Jak převaděče Buck fungují

Následující článek představuje komplexní know-how týkající se fungování převaděčů bucků.

Jak název napovídá, převodník buck je navržen tak, aby bránil nebo omezoval vstupní proud způsobující výstup, který může být mnohem nižší než dodávaný vstup.

Jinými slovy lze považovat za sestupný převodník, který lze použít k získání vypočtených napětí nebo proudů nižších, než je vstupní napětí.

Pojďme se dozvědět více o fungování měniče bucků v elektronických obvodech prostřednictvím následující diskuse:

Převaděč Buck

Typicky můžete najít převaděč buck používaný v obvodech SMPS a MPPT, které konkrétně vyžadují, aby bylo výstupní napětí výrazně sníženo než výkon vstupního zdroje, aniž by to ovlivnilo nebo změnilo výkon, tj. Hodnotu V x I.

Zdroj napájení převodníku buck může být ze zásuvky střídavého proudu nebo ze zdroje stejnosměrného proudu.

Převodník buck se používá pouze pro ty aplikace, kde nemusí být kriticky požadována elektrická izolace napříč zdrojem vstupního napájení a zátěží, avšak pro aplikace, kde může být vstup na úrovni sítě, se obvykle používá topologie flyback přes izolační transformátor.

Hlavní zařízení, které se používá jako spínací agent v převodníku buck, může být ve formě mosfetu nebo výkonového BJT (například 2N3055), který je nakonfigurován tak, aby přepínal nebo osciloval rychlou rychlostí prostřednictvím integrovaného oscilátorového stupně s jeho základna nebo brána.

Druhým důležitým prvkem v buck převodníku je induktor L, který uchovává elektřinu z tranzistoru během jeho periody zapnutí a uvolňuje ji během periody vypnutí, přičemž udržuje nepřetržité napájení zátěže na stanovené úrovni.

Tato fáze se také označuje jako 'Setrvačník' stupeň, protože jeho funkce se podobá mechanickému setrvačníku, který je schopen udržet nepřetržité a stabilní otáčení pomocí pravidelných tlaků z vnějšího zdroje.

Vstup AC nebo DC?

Převodník buck je v podstatě obvod převodníku DC na DC, který je navržen tak, aby získával napájení ze zdroje DC, kterým může být baterie nebo solární panel. Může to být také z výstupu adaptéru střídavého proudu na stejnosměrný proud dosaženého přes můstkový usměrňovač a filtrační kondenzátor.

Bez ohledu na to, co může být zdrojem vstupního stejnosměrného proudu do měniče buck, je vždy přeměněn na vysokou frekvenci pomocí obvodu oscilátoru chopperu spolu s fází PWM.

Tato frekvence je poté přivedena do spínacího zařízení pro požadované akce převaděče buck.

Provoz převaděče Buck

Jak je diskutováno ve výše uvedené části týkající se fungování buck převodníku, a jak je vidět na následujícím schématu, obvod buck převodníku obsahuje spínací tranzistor a přidružený obvod setrvačníku, který zahrnuje diodu D1, induktor L1 a kondenzátor C1.

Během období, kdy je tranzistor zapnutý, síla prochází nejprve tranzistorem a poté induktorem L1 a nakonec do zátěže. V tomto procesu se induktor kvůli své inherentní vlastnosti snaží postavit proti náhlému zavedení proudu ukládáním energie v něm.

Tato opozice L1 inhibuje proud z aplikovaného vstupu k dosažení zátěže a dosažení špičkové hodnoty pro počáteční spínací okamžiky.

Mezitím však tranzistor vstoupí do fáze vypnutí, čímž přeruší vstupní napájení induktoru.

Když je napájení vypnuto, L1 opět čelí náhlé změně proudu a pro kompenzaci změny vypláchne uloženou energii přes připojenou zátěž

Období zapnutí tranzistoru

S odkazem na výše uvedený obrázek, zatímco je tranzistor ve fázi zapnutí, umožňuje proudu dosáhnout zátěže, ale během počátečních okamžiků zapnutí je proud silně omezen kvůli opozici induktorů proti náhlému použití proud přes to.

V tomto procesu však induktor reaguje a kompenzuje chování tím, že do něj ukládá proud, a v průběhu určité části zdroje může dosáhnout zatížení a také kondenzátoru C1, který v něm také ukládá povolenou část zdroje .

