De topologie van een circuit is de manier waarop voedingsapparaten en elektromagnetische componenten in een circuit zijn aangesloten. Het ontwerp van magnetische componenten, het ontwerp van een circuit met gesloten luscompensatie en alle andere ontwerpen van circuitcomponenten zijn afhankelijk van de topologie. De meest basale topologieën zijn Buck (buck), Boost (boost) en Buck/Boost (boost/buck), single-ended flyback (geïsoleerde flyback), forward, push-pull, halfbridge en full-bridge. Wisselaar. Er zijn ongeveer 14 gangbare topologieën van schakelende voedingen, elk met hun eigen kenmerken en toepasbare situaties. Het selectieprincipe hangt af van of het gaat om hoog vermogen of laag vermogen, hoogspanningsuitgang of laagspanningsuitgang, en of er zo weinig mogelijk componenten nodig zijn. Om op de juiste manier een topologie te kiezen, is het belangrijk om bekend te zijn met de voordelen, nadelen en toepasbaarheid van verschillende topologieën. Een verkeerde keuze kan het ontwerp van een voeding vanaf het begin doen mislukken.
In dit artikel gaan we dieper in op verschillende aspecten van buck-, boost- en buck-boosttopologieën. En een overzicht van 20 basistopologieën van schakelende voedingen.
Inhoudsopgave
Buck-omzetter
Figuur 1 is een schematisch diagram van een niet-synchrone buck converter. Een buck converter verlaagt zijn ingangsspanning tot een lagere uitgangsspanning. Wanneer schakelaar Q1 wordt ingeschakeld, wordt energie overgedragen naar de uitgang.
Afbeelding 1: Schema niet-synchrone buck converter
Vergelijking 1 berekent de duty cycle:
Vergelijking 2 berekent de maximale spanning van de metaaloxidehalfgeleider-veldeffecttransistor (MOSFET):
Vergelijking 3 geeft de maximale diodespanning:
Waarin Vin de ingangsspanning is, Vout de uitgangsspanning en Vf de doorlaatspanning van de diode.
Hoe groter het verschil tussen de ingangsspanning en de uitgangsspanning, hoe efficiënter een buck converter is in vergelijking met een lineaire regelaar of een regelaar met lage uitval (LDO).
Hoewel de buck converter een gepulseerde stroom aan de ingang heeft, is de uitgangsstroom continu vanwege het inductor-capacitor (LC) filter aan de uitgang van de converter. Hierdoor zal de spanningsrimpel die wordt teruggekaatst naar de ingang groter zijn dan de rimpel aan de uitgang.
Voor buck converters met kleine duty cycles en uitgangsstromen van meer dan 3 A wordt het aanbevolen om synchrone gelijkrichters te gebruiken. Als je voeding een uitgangsstroom van meer dan 30 A vereist, wordt het aanbevolen om meerfasige of interleaved vermogenstrappen te gebruiken omdat dit de spanning op componenten minimaliseert, de warmte die wordt gegenereerd over meerdere vermogenstrappen verdeelt en reflecties op de ingangsrimpel van de converter vermindert.
De duty cycle is beperkt bij gebruik van N-FET's omdat de bootstrapcondensator bij elke schakelcyclus moet worden opgeladen. In dit geval ligt de maximale duty cycle in het bereik van 95-99%.
Buck-converters hebben meestal een goede dynamiek vanwege hun voorwaartse topologie. De haalbare bandbreedte hangt af van de kwaliteit van de foutversterker en de gekozen schakelfrequentie.
De afbeeldingen 2 tot en met 7 tonen de spannings- en stroomgolfvormen van de FET's, diodes en spoelen in een niet-synchrone buck converter in continue geleidingsmodus (CCM).
Boost-omzetter
Een boost converter verhoogt de ingangsspanning naar een grotere uitgangsspanning. Als schakelaar Q1 niet geleidt, wordt er energie naar de uitgang gestuurd. Figuur 8 is een schematisch diagram van een niet-synchrone boost converter.
Afbeelding 8: Schema niet-synchrone boost converter
Vergelijking 4 berekent de duty cycle:
Vergelijking 5 berekent de maximale spanning op de MOSFET:
Vergelijking 6 geeft de maximale diodespanning:
Waarin Vin de ingangsspanning is, Vout de uitgangsspanning en Vf de doorlaatspanning van de diode.
Bij een boost converter kun je de gepulste uitgangsstroom zien omdat het LC filter aan de ingang zit. Daarom is de ingangsstroom continu en is de rimpeling van de uitgangsspanning groter dan de rimpeling van de ingangsspanning.
