Dlaczego przełączniki są bardziej wydajne niż regulatory liniowe?

Powszechnie wiadomo, że regulatory przełączające są bardziej wydajne niż regulatory liniowe. Wiem również, że regulator liniowy musi rozproszyć różnicę między napięciem wejściowym a napięciem wyjściowym razy prąd jako ciepło.

Ale dlaczego nie dotyczy to regulatorów przełączających o takich samych warunkach: takie samo napięcie wejściowe oraz napięcie wyjściowe i prąd?

Wiem, że przełączniki mogą się rozgrzać; Mam jedną na płycie, która jest tak gorąca, że ​​ledwo ją dotykasz, ale z drugiej strony ma tylko 2 1/2 milimetra z każdej strony i wygląda jak mrówka w porównaniu do przelotowego otworu 7805 z radiatorem.

Regulatory liniowe działają poprzez skuteczne umieszczenie kontrolowanego rezystora zmiennego między źródłem a obciążeniem. Cały prąd dla obciążenia przepływa przez ten element oporowy. Napięcie na nim równe jest różnicy między napięciem źródła a napięciem obciążenia. Tak więc moc jest rozpraszana

$P_{lin} = I_{load}\times{}(V_{src}-V_{load})$ .

Przełączniki działają poprzez zmianę cyklu roboczego przepływu prądu w cyklu przełączania, a następnie uśrednienie mocy wyjściowej za pomocą filtra. Podczas części cyklu płynie wysoki prąd o niskim spadku napięcia. W drugiej części cyklu prawie nie płynie prąd z dużym spadkiem napięcia. Żaden z tych warunków nie rozprasza tyle energii, co ciepło. Idealnie staje się utracona moc

$P_{sw}= \mathrm{DC}(I_{on})(0\ \mathrm{V}) + (1-\mathrm{DC})(0\ \mathrm{A})(V_{off})$ ,

co oczywiście wynosi 0 W. Zwykle duża część nieefektywności w świecie rzeczywistym wynika z utraty mocy podczas bardzo krótkiego odstępu między częściami „włączania” i „wyłączania” cyklu.

Zwykle przełączniki są bardziej wydajne, ale nie zawsze.

Idealny regulator liniowy ma spadek napięcia a istnieje liniowy element przejściowy, taki jak tranzystor, który działa jak rezystor, więc utrata mocy w idealnym przypadku wynosi P = , jak mówisz. Jest to idealny przypadek, w rzeczywistości regulator potrzebuje trochę prądu do pracy, i może istnieć element zależny od prądu wyjściowego. Niektóre regulatory liniowe LDO, które zależą od bocznych elementów przejściowych PNP, mogą mieć bardzo wysoki pobór blisko zaniku - być może 100mA marnowane na prąd wyjściowy 1A (ponieważ tranzystory PNP wykonane w niektórych procesach IC mają zwykle dość gęsty przyrost prądu).$V_{IN} - V_{OUT}$$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$

Idealny regulator przełączający (buck) wygląda następująco:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Gdy przełącznik jest tranzystorem, a D1 może być diodą lub innym tranzystorem. W idealnym przypadku nie ma mechanizmu utraty energii . Dioda albo blokuje się doskonale, albo doskonale przewodzi, przełącznik robi to samo, cewka nie ma rezystancji dla prądu stałego, a kondensator nie ma ESR. Tak więc moc wejściowa jest równa mocy wyjściowej. Oczywiście rzeczywistość może zbliżyć się tylko do tego ideału. Będą straty, które są „kosztami ogólnymi” i straty, które rosną wraz ze wzrostem prądu.

Zauważ, że induktor jest kluczową częścią tego obwodu - jeśli spróbujesz go pominąć, napięcie (w krótkim okresie) na C1 zbliży się do napięcia na Vin, a prąd stanie się nieskończony. W prawdziwym obwodzie SW1 miałby pewien opór i stałby się tak gorący jak tranzystor przejściowy w regulatorze liniowym (z tym że wytwarzałby również mnóstwo EMI).

Powszechnie wiadomo, że regulatory przełączające są bardziej wydajne niż regulatory liniowe.

Do pewnego stopnia. Umieszczenie 3,5 V w regulatorze liniowym LDO 3,3 V daje sprawność 94%. Trudno byłoby znaleźć regulator przełączający, który może to zrobić.

Wiem również, że liniowy regulator musi rozproszyć różnicę między napięciem wejściowym i napięciem wyjściowym razy prąd jako ciepło.

Tak, ale regulatory liniowe muszą pobierać tyle samo lub nieco więcej prądu dla danego prądu wyjściowego, podczas gdy regulatory przełączające handlują spadkiem napięcia wyjściowego w celu zmniejszenia prądu wejściowego, a zatem zwykle zużywają mniej energii niż ogólnie podobnie skonfigurowany regulator liniowy.

