Bagaimana Sirkuit Buck-Boost Bekerja

Coba Instrumen Kami Untuk Menghilangkan Masalah





Kita semua telah mendengar banyak tentang rangkaian buck dan boost dan tahu bahwa pada dasarnya rangkaian ini digunakan dalam desain SMP untuk meningkatkan atau menurunkan tegangan yang diberikan pada input. Hal yang menarik tentang teknologi ini adalah ia memungkinkan fungsi di atas dengan pembangkitan panas yang dapat diabaikan yang menghasilkan konversi yang sangat efisien.

Apa itu Buck-Boost, Cara Kerjanya

Mari pelajari konsep di bagian pertama tanpa melibatkan banyak hal teknis sehingga menjadi lebih mudah untuk memahami apa sebenarnya konsep buck boost bahkan bagi seorang pemula.



Di antara tiga topologi fundamental bernama buck, boost, dan buck-boost, yang ketiga lebih populer karena memungkinkan kedua fungsi (buck boost) digunakan melalui satu konfigurasi hanya dengan mengubah pulsa input.

Dalam topologi buck-boost kami terutama memiliki komponen switching elektronik yang bisa dalam bentuk transistor atau mosfet. Komponen ini diaktifkan melalui sinyal yang berdenyut dari rangkaian osilator terintegrasi.



Selain komponen switching di atas, rangkaian memiliki induktor, dioda dan kapasitor sebagai bahan utama.

Semua bagian tersebut tersusun dalam bentuk yang dapat disaksikan pada diagram berikut:

Mengacu pada diagram buck boost di atas, mosfet adalah bagian yang menerima pulsa yang memaksanya untuk beroperasi dalam dua kondisi: status ON dan OFF.

Selama keadaan ON, arus input mendapat jalur yang jelas melalui mosfet dan langsung mencoba melewati induktor karena dioda diposisikan dalam keadaan bias terbalik.

Induktor karena properti yang melekat mencoba untuk membatasi penderitaan mendadak arus dan dalam respon kompensasi menyimpan sejumlah arus di dalamnya.

Sekarang segera setelah mosfet dimatikan maka mosfet akan berada di bawah keadaan OFF yang memblokir setiap bagian dari arus input.

Sekali lagi induktor tidak dapat mengatasi perubahan arus yang tiba-tiba ini dari besaran yang diberikan ke nol, dan sebagai tanggapan untuk mengkompensasi ini, ia menendang balik arus yang tersimpan melalui dioda melintasi output rangkaian.

Dalam prosesnya, arus juga disimpan di kapasitor.

Selama keadaan ON berikutnya dari mosfet, siklus diulangi seperti di atas namun tanpa arus yang tersedia dari induktor, kapasitor melepaskan energi yang tersimpan ke dalam output yang membantu menjaga output tetap stabil ke tingkat yang dioptimalkan.

Anda mungkin bertanya-tanya faktor apa yang menentukan BUCK atau hasil PENINGKATAN pada keluaran? Ini cukup sederhana, itu tergantung pada berapa lama mosfet dibiarkan tetap dalam keadaan ON atau dalam keadaan OFF.

Dengan peningkatan waktu ON mosfets, rangkaian mulai diubah menjadi konverter Boost sementara dengan waktu OFF mosfets melebihi waktu ON menghasilkan rangkaian berperilaku seperti konverter Buck.

Dengan demikian input ke mosfet dapat dilakukan melalui sirkuit PWM yang dioptimalkan untuk mendapatkan transisi yang diperlukan di sirkuit yang sama.

Menjelajahi Topologi Buck / Boost di Sirkuit SMPS Lebih Teknis:

Seperti dibahas di bagian atas, tiga topologi dasar yang populer digunakan dengan catu daya mode sakelar adalah buck, boost, dan buck boost.

Ini pada dasarnya non-terisolasi di mana tahap daya input berbagi basis yang sama dengan bagian daya keluaran. Tentu saja kami juga dapat menemukan versi terisolasi meskipun sangat jarang.

Tiga topologi yang diungkapkan di atas dapat dibedakan secara unik tergantung pada sifat eksklusifnya. Properti dapat diidentifikasi sebagai rasio konversi tegangan kondisi tunak, sifat arus masukan dan keluaran, serta karakter riak tegangan keluaran juga.

