Как работят веригите Buck-Boost

Всички сме чували много за веригите buck and boost и знаем, че основно тези вериги се използват в SMPS проекти за засилване или намаляване на дадено напрежение на входа. Интересното при тази технология е, че тя позволява горепосочените функции с незначително генериране на топлина, което води до изключително ефективни преобразувания.

Какво е Buck-Boost, как работи

Нека научим концепцията в първия раздел, без да включваме много технически особености, за да стане по-лесно да разберем какво точно е концепцията за усилване на долара дори за начинаещ.

Сред трите фундаментални топологии, наречени buck, boost и buck-boost, третата е по-популярна, тъй като позволява двете функции (buck boost) да бъдат използвани чрез една конфигурация само чрез промяна на входните импулси.

В топологията buck-boost имаме предимно електронен превключващ компонент, който може да бъде под формата на транзистор или MOSFET. Този компонент се превключва чрез пулсиращ сигнал от интегрална осцилаторна верига.

Освен горния превключващ компонент, веригата има индуктор, диод и кондензатор като основни съставки.

Всички тези части са подредени във формата, която може да се види на следната диаграма:

Позовавайки се на горната диаграма за усилване, mosfet е частта, която приема импулсите, което го принуждава да работи при две условия: състояние ON и OFF.

По време на включено състояние входният ток получава ясен път през MOSFET и незабавно се опитва да премине през индуктора, тъй като диодът е позициониран в обърнато пристрастно състояние.

Индукторът поради присъщото му свойство се опитва да ограничи внезапното нанасяне на ток и в компенсиращ отговор съхранява известно количество ток в него.

Веднага след като MOSFET е изключен, той преминава в състояние ИЗКЛЮЧВАНЕ, блокиращо преминаването на входния ток.

Отново индукторът не е в състояние да се справи с тази внезапна промяна на тока от дадена величина до нула и в отговор, за да компенсира това, той връща обратно запазения си ток чрез диода през изхода на веригата.

В процеса токът също се съхранява в кондензатора.

По време на следващото включено състояние на MOSFET цикълът се повтаря, както по-горе, но без наличен ток от индуктора, кондензаторът изхвърля съхранената енергия в изхода, което помага да се поддържа стабилността на изхода до оптимизираната степен.

Може би се чудите какъв фактор решава резултатите BUCK или BOOST на изхода? Това е съвсем просто, зависи от това колко дълго е разрешено на MOSFET да остане в състояние ВКЛ или В състояние OFF.

С увеличаване на времето за включване на MOSFET веригата започва да се трансформира в усилващ преобразувател, докато времето на MOSFET изключено, надвишаващо времето за включване, води до това, че веригата се държи като Buck преобразувател.

По този начин входът към MOSFET може да се направи чрез оптимизирана ШИМ схема за получаване на необходимите преходи през същата верига.

Проучване на Buck / Boost топологията в SMPS схеми по-технически:

Както беше обсъдено в горния раздел, трите фундаментални топологии, които се използват широко в захранващите устройства в режим на превключване, са buck, boost и buck boos.

Те са основно неизолирани, при които степента на входната мощност споделя обща база със секцията на изходната мощност. Разбира се, бихме могли да намерим и изолирани версии, макар и доста редки.

Посочените по-горе три топологии могат да бъдат разграничени по уникален начин в зависимост от техните изключителни свойства. Свойствата могат да бъдат идентифицирани като съотношения на преобразуване на напрежението в стационарно състояние, естеството на входните и изходните токове и характера на пулсациите на изходното напрежение.

Освен това честотната характеристика на работния цикъл към изпълнението на изходното напрежение може да се разглежда като едно от важните свойства.

Сред горепосочените три топологии, топологията с усилващо напрежение е най-предпочитаната, тъй като позволява на изхода да работи с напрежение, по-малко от входното напрежение (режим buck), а също и да произвежда напрежения над входното напрежение (режим на усилване).

Въпреки това изходното напрежение може да бъде получено винаги с обратната полярност от входа, което не създава никакви проблеми.

Приложеният входен ток към преобразувател на усилващо напрежение е формата на пулсиращ ток поради превключването на свързания превключвател на захранването (Q1).

Тук токът се превключва от нула на l по време на всеки импулсен цикъл.Същото важи и за изхода и получаваме пулсиращ ток поради свързания диод, който провежда само в една посока, причинявайки пулсираща ситуация ON и OFF по време на превключващия цикъл .

