Как работят Boost Converters

Как работят Boost Converters
Усилващ преобразувател (наричан още повишаващ преобразувател) е схема за преобразуване на постоянен в постоянен ток, която е предназначена да преобразува входно постояннотоково напрежение в изходно постояннотоково напрежение с ниво, което може да бъде много по-високо от нивото на входното напрежение.

Въпреки това процесът винаги запазва отношението P = I x V, което означава, че когато изходът на преобразувателя увеличава входното напрежение, изходът пропорционално претърпява намаляване на тока, което кара изходната мощност да бъде почти винаги равна на входната мощност или по-малка от входната мощност.

Как работи Boost Converter

Усилващ преобразувател е вид SMPS или захранване в режим на превключване, което основно работи с два активни полупроводника (транзистор и диод) и с минимум един пасивен компонент под формата на кондензатор или индуктор или и двете за по-голяма ефективност.

Тук индукторът основно се използва за увеличаване на напрежението, а кондензаторът е въведен за филтриране на колебанията на превключването и за намаляване на пулсациите на тока на изхода на преобразувателя.

Входното захранване, което може да се наложи да бъде усилено или засилено, може да бъде получено от всеки подходящ източник на постоянен ток, като батерии, слънчеви панели, генератори, базирани на двигатели и т.н.
Принцип на работа

Индукторът в усилващ преобразувател играе важна роля за засилване на входното напрежение.

Решаващият аспект, който става отговорен за активирането на усилващото напрежение от индуктор, се дължи на присъщото му свойство да устои или да се противопостави на внезапно индуциран ток през него и поради реакцията му на това със създаване на магнитно поле и впоследствие разрушаване на магнитното поле. Унищожаването води до освобождаване на съхранената енергия.

Този по-горе процес води до запаметяване на тока в индуктора и изхвърляне на този съхраняван ток през изхода под формата на обратна ЕМП.

Схема на драйвер на релеен транзистор може да се счита за чудесен пример за схема на усилващ преобразувател. Диодът за връщане, свързан през релето, се въвежда за късо съединение на обратните ЕРП от намотката на релето и за защита на транзистора, когато той се изключи.

Ако този диод бъде премахнат и диодният кондензаторен изправител е свързан през колектора / емитера на транзистора, усиленото напрежение от релейната намотка може да бъде събрано през този кондензатор.

Блокова схема на преобразувател на усилване

Процесът в конструкцията на усилващ преобразувател води до изходно напрежение, което винаги е по-високо от входното напрежение.

Конфигурация на Boost Converter

Позовавайки се на следващата фигура, можем да видим стандартна конфигурация на преобразувател на усилване, работният модел може да се разбере, както е даден под:

Когато показаното устройство (което може да бъде всяко стандартно захранване BJT или MOSFET) е включено, токът от входното захранване влиза в индуктора и протича по часовниковата стрелка през транзистора, за да завърши цикъла в отрицателния край на входното захранване.

Устройството за превключване на усилващ преобразувател работи

По време на горния процес индукторът изпитва внезапно въвеждане на ток върху себе си и се опитва да се противопостави на притока, което води до запаметяване на известно количество ток в него чрез генериране на магнитно поле.

При следващата следваща последователност, когато транзисторът е изключен, провеждането на ток се прекъсва, но отново налага внезапна промяна в нивото на тока през индуктора. Индукторът реагира на това, като рита назад или пуска запазения ток. Тъй като транзисторът е в положение OFF, тази енергия намира своя път през диода D и през показаните изходни клеми под формата на обратно EMF напрежение.

Функция на диод в усилващ преобразувател

Индукторът извършва това, като унищожава магнитното поле, което е било създадено по-рано в него, докато транзисторът е бил в режим ВКЛ.

Въпреки това, горният процес на освобождаване на енергия е реализиран с противоположна полярност, така че входното захранващо напрежение сега става последователно с напрежението на ЕДС на индуктора. И тъй като всички знаем, че когато източниците на захранване се присъединят последователно, тяхното нетно напрежение се добавя, за да се получи по-голям комбиниран резултат.

Същото се случва и в усилващ преобразувател по време на режима на разряд на индуктора, като се получава изход, който може да бъде комбинираният резултат от обратното EMF напрежение на индуктора и съществуващото захранващо напрежение, както е показано на горната схема

Това комбинирано напрежение води до усилен изход или засилен изход, който намира своя път през диода D и напречния кондензатор C, за да достигне в крайна сметка свързания товар.

