Cu toate acestea, procesul păstrează întotdeauna relația P = I x V, ceea ce înseamnă că, pe măsură ce ieșirea convertorului intensifică tensiunea de intrare, ieșirea suferă proporțional o reducere a curentului, ceea ce face ca puterea de ieșire să fie aproape întotdeauna egală cu intrarea. sau mai mică decât puterea de intrare.
Cum funcționează un convertor Boost
Un convertor boost este un fel de sursă de alimentare SMPS sau switch mode care funcționează fundamental cu două semiconductori activi (tranzistor și diodă) și cu cel puțin o componentă pasivă sub formă de condensator sau inductor sau ambele pentru o eficiență mai mare.Inductorul de aici este practic utilizat pentru creșterea tensiunii și condensatorul este introdus pentru filtrarea fluctuațiilor de comutare și pentru reducerea undelor de curent la ieșirea convertorului.
Sursa de alimentare de intrare care ar putea fi necesară pentru creșterea sau intensificarea ar putea fi achiziționată de la orice sursă de curent continuu adecvată, cum ar fi baterii, panouri solare, generatoare pe bază de motor etc.
Principiul de funcționare
Inductorul dintr-un convertor de impuls joacă importantul de a crește tensiunea de intrare.
Aspectul crucial care devine responsabil pentru activarea tensiunii de impuls de la un inductor se datorează proprietății sale inerente de a rezista sau de a se opune unui curent indus brusc în acesta și datorită răspunsului său la aceasta cu crearea unui câmp magnetic și, ulterior, distrugerii magnetice camp. Distrugerea duce la eliberarea energiei stocate.
Acest proces de mai sus are ca rezultat stocarea curentului în inductor și retragerea acestui curent stocat pe ieșire sub formă de EMF înapoi.
Un circuit driver de tranzistor cu releu poate fi considerat un exemplu excelent de circuit de convertor de impuls. Dioda flyback conectată la releu este introdusă pentru a scurtcircuita EMF-urile inversate înapoi de la bobina releului și pentru a proteja tranzistorul ori de câte ori se oprește.
Dacă această diodă este îndepărtată și un redresor de condensator de diodă este conectat peste colectorul / emițătorul tranzistorului, tensiunea amplificată de la bobina releului poate fi colectată pe acest condensator.
Procesul într-un design al convertorului de impuls duce la o tensiune de ieșire care este întotdeauna mai mare decât tensiunea de intrare.
Configurare convertor Boost
Referindu-ne la următoarea figură, putem vedea o configurație standard a convertorului de boost, modelul de lucru poate fi înțeles așa cum este prezentat mai jos:Când dispozitivul afișat (care ar putea fi orice putere standard BJT sau un mosfet) este pornit, curentul de la sursa de intrare intră în inductor și circulă în sensul acelor de ceasornic prin tranzistor pentru a finaliza ciclul la capătul negativ al sursei de intrare.
În timpul procesului de mai sus, inductorul experimentează o introducere bruscă de curent în sine și încearcă să reziste fluxului, ceea ce duce la stocarea unei cantități de curent în el prin generarea unui câmp magnetic.
La următoarea secvență ulterioară, când tranzistorul este oprit, conducerea curentului se rupe, forțând din nou o schimbare bruscă a nivelului curent de-a lungul inductorului. Inductorul răspunde la aceasta prin lovirea înapoi sau eliberarea curentului stocat. Deoarece tranzistorul este în poziția OFF, această energie își găsește calea prin dioda D și prin bornele de ieșire arătate sub forma unei tensiuni EMF înapoi.
Inductorul realizează acest lucru prin distrugerea câmpului magnetic care a fost creat anterior în timp ce tranzistorul se afla în modul de pornire.
Cu toate acestea, procesul de mai sus de eliberare a energiei este implementat cu o polaritate opusă, astfel încât tensiunea de alimentare de intrare devine acum în serie cu tensiunea emf înapoi a inductorului. Și după cum știm cu toții că atunci când sursele de alimentare se alătură în serie, tensiunea lor netă se adaugă pentru a produce un rezultat combinat mai mare.
