Vysvetlite topológiu spínaného napájacieho zdroja v jednom článku

Topológia obvodu sa vzťahuje na prepojenie medzi výkonovými zariadeniami a elektromagnetickými komponentmi v obvode, zatiaľ čo návrh magnetických komponentov, kompenzačných obvodov s uzavretou slučkou a všetkých ostatných komponentov obvodu závisí od topológie. Najzákladnejšie topológie sú Buck, Boost a Buck/Boost, single ended flyback (izolovaný flyback), forward, push-pull, half-mostík a full-mostík. Existuje približne 14 bežných topológií pre spínané napájacie zdroje, pričom každá má svoje vlastné charakteristiky a vhodné scenáre. Princíp výberu závisí od toho, či ide o vysokovýkonné alebo nízkovýkonné zdroje, vysokonapäťové alebo nízkonapäťové zdroje a či vyžadujú čo najmenej komponentov. Je veľmi dôležité zvoliť si vhodnú topológiu a poznať výhody, nevýhody a použiteľnosť rôznych topológií. Nesprávne rozhodnutia nevyhnutne povedú k zlyhaniu návrhu napájacieho zdroja od samého začiatku.

V tomto článku sa ponoríme do topológií step-down, step-up a step-up z rôznych perspektív.

Buckov prevodník

Obrázok 1 je schematický diagram asynchrónneho snižovacieho meniča. Snižujúci menič znižuje svoje vstupné napätie na nižšie výstupné napätie. Keď je spínač Q1 zapnutý, energia sa prenáša na výstupný terminál.

Obrázok 1: Schéma asynchrónneho buck meniča

Vzorec 1 vypočíta pracovný cyklus:

Vzorec 2 vypočítava maximálne napätie tranzistora typu MOSFET (metaloxid-polovodič):

Vzorec 3 poskytuje maximálne napätie diódy:

Vin je vstupné napätie, Vout je výstupné napätie a Vf je priame napätie diódy.

V porovnaní s lineárnymi regulátormi alebo regulátormi s nízkym úbytkom napätia (LDO) platí, že čím väčší je rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím, tým vyššia je účinnosť snižovacieho meniča.

Hoci má snižujúci menič na vstupe impulzný prúd, výstupný prúd je kontinuálny kvôli prítomnosti induktorového kondenzátorového (LC) filtra na výstupe meniča. V dôsledku toho bude zvlnenie napätia odrazené na vstupnú svorku väčšie v porovnaní so zvlnením na výstupnej svorke.

Pre snižujúce meniče s malým pracovným cyklom a výstupnými prúdmi väčšími ako 3 A sa odporúča použiť synchrónne usmerňovače. Ak váš zdroj napájania vyžaduje výstupný prúd väčší ako 30 A, odporúča sa použiť viacfázové alebo prekladané výkonové stupne, pretože to môže minimalizovať namáhanie súčiastok, rozložiť generované teplo medzi viaceré výkonové stupne a znížiť zvlnenie odrazov na vstupe meniča.

Pri použití N-FET je pracovný cyklus obmedzený, pretože bootstrap kondenzátor je potrebné nabíjať v každom spínacom cykle. V tomto prípade je maximálny pracovný cyklus v rozsahu 95 – 99 %.

Buck meniče majú zvyčajne dobré dynamické vlastnosti, pretože majú štruktúru doprednej topológie. Dosiahnuteľná šírka pásma závisí od kvality chybového zosilňovača a zvolenej spínacej frekvencie.

Obrázky 2 až 7 znázorňujú priebehy napätia a prúdu FET, diódy a induktora v režime kontinuálneho vedenia (CCM) v asynchrónnych snižujúcich meničoch.

Zosilňovač

Zosilňovač zvyšuje svoje vstupné napätie na vyššie výstupné napätie. Keď je spínač Q1 nevodivý, energia sa prenáša na výstupný terminál. Obrázok 8 je schematický diagram asynchrónneho zosilňovača.

Obrázok 8: Schéma asynchrónneho zvyšujúceho meniča

Vzorec 4 vypočíta pracovný cyklus:

Vzorec 5 vypočíta maximálne napätie MOSFETu:

Vzorec 6 poskytuje maximálne napätie diódy:

Vin je vstupné napätie, Vout je výstupné napätie a Vf je priame napätie diódy.

Použitím zosilňovača je možné pozorovať impulzný výstupný prúd, pretože LC filter je umiestnený na vstupe. Vstupný prúd je preto spojitý a zvlnenie výstupného napätia je väčšie ako zvlnenie vstupného napätia.

Pri navrhovaní zvyšujúceho meniča je dôležité vedieť, že medzi vstupom a výstupom bude trvalé spojenie, aj keď menič neprepína. Musia sa prijať preventívne opatrenia, aby sa predišlo potenciálnym skratom na výstupnom konci.

