Bộ điều chỉnh tăng cường chuyển đổi: cơ bản về thiết kế và hiệu quả

Trong điện tử, bộ điều chỉnh là một thiết bị hoặc cơ chế có thể điều chỉnh liên tục sản lượng điện. Có nhiều loại bộ điều chỉnh khác nhau có sẵn trong lĩnh vực cung cấp điện. Nhưng chủ yếu, trong trường hợp chuyển đổi DC sang DC, có hai loại bộ điều chỉnh có sẵn: Tuyến tính hoặc Chuyển mạch.

Bộ điều chỉnh tuyến tính điều chỉnh đầu ra bằng cách sử dụng điện trở giảm và do bộ điều chỉnh tuyến tính này cung cấp hiệu suất thấp hơn và mất điện dưới dạng nhiệt.

Ở phía bên kia Bộ điều chỉnh chuyển mạch sử dụng cuộn cảm, Diode và một công tắc nguồn để truyền năng lượng từ nguồn của nó đến đầu ra.

Có ba loại bộ điều chỉnh chuyển mạch có sẵn.

1. Bộ chuyển đổi từng bước (Boost Regulator)

2. Bộ chuyển đổi Step-Down (Bộ điều chỉnh Buck)

3. Biến tần (Flyback)

Trong hướng dẫn này, chúng tôi mô tả mạch Bộ điều chỉnh tăng cường chuyển mạch. Chúng tôi đã mô tả Thiết kế Bộ điều chỉnh Tăng cường trong hướng dẫn trước. Ở đây chúng ta sẽ thảo luận về các khía cạnh khác nhau của bộ chuyển đổi Boost và cách cải thiện hiệu quả của nó.

Kiến thức cơ bản về thiết kế của mạch chuyển đổi Boost

Trong nhiều trường hợp, chúng ta cần chuyển đổi điện áp thấp hơn sang điện áp cao hơn tùy theo yêu cầu. Bộ điều chỉnh tăng cường tăng điện áp từ điện thế thấp hơn đến điện thế cao hơn.

Trong hình trên, một mạch điều chỉnh Boost đơn giản được hiển thị nơi một cuộn cảm, diode, tụ điện và một công tắc được sử dụng.

Mục đích của cuộn cảm là để hạn chế tốc độ dòng điện chạy qua công tắc nguồn. Nó sẽ hạn chế dòng điện cao điểm vượt mức không thể tránh khỏi bởi điện trở chuyển mạch riêng lẻ.

Ngoài ra, các cửa hàng cuộn cảm năng lượng, năng lượng được đo bằng Joules E = (L * Tôi ² /2)

Chúng ta sẽ hiểu cách các cuộn cảm truyền năng lượng trong các hình ảnh và đồ thị sắp tới.

Trong trường hợp bộ điều chỉnh tăng cường chuyển mạch, có hai giai đoạn, một là giai đoạn Sạc điện dẫn hoặc giai đoạn bật (Công tắc đang đóng thực tế) và một là giai đoạn xả hoặc giai đoạn tắt công tắc (Công tắc đang mở).

Nếu chúng ta giả sử rằng công tắc đã ở vị trí mở trong một thời gian dài, điện áp rơi trên diode là âm và điện áp trên tụ điện bằng điện áp đầu vào. Trong tình huống này, nếu công tắc được đóng lại, Vin sẽ sợ hãi trên cuộn cảm. Diode ngăn cản sự phóng điện của tụ điện qua công tắc xuống đất.

Dòng điện qua cuộn cảm tăng tuyến tính theo thời gian. Tốc độ tăng dòng điện tuyến tính tỷ lệ với điện áp đầu vào chia cho độ tự cảm di / dt = Điện áp trên cuộn cảm / điện cảm

Trong biểu đồ phía trên, hiển thị pha sạc của cuộn cảm. Trục x biểu thị t (thời gian) và trục Y biểu thị I (dòng điện qua cuộn cảm). Dòng điện tăng tuyến tính theo thời gian khi công tắc đóng hoặc BẬT.

Bây giờ, khi công tắc lại tắt hoặc mở, dòng điện dẫn chạy qua diode và sạc tụ điện đầu ra. Khi điện áp đầu ra tăng, độ dốc dòng điện qua cuộn cảm sẽ đảo ngược. Điện áp đầu ra tăng cho đến khi đạt đến Điện áp qua cuộn cảm = L * (di / dt).