Selain itu, respons frekuensi dari duty cycle ke eksekusi tegangan keluaran dapat dianggap sebagai salah satu properti penting.

Di antara tiga topologi yang disebutkan di atas, topologi buck-boost adalah yang paling disukai karena memungkinkan output bekerja dengan voltase kurang dari voltase input (mode buck) dan juga menghasilkan voltase di atas voltase input (mode boost).

Namun tegangan output dapat selalu diperoleh dengan polaritas yang berlawanan dari input, yang tidak menimbulkan masalah apa pun.

Arus input yang diterapkan ke konverter buck boost adalah bentuk arus yang berdenyut karena sakelar daya terkait (Q1).

Di sini arus beralih dari nol ke l selama setiap siklus pulsa. Hal yang sama juga berlaku untuk output dan kami mendapatkan arus berdenyut karena dioda terkait yang berjalan hanya dalam satu arah, menyebabkan situasi berdenyut ON dan OFF selama siklus switching .

Kapasitor bertanggung jawab untuk menyediakan arus kompensasi ketika dioda dalam keadaan OFF atau bias balik selama siklus switching.

Artikel ini menjelaskan fungsionalitas keadaan tunak dari konverter buck-boost dalam mode kontinu dan operasi mode tak kontinu dengan bentuk gelombang teladan yang disajikan.

Fungsionalitas pertukaran tegangan duty-cycle-to-output disajikan setelah pengenalan desain sakelar PWM.

Gambar 1 skema sederhana dari tahap daya buck-boost dengan blok sirkuit penggerak ditambahkan. Sakelar daya, Q1, adalah MOSFET saluran-n. Dioda keluaran adalah CR1.

Induktor, L, dan kapasitor, C, merupakan penyaringan keluaran yang efisien. Kapasitor ESR, RC, (resistansi seri ekivalen) dan resistansi DC induktor, RL, semuanya dianalisis di. Resistor, R, sesuai dengan beban yang diidentifikasi oleh output tingkat daya.

Cara Kerja Sirkuit Buck-Boost SMPS

Dalam menjalankan fungsionalitas reguler dari tahap daya buck-boost, Q1 terus-menerus dihidupkan dan dimatikan dengan waktu hidup dan mati yang diatur oleh sirkuit kontrol.

Perilaku switching ini memungkinkan terjadinya rangkaian pulsa di persimpangan Q1, CR1, dan L.

Meskipun induktor, L, dihubungkan ke kapasitor keluaran, C, jika hanya CR1 yang bekerja, filter keluaran L / C yang berhasil dibuat. Ini membersihkan suksesi pulsa untuk menghasilkan tegangan output DC.

Analisis Keadaan Mapan Tahap Buck-Boost

Tingkat daya dapat berfungsi dalam pengaturan arus induktor kontinu atau terputus-putus. Modus arus induktor kontinu diidentifikasi oleh arus terus menerus di induktor melalui urutan switching dalam proses kondisi mapan.

Modus arus induktor terputus-putus diidentifikasi oleh arus induktor tetap nol untuk satu bagian dari siklus switching. Ini dimulai dari nol, meluas ke nilai maksimum, dan kembali ke nol dalam setiap pola pengalihan.

Dua metode berbeda disebutkan dalam detail yang jauh lebih besar setelahnya dan saran model untuk nilai induktor untuk mempertahankan mode fungsionalitas yang dipilih karena kemampuan beban pengenal disajikan. Lebih baik bagi konverter untuk berada dalam format tunggal hanya pada keadaan fungsi yang diprediksi karena respons frekuensi tingkat daya berubah secara substansial antara dua teknik operasi yang berbeda.

Dengan penilaian ini, MOSFET daya n-channel digunakan dan tegangan positif, VGS (ON), disuplai dari Gerbang ke terminal Sumber Q1 oleh sirkuit kontrol untuk menyalakan FET. Manfaat menggunakan n-channel FET adalah RDS-nya yang lebih rendah (on) tetapi sirkuit kontrolnya rumit karena drive yang ditangguhkan menjadi perlu. Untuk ukuran paket yang sama, p-channel FET memiliki RDS (on) yang lebih tinggi tetapi biasanya tidak memerlukan sirkuit penggerak mengambang.

