Kako funkcioniraju Buck-Boost krugovi

Svi smo čuli puno o dovodnim i pojačanim krugovima i znamo da se u osnovi ti sklopovi koriste u SMPS izvedbama za pojačavanje ili spuštanje određenog napona na ulazu. Zanimljivost ove tehnologije je da omogućuje gornje funkcije s neznatnim stvaranjem topline što rezultira izuzetno učinkovitim pretvorbama.

Što je Buck-Boost, kako to djeluje

Naučimo koncept u prvom odjeljku bez uključivanja puno tehničkih detalja kako bi bilo lakše razumjeti što je točno pojam buck boost čak i za novorođenče.

Među tri temeljne topologije pod nazivom buck, boost i buck-boost, treća je popularnija jer omogućuje korištenje obje funkcije (buck boost) u jednoj konfiguraciji samo izmjenom ulaznih impulsa.

U topologiji buck-boost prvenstveno imamo elektroničku sklopnu komponentu koja može biti u obliku tranzistora ili MOSFET-a. Ova se komponenta prebacuje putem pulsirajućeg signala iz integriranog oscilatornog kruga.

Osim gore navedene sklopne komponente, krug ima glavne sastojke induktor, diodu i kondenzator.

Svi su ovi dijelovi poredani u obliku koji se može vidjeti na sljedećem dijagramu:

Pozivajući se na gornji dijagram poticaja, mosfet je dio koji prima impulse što ga prisiljava na rad u dva stanja: Uključeno i Isključeno.

Tijekom uključenog stanja ulazna struja dobiva jasan put kroz MOSFET i trenutno se pokušava proći kroz induktor, budući da je dioda postavljena u obrnuto pristrano stanje.

Induktor zbog svog svojstvenog svojstva pokušava ograničiti naglo nanošenje struje i u kompenzacijskom odzivu pohranjuje neku količinu struje u sebi.

Čim je MOSFET isključen, on prelazi u stanje ISKLJUČAVANJA i blokira svaki prolaz ulazne struje.

Ponovno se prigušnica ne može nositi s tom naglom promjenom struje sa zadane veličine na nulu i kao odgovor na to kompenziranje vraća svoju pohranjenu struju preko diode preko izlaza kruga.

U tom procesu struja se također pohranjuje u kondenzatoru.

Tijekom sljedećeg UKLJUČENOG stanja mosfet-a, ciklus se ponavlja kao gore, međutim, bez struje dostupne iz induktora, kondenzator prazni uskladištenu energiju na izlaz što pomaže u održavanju izlaza stabilnim do optimiziranog stupnja.

Možda se pitate koji faktor odlučuje o rezultatima BUCK ili BOOST na izlazu? To je vrlo jednostavno, ovisi o tome koliko dugo mosfet može ostati u uključenom ili isključenom stanju.

S povećanjem vremena UKLJ. MOSFET-a, sklop se počinje pretvarati u pojačivač Boost, dok s vremenom ISKLJ. MOSFET-a koji premašuje vrijeme UKLJ. Rezultira krugom koji se ponaša kao Buckov pretvarač.

Stoga se unos u MOSFET može izvršiti kroz optimizirani PWM krug za dobivanje potrebnih prijelaza kroz isti krug.

Tehničko istraživanje topologije Buck / Boost u SMPS krugovima:

Kao što je razmotreno u gornjem odjeljku, tri temeljne topologije koje se popularno koriste s napajanjem u modu s preklopnim načinom su povrat, pojačanje i pojačanje.

Oni su u osnovi neizolirani u kojima stupanj ulazne snage dijeli zajedničku bazu s dijelom izlazne snage. Naravno, mogli bismo pronaći i izolirane verzije, iako prilično rijetke.

Gore izražene tri topologije mogu se jedinstveno razlikovati ovisno o njihovim ekskluzivnim svojstvima. Svojstva se mogu identificirati kao omjeri pretvorbe napona u ustaljenom stanju, priroda ulazne i izlazne struje i karakter mreškanja izlaznog napona.

Uz to, frekvencijski odziv radnog ciklusa na izvođenje izlaznog napona može se smatrati jednim od važnih svojstava.

