Kuidas Buck-Boost vooluringid töötavad

Me kõik oleme palju kuulnud buck- ja boost-ahelatest ning teame, et põhimõtteliselt kasutatakse neid vooluahelaid SMPS-i disainides sisendil antud pinge suurendamiseks või vähendamiseks. Selle tehnoloogia huvitav asi on see, et see võimaldab ülaltoodud funktsioone tühise soojusenergia tootmisega, mille tulemuseks on ülitõhus muundamine.

Mis on Buck-Boost, kuidas see töötab

Õpime mõiste esimeses osas ilma palju tehnilisi küsimusi kaasamata, et oleks lihtsam mõista, mis täpselt on algtõste kontseptsioon isegi algajal.

Kolme põhitopoloogia, nimega buck, boost ja buck-boost, hulgas on kolmas populaarsem, kuna see võimaldab mõlemat funktsiooni (buck boost) kasutada ühe konfiguratsiooni kaudu, muutes lihtsalt sisendimpulsse.

Buck-boost topoloogias on meil peamiselt elektrooniline lülituskomponent, mis võib olla transistori või mosfeti kujul. See komponent lülitatakse integreeritud ostsillaatorahelast pärineva pulseeriva signaali kaudu.

Peale ülaltoodud lülituskomponendi on vooluahelas peamisteks koostisosadeks induktor, diood ja kondensaator.

Kõik need osad on paigutatud kujul, mida võib näha järgmiselt skeemilt:

Viidates ülaltoodud Buck Boost diagrammile, on mosfet see osa, mis võtab vastu impulsse, mis sunnib teda töötama kahel tingimusel: ON ja OFF.

Sees oleku ajal saab sisendvool mosfeti kaudu selge tee ja proovib kohe üle induktori jõuda, kuna diood on paigutatud vastupidises kallutatud olekus.

Induktor püüab oma olemuse tõttu piirata voolu järsku tekkimist ja kompenseerivas vastuses salvestab selles teatud koguse voolu.

Niipea kui mosfet on välja lülitatud, läheb see OFF olekusse, blokeerides sisendvoolu mis tahes läbipääsu.

Jällegi ei suuda induktor toime tulla selle äkilise voolu muutusega etteantud suurusest nullini ja vastuseks selle kompenseerimisele tagastab see oma salvestatud voolu dioodi kaudu kogu vooluahela väljundis.

Selle käigus salvestatakse vool ka kondensaatorisse.

Mosfeti järgmise sisselülitatud oleku ajal korratakse tsüklit nagu ülal, kuid induktorilt voolu eraldamata laseb kondensaator salvestatud energia väljundisse, mis aitab hoida väljundi stabiilsena optimeeritud tasemel.

Teil võib tekkida küsimus, milline tegur otsustab väljundis BUCK või BOOST tulemused? See on üsna lihtne, see sõltub sellest, kui kaua mosfetil lubatakse ON-olekus või OFF-olekus viibida.

Kui mosfetide ON-aeg pikeneb, hakkab vooluring muutuma Boost-muunduriks, samal ajal kui mosfets-i OFF-aeg ületab selle ON-aja, põhjustab vooluahel käitumist nagu Buck-muundur.

Seega saab mosfeti sisendi teha optimeeritud PWM-ahela kaudu, et saada vajalikke üleminekuid üle sama ahela.

Buki / Boost-topoloogia uurimine SMPS-ahelates tehnilisemalt:

Nagu ülalnimetatud jaotises arutletakse, on kolm põhilist topoloogiat, mida lülitusrežiimiga toiteallikate puhul tavaliselt kasutatakse, on buck, boost ja buck boost.

Need ei ole põhimõtteliselt isoleeritud, kus sisendvõimsuse etapil on ühine alus väljundvõimsuse sektsiooniga. Muidugi võiksime leida ka üksikuid versioone, ehkki üsna harva.

Eespool nimetatud kolme topoloogiat saab eristada ainulaadselt, sõltuvalt nende ainuomastest omadustest. Omadusi võib identifitseerida ka püsiseisundi pinge muundamissuhtena, sisend- ja väljundvoolu olemusena ning väljundpinge pulsatsiooni iseloomuna.

