Topologie obvodu je způsob zapojení výkonových zařízení a elektromagnetických součástek v obvodu a na topologii závisí návrh magnetických součástek, návrh kompenzačních obvodů s uzavřenou smyčkou a všechny ostatní návrhy součástek obvodu. Nejzákladnější topologie jsou Buck (buck), Boost (boost) a Buck/Boost (boost/buck), single-ended flyback (izolovaný flyback), forward, push-pull, half-bridge a full-bridge. Changer (měnič). Existuje asi 14 běžných topologií spínaných napájecích zdrojů, z nichž každá má své vlastní vlastnosti a použitelné situace. Princip výběru závisí na tom, zda se jedná o vysoký nebo nízký výkon, vysoké nebo nízké výstupní napětí a zda vyžaduje co nejméně součástek. Pro správný výběr topologie je důležité znát výhody, nevýhody a použitelnost různých topologií. Špatná volba může odsoudit návrh napájecího zdroje k neúspěchu hned na začátku.
V tomto článku se podrobně podíváme na různé aspekty topologií buck, boost a buck-boost. A také shrnutí 20 základních topologií spínaných napájecích zdrojů.
Obsah
Buckův převodník
Na obrázku 1 je schéma nesynchronního buckova měniče. Buckův měnič snižuje své vstupní napětí na nižší výstupní napětí. Při sepnutí spínače Q1 se energie přenáší na výstup.
Obrázek 1: Schéma nesynchronního buckova měniče
Rovnice 1 vypočítá pracovní cyklus:
Rovnice 2 vypočítává maximální napětí tranzistoru s polovodiči na bázi oxidů kovů (MOSFET):
Rovnice 3 udává maximální napětí diody:
Kde Vin je vstupní napětí, Vout je výstupní napětí a Vf je dopředné napětí diody.
Čím větší je rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím, tím účinnější je buckův měnič ve srovnání s lineárním regulátorem nebo regulátorem s nízkým úbytkem napětí (LDO).
Ačkoli má buckův měnič na vstupu pulzní proud, výstupní proud je díky indukčně-kondenzátorovému (LC) filtru umístěnému na výstupu měniče spojitý. V důsledku toho bude zvlnění napětí odražené na vstupu větší ve srovnání se zvlněním na výstupu.
U měničů buck s malými pracovními cykly a výstupními proudy většími než 3A se doporučuje použít synchronní usměrňovače. Pokud váš napájecí zdroj vyžaduje výstupní proud větší než 30 A, doporučuje se použít vícefázové nebo prokládané výkonové stupně, protože se tím minimalizuje namáhání součástek, rozkládá se vzniklé teplo mezi více výkonových stupňů a snižují se odrazy na zvlnění vstupu měniče.
Pracovní cyklus je při použití tranzistorů N-FET omezen, protože při každém spínacím cyklu je třeba dobít zaváděcí kondenzátor. V tomto případě je maximální pracovní cyklus v rozmezí 95-99%.
Buckovy měniče mají obvykle dobrou dynamiku díky své dopředné topologii. Dosažitelná šířka pásma závisí na kvalitě chybového zesilovače a zvolené spínací frekvenci.
Na obrázcích 2 až 7 jsou znázorněny průběhy napětí a proudu FETů, diod a indukčních cívek v nesynchronním buckově řízeném měniči v režimu trvalého vedení (CCM).
Převodník Boost
Zesilovací měnič zvyšuje vstupní napětí na větší výstupní napětí. Pokud spínač Q1 nevede, energie se přenáší na výstup. Na obrázku 8 je schéma nesynchronního zvyšovacího měniče.
Obrázek 8: Schéma nesynchronního posilovacího měniče
Rovnice 4 vypočítá pracovní cyklus:
Rovnice 5 vypočítá maximální napětí MOSFETu:
Rovnice 6 udává maximální napětí diody:
Kde Vin je vstupní napětí, Vout je výstupní napětí a Vf je dopředné napětí diody.
U zesilovacího měniče je vidět pulzní výstupní proud, protože na vstupu je LC filtr. Proto je vstupní proud spojitý a zvlnění výstupního napětí je větší než zvlnění vstupního napětí.
