Однако процесс всегда сохраняет соотношение P = I x V, что означает, что по мере того, как на выходе преобразователя увеличивается входное напряжение, на выходе пропорционально уменьшается ток, что приводит к тому, что выходная мощность почти всегда равна входной. мощность или меньше, чем входная мощность.
Как работает повышающий преобразователь
Повышающий преобразователь - это разновидность импульсного источника питания или импульсного источника питания, который в основном работает с двумя активными полупроводниками (транзистором и диодом) и с минимум одним пассивным компонентом в виде конденсатора или катушки индуктивности, либо с обоими для большей эффективности.Катушка индуктивности здесь в основном используется для повышения напряжения, а конденсатор вводится для фильтрации флуктуаций переключения и уменьшения пульсаций тока на выходе преобразователя.
Входной источник питания, который может потребоваться увеличить или увеличить, может быть получен от любого подходящего источника постоянного тока, такого как батареи, солнечные панели, генераторы на базе двигателей и т. Д.
Принцип работы
Катушка индуктивности в повышающем преобразователе играет важную роль в повышении входного напряжения.
Решающий аспект, который становится ответственным за активацию повышающего напряжения от индуктора, связан с его присущим ему свойством сопротивляться или противодействовать внезапно индуцированному току через него, а также из-за его реакции на это с созданием магнитного поля и последующим разрушением магнитного поля. поле. Разрушение приводит к высвобождению накопленной энергии.
Этот описанный выше процесс приводит к сохранению тока в катушке индуктивности и отбрасыванию этого сохраненного тока на выходе в форме обратной ЭДС.
Схема драйвера релейного транзистора может считаться отличным примером схемы повышающего преобразователя. Обратный диод, подключенный к реле, вводится для короткого замыкания обратной обратной ЭДС от катушки реле и для защиты транзистора всякий раз, когда он выключается.
Если этот диод удален и диодный конденсаторный выпрямитель подключен к коллектору / эмиттеру транзистора, повышенное напряжение с катушки реле может быть собрано на этом конденсаторе.
Процесс в конструкции повышающего преобразователя приводит к выходному напряжению, которое всегда выше входного.
Конфигурация повышающего преобразователя
Обращаясь к следующему рисунку, мы можем увидеть стандартную конфигурацию повышающего преобразователя, рабочий образец можно понять, как указано ниже:Когда показанное устройство (которое может быть любым стандартным силовым BJT или МОП-транзистором) включено, ток от входного источника попадает в катушку индуктивности и течет по часовой стрелке через транзистор, завершая цикл на отрицательном конце входного источника питания.
Во время вышеупомянутого процесса индуктор испытывает внезапное введение тока через себя и пытается противостоять притоку, что приводит к накоплению некоторого количества тока в нем за счет генерации магнитного поля.
В следующей последовательности, когда транзистор выключен, проводимость тока прерывается, что снова вызывает внезапное изменение уровня тока на катушке индуктивности. Катушка индуктивности реагирует на это, отбрасывая или высвобождая накопленный ток. Поскольку транзистор находится в положении ВЫКЛЮЧЕНО, эта энергия проходит через диод D и через показанные выходные клеммы в виде напряжения обратной ЭДС.
Индуктор выполняет это, разрушая магнитное поле, которое было создано в нем ранее, когда транзистор находился в режиме включения.
Однако вышеописанный процесс высвобождения энергии реализуется с противоположной полярностью, так что входное напряжение питания теперь становится последовательным с напряжением обратной ЭДС индуктора. И, как мы все знаем, когда источники питания соединяются последовательно, их сетевое напряжение складывается, чтобы получить больший общий результат.
То же самое происходит в повышающем преобразователе во время режима разряда индуктора, создавая выходной сигнал, который может быть объединенным результатом напряжения обратной ЭДС индуктора и существующего напряжения питания, как показано на диаграмме выше.
Это комбинированное напряжение приводит к усиленному выходу или повышенному выходу, который проходит через диод D и конденсатор C, чтобы в конечном итоге достичь подключенной нагрузки.
Конденсатор C играет здесь довольно важную роль, во время режима разряда катушки индуктивности конденсатор C накапливает в нем высвобожденную объединенную энергию, а во время следующей фазы, когда транзистор снова отключается, а катушка индуктивности находится в режиме накопления, конденсатор C пытается для поддержания равновесия за счет подачи собственной накопленной энергии на нагрузку. См. Рисунок ниже.
Это обеспечивает относительно стабильное напряжение для подключенной нагрузки, которая может получать питание как во время включения, так и в периоды выключения транзистора.