Bij het ontwerpen van een boost converter is het belangrijk om te weten dat, zelfs als de converter niet schakelt, er een permanente verbinding is van de ingang naar de uitgang. Er moeten voorzorgsmaatregelen worden genomen om te beschermen tegen mogelijke kortsluitingen aan de uitgang.
Voor uitgangsstromen van meer dan 4 A moet een synchrone gelijkrichter worden gebruikt om de diode te vervangen. Als de voeding een uitgangsstroom van meer dan 10 A moet leveren, wordt het sterk aanbevolen om meerfasige of interleaved vermogenstrappen te gebruiken.
Wanneer de boostconverter in CCM-modus werkt, is de dynamiek beperkt door het rechter halve vlak nul (RHPZ) van zijn overdrachtsfunctie. Omdat RHPZ niet kan compenseren, is de haalbare bandbreedte meestal minder dan een vijfde tot een tiende van de RHPZ-frequentie. Zie vergelijking 7:
waarbij Vout de uitgangsspanning is, D de duty cycle, Iout de uitgangsstroom en L1 de spoel van de boost converter.
Figuren 9 tot 14 tonen de spannings- en stroomgolfvormen van de FET's, diodes en spoelen in de niet-synchrone boost converter in CCM-modus.
Buck-Boost omvormer
Een buck-boost converter is een combinatie van buck en boost vermogenstrappen die dezelfde spoel delen. Zie afbeelding 15.
Afbeelding 15: Schema buck-boost converter met twee schakelaars
De buck-boost topologie is praktisch omdat de ingangsspanning kleiner, groter of gelijk aan de uitgangsspanning kan zijn, waardoor een uitgangsvermogen van meer dan 50W nodig is.
Voor uitgangsvermogens van minder dan 50 W is de SEPIC (single-ended primary inductor converter) een meer kosteneffectieve optie omdat deze minder componenten gebruikt.
Wanneer de ingangsspanning hoger is dan de uitgangsspanning, werkt de buck-boost converter in buck-modus; wanneer de ingangsspanning lager is dan de uitgangsspanning, werkt de converter in boost-modus. Wanneer de converter werkt in het transmissiegebied waar de ingangsspanning binnen het bereik van de uitgangsspanning ligt, zijn er twee concepten om met deze situaties om te gaan: ofwel de buck- en boost-fasen zijn gelijktijdig actief, ofwel de schakelcycli tussen de buck- en boost-fasen wisselen elkaar af, waarbij elke fase gewoonlijk op de helft van de normale schakelfrequentie werkt. Het tweede concept kan subharmonische ruis opwekken aan de uitgang en hoewel de nauwkeurigheid van de uitgangsspanning misschien niet zo nauwkeurig is in vergelijking met normale buck- of boost-werking, zal de converter efficiënter zijn in vergelijking met het eerste concept.
De buck-boost topologie heeft pulserende stromen aan zowel de ingang als de uitgang omdat er geen LC-filters zijn in beide richtingen.
Voor een buck-boost converter kunnen de buck- en boost-eindtrapberekeningen afzonderlijk worden gebruikt.
Buck-boost converters met twee schakelaars zijn geschikt voor vermogens tussen 50W en 100W (zoals de LM5118), met synchrone gelijkrichting tot 400W (zoals de LM5175). Het wordt aanbevolen om een synchrone gelijkrichter te gebruiken met dezelfde stroomlimiet als de ongecombineerde buck en boost eindtrap.
Je moet het compensatienetwerk van de buck-boost converter ontwerpen voor de boost-fase omdat de RHPZ de bandbreedte van de regelaar beperkt.
Bron: Texas Instruments
Supplement: Vergelijking van 20 topologieën voor schakelende voedingen
1. Algemene basistopologieën:
Buck
■ Boost
■ Buck-Boost Buck-Boost
Flyback
■ Vooruit
■ Twee-transistor vooruit
■ Push-Pull push-pull
■ Halve brug Halve brug
■ Volledige brug Volledige brug
SEPIC
C'uk
2. Basisgolfvorm pulsbreedtemodulatie
Deze topologieën zijn gerelateerd aan schakelkringen. De basisgolfvorm van pulsbreedtemodulatie is als volgt gedefinieerd:
3. Buck verlaagt de bloeddruk
Kenmerken:
■ De ingang verlagen naar een lagere spanning
■ Mogelijk het eenvoudigste circuit
■ Inductor-/condensatorfilter vlakt de blokgolf na het schakelen af
De uitvoer is altijd kleiner dan of gelijk aan de invoer
■ Ingangsstroom is discontinu (chopping)
■ Uitgangsstroom afvlakking
4. Boost
Kenmerken:
■ De ingang opvoeren naar een hogere spanning
■ Zelfde als buck, maar herschikte spoel, schakelaar en diode
■ De uitgang is altijd groter dan of gelijk aan de ingang (zonder rekening te houden met de spanningsval van de diode)
■ Ingangsstroomafvlakking
■ Uitgangsstroom is discontinu (chopping)
5. Buck-Boost
Kenmerken:
■Een andere opstelling van spoelen, schakelaars en diodes
Combineert de nadelen van buck- en boostschakelingen
■ Ingangsstroom is discontinu (chopping)
■ De uitgangsstroom is ook niet continu (chopping)
■ De uitgang is altijd tegengesteld aan de ingang (let op de polariteit van de condensator), maar de amplitude kan kleiner of groter zijn dan de ingang
Een "flyback"-omzetter is eigenlijk een geïsoleerde (transformatorkoppeling) vorm van een buck-boostschakeling.
