Jak fungují převaděče Boost

Jak fungují převaděče Boost
Zesilovač (také nazývaný zesilovač) je obvod převodníku DC na DC, který je navržen pro převod vstupního stejnosměrného napětí na výstupní stejnosměrné napětí s úrovní, která může být mnohem vyšší než úroveň vstupního napětí.

Proces však vždy zachovává vztah P = I x V, což znamená, že jak výstup převodníku zvyšuje vstupní napětí, výstup proporcionálně prochází redukcí proudu, což způsobuje, že výstupní výkon je téměř vždy stejný jako vstup výkon nebo menší než vstupní výkon.

Jak funguje Boost Converter

Zesilovač je druh SMPS nebo spínaného napájecího zdroje, který v zásadě pracuje se dvěma aktivními polovodiči (tranzistor a dioda) as minimálně jednou pasivní složkou ve formě kondenzátoru nebo induktoru nebo obou pro vyšší účinnost.

Induktor se zde v zásadě používá ke zvyšování napětí a kondenzátor se zavádí pro filtrování výkyvů spínání a pro snižování vln proudu na výstupu převodníku.

Vstupní napájecí zdroj, který může být vyžadován pro zvýšení nebo zvýšení, lze získat z jakéhokoli vhodného stejnosměrného zdroje, jako jsou baterie, solární panely, motorové generátory atd.
Princip fungování

Induktor v zesilovači převodu hraje důležitou roli při zvyšování vstupního napětí.

Rozhodujícím aspektem, který se stává odpovědným za aktivaci boostovacího napětí z induktoru, je jeho inherentní vlastnost odolávat nebo bránit náhle indukovanému proudu přes něj a díky své reakci na to vytvořením magnetického pole a následným zničením magnetického pole pole. Zničení vede k uvolnění uložené energie.

Tento výše uvedený proces má za následek ukládání proudu v induktoru a zpětné uložení tohoto uloženého proudu přes výstup ve formě zpětného EMF.

Obvod budiče reléového tranzistoru lze považovat za skvělý příklad obvodu zesilovače. Dioda zpětného chodu připojená přes relé je zavedena ke zkratu zpětných EMF z cívky relé a k ochraně tranzistoru, kdykoli se vypne.

Pokud je tato dioda odstraněna a diodový kondenzátorový usměrňovač je připojen přes kolektor / emitor tranzistoru, může být zesílené napětí z cívky relé sbíráno přes tento kondenzátor.

Blokové schéma zesilovače převodu

Proces v konstrukci zesilovače vede k výstupnímu napětí, které je vždy vyšší než vstupní napětí.

Konfigurace převaděče Boost

S odkazem na následující obrázek vidíme standardní konfiguraci převaděče zesílení, pracovní vzor lze chápat tak, jak je uvedeno pod:

Když je zobrazené zařízení (kterým může být jakýkoli standardní výkon BJT nebo mosfet) ZAPNUTO, proud ze vstupního napájení vstupuje do induktoru a protéká ve směru hodinových ručiček tranzistorem, aby dokončil cyklus na záporném konci vstupního napájení.

Přepínací zařízení převaděče pracuje

Během výše uvedeného procesu induktor zažívá náhlé přivedení proudu přes sebe a snaží se odolat přílivu, což má za následek ukládání určitého množství proudu v něm generováním magnetického pole.

V další následující sekvenci, když je tranzistor vypnut, se vedení proudu přeruší a opět vynutí náhlou změnu úrovně proudu přes induktor. Induktor na to reaguje odpálením nebo uvolněním uloženého proudu. Vzhledem k tomu, že tranzistor je v poloze VYPNUTO, nachází si tato energie cestu přes diodu D a přes zobrazené výstupní svorky ve formě zpětného EMF napětí.

Funkce diody v zesilovači

Induktor to provádí tak, že zničí magnetické pole, které v něm bylo vytvořeno dříve, když byl tranzistor v režimu zapnutí.

Výše uvedený proces uvolňování energie je však implementován s opačnou polaritou, takže vstupní napájecí napětí se nyní stává v sérii s zpětným emf induktorem. A jak všichni víme, že když se zdroje napájení spojí do série, jejich čisté napětí se sčítá a vytvoří větší kombinovaný výsledek.