Mělo by se také vzít v úvahu, že zatímco se výše uvedené stane, katoda D1 zažívá plný pozitivní potenciál, který ji udržuje reverzně předpjatý, což znemožňuje, aby uložená energie L1 získala cestu zpět přes zátěž přes zátěž. Tato situace umožňuje induktoru pokračovat v ukládání energie do něj bez jakýchkoli úniků.

Období „vypnutí“ tranzistoru

Nyní s odkazem na výše uvedený obrázek, když tranzistor vrátí svou spínací akci, tj. Jakmile je vypnut, je L1 opět zaveden s náhlou prázdnotou proudu, na kterou reaguje uvolněním uložené energie směrem k zátěži v forma ekvivalentního potenciálního rozdílu.

Nyní, když je T1 VYPNUTO, je katoda D1 uvolněna z pozitivního potenciálu a je aktivována s podmínkou založenou na dopředu.

Kvůli dopředně předpjatému stavu D1 je uvolněná energie L1 nebo zadní EMF kopaný L1 umožněno dokončit cyklus zátěží, D1 a zpět do L1.

Během procesu prochází energie L1 exponenciálním poklesem v důsledku spotřeby zátěže. C1 nyní přichází na pomoc a pomáhá nebo pomáhá EMF L1 přidáním vlastního uloženého proudu do zátěže, čímž zajišťuje přiměřeně stabilní okamžité napětí do zátěže ... dokud se tranzistor znovu nezapne, aby obnovil cyklus zpět.

Celý postup umožňuje provedení požadované aplikace převodníku odměny, přičemž pro zátěž je povolena pouze vypočítaná část napájecího napětí a proudu, namísto relativně většího špičkového napětí ze vstupního zdroje.

To lze vidět ve formě menšího zvlnění křivky namísto obrovských čtvercových vln ze vstupního zdroje.

Ve výše uvedené části jsme se naučili přesně, jak převaděče buck fungují, v následující diskusi se ponoříme hlouběji a naučíme se příslušný vzorec určování různých parametrů souvisejících s převaděči buck.

Vzorec pro výpočet Buck napětí v obvodu Buck Converter

Z výše uvedeného rozhodnutí můžeme vyvodit závěr, že maximální uložený proud uvnitř L1 závisí na době zapnutí tranzistoru, nebo lze zadní EMF L1 dimenzovat vhodným dimenzováním doby zapnutí a vypnutí L, což také znamená, že výstup napětí v převodníku buck lze předem určit výpočtem doby zapnutí T1.

Vzorec pro vyjádření výstupu převaděče buck lze vidět v níže uvedeném vztahu:

V (out) = {V (in) x t (ON)} / T

kde V (in) je zdrojové napětí, t (ON) je doba zapnutí tranzistoru,

a T je „periodický čas“ nebo období jednoho celého cyklu PWM, tj. čas potřebný k dokončení jednoho úplného času zapnutí + jednoho úplného času vypnutí.

Vyřešený příklad:

Pokusme se pochopit výše uvedený vzorec pomocí vyřešeného příkladu:

Předpokládejme situaci, kdy je buck převodník provozován s V (in) = 24V

T = 2ms + 2ms (čas zapnutí + čas vypnutí)

t (ZAPNUTO) = 1 ms

Dosazením ve výše uvedeném vzorci získáme:

V (out) = 24 x 0,001 / 0,004 = 6V

Proto V (out) = 6V

Nyní zvýšíme čas tranzistoru tím, že t (ON) = 1,5 ms

Proto V (out) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9V

Z výše uvedených příkladů je zřejmé, že v buck převodníku řídí spínací čas tranzistoru t (ON) výstupní napětí nebo požadované Buckovo napětí, takže jakékoli hodnoty mezi 0 a V (in) lze dosáhnout jednoduše vhodným dimenzováním Doba zapnutí spínacího tranzistoru.

Buck Converter pro negativní zásoby

Obvod měniče buck, který jsme dosud diskutovali, je navržen tak, aby vyhovoval aplikacím kladného napájení, protože výstup je schopen generovat kladný potenciál s odkazem na vstupní zem.

U aplikací, které mohou vyžadovat záporné napájení, však může být design mírně upraven a proveden s takovými aplikacemi.

Výše uvedený obrázek ukazuje, že pouhou záměnou poloh induktoru a diody může být výstup z převodníku buck invertován nebo může být záporný s ohledem na dostupný společný zemnící vstup.