Bagaimana Litar Buck-Boost Berfungsi

Kita semua telah banyak mendengar tentang litar buck dan boost dan tahu bahawa pada dasarnya litar ini digunakan dalam reka bentuk SMPS untuk menaikkan atau menurunkan voltan tertentu pada input. Perkara menarik mengenai teknologi ini ialah ia membenarkan fungsi di atas dengan penjanaan haba yang tidak dapat diubah sehingga menghasilkan penukaran yang sangat efisien.

Apa itu Buck-Boost, Bagaimana Ia Berfungsi

Mari kita pelajari konsep di bahagian pertama tanpa melibatkan banyak teknikal sehingga menjadi lebih mudah untuk memahami apa sebenarnya konsep boost boost walaupun kepada pemula.

Di antara tiga topologi asas bernama buck, boost, dan buck-boost, yang ketiga lebih popular kerana membolehkan kedua fungsi (buck boost) digunakan melalui satu konfigurasi hanya dengan mengubah pulsa input.

Dalam topologi buck-boost, kita mempunyai komponen pensuisan elektronik yang boleh berbentuk transistor atau mosfet. Komponen ini ditukar melalui isyarat berdenyut dari litar pengayun bersepadu.

Selain komponen pensuisan di atas, litar mempunyai induktor, diod dan kapasitor sebagai bahan utama.

Semua bahagian ini disusun dalam bentuk yang dapat disaksikan dalam rajah berikut:

Merujuk kepada gambarajah rangsangan di atas, mosfet adalah bahagian yang menerima denyutan yang memaksanya beroperasi dalam dua keadaan: keadaan ON dan OFF.

Semasa keadaan ON, arus masukan mendapat jalan yang jelas melalui mosfet dan dengan serta-merta berusaha untuk melintasi induktor kerana dioda diposisikan dalam keadaan bias terbalik.

Induktor kerana harta benda yang melekatnya cuba menyekat kemasukan arus secara tiba-tiba dan tindak balas yang mengimbangi menyimpan sejumlah arus di dalamnya.

Sebaik sahaja mosfet dimatikan, ia akan berada di bawah keadaan OFF yang menghalang sebarang aliran arus input.

Sekali lagi induktor tidak dapat mengatasi perubahan arus tiba-tiba ini dari magnitud yang diberikan kepada sifar, dan sebagai tindak balas untuk mengimbangi ini, ia menendang arus yang tersimpan melalui dioda di seluruh litar.

Dalam prosesnya arus juga disimpan dalam kapasitor.

Semasa keadaan ON mosfet seterusnya, kitaran diulang seperti di atas namun tanpa arus yang tersedia dari induktor, kapasitor mengeluarkan tenaga yang tersimpan ke dalam output yang membantu menjaga output tetap stabil hingga tahap optimum.

Anda mungkin tertanya-tanya faktor apa yang menentukan keputusan BUCK atau BOOST pada output? Ia cukup mudah, bergantung pada berapa lama mosfet dibenarkan tinggal dalam keadaan ON atau dalam keadaan OFF.

Dengan peningkatan masa nyala mosfets, litar mula berubah menjadi penukar Boost sementara dengan waktu NON MATFET melebihi masa AKTIFnya mengakibatkan litar berkelakuan seperti penukar Buck.

Oleh itu, input ke mosfet dapat dibuat melalui rangkaian PWM yang dioptimumkan untuk mendapatkan peralihan yang diperlukan di litar yang sama.

Meneroka Topologi Buck / Boost di Litar SMPS Lebih Teknikal:

Seperti yang telah dibahas di bahagian atas, tiga topologi asas yang sering digunakan dengan bekalan kuasa mod suis adalah penekanan buck, boost, dan buck.

Ini pada dasarnya tidak terpencil di mana tahap daya input berkongsi asas yang sama dengan bahagian daya output. Sudah tentu kita juga dapat mencari versi terpencil walaupun agak jarang berlaku.

Tiga topologi yang dinyatakan di atas dapat dibezakan secara unik bergantung pada sifat eksklusifnya. Sifat-sifat tersebut dapat dikenal pasti sebagai nisbah penukaran voltan keadaan tetap, sifat arus input dan output dan juga ciri riak voltan output.