Кондензаторът е отговорен за осигуряването на компенсиращ ток, когато диодът е в изключено или обърнато положение по време на превключващите цикли.

Тази статия обяснява функционалността в стабилно състояние на преобразувателя с усилващо напрежение в непрекъснат и прекъснат режим на работа с представени примерни форми на вълни.

Функционалността за обмен на напрежение на изходен работен цикъл е представена след въвеждане на дизайна на PWM превключвателя.

Фигура 1 - опростена схема на етапа на усилващо усилване с добавен блок на задвижващата верига. Превключвателят на захранването Q1 е n-канален MOSFET. Изходният диод е CR1.

Индукторът L и кондензаторът C представляват ефективно филтриране на изхода. Кондензаторът ESR, RC (еквивалентно серийно съпротивление) и индуктивното съпротивление на индуктора, RL, са анализирани в. Резисторът R съответства на товара, идентифициран от изхода на степента на мощност.

В хода на редовната функционалност на степента на усилващо усилване, Q1 постоянно се включва и изключва с включване и изключване, управлявани от веригата за управление.

Това превключващо поведение позволява на верига от импулси на кръстовището на Q1, CR1 и L.

Въпреки че индукторът L е свързан към изходния кондензатор C, ако само CR1 провежда, се установява успешен L / C изходен филтър. Почиства последователността на импулсите, за да доведе до изходно напрежение на постоянен ток.

Анализ на стационарно състояние на Buck-Boost

Етап на мощност може да функционира при непрекъсната или прекъсната настройка на индуктивния ток. Режимът на непрекъснат ток на индуктор се идентифицира чрез непрекъснат ток в индуктора през последователността на превключване в стационарен процес.

Режимът на прекъснат индуктивен ток се идентифицира по тока на индуктора, който остава нула за част от цикъла на превключване. Той започва от нула, разширява се до максимална стойност и се връща към нула в хода на всеки модел на превключване.

Двата различни метода са споменати в много по-големи подробности след това и са представени предложения за модели за стойността на индуктора, за да се поддържа избран режим на функционалност, тъй като способността на номиналното натоварване е представена. Доста благоприятно е преобразувателят да бъде в един формат само при предвидените му функционални обстоятелства, тъй като честотната характеристика на степенната степен се променя съществено между двете различни техники на работа.

При тази оценка се използва n-канален MOSFET за захранване и положително напрежение, VGS (ON), се подава от портата към изводите на източника на Q1 от управляващата верига за включване на FET. Ползата от използването на n-канален FET е по-ниският му RDS (включен), но контролната верига е сложна, тъй като окачването става необходимо. За идентичните размери на пакета, p-канал FET притежава по-висок RDS (включен), въпреки това обикновено не може да изисква плаваща задвижваща верига.

Транзисторът Q1 и диодът CR1 са илюстрирани в контур с прекъсната линия с клеми, маркирани a, p и c. Той се обсъжда подробно в частта Buck-Boost Power Stage Modeling.

Анализ на режима на непрекъснато провеждане на постоянното състояние на Buck-Boost

По-долу е описано усилването на бакса при работа в стационарно състояние при метод на непрекъсната проводимост. Основната цел на този сегмент би била да представи извеждане на връзката трансформация на напрежението за етапа на непрекъсната проводимост с усилващо напрежение.

Това ще бъде важно, тъй като показва начина, по който изходното напрежение се определя от работния цикъл и входното напрежение или напротив, как може да се определи работният цикъл в зависимост от входното напрежение и изходното напрежение.

Стационарно състояние означава, че входното напрежение, изходното напрежение, изходният ток на натоварване и работният цикъл са постоянни, за разлика от вариращите. Главните букви обикновено се предоставят на етикетите с променливи, за да предложат стабилна величина. В режим на непрекъсната проводимост преобразувателят с усилващо напрежение отнема няколко състояния за превключващ цикъл.

ON състоянието е всеки път, когато Q1 е включен и CR1 е изключен. Изключеното състояние е всеки път, когато Q1 е изключен и CR1 е включен. Една лесна линейна верига може да символизира всяко от двете състояния, в които превключвателите във веригата са заместени от съответстващата им верига в хода на всяко състояние. Схемата за всяко от двете условия е представена на фигура 2.

Периодът на състоянието ON е D × TS = TON, в който D е работният цикъл, фиксиран от задвижващата верига, изобразен под формата на съотношение на периода на включване към периода на единична пълна последователност на превключване, Ts.

