在电子产品中,调节器是可以不断调节功率输出的设备或机构。电源领域有多种稳压器可用。但主要是在DC到DC转换的情况下,有两种类型的调节器可用:线性或开关式。
甲线性调节器调节使用电阻电压降,以这种线性调节器提供以热量的形式下的效率和输功率输出,并且由于。
另一方面,开关稳压器使用电感器,二极管和电源开关将能量从其源传递到输出。
共有三种类型的开关调节器。
1.升压转换器(升压调节器)
2.降压转换器(降压稳压器)
3.逆变器(反激式)
在本教程中,我们将介绍开关 升压调节器电路。我们已经在上一教程中介绍了升压调节器设计。在这里,我们将讨论Boost转换器的不同方面以及如何提高其效率。
升压转换器电路的设计基础
在许多情况下,我们需要根据要求将较低的电压转换为较高的电压。升压调节器将电压从较低电势升至较高电势。
在上图中,显示了一个简单的升压调节器电路,其中使用了电感,二极管,电容器和开关。
电感器的目的是限制流过电源开关的电流压摆率。这将限制过高的峰值电流,这是单独的开关电阻所无法避免的。
另外,电感器储存能量,在焦耳测量的能量E =(L * I 2 /2)
我们将了解电感器如何在即将出现的图像和图形中传递能量。
如果使用升压调节器,则分为两个阶段,一个阶段是电感器充电阶段或接通阶段(实际上已闭合开关),另一阶段是放电阶段或断开阶段(开关处于断开状态)。
如果我们假设开关已长时间处于断开位置,则二极管两端的压降为负,电容器两端的电压等于输入电压。在这种情况下,如果开关闭合,则电感两端的Vin会受到惊吓。二极管可防止电容器通过开关放电到地面。
流经电感的电流随时间线性上升。线性电流上升速率与输入电压成比例,除以电感di / dt =电感两端的电压/电感
在上图中,显示了电感的充电阶段。x轴表示t(时间),y轴表示I(通过电感器的电流)。当开关闭合或接通时,电流随时间线性增加。
现在,当开关再次断开或断开时,电感器电流流过二极管并为输出电容器充电。当输出电压上升时,通过电感的电流斜率反向。输出电压一直上升,直到通过电感的电压= L *(di / dt )为止 。
电感电流下降率随时间成正比,与电感电压成正比。电感器电压越高,通过电感器的电流降越快。
在上图中,当开关断开时,电感器电流随时间下降。
当开关稳压器处于稳态工作状态时,整个开关周期中电感的平均电压为零。对于这种情况,流经电感的平均电流也处于稳态。
如果我们假设电感器的充电时间为Ton且电路具有输入电压,则输出电压将有特定的Toff或放电时间。
由于稳态时平均电感器电压等于零,因此我们可以使用以下术语构建升压电路
Vin X吨= Toff x VL VL = Vin x(吨/ Toff)
由于输出电压等于输入电压和平均电感器电压(Vout = Vin + VL)
我们可以这样说
Vout = Vin x Vin x(Ton / Toff) Vout = Vin x(1 + Ton / Toff)
我们还可以使用占空比来计算Vout。
占空比(D)=吨/(吨+吨)
对于升压开关稳压器,Vout将为Vin /(1 – D)
升压转换器电路的PWM和占空比
如果我们控制占空比,则可以控制升压转换器的稳态输出。因此,对于占空比变化,我们在开关两端使用了控制电路。
因此,对于完整的基本升压调节器电路,我们需要一个附加电路,该电路将改变占空比,从而改变电感器从电源接收能量的时间。
在上图中,可以看到一个误差放大器,它使用反馈路径感测负载两端的输出电压并控制开关。最常见的控制技术包括PWM或脉冲宽度调制技术,该技术用于控制电路的占空比。
该控制电路控制的时间量的开关保持打开或关闭,取决于由负载汲取的电流。该电路还用于在稳态下连续运行。它将对输出电压进行采样,并从参考电压中减去它,并产生一个小的误差信号,然后将该误差信号与振荡器斜坡信号进行比较,并且从比较器输出中,PWM信号将操作或控制开关电路。
当输出电压变化时,误差电压也会受到影响。由于误差电压的变化,比较器控制PWM输出。当输出电压产生零误差电压时,PWM也会改变到一个位置,这样,闭环控制系统便会执行工作。
幸运的是,大多数现代开关升压稳压器都在IC封装中内置了该器件。因此,使用现代的开关稳压器可以实现简单的电路设计。
参考反馈电压通过电阻分压器网络完成。这是附加电路,与电感器,二极管和电容器一起需要。
提高升压转换器电路的效率
现在,如果我们调查效率,那就是我们在电路内部提供多少功率以及在输出端得到多少功率。
(输出/引脚)* 100%
由于无法创建或销毁能量,因此只能进行转换,因此大多数电能会使未使用的电能失去转化为热能的作用。另外,在实际领域中没有理想的情况,效率是选择稳压器的更大因素。
开关稳压器的主要功耗因素之一是二极管。正向压降乘以电流(Vf xi)是未使用的瓦数,该瓦数转换成热量并降低了开关稳压器电路的效率。而且,这是使用散热器或风扇从散热中冷却电路的热/热管理技术电路的额外成本。不仅正向电压降,硅二极管的反向恢复也会产生不必要的功率损耗并降低整体效率。
避免使用标准恢复二极管的最佳方法之一是使用肖特基二极管代替具有低正向压降和更好反向恢复的二极管。当需要最大效率时,可以使用MOSFET替换二极管。在现代技术中,“开关式升压调节器”部分有很多选择,可以轻松提供90%以上的效率。
此外,在许多现代设备中都使用了“跳过模式”功能,当不需要在非常轻的负载下进行切换时,调节器可以跳过切换周期。这是提高轻载条件下效率的好方法。在跳过模式下,仅当输出电压降至调节阈值以下时才启动开关周期。
尽管具有较高的效率,平稳的设计技术,较小的组件,但开关稳压器比线性稳压器要嘈杂。尽管如此,它们还是很受欢迎的。
Boost转换器的示例设计
我们之前使用MC34063创建了一个升压调节器电路,该电路从3.7V输入电压产生5V输出。MC34063是用于升压调节器配置的开关调节器。我们使用了电感,肖特基二极管和电容器。
在上图中,Cout是输出电容器,我们还使用了电感器和肖特基二极管,它们是开关稳压器的基本组件。还有一个反馈网络。R1和R2电阻创建一个分压器电路,这是比较器的PWM和误差放大级所需的。比较器的参考电压为1.25V。
如果我们详细查看该项目,则可以看到此MC34063开关升压稳压器电路可实现70-75%的效率。使用适当的PCB工艺并获得热管理程序,可以进一步提高效率。