Как работают схемы понижающего повышения

Все мы много слышали о схемах понижающего и повышающего напряжения и знаем, что в основном эти схемы используются в конструкциях SMPS для повышения или понижения заданного напряжения на входе. Интересным в этой технологии является то, что она позволяет выполнять указанные выше функции с незначительным тепловыделением, что приводит к чрезвычайно эффективному преобразованию.

Что такое Buck-Boost, как это работает

Давайте изучим концепцию в первом разделе, не вдаваясь в подробности, чтобы было легче понять, что такое концепция повышения доллара, даже новичку.

Среди трех основных топологий, названных понижающим, повышающим и понижающим-повышающим, более популярна третья, поскольку она позволяет использовать обе функции (понижающее усиление) в одной конфигурации, просто изменяя входные импульсы.

В повышающе-понижающей топологии у нас в основном есть электронный переключающий компонент, который может быть в виде транзистора или МОП-транзистора. Этот компонент переключается с помощью пульсирующего сигнала от схемы интегрального генератора.

Помимо вышеуказанного переключающего компонента, в схеме есть индуктор, диод и конденсатор в качестве основных компонентов.

Все эти части расположены в виде, который можно увидеть на следующей диаграмме:

Ссылаясь на приведенную выше диаграмму понижающего напряжения, МОП-транзистор - это часть, которая принимает импульсы, которые заставляют его работать в двух состояниях: состоянии включения и состоянии выключения.

Во включенном состоянии входной ток проходит через МОП-транзистор и мгновенно пытается пройти через катушку индуктивности, поскольку диод находится в состоянии обратного смещения.

Катушка индуктивности в силу присущих ей свойств пытается ограничить внезапное возникновение тока и в компенсирующем ответе сохраняет в себе некоторое количество тока.

Теперь, как только МОП-транзистор выключен, он переходит в выключенное состояние, блокируя прохождение входного тока.

И снова катушка индуктивности неспособна справиться с этим внезапным изменением тока от заданной величины до нуля, и в ответ на это он возвращает свой накопленный ток через диод на выходе схемы.

При этом ток также сохраняется в конденсаторе.

Во время следующего состояния включения МОП-транзистора цикл повторяется, как указано выше, однако при отсутствии тока в катушке индуктивности конденсатор выводит накопленную энергию на выход, что помогает поддерживать выход стабильным до оптимальной степени.

Вам может быть интересно, какой фактор определяет результаты BUCK или BOOST на выходе? Это довольно просто, это зависит от того, как долго МОП-транзистор может оставаться во включенном или выключенном состоянии.

С увеличением времени включения МОП-транзистора схема начинает преобразовываться в повышающий преобразователь, в то время как время выключения МОП-транзистора превышает время включения, что приводит к тому, что схема ведет себя как понижающий преобразователь.

Таким образом, вход в МОП-транзистор может быть сделан через оптимизированную схему ШИМ для получения требуемых переходов по той же схеме.

Более техническое изучение топологии понижающего / повышающего напряжения в схемах SMPS:

Как обсуждалось в предыдущем разделе, три основных топологии, которые обычно используются с импульсными источниками питания, - это понижающая, повышающая и понижающая повышающие.

Они в основном не изолированы, в которых входной силовой каскад имеет общую базу с выходной силовой частью. Конечно, мы могли найти и отдельные версии, хотя и довольно редко.

Вышеупомянутые три топологии можно однозначно различать в зависимости от их исключительных свойств. Эти свойства могут быть определены как коэффициенты преобразования напряжения в установившемся режиме, природа входных и выходных токов, а также характер пульсаций выходного напряжения.

Кроме того, одним из важных свойств можно считать частотную характеристику рабочего цикла для выполнения выходного напряжения.

Среди упомянутых выше трех топологий наиболее предпочтительной является топология понижающего-повышающего напряжения, поскольку она позволяет выходному сигналу работать с напряжениями ниже входного (понижающий режим), а также создавать напряжения выше входного напряжения (повышающий режим).

Однако выходное напряжение всегда может быть получено с полярностью, противоположной входной, что не создает никаких проблем.

Приложенный входной ток к понижающему повышающему преобразователю представляет собой форму пульсирующего тока из-за переключения соответствующего переключателя мощности (Q1).

Здесь ток переключается с нуля на l во время каждого импульсного цикла. То же самое верно и для выхода, и мы получаем пульсирующий ток из-за связанного диода, который проводит только в одном направлении, вызывая пульсирующую ситуацию включения и выключения во время цикла переключения. .