Transistor Q1 dan dioda CR1 diilustrasikan di dalam garis putus-putus dengan terminal bertanda a, p, dan c. Ini dibahas secara menyeluruh di bagian Pemodelan Tahap Daya Buck-Boost.

Analisis Mode Konduksi Berkelanjutan Buck-Boost Steady-State

Berikut ini adalah deskripsi kerja buck boost pada operasi steady-state dengan metode konduksi kontinyu. Tujuan utama dari segmen ini adalah untuk menyajikan penurunan hubungan transformasi tegangan untuk tahap daya buck-boost mode konduksi kontinu.

Ini akan menjadi signifikan karena menunjukkan cara tegangan output ditentukan oleh duty cycle dan tegangan input atau sebaliknya, bagaimana duty cycle dapat ditentukan tergantung pada tegangan input dan tegangan output.

Steady-state berarti tegangan input, tegangan output, arus beban keluaran, dan duty-cycle adalah konstan dan bukan bervariasi. Huruf kapital biasanya diberikan pada label variabel untuk menunjukkan besaran kondisi-mapan. Dalam mode konduksi kontinu, konverter buck-boost mengambil beberapa status per siklus pengalihan.

Status ON setiap kali Q1 ON dan CR1 OFF. Status OFF adalah setiap Q1 OFF dan CR1 ON. Sirkuit linier yang mudah dapat melambangkan masing-masing dari dua keadaan di mana sakelar dalam rangkaian diganti dengan rangkaian yang cocok di setiap keadaan. Diagram sirkuit untuk masing-masing dari dua kondisi tersebut disajikan pada Gambar 2.

Bagaimana Sirkuit Buck Boost Bekerja

Periode kondisi ON adalah D × TS = TON di mana D adalah siklus kerja, ditetapkan oleh rangkaian penggerak, digambarkan dalam bentuk rasio periode saklar ON dengan periode urutan switching penuh tunggal, Ts.

Panjang dari status OFF dikenal sebagai TOFF. Karena seseorang hanya dapat menemukan beberapa kondisi per siklus switching untuk mode konduksi kontinu, TOFF sama dengan (1 − D) × TS. Besarnya (1 − D) kadang-kadang disebut D '. Periode ini disajikan bersama dengan bentuk gelombang pada Gambar 3.

Melihat Gambar 2, selama keadaan ON, Q1 menawarkan resistansi yang berkurang, RDS (on), dari drain ke source dan memanifestasikan penurunan tegangan yang lebih kecil dari VDS = IL × RDS (on).

Selain itu ada sedikit penurunan tegangan pada resistansi dc induktor sama dengan IL × RL.

Dengan demikian, tegangan input, VI, defisit minus, (VDS + IL × RL), dipasang melintasi induktor, L. CR1 OFF dalam periode ini karena akan bias balik.

Arus induktor, IL, melewati dari suplai input, VI, melalui Q1 dan ke ground. Selama keadaan ON, tegangan yang dipasang melintasi induktor adalah konstan dan sama dengan VI - VDS - IL × RL.

Mengikuti norma polaritas untuk IL arus yang disajikan pada Gambar 2, arus induktor meningkat karena tegangan yang dieksekusi. Lebih jauh lagi, karena tegangan yang diterapkan pada dasarnya konsisten, arus induktor naik secara linier. Peningkatan arus induktor ini selama TON ditarik keluar pada Gambar 3.

Tingkat kenaikan arus induktor umumnya ditentukan dengan menggunakan bentuk rumus yang terkenal:

Formula Sirkuit Buck-Boost SMPS

Kenaikan arus induktor selama status ON disajikan sebagai:

Besarnya, ΔIL (+), disebut arus riak induktor. Selanjutnya amati bahwa melalui interval ini, setiap bit arus beban keluaran masuk oleh kapasitor keluaran, C.

Dengan mengacu pada Gambar 2, saat Q1 dalam keadaan OFF, ia menawarkan peningkatan impedansi dari saluran ke sumbernya.

Akibatnya, karena arus yang berjalan di induktor L tidak dapat menyesuaikan secara instan, arus beralih dari Q1 ke CR1. Sebagai hasil dari pengurangan arus induktor, tegangan pada induktor membalikkan polaritas sampai penyearah CR1 berubah menjadi bias maju dan membalik ON.