Totéž se děje v zesilovači během režimu vybíjení induktoru, který produkuje výstup, který může být kombinovaným výsledkem zpětného napětí EMF induktoru a stávajícího napájecího napětí, jak je znázorněno na obrázku výše

Toto kombinované napětí má za následek zesílený výstup nebo zesílený výstup, který najde svou cestu přes diodu D a přes kondenzátor C, aby nakonec dosáhl připojené zátěže.

Kondenzátor C zde hraje docela důležitou roli, během režimu výboje induktoru v něm kondenzátor C ukládá uvolněnou kombinovanou energii a během další fáze, kdy se tranzistor znovu vypne a induktor je v režimu ukládání, se kondenzátor C pokusí udržovat rovnováhu dodáváním vlastní uložené energie do zátěže. Viz obrázek níže.

Funkce PWM a zatížení v zesilovači

Tím je zajištěno relativně stálé napětí pro připojenou zátěž, které je schopno získávat energii během období ZAPNUTÍ a VYPNUTÍ tranzistoru.

Pokud není C zahrnuto, pak je tato funkce zrušena, což má za následek nižší výkon zátěže a nižší míru účinnosti.

Výše vysvětlený proces pokračuje, když je tranzistor zapnut / vypnut na dané frekvenci, přičemž je zachován efekt převodu zesílení.

Provozní režimy

Převodník podpory může být primárně provozován ve dvou režimech: kontinuální režim a diskontinuální režim.

V nepřetržitém režimu nesmí proud induktoru během vybíjení nikdy dosáhnout nuly (zatímco je tranzistor vypnutý).

K tomu dochází, když je doba zapnutí / vypnutí tranzistoru dimenzována tak, že induktor je vždy rychle připojen zpět se vstupním napájením přes zapnutý tranzistor, než se dokáže úplně vybít přes zátěž a kondenzátor C.

To umožňuje induktoru konzistentně produkovat napájecí napětí účinnou rychlostí.

V diskontinuálním režimu může být časování zapnutí tranzistoru tak daleko od sebe, že induktoru může být umožněno úplné vybití a zůstat nečinný mezi periody zapnutí tranzistoru, což vytváří obrovské zvlnění napětí na zátěži a kondenzátoru C.

Díky tomu by mohl být výstup méně efektivní a s většími výkyvy.

Nejlepším přístupem je výpočet doby zapnutí / vypnutí tranzistoru, která poskytuje maximální stabilní napětí na výstupu, což znamená, že se musíme ujistit, že induktor je optimálně přepnut tak, že není ani příliš rychle zapnutý, což by mu nedovolilo vybít optimálně a ani jej nezapínat příliš pozdě, což by jej mohlo vyčerpat neefektivní bod.

Výpočet, indukčnost, proud, napětí a pracovní cyklus v zesilovači

Zde budeme diskutovat pouze o kontinuálním režimu, což je výhodnější způsob provozu zesilovače, pojďme vyhodnotit výpočty spojené s zesilovačem v nepřetržitém režimu:

Když je tranzistor v zapnuté fázi, napětí vstupního zdroje ( ) je aplikován na induktor a indukuje proud ( ) hromadí se přes induktor po určitou dobu, označenou (t). To lze vyjádřit následujícím vzorcem:

ΔIL / Δt = Vt / L

V době, kdy se přechodový stav tranzistoru blíží a tranzistor se chystá vypnout, může být proud, který se má vytvořit v induktoru, dán následujícím vzorcem:

ΔIL (zapnuto) = 1 / L 0ʃDT
nebo
Šířka = DT (Vi) / L.

Kde D je pracovní cyklus. Pro pochopení jeho definice se můžete podívat na naši předchozí b uck převaděč související příspěvek

L označuje hodnotu indukčnosti induktoru v Henrym.

