Jak fungují obvody Buck-Boost

Všichni jsme hodně slyšeli o buck a boost obvodech a víme, že tyto obvody se v zásadě používají v SMPS provedeních pro zrychlení nebo snížení daného napětí na vstupu. Zajímavostí této technologie je, že umožňuje výše uvedené funkce se zanedbatelnou tvorbou tepla, což má za následek extrémně efektivní převody.

Co je Buck-Boost, jak to funguje

Pojďme se naučit koncept v první části, aniž bychom zapojili mnoho technických prvků, aby bylo snazší pochopit, co přesně je koncept buck boostu i pro nováčka.

Mezi třemi základními topologiemi s názvem buck, boost a buck-boost je třetí populárnější, protože umožňuje použití obou funkcí (buck boost) prostřednictvím jediné konfigurace pouhou změnou vstupních pulzů.

V topologii buck-boost máme primárně elektronickou spínací komponentu, která může být ve formě tranzistoru nebo mosfetu. Tato součástka je přepínána pulzujícím signálem z integrovaného obvodu oscilátoru.

Kromě výše uvedené spínací komponenty má obvod jako hlavní složku induktor, diodu a kondenzátor.

Všechny tyto části jsou uspořádány do podoby, které lze sledovat v následujícím diagramu:

S odkazem na výše uvedený diagram podpory buck je mosfet část, která přijímá impulsy, které ho nutí pracovat za dvou podmínek: stav ON a stav OFF.

Během stavu ON dostane vstupní proud volnou cestu skrz mosfet a okamžitě se pokusí projít si cestu přes induktor, protože dioda je umístěna v obráceném předpjatém stavu.

Induktor se kvůli své inherentní vlastnosti snaží omezit náhlý přívod proudu a v kompenzační odezvě do něj ukládá určité množství proudu.

Jakmile je MOSFET vypnut, přejde do stavu VYPNUTO a zablokuje jakýkoli průchod vstupního proudu.

Induktor opět není schopen vyrovnat se s touto náhlou změnou proudu z dané velikosti na nulu a v reakci na kompenzaci to zpětně nakopne svůj uložený proud přes diodu přes výstup obvodu.

V tomto procesu se proud také ukládá do kondenzátoru.

Během dalšího zapnutého stavu mosfetu se cyklus opakuje, jak je uvedeno výše, avšak bez proudu, který je k dispozici z induktoru, kondenzátor vybíjí uloženou energii na výstup, což pomáhá udržovat stabilní výstup na optimalizovaném stupni.

Možná vás zajímá, jaký faktor rozhoduje o VÝSLEDKU nebo ZVÝŠENÍ na výstupu? Je to docela jednoduché, záleží na tom, jak dlouho může mosfet zůstat v zapnutém stavu nebo ve vypnutém stavu.

S nárůstem doby zapnutí MOSFETů se obvod začíná transformovat na převodník Boost, zatímco s časem vypnutí MOSFETů překračujícím jeho čas ZAP se obvod chová jako převodník Buck.

Vstup do mosfetu lze tedy provést prostřednictvím optimalizovaného obvodu PWM pro získání požadovaných přechodů ve stejném obvodu.

Zkoumání topologie Buck / Boost v obvodech SMPS více technicky:

Jak je uvedeno v předchozí části, tři základní topologie, které se běžně používají u spínaných napájecích zdrojů, jsou buck, boost a buck boosts.

Jsou to v zásadě neizolované, ve kterých stupeň vstupního výkonu sdílí společnou základnu s částí výstupního výkonu. Samozřejmě bychom mohli najít i izolované verze, i když docela vzácné.

Výše uvedené tři topologie lze jednoznačně odlišit v závislosti na jejich výlučných vlastnostech. Vlastnosti lze identifikovat jako poměry převodu napětí v ustáleném stavu, povahu vstupních a výstupních proudů a také charakter zvlnění výstupního napětí.

Za jednu z důležitých vlastností lze dále považovat kmitočtovou odezvu pracovního cyklu na provedení výstupního napětí.