Если C не включен, эта функция отменяется, что приводит к снижению мощности нагрузки и снижению эффективности.
Вышеописанный процесс продолжается, когда транзистор включается / выключается с заданной частотой, поддерживая эффект повышающего преобразования.
Режимы работы
Повышающий преобразователь может в основном работать в двух режимах: в непрерывном режиме и в прерывистом режиме.В непрерывном режиме ток катушки индуктивности никогда не может достигать нуля во время процесса разрядки (пока транзистор выключен).
Это происходит, когда время включения / выключения транзистора рассчитано таким образом, что индуктор всегда быстро подключается обратно к входному источнику питания через включенный транзистор, прежде чем он сможет полностью разрядиться через нагрузку и конденсатор C.
Это позволяет катушке индуктивности постоянно вырабатывать повышающее напряжение с эффективной скоростью.
В прерывистом режиме время включения транзистора может быть настолько большим, что катушка индуктивности может полностью разряжаться и оставаться в неактивном состоянии между периодами включения транзистора, создавая огромные пульсации напряжения на нагрузке и конденсаторе C.
Это может сделать вывод менее эффективным и с большим количеством колебаний.
Лучший подход - рассчитать время включения / выключения транзистора, которое дает максимально стабильное напряжение на выходе, что означает, что нам нужно убедиться, что катушка индуктивности переключена оптимальным образом, чтобы она не включалась слишком быстро, что может не позволить ей разрядиться. оптимально, и не включайте его слишком поздно, что может истощить его неэффективную точку.
Расчет, индуктивность, ток, напряжение и рабочий цикл в повышающем преобразователе
Здесь мы обсудим только непрерывный режим, который является предпочтительным способом работы повышающего преобразователя, давайте оценим вычисления, связанные с повышающим преобразователем в непрерывном режиме:Пока транзистор находится во включенной фазе, входное напряжение источника (
) подается на катушку индуктивности, вызывая ток ( 
) накапливаются через катушку индуктивности в течение периода времени, обозначенного (t). Это можно выразить следующей формулой: ΔIL / Δt = Вт / л
К тому времени, когда состояние ВКЛ транзистора вот-вот закончится, и транзистор вот-вот выключится, ток, который должен накапливаться в катушке индуктивности, можно определить по следующей формуле:
ΔIL (вкл.) = 1 / L 0ʃDT
или
Ширина = DT (Vi) / L
Где D - рабочий цикл. Чтобы понять его определение, вы можете обратиться к нашему предыдущему б. пост, связанный с конвертером uck
L обозначает значение индуктивности катушки индуктивности по Генри.
Теперь, когда транзистор находится в выключенном состоянии, и если мы предположим, что диод обеспечивает минимальное падение напряжения на нем, а конденсатор C достаточно большой, чтобы обеспечивать почти постоянное выходное напряжение, то выходной ток (
) можно вывести с помощью следующего выражения Vi - Vo = LdI / dt
Также текущие вариации (
), которые могут возникнуть на катушке индуктивности во время ее разрядки (состояние транзистора выключено), можно представить как: ΔIL (выкл.) = 1 / L x DTʃT (Vi - Vo) dt / L = (Vi - Vo) (1 - D) T / L
Предполагая, что преобразователь может работать в относительно устойчивых условиях, величину тока или энергии, накопленной внутри катушки индуктивности на протяжении цикла коммутации (переключения), можно считать устойчивой или с одинаковой скоростью, это можно выразить как:
E = ½ L x 2IL
Вышеупомянутое также подразумевает, что, поскольку ток в течение периода коммутации или в начале состояния ВКЛ и в конце состояния ВЫКЛ должен быть одинаковым, их результирующее значение изменения текущего уровня должно быть нулевым, поскольку выражено ниже:
ΔIL (вкл.) + ΔIL (выкл.) = 0
Если мы подставим значения ΔIL (вкл.) И ΔIL (выкл.) В приведенную выше формулу из предыдущих выводов, мы получим:
IL (вкл.) - ΔIL (выкл.) = Vidt / L + (Vi - Vo) (1 - D) T / L = 0
Дальнейшее упрощение дает следующий результат: Vo / Vi = 1 / (1 - D)
или
Vo = Vi / (1 - D)
Вышеприведенное выражение ясно указывает на то, что выходное напряжение в повышающем преобразователе всегда будет выше, чем входное напряжение питания (во всем диапазоне рабочего цикла от 0 до 1).
Перемешивая члены в приведенном выше уравнении, мы получаем уравнение для определения рабочего цикла в рабочем цикле повышающего преобразователя.
