VDS - IL × RL.

Po normi polarnosti za tok IL, prikazan na sliki 2, se induktivni tok poveča zaradi izvedene napetosti. Poleg tega, ker je uporabljena napetost v osnovi skladna, tok induktorja narašča linearno. To povečanje toka induktorja med TON je prikazano na sliki 3.

Stopnja povečanja toka induktorja se običajno določi z uporabo oblike dobro znane formule:

Formula SMPS Buck-Boost Circuit

Porast toka induktorja med stanjem ON je predstavljen kot:

Ta velikost, ΔIL (+), se imenuje valovit tok induktorja. Nadalje upoštevajte, da skozi ta interval vsak bit toka izhodne obremenitve pride v izhodni kondenzator, C.

Glede na sliko 2, medtem ko je Q1 izklopljen, ponuja povečano impedanco od odtoka do vira.

Ker se tok, ki teče v tulju L, ne more takoj prilagoditi, tok preklopi s Q1 na CR1. Kot rezultat zmanjšanja toka induktorja napetost na induktorju spremeni polarnost, dokler se usmernik CR1 ne spremeni v prednapetost in se vključi.

Napetost, priključena na L, se spremeni v (VO - Vd - IL × RL), v kateri je velikost Vd padec napetosti CR1 naprej. Tok induktorja, IL, v tem trenutku prehaja od izhodne kondenzatorske in obremenitvene upornosti preko CR1 do negativne črte.

Upoštevajte, da poravnava CR1 in pot kroženja toka v induktorju pomeni, da tok, ki teče v skupini izhodnih kondenzatorjev in uporov obremenitve, vodi v VO v minus napetost. V stanju IZKLOP je napetost, priključena na induktor, stabilna in enaka (VO - Vd - IL × RL).

Če ohranimo tudi našo konvencijo o polarnosti, je ta priključena napetost minus (ali obratna polarnost od priključene napetosti v času vklopa), ker je izhodna napetost VO negativna.

Zato se tok induktorja skozi čas izklopa znižuje. Poleg tega, ker je priključena napetost v osnovi enakomerna, se tok induktorja linearno zmanjšuje. To zmanjšanje induktorskega toka med TOFF je opisano na sliki 3.

Zmanjšanje toka induktorja skozi izklopljeno stanje zagotavlja:

To velikost, ΔIL (-), lahko imenujemo valovni tok induktorja. V stabilnih razmerah mora biti trenutni porast ΔIL (+) med časom vklopa in zmanjšanje toka skozi čas izklopa ΔIL (-) enak.

V nasprotnem primeru bi lahko tok induktorja ponudil splošno povečanje ali zmanjšanje iz cikla v cikel, kar ne bi bilo stabilno stanje.

Tako lahko obe enačbi enačimo in izdelamo za VO, da pridobimo neprekinjeno prevodnost v obliki povezave preklopa napetosti za povečanje napetosti:

Določitev za VO:

Poleg nadomestitve TS za TON + TOFF in uporabe D = TON / TS in (1-D) = TOFF / TS je enačba v stanju dinamičnega ravnovesja za VO:

Upoštevajte, da naj bi bil TON + TOFF pri poenostavitvi zgoraj podoben TS. To je lahko resnično samo za način neprekinjenega vodenja, kot bomo odkrili pri ocenjevanju prekinitvenega načina prevodnosti. Na tej točki bi bilo treba opraviti bistven pregled:

Pritrditev obeh vrednosti ΔIL med seboj je popolnoma enaka izravnavi volt-sekund na induktorju. Volt-sekunde, uporabljene na induktorju, so zmnožek uporabljene napetosti in obdobja, za katero je napetost uporabljena.

To je lahko najučinkovitejši način za oceno neznanih velikosti, na primer VO ali D glede na skupne parametre vezja, in ta pristop se bo v tem članku pogosto uporabljal. Stabiliziranje volt-sekunde na induktorju je naravna zahteva in bi ga morali vsaj dodatno razumeti kot Ohmov zakon.

V zgornjih enačbah za ΔIL (+) in ΔIL (-) naj bi bila izhodna napetost v času vklopa in izklopa implicitno konsistentna brez kakršne koli izmenične napetosti valovanja.

To je sprejeta poenostavitev in vključuje nekaj posameznih rezultatov. Najprej naj bi bil izhodni kondenzator dovolj velik, da je njegova pretvorba napetosti minimalna.

Drugič, napetost kondenzatorja ESR se poleg tega šteje za minimalno. Takšne predpostavke so upravičene, saj bo napetost izmeničnega valovanja zagotovo bistveno nižja od enosmernega dela izhodne napetosti.