Pre výstupné prúdy väčšie ako 4 A by sa mali nahradiť diódy synchrónnymi usmerňovačmi. Ak napájací zdroj potrebuje poskytovať výstupný prúd väčší ako 10 A, dôrazne sa odporúča použiť viacfázové alebo prekladané metódy výkonových stupňov.

Pri prevádzke v režime CCM sú dynamické charakteristiky zosilňovača obmedzené kvôli nulovému bodu pravej polovice roviny (RHPZ) jeho prenosovej funkcie. Vzhľadom na neschopnosť RHPZ kompenzovať bude dosiahnuteľná šírka pásma typicky menšia ako jedna pätina až jedna desatina frekvencie RHPZ.

Pozrite si vzorec 7:

Medzi nimi je Vout výstupné napätie, D je pracovný cyklus, Iout je výstupný prúd a L1 je indukčnosť zvyšujúceho meniča.

Obrázky 9 až 14 zobrazujú priebehy napätia a prúdu FET, diódy a induktora v režime CCM v asynchrónnych zvyšujúcich meničoch.

Buck boost menič

Znižovací a zvyšujúci menič je kombináciou znižujúcich a zvyšujúcich výkonových stupňov, ktoré zdieľajú rovnaký induktor.

Pozrite si obrázok 15.

Obrázok 15: Schéma duálneho spínacieho buck-boost meniča

Topológia buck-boost je veľmi praktická, pretože vstupné napätie môže byť menšie, väčšie alebo rovnaké ako výstupné napätie a vyžaduje výstupný výkon väčší ako 50 W.

Pre výstupný výkon menší ako 50 W je jednopólový menič s primárnou induktorovou cievkou (SEPIC) nákladovo efektívnejšou voľbou, pretože používa menej komponentov.

Keď je vstupné napätie vyššie ako výstupné napätie, menič so znižujúcim a zvyšujúcim napätím pracuje v režime znižovania; keď je vstupné napätie nižšie ako výstupné napätie, pracuje v režime zvyšovania. Keď menič pracuje v prenosovej oblasti, kde je vstupné napätie v rozsahu výstupného napätia, existujú dva koncepty na riešenie týchto situácií: buď sú stupne znižovania a zvyšovania aktívne súčasne, alebo sa spínací cyklus strieda medzi stupňami znižovania a zvyšovania, pričom každý typicky pracuje na polovici normálnej spínacej frekvencie. Druhý koncept môže spôsobiť subharmonický šum na výstupe a v porovnaní s konvenčnými operáciami so znižujúcim alebo zvyšujúcim napätím nemusí byť presnosť výstupného napätia taká presná, ale v porovnaní s prvým konceptom bude menič efektívnejší.

Topológia buck-boost má impulzné prúdy na vstupe aj na výstupe, pretože v žiadnom smere nie je LC filter.

Pre meniče typu buck-boost je možné na výpočet použiť samostatne stupne buck-boost a boost.

Zvyšujúci a zvyšujúci menič s dvoma prepínačmi je vhodný pre výkonový rozsah medzi 50 W a 100 W (napríklad LM5118) a synchrónny usmerňovací výkon môže dosiahnuť 400 W (rovnako ako LM5175). Odporúča sa použiť synchrónny usmerňovač s rovnakým obmedzením prúdu ako nekonjugované znižujúce a zvyšujúce výkonové stupne.

Pre zvyšujúci stupeň je potrebné navrhnúť kompenzačnú sieť pre zosilňovací menič, pretože RHPZ obmedzí šírku pásma regulátora.

Bežné základné topologické štruktúry

■ Zníženie napätia buck

■Zvýšenie Zvýšenie

■Zníženie napätia Buck Boost

■Spätný let Spätný let

■Vpred Vpred

■Dva transformátorové dopredné s dvojitým tranzistorom dopredu

■Tlačiť a ťahať

■Polovičný most Polovičný most

■Celý mostík

■ SEPIC

■ C'uk

1. Základný priebeh modulácie šírky impulzu

Tieto topologické štruktúry súvisia s obvodmi s prepínaným režimom a základný priebeh modulácie šírky impulzu je definovaný takto:

2, Buck

Charakteristika:

■ Znížte vstupné napätie.

■ Môže to byť najjednoduchší obvod.

■ Induktor/kondenzátorový filter po prepnutí sploští obdĺžnikový priebeh.

■ Výstup je vždy menší alebo rovný vstupu.

■ Vstupný prúd je nespojitý (sekanie).

Hladký výstupný prúd.

3. Zvýšenie

Charakteristika:

■ Zvýšte vstupné napätie.

■Podobné ako pri redukcii napätia, ale s preusporiadanými cievkami, spínačmi a diódami.

