Explica la topologia d'una font d'alimentació commutadora en un article
La topologia de circuit fa referència a la connexió entre dispositius d'alimentació i components electromagnètics en un circuit, mentre que el disseny de components magnètics, circuits de compensació de bucle tancat i tots els altres components del circuit depèn de la topologia. Les topologies més bàsiques són Buck, Boost i Buck/Boost, flyback d'un sol extrem (flyback aïllat), forward, push-pull, half bridge i convertidors de pont complet. Hi ha aproximadament 14 topologies comunes per a fonts d'alimentació de mode commutador, cadascuna amb les seves pròpies característiques i escenaris aplicables. El principi de selecció depèn de si és d'alta o baixa potència, sortida d'alta tensió o sortida de baixa tensió, i si requereix el mínim de components possible. És molt important triar una topologia adequadament i estar familiaritzat amb els avantatges, els desavantatges i l'aplicabilitat de diverses topologies. Les eleccions equivocades inevitablement conduiran al fracàs del disseny de la font d'alimentació des del principi.
En aquest article, aprofundirem en les topologies step-down, step-up i step-down step-up des de diferents perspectives.
Convertidor Buck
La figura 1 és un diagrama esquemàtic d'un convertidor buck asíncron. El convertidor buck redueix la seva tensió d'entrada a una tensió de sortida més baixa. Quan l'interruptor Q1 s'activa, l'energia es transfereix al terminal de sortida.
Figura 1: Diagrama esquemàtic d'un convertidor buck asíncron
La fórmula 1 calcula el cicle de treball:
La fórmula 2 calcula la tensió màxima d'un transistor d'efecte de camp de semiconductor d'òxid metàl·lic (MOSFET):
La fórmula 3 proporciona la màxima tensió del díode:
Vin és la tensió d'entrada, Vout és la tensió de sortida i Vf és la tensió directa del díode.
En comparació amb els reguladors lineals o els reguladors de baixa caiguda (LDO), com més gran sigui la diferència entre la tensió d'entrada i la tensió de sortida, més alta serà l'eficiència del convertidor buck.
Tot i que el convertidor buck té un corrent de pols a l'entrada, el corrent de sortida és continu a causa de la presència d'un filtre de condensador inductor (LC) a la sortida del convertidor. Com a resultat, l'ondulació de voltatge reflectida al terminal d'entrada serà més gran en comparació amb l'ondulació al terminal de sortida.
Per a convertidors buck amb cicles de treball petits i corrents de sortida superiors a 3A, es recomana utilitzar rectificadors síncrons. Si la vostra font d'alimentació requereix un corrent de sortida superior a 30A, es recomana utilitzar etapes de potència multifàsiques o intercalades, ja que això pot minimitzar l'estrès dels components, distribuir la calor generada entre múltiples etapes de potència i reduir l'ondulació de reflexió a l'entrada del convertidor.
Quan s'utilitza un N-FET, el cicle de treball és limitat perquè el condensador d'arrencada s'ha de recarregar en cada cicle de commutació. En aquest cas, el cicle de treball màxim es troba dins del rang del 95-99%.
Els convertidors Buck solen tenir bones característiques dinàmiques perquè tenen una estructura de topologia directa. L'amplada de banda assolible depèn de la qualitat de l'amplificador d'error i de la freqüència de commutació seleccionada.
Les figures 2 a 7 mostren les formes d'ona de tensió i corrent del FET, díode i inductor en mode de conducció contínua (CCM) en convertidors buck asíncrons.
Convertidor Boost
El convertidor elevador augmenta la seva tensió d'entrada a una tensió de sortida més gran. Quan l'interruptor Q1 no és conductor, l'energia es transfereix al terminal de sortida. La figura 8 és un diagrama esquemàtic d'un convertidor elevador asíncron.
Figura 8: Diagrama esquemàtic d'un convertidor elevador asíncron
La fórmula 4 calcula el cicle de treball:
La fórmula 5 calcula la tensió màxima del MOSFET:
La fórmula 6 proporciona la màxima tensió del díode:
Vin és la tensió d'entrada, Vout és la tensió de sortida i Vf és la tensió directa del díode.
Si s'utilitza un convertidor elevador, es pot veure el corrent de sortida d'impulsos, ja que el filtre LC es troba a l'extrem d'entrada. Per tant, el corrent d'entrada és continu i l'ondulació de la tensió de sortida és més gran que l'ondulació de la tensió d'entrada.
