Erkläert d'Topologie vun der Schaltmodus-Stroumversuergung an engem Artikel

D'Schaltungstopologie bezitt sech op d'Verbindung tëscht Stroumversuergungsapparater an elektromagnetesche Komponenten an engem Schaltkrees, während den Design vu magnesche Komponenten, zougemaachte Kompensatiounsschaltkreesser an all aner Schaltkreeskomponenten vun der Topologie ofhänkt. Déi elementarst Topologien sinn Buck, Boost a Buck/Boost, Single-Ended Flyback (isoléiert Flyback), Forward, Push-Pull, Hallefbréck a Vollbréckwandler. Et gëtt ongeféier 14 üblech Topologien fir Schaltmodus-Stroumversuergungen, all mat hiren eegenen Charakteristiken an uwendbare Szenarien. De Selektiounsprinzip hänkt dovun of, ob et sech ëm héich oder niddreg Leeschtung, héich oder niddreg Spannungsausgang handelt, an ob et sou wéineg Komponenten wéi méiglech erfuerdert. Et ass ganz wichteg, eng Topologie entspriechend ze wielen a mat de Virdeeler, Nodeeler an der Uwendung vu verschiddenen Topologien vertraut ze sinn. Falsch Wiel féiert zwangsleefeg zu engem Echec vum Stroumversuergungsdesign vun Ufank un.

An dësem Artikel wäerte mir eis mat Step-Down-, Step-Up- a Step-Down-Step-Up-Topologien aus verschiddene Perspektiven beschäftegen.

Buck-Konverter

Figur 1 ass e schematescht Diagramm vun engem asynchrone Buck-Konverter. De Buck-Konverter reduzéiert seng Inputspannung op eng méi niddreg Ausgangsspannung. Wann de Schalter Q1 ageschalt ass, gëtt Energie op den Ausgangsterminal iwwerdroen.

Figur 1: Schematescht Diagramm vun engem asynchrone Buck-Konverter

Formel 1 berechent den Duty Cycle:

Formel 2 berechent déi maximal Spannung vun engem Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET):

Formel 3 liwwert déi maximal Diodenspannung:

Vin ass d'Inputspannung, Vout ass d'Outputspannung an Vf ass d'Virwärtsspannung vun der Diod.

Am Verglach mat lineare Reguléierer oder Low-Dropout-Reguléierer (LDOs), wat méi grouss den Ënnerscheed tëscht der Inputspannung an der Outputspannung ass, wat méi héich d'Effizienz vum Buck-Konverter ass.

Obwuel de Buck-Konverter en Pulsstroum um Input huet, ass den Ausgangsstroum kontinuéierlech wéinst der Präsenz vun engem Induktiounskondensatorfilter (LC) um Ausgang vum Konverter. Dofir ass d'Spannungswelle, déi um Input-Terminal reflektéiert gëtt, méi grouss am Verglach mat der Welle um Ausgang.

Fir Buck-Konverter mat klenge Duty Cycles an Ausgangsstréim vu méi wéi 3A ass et recommandéiert, synchron Gleichrichter ze benotzen. Wann Är Stroumversuergung en Ausgangsstroum vu méi wéi 30A erfuerdert, ass et recommandéiert, méiphaseg oder verschaltet Leeschtungsstufen ze benotzen, well dëst d'Komponentebelaaschtung miniméiere kann, d'Hëtzt tëscht verschiddene Leeschtungsstufen verdeele kann an d'Reflexiounswelle um Input vum Konverter reduzéiere kann.

Wann een en N-FET benotzt, ass den Duty Cycle limitéiert, well de Bootstrap-Kondensator a jiddwer Schaltzyklus nei gelueden muss ginn. An dësem Fall läit den maximalen Duty Cycle am Beräich vun 95-99%.

Buck-Konverter hunn typescherweis gutt dynamesch Charakteristiken, well se eng Forward-Topologiestruktur hunn. Déi erreechbar Bandbreet hänkt vun der Qualitéit vum Feelerverstärker an der gewielter Schaltfrequenz of.

D'Figuren 2 bis 7 weisen d'Spannungs- a Stroumwelleforme vum FET, der Diod an der Spul am kontinuéierleche Leitungsmodus (CCM) an asynchrone Buck-Konverter.

Boost-Konverter

De Boost-Konverter erhéicht seng Inputspannung op eng méi grouss Ausgangsspannung. Wann de Schalter Q1 net leetend ass, gëtt Energie op den Ausgangsterminal iwwerdroen. Figur 8 ass e schematescht Diagramm vun engem asynchrone Boost-Konverter.