Конденсатор отвечает за обеспечение компенсационного тока, когда диод находится в выключенном состоянии или в состоянии обратного смещения во время циклов переключения.

В этой статье объясняется, как работать в установившемся режиме понижающе-повышающего преобразователя в непрерывном и прерывистом режимах с представленными образцами сигналов.

Функциональность обмена между рабочим циклом и выходным напряжением представлена ​​после знакомства с конструкцией переключателя PWM.

На рис. 1 представлена ​​упрощенная схема повышающе-понижающего силового каскада с добавленным блоком схемы управления. Переключатель питания Q1 представляет собой n-канальный полевой МОП-транзистор. Выходной диод CR1.

Катушка индуктивности L и конденсатор C обеспечивают эффективную фильтрацию выходного сигнала. ESR конденсатора, RC (эквивалентное последовательное сопротивление) и сопротивление индуктивности постоянному току, RL, все анализируются в. Резистор R соответствует нагрузке, определяемой выходом силового каскада.

В процессе нормальной работы повышающего понижающего каскада Q1 постоянно включается и выключается, а время включения и выключения регулируется схемой управления.

Такое переключение разрешает цепочку импульсов на стыке Q1, CR1 и L.

Несмотря на то, что катушка индуктивности L соединена с выходным конденсатором C, если только CR1 проводит, устанавливается успешный выходной фильтр L / C. Он очищает последовательность импульсов, чтобы получить выходное напряжение постоянного тока.

Анализ установившегося состояния понижающей ступени

Силовой каскад может работать с постоянной или прерывистой настройкой тока индуктора. Режим постоянного тока катушки индуктивности определяется по току в катушке индуктивности в течение последовательности переключения в установившемся процессе.

Режим прерывистого тока индуктора идентифицируется по току индуктора, остающемуся равным нулю в течение части цикла переключения. Он начинается с нуля, увеличивается до максимального значения и возвращается к нулю в ходе каждого шаблона переключения.

Эти два различных метода упоминаются позже гораздо более подробно, и представлены предложения по модели для номинала индуктора, чтобы поддерживать выбранный режим работы при номинальной нагрузке. Для преобразователя предпочтительно быть в едином формате только при прогнозируемых условиях его работы, поскольку частотная характеристика силового каскада существенно меняется между двумя различными методами работы.

При такой оценке используется n-канальный силовой полевой МОП-транзистор, и положительное напряжение VGS (ВКЛ) подается от затвора на клеммы истока Q1 схемой управления для включения полевого транзистора. Преимущество использования n-канального полевого транзистора заключается в его более низком RDS (вкл.), Однако схема управления сложна, поскольку становится необходим приостановленный привод. Для идентичных размеров корпуса полевой транзистор с p-каналом имеет более высокое значение RDS (вкл.), Тем не менее, как правило, может не потребоваться плавающая схема возбуждения.

Транзистор Q1 и диод CR1 показаны внутри пунктирной линией с выводами, помеченными как a, p и c. Это подробно обсуждается в разделе «Моделирование ступени мощности с понижающим усилением».

Анализ стационарного режима непрерывной проводимости Buck-Boost

Ниже приводится описание понижающего повышения, работающего в установившемся режиме при непрерывной проводимости. Основная цель этого сегмента - представить вывод зависимости преобразования напряжения для повышающего и понижающего силового каскада в режиме непрерывной проводимости.

Это будет иметь важное значение, поскольку оно указывает, как выходное напряжение определяется рабочим циклом и входным напряжением, или, наоборот, как рабочий цикл может быть определен в зависимости от входного напряжения и выходного напряжения.

Устойчивое состояние означает, что входное напряжение, выходное напряжение, выходной ток нагрузки и рабочий цикл постоянны, а не изменяются. Для обозначения переменных обычно используются заглавные буквы, чтобы обозначить постоянную величину. В режиме непрерывной проводимости повышающий-понижающий преобразователь принимает несколько состояний за цикл переключения.

Состояние ON - это каждый раз, когда Q1 включен, а CR1 выключен. Состояние «ВЫКЛ.» Возникает каждый раз, когда Q1 выключен, а CR1 включен. Простая линейная схема могла бы символизировать каждое из двух состояний, в которых переключатели в схеме заменяются их схемой согласования в ходе каждого состояния. Принципиальная схема для каждого из двух условий представлена ​​на рисунке 2.

Период состояния включения равен D × TS = TON, в котором D - рабочий цикл, фиксируемый схемой управления, изображенный в форме отношения периода включения к периоду одиночной полной последовательности переключения, Ts.

