Топология цепи - это способ соединения силовых устройств и электромагнитных компонентов в цепи. От топологии зависит проектирование магнитных компонентов, проектирование схем компенсации замкнутого контура и всех других компонентов цепи. Самые основные топологии: Buck (buck), Boost (boost) и Buck/Boost (boost/buck), односторонний flyback (изолированный flyback), forward, push-pull, half-bridge и full-bridge. Изменитель. Существует около 14 распространенных топологий импульсных источников питания, каждая из которых имеет свои характеристики и применимые ситуации. Принцип выбора зависит от того, будет ли это источник питания большой мощности или малой мощности, с высоким или низким выходным напряжением, а также от того, требуется ли для него как можно меньше компонентов. Чтобы правильно выбрать топологию, важно знать преимущества, недостатки и применимость различных топологий. Неправильный выбор может с самого начала обречь конструкцию источника питания на неудачу.
В этой статье мы подробно рассмотрим различные аспекты топологий buck, boost и buck-boost. А также кратко опишем 20 основных топологий импульсных источников питания.
Оглавление
Бак-преобразователь
На рисунке 1 представлена схема несинхронного преобразователя типа buck. Преобразователь типа buck понижает входное напряжение до более низкого выходного напряжения. Когда переключатель Q1 включается, энергия передается на выход.
Рисунок 1: Схема несинхронного преобразователя типа "buck
Уравнение 1 позволяет рассчитать рабочий цикл:
Уравнение 2 позволяет рассчитать максимальное напряжение полевого транзистора на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET):
Уравнение 3 дает максимальное напряжение диода:
Где Vin - входное напряжение, Vout - выходное напряжение, а Vf - прямое напряжение диода.
Чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем более эффективен преобразователь типа buck по сравнению с линейным регулятором или регулятором с низким падением напряжения (LDO).
Несмотря на то, что на входе преобразователя импульсный ток, выходной ток является непрерывным благодаря индуктивно-емкостному (LC) фильтру, расположенному на выходе преобразователя. В результате пульсации напряжения, отраженные на входе, будут больше, чем пульсации на выходе.
Для преобразователей с малым рабочим циклом и выходным током более 3 А рекомендуется использовать синхронные выпрямители. Если ваш источник питания требует выходного тока более 30 А, рекомендуется использовать многофазные или чередующиеся каскады питания, так как это минимизирует напряжение компонентов, распределяет выделяемое тепло между несколькими каскадами питания и уменьшает отражения на входных пульсациях преобразователя.
При использовании N-FET рабочий цикл ограничен, поскольку бутстрап-конденсатор необходимо перезаряжать при каждом цикле переключения. В этом случае максимальный рабочий цикл находится в диапазоне 95-99%.
Преобразователи Buck обычно обладают хорошей динамикой благодаря их топологии прямого хода. Достижимая полоса пропускания зависит от качества усилителя ошибки и выбранной частоты переключения.
На рисунках 2-7 показаны осциллограммы напряжения и тока FET, диодов и индуктивности в несинхронном преобразователе типа "buck" в режиме непрерывной проводимости (CCM).
Повышающий преобразователь
Повышающий преобразователь увеличивает входное напряжение до большего выходного. Когда переключатель Q1 не работает, энергия передается на выход. На рисунке 8 представлена схема несинхронного повышающего преобразователя.
Рисунок 8: Схема несинхронного повышающего преобразователя
Уравнение 4 позволяет рассчитать рабочий цикл:
Уравнение 5 позволяет рассчитать максимальное напряжение МОП-транзистора:
Уравнение 6 дает максимальное напряжение диода:
Где Vin - входное напряжение, Vout - выходное напряжение, а Vf - прямое напряжение диода.
При использовании повышающего преобразователя вы можете видеть импульсный выходной ток, поскольку на входе стоит LC-фильтр. Поэтому входной ток является непрерывным, а пульсации выходного напряжения больше, чем пульсации входного напряжения.
