W poprzedniej części tego cyklu prezentowaliśmy podstawowe parametry przetwornic impulsowych oraz różne architektury tego rodzaju układów, wskazując jednocześnie, jak parametry projektowe pomagają nam wybrać odpowiednią topologię układu. W poniższej, trzeciej części, omówimy trzy często używane topologie przetwornic - buck, boost oraz buck-boost.
Przetwornice typu buck
Na rysunku 1 pokazano schemat asynchronicznej przetwornicy typu buck. Przetwornica tego rodzaju, jest układem step-down, to jest zmniejszającym napięcie wejściowe, do wyjściowego. Energia przekazywana jest z wejścia układu na wyjście, gdy tranzystor Q1 przewodzi.
Rys.1. Uproszczony schemat przetwornicy typu buck.
Równanie 1 pozwala obliczyć wypełnienie impulsów PWM.
$$D = frac {V_{OUT} + V_f} {V_{IN} + V_f} (1)$$
Równanie dwa pozwala z kolei wyznaczyć, jakie będzie maksymalne napięcie na tranzystorze polowym Q1.
$$V_{Q1} = V_{in} + V_f (2)$$
Analogicznie, równanie 3 pozwala na wyznaczenie maksymalnego napięcia na diodzie D1.
$$V_{D1} = V_{in} (3)$$
gdzie Vin to napięcie wejściowe, Vout to napięcie wyjściowe, a Vf to napięcie przewodzenia diody (spadek napięcia w kierunku przewodzenia).
Im większa jest różnica między napięciem wejściowym a napięciem wyjściowym, tym większa jest sprawność przetwornicy w porównaniu do zwykłego stabilizatora liniowego lub układu LDO.
Podczas gdy przetwornica typu buck powoduje pulsację prądu na wejściu, napięcie wyjściowe jest z kolei stabilne, dzięki filtrowi LC umieszczonemu na wyjściu konwertera. W rezultacie tętnienie napięcia odbite na wejściu będzie większe w porównaniu z tętnieniem na wyjściu.
W przypadku przetwornic z małym współczynnikiem wypełnienia i prądami wyjściowymi większymi niż 3 A zaleca się stosowanie prostownika synchronicznego. Jeśli projektowany zasilacz wymaga prądów wyjściowych większych niż 30 A, zaleca się z kolei układ wielofazowy z wieloma stopniami mocy, ponieważ minimalizuje to obciążenie komponentów, rozkłada generowane ciepło na wiele układów i redukuje tętnienia odbijane na wejście konwertera.
Ograniczenia wypełnienia impulsów mogą wystąpić podczas korzystania z tranzystorów FET z kanałem typu N, ponieważ kondensator bootstrap musi być ładowany w każdym cyklu przełączania. W tym przypadku maksymalne wypełnienie impulsów kluczujących napięcie wynosi około 95-99%.
Przetwornice typu buck mają na ogół dobre parametry dynamiczne, ponieważ reprezentują topologię "przednią" (forward). Osiągalna szerokość pasma sprzężenia zwrotnego zależy od jakości wzmacniacza błędu i wybranej częstotliwości przełączania.
Rysunki od 2 do 7 przedstawiają przebiegi napięcia i prądu w trybie przewodzenia ciągłego (CCM) dla tranzystora FET, diody i cewki w asynchronicznym konwerterze typu buck, jaki tutaj omówiliśmy.
Przetwornica typu boost
Tego rodzaju przetwornica to układ typu step-up, czyli z napięciem wyjściowym wyższym niż napięcie na wejściu układu. W przetwornicy o tej topologii, energia na wyjście przekazywana jest w momencie, gdy klucz Q1 jest rozwarty. Na rysunku 8 pokazano uproszczony schemat asynchronicznej przetwornicy o takiej topologii.
Rys.8. Uproszczony schemat przetwornicy o topologii boost.
Równanie 4 pozwala na wyliczenie wypełnienia impulsów PWM.
$$D = frac {V_{OUT} + V_f - V_{IN}} {V_{OUT} + V_f} (4)$$
Równanie 5 opisuje, jakie będzie maksymalne napięcie na tranzystorze MOSFET, pracującym jako klucz w tym układzie, a równanie 6 wyznacza analogiczne napięcie dla diody D1.
$$V_{Q1} = V_{out} + V_f (5)$$
$$V_{D1} = V_{out} (6)$$
gdzie Vin jest napięciem wejściowym, Vout jest napięciem wyjściowym, a Vf to spadek napięcia w kierunku przewodzenia na diodzie D1.