Длительность состояния OFF известна как TOFF. Поскольку для режима непрерывной проводимости можно найти всего пару условий на цикл переключения, TOFF равно (1-D) × TS. Величину (1-D) иногда называют D ’. Эти периоды представлены вместе с осциллограммами на рисунке 3.

На Рисунке 2 видно, что во включенном состоянии Q1 обеспечивает пониженное сопротивление RDS (включено) от стока до истока и демонстрирует меньшее падение напряжения VDS = IL × RDS (включено).

Кроме того, на сопротивлении индуктивности постоянному току наблюдается небольшое падение напряжения, равное IL × RL.

Таким образом, входное напряжение VI минус дефицит (VDS + IL × RL) подается на катушку индуктивности L. CR1 выключен в течение этого периода, так как он будет иметь обратное смещение.

Ток индуктора, IL, проходит от входного источника питания VI через Q1 на землю. В состоянии ВКЛ напряжение на катушке индуктивности постоянно и такое же, как у VI - VDS - IL × RL.

Следуя норме полярности для тока IL, представленной на рисунке 2, ток катушки индуктивности увеличивается из-за приложенного напряжения. Кроме того, поскольку приложенное напряжение принципиально стабильно, ток индуктора линейно возрастает. Это повышение тока катушки индуктивности в течение TON показано на рисунке 3.

Уровень увеличения тока в катушке индуктивности обычно определяется с помощью хорошо известной формулы:

Увеличение тока индуктора при включенном состоянии отображается как:

Эта величина, ΔIL (+), называется током пульсаций индуктора. Кроме того, обратите внимание, что в течение этого интервала каждый бит выходного тока нагрузки поступает через выходной конденсатор C.

Как показано на рисунке 2, пока Q1 выключен, он обеспечивает повышенное сопротивление от стока к истоку.

Следовательно, поскольку ток, протекающий в катушке индуктивности L, не может регулироваться мгновенно, ток переключается с Q1 на CR1. В результате уменьшения тока катушки индуктивности напряжение на катушке индуктивности меняет полярность до тех пор, пока выпрямитель CR1 не перейдет в режим прямого смещения и не включится.

Напряжение, подключенное к L, превращается в (VO - Vd - IL × RL), в котором величина Vd представляет собой прямое падение напряжения CR1. Ток катушки индуктивности, IL, в этой точке проходит от выходного конденсатора и нагрузочного резистора через CR1 и к отрицательной линии.

Обратите внимание, что выравнивание CR1 и путь циркуляции тока в катушке индуктивности означает, что ток, протекающий в группировке выходного конденсатора и нагрузочного резистора, приводит к отрицательному напряжению VO. В выключенном состоянии напряжение, подключенное к катушке индуктивности, является стабильным и таким же, как (VO - Vd - IL × RL).

Сохраняя наше аналогичное соглашение о полярности, это подключенное напряжение является отрицательным (или имеет обратную полярность от подключенного напряжения в течение времени включения) из-за того, что выходное напряжение VO отрицательно.

Следовательно, ток индуктора снижается в течение всего времени выключения. Кроме того, поскольку подключенное напряжение в основном стабильное, ток индуктора линейно уменьшается. Это снижение тока катушки индуктивности в процессе TOFF показано на рисунке 3.

Снижение тока катушки индуктивности в выключенном состоянии обеспечивается:

Эту величину ΔIL (-) можно назвать током пульсаций индуктора. В ситуациях стабильного состояния повышение тока ΔIL (+) в течение времени включения и уменьшение тока через время выключения ΔIL (-) должны быть идентичными.

Или же ток катушки индуктивности может обеспечить общее повышение или снижение от цикла к циклу, что не является стабильным условием.

Таким образом, оба этих уравнения могут быть приравнены и разработаны для VO, чтобы получить принадлежность к переключению понижающего-повышающего напряжения формы непрерывной проводимости:

Определение для VO:

Кроме того, при замене TS на TON + TOFF и использовании D = TON / TS и (1-D) = TOFF / TS уравнение стационарного состояния для VO выглядит следующим образом:

Обратите внимание, что при упрощении вышеизложенного предполагается, что TON + TOFF аналогичен TS. Это может быть истинным только для режима непрерывной проводимости, как мы собираемся обнаружить при оценке режима прерывистой проводимости. На этом этапе необходимо провести серьезное исследование:

Фиксация двух значений ΔIL наравне друг с другом в точности равна выравниванию вольт-секунд на катушке индуктивности. Вольт-секунды, используемые на катушке индуктивности, являются произведением применяемого напряжения и периода, в течение которого оно подается.

