Πώς λειτουργούν τα κυκλώματα Buck-Boost

Όλοι έχουμε ακούσει πολλά για τα κυκλώματα buck και boost και γνωρίζουμε ότι βασικά αυτά τα κυκλώματα χρησιμοποιούνται σε σχέδια SMPS για να ανεβαίνουν ή να κατεβαίνουν μια δεδομένη τάση στην είσοδο. Το ενδιαφέρον για αυτήν την τεχνολογία είναι ότι επιτρέπει τις παραπάνω λειτουργίες με αμελητέα παραγωγή θερμότητας που οδηγεί σε εξαιρετικά αποδοτικές μετατροπές.

Τι είναι το Buck-Boost, πώς λειτουργεί

Ας μάθουμε την ιδέα στην πρώτη ενότητα χωρίς να περιλάβουμε πολλές τεχνικές ώστε να γίνει πιο εύκολο να κατανοήσουμε τι είναι ακριβώς η ιδέα ενίσχυσης ακόμη και σε έναν αρχάριο.

Μεταξύ των τριών θεμελιωδών τοπολογιών που ονομάζονται buck, boost και buck-boost, η τρίτη είναι πιο δημοφιλής, δεδομένου ότι επιτρέπει και τις δύο λειτουργίες (buck boost) να χρησιμοποιηθούν μέσω μίας διαμόρφωσης, αλλάζοντας μόνο τους παλμούς εισόδου.

Στην τοπολογία buck-boost έχουμε κυρίως ένα ηλεκτρονικό στοιχείο μεταγωγής που μπορεί να έχει τη μορφή τρανζίστορ ή mosfet. Αυτό το στοιχείο αλλάζει μέσω παλμικού σήματος από ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα ταλαντωτή.

Εκτός από το παραπάνω στοιχείο μεταγωγής, το κύκλωμα έχει ως κύριο συστατικό έναν επαγωγέα, μια δίοδο και έναν πυκνωτή.

Όλα αυτά τα μέρη είναι διατεταγμένα με τη μορφή που μπορεί να παρατηρηθεί στο ακόλουθο διάγραμμα:

Αναφερόμενοι στο παραπάνω διάγραμμα ενίσχυσης buck, το mosfet είναι το μέρος που δέχεται τους παλμούς που το αναγκάζουν να λειτουργήσει υπό δύο συνθήκες: κατάσταση ON και OFF.

Κατά τη διάρκεια της κατάστασης ON, το ρεύμα εισόδου παίρνει μια σαφή διαδρομή μέσω του mosfet και προσπαθεί αμέσως να το κάνει πέρα ​​από τον επαγωγέα καθώς η δίοδος είναι τοποθετημένη στην αντίστροφη προκατειλημμένη κατάσταση.

Ο επαγωγέας λόγω της έμφυτης ιδιοκτησίας του προσπαθεί να περιορίσει την ξαφνική εισροή ρεύματος και σε μια αντισταθμιστική απόκριση αποθηκεύει κάποια ποσότητα ρεύματος σε αυτό.

Τώρα μόλις το mosfet είναι απενεργοποιημένο, πηγαίνει κάτω από την κατάσταση OFF μπλοκάροντας οποιοδήποτε πέρασμα του ρεύματος εισόδου.

Και πάλι ο επαγωγέας δεν μπορεί να αντεπεξέλθει σε αυτήν την ξαφνική αλλαγή ρεύματος από δεδομένο μέγεθος σε μηδέν και σε απόκριση για την αντιστάθμιση αυτού, κλωτσάει το αποθηκευμένο ρεύμα μέσω της διόδου κατά μήκος της εξόδου του κυκλώματος.

Στη διαδικασία, το ρεύμα αποθηκεύεται επίσης στον πυκνωτή.

Κατά την επόμενη κατάσταση ON του mosfet, ο κύκλος επαναλαμβάνεται όπως παραπάνω, αλλά χωρίς διαθέσιμο ρεύμα από τον επαγωγέα, ο πυκνωτής εκφορτώνει την αποθηκευμένη ενέργεια στην έξοδο που βοηθά στη διατήρηση της εξόδου σταθερή στον βελτιστοποιημένο βαθμό.