Кондензаторът С играе тук доста важна роля, по време на режима на разряд на индуктора кондензаторът С съхранява освободената комбинирана енергия в него, а през следващата фаза, когато транзисторът отново се изключи и индукторът е в режим на съхранение, кондензаторът С се опитва за поддържане на равновесието чрез подаване на собствена складирана енергия към товара. Вижте фигурата по-долу.

Функция на ШИМ и натоварване в усилващ преобразувател

Това осигурява относително стабилно напрежение за свързания товар, което може да придобива мощност както по време на включване, така и при изключване на транзистора.

Ако C не е включен, тази функция се отменя, което води до по-ниска мощност на товара и по-ниска степен на ефективност.

Обясненият по-горе процес продължава, когато транзисторът се включва / изключва при дадена честота, поддържайки ефекта на преобразуващото усилване.

Режими на работа

Усилващ преобразувател може да работи предимно в два режима: непрекъснат режим и прекъснат режим.

В непрекъснат режим индуктивният ток никога не може да достигне нула по време на процеса на разреждане (докато транзисторът е изключен).

Това се случва, когато времето за включване / изключване на транзистора е оразмерено по такъв начин, че индукторът винаги да бъде свързан обратно бързо с входното захранване чрез включен транзистор, преди да може да се разреди напълно през товара и кондензатора C.

Това позволява на индуктора постоянно да произвежда усилващото напрежение с ефективна скорост.

В прекъснат режим времето на включване на транзистора може да бъде толкова широко раздалечено, че индукторът може да се остави да се разреди напълно и да остане неактивен между периодите на включване на транзистора, създавайки огромни пулсации на напрежение в товара и кондензатора C.

Това може да направи продукцията по-малко ефективна и с повече колебания.

Най-добрият подход е да се изчисли времето за включване / изключване на транзистора, което дава максимално стабилно напрежение на изхода, което означава, че трябва да се уверим, че индукторът е оптимално включен така, че нито да е включен твърде бързо, което може да не му позволи да се разреди оптимално и нито да го включвате много късно, което може да го източи неефективна точка.

Изчисляване, индуктивност, ток, напрежение и работен цикъл в усилващ преобразувател

Тук ще обсъдим само непрекъснатия режим, който е предпочитаният начин за работа с усилващ преобразувател, нека оценим изчисленията, свързани с усилващ преобразувател в непрекъснат режим:

Докато транзисторът е във включена фаза, входното напрежение на източника ( ) се прилага през индуктора, предизвиквайки ток ( ) се натрупват през индуктора за период от време, обозначен с (t). Това може да се изрази със следната формула:

ΔIL / Δt = Vt / L

По времето, когато състоянието ON на транзистора е на път да премине и транзисторът е на път да се изключи, токът, който трябва да се натрупа в индуктора, може да бъде даден по следната формула:

ΔIL (включено) = 1 / L 0ʃDT
или
Ширина = DT (Vi) / L

Където D е работният цикъл. За разбиране на дефиницията му можете да се обърнете към предишните ни b uck конвертор, свързан с публикация

L означава стойността на индуктивността на индуктора в Хенри.

Сега, докато транзисторът е в изключено състояние и ако приемем, че диодът предлага минимален спад на напрежението в него и кондензаторът C достатъчно голям, за да може да произвежда почти постоянно изходно напрежение, тогава изходният ток ( ) може да се изведе с помощта на следния израз

Vi - Vo = LdI / dt

Също така текущите вариации ( ), които могат да възникнат през индуктора по време на неговия период на разреждане (изключено състояние на транзистора), могат да бъдат дадени като:

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

Ако приемем, че преобразувателят може да работи при относително стабилни условия, може да се приеме, че величината на тока или енергията, съхранявана вътре в индуктора през целия цикъл на комутация (превключване), е стабилна или с еднаква скорост, това може да се изрази като:

E = ½ L x 2IL

Горното също предполага, че тъй като токът през целия период на комутация или в началото на състоянието ON и в края на състоянието OFF трябва да бъде идентичен, резултантната им стойност на промяната в текущото ниво трябва да бъде нула, тъй като изразено по-долу:

ΔIL (включено) + ΔIL (изключено) = 0

Ако заменим стойностите на ΔIL (включено) и ΔIL (изключено) в горната формула от предишните деривации, получаваме:

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

По-нататъшното опростяване дава следния резултат: Vo / Vi = 1 / (1 - D)

или

Vo = Vi / (1 - D)

Горният израз ясно идентифицира, че изходното напрежение в усилващ преобразувател винаги ще бъде по-високо от входното захранващо напрежение (в целия диапазон на работния цикъл, 0 до 1)

Разбърквайки условията по страните в горното уравнение, получаваме уравнението за определяне на работния цикъл в работен цикъл на усилващ преобразувател.