Idealne przełączniki nie rozpraszają żadnej mocy. Pobierają trochę energii od strony wejściowej, przechowują ją, a następnie zwalniają po stronie wyjściowej.

Energia jest magazynowana w polu magnetycznym wewnątrz cewki indukcyjnej lub w polu elektrycznym w kondensatorze.

Ze względu na nieidealność prawdziwych komponentów, takich jak ESR w cewkach, rozpraszają one trochę mocy. Tracą także trochę mocy podczas przełączania tranzystora. Część energii jest również tracona w sterowniku.

Ale dlaczego nie dotyczy to przełączania regulatorów na takich samych warunkach

W przypadku szeregowego regulatora liniowego źródło dostarcza energię przez 100% czasu i część tej mocy musi zostać zmarnowana, ponieważ (1) napięcie źródła (wielkość) jest większe niż obciążenie i (2) prąd źródła musi być nieco większy niż prąd obciążenia.

Jednak w przypadku regulatora przełączającego źródło dostarcza energię tylko przez pewną część okresu przełączania. W tym czasie część energii dostarczanej przez źródło jest dostarczana do odbiornika, a reszta jest dostarczana do elementów obwodu magazynującego energię - bardzo niewiele się marnuje.

Następnie, w czasie wyłączenia, elementy obwodu magazynującego energię dostarczają energię do obciążenia.

Jest to zasadnicza różnica - pobierana jest tylko wystarczająca moc ze źródła w czasie włączenia, aby stale zasilać obciążenie.

Na przykład, jeśli obciążenie wymaga ciągłej mocy 5 W, źródło może dostarczyć 10 W 50% czasu, a 0 W pozostałe 50% przy średniej mocy 5 W. Elementy obwodu magazynowania energii „wygładzają” przepływ energii - absorbując nadwyżkę energii w czasie włączenia, a następnie dostarczając ją w czasie wyłączenia.

Idealny regulator przełączający buck-boost może być modelowany jako para czapek podłączonych bezpośrednio do wejścia i wyjścia, cewka i niektóre obwody rutujące, które mogą przełączać się między trzema konfiguracjami (obwód tylko buck, tylko boost lub odwracający potrzebujesz tylko dwóch).

1. Wejście łączy się z wyjściem przez cewkę
2. Cewka jest podłączona bezpośrednio na wejściu
3. Cewka jest podłączona bezpośrednio na wyjściu

Załóżmy, że komponenty zachowują się w idealny sposób (bez strat rezystancyjnych lub przełączania itp.), Że źródła są ustawione na 10 V, moc wyjściowa pobiera 1 A, przełącznik spędza połowę czasu w pierwszej konfiguracji, połowa w trzeciej i przełącza się wystarczająco szybko, aby napięcia napięciowe i prąd cewki nie mają szansy na znaczną zmianę podczas każdego cyklu.

W stanie „ustalonym”, z zastrzeżeniem powyższych warunków, cewka będzie przez cały czas przepływać przez jeden wzmacniacz (ponieważ zawsze będzie szeregowo z obciążeniem 1 ampera). Jeśli ograniczenie mocy wyjściowej wynosi pięć woltów, wówczas połowa czasu cewki będzie wynosić + 5 V, a połowa czasu będzie wynosić -5 V, więc średnio prąd pozostanie na poziomie 1 A. Połowa czasu, gdy źródło jest wyjęte z jednego wzmacniacza (gdy jest podłączony do cewki), a połowa czasu nie będzie go mieć, więc źródło zobaczy pół ampera poboru prądu.

Najprostszym sposobem na sprawdzenie, w jaki sposób przełącznik może pobierać mniej prądu ze źródła niż pobierane z niego obciążenie, jest sprawdzenie, gdzie płyną elektrony: połowa elektronów, które przechodzą przez ładunek, będzie pochodzić ze źródła, a połowa będzie włączony, aby ominąć źródło. Tak więc obciążenie będzie przepływać przez niego dwukrotnie więcej prądu niż źródło.

Aby nudzić wszystkich starą dobrą analogią przepływu wody, dodam to: załóżmy, że mamy trzy poziomy wysokości H ₁ , H _½ , H ₀ ; zapas wody pochodzi z H ₁ , następnie przepływa w H _½ nieco do miejsca przeznaczenia, młyna lub czegoś takiego, a następnie wraca z powrotem do H ₀ . Regulator znajduje się na przejściu z H ₁ na H _½ .

• Regulator liniowy jest wodospadem: elektrony po prostu uderzają i uwalniają swój potencjał jako energia cieplna do środowiska. Prąd na H _½ będzie taki sam jak na H ₁ .

• Przełącznik nie tylko pozwala wodzie spłynąć, ale również kontroluje jej opuszczanie w porcjach w wiadrach. Każde wiadro schodzące z H ₁ wymaga przeciwwagi, naturalną rzeczą do użycia jest kolejne wiadro wody od H ₀ !