Дължината на състоянието OFF е известна като TOFF. Тъй като човек може да намери само няколко условия за превключващ цикъл за режим на непрекъсната проводимост, TOFF е равен на (1-D) × TS. Величината (1-D) понякога се нарича D ’. Тези периоди са представени заедно с формите на вълните на Фигура 3.

Разглеждайки фигура 2, в хода на състоянието ON Q1 предлага намалено съпротивление, RDS (включено), от изтичането до източника и проявява по-малък спад на напрежението от VDS = IL × RDS (включен).

Освен това има малък спад на напрежението в постояннотоковото съпротивление на индуктора, равно на IL × RL.

По този начин входното напрежение, VI, минус дефицити (VDS + IL × RL), се поставя през индуктора, L. CR1 е изключен в този период, тъй като би бил обратен пристрастен.

Индуктивният ток, IL, преминава от входното захранване, VI, чрез Q1 и към земята. По време на включено състояние напрежението, подавано върху индуктора, е постоянно и същото като VI - VDS - IL × RL.

Следвайки нормата на полярност за тока IL, представена на фигура 2, индуктивният ток се усилва поради изпълненото напрежение. Освен това, тъй като приложеното напрежение е фундаментално последователно, индуктивният ток се повишава линейно. Това усилване на индуктивния ток в хода на TON е показано на Фигура 3.

Нивото, с което се усилва индуктивният ток, обикновено се определя чрез използване на форма на добре познатата формула:

Повишаването на тока на индуктора в хода на състоянието ON е представено като:

Тази величина, ΔIL (+), се нарича пулсационен ток на индуктора. Освен това наблюдавайте, че през този интервал всеки бит от изходния ток на натоварване постъпва от изходния кондензатор, C.

Във връзка с фигура 2, докато Q1 е изключен, той предлага увеличен импеданс от изтичането към източника.

Следователно, тъй като токът, работещ в индуктора L не може да се регулира незабавно, токът преминава от Q1 към CR1. В резултат на намаляващия ток на индуктора, напрежението върху индуктора обръща полярността, докато токоизправителят CR1 се превръща в пристрастен напред и се включва.

Напрежението, свързано през L, се превръща в (VO - Vd - IL × RL), в което величината, Vd, е предният спад на напрежението на CR1. Токът на индуктор, IL, в този момент преминава от устройството на изходния кондензатор и резистора на натоварване през CR1 и към отрицателната линия.

Забележете, че подравняването на CR1 и пътя на циркулацията на тока в индуктора означава, че токът, протичащ в групирането на изходния кондензатор и резистора на натоварване, води до VO като минусово напрежение. По време на изключено състояние, напрежението, свързано през индуктора, е стабилно и същото като (VO - Vd - IL × RL).

Запазвайки нашата конвенция за полярност по същия начин, това свързано напрежение е минус (или обратна полярност от свързаното напрежение в хода на времето за включване), поради факта, че изходното напрежение VO е отрицателно.

Следователно, индуктивният ток намалява през цялото време на изключване. Освен това, тъй като свързаното напрежение е основно стабилно, токът на индуктора намалява линейно. Това намаляване на индукторния ток в хода на TOFF е очертано на фигура 3.

Намаляването на тока на индуктора чрез изключена ситуация се осигурява от:

Тази величина, ΔIL (-), може да се нарече пулсационен ток на индуктора. В ситуации на стабилно състояние нарастването на тока, ΔIL (+), по време на времето за включване и намаляването на тока през времето на изключване, ΔIL (-), трябва да бъде идентично.

Или иначе, индуктивният ток може да предложи цялостен тласък или намаляване от цикъл на цикъл, което не би било стабилно обстоятелство.

По този начин и двете уравнения могат да бъдат приравнени и разработени за VO, за да се получи непрекъснатата проводимост под формата на промяна на напрежението за повишаване на напрежението:

Определяне за VO:

Освен заместването на TS с TON + TOFF и използване на D = TON / TS и (1-D) = TOFF / TS, уравнението в стационарно състояние за VO е:

Забележете, че при опростяване на горното, TON + TOFF трябва да бъде подобен на TS. Това може да бъде истинско само за режим на непрекъсната проводимост, както ще открием в оценката на режима на прекъсната проводимост. На този етап трябва да се направи съществен контрол:

Фиксирането на двете стойности на ΔIL наравно помежду си е точно равно на изравняване на волтовите секунди на индуктора. Волта секундите, използвани върху индуктора, са произведението на използваното напрежение и периода, за който се прилага напрежението.