Selain itu tindak balas frekuensi kitaran tugas terhadap pelaksanaan voltan output dapat dianggap sebagai salah satu sifat penting.

Di antara tiga topologi yang disebutkan di atas, topologi buck-boost adalah yang paling disukai kerana membolehkan output berfungsi voltan kurang daripada voltan input (mod buck) dan juga menghasilkan voltan di atas voltan input (mod boost).

Walau bagaimanapun, voltan keluaran dapat diperoleh dengan polaritas yang berlawanan dari input, yang tidak menimbulkan masalah sama sekali.

Arus input yang diterapkan ke penukar buck buck adalah bentuk arus berdenyut kerana pengalihan suis daya yang berkaitan (Q1).

Di sini arus beralih dari sifar ke l selama setiap kitaran nadi. Begitu juga dengan output dan kita mendapat arus berdenyut kerana dioda yang berkaitan yang hanya berjalan dalam satu arah, menyebabkan keadaan berdenyut ON dan OFF semasa kitaran beralih .

Kapasitor bertanggungjawab untuk memberikan arus pampasan ketika diod berada dalam keadaan MATI atau keadaan bias terbalik semasa kitaran pensuisan.

Artikel ini menerangkan fungsi keadaan tetap penukar buck-boost dalam operasi mod berterusan dan mod tak putus dengan bentuk gelombang teladan yang disajikan.

Fungsi pertukaran voltan kitaran ke output ditunjukkan selepas pengenalan reka bentuk suis PWM.

Gambar 1 skema ringkas tahap daya penguat dengan penambahan blok litar pemacu. Suis kuasa, Q1, adalah MOSFET saluran n. Diod keluaran adalah CR1.

Induktor, L, dan kapasitor, C, merupakan penyaringan output yang cekap. Kapasitor ESR, RC, (rintangan siri setara) dan rintangan DC induktor, RL, semuanya dianalisis dalam. Perintang, R, sepadan dengan beban yang dikenal pasti oleh output tahap daya.

Dalam perjalanan kefungsian biasa pada tahap kekuatan buck-boost, Q1 sentiasa dihidupkan dan dimatikan dengan waktu on dan off diatur oleh litar kawalan.

Tingkah laku beralih ini membenarkan rantai denyutan di persimpangan Q1, CR1, dan L.

Walaupun induktor, L, dihubungkan dengan kapasitor output, C, jika hanya CR1 yang menjalankan, penapis output L / C yang berjaya dibuat. Ia membersihkan berturut-turut denyutan sehingga menghasilkan voltan output DC.

Analisis Buck-Boost Stage Steady-State

Tahap daya boleh berfungsi dalam tetapan arus induktor berterusan atau tidak berterusan. Mod arus induktor berterusan dikenal pasti oleh arus berterusan dalam induktor atas urutan beralih dalam proses keadaan tetap.

Mod arus induktor tidak berterusan dikenal pasti oleh arus induktor kekal sifar untuk bahagian kitaran pensuisan. Ia bermula pada sifar, meluas ke nilai maksimum, dan kembali ke nol dalam setiap corak pensuisan.

Dua kaedah yang berbeza disebutkan dengan lebih terperinci selepas itu dan cadangan model untuk nilai induktor untuk mengekalkan mod fungsi yang dipilih kerana kemampuan beban undian disajikan. Sebaiknya penukar berada dalam format tunggal hanya berdasarkan keadaan berfungsi yang diramalkan kerana tindak balas frekuensi tahap kuasa banyak berubah antara dua teknik operasi yang berbeza.

Dengan penilaian ini, kuasa N-channel MOSFET digunakan dan voltan positif, VGS (ON), dibekalkan dari Pintu ke terminal Sumber Q1 oleh litar kawalan untuk menghidupkan FET. Keuntungan menggunakan FET saluran n adalah RDS (on) yang lebih rendah namun litar contro sukar kerana pemacu yang digantung menjadi perlu. Untuk dimensi paket yang sama, FET saluran p mempunyai RDS (on) yang lebih tinggi namun biasanya tidak memerlukan litar pemacu terapung.

Transistor Q1 dan diod CR1 digambarkan dalam garis garis putus-putus dengan terminal yang ditandai a, p, dan c. Ia dibincangkan secara menyeluruh di bahagian Model Tahap Kuasa Buck-Boost.

