Како функционишу Буцк-Боост кругови

Сви смо чули пуно о доводним и појачаним круговима и знамо да се у основи ови кругови користе у СМПС дизајну за појачавање или спуштање датог напона на улазу. Занимљивост ове технологије је да омогућава горње функције са занемарљивом производњом топлоте што резултира изузетно ефикасним конверзијама.

Шта је Буцк-Боост, како то функционише

Научимо концепт у првом одељку без укључивања много техничких детаља, тако да постаје лакше разумети шта је тачно појам буцк боост чак и за почетнике.

Међу три темељне топологије под називом буцк, боост и буцк-боост, трећа је популарнија јер омогућава обе функције (буцк боост) да се користе у једној конфигурацији само променом улазних импулса.

У буцк-боост топологији првенствено имамо електронску склопну компоненту која може бити у облику транзистора или МОСФЕТ-а. Ова компонента се пребацује путем пулсирајућег сигнала из интегрисаног кола осцилатора.

Поред горе наведене склопне компоненте, круг има индуктор, диоду и кондензатор као главне састојке.

Сви ови делови су поређани у облику који се може видети на следећем дијаграму:

Позивајући се на горњи дијаграм појачања буцк-а, мосфет је део који прима импулсе који га приморава да ради под два услова: ОН и ОФФ.

Током укљученог стања улазна струја добија јасан пут кроз МОСФЕТ и тренутно покушава да се пробије кроз индуктор, будући да је диода позиционирана у обрнутом пристрасном стању.

Индуктор због свог својственог својства покушава да ограничи нагло наношење струје и у компензационом одзиву складишти неку количину струје у себи.

Чим се мосфет искључи, он прелази у стање ИСКЉУЧАВАЊА и блокира сваки пролаз улазне струје.

Поново индуктор није у стању да се носи са овом изненадном променом струје са задате величине на нулу, и као одговор да то компензује, он враћа своју ускладиштену струју преко диоде преко излаза кола.

У том процесу струја се такође складишти у кондензатору.

Током следећег УКЉУШЕНОГ стања МОСФЕТ-а, циклус се понавља као горе, међутим, без струје доступне из индуктора, кондензатор празни ускладиштену енергију у излаз што помаже у одржавању излаза стабилним до оптимизованог степена.

Можда се питате који фактор одлучује о резултатима БУЦК или БООСТ на излазу? Прилично је једноставно, зависи од тога колико дуго мосфет-у остаје да остане у укљученом или искљученом стању.

Са повећањем времена укључења МОСФЕТ-а, склоп почиње да се трансформише у Боост претварач, док са искљученим МОСФЕТ-ом које прелази његово време укључивања, склоп се понаша као Буцков претварач.

Стога се улаз у МОСФЕТ може извршити кроз оптимизовано ПВМ коло за добијање потребних прелаза кроз исти круг.

Техничко истраживање топологије Буцк / Боост у СМПС круговима:

Као што је размотрено у горњем одељку, три основне топологије које се популарно користе са напајањем у режиму прекидача су бацк, боост и буцк боостерс.

Они су у основи неизолирани у којима ступањ улазне снаге дели заједничку базу са одељком излазне снаге. Наравно, могли бисмо наћи и изоловане верзије, мада прилично ретке.

Горе изражене три топологије могу се јединствено разликовати у зависности од њихових ексклузивних својстава. Својства се могу идентификовати као односи претворбе напона у стабилном стању, природа улазне и излазне струје и карактер мрешкања излазног напона.

Поред тога, фреквенцијски одзив радног циклуса на извођење излазног напона може се сматрати једним од важних својстава.

Међу горе поменуте три топологије, најпожељнија је буцк-боост топологија, јер омогућава излазу да ради на напонима мањим од улазног напона (режим буцк), а такође производи и напоне изнад улазног напона (режим појачања).

Међутим, излазни напон се увек може постићи супротним поларитетом од улаза, што не ствара никакве проблеме.

Примењена улазна струја на претварач појачаног појачања је облик пулсирајуће струје услед пребацивања придруженог прекидача за напајање (К1).

Овде се струја пребацује са нуле на л током сваког импулсног циклуса. Исто важи и за излаз и добијамо пулсирајућу струју због повезане диоде која води само у једном смеру, узрокујући ОН и ОФФ пулсирајућу ситуацију током циклуса пребацивања .

Кондензатор је одговоран за пружање компензационе струје када је диода у искљученом или обрнуто пристрасном стању током циклуса пребацивања.