Z výše zmíněných tří topologií je nejpreferovanější topologie buck-boost, protože umožňuje výstupu pracovat s napětím menším, než je vstupní napětí (buck režim), a také produkovat napětí nad vstupním napětím (režim boost).

Avšak výstupní napětí lze získat vždy s opačnou polaritou od vstupu, což nevytváří vůbec žádné problémy.

Aplikovaný vstupní proud do převodníku buck boost je formou pulzujícího proudu v důsledku přepnutí přidruženého výkonového spínače (Q1).

Zde se proud přepíná z nuly na l během každého pulzního cyklu. Totéž platí i pro výstup a získáváme pulzující proud kvůli přidružené diodě, která vede pouze v jednom směru, což způsobí pulzující situaci ON a OFF během spínacího cyklu .

Kondenzátor je odpovědný za poskytnutí kompenzačního proudu, když je dioda během spínacích cyklů ve vypnuté nebo předpjaté poloze.

Tento článek vysvětluje funkčnost ustáleného stavu převaděče buck-boost v kontinuálním a diskontinuálním režimu s ukázkovými příklady průběhů.

Funkce výměny napětí mezi pracovním cyklem a výstupem je představena po zavedení konstrukce spínače PWM.

Obrázek 1 zjednodušující schéma výkonového stupně buck-boost s přidaným blokem obvodu pohonu. Vypínač, Q1, je n-kanálový MOSFET. Výstupní dioda je CR1.

Induktor L a kondenzátor C představují efektivní výstupní filtrování. Kondenzátor ESR, RC (ekvivalentní sériový odpor) a stejnosměrný odpor induktoru, RL, jsou všechny analyzovány v. Rezistor R odpovídá zátěži identifikované výstupem výkonového stupně.

V průběhu pravidelné funkčnosti výkonového stupně buck-boost se Q1 neustále zapíná a vypíná s dobami zapnutí a vypnutí řízenými řídicím obvodem.

Toto přepínací chování umožňuje řetěz pulzů na křižovatce Q1, CR1 a L.

I když je induktor, L, spojen s výstupním kondenzátorem, C, pokud vede pouze CR1, je vytvořen úspěšný L / C výstupní filtr. Čistí sled pulsů a vede k výstupnímu stejnosměrnému napětí.

Buck-Boost Stage Analýza v ustáleném stavu

Výkonový stupeň může fungovat při kontinuálním nebo diskontinuálním nastavení proudu induktoru. Režim nepřetržitého proudu induktoru je identifikován proudem kontinuálně v induktoru během spínací sekvence v ustáleném stavu.

Režim diskontinuálního proudu induktoru je identifikován proudem induktoru, který zůstává nula pro část spínacího cyklu. Začíná na nule, rozšiřuje se na maximální hodnotu a vrací se k nule v průběhu každého přepínacího vzoru.

Tyto dvě odlišné metody jsou poté zmíněny v mnohem větších podrobnostech a jsou uvedeny návrhy modelu pro hodnotu induktoru pro udržení zvoleného režimu funkčnosti, jak je uvedena schopnost jmenovitého zatížení. Je poměrně výhodné, aby převodník byl v jediném formátu pouze za jeho předpokládaných provozních okolností, protože kmitočtová odezva výkonového stupně se podstatně mění mezi dvěma odlišnými technikami provozu.

S tímto hodnocením je použit výkonový MOSFET s n-kanálem a kladné napětí, VGS (ON), je napájeno z brány do zdrojových svorek Q1 řídicím obvodem pro zapnutí FET. Výhodou použití n-kanálového FET je jeho nižší RDS (zapnuto), avšak řídicí obvod je obtížný, protože je nutný pozastavený pohon. U identických rozměrů obalu má F-kanál s vyšším RDS (zapnuto), přesto obvykle nemusí vyžadovat plovoucí hnací obvod.

Tranzistor Q1 a dioda CR1 jsou zobrazeny uvnitř přerušované čáry se svorkami označenými a, p a c. Důkladně o tom pojednává část Buck-Boost Power Stage Modeling.