Tegangan yang terhubung melintasi L berubah menjadi (VO - Vd - IL × RL) di mana besarnya, Vd, adalah penurunan tegangan maju CR1. Arus induktor, IL, pada titik ini melewati dari kapasitor keluaran dan pengaturan resistor beban melalui CR1 dan ke garis negatif.

Perhatikan bahwa kesejajaran CR1 dan jalur sirkulasi arus pada induktor menandakan bahwa arus yang berjalan pada kapasitor keluaran dan pengelompokan resistor beban menyebabkan VO menjadi tegangan minus. Dalam keadaan OFF, tegangan yang terhubung melintasi induktor stabil dan sama dengan (VO - Vd - IL × RL).

Mempertahankan konvensi polaritas kami yang sama, tegangan yang terhubung ini adalah minus (atau terbalik dalam polaritas dari tegangan yang terhubung selama waktu ON), karena fakta bahwa tegangan keluaran VO adalah negatif.

Oleh karena itu, arus induktor menurun sepanjang waktu OFF. Selanjutnya, karena tegangan yang terhubung pada dasarnya stabil, arus induktor berkurang secara linier. Penurunan arus induktor selama TOFF diuraikan pada Gambar 3.

Pengurangan arus induktor melalui situasi OFF disediakan oleh:

Besarnya, ΔIL (-), dapat disebut arus riak induktor. Dalam situasi keadaan stabil, kenaikan arus, ΔIL (+), selama waktu ON dan pengurangan arus melalui waktu OFF, ΔIL (-), harus identik.

Atau, arus induktor dapat menawarkan dorongan atau pengurangan keseluruhan dari siklus ke siklus yang tidak akan menjadi keadaan kondisi yang stabil.

Dengan demikian, kedua persamaan ini dapat disamakan dan dikerjakan agar VO memperoleh bentuk konduksi kontinu dari afiliasi perubahan tegangan buck-boost:

Menentukan VO:

Selain itu, mengganti TS untuk TON + TOFF, dan menggunakan D = TON / TS dan (1 − D) = TOFF / TS, persamaan kondisi-mapan untuk VO adalah:

Perhatikan bahwa dalam menyederhanakan cara di atas, TON + TOFF seharusnya mirip dengan TS. Ini bisa asli hanya untuk mode konduksi kontinu seperti yang akan kita temukan dalam evaluasi mode konduksi terputus-putus. Pengamatan penting harus dilakukan pada saat ini:

Memperbaiki dua nilai ΔIL pada par satu sama lain sama persis dengan meratakan volt-detik pada induktor. Volt-detik yang digunakan pada induktor adalah produk dari tegangan yang digunakan dan periode tegangan yang diterapkan.

Ini bisa menjadi cara paling efektif untuk memperkirakan besaran tak teridentifikasi misalnya VO atau D berkaitan dengan parameter rangkaian umum, dan pendekatan ini akan sering digunakan dalam artikel ini. Volt-detik stabil pada induktor adalah persyaratan alami dan harus dianggap setidaknya sebagai Hukum Ohm.

Dalam persamaan di atas untuk ΔIL (+) dan ΔIL (-), tegangan keluaran secara implisit seharusnya konsisten tanpa tegangan riak AC selama waktu ON dan periode OFF.

Ini adalah penyederhanaan yang diterima dan memerlukan beberapa hasil individu. Pertama, kapasitor keluaran diyakini cukup besar sehingga konversi tegangannya minimal.

Kedua, tegangan ESR kapasitor juga dianggap minimal. Asumsi seperti itu sah karena tegangan riak AC pasti akan jauh lebih rendah daripada bagian DC dari tegangan keluaran.

Perubahan tegangan di atas untuk VO menunjukkan kebenaran bahwa VO dapat diubah dengan menyempurnakan siklus tugas, D.

Koneksi ini mendekati nol saat D mendekati nol dan naik tanpa ditakdirkan saat D mendekati 1. Penyederhanaan yang khas menganggap VDS, Vd, dan RL cukup kecil untuk diabaikan. Menetapkan VDS, Vd, dan RL ke nol, rumus di atas sangat disederhanakan menjadi:

Metode kualitatif yang tidak terlalu rumit untuk menggambarkan operasi rangkaian adalah dengan merenungkan induktor sebagai bagian penyimpanan daya. Setiap kali Q1 menyala, energi dialirkan ke induktor.