При проектировании повышающего преобразователя важно знать, что даже когда преобразователь не переключается, между входом и выходом существует постоянное соединение. Необходимо принять меры предосторожности для защиты от возможного короткого замыкания на выходе.
При выходном токе более 4 А вместо диода следует использовать синхронный выпрямитель. Если источник питания должен обеспечивать выходной ток более 10 А, настоятельно рекомендуется использовать многофазные или чередующиеся каскады питания.
При работе в режиме CCM динамика повышающего преобразователя ограничена из-за нуля правой полуплоскости (RHPZ) его передаточной функции. Поскольку RHPZ не может компенсировать, достижимая полоса пропускания обычно составляет менее одной пятой - одной десятой частоты RHPZ. См. уравнение 7:
где Vout - выходное напряжение, D - рабочий цикл, Iout - выходной ток, L1 - индуктивность повышающего преобразователя.
На рис. 9-14 показаны осциллограммы напряжения и тока FET, диодов и индуктивности в несинхронном повышающем преобразователе в режиме CCM.
Преобразователь Buck-Boost
Преобразователь типа "buck-boost" представляет собой комбинацию каскадов питания "buck" и "boost" с одним и тем же индуктором. См. рисунок 15.
Рисунок 15: Схема двухкоммутационного буст-преобразователя
Топология buck-boost практична, поскольку входное напряжение может быть меньше, больше или таким же, как выходное, что требует выходной мощности более 50 Вт.
Для выходной мощности менее 50 Вт более экономичным вариантом является односторонний первичный индукторный преобразователь (SEPIC), поскольку в нем используется меньше компонентов.
Когда входное напряжение больше выходного, преобразователь работает в режиме "buck-boost"; когда входное напряжение меньше выходного, он работает в режиме "boost". Когда преобразователь работает в области пропускания, где входное напряжение находится в пределах диапазона выходного напряжения, существует две концепции для обработки таких ситуаций: либо каскады "buck" и "boost" работают одновременно, либо циклы переключения между каскадами "buck" и "boost" чередуются, каждый из которых обычно работает на половине нормальной частоты переключения. Вторая концепция может вызывать субгармонический шум на выходе, и хотя точность выходного напряжения может быть не такой точной по сравнению с обычным режимом работы, преобразователь будет более эффективным по сравнению с первой концепцией.
Топология buck-boost имеет пульсирующие токи как на входе, так и на выходе, поскольку в ней отсутствуют LC-фильтры в обоих направлениях.
Для преобразователя типа "buck-boost" расчеты каскадов питания "buck" и "boost" могут использоваться отдельно.
Buck-boost-преобразователи с двумя переключателями подходят для диапазона мощности от 50 до 100 Вт (как LM5118), с синхронным выпрямлением - до 400 Вт (как LM5175). Рекомендуется использовать синхронный выпрямитель с таким же предельным током, как и у некомбинированных buck- и boost-каскадов.
Вам необходимо разработать компенсационную сеть для повышающего каскада преобразователя buck-boost, поскольку RHPZ ограничивает полосу пропускания регулятора.
Источник: Texas Instruments
Дополнение: Сравнение 20 топологий импульсных источников питания
1. Общие базовые топологии:
■ Бак
■ Boost
■ Buck-Boost Buck-Boost
■ Flyback
■ Вперед
■ Двухтранзисторный форвард
■ Push-Pull push-pull
■ Полумост Полумост
■ Полный мост Полный мост
■ SEPIC
■C'uk
2. Базовая форма волны широтно-импульсной модуляции
Эти топологии относятся к коммутационным схемам. Базовая форма волны широтно-импульсной модуляции определяется следующим образом:
3. Бак снижает кровяное давление
Особенности:
■ Уменьшите входное напряжение до более низкого
■ Возможно, самая простая схема
■ Индукторно-конденсаторный фильтр сглаживает квадратную волну после переключения
■ Выход всегда меньше или равен входу
■ Входной ток прерывистый (прерывистый)
■ Сглаживание выходного тока
4. Увеличить
Особенности:
■ Повышение входного напряжения до более высокого уровня
■ То же самое, что и в схеме buck, но с перестановкой индуктора, переключателя и диода.