Među gore spomenute tri topologije, najpoželjnija je buck-boost topologija, jer omogućuje izlazu rad napona manjih od ulaznog napona (buck mod), a također i stvaranje napona iznad ulaznog napona (boost mode).

Međutim, izlazni napon se uvijek može postići suprotnom polaritetom od ulaza, što ne stvara nikakve probleme.

Primijenjena ulazna struja na pretvarač pojačanog pojačanja oblik je pulsirajuće struje uslijed prebacivanja pripadajućeg prekidača napajanja (Q1).

Ovdje se struja prebacuje s nule na l tijekom svakog impulsnog ciklusa. Isto vrijedi i za izlaz, a mi dobivamo pulsirajuću struju zbog povezane diode koja vodi samo u jednom smjeru, uzrokujući ON i OFF pulsirajuću situaciju tijekom ciklusa prebacivanja .

Kondenzator je odgovoran za pružanje kompenzacijske struje kada je dioda u isključenom ili obrnuto pristranom stanju tijekom ciklusa uključivanja.

Ovaj članak objašnjava funkciju stabilnog stanja pretvarača s pojačanim pojačanjem u kontinuiranom i prekinutom načinu rada s prikazanim uzornim valnim oblicima.

Funkcionalnost izmjene napona između radnog ciklusa i izlaza predstavljena je nakon uvođenja dizajna PWM prekidača.

Slika 1, pojednostavljeni shematski prikaz stupnja pojačane snage s dodanim blokom pogonskog kruga. Prekidač napajanja, Q1, je n-kanalni MOSFET. Izlazna dioda je CR1.

Prigušnica, L i kondenzator, C, predstavljaju učinkovito filtriranje izlaza. Kondenzator ESR, RC (ekvivalentni serijski otpor) i istosmjerni otpor prigušnice, RL, analizirani su u. Otpor R odgovara opterećenju identificiranom izlazom stupnja snage.

Tijekom redovite funkcionalnosti stupnja pojačane snage, Q1 se neprestano uključuje i isključuje s vremenima uključivanja i isključivanja upravljanim upravljačkim krugom.

Ovo preklopno ponašanje omogućuje lancu impulsa na spoju Q1, CR1 i L.

Iako je prigušnica L povezana s izlaznim kondenzatorom C, ako provodi samo CR1, uspostavlja se uspješan L / C izlazni filtar. Čisti sukcesiju impulsa da rezultira istosmjernim izlaznim naponom.

Analiza stacionarnog stanja Buck-Boost faze

Stupanj snage može funkcionirati u kontinuiranom ili prekidnom podešavanju struje prigušnice. Način kontinuirane struje induktora identificira se strujom neprekidno u induktoru preko sklopne sekvence u ustaljenom postupku.

Prekidni način rada induktorske indukcije prepoznaje se po tome što struja induktiviteta ostaje nula u dijelu ciklusa uključivanja. Počinje s nule, proteže se na maksimalnu vrijednost i vraća se na nulu tijekom svakog preklopnog uzorka.

Dvije različite metode su kasnije spomenute u mnogo detaljnijim detaljima i predstavljeni su prijedlozi modela za vrijednost prigušnice kako bi se održao odabrani način funkcionalnosti s obzirom na sposobnost nazivnog opterećenja. Prilično je povoljno da pretvarač bude u jednom formatu samo u predviđenim okolnostima funkcioniranja, jer se frekvencijski odziv stupnjeva snage bitno mijenja između dvije različite tehnike rada.

S ovom procjenom koristi se n-kanalni MOSFET napajanja, a pozitivni napon, VGS (ON), upravlja se putem ulaza na stezaljke izvora Q1 upravljačkim krugom za uključivanje FET-a. Prednost primjene n-kanalnog FET-a je niži RDS (uključen), no upravljački krug je nezgodan jer ovješeni pogon postaje neophodan. Za identične dimenzije paketa, p-kanalni FET posjeduje veći RDS (uključen), ali u pravilu možda neće trebati plutajući pogonski krug.

Tranzistor Q1 i dioda CR1 ilustrirani su unutar obrisa isprekidanom linijom s stezaljkama označenim a, p i c. O tome se detaljno govori u dijelu Buck-Boost Power Stage Modelling.