D = 1 - Vo / Vi
Приведенные выше оценки дают нам различные формулы для определения различных параметров, участвующих в работе повышающего преобразователя, которые можно эффективно использовать для расчета и оптимизации точной конструкции повышающего преобразователя.
Расчет ступени мощности повышающего преобразователя
Для расчета ступени мощности повышающего преобразователя необходимы следующие 4 правила:
1. Диапазон входного напряжения: Vin (мин.) И Vin (макс.)
2. Минимальное выходное напряжение: Vout
3. Максимальный выходной ток: Iout (макс.)
4. Схема ИС, используемая для создания повышающего преобразователя.
Это часто является обязательным просто потому, что для расчетов должны быть сделаны определенные схемы, которые не могут быть упомянуты в таблице данных.
Если эти ограничения известны, приближение силового каскада обычно
происходит.
Оценка максимального тока переключения
Первичным шагом для определения коммутируемого тока будет определение рабочего цикла D для минимального входного напряжения. Минимальное входное напряжение используется в основном потому, что это приводит к максимальному току переключения.
D = 1 - {Vin (мин) x n} / Vout ---------- (1)
Vin (min) = минимальное входное напряжение
Vout = требуемое выходное напряжение
n = КПД преобразователя, например ожидаемое значение может составлять 80%
Эффективность включается в расчет рабочего цикла просто потому, что преобразователь должен также отображать рассеиваемую мощность. Эта оценка предлагает более разумный рабочий цикл по сравнению с формулой без коэффициента эффективности.
Нам нужно, возможно, разрешить примерно 80% -ный допуск (это может быть непрактичным для повышения
КПД преобразователя в худшем случае), следует учитывать или, возможно, обратиться к разделу Стандартные характеристики в техническом паспорте выбранного преобразователя
Расчет тока пульсации
Последующее действие для вычисления максимального тока переключения будет заключаться в вычислении тока пульсаций индуктора.
В техническом описании преобразователя обычно упоминается конкретная катушка индуктивности или множество катушек индуктивности, с которыми можно работать с ИС. Следовательно, мы должны либо использовать предложенное значение индуктивности для расчета тока пульсаций, если ничего не представлено в таблице данных, либо рассчитанное в списке индукторов.
S выбор данной инструкции по применению для расчета ступени мощности повышающего преобразователя.
Дельта I (l) = {Vin (мин) x D} / f (s) x L ---------- (2)
Vin (min) = наименьшее входное напряжение
D = рабочий цикл, измеренный в уравнении 1
f (s) = наименьшая частота коммутации преобразователя
L = предпочтительное значение индуктивности
Впоследствии необходимо установить, сможет ли предпочтительная ИС обеспечить оптимальный выход.
Текущий.
Iout (max) = [I lim (min) - Delta I (l) / 2] x (1 - D) ---------- (3)
I lim (min) = минимальное значение
текущее ограничение задействованного переключателя (выделено в данных
простынь)
Delta I (l) = ток пульсации индуктора, измеренный в предыдущем уравнении
D = рабочий цикл, рассчитанный в первом уравнении
В случае, если расчетное значение оптимального выходного тока выбранной IC, Iout (max), ниже ожидаемого максимального выходного тока системы, действительно необходимо использовать альтернативную IC с немного более высоким управлением током переключения.
При условии, что измеренное значение для Iout (max), вероятно, на оттенок меньше ожидаемого, вы можете применить набранную ИС с индуктором с большей индуктивностью, когда он все еще находится в предписанной серии. Большая индуктивность уменьшает ток пульсаций, следовательно, увеличивает максимальный выходной ток с конкретной ИС.
Если установленное значение выше наилучшего выходного тока программы, вычисляется наибольший коммутируемый ток в оборудовании:
Isw (макс.) = Delta I (L) / 2 + Iout (макс.) / (1 - D) --------- (4)
Delta I (L) = ток пульсации индуктора, измеренный во втором уравнении
Iout (макс.) = Оптимальный выходной ток, необходимый для электросети
D = рабочий цикл, измеренный ранее
Фактически, это оптимальный ток, которому должны противостоять индуктор, включенный (ые) переключатель (ы) в дополнение к внешнему диоду.
Выбор индуктора
Иногда в технических паспортах приводятся многочисленные рекомендуемые значения индуктивности. В такой ситуации вам следует предпочесть катушку индуктивности с этим диапазоном. Чем больше значение индуктивности, тем выше максимальный выходной ток, в основном из-за уменьшения тока пульсаций.
Чем меньше значение индуктора, тем меньше размер решения. Имейте в виду, что катушка индуктивности действительно должна всегда иметь более высокий номинальный ток в отличие от максимального тока, указанного в уравнении 4, из-за того, что ток увеличивается с уменьшением индуктивности.