Analisis Mod Konduksi Berterusan Buck-Boost Steady-State

Berikut ini adalah penerangan mengenai peningkatan tenaga kerja dalam operasi keadaan tetap dalam kaedah pengaliran berterusan. Objektif utama segmen ini adalah untuk menyajikan turunan hubungan transformasi voltan untuk mod daya konduksi berterusan yang meningkatkan tahap daya.

Ini akan menjadi penting kerana ia menunjukkan cara voltan output ditentukan oleh kitaran tugas dan voltan masukan atau sebaliknya, bagaimana kitaran tugas dapat ditentukan bergantung pada voltan input dan voltan keluaran.

Keadaan stabil bermaksud bahawa voltan input, voltan keluaran, arus beban output, dan kitaran tugas adalah tetap berbanding berbeza. Huruf besar biasanya diberikan kepada label berubah-ubah untuk menunjukkan magnitud keadaan tetap. Dalam mod konduksi berterusan, penukar buck-boost memerlukan beberapa keadaan setiap kitaran beralih.

Status ON adalah setiap kali Q1 AKTIF dan CR1 MATI. Status MATI setiap kali Q1 MATI dan CR1 AKTIF. Litar linier yang mudah dapat melambangkan setiap dua keadaan di mana suis dalam litar digantikan oleh litar padanan mereka dalam setiap keadaan. Gambarajah litar untuk setiap dua keadaan ditunjukkan dalam Rajah 2.

Tempoh keadaan ON adalah D × TS = TON di mana D adalah kitaran tugas, diperbaiki oleh litar pemacu, yang digambarkan dalam bentuk nisbah tempoh beralih ON ke tempoh urutan beralih penuh tunggal, Ts.

Panjang keadaan OFF dikenali sebagai TOFF. Kerana seseorang dapat menemui hanya beberapa keadaan setiap kitaran pensuisan untuk mod konduksi berterusan, TOFF sama dengan (1 − D) × TS. Besarnya (1 − D) kadang-kadang disebut D ’. Tempoh ini disajikan bersama dengan bentuk gelombang dalam Rajah 3.

Melihat Gambar 2, semasa keadaan ON, Q1 menawarkan rintangan berkurang, RDS (on), dari salurannya ke sumber dan menunjukkan penurunan voltan yang lebih kecil dari VDS = IL × RDS (on).

Selain itu terdapat sedikit penurunan voltan di rintangan dc induktor sama dengan IL × RL.

Oleh itu, voltan masukan, VI, minus defisit, (VDS + IL × RL), dipasang di seberang induktor, L. CR1 MATI dalam tempoh ini kerana akan menjadi bias terbalik.

Arus induktor, IL, mengalir dari bekalan input, VI, melalui Q1 dan ke tanah. Semasa keadaan ON, voltan yang dipasang di seluruh induktor adalah tetap dan sama dengan VI - VDS - IL × RL.

Mengikuti norma polaritas untuk IL semasa yang ditunjukkan dalam Rajah 2, arus induktor meningkat kerana voltan yang dilaksanakan. Selanjutnya, kerana voltan yang dikenakan pada asasnya konsisten, arus induktor meningkat secara linear. Peningkatan arus induktor ini semasa TON ditunjukkan dalam Rajah 3.

Tahap di mana peningkatan arus induktor umumnya ditentukan dengan menggunakan bentuk formula yang terkenal:

Kenaikan arus induktor dalam status ON disajikan sebagai:

Besarnya ini, ΔIL (+), diistilahkan sebagai arus riak induktor. Selanjutnya perhatikan bahawa melalui selang ini, setiap bit arus beban output masuk oleh kapasitor output, C.

Dengan merujuk pada Gambar 2, sementara Q1 MATI, ia menawarkan peningkatan impedans dari salurannya ke sumber.

Akibatnya, kerana arus yang mengalir di induktor L tidak dapat menyesuaikan diri dengan serta-merta, arus beralih dari Q1 ke CR1. Akibat pengurangan arus induktor, voltan melintang induktor membalikkan kekutuban sehingga penerus CR1 berubah menjadi bias ke depan dan terbalik.