■ Výstup je vždy väčší alebo rovný vstupu (pri zanedbaní úbytku napätia v priepustnom smere na dióde).

■ Plynulý vstupný prúd.

■ Nespojitý výstupný prúd (sekanie).

4. Buck-Boost

Charakteristika:

■Ďalšia metóda usporiadania induktorov, spínačov a diód.

■Kombinácia nevýhod znižujúcich aj zvyšujúcich obvodov.

■ Vstupný prúd je nespojitý (sekanie).

■ Výstupný prúd je tiež nespojitý (sekanie).

■ Výstup je vždy opačný ako vstup (všimnite si polaritu kondenzátora), ale amplitúda môže byť menšia alebo väčšia ako vstup.

■ „Flyback“ menič má v skutočnosti formu izolačného obvodu so znižujúcim a zvyšujúcim napätím (transformátorová väzba).

5. Spätný let

Charakteristika:

■Funguje to ako obvod so znižujúcim a zvyšujúcim napätím, ale induktor má dve vinutia, ktoré fungujú ako transformátor aj induktor.

■ Výstup môže byť kladný alebo záporný, čo je určené polaritou cievky a diódy.

■ Výstupné napätie môže byť väčšie alebo menšie ako vstupné napätie, čo je určené pomerom závitov transformátora.

■Toto je najjednoduchšia izolovaná topologická štruktúra.

■ Pridanie sekundárnych vinutí a obvodov môže viesť k viacerým výstupom.

6, Vpred

Charakteristika:

■ Transformátorová väzbová forma znižovacieho obvodu.

■ Nepravidelný vstupný prúd, plynulý výstupný prúd.

■Vďaka použitiu transformátorov môže byť výstup väčší alebo menší ako vstup a môže mať ľubovoľnú polaritu.

■ Pridaním sekundárnych vinutí a obvodov je možné získať viacero výstupov.

■Jadro transformátora musí byť demagnetizované počas každého spínacieho cyklu. Bežnou praxou je pridať vinutie s rovnakým počtom závitov ako primárne vinutie.

■Energia uložená v primárnom induktore počas fázy zapínania sa uvoľňuje cez ďalšie vinutia a diódy počas fázy vypínania.

7. Dvojtranzistorový dopredný prevod

Charakteristika:

■ Dva spínače pracujú súčasne.

■ Keď je spínač odpojený, energia uložená v transformátore obráti polaritu primárneho vinutia, čo spôsobí, že dióda bude viesť.

Hlavné výhody:

■ Napätie na každom spínači nikdy neprekročí vstupné napätie.

■ Nie je potrebné prestavovať navíjaciu koľaj.

8, Tlak-ťah

Charakteristika:

■ Spínač (FET) riadi rôzne fázy a vykonáva pulznú šírkovú moduláciu (PWM) na reguláciu výstupného napätia.

■Dobrá miera využitia magnetických jadier transformátora - prenosový výkon v oboch polperiódach.

■Štruktúra s plnou vlnovou topológiou, takže výstupná frekvencia zvlnenia je dvojnásobkom frekvencie transformátora.

■ Napätie privádzané na FET je dvojnásobkom vstupného napätia.

9. Polovičný mostík

Charakteristika:

■ Topologická štruktúra bežne používaná vo vysokovýkonných meničoch.

■ Spínač (FET) riadi rôzne fázy a vykonáva pulznú šírkovú moduláciu (PWM) na reguláciu výstupného napätia.

■ Dobrá miera využitia magnetických jadier transformátora - prenosový výkon v oboch polperiódach. ■ Okrem toho je miera využitia primárneho vinutia lepšia ako v prípade push-pull obvodu.

■Štruktúra s plnou vlnovou topológiou, takže výstupná frekvencia zvlnenia je dvojnásobkom frekvencie transformátora.

■ Napätie privádzané na FET sa rovná vstupnému napätiu.

10. Full-Bridge

Charakteristika:

■Najčastejšie používaná topologická štruktúra pre meniče s vysokým výkonom.

■ Spínače (FET) sú riadené v diagonálnych pároch a na reguláciu výstupného napätia sa vykonáva pulzná šírková modulácia (PWM).

■Dobrá miera využitia magnetických jadier transformátora - prenosový výkon v oboch polperiódach.

■Štruktúra s plnou vlnovou topológiou, takže výstupná frekvencia zvlnenia je dvojnásobkom frekvencie transformátora.

■ Napätie privádzané na FETy sa rovná vstupnému napätiu.

■Pri danom výkone je primárny prúd polovičný oproti polovičnému mostíku.

11. SEPIC Jednostranný menič primárnej induktorovej cievky (SEPIC)

Charakteristika:

■ Výstupné napätie môže byť väčšie alebo menšie ako vstupné napätie.