Buck-Boost Analýza režimu kontinuálního vodivosti v ustáleném stavu

Následuje popis buck boostu pracujícího v ustáleném stavu v metodě kontinuálního vedení. Primárním cílem tohoto segmentu by bylo představit odvození vztahu transformace napětí pro výkonový stupeň buck-boost v režimu kontinuálního vedení.

To bude významné, protože udává způsob, jakým je výstupní napětí určeno pracovním cyklem a vstupním napětím, nebo naopak, jak lze stanovit pracovní cyklus v závislosti na vstupním napětí a výstupním napětí.

Rovnovážný stav znamená, že vstupní napětí, výstupní napětí, výstupní proud zátěže a pracovní cyklus jsou na rozdíl od proměnných konstantní. Velká písmena jsou obvykle poskytována na proměnných štítcích, aby naznačovala velikost v ustáleném stavu. V režimu kontinuálního vedení převaděč buck-boost trvá několik stavů za spínací cyklus.

Stav ZAP je pokaždé, když je Q1 ZAPNUTO a CR1 je VYPNUTO. Stav OFF je pokaždé, když je Q1 OFF a CR1 je ON. Snadný lineární obvod může symbolizovat každý ze dvou stavů, ve kterých jsou spínače v obvodu v průběhu každého stavu nahrazeny odpovídajícím obvodem. Schéma zapojení pro každou ze dvou podmínek je uvedeno na obrázku 2.

Perioda podmínky ON je D × TS = TON, ve které D je pracovní cyklus, fixovaný obvodem pohonu, znázorněný ve formě poměru periody zapnutí k periodě jedné úplné spínací sekvence, Ts.

Délka stavu OFF je známá jako TOFF. Protože pro režim spojitého vedení lze najít jen pár podmínek na spínací cyklus, TOFF se rovná (1 - D) × TS. Velikost (1 − D) se příležitostně nazývá D ’. Tyto periody jsou prezentovány společně s průběhy na obrázku 3.

Při pohledu na obrázek 2 nabízí Q1 v průběhu stavu ON snížený odpor RDS (zapnuto) od odtoku ke zdroji a projevuje menší pokles napětí VDS = IL × RDS (zapnuto).

Kromě toho dochází k malému poklesu napětí na stejnosměrném odporu induktoru, který se rovná IL × RL.

Tím se vstupní napětí VI, mínus deficity (VDS + IL × RL), přivede přes induktor, L. CR1 je v tomto období VYPNUTO, protože by to bylo zpětně předpjaté.

Proud induktoru IL prochází ze vstupního napájení VI cestou Q1 a na zem. V průběhu stavu ON je napětí přivedené přes induktor konstantní a stejné jako VI - VDS - IL × RL.

V návaznosti na normu polarity pro aktuální IL uvedenou na obrázku 2 se indukční proud zvyšuje v důsledku provedeného napětí. Kromě toho, protože aplikované napětí je v zásadě konzistentní, indukční proud stoupá lineárně. Toto zvýšení proudu induktoru v průběhu TON je znázorněno na obrázku 3.

Úroveň, o kterou se indukční proud zvyšuje, se obecně určuje pomocí formy známého vzorce:

Nárůst proudu induktoru v průběhu stavu ON je prezentován jako:

Tato velikost, ΔIL (+), se nazývá zvlněný proud induktoru. Dále pozorujte, že v tomto intervalu každý bit proudu výstupní zátěže přichází výstupním kondenzátorem C.

S odkazem na obrázek 2, když je Q1 VYPNUTO, nabízí zvýšenou impedanci od svého odtoku ke zdroji.

V důsledku toho, protože proud běžící v induktoru L není schopen se okamžitě upravit, proud se přepne z Q1 na CR1. V důsledku snížení proudu induktoru napětí na induktoru obrací polaritu, dokud se usměrňovač CR1 nestane předpjatým a nezapne se.

Napětí připojené přes L se změní na (VO - Vd - IL × RL), ve kterém velikost, Vd, je pokles dopředného napětí CR1. Proud induktoru, IL, v tomto bodě prochází z uspořádání výstupního kondenzátoru a zátěžového odporu přes CR1 a do záporného vedení.

