Buck Converter — оразмеряване на компонентите

В тази статия ще бъде дадена процедурата за изчисляване и избор на компонентите, необходими за проектирането на секцията за захранване на понижаващ импулсен DC преобразувател без галванична изолация, топология на преобразувател на долари. Преобразувателите от тази топология са подходящи за понижаване на DC напрежение в рамките на 50 волта на входа и при мощности на натоварване не повече от 100 вата.

Всичко, което се отнася до избора на веригата на контролера и драйвера, както и вида на полевия транзистор, ще бъде оставено извън обхвата на тази статия, но ние ще анализираме подробно схемата и характеристиките на режимите на работа на всеки от основните компоненти на силовата секция на преобразуватели от този тип.

Стартиране на развитието импулсен преобразувател, вземете предвид следните първоначални данни: стойностите на входното и изходното напрежение, максималния постоянен ток на натоварване, честотата на превключване на захранващия транзистор (работната честота на преобразувателя), както и текущата вълна през задави се Освен това, въз основа на тези данни, изчислете индуктивност на дросел, който ще осигури необходимите параметри, капацитета на изходния кондензатор, както и характеристиките на обратния диод.

• Входно напрежение — Uin, V

• Изходно напрежение — Uout, V

• Максимален ток на натоварване — Iout, A

• Обхват на пулсационния ток през дросела — Idr, A

• Честота на превключване на транзистори — f, kHz

Конверторът работи по следния начин. През първата част от периода, когато транзисторът е затворен, токът се подава от първичния източник на захранване през индуктора към товара, докато кондензаторът на изходния филтър се зарежда. Когато транзисторът е отворен, токът на натоварване се поддържа от заряда на кондензатора и тока на индуктора, които не могат да бъдат прекъснати незабавно, и се затварят чрез обратния диод, който сега е отворен през втората част на периода.

Например, да кажем, че трябва да разработим топология на доларов преобразувател, захранван от постоянно напрежение от 24 волта, а на изхода трябва да получим 12 волта с номинален ток на натоварване от 1 ампер и така, че напрежението да се вълнува при изходът не надвишава 50 mV. Нека работната честота на преобразувателя да бъде 450 kHz, а вълната на тока през индуктора не надвишава 30% от максималния ток на натоварване.

Първоначални данни:

• Uin = 24 V

• Uout = 12 V

• I out = 1 А.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Тъй като говорим за импулсен преобразувател, по време на работата му напрежението няма да се прилага постоянно към дросела, то ще се прилага точно чрез импулси, продължителността на положителните части на които dT може да се изчисли въз основа на работната честота на преобразувателя и съотношението на входното и изходното напрежение съгласно следната формула:

dT = Uout / (Uin * f),

тук Uout / Uin = DC е работният цикъл на импулса за управление на транзистора.

По време на положителната част на импулса на превключване източникът захранва веригата на преобразувателя, по време на отрицателната част на импулса, енергията, съхранявана от индуктора, се прехвърля към изходната верига.

За нашия пример се оказва: dT = 1,11 μs — времето, в което входното напрежение действа върху индуктора с кондензатора и свързания с него товар по време на положителната част на импулса.

Според със закона на електромагнитната индукция, промяната в тока Idr през индуктора L (който е дроселът) ще бъде пропорционална на напрежението Udr, приложено към клемите на бобината и времето на прилагането му dT (продължителност на положителната част на импулса):

Udr = L * Idr / dT

Напрежението на дросела Udr — в този случай нищо повече от разликата между входното и изходното напрежение в тази част от периода, когато транзисторът е в проводимо състояние:

Udr = Uin-Uout

И за нашия пример се оказва: Udr = 24 — 12 = 12 V — амплитудата на напрежението, приложено към дросела по време на положителната част на работния импулс.

Дросел

Сега, знаейки величината на напрежението, приложено към дросела Udr, задавайки времето на работния импулс dT върху дросела, както и стойността на максимално допустимата пулсация на тока на дросела Idr, можем да изчислим необходимата индуктивност на задушаване L:

L = Udr * dT / Idr

За нашия пример се оказва: L = 44,4 μH — минималната индуктивност на работния дросел, с която при дадена продължителност на положителната част на управляващия импулс dT люлеенето на вълната няма да надвишава Idr.

Кондензатор

Когато се определи стойността на индуктивността на дросела, преминете към избора на капацитета на изходния кондензатор на филтъра. Токът на вълните през кондензатора е равен на тока на пулсации през индуктора. Следователно, пренебрегвайки съпротивлението на индуктивния проводник и индуктивността на кондензатора, използваме следната формула, за да намерим минимално необходимия капацитет на кондензатора:

C = dT * Idr / dU,

където dU е вълнението на напрежението в кондензатора.

Като вземем стойността на вълната на напрежението в кондензатора, равна на dU = 0.050 V, за нашия пример получаваме C = 6.66 μF — минималният капацитет на изходния кондензатор на филтъра.

Диод

И накрая, остава да се определят параметрите на работния диод. Токът преминава през диода, когато входното напрежение е изключено от индуктора, тоест във втората част на работния импулс:

Id = (1 -DC) * Iout — среден ток през диода, когато е отворен и провеждащ.

За нашия пример Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — можете да изберете диод на Шотки за ток от 1 A ​​с максимално обратно напрежение по -голямо от входа, тоест около 30 волта.