Nyní, když je tranzistor ve stavu VYPNUTO, a pokud předpokládáme, že dioda nabízí minimální pokles napětí na něm a kondenzátor C dostatečně velký, aby byl schopen produkovat téměř konstantní výstupní napětí, pak výstupní proud ( ) lze odvodit pomocí následujícího výrazu

Vi - Vo = LdI / dt

Současné variace ( ), které se mohou vyskytnout na induktoru během jeho výboje (stav vypnutý tranzistor), lze uvést jako:

ΔIL (vypnuto) = 1 / L x DTʃT (Vi - Vo) dt / L = (Vi - Vo) (1 - D) T / L

Za předpokladu, že převodník může pracovat za relativně stabilních podmínek, lze předpokládat, že velikost proudu nebo energie uložená uvnitř induktoru během komutačního (přepínacího) cyklu jsou stabilní nebo stejnou rychlostí, což lze vyjádřit jako:

E = ½ L x 2IL

Výše uvedené také znamená, že protože proud po celou dobu komutace nebo na začátku stavu ZAPNUTO a na konci stavu VYPNUTO by měl být stejný, měla by být jejich výsledná hodnota změny aktuální úrovně nulová, protože vyjádřeno níže:

ΔIL (zapnuto) + ΔIL (vypnuto) = 0

Pokud ve výše uvedeném vzorci z předchozích derivací dosadíme hodnoty ΔIL (zapnuto) a ΔIL (vypnuto), dostaneme:

IL (zapnuto) - ΔIL (vypnuto) = Vidt / L + (Vi - Vo) (1 - D) T / L = 0

Dalším zjednodušením získáte následující výsledek: Vo / Vi = 1 / (1 - D)

nebo

Vo = Vi / (1 - D)

Výše uvedený výraz jasně identifikuje, že výstupní napětí v zesilovači bude vždy vyšší než vstupní napájecí napětí (v celém rozsahu pracovního cyklu, 0 až 1)

Když ve výše uvedené rovnici zamícháme členy napříč stranami, dostaneme rovnici pro určení pracovního cyklu v pracovním cyklu zesilovače.

D = 1 - Vo / Vi

Výše uvedená hodnocení nám dávají různé vzorce pro určování různých parametrů zapojených do operací převaděče zesílení, které lze efektivně použít pro výpočet a optimalizaci přesného návrhu zesilovače zesílení.

Vypočítejte fázi výkonu Boost Converter


Pro výpočet Power Stage převaděče Boost Converter jsou nutné následující 4 pokyny:

1. Rozsah vstupního napětí: Vin (min) a Vin (max)

2. Minimální výstupní napětí: Vout

3. Nejvyšší výstupní proud: Iout (max)

4. Obvod IC použitý k vytvoření převaděče zesílení.
To je často povinné, jednoduše proto, že je třeba vzít v úvahu určité obrysy výpočtů, které nemusí být uvedeny v datovém listu.

V případě, že jsou tato omezení známá, je aproximace výkonového stupně běžně známa
koná se.

Vyhodnocení nejvyššího spínacího proudu


Primárním krokem k určení spínacího proudu by bylo zjistit pracovní cyklus D pro minimální vstupní napětí. Používá se minimální vstupní napětí, hlavně proto, že výsledkem je nejvyšší spínací proud.

D = 1 - {Vin (min) x n} / Vout ---------- (1)

Vin (min) = minimální vstupní napětí

Vout = požadované výstupní napětí

n = účinnost převodníku, např. předpokládaná hodnota může být 80%

Účinnost je vložena do výpočtu pracovního cyklu jednoduše proto, že je od převodníku požadováno, aby také prezentoval ztrátový výkon. Tento odhad nabízí rozumnější pracovní cyklus ve srovnání se vzorcem bez faktoru účinnosti.

Musíme případně povolit odhadovanou 80% toleranci (to by pro podporu nemohlo být nepraktické
nejhorší případ převaděče), je třeba zvážit nebo případně odkazovat na část Konvenční funkce v datovém listu vybraného převaděče

Výpočet zvlnění proudu


Následnou akcí pro výpočet nejvyššího spínacího proudu by bylo zjistit zvlnění proudu induktoru.

V datovém listu převodníku je obvykle specifický induktor nebo řada induktorů označována jako práce s IC. Proto musíme k výpočtu zvlněného proudu použít buď navrhovanou hodnotu induktoru, pokud není v datovém listu uvedeno nic, co je odhadováno v seznamu Induktory.