Овај чланак објашњава функцију стабилног стања претварача са појачаним појачањем у континуираном и прекидном режиму рада са представљеним примерним таласним облицима.

Функција размене напона између радног циклуса и излаза представљена је након увођења дизајна ПВМ прекидача.

Слика 1, поједностављена шема степена појачане снаге са додатим блоком погонског кола. Прекидач за напајање, К1, је н-канални МОСФЕТ. Излазна диода је ЦР1.

Пригушница Л и кондензатор Ц чине ефикасно излазно филтрирање. Кондензатор ЕСР, РЦ (еквивалентни серијски отпор) и једносмерни отпор индуктора РЛ анализирани су у. Отпорник Р одговара оптерећењу идентификованом излазом степена снаге.

Током редовне функционалности степена појачане снаге, К1 се непрестано укључује и искључује са временима укључивања и искључивања којима управља контролни круг.

Ово понашање пребацивања омогућава ланцу импулса на споју К1, ЦР1 и Л.

Иако је индуктор Л повезан са излазним кондензатором Ц, ако само ЦР1 проводи, успоставља се успешан Л / Ц излазни филтер. Чисти сукцесију импулса да би резултирао једносмерним излазним напоном.

Анализа стационарног стања фазе Буцк-Боост

Ступањ снаге може функционисати у непрекидном или прекидном подешавању струје индуктора. Стални режим струје индуктора се идентификује струјом непрекидно у индуктору преко преклопне секвенце у стационарном процесу.

Прекидни начин рада индукторске индуктивности идентификује се по томе што струја индуктивитета остаје нула за један део циклуса укључивања. Почиње на нули, протеже се до максималне вредности и враћа се на нулу током сваког преклопног обрасца.

Две различите методе су касније поменуте са много већим детаљима и представљени су предлози модела за вредност индуктора да би се одржао изабрани начин функционалности како су представљене могућности називног оптерећења. Прилично је повољно да претварач буде у једном формату само у предвиђеним околностима функционисања, јер се фреквенцијски одзив степена снаге значајно мења између две различите технике рада.

Са овом проценом, користи се н-канални МОСФЕТ напајања, а позитивни напон, ВГС (ОН), преко управљачког круга напаја се од капије до стезаљки извора К1 да би се укључио ФЕТ. Предност употребе н-каналног ФЕТ-а је нижи РДС (укључен), међутим контролни круг је незгодан јер суспендовани погон постаје неопходан. За идентичне димензије пакета, п-канални ФЕТ поседује већи РДС (укључен), али типично можда неће бити потребан плутајући погонски круг.

Транзистор К1 и диода ЦР1 су илустровани унутар контуре испрекидане линије са стезаљкама означеним а, п и ц. О томе се детаљно говори у делу Буцк-Боост Повер Стаге Моделинг.

Анализа режима континуираног провођења Буцк-Боост-а у сталном стању

Следи опис појачавања буцк-а у устаљеном режиму континуалног провођења. Примарни циљ овог сегмента био би представити извођење односа трансформације напона за фазу појачане доводне снаге са непрекидним проводљивим режимом.

То ће бити значајно јер указује на начин на који се излазни напон одређује радним циклусом и улазним напоном или, напротив, како се може одредити радни циклус у зависности од улазног напона и излазног напона.

Стационарно стање значи да су улазни напон, излазни напон, струја излазног оптерећења и радни циклус константни за разлику од варирања. Велика слова се обично дају променљивим налепницама како би се предложило стање стабилног стања. У режиму непрекидне проводљивости, претварач са појачаним појачањем узима неколико стања по преклопном циклусу.

Укључено стање је сваки пут када је К1 УКЉУЧЕН, а ЦР1 ИСКЉУЧЕН. Искључено стање је сваки пут када је К1 ИСКЉУЧЕН, а ЦР1 УКЉУЧЕН. Лако линеарно коло могло би да симболизује свако од два стања у којима су прекидачи у колу замењени њиховим одговарајућим кругом у току сваког стања. Шема кола за сваки од два услова представљена је на слици 2.

Период стања укључености је Д × ТС = ТОН у коме је Д радни циклус, фиксиран погонским кругом, приказан у облику односа периода укључења прекидача и периода једне пуне секвенце укључивања, Тс.