■ Podobne ako v prípade zosilňovacieho obvodu je vstupný prúd plynulý, ale výstupný prúd je nespojitý.

■Energia sa prenáša zo vstupu na výstup cez kondenzátory.

■Vyžadujú sa dve cievky.

12. C'uk (patent Slobodana C'uka)

Charakteristika:

■Výstup v obrátenej fáze.

■ Amplitúda výstupného napätia môže byť väčšia alebo menšia ako vstupné.

■ Vstupný aj výstupný prúd sú plynulé.

■Energia sa prenáša zo vstupu na výstup cez kondenzátory.

■Vyžadujú sa dve cievky.

■ Indukčnosť sa môže spojiť, aby sa dosiahlo nulové zvlnenie induktorového prúdu.

13. Podrobnosti o prevádzke obvodu

■ Nasledujúci text vysvetľuje pracovné detaily niekoľkých topologických štruktúr:

■Regulátor napätiaspojité vedenie, kritické vedenie, diskontinuálne vedenie.

■ Regulátor zvyšovania teploty (kontinuálne vedenie).

■ Prevádzka transformátora.

■ flyback transformátor.

■ Transformátor v priamom smere.

14. Regulátor napätia Buck s kontinuálnym vedením

Charakteristika:

■ Prúd induktorom je spojitý.

■Vout je priemerná hodnota jeho vstupného napätia (V1).

■ Výstupné napätie je súčinom vstupného napätia a zaťažovacieho pomeru spínača (D).

■ Po pripojení prúd induktora vyteká z batérie.

■Keď je spínač vypnutý, prúd preteká diódou.

■ Ak zanedbáme straty v spínačoch a induktoroch, D je nezávislé od zaťažovacieho prúdu.

■ Charakteristiky regulátora napätia a jeho odvodených obvodov sú:

■ Vstupný prúd je nespojitý (sekanie), výstupný prúd je spojitý (vyhladzovanie).

15. Kritická vodivosť regulátora napätia Buck

■ Prúd induktorom je stále spojitý, ale po opätovnom zapnutí spínača dosiahne nulu, čo sa nazýva „kritická vodivosť“. Výstupné napätie sa stále rovná vstupnému napätiu vynásobenému D.

16. Spúšťací regulátor napätia s prerušovaným vedením

■ V tomto prípade je prúd v induktore nulový po určitý čas v každom cykle.

■ Výstupné napätie zostáva (vždy) na priemernej hodnote v1.

■ Výstupné napätie nie je súčinom vstupného napätia a zaťažovacieho pomeru spínača (D).

■ Keď je záťažový prúd pod kritickou hodnotou, D sa mení s záťažovým prúdom (zatiaľ čo Vout zostáva konštantný).

17. Regulátor plniaceho tlaku

■ Výstupné napätie je vždy väčšie (alebo rovné) vstupnému napätiu.

■ Nepretržitý vstupný prúd, nespojitý výstupný prúd (oproti regulátoru napätia).

■ Vzťah medzi výstupným napätím a zaťažovacím pomerom (D) nie je taký jednoduchý ako v regulátore napätia. V prípade kontinuálnej vodivosti:

V tomto príklade Vin = 5, Vout = 15 a D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.

18. Prevádzka transformátora (vrátane úlohy primárnej indukčnosti)

■ Transformátor sa považuje za ideálny transformátor, ktorého primárna (magnetizovaná) indukčnosť je zapojená paralelne s primárnym vinutím.

19. Flyback transformátor

■ Primárna indukčnosť je tu veľmi nízka a používa sa na určenie špičkového prúdu a uloženej energie. Keď je primárny spínač vypnutý, energia sa prenáša do sekundárneho vinutia.

20. Transformátor s priamym prevodníkom

■ Primárna indukčnosť je vysoká, pretože nie je potrebné akumulovať energiu.

Magnetizačný prúd (i1) tečie do „magnetizačnej cievky“, čo spôsobuje demagnetizáciu magnetického jadra (spätné napätie) po vypnutí primárneho spínača.

Zhrnutie

■ Tento článok sa zaoberá najbežnejšími topológiami obvodov pri premene výkonu v režime spínania prúdu.

■ Existuje mnoho ďalších topologických štruktúr, ale väčšina z nich sú kombináciami alebo variáciami topológie opísanej tu.

■ Každá topologická štruktúra obsahuje jedinečné návrhové kompromisy:

1) Napätie privedené na spínač

2) Sekanie a vyhladzovanie vstupných a výstupných prúdov

3) Miera využitia vinutia

■ Výber optimálnej topológie si vyžaduje výskum v oblastiach:

1) Rozsah vstupného a výstupného napätia

2) Aktuálny rozsah

3) Pomer ceny a výkonu, veľkosti a hmotnosti