Това може да бъде най-ефективният начин за оценка на неидентифицирани величини, например VO или D по отношение на общите параметри на веригата, и този подход ще се използва често в тази статия. Волта секундно стабилизиране на индуктора е естествено изискване и трябва да се възприема поне допълнително като закон на Ома.

В горните уравнения за ΔIL (+) и ΔIL (-), по подразбиране се предполага, че изходното напрежение е постоянно, без никакво променливо напрежение на пулсации през времето на включване и периода на изключване.

Това е общоприето опростяване и води до няколко индивидуални резултата. Първо, смята се, че изходният кондензатор е адекватно огромен, така че преобразуването на напрежението му е минимално.

Второ, напрежението на кондензатора ESR в допълнение се счита за минимално. Такива предположения са легитимни, тъй като напрежението на пулсациите на променлив ток определено ще бъде значително по-ниско от DC частта на изходното напрежение.

Горната промяна на напрежението за VO показва истината, че VO може да бъде променена чрез фина настройка на работния цикъл, D.

Тази връзка се приближава близо до нулата, когато D пристига близо до нулата и се издига, без да е предназначена, тъй като D се приближава близо до 1. Типично опростяване смята, че VDS, Vd и RL са достатъчно малки, за да се пренебрегнат. Установявайки VDS, Vd и RL на нула, горната формула опростява значително до:

По-малко сложен, качествен метод за представяне на работата на веригата би бил да се разглежда индукторът като част от акумулиращата мощност. Всеки път, когато Q1 е включен, върху индуктора се излива енергия.

Докато Q1 е изключен, индукторът подава обратно част от енергията си към изходния кондензатор и товара. Изходното напрежение се регулира чрез установяване на времето за включване на Q1. Например, чрез повишаване на времето за включване на Q1, количеството мощност, изпратено към индуктора, се усилва.

Впоследствие към изхода се изпраща допълнителна енергия по време на изключването на Q1, което води до увеличаване на изходното напрежение. За разлика от степента на мощност, типичната величина на индуктивния ток не е същата като изходния ток.

За да свържете индуктивния ток с изходния ток, гледайки фигури 2 и 3, наблюдавайте, че индуктивният ток към изхода е само в изключено състояние на степента на мощност.

Този усреднен ток за цяла последователност на превключване е същият като изходния ток, тъй като приблизителният ток в изходния кондензатор трябва да бъде равен на нула.

Връзката между средния ток на индуктора и изходния ток за непрекъснатия режим на усилващо напрежение се осигурява от:

Друга важна гледна точка е фактът, че типичният индукционен ток е пропорционален на изходния ток и тъй като пулсационният ток на индуктора, ΔIL, не е свързан с изходния ток на натоварване, минималните и най-високите стойности на индукторния ток следват точно средния ток на индуктора.

Като пример, ако средният ток на индуктора намалява с 2А поради намаляване на тока на натоварване, в този случай най-ниските и най-високите стойности на тока на индуктора намаляват с 2А (като се запази режимът на непрекъсната проводимост).

Изпратената оценка беше за функционалността на степента на усилващо усилване в режим на непрекъснат ток на индуктора. Следващият сегмент е обяснение на стационарната функционалност в режим на непрекъсната проводимост. Основният резултат е извеждане на връзката за преобразуване на напрежението за прекъснатата степен на мощност на напрежение в режим на проводимост.

Оценка на режима на непрекъснато провеждане на постоянното състояние на Buck-Boost

В този момент изследваме какво се случва, когато токът на натоварване е намален и режимът на проводимост преминава от непрекъснат към прекъснат.

Не забравяйте за режима на непрекъсната проводимост, средният ток на индуктора проследява изходния ток, т.е.в случай, че изходният ток намалее, в този случай средният ток на индуктора ще се промени.

Освен това най-ниският и най-високият пик на индуктивния ток преследват точно средния индукционен ток. В случай, че изходният ток на натоварване е намален под основното ниво на тока, индуктивният ток ще бъде нулев за част от последователността на превключване.

Това би било очевидно от формите на вълните, представени на Фигура 3, тъй като нивото на пика до пик на пулсационния ток не може да се промени с изходния ток на натоварване.

В етап на усилващо усилване, ако токът на индуктора се опита да падне под нулата, той просто спира на нула (поради еднопосочното движение на тока в CR1) и продължава там до началото на последващото превключващо действие. Този работен режим е известен като прекъснат режим на проводимост.

Енергийният етап на работа на усилващата верига в прекъснат формат на проводимост притежава три отличителни състояния през всеки цикъл на превключване за разлика от 2 състояния за непрекъснат формат на проводимост.