Дужина искљученог стања позната је као ТОФФ. Будући да се може наћи само неколико услова по преклопном циклусу за режим континуираног провођења, ТОФФ је једнако (1-Д) × ТС. Величина (1-Д) се повремено назива Д ’. Ови периоди су представљени заједно са таласним облицима на слици 3.

Гледајући слику 2, током укљученог стања К1 нуди смањени отпор, РДС (укључен), од свог одвода до извора и манифестује мањи пад напона ВДС = ИЛ × РДС (укључен).

Поред тога, постоји мали пад напона на једносмерном отпору индуктора једнак ИЛ × РЛ.

На тај начин се улазни напон, ВИ, минус дефицити (ВДС + ИЛ × РЛ), ставља преко индуктора, Л. ЦР1 је ИСКЉУЧЕН у овом периоду, јер би био обрнуто пристран.

Струја индуктора, ИЛ, пролази од улазног напајања, ВИ, путем К1 и до земље. Током ОН стања, напон на индуктору је константан и једнак ВИ - ВДС - ИЛ × РЛ.

Следећи норму поларитета за струју ИЛ представљену на слици 2, струја пригушнице појачава се због изведеног напона. Даље, с обзиром да је примењени напон у основи доследан, струја индуктора расте линеарно. Ово појачавање струје индуктора током ТОН приказано је на слици 3.

Ниво појачања струје индуктора се обично одређује коришћењем облика добро познате формуле:

Пораст струје пригушнице током статуса ОН приказан је као:

Ова величина, ΔИЛ (+), назива се валовита струја индуктора. Даље, запазите да кроз овај интервал сваки бит излазне струје оптерећења улази у излазни кондензатор, Ц.

Позивајући се на Слику 2, док је К1 ИСКЉУЧЕН, нуди повећану импедансу од одвода до извора.

Сходно томе, с обзиром да струја која ради у индуктору Л не може тренутно да се прилагоди, струја се пребацује са К1 на ЦР1. Као резултат смањења струје индуктора, напон на индуктору мења поларитет док се исправљач ЦР1 не претвори у унапред пристрасан и не укључи.

Напон повезан преко Л претвара се у (ВО - Вд - ИЛ × РЛ) у коме је величина, Вд, предњи пад напона ЦР1. Струја пригушнице, ИЛ, у овом тренутку пролази од излазног кондензатора и отпорника оптерећења преко ЦР1 до негативне линије.

Приметите да поравнање ЦР1 и путања струје струје у пригушници значи да струја која ради у групирању излазних кондензатора и отпорника оптерећења доводи до тога да ВО буде минус напон. У стању ИСКЉУЧЕНО, напон повезан на индуктору је стабилан и једнак (ВО - Вд - ИЛ × РЛ).

Очувајући нашу конвенцију о истој поларности, овај прикључени напон је минус (или обрнути поларитет од повезаног напона током времена УКЉУЧЕЊА), због чињенице да је излазни напон ВО негативан.

Због тога се струја пригушнице смањује током времена ИСКЉУЧЕЊА. Даље, с обзиром да је прикључени напон у основи стабилан, струја индуктора се линеарно смањује. Ово смањење струје индуктора током ТОФФ-а приказано је на слици 3.

Смањење струје индуктора кроз ИСКЉУЧЕНО стање обезбеђује:

Ова величина, ΔИЛ (-), може се назвати валовитом струјом индуктора. У стабилним ситуацијама, пораст струје, ΔИЛ (+), током времена УКЉУЧИВАЊА и смањење струје кроз време ИСКЉУЧЕЊА, ΔИЛ (-), мора бити идентичан.

Иначе, струја индуктора може понудити свеукупно појачање или смањење из циклуса у циклус, што не би била стабилна околност.

Према томе, обе ове једначине могу се изједначити и разрадити за ВО да би стекао континуирану проводљивост у облику прекида напона са повећаним напоном:

Одређивање за ВО:

Поред замене ТС за ТОН + ТОФФ и применом Д = ТОН / ТС и (1-Д) = ТОФФ / ТС, једначина ВО у равнотежном стању је:

Имајте на уму да би у поједностављивању горе наведеног ТОН + ТОФФ требао бити сличан ТС. Ово може бити оригинално само за режим непрекидне проводљивости као што ћемо открити у процени прекида рада проводљивости. У овом тренутку требало би извршити суштинску контролу:

Учвршћивање две вредности ΔИЛ на међусобном нивоу је потпуно једнако изравнавању волт-секунди на индуктору. Волт-секунде употребљене на индуктору умножак су напона и периода на који се напон примењује.