Voltan yang disambungkan melintasi L berubah menjadi (VO - Vd - IL × RL) di mana magnitud, Vd, adalah penurunan voltan hadapan CR1. Arus induktor, IL, pada titik ini melewati susunan kapasitor dan perintang beban melalui CR1 dan ke garis negatif.

Perhatikan bahawa penjajaran CR1 dan jalan peredaran arus di induktor menandakan bahawa arus yang sedang berjalan dalam pengelompokan kapasitor output dan perintang beban menyebabkan VO menjadi voltan tolak. Dalam keadaan OFF, voltan yang disambungkan di seluruh induktor stabil dan sama dengan (VO - Vd - IL × RL).

Memelihara konvensi polaritas kami, voltan yang disambungkan ini adalah tolak (atau polaritas terbalik dari voltan yang disambungkan dalam masa ON), kerana voltan output VO adalah negatif.

Oleh itu, arus induktor turun sepanjang masa OFF. Selanjutnya, kerana voltan yang dihubungkan pada dasarnya stabil, arus induktor berkurang secara linear. Pengurangan arus induktor ini semasa TOFF digariskan dalam Rajah 3.

Pengurangan arus induktor melalui keadaan OFF disediakan oleh:

Besarnya ini, ΔIL (-), boleh disebut arus riak induktor. Dalam keadaan keadaan stabil, kenaikan semasa, ΔIL (+), dalam jangka masa ON dan pengurangan semasa melalui waktu OFF, ΔIL (-), harus sama.

Atau, arus induktor dapat menawarkan peningkatan atau pengurangan keseluruhan dari kitaran ke kitaran yang tidak akan menjadi keadaan keadaan stabil.

Oleh itu, kedua-dua persamaan ini dapat disamakan dan diusahakan untuk VO untuk memperoleh bentuk konduksi berterusan penggantian pertukaran voltan buck-boost:

Menentukan VO:

Selain itu, menggantikan TS untuk TON + TOFF, dan menggunakan D = TON / TS dan (1 − D) = TOFF / TS, persamaan keadaan tetap untuk VO adalah:

Perhatikan bahawa dalam mempermudah perkara di atas, TON + TOFF semestinya serupa dengan TS. Ini hanya boleh berlaku untuk mod konduksi berterusan seperti yang akan kita ketahui dalam penilaian mod konduksi berterusan. Pemeriksaan penting harus dibuat pada ketika ini:

Memperbaiki dua nilai ΔIL setara antara satu sama lain dengan meratakan volt-saat pada induktor. Voltan-detik yang digunakan pada induktor adalah produk voltan yang digunakan dan tempoh voltan digunakan.

Ini boleh menjadi cara yang paling berkesan untuk menganggarkan magnitud yang tidak dikenali misalnya VO atau D berkaitan dengan parameter litar biasa, dan pendekatan ini akan sering digunakan dalam artikel ini. Penstabil voltan-detik pada induktor adalah keperluan semula jadi dan harus dianggap sekurang-kurangnya sebagai Hukum Ohms.

Dalam persamaan di atas untuk ΔIL (+) dan ΔIL (-), voltan keluaran secara implisit seharusnya konsisten tanpa voltan riak AC sepanjang masa ON dan tempoh OFF.

Ini adalah penyederhanaan yang diterima dan memerlukan beberapa hasil individu. Pertama, kapasitor output dipercayai cukup besar sehingga penukaran voltannya minimum.

Kedua, voltan kapasitor ESR dianggap minimum. Andaian sedemikian sah kerana voltan riak AC pasti jauh lebih rendah daripada bahagian DC voltan keluaran.

Perubahan voltan di atas untuk VO menunjukkan kebenaran bahawa VO dapat diubah dengan menyesuaikan kitaran tugas, D.

Sambungan ini hampir mendekati sifar ketika D tiba hampir sifar dan naik tanpa ditakdirkan ketika D mendekati 1. Penyederhanaan khas menganggap VDS, Vd, dan RL cukup kecil untuk diabaikan. Menetapkan VDS, Vd, dan RL ke sifar, formula di atas mempermudah untuk:

Kaedah kualitatif yang kurang rumit untuk menggambarkan operasi litar adalah dengan menganggap induktor sebagai bahagian simpanan kuasa. Setiap kali Q1 dihidupkan, tenaga dicurahkan ke atas induktor.