Это может быть наиболее эффективным способом оценки неопознанных величин, например VO или D, в отношении общих параметров цепи, и этот подход будет часто использоваться в этой статье. Вольт-секундная стабилизация на катушке индуктивности является естественным требованием и должна восприниматься, по крайней мере, дополнительно как закон Ома.

В приведенных выше уравнениях для ΔIL (+) и ΔIL (-) неявно предполагалось, что выходное напряжение должно быть постоянным без каких-либо пульсаций напряжения переменного тока в течение времени включения и периода выключения.

Это общепринятое упрощение, которое влечет за собой несколько индивидуальных результатов. Во-первых, выходной конденсатор считается достаточно большим, чтобы преобразование его напряжения было минимальным.

Во-вторых, напряжение на конденсаторе ESR дополнительно считается минимальным. Такие предположения являются законными, поскольку пульсирующее напряжение переменного тока определенно будет значительно ниже, чем часть постоянного тока выходного напряжения.

Вышеупомянутое изменение напряжения для VO демонстрирует истину, что VO можно настроить путем точной настройки рабочего цикла D.

Это соединение приближается к нулю, когда D приближается к нулю, и возрастает без определения, когда D приближается к 1. Типичное упрощение: VDS, Vd и RL достаточно малы, чтобы ими можно было пренебречь. Обнуляя VDS, Vd и RL, приведенная выше формула заметно упрощается:

Менее сложный и качественный способ представить себе работу схемы - рассмотреть катушку индуктивности как накопитель энергии. Каждый раз, когда Q1 включен, индуктор переливается энергией.

Когда Q1 выключен, индуктор возвращает часть своей энергии выходному конденсатору и нагрузке. Выходное напряжение регулируется установкой времени включения Q1. Например, увеличивая время включения Q1, мощность, передаваемая на катушку индуктивности, увеличивается.

Впоследствии дополнительная энергия направляется на выход в течение времени выключения Q1, вызывая увеличение выходного напряжения. В отличие от понижающего силового каскада, типичная величина тока индуктора не совпадает с выходным током.

Чтобы связать ток катушки индуктивности с выходным током, глядя на рисунки 2 и 3, обратите внимание, что ток катушки индуктивности поступает только на выход, когда силовой каскад находится в выключенном состоянии.

Этот ток, усредненный по всей последовательности переключения, совпадает с выходным током, поскольку приблизительный ток в выходном конденсаторе должен быть эквивалентен нулю.

Связь между средним током индуктора и выходным током для повышающего и понижающего силового каскада в непрерывном режиме обеспечивается:

Другая важная точка зрения заключается в том, что типичный ток катушки индуктивности пропорционален выходному току, и поскольку пульсирующий ток катушки индуктивности ΔIL не связан с выходным током нагрузки, минимальное и максимальное значения тока катушки индуктивности точно соответствуют среднему току катушки индуктивности.

Например, если средний ток катушки индуктивности уменьшается на 2 А из-за уменьшения тока нагрузки, в этом случае наименьшее и наибольшее значения тока индуктора уменьшаются на 2 А (с учетом сохранения режима непрерывной проводимости).

Вышеупомянутая оценка относилась к функциональности повышающего и понижающего силового каскада в режиме постоянного тока индуктора. Следующий сегмент представляет собой объяснение устойчивой работы в режиме прерывистой проводимости. Первичным результатом является вывод зависимости преобразования напряжения для повышающего и понижающего силового каскада с прерывистой проводимостью.

Оценка стационарного режима прерывистой проводимости Buck-Boost

На этом этапе мы исследуем, что происходит, когда ток нагрузки снижается и режим проводимости переходит с непрерывного на прерывистый.

Помните, что для режима непрерывной проводимости средний ток индуктивности следует за выходным током, то есть в случае уменьшения выходного тока, в этом случае также будет средний ток индуктора.

Кроме того, самые низкие и самые высокие пики тока индуктора точно соответствуют среднему току индуктора. В случае, если выходной ток нагрузки уменьшается ниже основного уровня тока, ток катушки индуктивности будет равен нулю для части последовательности переключения.

Это будет очевидно из форм сигналов, представленных на Рисунке 3, поскольку пиковый уровень пульсации тока не может изменяться в зависимости от выходного тока нагрузки.

В повышающе-понижающем каскаде, если ток катушки индуктивности пытается опуститься ниже нуля, он просто останавливается на нуле (из-за однонаправленного движения тока в CR1) и продолжается до начала последующего действия переключения. Этот рабочий режим известен как режим прерывистой проводимости.