Ово може бити најефикаснији начин за процену неидентификованих величина, на пример ВО или Д, у односу на уобичајене параметре кола, а овај приступ ће се често користити у овом чланку. Статилизација волт-секунде на индуктору је природан захтев и требало би је бар додатно схватити као Охмов закон.

У горњим једначинама за ΔИЛ (+) и ΔИЛ (-), излазни напон је имплицитно требало да буде конзистентан без икаквог напона мрешкања током времена УКЉУЧИВАЊА и периода ИСКЉУЧЕЊА.

Ово је прихваћено поједностављење и подразумева неколико појединачних исхода. Прво, верује се да је излазни кондензатор адекватно велик да је његова конверзија напона минимална.

Друго, сматра се да је напон ЕСР кондензатора минималан. Такве претпоставке су легитимне, јер ће напон наизменичног таласа дефинитивно бити знатно нижи од једносмерног дела излазног напона.

Горња промена напона за ВО показује истину да се ВО може прилагодити прецизним подешавањем радног циклуса, Д.

Ова веза се приближава нули док се Д приближава нули и расте без одредивања док се Д приближава 1. Типично поједностављење сматра да су ВДС, Вд и РЛ довољно мали да би их се могло занемарити. Успостављањем ВДС, Вд и РЛ на нулу, горња формула приметно поједностављује на:

Мање компликована, квалитативна метода за приказ рада кола би била разматрање индуктора као дела за складиштење енергије. Сваки пут када је К1 укључен, енергија се сипа преко индуктора.

Док је К1 искључен, индуктор враћа део своје енергије у излазни кондензатор и оптерећење. Излазни напон се регулише успостављањем времена К1. На пример, повећањем времена К1 на време појачава се количина снаге која се шаље на индуктор.

Додатна енергија се накнадно шаље на излаз током времена искључења К1 узрокујући пораст излазног напона. За разлику од степена доње снаге, типична величина струје пригушнице није иста као излазна струја.

Да бисте повезали индуктивну струју са излазном струјом, гледајући слике 2 и 3, имајте на уму да је индукторска струја на излазу само у искљученом стању степена снаге.

Ова просечна струја за целу секвенцу комутације једнака је излазној струји, јер би приближна струја у излазном кондензатору требала бити једнака нули.

Веза између просечне струје пригушнице и излазне струје за непрекидни режим појачања снаге појачања обезбеђује:

Следеће значајно становиште је чињеница да је типична струја индуктора пропорционална излазној струји, а будући да валовита струја индуктора, ΔИЛ, није повезана са струјом излазног оптерећења, минималне и највише вредности струје индуктора тачно прате просечну струју индуктора.

Као пример, ако просечна струја индуктора опадне за 2А услед смањења струје оптерећења, у том случају се најнижа и највиша вредност струје индуктора смањује за 2А (с обзиром на то да је режим непрекидне проводљивости сачуван).

Претходна процена била је за функцију степена појачане снаге у континуалном режиму струје индуктора. Следећи сегмент је објашњење стабилног стања функционалности у прекидном режиму проводљивости. Примарни исход је извођење односа конверзије напона за прекидни ступањ снаге појачаног напона проводљивости.

Процена Буцк-Боост равнотежног дисконтинуираног начина вођења

У овом тренутку испитујемо шта се дешава тамо где је струја оптерећења смањена и режим проводљивости се пребацује са континуираног на дисконтинуирани.

Запамтите за режим непрекидног вођења, просечна струја индуктора прати излазну струју, тј. У случају да се излазна струја смањи, у том случају ће и просечна струја индуктора.

Поред тога, најнижи и највиши врх индукторске струје тачно прате средњу струју индуктивитета. У случају да се излазна струја оптерећења смањи испод основног нивоа струје, струја пригушнице била би нула за део преклопног низа.

То би било очигледно из таласних облика приказаних на слици 3, јер ниво од врха до врха таласа струје није у могућности да се мења са излазном струјом оптерећења.

У фази појачаног појачања снаге, ако струја индуктора покуша да падне испод нуле, она се једноставно заустави на нули (због једносмерног кретања струје у ЦР1) и тамо наставља до почетка следећег пребацивања. Овај начин рада познат је као прекидни начин вођења.

Ступањ снаге који ради подмазивачки круг у дисконтинуираном формату проводљивости има три различита стања кроз сваки преклопни циклус за разлику од 2 стања за континуирани облик проводљивости.