Lisaks võib töötsükli sagedusreaktsiooni väljundpinge täitmisele pidada üheks oluliseks omaduseks.

Ülalnimetatud kolme topoloogia hulgas on eelistatud topelttugevuse topoloogia, kuna see võimaldab väljundil töötada sisendpingest väiksema pingega (buck-režiim) ja toota ka sisendpingest kõrgemat pinget (boost-režiim).

Kuid väljundpinge saab alati sisendist vastupidise polaarsusega, mis ei tekita mingeid probleeme.

Rakendatud sisendvool pingetõusu muundurile on pulseeriva voolu vorm, mis on seotud seotud toitelüliti (Q1) ümberlülitamisega.

Siin lülitub vool iga impulsi tsükli ajal nullist l-ni. Sama kehtib ka väljundi kohta ja saame pulseeriva voolu seotud dioodi tõttu, mis juhib ainult ühes suunas, põhjustades lülitustsükli ajal pulseerivat olukorda ON ja OFF .

Kondensaator vastutab kompenseeriva voolu eest, kui diood on lülitustsüklite ajal välja lülitatud või vastupidises eelpingestatud olekus.

Selles artiklis selgitatakse Buck-Boost-muunduri stabiilse oleku funktsionaalsust pidevas režiimis ja katkematu režiimi töötlemisel koos näidatud lainekujudega.

Töötsükli ja väljundi vahelise pinge vahetamise funktsionaalsus on esitatud pärast PWM-lüliti disaini tutvustamist.

Joonis 1 on lihtsustatud skeemi võimenduse suurendamise astmest koos ajamiahela plokiga. Toitelüliti Q1 on n-kanaliline MOSFET. Väljunddiood on CR1.

Induktor L ja kondensaator C moodustavad tõhusa väljundi filtreerimise. Kondensaatorit ESR, RC (samaväärne jadatakistus) ja induktori alalisvoolutakistust RL analüüsitakse kõik. Takisti R vastab võimsusastme väljundiga tuvastatud koormusele.

Buck-boost võimsusastme korrapärase funktsioneerimise käigus lülitatakse Q1 pidevalt sisse ja välja, sisse- ja väljalülitusaegadega, mida reguleerib juhtimisahel.

See lülituskäitumine võimaldab impulsside ahelat Q1, CR1 ja L ristmikul.

Isegi kui induktiivpool L on ühendatud väljundkondensaatoriga C, luuakse edukas L / C väljundfilter, kui juhib ainult CR1. See puhastab impulsside järjestikku, et saada alalisvoolu väljundpinge.

Buck-Boost Stage püsiseisundi analüüs

Võimsusaste võib toimida pideva või katkematu induktiivvoolu seadistuses. Pideva induktiivvoolu režiimi tuvastab induktoris püsivool üle püsiolekuprotsessi lülitusjada.

Katkematu induktiivvoolu režiimi tuvastab induktiivvool, mis jääb lülitustsükli sektsiooni jaoks nulli. See algab nullist, ulatub maksimaalse väärtuseni ja naaseb nulli iga lülitusmustri käigus.

Neid kahte erinevat meetodit mainitakse pärast seda palju üksikasjalikumalt ja esitatakse mudeli ettepanekud induktiivväärtuse kohta, et säilitada valitud funktsionaalsuse režiim nimikoormuse võimena. Muunduri jaoks on üsna soodne olla ühes formaadis ainult prognoositud töötingimuste korral, kuna võimsusastme sagedusreaktsioon muutub oluliselt kahe erineva töömeetodi vahel.

Selle hinnangu korral kasutatakse n-kanalilist võimsust MOSFET ja positiivne pinge VGS (ON) juhitakse voolu kaudu värava poolt Q1 allika klemmidele FET-i sisselülitamiseks. N-kanaliga FET-i kasutamise eeliseks on selle madalam RDS (sisse lülitatud), kuid kontrolülitus on keeruline, kuna peatatud ajam on vajalik. Identsete pakendimõõtmete korral on p-kanaliga FET-il kõrgem RDS (sisse lülitatud), kuid tavaliselt ei pruugi see vajada ujuvat ajamahelat.

Transistor Q1 ja diood CR1 on illustreeritud katkendjoonega kontuuridega, mille klemmid on märgistatud a, p ja c. Seda arutatakse põhjalikult Buck-Boost Power Stage Modeling osas.