Figur 8: Schematescht Diagramm vum asynchrone Boost-Konverter

Formel 4 berechent den Duty Cycle:

Formel 5 berechent déi maximal MOSFET-Spannung:

Formel 6 liwwert déi maximal Diodenspannung:

Vin ass d'Inputspannung, Vout ass d'Outputspannung an Vf ass d'Virwärtsspannung vun der Diod.

Mat Hëllef vun engem Boost-Konverter kann den Pulsausgangsstroum gesi ginn, well den LC-Filter um Input-Enn läit. Dofir ass den Input-Stroum kontinuéierlech, an d'Ausgangsspannungsrippel ass méi grouss wéi d'Inputspannungsrippel.

Beim Design vun engem Boost-Konverter ass et wichteg ze wëssen, datt et eng permanent Verbindung vum Input zum Output gëtt, och wann de Konverter net schalt. Präventiv Moossname musse getraff ginn, fir potenziell Kuerzschluss-Evenementer um Output-Enn ze vermeiden.

Fir Ausgangsstréim vu méi wéi 4A solle synchron Gleichrichter benotzt ginn, fir Dioden z'ersetzen. Wann d'Stroumversuergung en Ausgangsstroum vu méi wéi 10A muss liwweren, ass et staark recommandéiert, Méiphasen- oder Verleeëungsstufemethoden ze benotzen.

Beim Betrib am CCM-Modus sinn déi dynamesch Charakteristike vum Boost-Konverter wéinst dem Nullpunkt vun der rietser Hallefplane (RHPZ) vun senger Transferfunktioun limitéiert. Well den RHPZ net kompenséiere kann, ass déi erreechbar Bandbreet typescherweis manner wéi ee Fënneftel bis een Zéngtel vun der RHPZ-Frequenz.

Kuckt w.e.g. op d'Formel 7:

Dorënner ass Vout d'Ausgangsspannung, D ass den Duty Cycle, Iout ass den Ausgangsstroum an L1 ass d'Induktivitéit vum Boost-Konverter.

D'Figuren 9 bis 14 weisen d'Spannungs- a Stroumwelleforme vum FET, der Diod an der Spul am CCM-Modus an asynchrone Boost-Konverter.

Buck-Boost-Konverter

E Buck-Boost-Konverter ass eng Kombinatioun vu Buck- a Boost-Leeschtungsstufen, déi deeselwechten Induktor deelen.

Kuckt op Figur 15.

Figur 15: Schematescht Diagramm vun engem Buck-Boost-Konverter mat duebelem Schalter

D'Buck-Boost-Topologie ass ganz praktesch, well d'Inputspannung méi kleng, méi grouss oder d'selwecht wéi d'Outputspannung ka sinn, a brauch eng Ausgangsleistung vu méi wéi 50 W.

Fir eng Ausgangsleistung vu manner wéi 50 W ass e Single-Ended Primary Inductor Converter (SEPIC) eng méi käschtegënschteg Wiel, well e manner Komponenten benotzt.

Wann d'Inputspannung méi grouss ass wéi d'Outputspannung, funktionéiert de Buck-Boost-Konverter am Buck-Modus; wann d'Inputspannung méi niddreg ass wéi d'Outputspannung, funktionéiert en am Boost-Modus. Wann e Konverter am Transmissiounsberäich funktionéiert, wou d'Inputspannung am Ausputtspannungsberäich läit, ginn et zwou Konzepter fir mat dëse Situatiounen ëmzegoen: entweder sinn d'Buck- an d'Boost-Stufen gläichzäiteg aktiv, oder de Schaltzyklus wiesselt tëscht de Buck- an de Boost-Stufen, déi typescherweis mat der Halschent vun der normaler Schaltfrequenz funktionéieren. Dat zweet Konzept kann subharmonescht Geräischer um Ausgang verursaachen, an am Verglach mat konventionelle Buck- oder Boost-Operatiounen ass d'Genauegkeet vun der Ausputtspannung vläicht net sou präzis, awer am Verglach mam éischte Konzept ass de Konverter méi effizient.

D'Buck-Boost-Topologie huet Pulsstréim souwuel um Input- wéi och um Output-Enn, well et kee LC-Filter an zwou Richtungen gëtt.