S zvolení této poznámky aplikace k výpočtu Power Stage nástroje Boost Converter.

Delta I (l) = {Vin (min) x D} / f (s) x L ---------- (2)

Vin (min) = nejmenší vstupní napětí

D = pracovní cyklus měřený v rovnici 1

f (s) = nejmenší spínací frekvence převodníku

L = preferovaná hodnota induktoru

Následně je třeba stanovit, zda preferovaný IC může být schopen dodávat optimální výstup
aktuální.

Iout (max) = [I lim (min) - Delta I (l) / 2] x (1 - D) ---------- (3)

I lim (min) = minimální hodnota
aktuální omezení příslušného přepínače (zvýrazněno v datech
prostěradlo)

Delta I (l) = zvlněný proud induktoru měřený v dřívější rovnici

D = pracovní cyklus vypočtený v první rovnici

V případě, že odhadovaná hodnota pro optimální výstupní proud rozhodovaného pro IC, Iout (max), je pod očekávaným největším výstupním proudem systémů, je skutečně nutné použít alternativní IC s mírně vyšším řízením spínacího proudu.

Za předpokladu, že naměřená hodnota pro Iout (max) je pravděpodobně o odstín menší než očekávaná, můžete případně použít přijatý IC s induktorem s větší indukčností, kdykoli je stále v předepsané sérii. Větší indukčnost snižuje zvlněný proud, a proto zvyšuje maximální výstupní proud se specifickým IC.

Pokud je zjištěná hodnota nad nejlepším výstupním proudem programu, zjistí se největší spínací proud v zařízení:

Isw (max) = Delta I (L) / 2 + Iout (max) / (1 - D) --------- (4)

Delta I (L) = zvlněný proud induktoru měřený ve druhé rovnici

Iout (max), = optimální výstupní proud nezbytný v nástroji

D = pracovní cyklus měřený dříve

Je to vlastně optimální proud, proti kterému se musí postavit induktor, uzavřený spínač (spínače) a navíc externí dioda.

Výběr induktoru


Datové listy někdy poskytují řadu doporučených hodnot induktorů. Pokud je to situace, budete chtít preferovat induktor s tímto rozsahem. Čím větší je hodnota induktoru, tím větší je maximální výstupní proud, hlavně kvůli sníženému zvlnění proudu.

Snižte hodnotu induktoru, zmenšená velikost řešení. Uvědomte si, že induktor by měl vždy zahrnovat lepší hodnocení proudu na rozdíl od maximálního proudu specifikovaného v rovnici 4 kvůli skutečnosti, že proud se zrychluje se snižující se indukčností.

Pro prvky, u nichž není rozdán žádný rozsah induktorů, je na následujícím obrázku spolehlivý výpočet pro vhodný induktor

L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (L) x f (s) x Vout --------- (5)

Vin = standardní vstupní napětí

Vout = preferované výstupní napětí

f (s) = minimální spínací frekvence převodníku

Delta I (L) = předpokládaný zvlněný proud induktoru, sledujte níže:

Zvlnění proudu induktoru jednoduše nelze měřit pomocí první rovnice, jen proto, že induktor není rozpoznán. Zvuková aproximace pro zvlněný proud induktoru je 20% až 40% výstupního proudu.

Delta I (L) = (0,2 až 0,4) x Iout (max.) X Vout / Vin ---------- (6)

Delta I (L) = předpokládaný zvlněný proud induktoru

Iout (max) = optimální výkon
proud potřebný pro aplikaci

Stanovení usměrňovací diody


Aby se snížily ztráty, musí být Schottkyho diody skutečně považovány za dobrou volbu.
Jmenovitý proud dopředu považovaný za nezbytný je na stejné úrovni jako maximální výstupní proud:

I (f) = Iout (max) ---------- (7)

I (f) = typické
dopředný proud usměrňovací diody

Iout (max) = optimální výstupní proud důležitý v programu

Schottkyho diody obsahují podstatně více špičkového proudu ve srovnání s normálním. To je důvod, proč zvýšený špičkový proud v programu není velkým problémem.