Buck-Boost püsiseisundi juhtimisrežiimi analüüs

Järgnevalt kirjeldatakse pideva juhtivuse meetodil stabiilses olekus töötavat võimendust. Selle segmendi peamine eesmärk oleks esitada pideva juhtivusrežiimi buck-boost võimsusastme pinge muundamise suhte tuletis.

See on märkimisväärne, kuna see näitab, kuidas väljundpinge määratakse töötsükli ja sisendpinge järgi või vastupidi, kuidas töötsüklit saaks määrata sõltuvalt sisendpingest ja väljundpingest.

Püsiseisund tähendab, et sisendpinge, väljundpinge, väljundkoormusvool ja töötsükkel on muutumatu asemel erinevad. Stabiilse suuruse näitamiseks esitatakse muutuvatele siltidele tavaliselt suurtähed. Pideva juhtivuse režiimis võtab buck-boost-muundur lülitustsükli kohta paar olekut.

SEES olek on iga kord, kui Q1 on SEES ja CR1 on VÄLJAS. VÄLJAS olek on iga kord, kui Q1 on VÄLJAS ja CR1 on SEES. Lihtne lineaarne vooluring võib sümboliseerida mõlemat olekut, milles vooluahela lülitid asendatakse nende oleku käigus sobiva ahelaga. Mõlema tingimuse lülitusskeem on esitatud joonisel 2.

Sisselülitatud oleku periood on D × TS = TON, milles D on ajami vooluahela fikseeritud töötsükkel, mis on kujutatud sisselülitamise perioodi ja ühe täieliku lülitusjärjestuse perioodi Ts suhtena.

VÄLJAS oleku pikkus on tuntud kui TOFF. Kuna pideva juhtimisrežiimi kohta saab ühe lülitustsükli kohta leida vaid paar tingimust, on TOFF võrdne (1 − D) × TS. Suurust (1 − D) nimetatakse aeg-ajalt D ’-ks. Need perioodid on esitatud koos joonisel 3 toodud lainekujudega.

Vaadates joonist 2, pakub Q1 ON-oleku ajal vähendatud takistust, RDS (sisse), selle äravoolust allikani ja avaldab väiksemat pingelangust VDS = IL × RDS (sees).

Lisaks on induktori alalisvoolutakistusel väike pingelangus, mis võrdub IL × RL-ga.

Seeläbi pannakse sisendpinge VI, miinus defitsiit (VDS + IL × RL) üle induktori, L. CR1 on selle aja jooksul VÄLJAS, kuna see oleks vastupidine.

Induktori vool IL kulgeb sisendvarust VI, Q1 kaudu ja maapinnale. ON-oleku ajal on induktiivpoolile pandud pinge konstantne ja sama kui VI - VDS - IL × RL.

Järgides joonisel 2 esitatud voolu IL polaarsuse normi, suureneb induktiivvool teostatud pinge tõttu. Pealegi, kuna rakendatav pinge on põhimõtteliselt ühtlane, tõuseb induktiivvool lineaarselt. See induktiivvoolu suurenemine TONi käigus on toodud joonisel 3.

Tase, mille võrra induktorivool suureneb, määratakse tavaliselt tuntud valemi vormi abil:

Induktori voolutugevus oleku ON ajal on järgmine:

Seda suurust ΔIL (+) nimetatakse induktori pulsatsioonivooluks. Lisaks jälgige, et selle intervalli kaudu saabub väljundkoormuse voolu iga bitt väljundkondensaatori C kaudu.

Viidates joonisele 2, kui Q1 on VÄLJAS, pakub see suuremat takistust selle äravoolust allikani.

Järelikult, kuna induktiivpoolis L töötav vool ei suuda koheselt reguleeruda, lülitub vool Q1-lt CR1-le. Taandava induktiivvoolu tagajärjel muudab induktiivpooli ületav pinge polaarsuse, kuni alaldi CR1 muutub ettepoole kallutatuks ja lülitub sisse.

L-i külge ühendatud pinge muutub (VO - Vd - IL × RL), milles suurusjärk Vd on CR1 ettepoole suunatud pingelangus. Induktiivvool IL liigub selles punktis väljundkondensaatori ja koormustakisti paigutusest läbi CR1 ja negatiivsele joonele.