Același lucru se întâmplă într-un convertor de creștere în timpul modului de descărcare a inductorului, producând o ieșire care poate fi rezultatul combinat al tensiunii EMF înapoi a inductorului și a tensiunii de alimentare existente, așa cum se arată în diagrama de mai sus.
Această tensiune combinată are ca rezultat o ieșire amplificată sau o ieșire intensificată care își găsește calea prin dioda D și prin condensatorul C pentru a ajunge în cele din urmă la sarcina conectată.
Condensatorul C joacă un rol destul de important aici, în timpul modului de descărcare a inductorului, condensatorul C stochează energia combinată eliberată în acesta și în faza următoare când tranzistorul se oprește din nou și inductorul se află în modul de stocare, condensatorul C încearcă pentru a menține echilibrul furnizând propria energie stocată sarcinii. Vezi figura de mai jos.
Acest lucru asigură o tensiune relativ constantă pentru sarcina conectată, care este capabilă să capete energie atât în perioadele de pornire, cât și de oprire ale tranzistorului.
Dacă C nu este inclus, această caracteristică este anulată, rezultând o putere mai mică pentru sarcină și o rată de eficiență mai mică.
Procesul explicat mai sus continuă pe măsură ce tranzistorul este pornit / oprit la o anumită frecvență, susținând efectul de conversie a impulsului.
Moduri de funcționare
Un convertor boost poate fi utilizat în principal în două moduri: modul continuu și modul discontinuu.În modul continuu, curentul inductor nu este permis niciodată să ajungă la zero în timpul procesului de descărcare (în timp ce tranzistorul este oprit).
Acest lucru se întâmplă atunci când timpul de pornire / oprire al tranzistorului este dimensionat în așa fel încât inductorul să fie întotdeauna conectat înapoi rapid cu sursa de intrare prin tranzistorul pornit, înainte ca acesta să poată fi descărcat complet pe sarcină și condensatorul C.
Acest lucru permite inductorului să producă în mod constant tensiunea de impuls la o rată eficientă.
În modul discontinuu, temporizarea comutatorului tranzistorului poate fi atât de largă, încât inductorului i se poate permite să se descarce complet și să rămână inactiv între perioadele de pornire ale tranzistorului, creând tensiuni de undă imense peste sarcină și condensatorul C.
Acest lucru ar putea face ca rezultatul să fie mai puțin eficient și cu mai multe fluctuații.
Cea mai bună abordare este de a calcula timpul de pornire / oprire al tranzistorului care produce o tensiune maximă stabilă pe ieșire, ceea ce înseamnă că trebuie să ne asigurăm că inductorul este pornit în mod optim, astfel încât să nu fie pornit prea repede, ceea ce s-ar putea să nu-i permită descărcarea. în mod optim și nici nu-l porniți foarte târziu, ceea ce ar putea scurge un punct ineficient.
Calcul, inductanță, curent, tensiune și ciclu de funcționare într-un convertor Boost
Aici vom discuta doar despre modul continuu, care este modul preferabil de a opera un convertor boost, să evaluăm calculele implicate cu un convertor boost într-un mod continuu:În timp ce tranzistorul este în faza pornită, tensiunea sursei de intrare (
) se aplică pe inductor, inducând un curent ( 
) se acumulează prin inductor pentru o perioadă de timp, notată cu (t). Acest lucru poate fi exprimat cu următoarea formulă: ΔIL / Δt = Vt / L
În momentul în care starea ON a tranzistorului este pe cale să treacă și tranzistorul este pe cale să se oprească, curentul care ar trebui să se acumuleze în inductor poate fi dat de următoarea formulă:
ΔIL (activat) = 1 / L 0ʃDT
sau
Lățime = DT (Vi) / L
Unde D este ciclul de funcționare. Pentru a înțelege definiția sa, puteți consulta b uck converter post asociat
L denotă valoarea inductanței inductorului în Henry.