Saat Q1 mati, induktor memasok kembali sebagian energinya ke kapasitor dan beban keluaran. Tegangan output diatur dengan menetapkan waktu tepat Q1. Misalnya, dengan menaikkan tepat waktu Q1, jumlah daya yang dikirim ke induktor diperkuat.

Energi tambahan kemudian dikirim ke output selama waktu mati Q1 menyebabkan peningkatan tegangan output. Berbeda dengan tahap daya buck, besaran arus induktor yang khas tidak sama dengan arus keluaran.

Untuk mengaitkan arus induktor dengan arus keluaran, perhatikan Gambar 2 dan 3, perhatikan bahwa arus induktor ke keluaran hanya dalam keadaan off dari tingkat daya.

Arus ini dirata-ratakan pada seluruh urutan switching sama dengan arus keluaran karena perkiraan arus dalam kapasitor keluaran harus sama dengan nol.

Hubungan antara arus induktor rata-rata dan arus keluaran untuk tahap daya buck-boost mode kontinu disediakan oleh:

Sudut pandang penting lainnya adalah fakta arus induktor khas sebanding dengan arus keluaran, dan karena arus riak induktor, ΔIL, tidak terkait dengan arus beban keluaran, nilai arus induktor minimal dan tertinggi mengikuti arus induktor rata-rata dengan tepat.

Sebagai contoh, jika arus induktor rata-rata turun 2A karena pengurangan arus beban, dalam hal ini nilai arus induktor terendah dan tertinggi berkurang 2A (dengan mempertimbangkan mode konduksi kontinu dipertahankan).

Evaluasi sebelumnya adalah untuk fungsionalitas tingkat daya buck-boost dalam mode arus induktor kontinu. Segmen berikut adalah penjelasan fungsionalitas kondisi-mapan dalam mode konduksi terputus-putus. Hasil utama adalah penurunan hubungan konversi tegangan untuk tahap daya buck-boost mode konduksi terputus-putus.

Evaluasi Mode Konduksi Tanpa Kontinu Buck-Boost Steady-State

Kami pada titik ini memeriksa apa yang terjadi di mana arus beban berkurang dan mode konduksi bergeser dari kontinu ke terputus-putus.

Ingat untuk mode konduksi kontinu, arus induktor rata-rata mengikuti arus keluaran, yaitu jika arus keluaran berkurang, dalam hal ini arus induktor rata-rata juga akan berkurang.

Selain itu, puncak arus induktor terendah dan tertinggi mengejar arus induktor rata-rata secara akurat. Dalam hal arus beban keluaran diturunkan di bawah tingkat arus fundamental, arus induktor akan menjadi nol untuk bagian dari urutan switching.

Ini akan terlihat dari bentuk gelombang yang disajikan pada Gambar 3, karena tingkat puncak ke puncak arus riak tidak dapat diubah dengan arus beban keluaran.

Dalam tahap daya buck-boost, jika arus induktor mencoba di bawah nol, itu hanya berhenti di nol (karena gerakan arus searah di CR1) dan berlanjut di sana sampai permulaan tindakan pengalihan berikutnya. Mode kerja ini dikenal sebagai mode konduksi terputus-putus.

Tahap daya yang bekerja dari sirkuit buck boost dalam format konduksi terputus-putus memiliki tiga status berbeda melalui setiap siklus switching berbeda dengan 2 status untuk format konduksi kontinu.

Keadaan arus induktor di mana tingkat daya berada di pinggiran antara pengaturan kontinu dan terputus disajikan pada Gambar 4.

Dalam hal ini arus induktor hanya runtuh ke nol sementara siklus switching berikut dimulai tepat setelah arus mencapai nol. Perhatikan bahwa nilai IO dan IO (Crit) ditunjukkan pada Gambar 4 karena IO dan IL termasuk polaritas yang berlawanan.

Penurunan lebih jauh dari arus beban keluaran mengatur tingkat daya ke dalam pola konduksi terputus-putus. Kondisi ini digambarkan pada Gambar 5.