Zgornja sprememba napetosti za VO dokazuje resnico, da bi se lahko VO prilagodilo s fino nastavitvijo delovnega cikla, D.

Ta povezava se približuje ničli, ko se D približa ničli in naraste, ne da bi ji bilo namenjeno, ko se D približa 1. Tipična poenostavitev meni, da so VDS, Vd in RL dovolj majhni, da jih lahko zanemarimo. Z določitvijo vrednosti VDS, Vd in RL na nič zgornja formula opazno poenostavi na:

Manj zapletena, kakovostna metoda za predstavitev delovanja vezja bi bila razmišljanje o induktorju kot delu za shranjevanje moči. Vsakič, ko je Q1 vklopljen, se energija prelije preko induktorja.

Medtem ko je Q1 izklopljen, induktor dovaja nazaj del svoje energije v izhodni kondenzator in obremenitev. Izhodna napetost se regulira z določitvijo časa Q1. Na primer, s povečanjem časa Q1 v času, se količina moči, poslane na induktor, poveča.

Dodatna energija se nato pošlje na izhod v času izklopa Q1, kar povzroči povečanje izhodne napetosti. V nasprotju s stopnjo moči tipična velikost toka induktorja ni enaka izhodnemu toku.

Če želite induktorski tok povezati z izhodnim tokom, glejte sliki 2 in 3, upoštevajte, da je tok induktorja na izhodu izključen, medtem ko je v izklopljenem stanju stopnje moči.

Ta tok, povprečen v celotnem zaporedju preklopov, je enak izhodnemu toku, saj bi moral biti približni tok v izhodnem kondenzatorju enak nič.

Povezavo med povprečnim tokom induktorja in izhodnim tokom za neprekinjeno napetostno napetostno stopnjo zagotavlja:

Drugo pomembno stališče je dejstvo, da je tipični tok induktorja sorazmeren z izhodnim tokom, in ker valovni tok induktorja ΔIL ni povezan s tokom izhodne obremenitve, minimalne in najvišje vrednosti toka induktorja natančno sledijo povprečnemu toku induktorja.

Na primer, če se povprečni tok induktorja zmanjša za 2A zaradi zmanjšanja toka obremenitve, se v tem primeru najnižje in najvišje vrednosti toka induktorja zmanjšajo za 2A (ob upoštevanju ohranjenega načina neprekinjene prevodnosti).

Prejšnja ocena je bila za funkcijo stopnje povečanja moči v neprekinjenem načinu induktivnega toka. Naslednji segment je razlaga funkcionalnosti ustaljenega stanja v načinu neprekinjenega vodenja. Primarni rezultat je izpeljava razmerja pretvorbe napetosti za stopnjo neprekinjenega prevodnega načina za povečanje moči.

Vrednotenje Buck-Boost stanja dinamičnega ustaljenega prevajanja

Na tej točki preučujemo, kaj se zgodi, ko se tok obremenitve zmanjša in se način vodenja iz neprekinjenega spremeni v prekinitveni.

Ne pozabite, da pri neprekinjenem prevodnem načinu povprečni tok induktorja sledi izhodnemu toku, tj. V primeru, da se izhodni tok zmanjša, bo v tem primeru povprečni tok induktorja tudi.

Poleg tega najnižji in najvišji vrh induktorskega toka natančno zasledujeta povprečni induktorski tok. V primeru, da se izhodni tok obremenitve zmanjša pod osnovno stopnjo toka, bi bil tok induktorja za del preklopnega zaporedja enak nič.

To bi bilo razvidno iz valovnih oblik, prikazanih na sliki 3, ker se najvišja do najvišja stopnja valovitega toka ne more spremeniti s tokom izhodne obremenitve.

Če poskuša indukcijski tok v stopnji močnostne napetosti spodbuditi, se ustavi na ničli (zaradi enosmernega gibanja toka v CR1) in tam nadaljuje do začetka naslednjega preklopnega delovanja. Ta način dela je znan kot prekinitveni način vodenja.

Močnostna stopnja delovanja dovodnega ojačevalnega vezja v prekinitveni obliki prevodnosti ima v vsakem preklopnem ciklusu tri različna stanja v nasprotju z dvema stanjem za zvezno obliko prevodnosti.

Trenutno stanje induktorja, v katerem je stopnja moči na obrobju med neprekinjeno in prekinjeno nastavitvijo, je prikazano na sliki 4.