Acum, în timp ce tranzistorul este în starea OFF, și dacă presupunem că dioda oferă o cădere de tensiune minimă peste el și condensatorul C suficient de mare pentru a putea produce o tensiune de ieșire aproape constantă, atunci curentul de ieșire (
) poate fi dedus cu ajutorul următoarei expresii Vi - Vo = LdI / dt
De asemenea, variațiile actuale (
) care poate apărea pe inductor în timpul perioadei sale de descărcare (starea tranzistorului oprit) poate fi dată ca: ΔIL (oprit) = 1 / L x DTʃT (Vi - Vo) dt / L = (Vi - Vo) (1 - D) T / L
Presupunând că convertorul ar putea funcționa cu condiții relativ stabile, magnitudinea curentului sau a energiei stocate în interiorul inductorului pe parcursul ciclului de comutare (comutare) poate fi presupusă a fi constantă sau la o rată identică, acest lucru poate fi exprimat ca:
E = ½ L x 2IL
Cele de mai sus implică, de asemenea, că, din moment ce curentul de-a lungul perioadei de comutare, sau la începutul stării ON și la sfârșitul stării OFF ar trebui să fie identice, valoarea lor rezultată a modificării nivelului curent ar trebui să fie zero, ca exprimat mai jos:
ΔIL (pornit) + ΔIL (oprit) = 0
Dacă înlocuim valorile ΔIL (activat) și ΔIL (dezactivat) în formula de mai sus din derivările anterioare, obținem:
IL (pornit) - ΔIL (oprit) = Vidt / L + (Vi - Vo) (1 - D) T / L = 0
Simplificând în continuare acest lucru se obține următorul rezultat: Vo / Vi = 1 / (1 - D)
sau
Vo = Vi / (1 - D)
Expresia de mai sus identifică în mod clar că tensiunea de ieșire într-un convertor de impuls va fi întotdeauna mai mare decât tensiunea de alimentare de intrare (pe întreaga gamă a ciclului de funcționare, 0 la 1)
Amestecând termenii de-a lungul laturilor în ecuația de mai sus, obținem ecuația pentru determinarea ciclului de funcționare într-un ciclu de lucru al convertorului de impuls.
D = 1 - Vo / Vi
Evaluările de mai sus ne oferă diferitele formule pentru determinarea diferiților parametri implicați în operațiile convertorului boost, care pot fi utilizate în mod eficient pentru calcularea și optimizarea unui design precis al convertorului boost.
Calculați etapa de putere a convertorului Boost
Următoarele 4 linii directoare sunt necesare pentru a calcula etapa de putere a convertorului Boost:
1. Gama de tensiune de intrare: Vin (min) și Vin (max)
2. Tensiune minimă de ieșire: Vout
3. Cel mai mare curent de ieșire: Iout (max)
4. Circuitul IC utilizat pentru construirea convertorului de impuls.
Acest lucru este adesea obligatoriu, pur și simplu pentru că ar trebui luate anumite linii de calcul, care nu pot fi menționate în fișa tehnică.
În cazul în care aceste limitări sunt familiare, aproximarea normală a stadiului de putere
are loc.
Evaluarea celui mai mare curent de comutare
Pasul principal pentru determinarea curentului de comutare ar fi să ne dăm seama de ciclul de funcționare, D, pentru tensiunea minimă de intrare. Se folosește o tensiune minimă de intrare, mai ales pentru că rezultă cel mai mare curent de comutare.
D = 1 - {Vin (min) x n} / Vout ---------- (1)
Vin (min) = tensiunea minimă de intrare
Vout = tensiunea de ieșire necesară
n = eficiența convertorului, de ex. valoarea anticipată poate fi de 80%
Eficiența este pusă în calculul ciclului de funcționare, pur și simplu pentru că convertorul este necesar să prezinte și puterea disipată. Această estimare oferă un ciclu de funcționare mai sensibil comparativ cu formula fără factorul de eficiență.
Trebuie să permitem o toleranță estimată de 80% (ceea ce nu ar putea fi nepractic pentru un impuls
convertorul în cel mai rău caz eficiență), ar trebui să fie luată în considerare sau, eventual, să se refere la porțiunea de caracteristici convenționale din foaia de date a convertorului ales
Calculul curentului de ondulare
Acțiunea ulterioară pentru calcularea celui mai mare curent de comutare ar fi să ne dăm seama de curentul de ondulare a inductorului.
În foaia tehnică a convertorului, de obicei, un inductor specific sau o varietate de inductori sunt menționați ca să lucreze cu IC. Prin urmare, trebuie să folosim valoarea inductorului sugerat pentru a calcula curentul de ondulare, dacă nu este prezentat nimic în foaia tehnică, cea estimată în lista inductoarelor.