6. Flyback
Kenmerken:
■ Werkt als een buck-boostschakeling, maar de spoel heeft twee wikkelingen en werkt zowel als transformator als spoel
■ De uitgang kan positief of negatief zijn, bepaald door de polariteit van de spoel en de diode.
■ De uitgangsspanning kan groter of kleiner zijn dan de ingangsspanning, bepaald door de omwentelingsverhouding van de transformator.
■ Dit is de eenvoudigste van de isolatietopologieën
■ Meerdere uitgangen kunnen worden verkregen door secundaire wikkelingen en circuits toe te voegen
7. Voorwaarts
Kenmerken:
Transformatorkoppeling vorm van step-down circuit.
■ Discontinue ingangsstroom, vloeiende uitgangsstroom.
■ Door de transformator kan de uitgang groter of kleiner zijn dan de ingang en kan de polariteit om het even zijn.
■ Meerdere uitgangen kunnen worden verkregen door secundaire wikkelingen en circuits toe te voegen.
De transformatorkern moet tijdens elke schakelcyclus gedemagnetiseerd worden. Het is gebruikelijk om een wikkeling toe te voegen met hetzelfde aantal windingen als de primaire wikkeling.
■ De energie die tijdens de inschakelfase in de primaire inductantie is opgeslagen, wordt tijdens de uitschakelfase vrijgegeven via de extra wikkeling en de diode.
8. Twee-transistor vooruit
Kenmerken:
Beide schakelaars werken tegelijkertijd.
■ Wanneer de schakelaar opent, keert de in de transformator opgeslagen energie de polariteit van de primaire om, waardoor de diode gaat geleiden.
Het grootste voordeel:
■ De spanning over elke schakelaar is nooit hoger dan de ingangsspanning.
■ Het is niet nodig om het wikkelspoor opnieuw in te stellen.
9. Push-Pull
Kenmerken:
■ De schakelaar (FET) wordt uit fase gestuurd en pulsbreedtemodulatie (PWM) wordt uitgevoerd om de uitgangsspanning te regelen.
■ Goed gebruik van de transformatorkern - het vermogen wordt in beide halve cycli overgedragen.
Volledig-golftopologie, dus de uitgangsrimpelfrequentie is tweemaal de transformatorfrequentie.
■ De spanning op de FET is tweemaal de ingangsspanning.
10. Halfbrug
Kenmerken:
Zeer gebruikelijke topologie voor hogere vermogensomzetters.
■ De schakelaar (FET) wordt uit fase gestuurd en pulsbreedtemodulatie (PWM) wordt uitgevoerd om de uitgangsspanning te regelen.
■ Goede benutting van de transformatorkern - het vermogen wordt in beide halfcycli overgedragen. Bovendien is de bezettingsgraad van de primaire wikkeling beter dan die van de push-pull schakeling.
Volledig-golftopologie, dus de uitgangsrimpelfrequentie is tweemaal de transformatorfrequentie.
■ De spanning op de FET is gelijk aan de ingangsspanning.
11. Full-Bridge
Kenmerken:
Meest voorkomende topologie voor hogere vermogensomzetters.
De schakelaars (FET's) worden aangedreven in diagonale paren en pulsbreedtemodulatie (PWM) om de uitgangsspanning te regelen.
■ Goed gebruik van de transformatorkern - het vermogen wordt in beide halve cycli overgedragen.
Volledig-golftopologie, dus de uitgangsrimpelfrequentie is tweemaal de transformatorfrequentie.
■ De spanning op de FET's is gelijk aan de ingangsspanning.
■ Bij een gegeven vermogen is de primaire stroom de helft van die van een halve brug.
12. SEPIC-omvormer met enkelvoudige primaire inductor
Kenmerken:
De uitgangsspanning kan groter of kleiner zijn dan de ingangsspanning.