Ίσως αναρωτιέστε ποιος παράγοντας αποφασίζει τα αποτελέσματα BUCK ή BOOST στην έξοδο; Είναι αρκετά απλό, εξαρτάται από το πόσο καιρό το mosfet επιτρέπεται να παραμείνει στην κατάσταση ON ή στην κατάσταση OFF.

Με την αύξηση του χρόνου ενεργοποίησης του mosfets, το κύκλωμα αρχίζει να μετατρέπεται σε μετατροπέα Boost, ενώ με το χρόνο απενεργοποίησης του mosfets να υπερβαίνει τον χρόνο ON, το κύκλωμα συμπεριφέρεται σαν μετατροπέας Buck.

Έτσι, η είσοδος στο mosfet μπορεί να γίνει μέσω ενός βελτιστοποιημένου κυκλώματος PWM για τη λήψη των απαιτούμενων μεταβάσεων στο ίδιο κύκλωμα.

Εξερεύνηση της τοπολογίας Buck / Boost σε κυκλώματα SMPS πιο τεχνικά:

Όπως συζητήθηκε στην παραπάνω ενότητα, οι τρεις θεμελιώδεις τοπολογίες που χρησιμοποιούνται ευρέως με τα τροφοδοτικά λειτουργίας διακόπτη είναι οι ενισχύσεις buck, boost και buck.

Αυτά είναι βασικά μη απομονωμένα στα οποία το στάδιο ισχύος εισόδου μοιράζεται μια κοινή βάση με το τμήμα ισχύος εξόδου. Φυσικά θα μπορούσαμε επίσης να βρούμε μεμονωμένες εκδόσεις αν και αρκετά σπάνιες.

Οι παραπάνω εκφρασμένες τρεις τοπολογίες μπορούν να διακριθούν μοναδικά ανάλογα με τις αποκλειστικές τους ιδιότητες. Οι ιδιότητες μπορούν να προσδιοριστούν ως οι λόγοι μετατροπής τάσης σταθερής κατάστασης, η φύση των ρευμάτων εισόδου και εξόδου και ο χαρακτήρας του κυματισμού τάσης εξόδου.

Επιπλέον, η απόκριση συχνότητας του κύκλου λειτουργίας στην εκτέλεση τάσης εξόδου μπορεί να θεωρηθεί ως μία από τις σημαντικές ιδιότητες.

Μεταξύ των προαναφερόμενων τριών τοπολογιών, η τοπολογία ενίσχυσης buck είναι η πιο προτιμώμενη επειδή επιτρέπει στην έξοδο να λειτουργεί τάσεις μικρότερες από την τάση εισόδου (λειτουργία buck) και επίσης να παράγει τάσεις πάνω από την τάση εισόδου (λειτουργία ώθησης).

Ωστόσο, η τάση εξόδου μπορεί να αποκτηθεί πάντα με την αντίθετη πολικότητα από την είσοδο, η οποία δεν δημιουργεί κανένα πρόβλημα.

Το εφαρμοζόμενο ρεύμα εισόδου σε έναν μετατροπέα ώθησης buck είναι η μορφή παλμικού ρεύματος λόγω της αλλαγής του σχετικού διακόπτη ισχύος (Q1).

Εδώ το ρεύμα αλλάζει από μηδέν σε l σε κάθε κύκλο παλμών. Το ίδιο ισχύει και για την έξοδο και λαμβάνουμε παλμικό ρεύμα λόγω της σχετικής δίοδος που διεξάγεται μόνο σε μία κατεύθυνση, προκαλώντας παλμική κατάσταση ON και OFF κατά τη διάρκεια του κύκλου μεταγωγής .

Ο πυκνωτής είναι υπεύθυνος για την παροχή του αντισταθμιστικού ρεύματος όταν η δίοδος βρίσκεται σε κατάσταση OFF ή σε αντίστροφη προκατειλημμένη κατάσταση κατά τη διάρκεια των κύκλων μεταγωγής.