S alegerea acestei note de aplicație pentru a calcula etapa de putere a convertorului Boost.
Delta I (l) = {Vin (min) x D} / f (s) x L ---------- (2)
Vin (min) = cea mai mică tensiune de intrare
D = ciclul de funcționare măsurat în ecuația 1
f (s) = cea mai mică frecvență de comutare a convertorului
L = valoarea preferată a inductorului
Ulterior, trebuie stabilit dacă IC-ul preferat poate furniza ieșirea optimă
actual.
Iout (max) = [I lim (min) - Delta I (l) / 2] x (1 - D) ---------- (3)
I lim (min) = valoarea minimă a
restricția curentă a comutatorului implicat (evidențiată în date
foaie)
Delta I (l) = curentul de ondulare al inductorului măsurat în ecuația anterioară
D = ciclul de funcționare calculat în prima ecuație
În cazul în care valoarea estimată pentru curentul de ieșire optim al IC-ului decis, Iout (max), este sub curentul de ieșire cel mai mare așteptat al sistemelor, trebuie utilizat cu adevărat un CI alternativ cu un control al curentului de comutare puțin mai mare.
Cu condiția ca valoarea măsurată pentru Iout (max) să fie probabil o nuanță mai mică decât cea așteptată, puteți aplica IC-ul recrutat cu un inductor cu inductanță mai mare ori de câte ori este încă în seria prescrisă. O inductanță mai mare diminuează curentul de ondulare, prin urmare, mărește curentul maxim de ieșire cu IC specific.
Dacă valoarea stabilită este peste cel mai bun curent de ieșire al programului, se calculează cel mai mare curent de comutare din echipament:
Isw (max) = Delta I (L) / 2 + Iout (max) / (1 - D) --------- (4)
Delta I (L) = curentul de undă al inductorului măsurat în a doua ecuație
Iout (max), = curent de ieșire optim esențial în utilitar
D = ciclul de funcționare măsurat mai devreme
Este de fapt curentul optim, inductorul, comutatorul (e) închis (e) în plus față de dioda externă trebuie să stea în picioare.
Selecția inductorului
Uneori fișele tehnice furnizează numeroase valori de inductor recomandate. Dacă aceasta este situația, veți dori să preferați un inductor cu această gamă. Cu cât valoarea inductorului este mai mare, cu atât este crescut curentul maxim de ieșire, în principal din cauza curentului de ondulare scăzut.
Reducerea valorii inductorului, reducerea este dimensiunea soluției. Rețineți că inductorul ar trebui să includă într-adevăr un curent mai bun, spre deosebire de curentul maxim specificat în ecuația 4, datorită faptului că curentul se accelerează cu scăderea inductanței.
Pentru elementele în care nu s-a distribuit o gamă de inductori, imaginea următoare este un calcul fiabil pentru inductorul potrivit
L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (L) x f (s) x Vout --------- (5)
Vin = tensiunea standard de intrare
Vout = tensiunea de ieșire preferată
f (s) = frecvența minimă de comutare a convertorului
Delta I (L) = curentul de ondulare al inductorului proiectat, respectați mai jos:
Curentul de ondulare a inductorului pur și simplu nu poate fi măsurat cu prima ecuație, doar pentru că inductorul nu este recunoscut. O aproximare a sunetului pentru curentul de ondulare a inductorului este de 20% până la 40% din curentul de ieșire.
Delta I (L) = (0,2 până la 0,4) x Iout (max) x Vout / Vin ---------- (6)
Delta I (L) = curentul de ondulare al inductorului proiectat
Iout (max) = ieșire optimă
curent necesar pentru cerere
Determinarea diodei redresoare
Pentru a reduce pierderile, diodele Schottky trebuie într-adevăr considerate o alegere bună.
Valoarea nominală a curentului înainte considerată necesară este egală cu curentul maxim de ieșire:
I (f) = Iout (max) ---------- (7)
I (f) = tipic
curentul înainte al diodei redresoare
Iout (max) = curent de ieșire optim important în program
Diodele Schottky includ un curent de vârf considerabil mai mare în comparație cu un rating normal. De aceea, creșterea curentului de vârf în program nu este o preocupare mare.