Quan es dissenya un convertidor elevador, és important saber que hi haurà una connexió permanent des de l'entrada fins a la sortida, fins i tot si el convertidor no està commutant. Cal prendre mesures preventives per evitar possibles curtcircuits a l'extrem de sortida.
Per a corrents de sortida superiors a 4A, s'han d'utilitzar rectificadors síncrons per substituir els díodes. Si la font d'alimentació ha de proporcionar un corrent de sortida superior a 10A, es recomana fermament utilitzar mètodes d'etapa de potència multifàsica o intercalada.
Quan funciona en mode CCM, les característiques dinàmiques del convertidor elevador estan limitades a causa del punt zero del semipla dret (RHPZ) de la seva funció de transferència. A causa de la incapacitat de la RHPZ per compensar, l'amplada de banda assolible normalment serà inferior a una cinquena o una desena part de la freqüència de la RHPZ.
Si us plau, consulteu la fórmula 7:
Entre ells, Vout és la tensió de sortida, D és el cicle de treball, Iout és el corrent de sortida i L1 és la inductància del convertidor elevador.
Les figures 9 a 14 mostren les formes d'ona de tensió i corrent del FET, díode i inductor en mode CCM en convertidors elevadors asíncrons.
Convertidor Buck-Boost
Un convertidor buck-boost és una combinació d'etapes de potència buck i boost que comparteixen el mateix inductor.
Vegeu la figura 15.
Figura 15: Diagrama esquemàtic d'un convertidor reductor-elevador de doble commutador
La topologia buck-boost és molt pràctica perquè la tensió d'entrada pot ser més petita, més gran o igual que la tensió de sortida, i requereix una potència de sortida superior a 50 W.
Per a una potència de sortida inferior a 50 W, un convertidor d'inductor primari d'un sol extrem (SEPIC) és una opció més rendible, ja que utilitza menys components.
Quan la tensió d'entrada és superior a la tensió de sortida, el convertidor buck-boost funciona en mode buck; quan la tensió d'entrada és inferior a la tensió de sortida, funciona en mode boost. Quan un convertidor funciona a la regió de transmissió on la tensió d'entrada es troba dins del rang de tensió de sortida, hi ha dos conceptes per gestionar aquestes situacions: o bé les etapes buck i boost estan actives simultàniament, o bé el cicle de commutació alterna entre les etapes buck i boost, cadascuna funcionant normalment a la meitat de la freqüència de commutació normal. El segon concepte pot causar soroll subharmònic a la sortida i, en comparació amb les operacions buck o boost convencionals, la precisió de la tensió de sortida pot no ser tan precisa, però en comparació amb el primer concepte, el convertidor serà més eficient.
La topologia buck-boost té corrents de pols tant a l'entrada com a la sortida perquè no hi ha filtre LC en cap direcció.
Per als convertidors buck-boost, les etapes de potència buck i boost es poden utilitzar per separat per al càlcul.
El convertidor buck-boost amb dos interruptors és adequat per a un rang de potència d'entre 50 W i 100 W (com ara LM5118), i la potència de rectificació síncrona pot arribar als 400 W (la mateixa que LM5175). Es recomana utilitzar un rectificador síncron amb la mateixa limitació de corrent que les etapes de potència buck i boost no conjugades.
Cal dissenyar una xarxa de compensació per al convertidor buck-boost per a l'etapa boost, ja que RHPZ limitarà l'amplada de banda del regulador.
Estructures topològiques bàsiques comunes
■ Reducció de voltatge Buck
■Impuls
■ Reducció de voltatge Buck Boost
■Volta enlaire Volta enlaire
■Endavant Endavant
■ Dos transformadors cap endavant, transistor dual cap endavant
■Empènyer Estirar
■Mig pont Mig pont
■ Pont complet
■ SEPIC
■ C'uk
1. Forma d'ona bàsica de modulació d'amplada de pols
Aquestes estructures topològiques estan totes relacionades amb circuits de mode commutador, i la forma d'ona bàsica de modulació d'amplada de pols es defineix de la següent manera:
2. Buck
Característica:
■Reduir l'entrada a un voltatge més baix.
■Pot ser el circuit més senzill.
■ El filtre inductor/condensador aplana l'ona quadrada després de la commutació.
■ La sortida sempre és menor o igual que l'entrada.
■ El corrent d'entrada és discontinu (tallat).
Corrent de sortida suau.