W przetwornicy o topologii boost można zaobserwować tętnienia prądu na wyjściu, ponieważ filtr LC znajduje się na wejściu układu. Zatem prąd wejściowy jest ciągły, a tętnienie napięcia obserwowane na wyjściu jest istotnie większe niż tętnienie na wejściu układu.
Przy projektowaniu przetwornicy podwyższającej napięcie ważne jest, aby wiedzieć, że istnieje cały czas stałe połączenie między wejściem a wyjściem, nawet gdy konwerter nie pracuje. Oznacza to, że trzeba zabezpieczyć układ na wypadek zwarcia wyjścia.
Dla prądów wyjściowych większych niż 4 A należy wymienić diodę w układzie na prostownik synchroniczny. W przypadku, gdy zasilacz musi zapewniać prądy wyjściowe większe niż 10 A, zdecydowanie zaleca się rozwiązania wielofazowe lub z przeplotem podczas projektowania stopnia mocy.
Podczas pracy w trybie CCM dynamiczne zachowanie konwertera step-up jest ograniczone ze względu na prawe zero płaszczyzny (RHPZ) jego funkcji przenoszenia. Ponieważ RHPZ nie może być skompensowane, osiągalna szerokość pasma będzie zazwyczaj mniejsza niż ok. jedna piąta do jednej dziesiątej tej częstotliwości. RHPZ opisane jest równanie 7.
$$f_{RHPZ} = frac {V_{OUT} times (1-D)^2} {2 times pi times L_1 times L_{OUT}} (7)$$
gdzie Vout to napięcie wyjściowe, D to wypełnienie impulsów, Iout to prąd wyjściowy, a L1 to indukcyjność przetwornicy boost.
Rysunki od 9 do 14 pokazują przebiegi napięcia i prądu w trybie CCM dla tranzystora FET, diody i cewki w asynchronicznej przetwornicy boost.
Przetwornica typu buck-boost
Topologia buck-boost jest połączeniem dwóch powyższych architektur przetwornic impulsowych, które współdzielą indukcyjność. Uproszczony schemat tego rodzaju przetwornicy pokazany jest na rysunku 15.
Rys.15 Schemat przetwornicy buck-boost z dwoma kluczamiu.
Topologia buck-boost jest niezwykle użyteczna, ponieważ napięcie wejściowe może być mniejsze, większe lub równe napięciu wyjściowemu. Moc wyjściowa układu powinna być wyższa niż 50 W. Dla mocy mniejszej niż 50 W, pojedyncza przetwornica SEPIC jest bardziej opłacalnym wyborem, ponieważ wykorzystuje mniej komponentów.
Przetwornica typu buck-boost działa w trybie buck, gdy napięcie wejściowe jest większe niż napięcie, jakie ma być na wyjściu układu, a w trybie boost dla napięć wejściowych mniejszych niż napięcie wyjściowe. Gdy napięcie wejściowe mieści się w zakresie dopuszczalnego napięcia wyjściowego układ pracować może dwojako albo stopień buck i boost są aktywne w tym samym czasie, albo cykle przełączania zmieniają się między stopniami buck i boost, z których każdy zwykle pracuje z połową regularnej częstotliwości przełączania. Drugie podejście powoduje powstawanie większego szumu na wyjściu, a dodatkowo precyzja napięcia wyjściowego może być nieco niższa w porównaniu do zwykłego działania układów buck albo boost, jednakże w takim trybie układ wykazuje się lepszą sprawnością energetyczną.
Topologia buck-boost charakteryzuje się tętnieniem prądu tak na wejściu, jak i na wyjściu, ponieważ układ taki nie posiada filtra LC skierowanego w żadnym z tych kierunków.
Przetwornice o topologii buck-boost z dwoma kluczami nadają się do stosowania w zakresie od 50 W do 100 W mocy wyjściowej, a z możliwością synchronicznego prostowania nawet do 400 W. Prostownik synchroniczny do tego układu dobiera się tak samo jak dla układów buck albo boost.
Dodatkowo, dla topologii buck-boost zaprojektować trzeba stopień kompensujący, z uwagi na ograniczenie pasma regulatora przez część boost.