Analiza načina kontinuiranog provođenja Buck-Boost-a u ustaljenom stanju

Slijedi opis pojačavanja buck-a koji radi u ustaljenom stanju kontinuiranim provođenjem. Primarni cilj ovog segmenta bio bi prikazati izvedbu odnosa transformacije napona za stupanj snage pojačanog pojačanja u neprekidnom provođenju.

To će biti značajno jer ukazuje na način na koji se izlazni napon određuje radnim ciklusom i ulaznim naponom ili, naprotiv, kako se može odrediti radni ciklus ovisno o ulaznom naponu i izlaznom naponu.

Stacionarno stanje znači da su ulazni napon, izlazni napon, struja izlaznog opterećenja i radni ciklus konstantni za razliku od variranja. Velika se slova obično daju promjenjivim naljepnicama kako bi se sugeriralo stanje ravnoteže. U načinu kontinuiranog provođenja, pretvarač s pojačanim pojačanjem uzima nekoliko stanja po preklopnom ciklusu.

Uključeno stanje je svaki put kad je Q1 UKLJUČEN, a CR1 ISKLJUČEN. Isključeno stanje je svaki put kada je Q1 ISKLJUČEN, a CR1 UKLJUČEN. Jednostavni linearni krug mogao bi simbolizirati svako od dva stanja u kojima su sklopke u krugu zamijenjene njihovim odgovarajućim krugom tijekom svakog stanja. Shema sklopa za svako od dva stanja predstavljena je na slici 2.

Razdoblje stanja uključenosti je D × TS = TON, u kojem je D radni ciklus, fiksiran pogonskim krugom, prikazan u obliku omjera razdoblja UKLJ. Uključenosti prema razdoblju jednog punog slijeda uključivanja, Ts.

Duljina isključenog stanja poznata je pod nazivom TOFF. Budući da se može pronaći samo nekoliko uvjeta po preklopnom ciklusu za način kontinuiranog provođenja, TOFF je jednak (1-D) × TS. Veličina (1-D) povremeno se naziva D ’. Ta su razdoblja prikazana zajedno s valnim oblicima na slici 3.

Gledajući sliku 2, tijekom stanja ON, Q1 nudi smanjeni otpor, RDS (uključen), od svog odvoda do izvora i očituje manji pad napona VDS = IL × RDS (uključen).

Uz to postoji mali pad napona na jednosmjernom otporu prigušnice jednak IL × RL.

Time se ulazni napon VI, minus deficiti (VDS + IL × RL), stavlja preko induktora, L. CR1 je ISKLJUČEN u tom razdoblju, jer bi bio obrnuto pristran.

Struja prigušnice, IL, prolazi od ulaznog napajanja, VI, putem Q1 i do zemlje. Tijekom ON stanja, napon na induktoru je konstantan i jednak VI - VDS - IL × RL.

Slijedeći normu polariteta za struju IL prikazanu na slici 2, struja prigušnice pojačava se zbog izvedenog napona. Nadalje, budući da je primijenjeni napon u osnovi dosljedan, struja prigušnice raste linearno. Ovo pojačanje struje induktora tijekom TON-a prikazano je na slici 3.

Razina pojačanja struje induktora općenito se određuje upotrebom oblika dobro poznate formule:

Porast struje prigušnice tijekom statusa ON prikazan je kao:

Ova veličina, ΔIL (+), naziva se valovita struja induktora. Nadalje, imajte na umu da kroz ovaj interval svaki bit izlazne struje opterećenja dolazi iz izlaznog kondenzatora, C.

U odnosu na sliku 2, dok je Q1 ISKLJUČEN, nudi povećanu impedansu od odvoda do izvora.

Slijedom toga, budući da struja koja radi u induktoru L nije u stanju trenutno se prilagoditi, struja se prebacuje s Q1 na CR1. Kao rezultat smanjenja struje prigušnice, napon na prigušnici mijenja polaritet dok se ispravljač CR1 ne pretvori u prednji smjer i uključi se.