■ Выход всегда больше или равен входу (без учета прямого падения напряжения на диоде)
■ Сглаживание входного тока
■ Выходной ток прерывистый (прерывистый)
5. Buck-Boost
Особенности:
■ Другое расположение индукторов, переключателей и диодов
■ Сочетает в себе недостатки схем с понижающим и повышающим током
■ Входной ток прерывистый (прерывистый)
■ Выходной ток также не является непрерывным (прерывистый)
■ Выход всегда противоположен входу (обратите внимание на полярность конденсатора), но амплитуда может быть меньше или больше, чем на входе
■ Преобразователь "flyback" на самом деле является изолированной (с трансформатором) формой схемы "buck-boost".
6. Flyback
Особенности:
■ Работает как схема buck-boost, но индуктор имеет две обмотки, действуя одновременно как трансформатор и как индуктор
■ Выход может быть положительным или отрицательным, что определяется полярностью катушки и диода.
■ Выходное напряжение может быть больше или меньше входного, что определяется коэффициентом трансформации трансформатора.
■ Это самая простая из топологий изоляции.
■ Можно получить несколько выходов путем добавления вторичных обмоток и цепей
7. Вперед
Особенности:
■ Форма трансформаторной связи понижающей цепи.
■ Непрерывный входной ток, плавный выходной ток.
■ Благодаря трансформатору выходной сигнал может быть больше или меньше входного, а также иметь любую полярность.
■ Можно получить несколько выходов путем добавления вторичных обмоток и цепей.
■ Сердечник трансформатора должен размагничиваться во время каждого цикла переключения. Обычно для этого добавляют обмотку с тем же числом витков, что и первичная обмотка.
■ Энергия, накопленная в индуктивности первичной обмотки в фазе включения, высвобождается через дополнительную обмотку и диод в фазе выключения.
8. Двухтранзисторный форвард
Особенности:
■ Оба переключателя работают одновременно.
■ Когда выключатель размыкается, энергия, накопленная в трансформаторе, меняет полярность первичной обмотки, заставляя диод проводить ток.
Главное преимущество:
■ Напряжение на каждом переключателе никогда не превышает входное напряжение.
■ Нет необходимости переустанавливать дорожку подмотки.
9. Push-Pull
Особенности:
■ Переключатель (FET) приводится в действие вне фазы, и для регулирования выходного напряжения выполняется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
■ Хорошее использование сердечника трансформатора - мощность передается в обоих полуциклах.
■ Полноволновая топология, поэтому частота пульсаций на выходе в два раза выше частоты трансформатора.
■ Напряжение, приложенное к FET, в два раза больше входного напряжения.
10. Полумост
Особенности:
■ Очень распространенная топология для преобразователей большой мощности.
■ Переключатель (FET) приводится в действие вне фазы, и для регулирования выходного напряжения выполняется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).
■ Хорошее использование сердечника трансформатора - мощность передается в обоих полуциклах. Более того, коэффициент использования первичной обмотки лучше, чем у схемы "push-pull".
■ Полноволновая топология, поэтому частота пульсаций на выходе в два раза выше частоты трансформатора.
■ Напряжение, приложенное к FET, равно входному напряжению.
11. Полномостовой
Особенности:
■ Наиболее распространенная топология для преобразователей большой мощности.
■ Переключатели (FET) управляются диагональными парами и с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) регулируют выходное напряжение.
■ Хорошее использование сердечника трансформатора - мощность передается в обоих полуциклах.
■ Полноволновая топология, поэтому частота пульсаций на выходе в два раза выше частоты трансформатора.
■ Напряжение, приложенное к FET, равно входному напряжению.
■ При заданной мощности первичный ток вдвое меньше, чем у полумоста.
12. Односторонний первичный индукторный преобразователь SEPIC
Особенности:
■ Выходное напряжение может быть больше или меньше входного.