Αυτό το άρθρο εξηγεί τη λειτουργία σταθερής κατάστασης του μετατροπέα buck-boost σε λειτουργία συνεχούς λειτουργίας και ασυνεχούς λειτουργίας με παραδειγματικές κυματομορφές.

Η λειτουργία εναλλαγής τάσης κύκλου-προς-εξόδου παρουσιάζεται μετά την εισαγωγή του σχεδιασμού διακόπτη PWM.

Σχήμα 1 ένα απλοϊκό σχήμα του σταδίου ισχύος buck-boost με προσθήκη μπλοκ κυκλώματος κίνησης. Ο διακόπτης τροφοδοσίας, Q1, είναι ένα N-channel MOSFET. Η δίοδος εξόδου είναι CR1.

Ο επαγωγέας, L, και ο πυκνωτής, C, αποτελούν το αποτελεσματικό φιλτράρισμα εξόδου. Ο πυκνωτής ESR, RC, (ισοδύναμη αντίσταση σειράς) και η αντίσταση DC επαγωγέα, RL, αναλύονται όλα στο. Η αντίσταση, R, αντιστοιχεί στο φορτίο που προσδιορίζεται από την έξοδο του σταδίου ισχύος.

Κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας του σταδίου ισχύος, το Q1 ενεργοποιείται και απενεργοποιείται συνεχώς με τους χρόνους ενεργοποίησης και απενεργοποίησης που διέπονται από το κύκλωμα ελέγχου.

Αυτή η συμπεριφορά αλλαγής επιτρέπει σε μια αλυσίδα παλμών στη διασταύρωση των Q1, CR1 και L.

Ακόμα κι αν ο επαγωγέας, L, είναι συνδεδεμένος με τον πυκνωτή εξόδου, C, εάν διεξάγεται μόνο CR1, δημιουργείται ένα επιτυχημένο φίλτρο εξόδου L / C. Καθαρίζει τη διαδοχή των παλμών με αποτέλεσμα την τάση εξόδου DC.

Ανάλυση Σταθερής Κατάστασης Buck-Boost Stage

Ένα στάδιο ισχύος μπορεί να λειτουργεί σε συνεχή ή ασυνεχή ρύθμιση ρεύματος επαγωγέα. Η λειτουργία συνεχούς ρεύματος επαγωγέα αναγνωρίζεται από συνεχές ρεύμα στον επαγωγέα πάνω από την ακολουθία μεταγωγής σε διαδικασία σταθερής κατάστασης.

Η λειτουργία ασυνεχούς επαγωγικού ρεύματος αναγνωρίζεται από το ρεύμα επαγωγέα που παραμένει μηδέν για ένα τμήμα του κύκλου μεταγωγής. Ξεκινά από το μηδέν, εκτείνεται σε μια μέγιστη τιμή και επιστρέφει στο μηδέν κατά τη διάρκεια κάθε μοτίβου εναλλαγής.

Οι δύο ξεχωριστές μέθοδοι αναφέρονται με πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια στη συνέχεια και προτάσεις μοντέλου για την τιμή επαγωγέα για τη διατήρηση ενός επιλεγμένου τρόπου λειτουργικότητας καθώς παρουσιάζεται η ικανότητα ονομαστικού φορτίου. Είναι μάλλον ευνοϊκό για έναν μετατροπέα να βρίσκεται σε μία μόνο μορφή μόνο στις προβλεπόμενες συνθήκες λειτουργίας του, καθώς η απόκριση συχνότητας σταδίου ισχύος αλλάζει ουσιαστικά μεταξύ των δύο διαφορετικών τεχνικών λειτουργίας.