Fir Buck-Boost-Konverter kënnen d'Buck- an d'Boost-Leeschtungsstufen separat fir d'Berechnung benotzt ginn.

De Buck-Boost-Konverter mat zwéi Schalter ass gëeegent fir e Leeschtungsberäich tëscht 50W an 100W (wéi z.B. LM5118), an d'Synchrongläichrichtungsleistung kann 400W erreechen (d'selwecht wéi LM5175). Et ass recommandéiert, e Synchrongläichrichter mat der selwechter Stroumbegrenzung wéi déi onkonjugéiert Buck- a Boost-Leeschtungsstufen ze benotzen.

Dir musst e Kompensatiounsnetz fir de Buck-Boost-Konverter fir d'Boost-Stuf entwéckelen, well den RHPZ d'Bandbreet vum Reguléierer limitéiert.

Gemeinsam Basis topologesch Strukturen

■Reduktioun vun der Buck-Spannung

■Boost Boost

■ Buck Boost Spannungsreduktiounsboost

■Flyback Flyback

■Vir Vir

■ Zwee Transformatoren no vir Duebeltransistor no vir

■Drécken Zéien

■Hallef Bréck Hallef Bréck

■ Voll Bréck

■ SEPIC

■ Kuckt

1. Basis Pulsbreetmodulatiounswellenform

Dës topologesch Strukturen hänken all mat Schaltmodus-Schaltkreesser zesummen, an d'Basis-Pulsbreetmodulatiounswelleform ass wéi follegt definéiert:

2. Buck

Charakteristik:

■ Reduzéiert den Input op eng méi niddreg Spannung.

■Et kéint dee einfachste Circuit sinn.

■Den Induktor/Kondensatorfilter flaacht d'Quadratwelle nom Schalten of.

■Den Output ass ëmmer méi kleng oder gläich wéi den Input.

■ Den Inputstroum ass diskontinuéierlech (ofgeschnidden).

Glat Ausgangsstroum.

3. Boost

Charakteristik:

■ Erhéicht den Input op eng méi héich Spannung.

■Ähnlech wéi Spannungsreduktioun, awer mat nei arrangéierten Induktivitéiten, Schalter an Dioden.

■Den Ausgang ass ëmmer méi grouss oder gläich wéi den Input (ignoréiert den Spannungsfall vun der Diod am Virwärtsberäich).

■Gläichméissegen Inputstroum.

■ Onkontinuéierlechen Ausgangsstroum (Chopping).

4. Buck-Boost

Charakteristik:

■ Eng aner Uerdnungsmethod fir Induktivitéiten, Schalter an Dioden.

■D'Kombinatioun vun den Nodeeler vu Step-Down- a Step-Up-Schaltkreesser.

■ Den Inputstroum ass diskontinuéierlech (ofgeschnidden).

■Den Ausgangsstroum ass och diskontinuéierlech (Hackung).

■Den Ausgang ass ëmmer géigeniwwer dem Input (bemierkt d'Polaritéit vum Kondensator), awer d'Amplitude kann méi kleng oder méi grouss si wéi den Input.

■ De "Flyback"-Konverter ass eigentlech a Form vun enger Step-Down-Step-Up-Schaltungsisolatioun (Transformatorkopplung).

5. Réckbléck

Charakteristik:

■Et funktionéiert wéi e Buck-Boost-Schaltkrees, awer d'Spull huet zwou Wicklungen, déi souwuel als Transformator wéi och als Spull funktionéieren.

■Den Ausgang kann positiv oder negativ sinn, jee no der Polaritéit vun der Spule an der Diod.

■D'Ausgangsspannung kann méi grouss oder méi kleng si wéi d'Inputspannung, wat vum Windungsverhältnis vum Transformator bestëmmt gëtt.

■Dëst ass déi einfachst isoléiert Topologiestruktur.

■D'Zousätzlech Sekundärwicklungen a Schaltkreesser kënnen zu verschiddenen Ausgänge féieren.

6. Vir

Charakteristik:

■D'Transformatorkopplungsform vum Step-Down-Schaltkrees.

■Diskontinuéierlechen Inputstroum, glaten Outputstroum.

■Wéinst der Notzung vun Transformatoren kann den Ausgang méi grouss oder méi kleng si wéi den Input, a kann all Polaritéit hunn.

■Duerch d'Zousätzlech vu Sekundärwicklungen a Schaltungen kënne verschidde Ausgänge kritt ginn.