3. Impuls
Característica:
■Augmenteu l'entrada a un voltatge més alt.
■ Similar a la reducció de voltatge, però amb inductors, interruptors i díodes reordenats.
■ La sortida sempre és més gran o igual que l'entrada (sense tenir en compte la caiguda de tensió directa del díode).
■ Corrent d'entrada suau.
■ Corrent de sortida discontinu (tallat).
4. Buck-Boost
Característica:
■ Un altre mètode de disposició per a inductors, interruptors i díodes.
■ Combinant els inconvenients dels circuits reductors i elevadors.
■ El corrent d'entrada és discontinu (tallat).
■ El corrent de sortida també és discontinu (tall).
■ La sortida sempre és oposada a l'entrada (tingueu en compte la polaritat del condensador), però l'amplitud pot ser més petita o més gran que l'entrada.
■ El convertidor "flyback" té en realitat la forma d'un aïllament de circuit elevador-reductor (acoblament de transformador).
5. Vol de retorn
Característica:
■ Funciona com un circuit reductor-elevador, però l'inductor té dos debanaments que actuen com a transformador i com a inductor.
■ La sortida pot ser positiva o negativa, determinada per la polaritat de la bobina i el díode.
■ La tensió de sortida pot ser més gran o més petita que la tensió d'entrada, determinada per la relació de espires del transformador.
■ Aquesta és l'estructura de topologia aïllada més simple.
■ L'addició de debanats i circuits secundaris pot donar lloc a múltiples sortides.
6. Endavant
Característica:
■ La forma d'acoblament del transformador del circuit reductor.
■ Corrent d'entrada discontinu, corrent de sortida suau.
■ A causa de l'ús de transformadors, la sortida pot ser més gran o més petita que l'entrada, i pot tenir qualsevol polaritat.
■ Si afegiu debanaments i circuits secundaris, podeu obtenir múltiples sortides.
■ El nucli del transformador s'ha de desmagnetitzar durant cada cicle de commutació. La pràctica habitual és afegir un debanament amb el mateix nombre de voltes que el debanament primari.
■ L'energia emmagatzemada a l'inductor primari durant la fase d'encesa s'allibera a través de debanaments i díodes addicionals durant la fase d'apagada.
7、Dos transistors cap endavant
Característica:
■ Dos interruptors funcionen simultàniament.
■Quan l'interruptor es desconnecta, l'energia emmagatzemada al transformador inverteix la polaritat del primari, fent que el díode condueixi.
Principals avantatges:
■ El voltatge de cada interruptor no superarà mai el voltatge d'entrada.
■ No cal restablir la pista d'enrotllament.
8、Empènyer-estirar
Característica:
■ L'interruptor (FET) controla diferents fases i realitza modulació d'amplada de pols (PWM) per regular la tensió de sortida.
■ Bona taxa d'utilització dels nuclis magnètics dels transformadors: transmissió de potència en ambdós semicicles.
■ Estructura de topologia d'ona completa, de manera que la freqüència d'ondulació de sortida és el doble de la freqüència del transformador.
■ El voltatge aplicat al FET és el doble del voltatge d'entrada.
9、Mig Pont
Característica:
■ Una estructura topològica que s'utilitza habitualment en convertidors d'alta potència.
■ L'interruptor (FET) controla diferents fases i realitza modulació d'amplada de pols (PWM) per regular la tensió de sortida.
■ Bona taxa d'utilització dels nuclis magnètics dels transformadors: transmissió de potència en els dos semicicles. ■ A més, la taxa d'utilització del debanat primari és millor que la del circuit push-pull.
■ Estructura de topologia d'ona completa, de manera que la freqüència d'ondulació de sortida és el doble de la freqüència del transformador.
■ El voltatge aplicat al FET és igual al voltatge d'entrada.
10、Pont complet
Característica:
■ L'estructura topològica més utilitzada per a convertidors d'alta potència.
■ Els interruptors (FET) es controlen en parells diagonals i es realitza la modulació d'amplada de pols (PWM) per regular la tensió de sortida.
■ Bona taxa d'utilització dels nuclis magnètics dels transformadors: transmissió de potència en ambdós semicicles.
■ Estructura de topologia d'ona completa, de manera que la freqüència d'ondulació de sortida és el doble de la freqüència del transformador.
■ El voltatge aplicat als FET és igual al voltatge d'entrada.
■A una potència determinada, el corrent primari és la meitat del del mig pont.