Při návrhu zvyšujícího měniče je důležité vědět, že i když měnič nespíná, existuje trvalé spojení ze vstupu na výstup. Je třeba přijmout opatření na ochranu proti případným zkratům na výstupu.
Pro výstupní proudy větší než 4 A je třeba použít synchronní usměrňovač, který nahradí diodu. Pokud má zdroj poskytovat výstupní proud větší než 10 A, důrazně se doporučuje použít vícefázové nebo prokládané výkonové stupně.
Při provozu v režimu CCM je dynamika posilovacího měniče omezena v důsledku pravé poloroviny nuly (RHPZ) jeho přenosové funkce. Protože RHPZ nelze kompenzovat, bude dosažitelná šířka pásma obvykle menší než jedna pětina až jedna desetina frekvence RHPZ. Viz rovnice 7:
kde Vout je výstupní napětí, D je pracovní cyklus, Iout je výstupní proud a L1 je cívka zesilovacího měniče.
Na obrázcích 9 až 14 jsou znázorněny průběhy napětí a proudu na FETech, diodách a indukčních cívkách v nesynchronním posilovacím měniči v režimu CCM.
Buck-Boost měnič
Měnič buck-boost je kombinací výkonových stupňů buck a boost, které sdílejí stejnou cívku. Viz obrázek 15.
Obrázek 15: Schéma dvouspínačového buck-boost měniče
Topologie buck-boost je praktická, protože vstupní napětí může být menší, větší nebo stejné jako výstupní napětí, což vyžaduje výstupní výkon větší než 50 W.
Pro výstupní výkony nižší než 50 W je cenově výhodnějším řešením měnič s jednou primární indukční cívkou (SEPIC), protože používá méně součástek.
Pokud je vstupní napětí větší než výstupní napětí, pracuje měnič buck-boost v režimu buck; pokud je vstupní napětí menší než výstupní napětí, pracuje v režimu boost. Když měnič pracuje v přenosové oblasti, kde je vstupní napětí v rozsahu výstupního napětí, existují dvě koncepce řešení těchto situací: buď jsou stupně buck a boost aktivní současně, nebo se spínací cykly mezi stupni buck a boost. střídají, přičemž každý z nich obvykle pracuje s poloviční normální spínací frekvencí. Druhá koncepce může na výstupu vyvolat subharmonický šum, a přestože přesnost výstupního napětí nemusí být ve srovnání s běžným buckovým nebo boostovým provozem tak přesná, měnič bude ve srovnání s první koncepcí účinnější.
Topologie buck-boost má pulzující proudy jak na vstupu, tak na výstupu, protože v obou směrech nejsou LC filtry.
U měniče buck-boost lze výpočty pro výkonový stupeň buck a boost použít odděleně.
Buck-boost měniče se dvěma spínači jsou vhodné pro výkony od 50 W do 100 W (jako LM5118), se synchronním usměrněním až do 400 W (stejně jako LM5175). Doporučuje se použít synchronní usměrňovač se stejným proudovým omezením jako nekombinovaný výkonový stupeň buck a boost.
Je třeba navrhnout kompenzační síť měniče buck-boost pro stupeň boost, protože RHPZ omezuje šířku pásma regulátoru.
Zdroj: Texas Instruments
Doplněk: Srovnání 20 topologií spínaných napájecích zdrojů
1. Běžné základní topologie:
■ Buck
■ Zvýšení
■ Buck-Boost Buck-Boost
■ Flyback
■ dopředu
■ Dvoutranzistorový forward
■ Push-Pull push-pull
■ Poloviční most Poloviční most
■ Full Bridge Full Bridge
■ SEPIC
■C'uk
2. Základní průběh šířkově pulzní modulace
Tyto topologie souvisejí se spínacími obvody. Základní průběh pulzně šířkové modulace je definován takto:
3. Buck snižuje krevní tlak
Vlastnosti:
■ Snížení vstupního napětí na nižší hodnotu
■ pravděpodobně nejjednodušší obvod
■ Induktorový/kondenzátorový filtr zplošťuje čtvercovou vlnu po přepnutí
■ výstup je vždy menší nebo roven vstupu
■ Vstupní proud je nespojitý (sekání)
■ Vyhlazování výstupního proudu
4. Zvyšte
Vlastnosti:
■ zvýšení vstupního napětí na vyšší hodnotu
■ Stejný jako buck, ale s přeskupenou indukční cívkou, spínačem a diodou
■ Výstup je vždy větší nebo roven vstupu (bez ohledu na úbytek napětí na diodě).