■ Den Transformatorkär muss bei all Schaltzyklus demagnetiséiert ginn. Et ass üblech, eng Wicklung mat der selwechter Unzuel u Windungen wéi d'Primärwicklung bäizefügen.

■D'Energie, déi während der Aschaltphase an der Primärspole gespäichert ass, gëtt während der Ausschaltphase duerch zousätzlech Wicklungen an Dioden fräigesat.

7. Virwärtsgang mat zwee Transistoren

Charakteristik:

■Zwee Schalter funktionéieren gläichzäiteg.

■Wann de Schalter ofgetrennt gëtt, dréit d'Energie, déi am Transformator gespäichert ass, d'Polaritéit vun der Primärleitung ëm, wouduerch d'Diod leet.

Haaptvirdeeler:

■D'Spannung op all Schalter wäert ni d'Inputspannung iwwerschreiden.

■D'Wicklungsbunn muss net nei opgestallt ginn.

8、Drécken-Zéien

Charakteristik:

■De Schalter (FET) steiert verschidde Phasen un a féiert eng Pulsbreetmodulatioun (PWM) duerch fir d'Ausgangsspannung ze reguléieren.

■Gudde Gebrauchsquote vun den Transformatormagnetkären - Sendeleistung an zwou Hallefzyklen.

■ Vollwellentopologiestruktur, sou datt d'Ausgangswellefrequenz duebel sou héich ass wéi d'Frequenz vum Transformator.

■D'Spannung, déi um FET ugewannt gëtt, ass duebel sou héich wéi d'Inputspannung.

9. Hallefbréck

Charakteristik:

■Eng Topologiestruktur, déi dacks an Héichleistungskonverteren benotzt gëtt.

■De Schalter (FET) steiert verschidde Phasen un a féiert eng Pulsbreetmodulatioun (PWM) duerch fir d'Ausgangsspannung ze reguléieren.

■ Gudde Gebrauchsgrad vun den Transformatormagnetkären - Iwwerdroungsleistung an zwou Hallefzyklen. ■ Ausserdeem ass de Gebrauchsgrad vun der Primärwicklung besser wéi dee vum Push-Pull-Schaltkrees.

■ Vollwellentopologiestruktur, sou datt d'Ausgangswellefrequenz duebel sou héich ass wéi d'Frequenz vum Transformator.

■D'Spannung, déi um FET ugewannt gëtt, ass gläich wéi d'Inputspannung.

10. Vollbréck

Charakteristik:

■Déi am meeschte verbreet Topologiestruktur fir Héichleistungskonverteren.

■Schalter (FETs) ginn diagonalpairen ugedriwwen an et gëtt eng Pulsbreetmodulatioun (PWM) duerchgefouert fir d'Ausgangsspannung ze reguléieren.

■Gudde Gebrauchsquote vun den Transformatormagnetkären - Sendeleistung an zwou Hallefzyklen.

■ Vollwellentopologiestruktur, sou datt d'Ausgangswellefrequenz duebel sou héich ass wéi d'Frequenz vum Transformator.

■D'Spannung, déi op d'FETs ugewannt gëtt, ass gläich wéi d'Inputspannung.

■Bei enger bestëmmter Leeschtung ass de Primärstroum d'Halschent vun deem vun der hallwer Bréck.

11. SEPIC Eenzel-Primärinduktorwandler (SEPIC)

Charakteristik:

■D'Ausgangsspannung kann méi grouss oder méi kleng si wéi d'Inputspannung.

■Wéi e Boost-Schaltkrees ass den Input-Stroum gläichméisseg, awer den Output-Stroum ass diskontinuéierlech.

■Energie gëtt vum Input op den Output iwwerdroen duerch Kondensatoren.

■Zwee Induktivitéite sinn néideg.

12. C'uk (Slobodan C'uk Patent)

Charakteristik:

■Ausgang an der Réckphas.

■D'Amplitude vun der Ausgangsspannung kann méi grouss oder méi kleng si wéi d'Inputspannung.

■ Den Inputstroum an den Outputstroum si béid gläichméisseg.

■Energie gëtt vum Input op den Output iwwerdroen duerch Kondensatoren.

■Zwee Induktivitéite sinn néideg.

■Induktivitéit kann gekoppelt ginn, fir en Induktorstroum vun Nullwelle ze kréien.

13. Detailer vum Schaltungsbetrieb

■Déi folgend Erklärung vun de Funktionsdetailer vu verschiddenen Topologiestrukturen:

■Spannungsregler: kontinuéierlech Leedung, kritesch Leedung, diskontinuéierlech Leedung.