11. Convertidor d'inductor primari d'un sol extrem SEPIC (SEPIC)
Característica:
■ La tensió de sortida pot ser més gran o més petita que la tensió d'entrada.
■ Com en un circuit elevador, el corrent d'entrada és suau, però el corrent de sortida és discontinu.
■ L'energia es transmet de l'entrada a la sortida a través de condensadors.
■Es necessiten dos inductors.
12、C'uk (patent de Slobodan C'uk)
Característica:
■Sortida en fase inversa.
■ L'amplitud de la tensió de sortida pot ser més gran o més petita que la d'entrada.
■ El corrent d'entrada i el corrent de sortida són suaus.
■ L'energia es transmet de l'entrada a la sortida a través de condensadors.
■Es necessiten dos inductors.
■ La inductància es pot acoblar per obtenir un corrent d'inductor d'ondulació zero.
13. Detalls del funcionament del circuit
■ A continuació s'expliquen els detalls de funcionament de diverses estructures topològiques:
■Regulador de voltatge: conducció contínua, conducció crítica, conducció discontínua.
■Regulador de pressió (conducció contínua).
■Funcionament del transformador.
■ transformador flyback.
■ Transformador directe.
14. Regulador de voltatge Buck de conducció contínua
Característica:
■ El corrent de l'inductor és continu.
■Vout és la mitjana de la seva tensió d'entrada (V1).
■ La tensió de sortida és el producte de la tensió d'entrada i la relació de càrrega de l'interruptor (D).
■ Quan es connecta, el corrent de l'inductor surt de la bateria.
■Quan l'interruptor està apagat, el corrent circula pel díode.
■ Si es negligeixen les pèrdues en interruptors i inductors, D és independent del corrent de càrrega.
■ Les característiques del regulador de tensió i els seus circuits derivatius són:
■ Corrent d'entrada discontinu (tallat), corrent de sortida continu (suavitzat).
15. Regulador de voltatge Buck, conductivitat crítica
■ El corrent de l'inductor continua sent continu, però arriba a zero quan es torna a encendre l'interruptor, cosa que s'anomena "conducció crítica". La tensió de sortida continua sent igual a la tensió d'entrada multiplicada per D.
16. Regulador de tensió Buck de conducció discontínua
■ En aquest cas, el corrent a l'inductor és zero durant un període de temps a cada cicle.
■ La tensió de sortida roman (sempre) el valor mitjà de v1.
■ La tensió de sortida no és el producte de la tensió d'entrada i la relació de càrrega de l'interruptor (D).
■ Quan el corrent de càrrega és inferior al valor crític, D canvia amb el corrent de càrrega (mentre Vout roman constant).
17. Regulador d'impuls
■ La tensió de sortida sempre és més gran que (o igual que) la tensió d'entrada.
■ Corrent d'entrada continu, corrent de sortida discontinu (oposat al regulador de tensió).
■ La relació entre la tensió de sortida i la relació de càrrega (D) no és tan simple com en un regulador de tensió. En el cas de la conductivitat contínua:
En aquest exemple, Vin = 5, Vout = 15 i D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.
18. Funcionament del transformador (inclòs el paper de la inductància primària)
■ Un transformador es considera un transformador ideal, amb la seva inductància primària (magnetitzada) connectada en paral·lel amb la primària.
19. Transformador Flyback
■ La inductància primària aquí és molt baixa, i s'utilitza per determinar el corrent màxim i l'energia emmagatzemada. Quan l'interruptor primari s'apaga, l'energia es transfereix al secundari.
20, Transformador convertidor directe
■ La inductància primària és alta perquè no cal emmagatzemar energia.
El corrent magnetitzador (i1) flueix cap a l'"inductor magnetitzador", fent que el nucli magnètic es desmagnetitzi (tensió inversa) després que l'interruptor primari s'apagui.
Resum
■ Aquest article revisa les topologies de circuits més comunes en la conversió de potència en mode commutador actual.
■ Hi ha moltes altres estructures topològiques, però la majoria són combinacions o variacions de la topologia descrita aquí.
■ Cada estructura topològica conté compromisos de disseny únics:
1) Tensió aplicada a l'interruptor
2) Tallar i suavitzar els corrents d'entrada i sortida
3) Taxa d'utilització del bobinatge
■ L'elecció de la topologia òptima requereix recerca sobre:
1) Rang de tensió d'entrada i sortida
2) Rang de corrent
3) La relació entre cost i rendiment, mida i pes