Превключващи регулатори на напрежение

В регулаторите на импулсно напрежение (преобразуватели), активният елемент (обикновено полеви транзистор) работи в импулсен режим: управляващият ключ последователно се отваря и затваря, захранвайки захранващото напрежение с импулси към елемента, акумулиращ енергията. В резултат на това импулсите на ток се подават през дросел (или през трансформатор, в зависимост от топологията на конкретен превключващ регулатор), който често действа като елемент, който акумулира, преобразува и освобождава енергия в натоварващата верига.

Импулсите имат определени параметри на времето: те следват с определена честота и имат определена продължителност. Тези параметри зависят от размера на товара, който в момента се подава от стабилизатора, тъй като това е средният ток на индуктора, който зарежда изходния кондензатор и всъщност захранва свързания към него товар.

В структурата на импулсен стабилизатор могат да се разграничат три основни функционални единици: ключ, устройство за съхранение на енергия и верига за управление. Първите два възела образуват захранващ участък, който заедно с третия образува цялостна верига за преобразуване на напрежението. Понякога ключът може да бъде направен в същия корпус с управляващата верига.

Така че работата на импулсния преобразувател се извършва поради затварянето и отварянето електронен ключ… Когато ключът е затворен, устройството за съхранение на енергия (дросел) е свързано към източника на захранване и съхранява енергия, а когато е отворено, устройството за съхранение се изключва от източника и веднага се свързва към веригата на натоварване, след което енергията се прехвърля към филтърния кондензатор и към товара.

В резултат на това върху товара действа определена средна стойност на напрежението, което зависи от продължителността и честотата на повторение на управляващите импулси. Токът зависи от товара, чиято стойност не трябва да надвишава допустимата граница за този преобразувател.

ШИМ и ШИМ

Принципът на стабилизиране на изходното напрежение на импулсния преобразувател се основава на непрекъснато сравнение на изходното напрежение с референтното напрежение и в зависимост от несъответствието на тези напрежения, управляващата верига автоматично възстановява съотношението на продължителността на отворено и затворено състояния на ключа (променя ширината на управляващите импулси с широчинно -импулсна модулация — ШИМ) или променя скоростта на повторение на тези импулси, като поддържа продължителността им постоянна (посредством импулсна честотна модулация — PFM). Изходното напрежение обикновено се измерва с резистивен делител.

Да предположим, че напрежението на изхода под товар в даден момент намалява, става по -малко от номиналното. В този случай PWM контролерът автоматично ще увеличи ширината на импулса, тоест процесите на съхранение на енергия в дросела ще станат по -дълги и съответно повече енергия ще бъде прехвърлена към товара. В резултат на това изходното напрежение ще се върне към номиналното.

Ако стабилизацията работи по принципа на PFM, тогава с намаляване на изходното напрежение при натоварване скоростта на повторение на импулса ще се увеличи. В резултат на това повече части енергия ще бъдат прехвърлени към товара и напрежението ще бъде равно на необходимия рейтинг. Тук би било уместно да се каже, че съотношението на продължителността на затвореното състояние на ключа към сумата от продължителността на неговото затворено и отворено състояние е така нареченият работен цикъл DC.

По принцип импулсните преобразуватели се предлагат със и без галванична изолация.В тази статия ще разгледаме основните схеми без галванична изолация: повишаващи, понижаващи и инвертиращи преобразуватели. Във формулите Vin е входното напрежение, Vout е изходното напрежение, а DC е работният цикъл.

Негалванично изолиран доларов конвертор-доларов конвертор или понижаващ преобразувател

Ключ Т се затваря. Когато ключът е затворен, диод D е заключен, токът преминава дросел L и през товара R започва да се увеличава. Ключът се отваря. Когато ключът се отвори, токът през дросела и през товара, въпреки че намалява, продължава да тече, тъй като не може да изчезне мигновено, едва сега веригата се затваря не през ключа, а през диода, който се е отворил.

Ключът отново се затваря. Ако през времето, докато ключът е бил отворен, токът през дросела не е имал време да падне до нула, то сега той отново се увеличава.И така, през дросела и през товара, той действа през цялото време пулсиращ ток (ако нямаше кондензатор). Кондензаторът изглажда вълните, така че токът на натоварване е почти постоянен.

Изходното напрежение в преобразувател от този тип винаги е по -малко от входното напрежение, което тук е практически разделено между дросела и товара. Неговата теоретична стойност (за идеален преобразувател — без да се вземат предвид загубите на превключвателя и на диода) може да се намери, като се използва следната формула:

Усилващ преобразувател без галванична изолация — усилващ преобразувател

Ключ Т е затворен. Когато ключът е затворен, диод D е затворен, токът през индуктора L започва да се увеличава. Ключът се отваря. Токът продължава да тече през индуктора, но сега през отворен диод и напрежението през индуктора се добавя към напрежението на източника. Постоянното напрежение в товара R се поддържа от кондензатор C.

Ключът се затваря, токът на дросела отново нараства. Изходното напрежение на преобразувател от този тип винаги е по -високо от входното напрежение, тъй като напрежението през индуктора се добавя към напрежението на източника. Теоретичната стойност на изходното напрежение (за идеален преобразувател) може да се намери по формулата:

Инвертиращ преобразувател без галванична изолация-buck-boost-converter

Ключ Т е затворен. Дроселът L съхранява енергия, диод D е затворен. Ключът е отворен — дроселът дава енергия на кондензатора С и на товара R. Изходното напрежение тук има отрицателна полярност. Стойността му може да се намери (за идеалния случай) по формулата:

За разлика от линейните стабилизатори, превключващите стабилизатори имат по -висока ефективност поради по -малко нагряване на активните елементи и следователно изискват по -малка площ на радиатора. Типични недостатъци на превключващите стабилизатори са наличието на импулсен шум във изходната и входната верига, както и по -дълги преходни процеси.