Με αυτήν την εκτίμηση, χρησιμοποιείται μια ισχύς καναλιού MOSFET και μια θετική τάση, VGS (ON), παρέχεται από την πύλη στους ακροδέκτες πηγής του Q1 από το κύκλωμα ελέγχου για να ενεργοποιήσετε το FET. Το πλεονέκτημα της χρήσης ενός καναλιού FET είναι το χαμηλότερο RDS (ενεργοποιημένο), ωστόσο το κύκλωμα ελέγχου είναι δύσκολο επειδή μια αναστολή κίνησης καθίσταται απαραίτητη. Για τις ίδιες διαστάσεις πακέτου, ένα Ρ-κανάλι FET διαθέτει ένα υψηλότερο RDS (on), ωστόσο, συνήθως δεν απαιτούν κυκλώματα κινητής κίνησης.

Το τρανζίστορ Q1 και η δίοδος CR1 απεικονίζονται μέσα σε μια διακεκομμένη γραμμή με ακροδέκτες με ετικέτες a, p και c. Συζητείται διεξοδικά στο τμήμα μοντελοποίησης Buck-Boost Power Stage.

Ανάλυση λειτουργίας συνεχούς αγωγιμότητας σταθερής κατάστασης Buck-Boost

Το παρακάτω είναι μια περιγραφή της ενίσχυσης buck που λειτουργεί στη λειτουργία σταθερής κατάστασης με τη μέθοδο συνεχούς αγωγής. Ο πρωταρχικός στόχος αυτού του τμήματος θα ήταν να παρουσιάσει μια παραγωγή της σχέσης μετασχηματισμού τάσης για το στάδιο ισχύος συνεχούς λειτουργίας αγωγού ώθησης.

Αυτό θα είναι σημαντικό δεδομένου ότι υποδεικνύει τον τρόπο προσδιορισμού της τάσης εξόδου από τον κύκλο λειτουργίας και την τάση εισόδου ή αντίθετα, πώς ο κύκλος λειτουργίας θα μπορούσε να προσδιοριστεί ανάλογα με την τάση εισόδου και την τάση εξόδου.

Σταθερή κατάσταση σημαίνει ότι η τάση εισόδου, τάση εξόδου, ρεύμα φορτίου εξόδου και κύκλος λειτουργίας είναι σταθερές σε αντίθεση με τις μεταβολές. Τα κεφαλαία γράμματα συνήθως παρέχονται σε μεταβλητές ετικέτες για να υποδηλώνουν ένα μέγεθος σταθερής κατάστασης. Σε συνεχή λειτουργία αγωγής, ο μετατροπέας buck-boost παίρνει μερικές καταστάσεις ανά κύκλο μεταγωγής.

Η κατάσταση ON είναι κάθε φορά που το Q1 είναι ON και το CR1 είναι OFF. Η κατάσταση OFF είναι κάθε φορά που το Q1 είναι OFF και το CR1 είναι ON. Ένα εύκολο γραμμικό κύκλωμα θα μπορούσε να συμβολίζει καθεμία από τις δύο καταστάσεις στις οποίες οι διακόπτες στο κύκλωμα αντικαθίστανται από το αντίστοιχο κύκλωμα κατά τη διάρκεια κάθε κατάστασης. Το διάγραμμα κυκλώματος για καθεμία από τις δύο συνθήκες παρουσιάζεται στο σχήμα 2.

Η περίοδος της συνθήκης ON είναι D × TS = TON στον οποίο D είναι ο κύκλος λειτουργίας, καθοριζόμενος από το κύκλωμα κίνησης, που απεικονίζεται με τη μορφή αναλογίας της περιόδου ενεργοποίησης προς την περίοδο μίας πλήρους ακολουθίας μεταγωγής, Ts.

Το μήκος της κατάστασης OFF είναι γνωστό ως TOFF. Επειδή μπορεί κανείς να βρει μόνο δύο συνθήκες ανά κύκλο εναλλαγής για λειτουργία συνεχούς αγωγιμότητας, το TOFF ισούται με (1 − D) × TS. Το μέγεθος (1 − D) καλείται περιστασιακά D ’. Αυτές οι περίοδοι παρουσιάζονται μαζί με τις κυματομορφές στο σχήμα 3.