Tốc độ giảm dòng điện cuộn cảm theo thời gian tỷ lệ thuận với điện áp cuộn cảm. Điện áp cuộn cảm càng cao thì dòng điện qua cuộn cảm càng giảm.

Trong đồ thị trên, dòng điện dẫn giảm theo thời gian khi công tắc tắt.

Khi bộ điều chỉnh chuyển mạch ở trong điều kiện hoạt động ở trạng thái ổn định, điện áp trung bình của cuộn cảm bằng 0 trong toàn bộ chu kỳ chuyển mạch. Đối với điều kiện này, dòng điện trung bình qua cuộn cảm cũng ở trạng thái ổn định.

Nếu chúng ta giả sử rằng thời gian sạc cuộn cảm là Ton và mạch có điện áp đầu vào, thì sẽ có một Toff hoặc thời gian xả cụ thể cho một điện áp đầu ra.

Khi điện áp cuộn cảm trung bình bằng 0 ở trạng thái ổn định, chúng ta có thể xây dựng mạch tăng bằng cách sử dụng các thuật ngữ sau

Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)

Khi điện áp đầu ra bằng Điện áp đầu vào và điện áp cuộn cảm trung bình (Vout = Vin + VL)

Chúng ta có thể nói về điều đó, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

Chúng tôi cũng có thể tính toán Vout bằng cách sử dụng chu kỳ nhiệm vụ.

Chu kỳ nhiệm vụ (D) = Tấn / (Tấn + Toff)

Đối với bộ điều chỉnh chuyển mạch tăng cường, Vout sẽ là Vin / (1 - D)

PWM và chu kỳ nhiệm vụ cho mạch chuyển đổi tăng cường

Nếu chúng ta kiểm soát chu kỳ hoạt động, chúng ta có thể kiểm soát đầu ra ở trạng thái ổn định của bộ chuyển đổi tăng cường. Vì vậy, đối với sự thay đổi chu kỳ nhiệm vụ, chúng tôi sử dụng một mạch điều khiển qua công tắc.

Vì vậy, đối với một mạch điều chỉnh tăng cơ bản hoàn chỉnh, chúng ta cần một mạch bổ sung sẽ thay đổi chu kỳ làm việc và do đó lượng thời gian cuộn cảm nhận năng lượng từ nguồn.

Trong hình trên, có thể thấy một bộ khuếch đại Lỗi cảm nhận điện áp đầu ra trên tải bằng cách sử dụng đường phản hồi và điều khiển công tắc. Kỹ thuật điều khiển phổ biến nhất bao gồm kỹ thuật PWM hoặc Điều chế độ rộng xung được sử dụng để điều khiển chu kỳ hoạt động của mạch.

Các mạch điều khiển kiểm soát lượng thời gian chuyển đổi vẫn mở hoặc đóng, tùy thuộc vào hiện tại rút ra bởi tải. Mạch này cũng sử dụng để hoạt động liên tục ở trạng thái ổn định. Nó sẽ lấy một mẫu của điện áp đầu ra và để trừ nó khỏi điện áp tham chiếu và tạo ra một tín hiệu lỗi nhỏ, sau đó tín hiệu lỗi này sẽ được so sánh với tín hiệu dốc của bộ dao động và từ đầu ra của bộ so sánh, tín hiệu PWM sẽ hoạt động hoặc điều khiển công tắc. mạch điện.

Khi điện áp đầu ra thay đổi, điện áp lỗi cũng bị ảnh hưởng bởi nó. Do lỗi thay đổi điện áp, bộ so sánh sẽ điều khiển đầu ra PWM. PWM cũng thay đổi vị trí khi điện áp đầu ra tạo ra điện áp lỗi bằng không và bằng cách này, hệ thống vòng điều khiển khép kín thực hiện công việc.

May mắn thay, Hầu hết các bộ điều chỉnh tăng cường chuyển mạch hiện đại đều có sẵn thứ này bên trong gói IC. Vì vậy, thiết kế mạch đơn giản đạt được bằng cách sử dụng các bộ điều chỉnh chuyển mạch hiện đại.

Điện áp phản hồi tham chiếu được thực hiện bằng cách sử dụng mạng phân chia điện trở. Đây là mạch bổ sung, cần thiết cùng với cuộn cảm, điốt và tụ điện.