■ Vyhlazování vstupního proudu
■ Výstupní proud je nespojitý (sekání)
5. Buck-Boost
Vlastnosti:
■Jiné uspořádání induktorů, spínačů a diod
■ kombinuje nevýhody buck a boost obvodů
■ Vstupní proud je nespojitý (sekání)
■ výstupní proud také není spojitý (sekání)
■ Výstup je vždy opačný než vstup (všimněte si polarity kondenzátoru), ale amplituda může být menší nebo větší než na vstupu.
■ Měnič "flyback" je vlastně izolovaná (transformátorem spojená) forma obvodu buck-boost.
6. Flyback
Vlastnosti:
■ Funguje jako obvod buck-boost, ale induktor má dvě vinutí a funguje jako transformátor i jako induktor.
■ Výstup může být kladný nebo záporný, což je dáno polaritou cívky a diody.
■ Výstupní napětí může být větší nebo menší než vstupní napětí, což je dáno poměrem závitů transformátoru.
■ Jedná se o nejjednodušší z topologií izolace.
■ přidáním sekundárních vinutí a obvodů lze získat více výstupů.
7. Forward
Vlastnosti:
■ Transformátorová spojka ve formě snižovacího obvodu.
■ Nespojitý vstupní proud, plynulý výstupní proud.
■ Díky transformátoru může být výstup větší nebo menší než vstup a může mít libovolnou polaritu.
■ Sčítáním sekundárních vinutí a obvodů lze získat více výstupů.
■ Jádro transformátoru musí být během každého spínacího cyklu demagnetizováno. Běžnou praxí je přidání vinutí se stejným počtem závitů jako primární vinutí.
■ Energie uložená v primární indukčnosti během zapínací fáze se uvolňuje prostřednictvím přídavného vinutí a diody během vypínací fáze.
8. Dvoutranzistorový forward
Vlastnosti:
■ Oba spínače pracují současně.
■ Když se spínač otevře, energie uložená v transformátoru obrátí polaritu primáru, což způsobí, že dioda vede.
Hlavní výhoda:
■ Napětí na každém spínači nikdy nepřekročí vstupní napětí.
■ Není třeba znovu nastavovat navíjecí dráhu.
9. Push-Pull
Vlastnosti:
■ Spínač (FET) je řízen mimo fázi a k regulaci výstupního napětí se provádí pulzně šířková modulace (PWM).
■ Dobré využití jádra transformátoru - výkon je přenášen v obou půlcyklech.
■ Plnovlnná topologie, takže výstupní frekvence zvlnění je dvojnásobkem frekvence transformátoru.
■ Napětí přivedené na FET je dvojnásobkem vstupního napětí.
10. Polomůstek
Vlastnosti:
■ Velmi běžná topologie pro měniče vyšších výkonů.
■ Spínač (FET) je řízen mimo fázi a k regulaci výstupního napětí se provádí pulzně šířková modulace (PWM).
■ Dobré využití jádra transformátoru - výkon je přenášen v obou půlcyklech. Míra využití primárního vinutí je navíc lepší než u obvodu push-pull.
■ Plnovlnná topologie, takže výstupní frekvence zvlnění je dvojnásobkem frekvence transformátoru.
■ Napětí přivedené na FET se rovná vstupnímu napětí.
11. Full-Bridge
Vlastnosti:
■ Nejběžnější topologie pro měniče vyšších výkonů.
■ Spínače (FET) jsou řízeny v diagonálních párech a šířkově pulzně modulovány (PWM) pro regulaci výstupního napětí.
■ Dobré využití jádra transformátoru - výkon je přenášen v obou půlcyklech.
■ Plnovlnná topologie, takže výstupní frekvence zvlnění je dvojnásobkem frekvence transformátoru.
■ Napětí přivedené na FETy je rovno vstupnímu napětí.
■ Při daném výkonu je primární proud poloviční než u polovičního můstku.
12. SEPIC měnič s jednou primární indukční cívkou
Vlastnosti:
■ Výstupní napětí může být větší nebo menší než vstupní napětí.