Napon povezan preko L pretvara se u (VO - Vd - IL × RL) u kojem je veličina, Vd, prednji pad napona CR1. Struja prigušnice, IL, u ovom trenutku prolazi od izlaznog kondenzatora i otpornika opterećenja preko CR1 do negativne crte.

Primijetite da poravnanje CR1 i put strujanja struje u prigušnici znači da struja koja radi u grupiranju izlaznih kondenzatora i otpornika opterećenja dovodi do toga da VO bude minus napon. U stanju ISKLJUČENO, napon spojen na induktivitetu stabilan je i jednak (VO - Vd - IL × RL).

Očuvajući našu konvenciju o istoj polarnosti, ovaj priključeni napon je minus (ili polaritet obrnut u odnosu na priključeni napon tijekom vremena uključivanja), zbog činjenice da je izlazni napon VO negativan.

Stoga se struja prigušnice smanjuje tijekom vremena ISKLJUČENJA. Nadalje, budući da je priključeni napon u osnovi stabilan, struja prigušnice linearno se smanjuje. Ovo smanjenje induktorske struje tijekom TOFF-a prikazano je na slici 3.

Smanjenje struje induktora kroz ISKLJUČENO osigurava:

Ova veličina, ΔIL (-), može se nazvati valovitom strujom induktora. U stabilnim situacijama porast struje, ΔIL (+), tijekom vremena UKLJUČIVANJA i smanjenje struje kroz vrijeme ISKLJUČENJA, ΔIL (-), mora biti identičan.

Inače, struja prigušnice može ponuditi sveukupno pojačanje ili smanjenje iz ciklusa u ciklus što ne bi bila stabilna okolnost.

Prema tome, obje ove jednadžbe mogu se izjednačiti i razraditi za VO kako bi stekao kontinuiranu provodljivost u obliku prekida napona s povećanim naponom:

Određivanje za VO:

Osim zamjene TS za TON + TOFF i primjene D = TON / TS i (1-D) = TOFF / TS, jednadžba VO u stabilnom stanju je:

Primijetite da bi u pojednostavljivanju gore navedenog TON + TOFF trebao biti sličan TS-u. To može biti izvorno samo za kontinuirani način vođenja, što ćemo otkriti u ocjeni diskontinuiranog načina provođenja. U ovom trenutku trebalo bi izvršiti ključnu kontrolu:

Učvršćivanje dviju vrijednosti ΔIL na međusobnom nivou točno je jednako izjednačavanju volt-sekundi na prigušnici. Volt-sekunde korištene na induktoru umnožak su napona koji se koristi i razdoblja za koje se napon primjenjuje.

Ovo može biti najučinkovitiji način procjene neidentificiranih veličina, na primjer VO ili D s obzirom na uobičajene parametre kruga, a ovaj će se pristup često koristiti u ovom članku. Stabiliziranje volt-sekunde na induktoru prirodan je zahtjev i treba ga barem dodatno shvatiti kao Ohmov zakon.

U gornjim jednadžbama za ΔIL (+) i ΔIL (-), izlazni napon je implicitno trebao biti dosljedan bez ikakvog napona mreškanja tijekom vremena UKLJUČIVANJA i perioda ISKLJUČENJA.

Ovo je prihvaćeno pojednostavljenje i podrazumijeva nekoliko pojedinačnih ishoda. Prvo, vjeruje se da je izlazni kondenzator adekvatno velik da je njegova konverzija napona minimalna.

Drugo, smatra se da je napon ESR kondenzatora minimalan. Takve su pretpostavke legitimne, jer će napon izmjeničnog vala definitivno biti znatno niži od istosmjernog dijela izlaznog napona.

Gornja promjena napona za VO pokazuje istinu da se VO može prilagoditi preciznim podešavanjem radnog ciklusa, D.

Ova se veza približava nuli dok D dolazi blizu nule i raste bez odredišta jer se D približava 1. Tipično pojednostavljenje smatra da su VDS, Vd i RL dovoljno maleni da ih se može zanemariti. Uspostavljanjem VDS, Vd i RL na nulu, gornja formula primjetno pojednostavljuje na:

Manje komplicirana, kvalitativna metoda za prikaz rada kruga bila bi promišljanje induktora kao dijela za pohranu snage. Svaki put kad je Q1 uključen, energija se prelije preko induktora.