Všimněte si, že vyrovnání CR1 a cesta cirkulace proudu v induktoru znamená, že proud běžící ve výstupním kondenzátoru a ve skupině odporů zátěže vede k tomu, že VO bude mínus napětí. V průběhu stavu VYPNUTO je napětí připojené přes induktor stabilní a stejné jako (VO - Vd - IL × RL).

Při zachování naší konvence polarity je toto připojené napětí mínus (nebo obrácená polarita od připojeného napětí v průběhu doby ON), kvůli skutečnosti, že výstupní napětí VO je záporné.

Proto proud induktoru klesá po celou dobu VYPNUTÍ. Navíc, protože připojené napětí je v zásadě stabilní, indukční proud se lineárně snižuje. Toto snížení proudu induktoru v průběhu TOFF je znázorněno na obrázku 3.

Snížení proudu induktoru v situaci VYPNUTO je zajištěno:

Tuto velikost, ΔIL (-), lze nazvat zvlněným proudem induktoru. Ve stabilních stavových situacích musí být nárůst proudu ΔIL (+) v průběhu doby zapnutí a snížení proudu v době vypnutí ΔIL (-) identické.

Jinak by proud induktoru mohl nabídnout celkovou podporu nebo redukci z cyklu na cyklus, která by nebyla stabilní podmínkou.

Obě tyto rovnice lze tedy přirovnat a zpracovat pro VO k získání spojitého vedení ve formě spojení buck-boost pro změnu napětí:

Určení pro VO:

Rovněž náhrada TS za TON + TOFF a za použití D = TON / TS a (1 − D) = TOFF / TS je rovnice ustáleného stavu pro VO:

Všimněte si, že při zjednodušení výše uvedeného má být TON + TOFF podobný TS. To může být skutečné pouze pro režim kontinuálního vedení, jak zjistíme při hodnocení režimu diskontinuálního vedení. V tomto bodě je třeba provést zásadní kontrolu:

Oprava dvou hodnot ΔIL na stejné hodnotě je přesně stejná jako vyrovnání voltsekund na induktoru. Voltsekundy použité na induktoru jsou součinem použitého napětí a doby, po kterou je napětí aplikováno.

To může být nejúčinnější způsob, jak odhadnout neidentifikované veličiny, například VO nebo D, s ohledem na běžné parametry obvodu, a tento přístup bude v tomto článku často používán. Stabilizace volt-sekundy na induktoru je přirozeným požadavkem a měla by být vnímána alespoň dodatečně jako Ohmův zákon.

Ve výše uvedených rovnicích pro ΔIL (+) a ΔIL (-) se implicitně předpokládalo, že výstupní napětí bude konzistentní bez jakéhokoli střídavého střídavého napětí po celou dobu zapnutí a vypnutí.

Jedná se o přijatelné zjednodušení a přináší několik individuálních výsledků. Nejprve se předpokládá, že výstupní kondenzátor je dostatečně velký, aby jeho přeměna napětí byla minimální.

Za druhé, napětí kondenzátoru ESR je navíc považováno za minimální. Takové předpoklady jsou legitimní, protože zvlnění střídavého napětí bude určitě výrazně nižší než stejnosměrná část výstupního napětí.

Výše uvedená změna napětí pro VO ukazuje pravdu, že VO by bylo možné vylepšit jemným doladěním pracovního cyklu, D.

Toto spojení se blíží k nule, protože D se blíží k nule a stoupá, aniž by bylo určeno, jak se D blíží k 1. Typické zjednodušení považované za VDS, Vd a RL jsou dostatečně malé na to, aby se zanedbaly. Stanovením VDS, Vd a RL na nulu se výše uvedený vzorec znatelně zjednodušuje na:

Méně komplikovanou, kvalitativní metodou pro zobrazení činnosti obvodu by bylo uvažování o induktoru jako části pro ukládání energie. Pokaždé, když je Q1 zapnuto, se na induktor nalije energie.