Для элементов, у которых не указан диапазон индуктивности ls, следующее изображение представляет собой надежный расчет для подходящего индуктора.
L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (L) x f (s) x Vout --------- (5)
Vin = стандартное входное напряжение
Vout = предпочтительное выходное напряжение
f (s) = минимальная частота коммутации преобразователя
Delta I (L) = предполагаемый ток пульсаций индуктора, см. Ниже:
Ток пульсации индуктора просто не может быть измерен с помощью первого уравнения только потому, что индуктор не распознается. Звуковое приближение для тока пульсации индуктора составляет от 20% до 40% выходного тока.
Дельта I (L) = (от 0,2 до 0,4) x Iout (макс.) X Vout / Vin ---------- (6)
Delta I (L) = прогнозируемый ток пульсации индуктора
Iout (max) = оптимальный выход
ток, необходимый для приложения
Определение выпрямительного диода
Чтобы снизить потери, диоды Шоттки действительно нужно считать хорошим выбором.
Расчетный прямой ток, который считается необходимым, соответствует максимальному выходному току:
I (f) = Iout (макс) ---------- (7)
I (f) = типичный
прямой ток выпрямительного диода
Iout (max) = оптимальный выходной ток, важный для программы
Диоды Шоттки имеют значительно больший пиковый ток по сравнению с нормальным номиналом. Поэтому повышенный пиковый ток в программе не вызывает большого беспокойства.
Второй параметр, который необходимо контролировать, - это рассеиваемая мощность диода. Он состоит из:
P (d) = I (f) x V (f) ---------- (8)
I (f) = средний прямой ток выпрямительного диода
V (f) = прямое напряжение выпрямительного диода
Настройка выходного напряжения
Большинство преобразователей распределяют выходное напряжение с помощью резистивного делителя цепи (который может быть встроенесли это стационарные преобразователи выходного напряжения).
При заданном напряжении обратной связи V (fb) и токе смещения обратной связи I (fb) делитель напряжения имеет тенденцию быть
вычислено.
Ток с помощью резистивного делителя, возможно, мог бы быть примерно в сто раз больше, чем ток смещения обратной связи:
I (r1 / 2)> или = 100 x I (fb) ---------- (9)
I (r1 / 2) = ток в процессе резистивного делителя на GND
I (fb) = ток смещения обратной связи из таблицы данных
Это увеличивает погрешность оценки напряжения менее 1%. Кроме того, сила тока значительно больше.
Основная проблема с меньшими номиналами резисторов - это повышенные потери мощности в резистивном делителе, за исключением того, что актуальность может быть несколько повышена.
Исходя из вышеуказанного убеждения, резисторы разработаны, как указано ниже:
R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (10)
R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (11)
R1, R2 = резистивный делитель.
V (fb) = напряжение обратной связи из таблицы данных
I (r1 / 2) = ток, обусловленный резистивным делителем на GND, установленный в уравнении 9
Vout = планируемое выходное напряжение
Выбор входного конденсатора
Наименьшее значение для входного конденсатора обычно указывается в техническом паспорте. Это наименьшее значение имеет жизненно важное значение для стабильного входного напряжения, поскольку импульсный источник питания требует пикового тока.
Наиболее подходящим методом является использование керамических конденсаторов с пониженным эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR).
Диэлектрический элемент должен быть X5R или выше. В противном случае конденсатор может потерять большую часть своей емкости из-за смещения постоянного тока или температуры (см. Ссылки 7 и 8).
Фактически, значение может быть увеличено, если входное напряжение слишком шумное.
Выбор выходного конденсатора
Лучший способ - установить конденсаторы с малым сопротивлением последовательному сопротивлению, чтобы уменьшить пульсации выходного напряжения. Керамические конденсаторы являются правильным типом, если диэлектрический элемент типа X5R или более эффективен.В случае, если преобразователь имеет внешнюю компенсацию, может быть применено любое значение конденсатора, превышающее минимально рекомендованное в таблице данных, но каким-то образом компенсацию необходимо изменить для выбранной выходной емкости.
При использовании преобразователей с внутренней компенсацией, рекомендуемые значения индуктивности и конденсатора должны быть адаптированы, или информация в техническом описании для адаптации выходных конденсаторов может быть принята с соотношением L x C.