W kolejnej części omówimy wady i zalety układów o topologii SEPIC oraz Zeta.
Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2017/07/20/how-to-approach-a-power-supply-design-part-3[/quote]
Przetwornice typu buck
Na rysunku 1 pokazano schemat asynchronicznej przetwornicy typu buck. Przetwornica tego rodzaju, jest układem step-down, to jest zmniejszającym napięcie wejściowe, do wyjściowego. Energia przekazywana jest z wejścia układu na wyjście, gdy tranzystor Q1 przewodzi.
Rys.1. Uproszczony schemat przetwornicy typu buck.
Równanie 1 pozwala obliczyć wypełnienie impulsów PWM.
$$D = frac {V_{OUT} + V_f} {V_{IN} + V_f} (1)$$
Równanie dwa pozwala z kolei wyznaczyć, jakie będzie maksymalne napięcie na tranzystorze polowym Q1.
$$V_{Q1} = V_{in} + V_f (2)$$
Analogicznie, równanie 3 pozwala na wyznaczenie maksymalnego napięcia na diodzie D1.
$$V_{D1} = V_{in} (3)$$
gdzie Vin to napięcie wejściowe, Vout to napięcie wyjściowe, a Vf to napięcie przewodzenia diody (spadek napięcia w kierunku przewodzenia).
Im większa jest różnica między napięciem wejściowym a napięciem wyjściowym, tym większa jest sprawność przetwornicy w porównaniu do zwykłego stabilizatora liniowego lub układu LDO.
Podczas gdy przetwornica typu buck powoduje pulsację prądu na wejściu, napięcie wyjściowe jest z kolei stabilne, dzięki filtrowi LC umieszczonemu na wyjściu konwertera. W rezultacie tętnienie napięcia odbite na wejściu będzie większe w porównaniu z tętnieniem na wyjściu.
W przypadku przetwornic z małym współczynnikiem wypełnienia i prądami wyjściowymi większymi niż 3 A zaleca się stosowanie prostownika synchronicznego. Jeśli projektowany zasilacz wymaga prądów wyjściowych większych niż 30 A, zaleca się z kolei układ wielofazowy z wieloma stopniami mocy, ponieważ minimalizuje to obciążenie komponentów, rozkłada generowane ciepło na wiele układów i redukuje tętnienia odbijane na wejście konwertera.
Ograniczenia wypełnienia impulsów mogą wystąpić podczas korzystania z tranzystorów FET z kanałem typu N, ponieważ kondensator bootstrap musi być ładowany w każdym cyklu przełączania. W tym przypadku maksymalne wypełnienie impulsów kluczujących napięcie wynosi około 95-99%.
Przetwornice typu buck mają na ogół dobre parametry dynamiczne, ponieważ reprezentują topologię "przednią" (forward). Osiągalna szerokość pasma sprzężenia zwrotnego zależy od jakości wzmacniacza błędu i wybranej częstotliwości przełączania.
Rysunki od 2 do 7 przedstawiają przebiegi napięcia i prądu w trybie przewodzenia ciągłego (CCM) dla tranzystora FET, diody i cewki w asynchronicznym konwerterze typu buck, jaki tutaj omówiliśmy.
Przetwornica typu boost
Tego rodzaju przetwornica to układ typu step-up, czyli z napięciem wyjściowym wyższym niż napięcie na wejściu układu. W przetwornicy o tej topologii, energia na wyjście przekazywana jest w momencie, gdy klucz Q1 jest rozwarty. Na rysunku 8 pokazano uproszczony schemat asynchronicznej przetwornicy o takiej topologii.
Rys.8. Uproszczony schemat przetwornicy o topologii boost.
Równanie 4 pozwala na wyliczenie wypełnienia impulsów PWM.
$$D = frac {V_{OUT} + V_f - V_{IN}} {V_{OUT} + V_f} (4)$$
Równanie 5 opisuje, jakie będzie maksymalne napięcie na tranzystorze MOSFET, pracującym jako klucz w tym układzie, a równanie 6 wyznacza analogiczne napięcie dla diody D1.
$$V_{Q1} = V_{out} + V_f (5)$$
$$V_{D1} = V_{out} (6)$$
gdzie Vin jest napięciem wejściowym, Vout jest napięciem wyjściowym, a Vf to spadek napięcia w kierunku przewodzenia na diodzie D1.