Токовото състояние на индуктора, в което степента на мощност е в периферията между непрекъснатата и прекъсната настройка, е представена на Фигура 4.

При това индукторният ток просто се срива до нула, докато следващият цикъл на превключване започва точно след като токът достигне нула. Забележете, че стойностите на IO и IO (Crit) са изложени на Фигура 4, тъй като IO и IL включват противоположни полярности.

По-нататъшното понижаване на изходния ток на натоварване поставя степента на мощност в режим на непрекъсната проводимост. Това условие е изобразено на фигура 5.

Честотната характеристика на непрекъснатия режим на мощност е доста различна от честотната характеристика на непрекъснатия режим, представена в сегмента Buck-Boost Power Stage Modeling. Освен това, връзката вход към изход е доста разнообразна, както е представено в тази деривация на страницата:

За да започнете извеждането на съотношението на превключване на напрежението на напрежението на етапа на прекъсване на проводимостта в режим на прекъсване, припомнете си, че имате три отличителни състояния, които преобразувателят взема предвид чрез функционалността на режима на прекъсната проводимост.

ON състоянието е, когато Q1 е ON и CR1 е OFF. Изключеното състояние е, когато Q1 е OFF и CR1 е ON. Състоянието на празен ход е, когато всеки Q1 и CR1 са изключени. Първоначалните две условия много приличат на ситуацията в непрекъснат режим и веригите от фигура 2 са подходящи, освен тази TOFF ≠ (1-D) × TS. Останалата част от последователността на превключване е състояние на празен ход.

Освен това постояннотоковото съпротивление на изходния индуктор, спадът на напрежението на изходния диод, както и спадът на напрежението в захранващото състояние на MOSFET обикновено се считат за достатъчно малки, за да се пренебрегнат.

Периодът от време в състояние ON е TON = D × TS, където D е дебитният цикъл, фиксиран от управляващата верига, посочен като отношение на времето на включване към времето на една пълна последователност на превключване, Ts. Дължината на състоянието OFF е TOFF = D2 × TS. Периодът на празен ход е останалата част от модела на превключване, който е представен като TS - TON - TOFF = D3 × TS. Тези периоди са издържани с формите на вълната на Фигура 6.

Без проверка на изчерпателното описание, уравненията за нарастване и спадане на тока на индуктора са изброени по-долу. Повишаването на тока на индуктора по време на включено състояние се издава от:

Количеството ток на пулсации, ΔIL (+), също е пиковият ток на индуктора, Ipk, тъй като в непрекъснат режим токът започва при 0 на всеки цикъл. Намаляването на тока на индуктора в хода на състоянието OFF е представено чрез:

Точно като ситуацията с режим на непрекъсната проводимост, нарастването на тока, ΔIL (+), по време на времето за включване и намаляването на тока, докато е във времето на изключване, ΔIL (-), са идентични. По този начин и двете уравнения могат да бъдат приравнени и адресирани към VO, за да получи началната част на две уравнения, които да бъдат използвани за решаване на съотношението на преобразуване на напрежението:

След това определяме изходния ток (изходното напрежение VO, разделено на изходното натоварване R). Това е средната стойност за една превключваща последователност на индуктивния ток по това време, когато CR1 става проводящ (D2 × TS).

Тук заменете връзката за IPK (ΔIL (+)) в горното уравнение, за да придобиете:

Следователно имаме две уравнения, едното за изходния ток (VO, разделено на R), току-що получено, и това за изходното напрежение, и двете по отношение на VI, D и D2. В този момент разгадаваме всяка формула за D2, както и фиксираме двете уравнения наравно едно с друго.

Използвайки полученото уравнение, може да се получи илюстрация за изходното напрежение, VO. Прекъснатата проводимост на преобразуване на напрежението с напрежение на напрежение е написана от:

Горната връзка показва едно от основните различия между двата режима на проводимост. За режим на непрекъсната проводимост, връзката на промяната на напрежението е функция на входното напрежение, работния цикъл, индуктивността на степенната мощност, честотата на превключване и съпротивлението на изходното натоварване.

При режим на непрекъсната проводимост връзката за превключване на напрежението се влияе само от входното напрежение и работния цикъл. В традиционните приложения степента на усилващо усилване се изпълнява в избор между режим на непрекъсната проводимост или режим на непрекъсната проводимост. За конкретна употреба се избира един режим на проводимост, докато степента на мощност е направена, за да поддържа идентичния режим.