Al doilea parametru care trebuie monitorizat este disiparea puterii diodei. Acesta constă din gestionarea:
P (d) = I (f) x V (f) ---------- (8)
I (f) = curentul mediu înainte al diodei redresoare
V (f) = tensiunea directă a diodei redresoare
Setarea tensiunii de ieșire
Majoritatea convertoarelor alocă tensiunea de ieșire cu o rețea separatoare rezistivă (care ar putea fi încorporatăar trebui să fie convertoare de tensiune de ieșire staționare).
Cu tensiunea de feedback atribuită, V (fb) și curentul de polarizare a feedback-ului, I (fb), divizorul de tensiune tind să fie
calculat.
Curentul cu ajutorul divizorului rezistiv ar putea fi de aproximativ o sută de ori mai mare decât curentul de prejudecată de feedback:
I (r1 / 2)> sau = 100 x I (fb) ---------- (9)
I (r1 / 2) = curent în cursul separatorului rezistiv la GND
I (fb) = curent de părtinire de feedback din foaia de date
Aceasta crește inexactitatea sub 1% la evaluarea tensiunii. Curentul este, de asemenea, considerabil mai mare.
Problema principală cu valori mai mici ale rezistorului este o pierdere de putere crescută în divizorul rezistiv, cu excepția faptului că relevanța ar putea fi oarecum crescută.
Cu convingerea de mai sus, rezistențele sunt elaborate așa cum sunt enumerate mai jos:
R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (10)
R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (11)
R1, R2 = divizor rezistiv.
V (fb) = tensiunea de feedback din foaia de date
I (r1 / 2) = curent datorat divizorului rezistiv la GND, stabilit în ecuația 9
Vout = tensiunea de ieșire planificată
Selectarea condensatorului de intrare
Cea mai mică valoare a condensatorului de intrare este de obicei distribuită în foaia de date. Această valoare foarte mică este vitală pentru tensiunea de intrare constantă ca urmare a premisului curentului de vârf al unei surse de alimentare de comutare.
Cea mai potrivită metodă este de a utiliza condensatori ceramici cu rezistență de serie echivalentă redusă (ESR).
Elementul dielectric trebuie să fie X5R sau mai mare. În caz contrar, condensatorul ar putea să renunțe la cea mai mare parte a capacității sale din cauza polarizării DC sau a temperaturii (vezi referințele 7 și 8).
De fapt, valoarea ar putea fi mărită dacă poate tensiunea de intrare este zgomotoasă.
Selecția condensatorului de ieșire
Cea mai bună metodă este de a localiza condensatori ESR mici pentru a reduce ondulația tensiunii de ieșire. Condensatoarele ceramice sunt tipurile potrivite atunci când elementul dielectric este de tip X5R sau mai eficientÎn cazul în care convertorul are compensare externă, se poate aplica orice fel de valoare a condensatorului peste cea mai mică recomandată în foaia tehnică, totuși cumva compensarea trebuie modificată pentru capacitatea de ieșire selectată.
Cu convertoarele compensate intern, valorile recomandate ale inductorului și condensatorului trebuie să fie obișnuite sau informațiile din foaia tehnică pentru adaptarea condensatorilor de ieșire ar putea fi adoptate cu raportul L x C.