Κοιτάζοντας το Σχήμα 2, κατά τη διάρκεια της κατάστασης ON, το Q1 προσφέρει μειωμένη αντίσταση, RDS (on), από την αποστράγγιση στην πηγή και εκδηλώνει μια μικρότερη πτώση τάσης VDS = IL × RDS (on).

Επιπλέον, υπάρχει μια μικρή πτώση τάσης στην αντίσταση dc του επαγωγέα ίση με IL × RL.

Με αυτόν τον τρόπο, η τάση εισόδου, VI, μείον τα ελλείμματα, (VDS + IL × RL), τίθεται κατά μήκος του επαγωγέα, το L. CR1 είναι απενεργοποιημένο εντός αυτής της περιόδου, καθώς θα ήταν αντίστροφη μεροληψία.

Το ρεύμα επαγωγής, IL, περνά από την παροχή εισόδου, VI, μέσω του Q1 και στη γείωση. Κατά τη διάρκεια της κατάστασης ΟΝ, η τάση που τίθεται κατά μήκος του επαγωγέα είναι σταθερή και ίδια με την VI - VDS - IL × RL.

Ακολουθώντας τον κανόνα πολικότητας για την τρέχουσα IL που παρουσιάζεται στο Σχήμα 2, το ρεύμα πηνίου αυξάνει λόγω της εκτελεσμένης τάσης. Επιπλέον, επειδή η εφαρμοζόμενη τάση είναι ουσιαστικά συνεπής, το ρεύμα επαγωγής αυξάνεται γραμμικά. Αυτή η αύξηση του ρεύματος πηνίου κατά τη διάρκεια του TON παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.

Το επίπεδο με το οποίο αυξάνει το ρεύμα επαγωγέα καθορίζεται γενικά χρησιμοποιώντας μια μορφή του γνωστού τύπου:

Η τρέχουσα αύξηση του επαγωγέα κατά τη διάρκεια της κατάστασης ON παρουσιάζεται ως:

Αυτό το μέγεθος, ΔIL (+), ονομάζεται ρεύμα κυματισμού επαγωγέα. Επιπλέον, παρατηρήστε ότι μέσω αυτού του διαστήματος, κάθε κομμάτι του ρεύματος φορτίου εξόδου εισέρχεται από τον πυκνωτή εξόδου, C.

Αναφορικά με το Σχήμα 2, ενώ το Q1 είναι απενεργοποιημένο, προσφέρει αυξημένη σύνθετη αντίσταση από την αποστράγγιση στην πηγή.

Κατά συνέπεια, επειδή το ρεύμα που τρέχει στον πηνίο L δεν μπορεί να ρυθμιστεί αμέσως, το ρεύμα αλλάζει από Q1 σε CR1. Ως αποτέλεσμα του μειωμένου ρεύματος πηνίου, η τάση κατά μήκος του επαγωγέα αντιστρέφει την πολικότητα έως ότου ο ανορθωτής CR1 μετατραπεί σε μεροληπτική προς τα εμπρός και αναποδογυρίσει.

Η τάση που συνδέεται κατά μήκος L μετατρέπεται σε (VO - Vd - IL × RL) στην οποία το μέγεθος, Vd, είναι η εμπρός πτώση τάσης του CR1. Το επαγωγικό ρεύμα, IL, σε αυτό το σημείο περνά από τη διάταξη πυκνωτή εξόδου και αντίστασης φορτίου μέσω CR1 και στην αρνητική γραμμή.

Παρατηρήστε ότι η ευθυγράμμιση του CR1 και η διαδρομή της κυκλοφορίας ρεύματος στον επαγωγέα υποδηλώνει ότι το ρεύμα που τρέχει στην ομάδα πυκνωτή εξόδου και αντιστάσεως φορτίου οδηγεί στο VO να είναι μείον τάση. Κατά τη διάρκεια της κατάστασης OFF, η τάση που συνδέεται κατά μήκος του επαγωγέα είναι σταθερή και ίδια με (VO - Vd - IL × RL).