Dok je Q1 isključen, prigušnica vraća dio svoje energije u izlazni kondenzator i opterećenje. Izlazni napon regulira se uspostavljanjem vremena Q1. Na primjer, povećanjem vremena Q1 na vrijeme pojačava se količina snage koja se šalje na induktor.

Dodatna energija se zatim šalje na izlaz tijekom vremena isključenja Q1 uzrokujući porast izlaznog napona. Za razliku od donje snage, tipična veličina struje prigušnice nije jednaka izlaznoj struji.

Da biste povezali struju prigušnice s izlaznom strujom, gledajući slike 2 i 3, uočite da je struja prigušnice na izlazu samo u isključenom stanju stupnja snage.

Ova prosječna struja za čitav preklopni slijed jednaka je izlaznoj struji, jer bi približna struja u izlaznom kondenzatoru trebala biti jednaka nuli.

Povezanost između prosječne struje prigušnice i izlazne struje za stupanj snage pojačanog pojačanja kontinuiranog načina rada osigurava:

Sljedeće značajno stajalište je činjenica da je tipična struja prigušnice proporcionalna izlaznoj struji, a budući da valovita struja prigušnice, ΔIL, nije povezana s izlaznom strujom opterećenja, minimalne i najviše vrijednosti struje prigušnice precizno prate prosječnu struju prigušnice.

Kao primjer, ako prosječna struja prigušnice opadne za 2A zbog smanjenja struje opterećenja, u tom slučaju se najmanja i najviša vrijednost struje prigušnice smanjuju za 2A (s obzirom na to da je očuvan način kontinuiranog provođenja).

Prethodna procjena odnosila se na funkcionalnost stupnja pojačane snage u neprekidnom načinu induktivne struje. Sljedeći je segment objašnjenje stabilnog stanja funkcionalnosti u prekinutom načinu provođenja. Primarni ishod je izvođenje odnosa pretvorbe napona za prekidni stupanj snage pojačanog provodnika u načinu provođenja.

Procjena Buck-Boost ustaljenog stanja diskontinuiranog provođenja

U ovom trenutku ispitujemo što se događa tamo gdje je struja opterećenja smanjena i način provođenja prelazi iz kontinuiranog u prekidni.

Zapamtite za način kontinuiranog provođenja, prosječna struja prigušnice prati izlaznu struju, tj. U slučaju da se izlazna struja smanji, u tom će slučaju i prosječna struja prigušnice.

Osim toga, najniži i najviši vrh induktorske struje točno slijede prosječnu struju induktiviteta. U slučaju da se izlazna struja opterećenja smanji ispod osnovne razine struje, struja prigušnice bila bi za dio sklopnog niza jednaka nuli.

To bi bilo očito iz valnih oblika prikazanih na slici 3, jer se vršna do vršna razina valovite struje ne može mijenjati s izlaznom strujom opterećenja.

U fazi pojačanog pojačanja, ako se struja induktora pokuša spustiti ispod nule, ona se jednostavno zaustavi na nuli (zbog jednosmjernog kretanja struje u CR1) i tamo nastavlja do početka sljedećeg prebacivanja. Ovaj način rada poznat je kao prekidni način provođenja.

Stupanj snage rada dovodnog pojačivačkog kruga u diskontinuiranom formatu provođenja posjeduje tri različita stanja kroz svaki preklopni ciklus, za razliku od 2 stanja za format kontinuiranog provođenja.

Stanje struje prigušnice u kojem je stupanj snage na periferiji između kontinuiranog i diskontinuiranog podešavanja prikazano je na slici 4.

U tome se induktorska struja jednostavno sruši na nulu, dok sljedeći ciklus prebacivanja započinje neposredno nakon što struja dosegne nulu. Primijetite da su vrijednosti IO i IO (Crit) izložene na slici 4 budući da IO i IL uključuju suprotne polaritete.

Dalje snižavanje izlazne struje opterećenja postavlja stupanj snage u prekidni vodljivi obrazac. Ovo je stanje nacrtano na slici 5.

