Dlaczego regulatory przełączające buck (obniżające) wymagają cewki indukcyjnej i diody?

Rozumiem więc, przynajmniej na poziomie podstawowym, sposób działania przełączania konwerterów, zarówno buck, jak i boost. Zastanawia mnie jednak to, dlaczego szczególnie konwertery buck nie są prostsze.

Dlaczego nie zbudować konwertera buck jako przełącznika ładującego kondensator, z przełącznikiem sterowanym przez komparator porównujący napięcie wyjściowe z referencyjnym? Czy nie byłoby to o wiele prostsze, pozwoliłoby ci użyć łatwiejszego i tańszego kondensatora zamiast cewki indukcyjnej i całkowicie pominąć diodę?

Konwertery Buck są tak proste, jak konwertery boost. W rzeczywistości są one dokładnie tym samym obwodem, widzianym tylko do tyłu, jeśli mamy swobodę wyboru, który przełącznik (z dwóch) będzie działał jako przełącznik sterowany (lub oba, jeśli jest to konwerter synchroniczny).

Jeśli chodzi o akapit drugi, to gdybyś to zrobił, ponosiłbyś straty. Bardziej niż z regulowanym przełącznikiem opartym na cewce i znacznie więcej niż z regulatorem liniowym. Za każdym razem, gdy podłączasz źródło napięcia do kondensatora, którego napięcie początkowe nie jest takie samo jak napięcie źródła napięcia, nieuchronnie marnujesz energię. Nawet jeśli nie widzisz wyraźnego rezystora, w rzeczywistości jest on obecny i (co ciekawe) bez względu na to, jak mały jest, zmarnuje tę samą ilość energii. Zobacz tutaj .

Pompy ładujące działają tak, jak mówisz, ale są mniej wydajne niż przełączane regulatory indukcyjne.

Jest to więc uzasadnienie - najwyraźniej niepotrzebnego - złożoności przełączanych regulatorów indukcyjnych.

Więcej : Aby przedstawić intuicję, dlaczego istnieją konwertery buck i boost, zobacz ten rysunek.

Jeśli spróbujesz przenieść energię między dwoma źródłami napięcia, które nie są do siebie podobne, lub między dwoma źródłami prądu, które nie są do siebie podobne, poniesiesz nieuniknione straty. Z drugiej strony możesz przenosić energię (a nawet wykonywać po drodze skalowanie napięcia lub prądu) bez żadnych strat, jeśli podłączysz źródło napięcia do źródła prądu. Biernym elementem fizycznym, który najbardziej przypomina źródło prądu, jest cewka indukcyjna. Właśnie dlatego istnieją przełączane regulatory indukcyjne.

Pompy ładujące byłyby w lewej kolumnie. Ich teoretyczna maksymalna wydajność jest niższa niż 100% (rzeczywista wydajność zależy od różnicy napięć i pojemności). Przełączane regulatory indukcyjne znajdują się w prawej kolumnie. Ich teoretyczna maksymalna wydajność wynosi 100% (!).

Problem z tym, co opisujesz, jest aktualny. W konwerterze buck można uzyskać średnio 10 A na wyjściu tylko 5 A na wejściu, ponieważ druga 5A osiąga moc wyjściową przez diodę. A dioda jest skierowana do przodu tylko z powodu indukcyjnego kopnięcia. Bez cewki indukcyjnej i diody prąd ma tylko jedną ścieżkę, która przepływa do wyjścia, i to jest bezpośrednio z wejścia. Przy tej topologii, jeśli średni prąd wyjściowy wynosi 10 A, średni prąd wejściowy również musi wynosić 10 A. A jeśli tracisz napięcie od wejścia do wyjścia, podczas gdy prąd pozostaje taki sam, utracona energia jest rozpraszana jako ciepło. Jest to sprzeczne z celem zastosowania regulatora przełączającego zamiast regulatora liniowego.

Ponadto, jeśli weźmiesz dwie czapki przy różnych napięciach i po prostu zamkniesz przełącznik między nimi, natychmiastowy prąd będzie bardzo, bardzo duży. Modeluj każdą nasadkę jako źródło Thevenin, idealne źródło napięcia o rezystancji szeregowej. Rezystancja ścieżki między dwoma idealnymi źródłami będzie oporem stanu urządzenia przełączającego plus ESR obu czapek. ESR limitów prawdopodobnie będzie rzędu 1 mOhm, jeśli nie znacznie mniej. Rezystancja tranzystora w stanie włączenia może się różnić, ale prawdopodobnie nie przekracza 100 mOhm. Jeśli więc masz różnicę 10 V między wejściem a wyjściem, Twój natychmiastowy prąd wejściowy / przełączający po włączeniu przełącznika wyniesie co najmniej 100 A, a być może nawet tysiące amperów.

