تبديل منظم باك: 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 ، سوف نصف دائرة تبديل منظم باك. لقد وصفنا بالفعل تصميم Buck Regulator في البرنامج التعليمي السابق. سنناقش هنا الجوانب المختلفة لمحول باك وكيفية تحسين كفاءته.

الفرق بين Buck و Boost Regulator

الفرق بين منظم باك والمعزز هو ، في منظم باك ، يختلف وضع المحث والصمام الثنائي ودائرة التبديل عن منظم التعزيز. أيضًا ، في حالة منظم التعزيز ، يكون جهد الخرج أعلى من جهد الدخل ، ولكن في منظم باك ، يكون جهد الخرج أقل من جهد الدخل.

يعد طوبولوجيا باك أو محول باك أحد أكثر الهياكل الأساسية استخدامًا في SMPS. إنه خيار شائع حيث نحتاج إلى تحويل جهد أعلى إلى جهد خرج أقل.

مثل منظم التعزيز ، يتكون محول باك أو منظم باك من مغو ، لكن اتصال المحرِّض يكون في مرحلة الإخراج بدلاً من مرحلة الإدخال المستخدمة في منظمات التعزيز.

لذلك ، في كثير من الحالات ، نحتاج إلى تحويل الجهد المنخفض إلى الجهد العالي حسب المتطلبات. يحول منظم باك الجهد من جهد أعلى إلى جهد أقل.

أساسيات تصميم حلبة محول باك

في الصورة أعلاه ، يتم عرض دائرة منظم باك بسيطة حيث يتم استخدام محث وصمام ثنائي ومكثف ومفتاح. الإدخال متصل مباشرة عبر المحول. يتم توصيل المحث والمكثف عبر الخرج ، وبالتالي فإن الحمل يحصل على شكل موجة تيار ناتج سلس. يستخدم الصمام الثنائي لمنع تدفق التيار السالب.

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 التيار في الدائرة هو 0 ولا يوجد جهد.

في هذه الحالة ، إذا اقترب المفتاح ، سيزداد التيار وسيخلق المحرض جهدًا عبره. يقلل انخفاض الجهد هذا من جهد المصدر عند الخرج ، بعد بضع لحظات ينخفض معدل تغير التيار وينخفض أيضًا الجهد عبر المحرِّض مما يؤدي في النهاية إلى زيادة الجهد عبر الحمل. يخزن المحرِّض الطاقة باستخدام مجاله المغناطيسي.

لذلك ، عندما يكون المفتاح في وضع التشغيل ، يكون الجهد عبر المحرِّض V _L = Vin - Vout

ارتفاع التيار في المحرِّض بمعدل (Vin - Vout) / لتر

يرتفع التيار عبر المحرِّض خطيًا بمرور الوقت. يتناسب معدل ارتفاع التيار الخطي مع جهد الدخل ناقص جهد الخرج مقسومًا على المحاثة

دي / دت = (فين - فووت) / لتر

يوضح الرسم البياني العلوي 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.

خلال هذا الوقت بينما لا يزال التيار يتغير ، سيكون هناك دائمًا انخفاض في الجهد عبر المحرِّض. سيكون الجهد عبر الحمل أقل من جهد الدخل. أثناء حالة الإيقاف ، عندما يكون المفتاح مفتوحًا ، يتم فصل مصدر جهد الدخل ، وسينقل الحث الطاقة المخزنة إلى الحمل. و مغو ستصبح مصدر في الوقت الراهن للتحميل.

سيوفر الصمام الثنائي D1 مسار عودة للتيار المتدفق عبر المحرِّض أثناء حالة إيقاف التشغيل.

ينخفض تيار المحرِّض بميل يساوي –Vout / L

أوضاع تشغيل محول باك

يمكن تشغيل محول باك في وضعين مختلفين. الوضع المستمر أو وضع متقطع.

الوضع المستمر

أثناء الوضع المستمر ، لا يتم تفريغ المحث بالكامل مطلقًا ، وتبدأ دورة الشحن عندما يتم تفريغ المحث جزئيًا.

في الصورة أعلاه ، يمكننا أن نرى ، عندما يتم تشغيل المفتاح عندما يزداد تيار المحرِّض (iI) خطيًا ، فعندما ينطفئ المفتاح يبدأ المحث في الانخفاض ، لكن المفتاح يعمل مرة أخرى أثناء تفريغ المحث جزئيًا. هذا هو الوضع المستمر للعملية.

الطاقة المخزنة في المحرِّض هي E = (LI _L ²) / 2

الوضع غير المستمر

يختلف الوضع غير المستمر قليلاً عن الوضع المستمر. في الوضع غير المستمر ، يتم تفريغ الحث بالكامل قبل بدء دورة شحن جديدة. سيتم تفريغ المحرِّض بالكامل إلى الصفر قبل تشغيل المفتاح.

أثناء الوضع المتقطع ، كما نرى في الصورة أعلاه ، عندما يتم تشغيل المفتاح ، يزداد تيار المحرِّض (il) خطيًا ، ثم عند إيقاف تشغيل المفتاح ، يبدأ المحث في الانخفاض ، ولكن المفتاح لا يتم تشغيله إلا بعد المحرِّض يتم تفريغه بالكامل وأصبح تيار المحرِّض صفرًا تمامًا. هذا هو الوضع المتقطع للعملية. في هذه العملية ، يكون تدفق التيار عبر المحرِّض غير مستمر.

PWM ودورة العمل لدائرة محول باك

كما ناقشنا في البرنامج التعليمي السابق لمحول باك ، يمكننا التحكم بدائرة منظم باك بتغيير دورة العمل. لهذا ، مطلوب نظام تحكم أساسي. بالإضافة إلى ذلك ، يلزم وجود مضخم للخطأ ودائرة التحكم في التبديل والتي ستعمل في الوضع المستمر أو غير المستمر.

لذلك ، بالنسبة لدائرة منظم باك كاملة ، 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.

تتحكم دائرة التحكم في مقدار الوقت الذي يظل فيه المفتاح مفتوحًا أو يتحكم في مقدار الوقت الذي يتم فيه شحن أو تفريغ المحرِّض.

تتحكم هذه الدائرة في المفتاح وفقًا لوضع التشغيل. 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 التبديل 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 دارة محول باك

الآن ، إذا حققنا في الكفاءة ، وكم الطاقة التي نوفرها داخل الدائرة ومقدار ما نحصل عليه من المخرجات. (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.

يعتبر الصمام الثنائي أحد عوامل فقدان الطاقة الرئيسية لمنظم التحويل. انخفاض الجهد الأمامي الذي يتضاعف بالتيار (Vf xi) هو القوة الكهربائية غير المستخدمة والتي يتم تحويلها 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 تبديل منظم باك ، والتي توفر أكثر من 90٪ كفاءة بسهولة.

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 على تصميم محول باك

لقد أنشأنا سابقًا دائرة منظم باك باستخدام MC34063 حيث يتم إنشاء خرج 5 فولت من جهد الإدخال 12 فولت. MC34063 هو منظم التحويل الذي تم استخدامه في تكوين منظم باك. 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 75-78٪ تتحقق من خلال دائرة منظم التبديل MC34063. يمكن تحسين المزيد من الكفاءة باستخدام تقنية PCB المناسبة والحصول على إجراءات الإدارة الحرارية.

مثال على استخدام منظم باك-

مصدر طاقة تيار مستمر في تطبيق الجهد المنخفض
المعدات المحمولة
معدات الصوت
أنظمة الأجهزة المدمجة.
أنظمة الطاقة الشمسية إلخ.