تبديل منظم التعزيز: أساسيات التصميم والكفاءة

في الإلكترونيات ، المنظم هو جهاز أو آلية يمكنها تنظيم خرج الطاقة باستمرار. تتوفر أنواع مختلفة من المنظمين في مجال إمداد الطاقة. ولكن بشكل أساسي ، في حالة التحويل من DC إلى DC ، هناك نوعان متاحان من المنظمين: الخطي أو التبديل.

A منظم الخطية ينظم الانتاج باستخدام انخفاض الجهد مقاوم، ونتيجة لهذا توفر المنظمين الخطي أقل كفاءة وقوة تفقد في شكل حرارة.

على الجانب الآخر ، يستخدم منظم التبديل محثًا وصمامًا ثنائيًا ومفتاح طاقة لنقل الطاقة من مصدرها إلى الخرج.

هناك ثلاثة أنواع متاحة من تبديل المنظمين.

1. محول الخطوة (Boost Regulator)

2. محول تنحي (منظم باك)

3. العاكس (فلايباك)

في هذا البرنامج التعليمي ، نصف دائرة Switching Boost Regulator. لقد وصفنا بالفعل تصميم Boost Regulator في البرنامج التعليمي السابق. سنناقش هنا الجوانب المختلفة لمحول Boost وكيفية تحسين كفاءته.

أساسيات تصميم حلبة محول التعزيز

في كثير من الحالات ، نحتاج إلى تحويل الجهد المنخفض إلى جهد أعلى حسب المتطلبات. منظم التعزيز يعزز الجهد من جهد منخفض إلى جهد أعلى.

في الصورة أعلاه ، يتم عرض دائرة منظم Boost بسيطة حيث يتم استخدام محث وصمام ثنائي ومكثف ومفتاح.

الغرض من المحرِّض هو الحد من معدل التدفق الحالي الذي يتدفق عبر مفتاح الطاقة. سيحد من تيار الذروة العالية الزائدة التي لا يمكن تجنبها بواسطة مقاومة التبديل بشكل فردي.

أيضا، ومخازن مغو الطاقة، والطاقة تقاس في جول E = (L * I ² /2)

سوف نفهم كيف تنقل المحرِّضات الطاقة في الصور والرسوم البيانية القادمة.

في حالة تبديل منظمات التعزيز ، هناك مرحلتان ، الأولى هي مرحلة شحن الحث أو مرحلة التشغيل (المفتاح مغلق بالفعل) والأخرى هي مرحلة التفريغ أو مرحلة الإيقاف (المفتاح مفتوح).

إذا افترضنا أن المفتاح كان في وضع مفتوح لفترة طويلة ، فإن انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي يكون سالبًا والجهد عبر المكثف يساوي جهد الدخل. في هذه الحالة ، إذا اقترب المفتاح ، فسيخاف Vin عبر المحرِّض. يمنع الصمام الثنائي تفريغ المكثف من خلال المفتاح إلى الأرض.

يرتفع التيار عبر المحرِّض خطيًا بمرور الوقت. يتناسب معدل ارتفاع التيار الخطي مع جهد الدخل مقسومًا على المحاثة di / dt = الجهد عبر الحث / الحث

في الرسم البياني العلوي ، يوضح مرحلة الشحن للمحث. يشير المحور x إلى t (الوقت) ويشير المحور Y إلى I (التيار من خلال المحرِّض). يزداد التيار خطيًا بمرور الوقت عندما يكون المفتاح مغلقًا أو في وضع التشغيل.

الآن ، عندما ينطفئ المفتاح مرة أخرى أو يصبح مفتوحًا ، يتدفق تيار المحرِّض عبر الصمام الثنائي ويشحن مكثف الخرج. عندما يرتفع جهد الخرج ، ينعكس المنحدر الحالي عبر المحرِّض. يرتفع جهد الخرج حتى يتم الوصول إلى الجهد عبر المحرِّض = L * (di / dt).