Frekvencijski odziv stupnjeva snage prekida rada prilično se razlikuje od frekvencijskog odziva kontinuiranog načina rada koji je predstavljen u segmentu Buck-Boost Power Stage Modelling. Uz to, ulazno-izlazni priključak prilično je raznolik kako je prikazano u ovom izvodu stranice:

Da biste započeli izvođenje omjera prekida napona stupnjevitog napona stupnja snage pojačanog pojačanja u načinu prekida, podsjetite se da imate tri različita stanja koja pretvarač razmatra kroz funkcionalnost prekinutog načina provođenja.

Uključeno stanje je kada je Q1 UKLJUČEN, a CR1 ISKLJUČEN. Isključeno stanje je kad je Q1 ISKLJUČEN, a CR1 UKLJUČEN. Neaktivni uvjet je kada su svaki Q1 i CR1 ISKLJUČENI. Početna dva uvjeta vrlo su slična situaciji u kontinuiranom načinu rada i krugovi sa slike 2 su relevantni, osim onog TOFF ≠ (1-D) × TS. Ostatak sklopnog niza je stanje PRAZNOG NEKRETNINE.

Uz to, istosmjerni otpor izlazne prigušnice, pad napona izlazne diode, kao i pad napona napajanja u MOSFET-u snage obično bi trebali biti dovoljno mali da se previdi.

Vremensko razdoblje stanja ON je TON = D × TS, gdje je D radni ciklus, fiksiran upravljačkim krugom, naznačen kao omjer vremena uključivanja i vremena jednog punog slijeda uključivanja, Ts. Duljina isključenog stanja je TOFF = D2 × TS. Prazno razdoblje je ostatak preklopnog uzorka koji je prikazan kao TS - TON - TOFF = D3 × TS. Ta su razdoblja podvrgnuta valnim oblicima na slici 6.

Bez provjere sveobuhvatnog opisa, jednadžbe porasta i pada struje prigušnice navedene su u nastavku. Porast struje prigušnice tijekom stanja uključenja izdaje:

Količina mreškaste struje, ΔIL (+), također je vršna struja prigušnice, Ipk, jer u prekidnom načinu struja započinje s 0. Svaki ciklus. Smanjenje struje prigušnice u stanju ISKLJUČENO prikazuje:

Baš kao i situacija s kontinuiranim provođenjem, porast struje, ΔIL (+), tijekom vremena UKLJUČIVANJA i smanjenja struje dok je vrijeme ISKLJUČIVANJA, ΔIL (-), identični su. Prema tome, obje ove jednadžbe mogu se izjednačiti i VO-u uputiti na početne dvije jednadžbe koje će se koristiti za rješavanje omjera pretvorbe napona:

Dalje određujemo izlaznu struju (izlazni napon VO podijeljen s izlaznim opterećenjem R). To je prosjek tijekom jednog sklopnog slijeda struje prigušnice u to vrijeme kada CR1 postane vodljiv (D2 × TS).

Ovdje zamijenite vezu za IPK (ΔIL (+)) u gornju jednadžbu kako biste dobili:

Stoga imamo dvije jednadžbe, jednu za izlaznu struju (VO podijeljenu s R) koja je upravo izvedena i onu za izlazni napon, obje s obzirom na VI, D i D2. U ovom ćemo trenutku razotkriti svaku formulu za D2, kao i popraviti dvije jednadžbe jednake jedna drugoj.

Koristeći rezultirajuću jednadžbu, mogla bi se dobiti ilustracija za izlazni napon, VO. Prekidni način provođenja napona pojačanog pojačanja napona pripada:

Gornja veza prikazuje jednu od glavnih razlika među dva načina provođenja. Za prekidni način provođenja, odnos promjene napona je funkcija ulaznog napona, radnog ciklusa, induktiviteta stupnja snage, frekvencije prebacivanja i otpora izlaznog opterećenja.

U načinu kontinuiranog provođenja, na preklopni napon veze utječu samo ulazni napon i radni ciklus. U tradicionalnim primjenama, stupanj snage pojačanog pojačanja pokreće se izborom između načina kontinuiranog provođenja ili načina prekida kondukcije. Za određenu uporabu odabire se jedan način provođenja dok je stupanj snage napravljen da održi identičan način.