D = 1 - Vo / Vi

Горните оценки ни дават различните формули за определяне на различните параметри, участващи в операции на преобразувател на усилване, които могат ефективно да се използват за изчисляване и оптимизиране на точен дизайн на преобразувател на усилване.

Изчислете степента на мощност на преобразувателя на усилване


Следните 4 насоки са необходими за изчисляване на степента на мощност на преобразувателя на усилване:

1. Диапазон на входното напрежение: Vin (min) и Vin (max)

2. Минимално изходно напрежение: Vout

3. Най-висок изходен ток: Iout (макс.)

4. IC схема, използвана за изграждане на усилващ преобразувател.
Това често е задължително, просто защото трябва да се вземат определени очертания за изчисленията, които може да не бъдат споменати в информационния лист.

В случай, че тези ограничения са познати, приближението на степента на мощност е нормално
се провежда.

Оценка на най-високия комутационен ток


Първичната стъпка за определяне на превключващия ток би била да се разбере работният цикъл, D, за минималното входно напрежение. Използва се минимално минимално входно напрежение, главно защото това води до най-високия ток на превключване.

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

Vin (min) = минимално входно напрежение

Vout = необходимо изходно напрежение

n = ефективност на преобразувателя, напр. очакваната стойност може да бъде 80%

Ефективността е включена в изчислението на работния цикъл, просто защото преобразувателят трябва да представи и разсейването на мощността. Тази оценка предлага по-разумен работен цикъл в сравнение с формулата без коефициент на ефективност.

Трябва да позволим евентуално допустимо отклонение от 80% (което може да е непрактично за тласък
ефективност на най-лошия случай на преобразувателя), трябва да се разгледа или евентуално да се обърне към частта с конвенционалните характеристики на информационния лист на избрания конвертор

Изчисляване на пулсационния ток


Последващото действие за изчисляване на най-високия превключващ ток би било да се разбере пулсационният ток на индуктора.

В таблицата с данни на преобразувателя обикновено се посочва специфичен индуктор или разнообразие от индуктори, които работят с IC. Следователно трябва да използваме предложената стойност на индуктора, за да изчислим пулсационния ток, ако нищо не е представено в листа с данни, оцененото в списъка с индуктори.

С Избор на това приложение бележка за Изчисляване на усилващ етап на преобразувател на усилване.

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

Vin (min) = най-малкото входно напрежение

D = работен цикъл, измерен в уравнение 1

f (s) = най-малката честота на превключване на преобразувателя

L = предпочитана стойност на индуктора

Впоследствие трябва да се установи, ако предпочитаната интегрална схема може да осигури оптималната мощност
текущ.

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

I lim (min) = минималната стойност на
текущо ограничение на включения превключвател (подчертано в данните
лист)

Delta I (l) = пулсационен ток на индуктор, измерен в по-ранното уравнение

D = работен цикъл, изчислен в първо уравнение

В случай, че прогнозната стойност за оптималния изходен ток на избрания IC, Iout (max), е под очаквания от системите най-голям изходен ток, наистина трябва да се използва алтернативна интегрална схема с малко по-високо управление на превключващия ток.

При условие, че измерената стойност за Iout (max) вероятно е с нюанс по-малка от очакваната, евентуално можете да приложите набраната интегрална схема с индуктор с по-голяма индуктивност, когато все още е в предписаната серия. По-голямата индуктивност намалява пулсационния ток, следователно увеличава максималния изходен ток със специфичната IC.

Ако установената стойност е над най-добрия изходен ток на програмата, се изчислява най-големият ток на превключване в оборудването:

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

Delta I (L) = пулсационен ток на индуктор, измерен във второто уравнение

Iout (max), = оптимален изходен ток, който е от съществено значение за полезността

D = работен цикъл, измерен по-рано

Всъщност е оптималният ток, индукторът, затвореният превключвател (и) в допълнение към външния диод са необходими, за да се изправят срещу.