معدل انخفاض تيار الحث مع الوقت يتناسب طرديا مع جهد المحرِّض. كلما زاد جهد المحرِّض ، زادت سرعة انخفاض التيار عبر المحرِّض.

في الرسم البياني أعلاه ، ينخفض ​​تيار المحرِّض بمرور الوقت عندما يتم إيقاف تشغيل المفتاح.

عندما يكون منظم التبديل في حالة تشغيل ثابتة ، يكون متوسط ​​جهد الحث صفراً خلال دورة التبديل بأكملها. بالنسبة لهذه الحالة ، يكون متوسط ​​التيار عبر المحرِّض أيضًا في حالة مستقرة.

إذا افترضنا أن وقت شحن الحث هو طن وأن الدائرة بها جهد إدخال ، فسيكون هناك وقت محدد أو وقت تفريغ لجهد الخرج.

نظرًا لأن متوسط ​​جهد المحرِّض يساوي صفرًا في حالة ثابتة ، يمكننا إنشاء دائرة تعزيز باستخدام المصطلحات التالية

Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)

نظرًا لأن جهد الخرج يساوي جهد الإدخال ومتوسط ​​جهد المحرِّض (Vout = Vin + VL)

يمكننا القول بأنه،

Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

يمكننا أيضًا حساب Vout باستخدام دورة العمل.

دورة العمل (D) = طن / (طن + Toff)

لمنظم تبديل التعزيز ، سيكون Vout هو Vin / (1 - D)

PWM ودورة العمل لدائرة المحول المعزز

إذا تحكمنا في دورة العمل ، يمكننا التحكم في خرج الحالة المستقرة لمحول التعزيز. لذلك ، بالنسبة لتغير دورة العمل ، نستخدم دائرة تحكم عبر المفتاح.

لذلك ، بالنسبة لدائرة منظم التعزيز الأساسي الكامل ، نحتاج إلى دائرة إضافية ستغير دورة العمل وبالتالي مقدار الوقت الذي يستقبل فيه المحرِّض الطاقة من المصدر.

في الصورة أعلاه ، يمكن رؤية مضخم الخطأ الذي يستشعر جهد الخرج عبر الحمل باستخدام مسار التغذية المرتدة ويتحكم في المفتاح. تتضمن تقنيات التحكم الأكثر شيوعًا تقنية PWM أو تقنية تعديل عرض النبضة والتي تستخدم للتحكم في دورة عمل الدائرة.

في دائرة التحكم الضوابط مقدار الوقت لا يزال التبديل مفتوح أو قريب، وهذا يتوقف على التيار من قبل الحمل رسمها. تستخدم هذه الدائرة أيضًا للتشغيل المستمر في حالة الاستقرار. سيتم أخذ عينة من جهد الخرج وطرحه من جهد مرجعي وإنشاء إشارة خطأ صغيرة ، ثم ستتم مقارنة إشارة الخطأ هذه بإشارة منحدر مذبذب ومن خرج المقارنة ، ستعمل إشارة PWM أو تتحكم في المفتاح دائرة كهربائية.

عندما يتغير جهد الخرج ، يتأثر جهد الخطأ أيضًا به. بسبب تغيير الجهد الخطأ ، يتحكم المقارنة في خرج PWM. تغير PWM أيضًا إلى موضع عندما ينتج عن جهد الخرج جهد خطأ صفري ، ومن خلال القيام بذلك ، يقوم نظام حلقة التحكم المغلقة بتنفيذ العمل.

لحسن الحظ ، تحتوي معظم منظمات تعزيز التحويل الحديثة على هذا الشيء داخل حزمة IC. وبالتالي يتم تحقيق تصميم الدوائر البسيط باستخدام منظمات التحويل الحديثة.

يتم إجراء جهد التغذية المرتدة المرجعية باستخدام شبكة مقسم المقاوم. هذه هي الدوائر الإضافية المطلوبة مع المحرِّض والصمامات الثنائية والمكثفات.