Druhým parametrem, který má být monitorován, je ztrátový výkon diody. Skládá se z:

P (d) = I (f) x V (f) ---------- (8)

I (f) = průměrný dopředný proud usměrňovací diody

V (f) = dopředné napětí usměrňovací diody

Nastavení výstupního napětí

Většina převaděčů přiděluje výstupní napětí odporové děličové síti (která může být zabudována)
stacionární měniče výstupního napětí).

S přiřazeným zpětnovazebním napětím V (fb) a zpětnovazebním zkreslujícím proudem I (fb) bývá dělič napětí obvykle
vypočítané.



Proud pomocí odporového děliče by mohl být asi stokrát masivnější než zkreslený proud zpětné vazby:

I (r1 / 2)> nebo = 100 x I (fb) ---------- (9)

I (r1 / 2) = proud v průběhu odporového děliče na GND

I (fb) = zpětnovazební zkreslení proudu z datového listu

To zvyšuje nepřesnost hodnocení napětí pod 1%. Proud je navíc podstatně větší.

Hlavním problémem s menšími hodnotami rezistorů je zvýšená ztráta výkonu v odporovém děliči, až na to, že relevance může být poněkud zvýšená.

S výše uvedeným přesvědčením jsou odpory zpracovány, jak je uvedeno níže:

R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (10)

R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (11)

R1, R2 = odporový dělič.

V (fb) = zpětnovazební napětí z datového listu

I (r1 / 2) = proud způsobený odporovým děličem na GND, stanovený v rovnici 9

Vout = plánované výstupní napětí

Výběr vstupního kondenzátoru


Nejnižší hodnota pro vstupní kondenzátor je obvykle rozdána v datovém listu. Tato nejmenší hodnota je zásadní pro ustálení vstupního napětí v důsledku požadavku špičkového proudu spínacího napájecího zdroje.

Nejvhodnější metodou je použití keramických kondenzátorů se sníženým ekvivalentním sériovým odporem (ESR).

Dielektrický prvek musí být X5R nebo vyšší. Jinak by kondenzátor mohl kvůli kapacitě nebo teplotě stejnosměrného proudu opustit většinu své kapacity (viz reference 7 a 8).

Hodnotu lze ve skutečnosti zvýšit, pokud je vstupní napětí pravděpodobně hlučné.

Výběr výstupního kondenzátoru

Nejlepší metodou je umístění malých kondenzátorů ESR, aby se snížilo zvlnění výstupního napětí. Keramické kondenzátory jsou správnými typy, když je dielektrický prvek typu X5R nebo účinnější

V případě, že převodník nese externí kompenzaci, lze použít jakýkoli druh hodnoty kondenzátoru nad obhajovanou nejmenší v datovém listu, přesto musí být kompenzace pro vybranou výstupní kapacitu nějak změněna.

U interně kompenzovaných převodníků je třeba zvyknout na vhodné hodnoty induktorů a kondenzátorů, nebo lze informace v datovém listu pro přizpůsobení výstupních kondenzátorů převzít s poměrem L x C.

Se sekundární kompenzací mohou následující rovnice pomoci regulovat hodnoty výstupního kondenzátoru pro plánované zvlnění výstupního napětí:

Cout (min.) = Iout (max.) X D / f (s) x Delta Vout ---------- (12)

Cout (min) = nejmenší výstupní kapacita

Iout (max) = optimální výstupní proud pro použití

D = pracovní cyklus zpracovaný pomocí rovnice 1

f (s) = nejmenší spínací frekvence převodníku

Delta Vout = ideální zvlnění výstupního napětí

ESR výstupního kondenzátoru zvyšuje pomlčku více zvlnění, předem přiřazenou rovnicí:

Delta Vout (ESR) = ESR x [Iout (max) / 1 -D + Delta I (l) / 2] ---------- (13)

Delta Vout (ESR) = alternativní zvlnění výstupního napětí vyplývající z kondenzátorů ESR