Избор на индуктор


Понякога информационните листове предоставят многобройни препоръчителни стойности на индуктора. Ако това е ситуацията, ще искате да предпочетете индуктор с този диапазон. Колкото по-голяма е стойността на индуктора, толкова по-голям е максималният изходен ток главно поради намаления пулсационен ток.

Намалената стойност на индуктора, намалена е размерът на разтвора. Имайте предвид, че индукторът наистина трябва неизменно да включва по-добър ток, за разлика от максималния ток, посочен в уравнение 4, поради факта, че токът се ускорява с понижаване на индуктивността.

За елементи, при които не е раздаден диапазон на индуктор, следващата снимка е надеждно изчисление за подходящия индуктор

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

Vin = стандартно входно напрежение

Vout = предпочитано изходно напрежение

f (s) = минимална честота на превключване на преобразувателя

Delta I (L) = проектиран пулсационен ток на индуктора, наблюдавайте по-долу:

Пулсационният ток на индуктора просто не може да бъде измерен с първото уравнение, само защото индукторът не е разпознат. Звуково приближение за пулсационния ток на индуктора е 20% до 40% от изходния ток.

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

Delta I (L) = проектиран пулсационен ток на индуктора

Iout (max) = оптимална мощност
ток, необходим за приложението

Определяне на диоден токоизправител


За да се намалят загубите, диодите на Шотки наистина трябва да се считат за добър избор.
Номиналният ток, който се счита за необходим, е равен на максималния изходен ток:

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

I (f) = типично
преден ток на токоизправителния диод

Iout (max) = оптимален изходен ток, важен за програмата

Диодите на Шотки включват значително по-висока токова номинална стойност в сравнение с нормалната номинална стойност. Ето защо увеличеният пиков ток в програмата не е голям проблем.

Вторият параметър, съдържащ се за наблюдение, е разсейването на мощността на диода. Състои се от да обработва:

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

I (f) = среден преден ток на токоизправителния диод

V (f) = напрежение напред на токоизправителния диод

Настройка на изходното напрежение

Повечето преобразуватели разпределят изходното напрежение с резистивна разделителна мрежа (която може да бъде вградена
трябва ли да са стационарни преобразуватели на изходно напрежение).

С определеното напрежение за обратна връзка, V (fb), и ток на отклонение на обратната връзка, I (fb), делителят на напрежението има тенденция да бъде
изчислено.



Токът с помощта на резистивния делител може да бъде около сто пъти по-голям от тока на отклонение на обратната връзка:

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

I (r1 / 2) = ток в хода на резистивния делител към GND

I (fb) = ток на отклонение на обратната връзка от листа с данни

Това увеличава под 1% неточност на оценката на напрежението. Токът е допълнително значително по-голям.

Основният проблем с по-малките стойности на резистора е увеличената загуба на мощност в резистивния делител, с изключение на това, че релевантността може да бъде донякъде повишена.

С горното убеждение резисторите са изработени, както е изброено по-долу:

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

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

R1, R2 = резистивен делител.

V (fb) = напрежение с обратна връзка от листа с данни

I (r1 / 2) = ток, дължащ се на резистивния делител към GND, установен в уравнение 9

Vout = планирано изходно напрежение

Избор на входен кондензатор


Най-малката стойност за входния кондензатор обикновено се раздава в листа с данни. Тази най-малка стойност е жизненоважна за стабилното входно напрежение в резултат на пиковия ток, необходим за импулсно захранване.

Най-подходящият метод е да се използват керамични кондензатори с намалено еквивалентно серийно съпротивление (ESR).

Диелектричният елемент трябва да бъде X5R или по-висок. В противен случай кондензаторът може да отпадне по-голямата част от капацитета си поради постоянното отклонение или температурата (вж. Препратки 7 и 8).

Стойността всъщност може да бъде повишена, ако може би входното напрежение е шумно.

Избор на изходен кондензатор

Най-добрият метод е да се намерят малки ESR кондензатори, за да се намали пулсацията на изходното напрежение. Керамичните кондензатори са правилните видове, когато диелектричният елемент е от тип X5R или по-ефективен

В случай, че преобразувателят носи външна компенсация, може да се приложи всякакъв вид кондензатор над препоръчваната най-малка в таблицата с данни, но по някакъв начин компенсацията трябва да бъде променена за избрания изходен капацитет.