При вторичной компенсации следующие уравнения могут помочь в регулировании значений выходного конденсатора для запланированных пульсаций выходного напряжения:
Cout (мин) = Iout (макс) x D / f (s) x Delta Vout ---------- (12)
Cout (min) = наименьшая выходная емкость
Iout (max) = оптимальный выходной ток при использовании
D = рабочий цикл, рассчитанный по уравнению 1
f (s) = наименьшая частота коммутации преобразователя
Delta Vout = идеальная пульсация выходного напряжения
ESR выходного конденсатора увеличивает пульсацию, предварительно заданную уравнением:
Delta Vout (ESR) = ESR x [Iout (max) / 1 -D + Delta I (l) / 2] ---------- (13)
Delta Vout (ESR) = пульсации альтернативного выходного напряжения, вызванные ESR конденсаторов
ESR = эквивалентное последовательное сопротивление используемого выходного конденсатора
Iout (max) = максимальный выходной ток использования
D = рабочий цикл, вычисленный в первом уравнении
Дельта I (l) = ток пульсации индуктора из уравнения 2 или 6
Уравнения для оценки ступени мощности повышающего преобразователя
Максимальный рабочий цикл: D = 1 - Вино (мин) x n / Vвых ---------- (14)
Vin (min) = наименьшее входное напряжение
Vout = ожидаемое выходное напряжение
n = КПД преобразователя, например приблизительно 85%
Ток пульсации индуктора:
Дельта I (l) = Vin (мин) x D / f (s) x L ---------- (15)
Vin (min) = наименьшее входное напряжение
D = рабочий цикл, установленный в уравнении 14
f (s) = номинальная частота коммутации преобразователя
L = указанное значение индуктивности
Максимальный выходной ток номинальной ИС:
Iout (макс.) = [Ilim (min) - Delta I (l)] x (1 - D) ---------- (16)Ilim (min) = наименьшее значение ограничения тока встроенного выключателя (предлагается в техническом паспорте)
Delta I (l) = ток пульсации индуктора, установленный в уравнении 15
D = рабочий цикл, оцененный в уравнении 14
Максимальный ток переключения для конкретного приложения:
Isw (макс.) = Delta I (l) / 2 + Iout (макс.) / (1 - D) ---------- (17)Delta I (l) = ток пульсации индуктора, оцененный по уравнению 15
Iout (max), = максимально возможный выходной ток, требуемый в электросети
D = рабочий цикл, вычисленный в уравнении 14
Приближение индуктора:
L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (l) x f (s) x Vout ---------- (18)Vin = общее входное напряжение
Vout = планируемое выходное напряжение
f (s) = наименьшая частота коммутации преобразователя
Дельта I (l) = предполагаемый ток пульсаций индуктора, см. Уравнение 19.
Оценка тока пульсации индуктора:
Дельта I (l) = (от 0,2 до 0,4) x Iout (макс.) X Vout / Vin ---------- (19)Delta I (l) = прогнозируемый ток пульсации индуктора
Iout (max) = самый высокий выходной ток, важный при использовании
Типичный прямой ток выпрямительного диода:
I (f) = Iout (макс.) ---------- (20)
Iout (max) = оптимальный выходной ток, подходящий для электросети
Рассеивание мощности в выпрямительном диоде:
P (d) = I (f)
x V (f) ---------- (21)
I (f) = типичный прямой ток выпрямительного диода
V (f) = прямое напряжение выпрямительного диода
Ток при использовании резистивного делителя для позиционирования выходного напряжения:
I (r1 / 2)> или = 100 x I (fb) ---------- (22)I (fb) = ток смещения обратной связи из таблицы данных
Значение резистора между выводом FB и GND:
R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (23)
Значение резистора между выводом FB и Vout:
R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (24)
V (fb) = напряжение обратной связи из таблицы данных
I (r1 / 2) = ток
из-за резистивного делителя на GND, вычисленного в уравнении 22
Vout = искомое выходное напряжение
Наименьшая выходная емкость, в противном случае предварительно заданная в технических данных:
Cout (min) = Iout (max) x D / f (s) x Delta I (l) ---------- (25)
Iout (max) = максимально возможный выходной ток программы
D = рабочий цикл, вычисленный в уравнении 14
f (s) = наименьшая частота коммутации преобразователя
Delta Vout = ожидаемые пульсации выходного напряжения
Повышенная пульсация выходного напряжения из-за ESR:
Delta Vout (esr) = ESR x [Iout (max) / (1 - D) + Delta I (l) / 2 ---------- (26)
ESR = параллельное последовательное сопротивление используемого выходного конденсатора
Iout (max) = оптимальный выходной ток при использовании
D = рабочий цикл, определенный в уравнении 14
Дельта I (l) = ток пульсации индуктора из уравнения 15 или 19.
Предыдущая: Сделайте этот электрический самокат / схему рикши Далее: Расчет индуктивности в понижающих повышающих преобразователях