Pri tem se tok induktorja preprosto zruši na nič, medtem ko se naslednji preklopni cikel začne takoj, ko tok doseže nič. Upoštevajte, da sta vrednosti IO in IO (Crit) prikazani na sliki 4, saj IO in IL vključujeta nasprotujoči si polariteti.

Dalje znižanje izhodnega toka obremenitve postavi stopnjo moči v neprekinjen prevodni vzorec. Ta pogoj je prikazan na sliki 5.

Frekvenčni odziv močnostne stopnje prekinjenega načina se precej razlikuje od frekvenčnega odziva neprekinjenega načina, ki je predstavljen v segmentu Buck-Boost Power Stage Modeling. Poleg tega je vhodno-izhodna povezava precej raznolika, kot je predstavljeno v tej strani:

Če želite začeti izhajati iz razmerja preklopa napetosti stopnje napetosti stopnje povečanja napetosti v načinu prekinitvenega vodenja, se spomnite, da imate tri značilna stanja, ki jih pretvornik upošteva prek funkcionalnosti prekinjenega načina prevodnosti.

V stanju ON je, ko je Q1 vklopljen, CR1 pa izklopljen. Izklopljeno stanje je, ko je Q1 izklopljen in CR1 vklopljen. Pogoj v prostem teku je, ko sta vsa Q1 in CR1 izklopljena. Začetna dva pogoja sta zelo podobna stanju v neprekinjenem načinu in tokokrogi na sliki 2 so pomembni, razen tistega TOFF ≠ (1-D) × TS. Preostanek preklopnega zaporedja je stanje IDLE.

Poleg tega naj bi bili enosmerni upor izhodnega induktorja, padec napetosti izhodne diode naprej in padec napetosti v stanju močnostnega MOSFET-a običajno dovolj majhni, da bi ga lahko spregledali.

Časovno obdobje stanja ON je TON = D × TS, kjer je D obratovalni cikel, določen s krmilnim krogom, označen kot razmerje med časom vklopa in časom enega celotnega zaporedja vklopa, Ts. Dolžina stanja OFF je TOFF = D2 × TS. Obdobje IDLE je preostali preklopni vzorec, ki je predstavljen kot TS - TON - TOFF = D3 × TS. Ta obdobja so prikazana z valovnimi oblikami na sliki 6.

Brez preverjanja izčrpnega opisa so spodaj naštete enačbe vzpona in padca toka induktorja. Povišanje toka induktorja v stanju vklopa izda:

Količina valovitega toka, ΔIL (+), je prav tako najvišji induktorski tok, Ipk, saj se v neprekinjenem načinu tok začne pri 0. Vsak cikel zmanjša tok toka induktorja v stanju izklopa:

Tako kot v primeru neprekinjenega načina prevodnosti je tudi naraščanje toka ΔIL (+) med časom vklopa in zmanjšanje toka v času izklopa ΔIL (-) enako. Tako bi lahko obe enačbi izenačili in naslovili na VO, da pridobi začetnico dveh enačb, ki jih je treba uporabiti za reševanje razmerja pretvorbe napetosti:

Nato določimo izhodni tok (izhodna napetost VO deljena z izhodno obremenitvijo R). To je povprečje v enem preklopnem zaporedju toka induktorja v tistem času, ko CR1 postane prevoden (D2 × TS).

Tu zamenjajte povezavo za IPK (ΔIL (+)) v zgornjo enačbo, da pridobite:

Zato imamo dve enačbi, eno za pravkar izpeljani izhodni tok (VO, deljeno z R) in tisto za izhodno napetost, obe glede na VI, D in D2. Na tej točki razvozlamo vsako formulo za D2 in popravimo obe enačbi na enak način.

Z uporabo dobljene enačbe lahko dobimo ponazoritev izhodne napetosti VO. Prekinjen prevodni način napetosti za povečanje napetosti piše:

Zgornja povezava prikazuje eno glavnih razlik med obema načinoma prevodnosti. Pri prekinitvenem prevodnem načinu je razmerje spremembe napetosti funkcija vhodne napetosti, delovnega cikla, induktivnosti stopnje moči, preklopne frekvence in odpornosti izhodne obremenitve.

V neprekinjenem prevodnem načinu na preklop napetosti vpliva le vhodna napetost in delovni cikel. V tradicionalnih aplikacijah se stopnja povečevalne moči izvaja na izbiro med neprekinjenim ali neprekinjenim načinom prevodnosti. Za določeno uporabo je izbran en način prevodnosti, medtem ko je bila stopnja moči narejena tako, da ohranja enak način.




Prejšnja: Vadnica PIC - Od registrov do prekinitev Naprej: Avtomatsko vezje za zasilne luči IC 555