При вътрешнокомпенсирани преобразуватели препоръчителните стойности на индуктор и кондензатор трябва да бъдат привикнати, или информацията в таблицата за адаптация на изходните кондензатори може да бъде приета със съотношението L x C.

При вторична компенсация следните уравнения могат да помогнат за регулиране на стойностите на изходния кондензатор за планирана пулсация на изходното напрежение:

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

Cout (min) = най-малкият изходен капацитет

Iout (max) = оптимален изходен ток на употребата

D = работен цикъл, изработен с уравнение 1

f (s) = най-малката честота на превключване на преобразувателя

Delta Vout = идеална пулсация на изходното напрежение

ESR на изходния кондензатор увеличава тирето повече пулсации, предварително зададени с уравнението:

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

Delta Vout (ESR) = алтернативно пулсиране на изходното напрежение, получено от кондензатори ESR

ESR = еквивалентно серийно съпротивление на използвания изходен кондензатор

Iout (max) = най-големият изходен ток на използване

D = работен цикъл, разбран в първото уравнение

Delta I (l) = пулсационен ток на индуктор от уравнение 2 или уравнение 6

Уравнения за оценка на степента на мощност на усилващ преобразувател


Максимален работен цикъл:
D = 1 - Вино (мин) x n / Vout ---------- (14)

Vin (min) = най-малкото входно напрежение

Vout = очаквано изходно напрежение

n = ефективност на преобразувателя, напр. приблизително 85%

Пулсационен ток на индуктора:


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

Vin (min) = най-малкото входно напрежение

D = работен цикъл, установен в уравнение 14

f (s) = номинална честота на превключване на преобразувателя

L = посочена стойност на индуктора

Максимален изходен ток на номинираната интегрална схема:

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

Ilim (min) = най-малката стойност на текущата граница на интегралната вещица (предлага се в листа с данни)

Delta I (l) = пулсационен ток на индуктора, установен в уравнение 15

D = работен цикъл, изчислен в уравнение 14

Максимален ток на превключване, специфичен за приложението:

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

Delta I (l) = пулсационен ток на индуктор, изчислен в уравнение 15

Iout (max), = най-високият възможен изходен ток, необходим в помощната програма

D = работен цикъл, изчислен в уравнение 14

Приближение на индуктора:

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

Vin = общо входно напрежение

Vout = планирано изходно напрежение

f (s) = най-малката честота на превключване на преобразувателя

Delta I (l) = проектиран пулсационен ток на индуктора, вижте уравнение 19

Оценка на тока на пулсацията на индуктора:

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

Delta I (l) = проектиран пулсационен ток на индуктора

Iout (max) = най-високият изходен ток, важен при употребата

Типичен преден ток на токоизправителния диод:

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

Iout (max) = оптимален изходен ток, подходящ в помощната програма

Разсейване на мощността в изправителния диод:

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


I (f) = типичен преден ток на токоизправителния диод

V (f) = напрежение напред на токоизправителния диод

Ток чрез използване на резистивна разделителна мрежа за позициониране на изходното напрежение:

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

I (fb) = ток на отклонение на обратната връзка от листа с данни

Стойност на резистора между FB Pin и GND:

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

Стойност на резистора между FB щифт и Vout:

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

V (fb) = напрежение с обратна връзка от листа с данни

I (r1 / 2) = ток
поради резистивния делител на GND, фигуриращ в уравнение 22

Vout = търсено изходно напрежение

Най-малък изходен капацитет, иначе предварително зададен в листа с данни:

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

Iout (max) = максимално възможният изходен ток на програмата

D = работен цикъл, изчислен в уравнение 14

f (s) = най-малката честота на превключване на преобразувателя

Delta Vout = очаквано пулсиране на изходното напрежение

Превишаване на пулсациите на изходното напрежение поради ESR:

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

ESR = паралелно серийно съпротивление на използвания изходен кондензатор

Iout (max) = оптимален изходен ток на употребата

D = работен цикъл, определен в уравнение 14

Delta I (l) = пулсационен ток на индуктор от уравнение 15 или уравнение 19


Предишен: Направете тази електрическа верига за скутер / рикша Напред: Изчисляване на индуктори в преобразуватели Buck Boost