W przetwornicy o topologii boost można zaobserwować tętnienia prądu na wyjściu, ponieważ filtr LC znajduje się na wejściu układu. Zatem prąd wejściowy jest ciągły, a tętnienie napięcia obserwowane na wyjściu jest istotnie większe niż tętnienie na wejściu układu.
Przy projektowaniu przetwornicy podwyższającej napięcie ważne jest, aby wiedzieć, że istnieje cały czas stałe połączenie między wejściem a wyjściem, nawet gdy konwerter nie pracuje. Oznacza to, że trzeba zabezpieczyć układ na wypadek zwarcia wyjścia.
Dla prądów wyjściowych większych niż 4 A należy wymienić diodę w układzie na prostownik synchroniczny. W przypadku, gdy zasilacz musi zapewniać prądy wyjściowe większe niż 10 A, zdecydowanie zaleca się rozwiązania wielofazowe lub z przeplotem podczas projektowania stopnia mocy.
Podczas pracy w trybie CCM dynamiczne zachowanie konwertera step-up jest ograniczone ze względu na prawe zero płaszczyzny (RHPZ) jego funkcji przenoszenia. Ponieważ RHPZ nie może być skompensowane, osiągalna szerokość pasma będzie zazwyczaj mniejsza niż ok. jedna piąta do jednej dziesiątej tej częstotliwości. RHPZ opisane jest równanie 7.
$$f_{RHPZ} = frac {V_{OUT} times (1-D)^2} {2 times pi times L_1 times L_{OUT}} (7)$$
gdzie Vout to napięcie wyjściowe, D to wypełnienie impulsów, Iout to prąd wyjściowy, a L1 to indukcyjność przetwornicy boost.
Rysunki od 9 do 14 pokazują przebiegi napięcia i prądu w trybie CCM dla tranzystora FET, diody i cewki w asynchronicznej przetwornicy boost.
Przetwornica typu buck-boost
Topologia buck-boost jest połączeniem dwóch powyższych architektur przetwornic impulsowych, które współdzielą indukcyjność. Uproszczony schemat tego rodzaju przetwornicy pokazany jest na rysunku 15.
Rys.15 Schemat przetwornicy buck-boost z dwoma kluczamiu.
Topologia buck-boost jest niezwykle użyteczna, ponieważ napięcie wejściowe może być mniejsze, większe lub równe napięciu wyjściowemu. Moc wyjściowa układu powinna być wyższa niż 50 W. Dla mocy mniejszej niż 50 W, pojedyncza przetwornica SEPIC jest bardziej opłacalnym wyborem, ponieważ wykorzystuje mniej komponentów.
Przetwornica typu buck-boost działa w trybie buck, gdy napięcie wejściowe jest większe niż napięcie, jakie ma być na wyjściu układu, a w trybie boost dla napięć wejściowych mniejszych niż napięcie wyjściowe. Gdy napięcie wejściowe mieści się w zakresie dopuszczalnego napięcia wyjściowego układ pracować może dwojako albo stopień buck i boost są aktywne w tym samym czasie, albo cykle przełączania zmieniają się między stopniami buck i boost, z których każdy zwykle pracuje z połową regularnej częstotliwości przełączania. Drugie podejście powoduje powstawanie większego szumu na wyjściu, a dodatkowo precyzja napięcia wyjściowego może być nieco niższa w porównaniu do zwykłego działania układów buck albo boost, jednakże w takim trybie układ wykazuje się lepszą sprawnością energetyczną.
Topologia buck-boost charakteryzuje się tętnieniem prądu tak na wejściu, jak i na wyjściu, ponieważ układ taki nie posiada filtra LC skierowanego w żadnym z tych kierunków.
Przetwornice o topologii buck-boost z dwoma kluczami nadają się do stosowania w zakresie od 50 W do 100 W mocy wyjściowej, a z możliwością synchronicznego prostowania nawet do 400 W. Prostownik synchroniczny do tego układu dobiera się tak samo jak dla układów buck albo boost.
Dodatkowo, dla topologii buck-boost zaprojektować trzeba stopień kompensujący, z uwagi na ograniczenie pasma regulatora przez część boost.
W kolejnej części omówimy wady i zalety układów o topologii SEPIC oraz Zeta.
Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2017/07/20/how-to-approach-a-power-supply-design-part-3[/quote]
Cool? Ranking DIY
