Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: jak zwiększyć sprawność przetwornicy?

ghost666 01 Maj 2018 22:28 2349 3
  • Rzadko zadawane pytania: jak zwiększyć sprawność przetwornicy?
    Pytanie: Jak zwiększyć sprawność przetwornicy, zasilanej wysokim napięciem z niskim napięciem wyjściowym?

    Odpowiedź: Istnieje wiele rozwiązań dla aplikacji, gdzie dosyć wysokie napięcie zasila przetwornicę stabilizującą znacznie niższe napięcie zasilania. Jednym z ciekawszych przypadków jest stabilizacja napięcia 3,3 V w systemach zasilanych z linii DC 48 V. Tego rodzaju architektura jest często spotykana w systemach teleinformatycznych i telekomunikacyjnych.

    Rzadko zadawane pytania: jak zwiększyć sprawność przetwornicy?
    Rys.1. Zasilacz 3,3 V zasilany napięciem 48 V. Przetwarzanie napięcia zrealizowane w jednym kroku.


    Jeśli wykorzystamy w takim układzie przetwornik step-down typu buck, to problemem układu pokazanego na rysunku 1 jest konieczność pracy z impulsami z niewielkim wypełnieniem. Wypełnienie impulsu (czas, w którym klucz przewodzi) jest wprost proporcjonalne do stosunku napięcia wyjściowego do wejściowego, tak jak zapisano w poniższym równaniu:

    $$D = \frac {V_{OUT}} {V_{IN}}$$ (1)


    Przy napięciu wejściowym równym 48 V i napięciu wyjściowym równym 3,3 V wypełnienie wyniesie zaledwie 7%. Oznacza to, że przy częstotliwości przełączania tranzystora w układzie, wynoszącej 1 MHz (1000 ns okresu) Q1 załączony będzie jedynie przez około 70 ns, a wyłączony przez 930 ns. Q2 odwrotnie - 70 ns wyłączony i 930 ns włączony.

    Aby układ taki poprawnie działał, konieczne jest zastosowanie przetwornicy impulsowej, która pracować może z minimalnym czasem załączania tranzystora na poziomie 70 ns lub mniej. Nawet jeżeli dobierzemy taki układ, to pozostaje inny problem - przy małych wypełnieniach impulsów przetwornice pracują z zmniejszoną sprawnością. Wynika to z faktu, że indukcyjność ładowana jest przez bardzo krótki okres czasu, a zgromadzona energia musi być na tyle długa, by starczyła na zasilanie systemu przez pozostałe 930 ns. Oznacza to, że konieczne jest przełączanie dużych prądów. Aby zmniejszyć prąd płynący przez tranzystor, można zwiększyć wartość indukcyjności L1.





    Wynika to z faktu, że podczas gdy klucz jest załączony na L1 (patrz rysunek 1) występuje duże napięcie. W omawianym przykładzie jest to około 44,7 V. Prąd indukcyjności obliczyć można wykorzystując poniższy wzór:

    $$i_L = \frac {1} {L} \int u_L dt$$ (2)


    Jeżeli na daną indukcyjność podamy wysokie napięcie, to w ustalonym czasie otrzymujemy ustalony wzrost prądu. By zmniejszyć szczytowy prąd płynący przez cewkę, konieczne jest zwiększenie wartości jej indukcyjności. Niestety, im większa wartość indukcyjności, tym większe straty w układzie.

    Dla warunków opisanych powyżej, wydajna przetwornica w postaci mikromodułu LTM8027 firmy Analog Devices osiąga sprawność na poziomie jedynie 80% przy poborze prądu na poziomie 4 A.

    Jednym ze sposobów zwiększenia sprawność tego rodzaju systemu jest dodanie napięcia pośredniego. W takim układzie dwie przetwornice łączone są ze sobą kaskadowo, Wykorzystuje się takie same przetwornice step-down typu buck jak w pierwszym przypadku, ale łączy się je jedna za drugą jak pokazano na rysunku 2.

    Rzadko zadawane pytania: jak zwiększyć sprawność przetwornicy?
    Rys.2. Konwersja z napięcia 48 V do 3,3 V z pośrednik krokiem na 12 V.


    Pierwsza przetwornica generuje z wejściowych 48 V napięcie pośrednie 12 V. Druga przetwornica z 12 V generuje napięcie 3,3 V do zasilania systemu. Jeśli wykorzystamy tutaj dwa moduły LTM8027, to będą miały one sprawność konwersji na poziomie, odpowiednio 92% dla przetwornicy 12 V i 90% dla przetwornicy 3,3 V. Wynikowa sprawność szeregowo połączonych przetwornic wynosi 83% - o 3% więcej niż w przypadku pojedynczej przetwornicy, jak pokazano na rysunku 1.

    Wynik ten może być całkiem zaskakujący - dodanie drugiej, szeregowo podłączonej przetwornicy zwiększyło sprawność - to nie jest coś, co podpowiada intuicja, jednakże w tego rodzaju przypadkach, jak omówiony tutaj, jest zupełnie prawdziwe - wynika to z wielkości prądów induktora, jakie płyną przez układ w momencie, gdy musi on pracować z tak krótkimi impulsami jak dla tak dużej różnicy napięć pomiędzy wejściem a wyjściem.

    Oczywiście, analizując i projektując system z dwoma, kaskadowo połączonymi przetwornicami, konieczne jest rozważenie większej ilości niż tylko sprawność energetyczna, której poświęcono powyższy tekst.

    Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-149.html


    Fajne!
  • #2 10 Maj 2018 11:43
    ukixx
    Poziom 19  

    Jak dla mnie to wydajność się w tym przypadku nie zmienia, dalej będzie te 4A, tylko sprawność z 80% wzrośnie na 83%. Tylko nie wiem jaki jest sens budowania takiej kaskady skoro można wstawić transformator w topologii forward zostawiając prostownik synchroniczny i pracując na wyższym wypełnieniu uzyskać sprawność rzędu 90%.

  • #3 10 Maj 2018 12:23
    timo66
    Poziom 22  

    Bo problem jest nie w wydajności, a w błędnym tytule. Powinno być sprawność ..

  • #4 10 Maj 2018 12:33
    ghost666
    Tłumacz Redaktor