Respons frekuensi tingkat daya mode terputus sangat berbeda dari respons frekuensi mode berkelanjutan yang disajikan dalam segmen Pemodelan Tingkat Daya Buck-Boost. Selain itu, koneksi input ke output cukup beragam seperti yang disajikan di halaman derivasi ini:

Untuk memulai penurunan rasio perubahan tegangan tingkat daya mode konduksi terputus-putus, ingatlah bahwa Anda memiliki tiga keadaan berbeda yang dipertimbangkan oleh konverter melalui fungsionalitas mode konduksi terputus-putus.

Status ON adalah saat Q1 ON dan CR1 OFF. Status OFF adalah saat Q1 OFF dan CR1 ON. Kondisi IDLE adalah saat Q1 dan CR1 masing-masing OFF. Dua kondisi awal sangat mirip dengan situasi mode kontinu dan sirkuit pada Gambar 2 relevan selain dari TOFF ≠ (1 − D) × TS. Sisa dari urutan pengalihan adalah status IDLE.

Selain itu, resistansi DC dari induktor keluaran, penurunan tegangan maju dioda keluaran, serta penurunan tegangan status MOSFET ON biasanya seharusnya cukup menit untuk diabaikan.

Periode waktu keadaan ON adalah TON = D × TS di mana D adalah siklus kerja, ditetapkan oleh rangkaian kontrol, ditunjukkan sebagai rasio waktu nyala dengan waktu satu urutan switching penuh, Ts. Panjang status OFF adalah TOFF = D2 × TS. Periode IDLE adalah sisa dari pola switching yang ditampilkan sebagai TS - TON - TOFF = D3 × TS. Periode ini disiapkan dengan bentuk gelombang pada Gambar 6.

Tanpa memeriksa deskripsi lengkap, persamaan untuk naik dan turun arus induktor disebutkan di bawah ini. Kenaikan arus induktor selama keadaan ON dikeluarkan oleh:

Kuantitas arus riak, ΔIL (+), juga merupakan arus induktor puncak, Ipk karena dalam mode terputus-putus, arus dimulai pada 0 setiap siklus. Pengurangan arus induktor selama keadaan OFF disajikan oleh:

Sama seperti situasi mode konduksi kontinu, kenaikan arus, ΔIL (+), selama waktu ON dan pengurangan arus saat dalam waktu OFF, ΔIL (-), adalah identik. Jadi, kedua persamaan ini dapat disamakan dan ditujukan agar VO memperoleh awal dari dua persamaan yang akan digunakan untuk menyelesaikan rasio konversi tegangan:

Selanjutnya kita menentukan arus keluaran (tegangan keluaran VO dibagi dengan beban keluaran R). Ini adalah rata-rata selama satu urutan switching dari arus induktor pada saat CR1 menjadi konduktif (D2 × TS).

Di sini, ganti koneksi untuk IPK (ΔIL (+)) ke dalam persamaan di atas untuk memperoleh:

Oleh karena itu kita memiliki dua persamaan, satu untuk arus keluaran (VO dibagi R) baru saja diturunkan dan satu untuk tegangan keluaran, keduanya berkaitan dengan VI, D, dan D2. Kami pada titik ini mengungkap setiap rumus untuk D2 serta menetapkan dua persamaan setara satu sama lain.

Memanfaatkan persamaan resultan dapat diperoleh gambaran tegangan keluaran VO. Afiliasi transformasi tegangan buck-boost mode konduksi terputus ditulis oleh:

Sambungan di atas menampilkan salah satu perbedaan utama antara dua mode konduksi. Untuk mode konduksi terputus-putus, hubungan perubahan tegangan merupakan fungsi dari tegangan input, duty cycle, induktansi tingkat daya, frekuensi switching, dan resistansi beban keluaran.

Untuk mode konduksi kontinu, koneksi perubahan tegangan hanya dipengaruhi oleh tegangan input dan duty cycle. Dalam aplikasi tradisional, tingkat daya buck-boost dijalankan dalam pilihan antara mode konduksi kontinu atau mode konduksi terputus-putus. Untuk penggunaan tertentu, satu mode konduksi dipilih sementara tingkat daya dibuat untuk mempertahankan mode yang sama.




Sebelumnya: Tutorial PIC- Dari Register ke Interrupts Berikutnya: Sirkuit Lampu Darurat Otomatis IC 555