تحسين كفاءة دائرة المحول المعزز

الآن ، إذا حققنا في الكفاءة ، فهو مقدار الطاقة التي نوفرها داخل الدائرة ومقدار الناتج.

(العبوس / الدبوس) * 100٪

نظرًا لأن الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ، فلا يمكن تحويلها إلا ، حيث تفقد معظم الطاقات الكهربائية القوى غير المستخدمة وتحولها إلى حرارة. أيضا ، لا يوجد وضع مثالي في المجال العملي ، والكفاءة عامل أكبر لاختيار منظمات الجهد.

واحدة من عوامل القوة الخسارة الرئيسية للمنظم التبديل هو الصمام الثنائي. إن أوقات إسقاط الجهد الأمامي (Vf xi) هي القوة الكهربائية غير المستخدمة والتي تتحول إلى حرارة وتقلل من كفاءة دائرة منظم التبديل. أيضًا ، إنها التكلفة الإضافية للدائرة لتقنيات إدارة الحرارة / الحرارة باستخدام غرفة التبريد ، أو المراوح لتبريد الدوائر من الحرارة المشتتة. ليس فقط انخفاض الجهد الأمامي ، يؤدي الاسترداد العكسي لثنائيات السيليكون أيضًا إلى فقد طاقة غير ضروري وتقليل الكفاءة الإجمالية.

تتمثل إحدى أفضل الطرق لتجنب الصمام الثنائي القياسي للاسترداد في استخدام صمامات شوتكي الثنائية بدلاً من الثنائيات التي لها انخفاض في الجهد الأمامي المنخفض واستعادة عكسية أفضل. عند الحاجة إلى أقصى قدر من الكفاءة ، يمكن استبدال الصمام الثنائي باستخدام MOSFETs. في التكنولوجيا الحديثة ، هناك الكثير من الخيارات المتاحة في قسم منظم تعزيز التبديل ، والذي يوفر كفاءة تزيد عن 90٪ بسهولة.

أيضًا ، هناك ميزة "Skip Mode" التي يتم استخدامها في العديد من الأجهزة الحديثة والتي تسمح للمنظم بتخطي دورات التبديل عندما لا تكون هناك حاجة للتبديل بأحمال خفيفة للغاية. إنها طريقة رائعة لتحسين الكفاءة في حالة الحمل الخفيف. في وضع التخطي ، تبدأ دورة التبديل فقط عندما ينخفض ​​جهد الخرج إلى ما دون عتبة التنظيم.

على الرغم من وجود كفاءة أعلى ، فإن تقنية التصميم الثابت ، والمكون الأصغر ، ومنظمات التحويل صاخبة من المنظم الخطي. ومع ذلك ، فهي تحظى بشعبية كبيرة.

مثال تصميم لمحول Boost

لقد أنشأنا سابقًا دائرة منظم التعزيز باستخدام MC34063 حيث يتم إنشاء خرج 5 فولت من جهد الإدخال 3.7 فولت. MC34063 هو منظم التحويل الذي تم استخدامه في تعزيز تكوين المنظم. استخدمنا محثًا ، وديود شوتكي ، ومكثفات.

في الصورة أعلاه ، Cout هو مكثف الإخراج وقد استخدمنا أيضًا محثًا وصمام ثنائي شوتكي وهما المكونات الأساسية لمنظم التبديل. هناك أيضًا شبكة تعليقات مستخدمة. تقوم المقاومات R1 و R2 بإنشاء دائرة مقسم للجهد وهي ضرورية لمرحلة تضخيم الخطأ و PWM للمقارن. الجهد المرجعي للمقارنة هو 1.25 فولت.

إذا رأينا المشروع بالتفصيل ، يمكننا أن نرى أن كفاءة 70-75٪ تتحقق من خلال دائرة منظم التبديل MC34063. يمكن تحسين المزيد من الكفاءة باستخدام تقنية PCB المناسبة والحصول على إجراءات الإدارة الحرارية.