Стање струје пригушнице у којем је ступањ снаге на периферији између континуираног и дисконтинуираног подешавања приказано је на слици 4.

У томе се индуктивна струја једноставно сруши на нулу, док следећи циклус пребацивања започиње непосредно након што струја достигне нулу. Приметите да су вредности ИО и ИО (Црит) изложене на слици 4, јер ИО и ИЛ укључују супротстављене поларитете.

Даље спуштање излазне струје оптерећења подешава ступањ снаге у прекидни образац вођења. Овај услов је нацртан на слици 5.

Фреквенцијски одзив прекида у режиму прекида са режимом прилично се разликује од фреквенцијског одзива у континуираном режиму који је представљен у сегменту Буцк-Боост Повер Стаге Моделинг. Поред тога, улазно-излазни прикључак је прилично разнолик како је приказано у овом изводу странице:

Да бисте започели извођење односа прекида напона степена појачаног појачања снаге у моду прекидне проводљивости, подсетите се да имате три различита стања која претварач узима у обзир путем функционалности прекинутог проводљивости.

Укључено стање је када је К1 УКЉУЧЕН, а ЦР1 ИСКЉУЧЕН. Искључено стање је када је К1 ИСКЉУЧЕН, а ЦР1 УКЉУЧЕН. Неактиван услов је када су сваки К1 и ЦР1 ИСКЉУЧЕНИ. Почетна два услова су врло слична ситуацији у континуираном режиму и кругови са слике 2 су релевантни, осим оног ТОФФ = (1-Д) × ТС. Остатак преклопне секвенце је у стању мировања.

Поред тога, једносмерни отпор излазне пригушнице, пад напона излазне диоде, као и пад напона у стању МОСФЕТ-а у ОН-стању обично би требало да буду довољно мали да се превиде.

Временски период стања ОН је ТОН = Д × ТС где је Д радни циклус, фиксиран управљачким кругом, назначен као однос времена укључивања и времена једне пуне секвенце укључивања, Тс. Дужина стања ОФФ је ТОФФ = Д2 × ТС. ПРАЗНИ период је остатак преклопног обрасца који је представљен као ТС - ТОН - ТОФФ = Д3 × ТС. Ови периоди се подносе са таласним облицима на слици 6.

Без провере свеобухватног описа, доле су набројане једначине за пораст и пад струје индуктора. Пораст струје пригушнице током стања укључености издаје:

Количина мрешкасте струје, ΔИЛ (+), такође је вршна струја индуктора, Ипк, јер у прекидном режиму струја почиње на 0 сваког циклуса. Смањење струје индуктора током ИСКЉУЧЕНОГ стања приказано је:

Баш као и ситуација у режиму континуираног провођења, пораст струје, ΔИЛ (+), током времена УКЉУЧИВАЊА и смањења струје током времена ИСКЉУЧИВАЊА, ΔИЛ (-), идентични су. Према томе, обе ове једначине могу се изједначити и адресирати за ВО да добије почетне две једначине које ће се користити за решавање односа конверзије напона:

Даље одређујемо излазну струју (излазни напон ВО подељен са излазним оптерећењем Р). То је просек током једног преклопног низа струје пригушнице у то време када ЦР1 постане проводљив (Д2 × ТС).

Овде замените везу за ИПК (ΔИЛ (+)) у горњу једначину да бисте стекли:

Стога имамо две једначине, једну за излазну струју (ВО подељену са Р) која је управо изведена и ону за излазни напон, обе у односу на ВИ, Д и Д2. У овом тренутку ћемо разоткрити сваку формулу за Д2, као и поправити две једначине једнаке другој.

Користећи резултујућу једначину, може се набавити илустрација за излазни напон, ВО. Припадност трансформације напона са појачаним појачањем напона проводљивости написала је:

Горња веза приказује једну од главних разлика међу два начина провођења. За режим прекида са непрекидном проводношћу, однос промене напона је функција улазног напона, радног циклуса, индуктивитета степена снаге, фреквенције пребацивања и отпора излазног оптерећења.

У режиму континуиране проводљивости, на везу за прелазак напона само утичу улазни напон и радни циклус. У традиционалним применама, степен појачане снаге се покреће избором између режима непрекидне проводљивости или режима прекида прекида. За одређену употребу, бира се један начин провођења док је ступањ снаге направљен да одржи идентичан режим.