■ Stejně jako u zesilovacího obvodu je vstupní proud plynulý, ale výstupní proud je nespojitý.
■ Energie se přenáší ze vstupu na výstup prostřednictvím kapacity.
■ Jsou zapotřebí dvě indukční cívky.
13. C'uk (patent Slobodana C'uk)
Vlastnosti:
■ Výstupní inverze
■ Amplituda výstupního napětí může být větší nebo menší než vstupní.
■ Vstupní i výstupní proudy jsou hladké.
■ Energie se přenáší ze vstupu na výstup prostřednictvím kapacity.
■ Jsou zapotřebí dvě indukční cívky.
■ Induktory lze spojit, aby se dosáhlo nulového zvlnění indukčního proudu.
14. Podrobnosti o provozu obvodu
V následujícím textu jsou vysvětleny pracovní podrobnosti několika topologií:
■ Buckův regulátor: spojité vedení, kritické vedení, přerušované vedení
■ Regulátor Boost (kontinuální vedení)
■ provoz transformátoru
■ zpětný transformátor
■ dopředný transformátor
15. Regulátor Buck-step-down - nepřetržité vedení
Vlastnosti:
■ Proud induktorem je spojitý.
■ Vout je střední hodnota jeho vstupního napětí (V1).
■ Výstupní napětí je vstupní napětí vynásobené pracovním poměrem spínače (D).
■ Při zapnutí teče z baterie indukční proud.
■ Když je spínač otevřený, protéká diodou proud.
■ Při zanedbání ztrát ve spínači a induktoru je D nezávislý na proudu zátěže.
■ Charakteristiky buckových regulátorů a jejich derivačních obvodů jsou:
Vstupní proud je nespojitý (sekání) a výstupní proud je spojitý (vyhlazování).
16. Buck-step-down regulátor - kritická vodivost
■ Indukční proud je stále trvalý, ale po opětovném zapnutí spínače "dosáhne" nuly. Tomu se říká "kritické vedení". Výstupní napětí je stále rovno vstupnímu napětí krát D.
17. Regulátor Buck-step-down - nespojité vedení
■ V tomto případě je proud v induktoru po část každého cyklu nulový.
■ Výstupní napětí je stále (vždy) průměrnou hodnotou v1.
■ Výstupní napětí není součinem vstupního napětí a pracovního poměru spínače (D).
■ Pokud je proud zátěže nižší než kritická hodnota, mění se D se zátěžovým proudem (zatímco Vout zůstává konstantní).
18. Regulátor zvýšení výkonu
■ Výstupní napětí je vždy větší (nebo rovno) vstupnímu napětí.
■ Vstupní proud je spojitý, výstupní proud je nespojitý (na rozdíl od buck regulátoru).
■ Vztah mezi výstupním napětím a pracovním poměrem (D) není tak jednoduchý jako u buckova regulátoru. V případě spojitého vedení:
V tomto příkladu je Vin = 5, Vout = 15 a D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.
19. Provoz transformátoru (včetně úlohy primární indukčnosti)
■ Transformátor je považován za ideální transformátor, jehož primární (magnetizační) indukčnost je připojena paralelně k primáru.
20. Zpětný transformátor
■ Zde je primární indukčnost nízká a slouží k určení špičkového proudu a akumulované energie. Když se primární spínač otevře, energie se přenese do sekundáru.
21. Transformátor pro přímou konverzi
■ Primární indukčnost je vysoká, protože není třeba ukládat energii.
■ Magnetizační proud (i1) teče do "magnetizační cívky" a způsobuje demagnetizaci jádra (obrácení směru napětí) po otevření primárního spínače.
22. Shrnutí
■ Zde je uveden přehled nejběžnějších topologií obvodů, které se v současné době používají při konverzi spínaných zdrojů.
■ Existuje mnoho dalších topologií, ale většinou se jedná o kombinace nebo varianty zde popsaných topologií.
■ Každá topologie zahrnuje jedinečné kompromisy při návrhu:
1) Napětí přivedené na spínač
2) Řezání a vyhlazování vstupního a výstupního proudu
3) Využití vinutí
■ Výběr nejlepší topologie vyžaduje průzkum:
1) Rozsah vstupního a výstupního napětí
2) Aktuální rozsah
3) Poměr nákladů k výkonu, velikosti a hmotnosti