Διατηρώντας τη συνήθη πολικότητά μας, αυτή η συνδεδεμένη τάση είναι μείον (ή αντίστροφη σε πολικότητα από τη συνδεδεμένη τάση κατά τη διάρκεια του χρόνου ON), λόγω του γεγονότος ότι η τάση εξόδου VO είναι αρνητική.

Επομένως, το ρεύμα πηνίου μειώνεται καθ 'όλη τη διάρκεια του OFF. Επιπλέον, επειδή η συνδεδεμένη τάση είναι βασικά σταθερή, το ρεύμα επαγωγής μειώνεται γραμμικά. Αυτή η μείωση του ρεύματος πηνίου κατά τη διάρκεια του TOFF περιγράφεται στο σχήμα 3.

Η μείωση ρεύματος επαγωγέα μέσω της κατάστασης OFF παρέχεται από:

Αυτό το μέγεθος, ΔIL (-), μπορεί να ονομαστεί ρεύμα κυματισμού επαγωγέα. Σε καταστάσεις σταθερής κατάστασης, η τρέχουσα άνοδος, ΔIL (+), κατά τη διάρκεια του χρόνου ON και η τρέχουσα μείωση μέσω του χρόνου OFF, ΔIL (-), πρέπει να είναι ίδια.

Ή αλλιώς, το ρεύμα επαγωγέα θα μπορούσε να προσφέρει μια συνολική ώθηση ή μείωση από κύκλο σε κύκλο που δεν θα ήταν μια κατάσταση σταθερής κατάστασης.

Έτσι, και οι δύο αυτές εξισώσεις μπορούν να εξισωθούν και να υποβληθούν σε επεξεργασία για να αποκτήσει η VO τη συνεχή μορφή αγωγού αλλαγής τάσης μετάδοσης τάσης:

Προσδιορισμός για VO:

Επίσης, αντικαθιστώντας το TS με TON + TOFF και χρησιμοποιώντας D = TON / TS και (1 − D) = TOFF / TS, η εξίσωση σταθερής κατάστασης για το VO είναι:

Παρατηρήστε ότι για την απλοποίηση των παραπάνω, το TON + TOFF υποτίθεται ότι είναι παρόμοιο με το TS. Αυτό μπορεί να είναι γνήσιο μόνο για λειτουργία συνεχούς αγωγιμότητας, όπως θα ανακαλύψουμε στην αξιολόγηση της ασυνεχούς λειτουργίας αγωγιμότητας. Ένας ουσιαστικός έλεγχος πρέπει να γίνει σε αυτό το σημείο:

Ο καθορισμός των δύο τιμών ΔΙ στο ίδιο επίπεδο είναι ακριβώς ισοδύναμος με την εξισορρόπηση των βολτ-δευτερολέπτων στον επαγωγέα. Τα βολτ-δευτερόλεπτα που χρησιμοποιούνται στον επαγωγέα είναι το προϊόν της τάσης που χρησιμοποιείται και η περίοδος για την οποία εφαρμόζεται η τάση.

Αυτός μπορεί να είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για την εκτίμηση μη αναγνωρισμένων μεγεθών, για παράδειγμα VO ή D σε σχέση με κοινές παραμέτρους κυκλώματος, και αυτή η προσέγγιση θα χρησιμοποιείται συχνά σε αυτό το άρθρο. Η σταθεροποίηση βολτ-δευτερολέπτου στον επαγωγέα είναι μια φυσική απαίτηση και θα πρέπει να θεωρείται τουλάχιστον επιπρόσθετα ως Ohms Law.

Στις παραπάνω εξισώσεις για ΔIL (+) και ΔIL (-), η τάση εξόδου υποτίθεται σιωπηρά ότι ήταν συνεπής χωρίς καμία τάση κυματισμού AC καθ 'όλη τη διάρκεια του χρόνου ON και της περιόδου OFF.