ESR = ekvivalentní sériový odpor použitého výstupního kondenzátoru

Iout (max) = největší výstupní proud při využití

D = pracovní cyklus vypočítaný v první rovnici

Delta I (l) = zvlněný proud induktoru z rovnice 2 nebo rovnice 6

Rovnice k vyhodnocení stupně výkonu převaděče Boost


Maximální pracovní cyklus:
D = 1 - Víno (min.) X n / Vout ---------- (14)

Vin (min) = nejmenší vstupní napětí

Vout = očekávané výstupní napětí

n = účinnost převodníku, např. odhaduje se na 85%

Zvlnění proudu induktoru:


Delta I (l) = Vin (min) x D / f (s) x L ---------- (15)

Vin (min) = nejmenší vstupní napětí

D = pracovní cyklus stanovený v rovnici 14

f (s) = jmenovitá spínací frekvence převodníku

L = specifikovaná hodnota induktoru

Maximální výstupní proud jmenovaného IC:

Iout (max) = [Ilim (min) - Delta I (l)] x (1 - D) ---------- (16)

Ilim (min) = nejmenší hodnota aktuálního limitu integrální čarodějnice (nabízeno v datovém listu)

Delta I (l) = zvlněný proud induktoru stanovený v rovnici 15

D = pracovní cyklus odhadovaný v rovnici 14

Maximální spínací proud pro konkrétní aplikaci:

Isw (max) = Delta I (l) / 2 + Iout (max) / (1 - D) ---------- (17)

Delta I (l) = zvlněný proud induktoru odhadovaný v rovnici 15

Iout (max), = nejvyšší možný výstupní proud požadovaný v nástroji

D = pracovní cyklus vypočítaný v rovnici 14

Aproximace induktoru:

L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (l) x f (s) x Vout ---------- (18)

Vin = společné vstupní napětí

Vout = plánované výstupní napětí

f (s) = nejmenší spínací frekvence převodníku

Delta I (l) = předpokládaný zvlněný proud induktoru, viz rovnice 19

Ocenění zvlnění induktoru:

Delta I (l) = (0,2 až 0,4) x Iout (max.) X Vout / Vin ---------- (19)

Delta I (l) = projektovaný zvlněný proud induktoru

Iout (max) = nejvyšší výstupní proud důležitý při používání

Typický dopředný proud usměrňovací diody:

I (f) = Iout (max) ---------- (20)

Iout (max) = optimální výstupní proud vhodný pro obslužný program

Ztrátový výkon v usměrňovací diodě:

P (d) = I (f)
x V (f) ---------- (21)


I (f) = typický dopředný proud usměrňovací diody

V (f) = dopředné napětí usměrňovací diody

Aktuální pomocí sítě odporového děliče pro umístění výstupního napětí:

I (r1 / 2)> nebo = 100 x I (fb) ---------- (22)

I (fb) = zpětnovazební zkreslení proudu z datového listu

Hodnota odporu mezi pinem FB a GND:

R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (23)

Hodnota odporu mezi pinem FB a Vout:

R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (24)

V (fb) = zpětnovazební napětí z datového listu

I (r1 / 2) = proud
kvůli odporovému děliči na GND, přišel na rovnici 22

Vout = požadované výstupní napětí

Nejmenší výstupní kapacita, jinak předem přiřazená v datovém listu:

Cout (min.) = Iout (max.) X D / f (s) x Delta I (l) ---------- (25)

Iout (max) = nejvyšší možný výstupní proud programu

D = pracovní cyklus vypočítaný v rovnici 14

f (s) = nejmenší spínací frekvence převodníku

Delta Vout = očekávané zvlnění výstupního napětí

Zvlnění výstupního napětí v důsledku ESR:

Delta Vout (esr) = ESR x [Iout (max) / (1 - D) + Delta I (l) / 2 ---------- (26)

ESR = paralelní sériový odpor použitého výstupního kondenzátoru

Iout (max) = optimální výstupní proud pro použití

D = pracovní cyklus stanovený v rovnici 14

Delta I (l) = zvlněný proud induktoru z rovnice 15 nebo rovnice 19


Předchozí: Vyrobte si tento elektrický skútr / okruh Rickshaw Další: Výpočet induktorů v převaděčích Buck Boost