■Boostregler (kontinuéierlech Leedung).

■Betrib vum Transformator.

■ Flyback-Transformator.

■ Virwandtransformator.

14. Buck-Spannungsregler fir kontinuéierlech Leedung

Charakteristik:

■Den Induktorstroum ass kontinuéierlech.

■Vout ass den Duerchschnëtt vun senger Inputspannung (V1).

■D'Ausgangsspannung ass d'Produkt vun der Inputspannung an dem Lastverhältnis vum Schalter (D).

■Wann ugeschloss, fléisst den Induktorstroum aus der Batterie eraus.

■Wann de Schalter ausgeschalt ass, fléisst de Stroum duerch d'Diod.

■ Wann een d'Verloschter a Schalter an Induktivitéiten vernoléissegt, ass D onofhängeg vum Laaschtstroum.

■D'Charakteristike vum Spannungsregler a senge derivative Schaltkreesser sinn:

■Inputstroum diskontinuéierlech (chopping), Outputstroum kontinuéierlech (smoothing).

15. kritesch Konduktivitéit vum Buck-Spannungsregler

■ Den Induktorstroum ass nach ëmmer kontinuéierlech, awer erreecht Null wann de Schalter erëm ageschalt gëtt, wat "kritesch Leetung" genannt gëtt. D'Ausgangsspannung ass nach ëmmer gläich wéi d'Inputspannung multiplizéiert mat D.

16、 Buck-Spannungsregler diskontinuéierlech Leedung

■ An dësem Fall ass de Stroum an der Spul fir eng Zäitperiod an all Zyklus Null.

■D'Ausgangsspannung bleift (ëmmer) den Duerchschnëttswäert vu v1.

■D'Ausgangsspannung ass net d'Produkt vun der Inputspannung an dem Lastverhältnis vum Schalter (D).

■Wann de Laaschtstroum ënner dem kritesche Wäert läit, ännert sech D mam Laaschtstroum (während Vout konstant bleift).

17、Boost-Regler

■ D'Ausgangsspannung ass ëmmer méi grouss wéi (oder gläich wéi) d'Inputspannung.

■Kontinuéierleche Inputstroum, diskontinuéierleche Outputstroum (Géigendeel vum Spannungsregler).

■D'Bezéiung tëscht Ausgangsspannung a Lastverhältnis (D) ass net sou einfach wéi bei engem Spannungsregler. Am Fall vun kontinuéierlecher Konduktivitéit:

An dësem Beispill ass Vin = 5, Vout = 15, an D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.

18、 Transformatorbetrieb (inklusiv der Roll vun der Primärinduktivitéit)

■ En Transformator gëllt als idealen Transformator, woubäi seng primär (magnetiséiert) Induktivitéit parallel mat der Primärinduktivitéit verbonnen ass.

19. Flyback-Transformator

■ D'Primärinduktivitéit ass hei ganz niddreg a gëtt benotzt fir de Spëtzestroum an d'gespäichert Energie ze bestëmmen. Wann de Primärschalter ausgeschalt ass, gëtt Energie op de Sekundärschalter iwwerdroen.

20、 Virwärtswandlertransformator

■ D'Primärinduktivitéit ass héich, well keng Energie gespäichert muss ginn.

De Magnetiséierungsstroum (i1) fléisst an d'"Magnetiséierungsspole", wouduerch de Magnéitkär sech entmagnetiséiert (Réckspannung), nodeems de Primärschalter ausgeschalt gouf.

Resumé

■ Dësen Artikel iwwerpréift déi heefegst Circuit-Topologien an der Stroumschaltmodus-Energiekonversioun.

■ Et gëtt vill aner topologesch Strukturen, awer déi meescht dovunner sinn Kombinatiounen oder Variatioune vun der Topologie, déi hei beschriwwe gëtt.

■ All Topologiestruktur enthält eenzegaarteg Design-Kompromësser:

1) Spannung, déi um Schalter ugewannt gëtt

2) Ofschneiden a Glättung vun Input- an Outputstréim

3) Auslastungsquote vun der Wicklung

■ D'Auswiel vun der optimaler Topologie erfuerdert Fuerschung iwwer:

1) Input- an Output-Spannungsberäich

2) Aktuell Reechwäit

3) D'Verhältnes vu Käschten zur Leeschtung, Gréisst zu Gewiicht