Semasa Q1 dimatikan, induktor membekalkan sebahagian energinya ke kapasitor output dan beban. Voltan output diatur dengan menetapkan tepat pada masa Q1. Sebagai contoh, dengan meningkatkan tepat waktu Q1, kuantiti daya yang dihantar ke induktor diperkuat.

Tenaga tambahan kemudiannya dihantar ke output dalam jangka masa off Q1 menyebabkan peningkatan voltan output. Berbeza dengan tahap kuasa wang, magnitud arus arus induktor tidak sama dengan arus keluaran.

Untuk mengaitkan arus induktor dengan arus keluaran, melihat Gambar 2 dan 3, perhatikan bahawa arus induktor ke output semata-mata semasa berada dalam keadaan mati tahap daya.

Arus ini rata-rata pada keseluruhan urutan beralih sama dengan arus keluaran kerana arus anggaran dalam kapasitor output harus sama dengan sifar.

Sambungan antara arus induktor rata-rata dan arus keluaran untuk tahap daya peningkatan daya berterusan terus disediakan oleh:

Satu lagi sudut pandang yang signifikan ialah kenyataan bahawa arus induktor berkadar dengan arus keluaran, dan kerana arus riak induktor, ΔIL, tidak berkaitan dengan arus beban keluaran, nilai arus induktor minimum dan tertinggi mengikuti arus induktor tepat.

Sebagai contoh, jika arus induktor rata-rata menurun sebanyak 2A kerana pengurangan arus beban, dalam hal ini nilai arus dan induktor terendah dan tertinggi berkurang sebanyak 2A (mengingat mod konduksi berterusan dipelihara).

Penilaian berterusan adalah untuk fungsi tahap daya penambah daya dalam mod arus induktor berterusan. Segmen berikut adalah penjelasan mengenai fungsi keadaan tetap dalam mod konduksi tidak putus. Hasil utama adalah turunan dari hubungan penukaran voltan untuk tahap daya pengalihan mod pengaliran putaran.

Penilaian Mod Konduksi Tidak Berterusan Buck-Boost Steady-State

Kami pada ketika ini mengkaji apa yang berlaku di mana arus beban dikurangkan dan mod konduksi beralih dari berterusan ke tidak putus.

Ingatlah untuk mod konduksi berterusan, arus induktor rata-rata mengikuti arus keluaran, iaitu sekiranya arus keluaran berkurang, dalam hal ini juga arus induktor rata-rata.

Selain itu, puncak arus induktor terendah dan tertinggi mengejar arus induktor purata dengan tepat. Sekiranya arus beban keluaran menurun di bawah tahap arus asas, arus induktor akan menjadi sifar bagi bahagian urutan beralih.

Ini dapat dilihat dari bentuk gelombang yang ditunjukkan pada Gambar 3, kerana puncak ke puncak arus riak tidak dapat diubah dengan arus beban output.

Pada tahap daya penambah, jika arus induktor cuba berada di bawah sifar, ia hanya berhenti pada sifar (kerana pergerakan arus searah dalam CR1) dan berlanjutan di sana sehingga permulaan tindakan beralih berikutnya. Mod kerja ini dikenali sebagai mod konduksi berterusan.

Tahap daya berfungsi litar penguat buck dalam format konduksi tak putus memiliki tiga keadaan khas melalui setiap kitaran pensuisan berbeza dengan 2 keadaan untuk format konduksi berterusan.

Keadaan arus induktor di mana tahap daya berada di pinggir antara tetapan berterusan dan tidak berterusan ditunjukkan dalam Rajah 4.

Dalam ini arus induktor hanya runtuh menjadi sifar sementara kitaran pensuisan berikut bermula sejurus selepas arus mencapai sifar. Perhatikan bahawa nilai IO dan IO (Crit) dibentangkan dalam Rajah 4 kerana IO dan IL merangkumi polariti yang berlawanan.

Turunkan arus beban output yang lebih rendah menetapkan tahap daya menjadi corak pengaliran tidak berterusan. Keadaan ini ditunjukkan dalam Rajah 5.