Pange tähele, et CR1 joondamine ja induktori vooluringi liikumisteekond tähendavad, et väljundkondensaatoris ja koormustakisti rühmituses töötav vool viib VO-ni miinuspingeks. VÄLJAS oleku ajal on induktiivpooli külge ühendatud pinge stabiilne ja sama (VO - Vd - IL × RL).

Säilitades meie samamoodi polaarsuse kokkuleppe, on see ühendatud pinge miinus (või vastupidises polaarsuses ühendatud pingest ON aja jooksul), tulenevalt asjaolust, et väljundpinge VO on negatiivne.

Seetõttu langeb induktiivvool kogu väljalülitamise aja jooksul. Kuna ühendatud pinge on põhimõtteliselt püsiv, väheneb induktiivvool lineaarselt. See induktiivvoolu vähenemine TOFF-i käigus on esitatud joonisel 3.

Induktori voolu vähendamine väljalülitatud olukorra kaudu tagab:

Seda suurust ΔIL (-) võib nimetada induktori lainevooluks. Stabiilsetes oludes peab voolutugevus ΔIL (+) ON-aja jooksul ja voolu vähendamine OFF-aja jooksul ΔIL (-) olema identne.

Või võib induktiivvool pakkuda tsüklilt tsüklile üldist võimendust või vähendamist, mis ei oleks stabiilne olukord.

Seega võib mõlemat võrrandit võrrelda ja välja töötada VO jaoks, et omandada pideva juhtivuse vormis pinge suurendamise pinge ülemineku kuuluvus:

VO määramine:

Lisaks asendades TON + TOFF TS-ga ja kasutades D = TON / TS ja (1-D) = TOFF / TS, on VO püsiseisundi võrrand:

Pange tähele, et ülaltoodu lihtsustamiseks peaks TON + TOFF olema sarnane TS-ga. See võib olla tõeline ainult pideva juhtivuse režiimi puhul, nagu me avastame katkematu juhtivuse režiimi hindamisel. Siinkohal tuleks läbi viia oluline kontroll:

Kahe ΔIL väärtuse fikseerimine üksteisega parameetris on täpselt võrdne induktori volt-sekundite tasandamisega. Induktiivpoolil kasutatavad volt-sekundid on kasutatud pinge ja perioodi, mille jooksul pinget rakendatakse, korrutis.

See võib olla kõige tõhusam viis kindlaksmääramata suuruste hindamiseks, näiteks VO või D, üldiste vooluahela parameetrite osas ja seda lähenemist kasutatakse selles artiklis sageli. Induktori pinge sekundis stabiliseerumine on loomulik nõue ja seda tuleks vähemalt täiendavalt tajuda kui Ohmi seadust.

Eespool toodud ΔIL (+) ja ΔIL (-) võrrandites pidi väljundpinge kaudselt olema ühtlane ilma igasuguse vahelduvvoolu pulsatsioonipingeta kogu ON-aja ja OFF-perioodi vältel.

See on aktsepteeritud lihtsustus ja sellega kaasnevad paar individuaalset tulemust. Esiteks arvatakse, et väljundkondensaator on piisavalt suur, et selle pinge muundamine oleks minimaalne.

Teiseks, kondensaatori ESR pinget peetakse lisaks minimaalseks. Sellised eeldused on õigustatud, kuna vahelduvvoolu pulsatsioonipinge on kindlasti oluliselt madalam kui väljundpinge alalisvoolu osa.

Ülaltoodud VO pinge muutmine näitab tõde, et VO-d saaks muuta töötsükli D peenhäälestamise abil.

See seos läheneb nulli lähedale, kui D jõuab nulli lähedale, ja tõuseb ilma sihtotstarbeta, kui D jõuab lähedale 1. Tüüpiline lihtsustus on see, et VDS, Vd ja RL on unarusse jätmiseks piisavalt väikesed. VDS, Vd ja RL nulli seadmine lihtsustab ülaltoodud valemit märgatavalt:

Vähem keeruline, kvalitatiivne meetod vooluahela töö kuvamiseks oleks kaaluda induktorit kui toiteallikat. Iga kord, kui Q1 on sisse lülitatud, valatakse energiat induktiivpoolile.