Oczywiście, będziesz mieć te kolce tylko tak często, w zależności od obciążenia wyjściowego i szczelności pętli porównawczej. Przez resztę czasu prąd wejściowy / przełączający wynosi zero. Więc możesz pobierać średnią 1A, ale to, co widzi wejście, to skoki 1000A przy cyklu pracy 1%. Zwykłe duże skoki prądu tego rodzaju będą stanowić problem z właściwym połączeniem; prąd RMS tego rodzaju fali jest około 18 razy większy niż średni prąd! Wymagają też mocniejszego przełącznika, który nie nasyca się tak wysokim prądem chwilowym. Nie mówiąc już o hałasie elektromagnetycznym, które to ustawienie odłożyłoby na później!

Lepiej zostawić tranzystor w trybie analogowym i po prostu wyregulować napięcie bramki, aby rezystancja źródła drenu utrzymywała korek wyjściowy na pożądanym napięciu. I tam masz liniowy regulator.

Nick - w dużej mierze pozostawię dyskusję o konwerterach induktorowych innym i odniosę się do:

Dlaczego nie zbudować konwertera buck jako przełącznika ładującego kondensator, z przełącznikiem sterowanym przez komparator porównujący napięcie wyjściowe z referencyjnym? Czy nie byłoby to o wiele prostsze, pozwoliłoby ci użyć łatwiejszego i tańszego kondensatora zamiast cewki indukcyjnej i całkowicie pominąć diodę?

Za pomocą BARDZO specjalnych metod możliwe jest wykonanie konwerterów kondensatorów, które skutecznie przekształcają energię z jednego poziomu napięcia na drugi. ALE metody uproszczone zawodzą bardzo źle. Jednostopniowy konwerter kondensatora, który obniża napięcie o połowę, wyładowując ładunek z jednego kondensatora na drugi o jednakowej pojemności, ma TEORETYCZNĄ sprawność wynoszącą 50%, a praktyczną nie większą niż teoretyczną i prawdopodobnie mniejszą. Wynika to z prostego zastosowania „praw fizyki”. Niefortunną rzeczywistością jest to, że wymagania do uzyskania dobrej wydajności są znacznie łatwiej spełnione w przypadku konwertera cewki indukcyjnej niż w przypadku kondensatora.

Spróbuj tego prostego eksperymentu myślowego.
Weź dwa kondensatory C1 i C2 o jednakowej pojemności.
Naładuj C1, aby powiedzieć 10 V.
Podstawowym wzorem odnoszącym się do ładunku i pojemności jest V = kQ / C,
gdzie V to napięcie kondensatora, k to stała, Q to ładunek, a C = pojemność. Teraz podłącz C2 do C1.
Opłata w C1 będzie teraz dzielona równo między C1 i C2.
Napięcie na każdym kondensatorze wynosi 5 V - albo dlatego, że każde z nich jest w połowie oryginalne, albo dlatego, że pojemność się podwoiła - 2 sposoby patrzenia na to samo.

Jak na razie dobrze.

ALE energia w kondensatorze wynosi 0,5 x C x V ^ 2.

Początkowo powyżej E = 0,5 x C x 10 ^ 2 = jednostki energii 50C.
Po połączeniu energii dwóch kondensatorów na czapkę = 0,5 x C x 5 ^ 2 lub dla dwóch czapek
energia = 2 x 0,5 x C x 5 ^ 2 = 25C ​​Jednostki energii.
O jej ! :-(.
Po prostu łącząc dwa kondensatory i dzieląc ładunek, POŁOWIŁEM obecną energię!
Połowa energii została utracona w procesie!
Ten z pozoru dziwny i niewytłumaczalny fakt wynika z rezystancyjnych strat energii podczas transferu. NAJLEPSZY tracimy połowę energii, jeśli napięcie w ten sposób zmniejszy się o połowę. Minimalny wynik utraty energii jest taki sam, niezależnie od tego, czy wykorzystujemy dużą wartość rezystancji do przeniesienia energii, czy rezystancję bardzo niskiej wartości, taką jak kawałek drutu - niewielka część om. W tym drugim przypadku otrzymujemy bardzo wysokie prądy.