■ Как и в повышающей цепи, входной ток плавный, но выходной ток прерывистый.
■ Энергия передается от входа к выходу через емкость.
■ Требуется два индуктора.
13. C'uk (патент Слободана C'uk)
Особенности:
■ Инверсия выхода
■ Амплитуда выходного напряжения может быть больше или меньше входного.
■ Входной и выходной токи плавные.
■ Энергия передается от входа к выходу через емкость.
■ Требуется два индуктора.
■ Индукторы могут быть соединены для получения нулевой пульсации тока индуктора.
14. Детали работы схемы
Ниже описаны детали работы нескольких топологий:
■ Регулятор Buck: непрерывная проводимость, критическая проводимость, прерывистая проводимость
■ Буст-регулятор (непрерывная проводимость)
■ Работа трансформатора
■ Обратный трансформатор
■ Трансформатор прямого хода
15. Регулятор с шаговым понижением напряжения - непрерывная проводимость
Особенности:
■ Ток индуктора является непрерывным.
■ Vout - среднее значение входного напряжения (V1).
■ Выходное напряжение равно входному напряжению, умноженному на коэффициент использования переключателя (D).
■ При включении ток в индукторе течет от батареи.
■ Ток протекает через диод, когда переключатель разомкнут.
■ Без учета потерь в коммутаторе и индукторе, D не зависит от тока нагрузки.
■ Характеристики регуляторов и производных от них цепей:
Входной ток является прерывистым (прерывание), а выходной ток - непрерывным (сглаживание).
16. Ступенчатый регулятор с критической проводимостью
■ Ток в индукторе остается непрерывным, но при повторном включении выключателя "достигает" нуля. Это называется "критической проводимостью". Выходное напряжение по-прежнему равно входному напряжению, умноженному на D.
17. Регулятор со ступенчатым понижением напряжения - непрерывная проводимость
■ В этом случае ток в индукторе равен нулю в течение части каждого цикла.
■ Выходное напряжение по-прежнему (всегда) является средним значением v1.
■ Выходное напряжение не равно входному напряжению, умноженному на коэффициент использования переключателя (D).
■ Когда ток нагрузки ниже критического значения, D изменяется вместе с током нагрузки (при этом Vout остается постоянным).
18. Регулятор усиления
■ Выходное напряжение всегда больше (или равно) входному напряжению.
■ Входной ток непрерывный, выходной ток прерывистый (в отличие от регулятора типа "buck").
■ Взаимосвязь между выходным напряжением и коэффициентом использования (D) не так проста, как в регуляторе типа "buck". В случае непрерывной проводимости:
В этом примере Vin = 5, Vout = 15, а D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.
19. Работа трансформатора (включая роль индуктивности первичной обмотки)
■ Трансформатор рассматривается как идеальный трансформатор с индуктивностью первичной обмотки (намагничивающей), подключенной параллельно первичной обмотке.
20. Flyback трансформатор
■ Здесь индуктивность первичной обмотки мала и используется для определения пикового тока и накопленной энергии. Когда первичный выключатель размыкается, энергия передается во вторичный.
21. Трансформатор прямого преобразования
■ Первичная индуктивность высока, поскольку нет необходимости накапливать энергию.
■ Ток намагничивания (i1) протекает в "намагничивающем индукторе", вызывая размагничивание сердечника (изменение направления напряжения) после размыкания первичного выключателя.
22. Резюме
■ Здесь рассматриваются наиболее распространенные топологии схем, используемые в настоящее время в импульсных источниках питания.
■ Существует множество других топологий, но в основном это комбинации или вариации описанных здесь топологий.
■ Каждая топология предполагает уникальные компромиссы при проектировании:
1) Напряжение, подаваемое на выключатель
2) Измельчение и сглаживание входного и выходного тока
3) Использование обмотки
■ Выбор оптимальной топологии требует исследования:
1) Диапазон входного и выходного напряжения
2) Диапазон тока
3) Соотношение стоимости и производительности, размера и веса