Kui Q1 on välja lülitatud, varustab induktiivpool osa energiast väljundkondensaatorile ja koormusele. Väljundpinge reguleeritakse Q1 sisselülitusaja määramisega. Näiteks suurendades Q1 sisselülitusaega, induktorile saadetud võimsuse kogus võimendub.

Seejärel saadetakse täiendav energia väljundisse Q1 väljalülitusaja jooksul, põhjustades väljundpinge kasvu. Erinevalt buck võimsuse astmest ei ole induktiivvoolu tüüpiline suurus sama, mis väljundvool.

Induktorivoolu sidumiseks väljundvooluga vaadake jooniseid 2 ja 3 vaadates, et induktorivool väljundile on ainult võimsusastme väljalülitatud olekus.

See kogu lülitusjada keskmisena hinnatud vool on sama mis väljundvoolul, kuna väljundkondensaatori ligikaudne vool peaks olema võrdne nulliga.

Keskmise induktiivvoolu ja pidevrežiimis käivitusvõimsuse väljundvoolu vahelise ühenduse tagab:

Teine oluline vaatenurk on asjaolu, et tüüpiline induktiivvool on proportsionaalne väljundvooluga ja kuna induktori pulsatsioonivool ΔIL ei ole seotud väljundkoormuse vooluga, järgivad induktiivvoolu minimaalsed ja suurimad väärtused täpselt keskmist induktiivvoolu.

Näiteks, kui keskmine induktiivvool langeb koormusvoolu vähenemise tõttu 2A võrra, vähenevad sel juhul induktiivvoolu madalaimad ja suurimad väärtused 2A võrra (pidades silmas pidevat juhtimisrežiimi säilimist).

Eelnev hindamine oli pideva induktiivvoolu režiimis võimendustaseme funktsionaalsuse jaoks. Järgmine segment selgitab püsiseisundi funktsionaalsust katkematu juhtivuse režiimis. Esmane tulemus on pinge muundamise suhte tuletamine katkestamatu juhtimisrežiimi buck-boost võimsusastme jaoks.

Buck-Boost püsiseisundi katkematu juhtivusrežiimi hindamine

Siinkohal uurime, mis toimub siis, kui koormusvool väheneb ja juhtivusrežiim nihkub pidevast katkematuks.

Pidage meeles pideva juhtimisrežiimi puhul, et keskmine induktiivvool jälgib väljundvoolu, st juhul, kui väljundvool väheneb, väheneb sel juhul ka keskmine induktiivvool.

Pealegi juhivad induktiivvoolu madalaimad ja kõrgeimad tipud keskmise induktorivoolu täpselt. Juhul, kui väljundkoormusvool väheneb põhivoolu tasemest madalamale, oleks induktori vool lülitusjada osas null.

See ilmneb joonisel 3 toodud lainekujudest, kuna pulsivoolu tipp-tipp-tase ei suuda väljundkoormusega muutuda.

Kui induktiivvoolu pinge on nullist madalamal, peatub see nullis (CR1 ühesuunalise voolu tõttu) ja jätkub seal kuni järgmise lülitamistoimingu alguseni. See töörežiim on tuntud kui katkev juhtivusrežiim.

Katkematu juhtivuse formaadis oleva võimendusastme töötamise võimsusastmel on iga lülitustsükli jooksul kolm eristavat olekut, vastupidiselt pideva juhtivuse vormingu 2 olekule.

Induktiivvoolu olek, mille võimsusaste on perifeerias pideva ja katkematu seadistuse vahel, on toodud joonisel 4.

Sellega variseb induktiivvool lihtsalt nulli, samal ajal kui järgmine lülitustsükkel algab kohe pärast voolu nulli jõudmist. Pange tähele, et IO ja IO (Crit) väärtused on esitatud joonisel 4, kuna IO ja IL sisaldavad vastandlikke polaarsusi.

Väljundkoormuse voolu kaugemale langetamine seab võimsusastme katkematuks juhtivusmustriks. See tingimus on toodud joonisel 5.