Cải thiện hiệu quả của mạch chuyển đổi Boost

Bây giờ, nếu chúng ta điều tra về hiệu suất, Đó là lượng điện chúng ta cung cấp bên trong mạch và chúng ta nhận được bao nhiêu ở đầu ra.

(Bĩu môi / Ghim) * 100%

Vì năng lượng không thể được tạo ra cũng như không bị phá hủy, nó chỉ có thể được chuyển đổi, nên hầu hết các năng lượng điện mất đi các công suất không sử dụng được chuyển thành nhiệt. Ngoài ra, không có tình huống lý tưởng trong lĩnh vực thực tế, hiệu quả là một yếu tố lớn hơn để lựa chọn Bộ điều chỉnh điện áp.

Một trong những yếu tố tổn thất công suất chính đối với bộ điều chỉnh chuyển mạch là diode. Điện áp chuyển tiếp giảm thời gian hiện tại (Vf xi) là công suất không sử dụng được chuyển thành nhiệt và làm giảm hiệu suất của mạch điều chỉnh chuyển mạch. Ngoài ra, nó là chi phí bổ sung cho mạch điện cho các kỹ thuật quản lý nhiệt / nhiệt bằng cách sử dụng bộ tản nhiệt hoặc Quạt để làm mát mạch khỏi nhiệt tiêu tán. Không chỉ giảm điện áp thuận, Phục hồi ngược cho điốt silicon cũng tạo ra tổn thất điện năng không cần thiết và giảm hiệu suất tổng thể.

Một trong những cách tốt nhất để tránh một điốt khôi phục tiêu chuẩn là sử dụng điốt Schottky thay cho các điốt có điện áp giảm thuận thấp và khôi phục ngược tốt hơn. Khi cần hiệu suất tối đa, diode có thể được thay thế bằng MOSFET. Trong công nghệ hiện đại, có rất nhiều sự lựa chọn có sẵn trong phần Bộ điều chỉnh tăng áp Switching, mang lại hiệu quả hơn 90% một cách dễ dàng.

Ngoài ra, có một tính năng "Chế độ bỏ qua" đang được sử dụng trong nhiều thiết bị hiện đại cho phép bộ điều chỉnh bỏ qua các chu kỳ chuyển đổi khi không cần chuyển đổi ở tải rất nhẹ. Đó là một cách tuyệt vời để cải thiện hiệu quả trong điều kiện tải nhẹ. Trong chế độ bỏ qua, chu kỳ chuyển mạch chỉ được bắt đầu khi điện áp đầu ra giảm xuống dưới ngưỡng điều chỉnh.

Mặc dù có hiệu suất cao hơn, kỹ thuật thiết kế tĩnh, thành phần nhỏ hơn, bộ điều chỉnh chuyển mạch ồn hơn bộ điều chỉnh tuyến tính. Tuy nhiên, chúng vẫn phổ biến rộng rãi.

Thiết kế mẫu cho Boost Converter

Trước đây chúng tôi đã tạo một mạch điều chỉnh tăng sử dụng MC34063 trong đó đầu ra 5V được tạo ra từ điện áp đầu vào 3.7V. MC34063 là bộ điều chỉnh chuyển mạch được sử dụng trong cấu hình bộ điều chỉnh tăng cường. Chúng tôi đã sử dụng một cuộn cảm, một diode Schottky và tụ điện.

Trong hình trên, Cout là tụ điện đầu ra và chúng tôi cũng sử dụng một cuộn cảm và diode Schottky là những thành phần cơ bản cho bộ điều chỉnh chuyển mạch. Cũng có một mạng lưới Phản hồi được sử dụng. Các điện trở R1 và R2 tạo ra một mạch phân áp cần thiết cho giai đoạn khuếch đại lỗi và PWM của bộ so sánh. Điện áp tham chiếu của bộ so sánh là 1,25V.

Nếu chúng ta xem dự án một cách chi tiết, chúng ta có thể thấy rằng hiệu suất 70-75% đạt được bởi mạch điều chỉnh tăng chuyển mạch MC34063 này. Hiệu quả hơn nữa có thể được cải thiện bằng cách sử dụng kỹ thuật PCB thích hợp và có được các quy trình quản lý nhiệt.