Když je Q1 vypnutý, induktor dodává zpět část své energie na výstupní kondenzátor a zátěž. Výstupní napětí je regulováno stanovením doby zapnutí Q1. Například zvýšením doby zapnutí Q1 se zesílí množství energie odeslané do induktoru.

Dodatečná energie je následně posílána na výstup v průběhu doby vypnutí Q1, což způsobuje zvýšení výstupního napětí. Na rozdíl od výkonového stupně dolaru není typická velikost proudu induktoru stejná jako výstupní proud.

Chcete-li přiřadit indukční proud k výstupnímu proudu, podívejte se na obrázky 2 a 3 a sledujte, že indukční proud k výstupu je pouze ve vypnutém stavu výkonového stupně.

Tento proud zprůměrovaný za celou spínací sekvenci je stejný jako výstupní proud, protože přibližný proud ve výstupním kondenzátoru by měl být ekvivalentní nule.

Spojení mezi průměrným proudem induktoru a výstupním proudem pro výkonový stupeň buck-boost v kontinuálním režimu zajišťuje:

Dalším významným hlediskem je skutečnost, že typický proud induktoru je úměrný výstupnímu proudu, a protože zvlněný proud induktoru, ΔIL, nesouvisí s proudem výstupní zátěže, minimální a nejvyšší hodnoty proudu induktoru přesně sledují průměrný proud induktoru.

Jako příklad, pokud průměrný proud induktoru poklesne o 2A v důsledku snížení zatěžovacího proudu, v takovém případě se nejnižší a nejvyšší hodnoty proudu induktoru sníží o 2A (s ohledem na zachování režimu kontinuálního vedení).

Výše uvedené vyhodnocení bylo pro funkčnost výkonového stupně buck-boost v režimu nepřetržitého proudu induktoru. Následující segment vysvětluje ustálenou funkčnost v režimu diskontinuálního vedení. Primárním výstupem je odvození vztahu převodu napětí pro výkonový stupeň buck-boost v režimu diskontinuálního vedení.

Vyhodnocení režimu diskontinuálního vedení v ustáleném stavu Buck-Boost

V tomto bodě zkoumáme, co nastane, když je proud zátěže snížen a režim vedení se posune z kontinuálního na diskontinuální.

Pamatujte, že v režimu kontinuálního vedení průměrný proud induktoru sleduje výstupní proud, tj. V případě, že se výstupní proud sníží, v takovém případě také průměrný proud induktoru.

Kromě toho nejnižší a nejvyšší špičky proudu induktoru přesně sledují průměrný proud induktoru. V případě, že výstupní proud zátěže poklesne pod úroveň základního proudu, bude indukční proud pro část spínací sekvence nulový.

To by bylo patrné z průběhů vln uvedených na obrázku 3, protože úroveň špičky až špičky zvlnění proudu se nemůže měnit s proudem výstupního zatížení.

Pokud se ve výkonovém stupni se zesílením buck-boost pokusí proud pod nulou, jednoduše se zastaví na nule (kvůli jednosměrnému pohybu proudu v CR1) a pokračuje tam až do začátku následné spínací akce. Tento pracovní režim je známý jako režim diskontinuálního vedení.

Výkonový stupeň pracující v buck boost obvodu ve formátu diskontinuálního vedení má tři charakteristické stavy během každého spínacího cyklu, na rozdíl od 2 stavů pro formát kontinuálního vedení.

Aktuální stav induktoru, ve kterém je výkonový stupeň na periferii mezi kontinuálním a diskontinuálním nastavením, je uveden na obrázku 4.

V tomto se indukční proud jednoduše zhroutí na nulu, zatímco následující spínací cyklus začíná těsně poté, co proud dosáhne nuly. Všimněte si, že hodnoty IO a IO (Crit) jsou uvedeny na obrázku 4, protože IO a IL zahrnují opačnou polaritu.

Další snížení proudu zátěžového výstupu nastaví výkonový stupeň na diskontinuální vzor vedení. Tato podmínka je znázorněna na obrázku 5.