„Oczywistym” rozwiązaniem jest „postawienie kondensatorów jeden na drugim” w celu ich naładowania i umieszczenia ich równolegle, aby je rozładować. To działa! Na jeden cykl. Wydajność teoretyczna = 100%. Wykonanie tego w praktyce wymaga w tym przypadku co najmniej 2 x przełączników o złożoności i stratach i działa tylko przy stosunku 2: 1. Co gorsza, jeśli obniżymy napięcie czapki wraz z obciążeniem, aby w następnym cyklu trzeba było go ponownie zwiększyć, stwierdzimy, że ładowanie ma takie same straty rezystancyjne jak poprzednio. Uzyskujemy 100% wydajności teoretycznej tylko wtedy, gdy nie czerpiemy mocy :-(.
Rozwiązaniem tego rodzaju jest spadek napięcia kondensatora tylko w bardzo niewielkim stopniu i ładowanie tylko w niewielkim stopniu. Jeśli to zrobimy, wydajność może być bliska 100%, ALE potrzebujemy dużych pułapów na prąd obciążenia (ponieważ większość pojemności jest wykorzystywana tylko do utrzymania stałego napięcia) i nadal mamy tylko współczynnik konwersji 2: 1. Inne współczynniki można osiągnąć, ale jest to denerwujące, skomplikowane i kosztowne, a w większości przypadków ma niewiele lub nie ma przewagi nad użyciem cewek indukcyjnych. Niektóre bardzo specjalistyczne konwertery działają w ten sposób, ale są rzadkie. I można kupić układy scalone konwertera w górę lub w dół z kilkoma stałymi stosunkami, takimi jak 2: 1, 3: 1, 4: 1, ale zwykle mają one niską moc, Vout spada z obciążeniem (wyższe Zout niż jest to miłe) i zwykle są gorsze na wiele sposobów do konwertera opartego na cewce.

Dlatego zwykle widzisz ładny prosty i tani konwerter buck używany do obniżania napięcia. Rzeczywisty konwerter używa 1 x L, 1 x D, 1 x przełącznik (MOSFET lub cokolwiek innego), a reszta to „klej” lub ulepszenia. Kontroler może być również bardzo prosty.

Utrzymanie stałego napięcia kondensatora byłoby niemożliwe. Za każdym razem, gdy zamkniesz przełącznik, zrzucisz na niego napięcie (jakie napięcie?), A napięcie wzrośnie z powodu wysokiego prądu szczytowego. Kondensator też by tego nie lubił. I stracisz dużo energii podczas przełączania.

W przełączniku cewka sprawia, że ​​prąd ładujący kondensator rośnie płynnie i że średnio podąża za prądem obciążenia. Dioda jest potrzebna do otwarcia przełącznika. W tym momencie cewka wytworzyła pole magnetyczne, którego energia musi gdzieś pójść. Dioda zamyka pętlę, która pozwala na przepływ prądu cewki.

Dzięki bardziej zaawansowanym urządzeniom przełączającym konwertery buck są obecnie znacznie prostsze w budowie, niż sugerowałaby ich teoria działania. I mogą osiągnąć sprawność do 95%, co po prostu włączanie i wyłączanie kondensatora nigdy nie jest w stanie.

Najprostszym sposobem na zrozumienie potrzeby diody jest zastanowienie się, ile razy elektrony mogą przejść przez ładunek za każdym razem, gdy przechodzą przez zasilanie. Jeśli nie ma diody, wówczas każdy elektron przechodzący przez ładunek musi wrócić z powrotem do źródła, zanim będzie mógł ponownie załadować ładunek. Dodanie diody pozwala niektórym elektronom odwiedzić ładunek, przejść przez diodę i odwiedzić ładunek ponownie, bez konieczności powrotu do źródła zasilania. Cewka jest niezbędna, ponieważ bez niej elektrony przechodzące przez ładunek i docierające do diody nie będą miały wystarczającej energii, aby przejść przez diodę i ponownie odwiedzić ładunek. Cewka pochłania nadmiar energii z elektronów, które przychodzą świeżo ze źródła, a następnie przekazuje ją do recyrkulowanych elektronów.

Możesz obniżyć napięcie DC za pomocą współczynnika rezystora, jeden w szeregu, Rs i rezystor, RL i obciążenie w boczniku do wspólnego, ale wiesz, że nie jest to skuteczne przy stratach mocy = V * I w serii Rs.

Możesz obniżyć współczynnik przełączanego rezystora (jak zasugerowałeś), a następnie rezystancja szeregowa jest funkcją cyklu roboczego i przełącza efektywną rezystancję szeregową (ESR),

stąd Rs = ESR / T {gdzie T jest czasem WŁĄCZENIA / czasem cyklu dla T = 0 do 1}

Teraz twoje obciążenie potrzebuje pojemności, aby utrzymać napięcie i być może aktywnego zenera, a rezystor szeregowy nadal będzie wykazywał straty. Rozważ stosunek 10: 1, wtedy prąd jest 10 razy większy, ale w 1/10 czasu, więc P = V * I * T, strata mocy jest taka sama jak regulatora liniowego. Ma sens?

Cewka indukuje stały prąd przy obniżaniu napięcia. Ponieważ prąd jest w dużej mierze bierny i niefazowy dla sygnału prądu przemiennego z przełączaniem zegara jako urządzenia obniżającego, jest on znacznie bardziej wydajny. Ma sens? Dzięki temu, że impedancja reaktywna jest znacznie niższa niż obciążenie, możesz stać się jeszcze bardziej wydajny. Oznacza to zwiększenie szybkości przełączania i wartości indukcyjności. Ale nasycenie ferrytu osiąga praktyczny limit prądu i bardzo ważne jest, aby stosować ferryt szczelinowy dla znacznie większych prądów.