Tindak balas frekuensi tahap daya mod tidak berterusan agak berbeza dengan tindak balas frekuensi mod berterusan yang disajikan dalam segmen Pemodelan Tahap Daya Buck-Boost. Selain itu, input ke output adalah agak berbeza seperti yang ditunjukkan dalam halaman terbitan ini:

Untuk memulakan penentuan nisbah pertukaran voltan tahap kuasa buck-boost mode konduksi tidak putus, ingatlah bahawa anda mempunyai tiga keadaan khas yang dipertimbangkan oleh penukar melalui fungsi mod konduksi berterusan.

Status ON adalah ketika Q1 ON dan CR1 OFF. Status OFF adalah ketika Q1 MATI dan CR1 AKTIF. Keadaan IDLE adalah apabila setiap Q1 dan CR1 MATI. Dua keadaan awal adalah seperti keadaan mod berterusan dan litar Rajah 2 adalah relevan selain daripada TOFF ≠ (1 − D) × TS. Selebihnya urutan beralih adalah keadaan IDLE.

Selain itu, rintangan DC dari induktor output, penurunan voltan hadapan diod keluaran, dan juga penurunan voltan keadaan MOSFET ON-state biasanya semestinya cukup minit untuk dilupakan.

Tempoh masa keadaan ON adalah TON = D × TS di mana D adalah kitaran tugas, diperbaiki oleh litar kawalan, ditunjukkan sebagai nisbah masa putar ke masa satu urutan beralih penuh, Ts. Panjang keadaan OFF ialah TOFF = D2 × TS. Tempoh IDLE adalah sisa corak pensuisan yang disajikan sebagai TS - TON - TOFF = D3 × TS. Tempoh ini disusun dengan bentuk gelombang pada Gambar 6.

Tanpa memeriksa penerangan yang komprehensif, persamaan kenaikan dan penurunan arus induktor disebutkan di bawah. Kenaikan arus induktor dalam keadaan ON dikeluarkan oleh:

Kuantiti arus riak, ΔIL (+), juga arus induktor puncak, Ipk kerana dalam mod tak putus, arus bermula pada 0 setiap kitaran. Pengurangan arus induktor dalam keadaan OFF dimunculkan oleh:

Sama seperti keadaan mod konduksi berterusan, kenaikan semasa, ΔIL (+), dalam jangka masa ON dan pengurangan semasa semasa dalam masa OFF, ΔIL (-), adalah serupa. Oleh itu, kedua-dua persamaan ini dapat disamakan dan ditangani agar VO memperoleh awal dua persamaan yang akan digunakan untuk menyelesaikan nisbah penukaran voltan:

Seterusnya kita menentukan arus keluaran (voltan keluaran VO dibahagi dengan beban keluaran R). Ini adalah purata lebih dari satu urutan pensuisan arus induktor ketika CR1 menjadi konduktif (D2 × TS).

Di sini, ganti sambungan untuk IPK (ΔIL (+)) ke dalam persamaan di atas untuk memperoleh:

Oleh itu, kita mempunyai dua persamaan, satu untuk arus keluaran (VO dibahagi dengan R) baru saja diturunkan dan satu lagi untuk voltan keluaran, keduanya berkaitan dengan VI, D, dan D2. Kami pada masa ini membongkar setiap formula untuk D2 dan juga memperbaiki kedua persamaan itu satu sama lain.

Menggunakan persamaan yang dihasilkan, gambaran untuk voltan keluaran, VO, dapat diperoleh. Gabungan transformasi voltan meningkatkan mod konduksi berterusan tidak ditulis oleh:

Sambungan di atas memaparkan salah satu perbezaan utama antara dua mod konduksi. Untuk mod konduksi tidak putus-putus, hubungan perubahan voltan adalah fungsi voltan input, putaran tugas, induktansi tahap daya, frekuensi pensuisan, dan rintangan beban output.

Untuk mod konduksi berterusan, sambungan pertukaran voltan hanya dipengaruhi oleh voltan input dan kitaran tugas. Dalam aplikasi tradisional, tahap kekuatan buck-boost dijalankan dalam pilihan antara mod konduksi berterusan atau mod konduksi tidak putus. Untuk penggunaan tertentu, satu mod konduksi dipilih sementara tahap daya dibuat untuk mempertahankan mod yang sama.