Frekvenční odezva výkonového stupně v diskontinuálním režimu je docela odlišná od frekvenční odezvy v kontinuálním režimu, která je uvedena v segmentu Buck-Boost Power Stage Modeling. Kromě toho je připojení vstup-výstup poměrně rozmanité, jak je uvedeno níže v této stránce:

Chcete-li zahájit odvození poměru střídání napětí výkonového stupně buck-boost režimu buck-boost, nezapomeňte, že máte tři charakteristické stavy, které převodník zvažuje prostřednictvím funkce režimu diskontinuálního vedení.

Stav ZAP je, když je Q1 ZAPNUTO a CR1 je VYPNUTO. Stav OFF je, když Q1 je OFF a CR1 je ON. Podmínkou IDLE je situace, kdy jsou Q1 a CR1 VYPNUTY. Počáteční dvě podmínky jsou velmi podobné situaci spojitého režimu a obvody na obrázku 2 jsou relevantní kromě TOFF ≠ (1 − D) × TS. Zbytek přepínací sekvence je stav IDLE.

Kromě toho se předpokládá, že stejnosměrný odpor výstupního induktoru, pokles dopředného napětí výstupní diody, stejně jako pokles napětí v zapnutém stavu MOSFET, jsou dostatečně minuty na to, aby bylo možné je přehlédnout.

Časové období stavu ZAPNUTO je TON = D × TS, kde D je pracovní cyklus, fixovaný řídicím obvodem, indikovaný jako poměr doby zapnutí k době jedné úplné spínací sekvence, Ts. Délka stavu VYPNUTO je TOFF = D2 × TS. Perioda IDLE je zbytek spínacího vzoru, který je prezentován jako TS - TON - TOFF = D3 × TS. Tyto periody jsou spojeny s průběhy na obrázku 6.

Bez kontroly komplexního popisu jsou níže uvedeny výčet rovnic pro vzestup a pokles proudu induktoru. Nárůst proudu induktoru v průběhu stavu ON je vydán:

Množství zvlněného proudu, ΔIL (+), je také špičkovým proudem induktoru, Ipk, protože v diskontinuálním režimu začíná proud každý cyklus 0. Snížení proudu induktoru v průběhu stavu OFF je prezentováno:

Stejně jako situace v režimu spojitého vedení je nárůst proudu ΔIL (+) v průběhu doby zapnutí a snížení proudu v době vypnutí ΔIL (-) identické. Obě tyto rovnice by tedy mohly být přirovnány a adresovány pro VO k získání iniciály dvou rovnic, které budou použity k řešení poměru převodu napětí:

Dále určíme výstupní proud (výstupní napětí VO děleno výstupní zátěží R). Je to průměr za jednu spínací sekvenci proudu induktoru v době, kdy se CR1 stává vodivým (D2 × TS).

Zde nahraďte připojení pro IPK (ΔIL (+)) do výše uvedené rovnice, abyste získali:

Proto máme dvě rovnice, jednu pro výstupní proud (VO děleno R) právě odvozenou a druhou pro výstupní napětí, obě s ohledem na VI, D a D2. V tomto bodě rozluštíme každý vzorec pro D2 a opravíme obě rovnice na stejné úrovni.

Použitím výsledné rovnice lze získat ilustraci výstupního napětí VO. Příslušnost pro transformaci napětí s buck-boost režimem diskontinuálního vedení je napsána:

Výše uvedené připojení zobrazuje jednu z hlavních odlišností mezi dvěma režimy vedení. Pro režim diskontinuálního vedení je vztah změny napětí funkcí vstupního napětí, pracovního cyklu, indukčnosti výkonového stupně, spínací frekvence a odporu výstupního zatížení.

Pro režim kontinuálního vedení je připojení přepínání napětí ovlivněno pouze vstupním napětím a pracovním cyklem. V tradičních aplikacích je výkonový stupeň buck-boost provozován na výběr mezi režimem kontinuálního vedení nebo režimem diskontinuálního vedení. Pro konkrétní použití je zvolen jeden režim vedení, zatímco výkonový stupeň byl vyroben tak, aby udržoval stejný režim.