Net als bij de boostschakeling is de ingangsstroom vloeiend, maar de uitgangsstroom discontinu.
■ Energie wordt overgedragen van ingang naar uitgang via capaciteit.
Er zijn twee spoelen nodig.
13. C'uk (octrooi van Slobodan C'uk)
Kenmerken:
■ Uitgang inversie
■ De amplitude van de uitgangsspanning kan groter of kleiner zijn dan de ingangsspanning.
■ Zowel de ingangs- als uitgangsstromen zijn vloeiend.
■ Energie wordt overgedragen van ingang naar uitgang via capaciteit.
Er zijn twee spoelen nodig.
Inductoren kunnen gekoppeld worden om een nulrimpelinductorstroom te verkrijgen.
14. Details van de werking van het circuit
Hieronder wordt de werking van verschillende topologieën uitgelegd:
■ Buck-regelaar: continue geleiding, kritische geleiding, onderbroken geleiding
■ Boost-regelaar (continue geleiding)
■ Transformatorwerking
■ Flybacktransformator
■ Voorwaartse transformator
15. Buck-step-down regelaar-continue geleiding
Kenmerken:
■ De inductorstroom is continu.
Vout is de gemiddelde waarde van zijn ingangsspanning (V1).
De uitgangsspanning is de ingangsspanning vermenigvuldigd met de inschakelverhouding van de schakelaar (D).
■ Wanneer ingeschakeld, vloeit er inductorstroom van de batterij.
■ Er stroomt stroom door de diode wanneer de schakelaar open is.
■ Als we de verliezen in de schakelaar en spoel verwaarlozen, is D onafhankelijk van de belastingsstroom.
■ De kenmerken van buckregulatoren en hun afgeleide circuits zijn:
De ingangsstroom is discontinu (chopping) en de uitgangsstroom is continu (smoothing).
16. Buck-step-down regelaar-kritische geleidbaarheid
De inductorstroom is nog steeds continu, maar "bereikt" nul wanneer de schakelaar opnieuw wordt ingeschakeld. Dit wordt "kritische geleiding" genoemd. De uitgangsspanning is nog steeds gelijk aan de ingangsspanning maal D.
17. Buck-step-down regelaar-continue geleiding
■ In dit geval is de stroom in de spoel nul gedurende een deel van elke cyclus.
■ De uitgangsspanning is nog steeds (altijd) de gemiddelde waarde van v1.
De uitgangsspanning is niet de ingangsspanning maal de inschakelverhouding van de schakelaar (D).
Wanneer de belastingsstroom lager is dan de kritische waarde, verandert D met de belastingsstroom (terwijl Vout constant blijft).
18. Boost-boostregelaar
De uitgangsspanning is altijd groter dan (of gelijk aan) de ingangsspanning.
■ Ingangsstroom is continu, uitgangsstroom is discontinu (in tegenstelling tot een buck regulator).
■ De relatie tussen uitgangsspanning en duty ratio (D) is niet zo eenvoudig als in een buck-regelaar. In het geval van continue geleiding:
In dit voorbeeld is Vin = 5, Vout = 15 en D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.
19. Werking van transformatoren (inclusief de rol van primaire inductantie)
■ De transformator wordt beschouwd als een ideale transformator met zijn primaire (magnetiserende) inductantie parallel geschakeld met de primaire.
20. Flybacktransformator
■ De primaire inductantie is hier laag en wordt gebruikt om de piekstroom en opgeslagen energie te bepalen. Wanneer de primaire schakelaar opent, wordt energie overgedragen naar de secundaire.
21. Voorwaartse conversietransformator
■ De primaire inductantie is hoog omdat er geen energie moet worden opgeslagen.
■ De magnetiseringsstroom (i1) vloeit in de "magnetiseringsspoel", waardoor de kern demagnetiseert (spanningsomkering) nadat de primaire schakelaar wordt geopend.
22. Samenvatting
■ De meest voorkomende circuittopologieën die momenteel worden gebruikt voor de conversie van schakelende voedingen worden hier besproken.
Er zijn veel meer topologieën, maar meestal combinaties of variaties van de hier beschreven topologieën.
Elke topologie gaat gepaard met unieke ontwerpcompromissen:
1) De spanning op de schakelaar
2) Ingangs- en uitgangsstroom afknippen en afvlakken
3) Gebruik van de wikkeling
■ Om de beste topologie te kiezen, is onderzoek nodig naar:
1) Ingangs- en uitgangsspanningsbereik
2) Huidig bereik
3) Verhouding tussen kosten en prestaties, grootte en gewicht