Силовой каскад, работающий в схеме понижающего повышения в формате прерывистой проводимости, имеет три различных состояния в течение каждого цикла переключения, в отличие от 2 состояний для формата непрерывной проводимости.

Текущее состояние катушки индуктивности, при котором силовой каскад находится на периферии между непрерывной и прерывистой настройкой, показано на рисунке 4.

В этом случае ток индуктора просто падает до нуля, а следующий цикл переключения начинается сразу после того, как ток достигает нуля. Обратите внимание, что значения IO и IO (Crit) показаны на рисунке 4, поскольку IO и IL включают противоположные полярности.

Дальнейшее снижение выходного тока нагрузки переводит силовой каскад в режим прерывистой проводимости. Это условие изображено на рисунке 5.

Частотная характеристика силового каскада в прерывистом режиме сильно отличается от частотной характеристики в непрерывном режиме, которая представлена ​​в сегменте моделирования понижающего и повышающего силового каскада. Кроме того, соединение ввода-вывода довольно разнообразно, как показано на этой странице:

Чтобы начать вывод коэффициента переключения напряжения повышающего и понижающего каскада в режиме прерывистой проводимости, вспомните, что у вас есть три различных состояния, которые преобразователь учитывает с помощью функции режима прерывистой проводимости.

Состояние ON - это когда Q1 включен, а CR1 выключен. Состояние OFF - это когда Q1 выключен, а CR1 включен. Состояние IDLE - это когда каждый Q1 и CR1 выключены. Два начальных условия очень похожи на ситуацию в непрерывном режиме, и схемы на рисунке 2 важны, за исключением того, что TOFF ≠ (1-D) × TS. Остальная часть последовательности переключения - это состояние IDLE.

Кроме того, сопротивление выходному дросселю постоянному току, прямое падение напряжения на выходном диоде, а также падение напряжения в открытом состоянии силового полевого МОП-транзистора обычно считаются достаточно незначительными, чтобы их не заметить.

Период времени включенного состояния равен TON = D × TS, где D - рабочий цикл, фиксируемый схемой управления, указанный как отношение времени включения ко времени одной полной последовательности переключения, Ts. Продолжительность выключенного состояния TOFF = D2 × TS. Период холостого хода - это оставшаяся часть шаблона переключения, который представлен как TS - TON - TOFF = D3 × TS. Эти периоды соответствуют осциллограммам на Рисунке 6.

Не проверяя подробное описание, ниже перечислены уравнения роста и падения тока индуктора. Повышение тока индуктора во включенном состоянии выдается:

Величина пульсирующего тока, ΔIL (+), также является пиковым током индуктора, Ipk, поскольку в прерывистом режиме ток начинается с 0 в каждом цикле. Уменьшение тока индуктора в процессе выключенного состояния представлено следующим образом:

Как и в случае режима непрерывной проводимости, нарастание тока ΔIL (+) во время включения и уменьшение тока во время выключения ΔIL (-) идентичны. Таким образом, оба этих уравнения могут быть приравнены и адресованы для VO, чтобы получить начальное из двух уравнений, которые будут использоваться для определения коэффициента преобразования напряжения:

Затем мы определяем выходной ток (выходное напряжение VO, деленное на выходную нагрузку R). Это среднее значение за одну последовательность переключения тока катушки индуктивности в то время, когда CR1 становится проводящим (D2 × TS).

Здесь замените соединение для IPK (ΔIL (+)) в приведенном выше уравнении, чтобы получить:

Таким образом, у нас есть два уравнения: одно для только что выведенного выходного тока (VO, деленное на R), а другое - для выходного напряжения, оба они относятся к VI, D и D2. На этом этапе мы распутываем каждую формулу для D2, а также фиксируем два уравнения наравне друг с другом.

Используя полученное уравнение, можно получить иллюстрацию выходного напряжения VO. Принадлежность к повышающему-понижающему преобразованию напряжения в режиме прерывистой проводимости записывается как:

Вышеупомянутое соединение показывает одно из основных различий между двумя режимами проводимости. Для режима прерывистой проводимости зависимость изменения напряжения является функцией входного напряжения, рабочего цикла, индуктивности силового каскада, частоты переключения и сопротивления выходной нагрузки.

В режиме непрерывной проводимости на подключение переключения напряжения влияет только входное напряжение и рабочий цикл. В традиционных приложениях понижающе-повышающий силовой каскад работает в режиме непрерывной проводимости или режиме прерывистой проводимости. Для конкретного использования выбирается один режим проводимости, в то время как силовой каскад был сделан для поддержания идентичного режима.