Cu compensare secundară, următoarele ecuații pot fi de ajutor pentru a regla valorile condensatorului de ieșire pentru o ondulare de tensiune de ieșire planificată:
Cout (min) = Iout (max) x D / f (s) x Delta Vout ---------- (12)
Cout (min) = cea mai mică capacitate de ieșire
Iout (max) = curentul optim de ieșire al utilizării
D = ciclul de funcționare elaborat cu ecuația 1
f (s) = cea mai mică frecvență de comutare a convertorului
Delta Vout = tensiunea de ieșire ideală
VSH-ul condensatorului de ieșire crește o linie mai mare, pre-atribuită cu ecuația:
Delta Vout (ESR) = ESR x [Iout (max) / 1 -D + Delta I (l) / 2] ---------- (13)
Delta Vout (ESR) = ondulație alternativă a tensiunii de ieșire rezultată din condensatoarele ESR
ESR = rezistența în serie echivalentă a condensatorului de ieșire utilizat
Iout (max) = cel mai mare curent de ieșire al utilizării
D = ciclul de funcționare calculat în prima ecuație
Delta I (l) = curentul de undă al inductorului din ecuația 2 sau ecuația 6
Ecuații pentru a evalua stadiul de putere al unui convertor Boost
Ciclul maxim de funcționare: D = 1 - Vin (min) x n / Vout ---------- (14)
Vin (min) = cea mai mică tensiune de intrare
Vout = tensiunea de ieșire așteptată
n = eficiența convertorului, de ex. estimat la 85%
Curent de ondulare inductor:
Delta I (l) = Vin (min) x D / f (s) x L ---------- (15)
Vin (min) = cea mai mică tensiune de intrare
D = ciclul de funcționare stabilit în ecuația 14
f (s) = frecvența nominală de comutare a convertorului
L = valoarea specificată a inductorului
Curentul maxim de ieșire al CI nominalizat:
Iout (max) = [Ilim (min) - Delta I (l)] x (1 - D) ---------- (16)Ilim (min) = cea mai mică valoare a limitei curente a vrăjitoarei integrale (oferită în fișa tehnică)
Delta I (l) = curentul de ondulare al inductorului stabilit în ecuația 15
D = ciclul de funcționare estimat în ecuația 14
Curentul maxim al comutatorului specific aplicației:
Isw (max) = Delta I (l) / 2 + Iout (max) / (1 - D) ---------- (17)Delta I (l) = curentul de undă al inductorului estimat în ecuația 15
Iout (max), = cel mai mare curent de ieșire posibil necesar în utilitar
D = ciclul de funcționare calculat în ecuația 14
Aproximare inductor:
L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (l) x f (s) x Vout ---------- (18)Vin = tensiunea de intrare comună
Vout = tensiunea de ieșire planificată
f (s) = cea mai mică frecvență de comutare a convertorului
Delta I (l) = curentul de undă proiectat al inductorului, vezi ecuația 19
Evaluarea curentului de ondulare a inductorului:
Delta I (l) = (0,2 până la 0,4) x Iout (max) x Vout / Vin ---------- (19)Delta I (l) = curentul de undă proiectat al inductorului
Iout (max) = cel mai mare curent de ieșire important în utilizare
Curentul tipic înainte al diodei redresoare:
I (f) = Iout (max) ---------- (20)
Iout (max) = curent de ieșire optim corespunzător în utilitar
Disiparea puterii în dioda redresorului:
P (d) = I (f)
x V (f) ---------- (21)
I (f) = curentul tipic înainte al diodei redresoare
V (f) = tensiunea directă a diodei redresoare
Curent Prin utilizarea rețelei de divizare rezistivă pentru poziționarea tensiunii de ieșire:
I (r1 / 2)> sau = 100 x I (fb) ---------- (22)I (fb) = curent de prejudecată de feedback din foaia de date
Valoarea rezistenței dintre pinul FB și GND:
R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (23)
Valoarea rezistorului dintre pinul FB și Vout:
R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (24)
V (fb) = tensiunea de feedback din foaia de date
I (r1 / 2) = curent
datorită divizorului rezistiv la GND, calculat în ecuația 22
Vout = tensiunea de ieșire căutată
Cea mai mică capacitate de ieșire, altfel prealocată în foaia de date:
Cout (min) = Iout (max) x D / f (s) x Delta I (l) ---------- (25)
Iout (max) = cel mai mare curent de ieșire posibil al programului
D = ciclul de funcționare calculat în ecuația 14
f (s) = cea mai mică frecvență de comutare a convertorului
Delta Vout = tensiunea de ieșire așteptată
Tensiunea de ieșire în exces, din cauza ESR:
Delta Vout (esr) = ESR x [Iout (max) / (1 - D) + Delta I (l) / 2 ---------- (26)
ESR = rezistența în serie paralelă a condensatorului de ieșire utilizat
Iout (max) = curentul optim de ieșire al utilizării
D = ciclul de funcționare determinat în ecuația 14
Delta I (l) = curentul de undă al inductorului din ecuația 15 sau din ecuația 19
Precedent: Realizați acest circuit de scuter electric / Rickshaw În continuare: Calculul inductoarelor în convertoarele Buck Boost