Katkendliku režiimi võimsusastme sagedusreaktsioon on üsna erinev pideva režiimi sagedusreaktsioonist, mis on esitatud Buck-Boosti võimsusastme modelleerimise segmendis. Lisaks sellele on sisendi väljundühenduse jaoks üsna erinev, nagu on toodud selle lehe tuletamisel:

Katkendliku juhtimisrežiimi pinge suurendamise võimsusastme pinge ümberlülitumise suhte tuletamise alustamiseks pidage meeles, et teil on kolm eristavat olekut, mida muundur katkestatava juhtimisrežiimi funktsionaalsuse kaudu arvestab.

SEES olek on siis, kui Q1 on SEES ja CR1 on VÄLJAS. VÄLJAS olek on siis, kui Q1 on VÄLJAS ja CR1 on SEES. Tühikäigu seisund on siis, kui Q1 ja CR1 on välja lülitatud. Esimesed kaks tingimust on väga sarnased pideva režiimi olukorraga ja joonisel 2 olevad ahelad on asjakohased peale selle TOFF ≠ (1 − D) × TS. Ülejäänud lülitusjärjestus on TASUTA olek.

Lisaks peaksid väljundinduktori alalisvoolutakistus, väljunddioodi pinge langus ja MOSFET-oleku pinge langus olema tavaliselt piisavalt minuti, et neid tähelepanuta jätta.

SEES oleku ajavahemik on TON = D × TS, kus D on juhtimisahelas fikseeritud töötsükkel, mis on näidatud sisselülitusaja ja ühe täieliku lülitusjärjestuse aja Ts suhtena. VÄLJAS oleku pikkus on TOFF = D2 × TS. Tühikäigu periood on ülejäänud lülitusmuster, mis esitatakse kujul TS - TON - TOFF = D3 × TS. Need perioodid on arvestatud joonisel 6 toodud lainekujudega.

Põhjaliku kirjelduse kontrollimata loendatakse allpool induktiivvoolu tõusu ja languse võrrandid. Induktori voolutõusu ON-oleku ajal väljastab:

Paisvoolu suurus ΔIL (+) on samuti tipp-induktiivvool Ipk, kuna katkematus režiimis algab vool igas tsüklis 0-st. Induktori voolu vähenemist OFF-oleku ajal esitab:

Nii nagu pideva juhtimisrežiimi olukord, on ka voolutugevus ΔIL (+) sisselülitusaja ja voolu vähendamise ajal väljalülitamise ajal ΔIL (-) identsed. Seega saab mõlemat võrrandit võrrelda ja adresseerida VO-le, et omandada kahe võrrandi algus, mida kasutatakse pinge teisendussuhte lahendamiseks:

Järgmisena määrame väljundvoolu (väljundpinge VO jagatud väljundkoormusega R). See on induktiivvoolu ühe lülitusjada keskmine keskmiselt sel ajal, kui CR1 muutub juhtivaks (D2 × TS).

Siin asendage IPK ühendus (ΔIL (+)) ülaltoodud võrrandiga, et omandada:

Seetõttu on meil kaks võrrandit, üks väljundvoolu (VO jagatud R-ga) äsja tuletatud ja väljundpinge jaoks, mõlemad VI, D ja D2 suhtes. Sel hetkel harutame lahti kõik valemid D2 jaoks, samuti fikseerime need kaks võrrandit üksteisega võrdsetes piirides.

Saadud võrrandit kasutades saab hankida väljundpinge (VO) illustratsiooni. Katkeva juhtivusrežiimi buck-boost pinge muundamise kuuluvuse kirjutab:

Ülaltoodud ühendus kuvab ühe peamise erinevuse kahe juhtimisrežiimi vahel. Katkeva juhtivuse režiimi korral on pingemuutuse suhe sisendpinge, töötsükli, võimsusastme induktiivsuse, lülitussageduse ja väljundkoormuse takistuse funktsioon.

Pideva juhtivuse režiimi puhul mõjutab pinge ümberlülitamise ühendust lihtsalt sisendpinge ja töötsükkel. Traditsioonilistes rakendustes käivitatakse võimenduse suurendamise aste valikul pideva juhtimisrežiimi või katkematu juhtimisrežiimi vahel. Konkreetseks kasutamiseks valitakse üks juhtimisrežiim, samal ajal kui võimsusaste on ette nähtud identse režiimi säilitamiseks.