Αυτή είναι μια αποδεκτή απλοποίηση και συνεπάγεται μερικά μεμονωμένα αποτελέσματα. Πρώτον, ο πυκνωτής εξόδου πιστεύεται ότι είναι αρκετά μεγάλος ώστε η μετατροπή τάσης του να είναι ελάχιστη.

Δεύτερον, η τάση του πυκνωτή ESR θεωρείται επιπλέον ότι είναι ελάχιστη. Τέτοιες υποθέσεις είναι νόμιμες, καθώς η τάση κυματισμού AC θα είναι σίγουρα σημαντικά χαμηλότερη από το τμήμα DC της τάσης εξόδου.

Η παραπάνω αλλαγή τάσης για το VO καταδεικνύει την αλήθεια ότι το VO θα μπορούσε να τροποποιηθεί με τη ρύθμιση του κύκλου λειτουργίας, D.

Αυτή η σύνδεση πλησιάζει το μηδέν καθώς το D φτάνει κοντά στο μηδέν και ανεβαίνει χωρίς να προορίζεται καθώς το D πλησιάζει το 1. Μια τυπική απλοποίηση θεωρεί ότι τα VDS, Vd και RL είναι αρκετά μικρά ώστε να παραμεληθούν. Με τον καθορισμό VDS, Vd και RL στο μηδέν, ο παραπάνω τύπος απλοποιεί αισθητά:

Μια λιγότερο περίπλοκη, ποιοτική μέθοδος για την απεικόνιση της λειτουργίας του κυκλώματος θα ήταν να θεωρήσουμε τον επαγωγέα ως μέρος αποθήκευσης ισχύος. Κάθε φορά που το Q1 είναι ενεργοποιημένο, η ενέργεια χύνεται πάνω από τον επαγωγέα.

Ενώ το Q1 είναι απενεργοποιημένο, ο επαγωγέας παρέχει πίσω μέρος της ενέργειας του στον πυκνωτή εξόδου και φορτίο. Η τάση εξόδου ρυθμίζεται με τον καθορισμό του on-time του Q1. Για παράδειγμα, αυξάνοντας την ώρα του Q1, ενισχύεται η ποσότητα ισχύος που αποστέλλεται στον επαγωγέα.

Επιπλέον ενέργεια αποστέλλεται στη συνέχεια στην έξοδο κατά τη διάρκεια του off-time του Q1 προκαλώντας αύξηση της τάσης εξόδου. Σε αντίθεση με το στάδιο ισχύος buck, το τυπικό μέγεθος του ρεύματος επαγωγής δεν είναι το ίδιο με το ρεύμα εξόδου.

Για να συσχετίσετε το ρεύμα επαγωγής με το ρεύμα εξόδου, κοιτάζοντας τα σχήματα 2 και 3, παρατηρήστε ότι το ρεύμα επαγωγής στην έξοδο αποκλειστικά ενώ βρίσκεται στην κατάσταση απενεργοποίησης του σταδίου ισχύος.

Αυτό το ρεύμα κατά μέσο όρο σε μια ολόκληρη ακολουθία μεταγωγής είναι το ίδιο με το ρεύμα εξόδου, καθώς το κατά προσέγγιση ρεύμα στον πυκνωτή εξόδου πρέπει να είναι ισοδύναμο με το μηδέν.

Η σύνδεση μεταξύ του μέσου ρεύματος επαγωγέα και του ρεύματος εξόδου για το στάδιο ισχύος συνεχούς λειτουργίας buck-boost παρέχεται από:

Μια άλλη σημαντική άποψη είναι το γεγονός ότι το τυπικό ρεύμα επαγωγής είναι ανάλογο με το ρεύμα εξόδου, και επειδή το ρεύμα κυματισμού επαγωγέα, ΔΙΙ, δεν σχετίζεται με το ρεύμα φορτίου εξόδου, οι ελάχιστες και οι υψηλότερες τιμές του ρεύματος επαγωγής ακολουθούν ακριβώς το μέσο ρεύμα επαγωγέα.

Για παράδειγμα, εάν το μέσο ρεύμα πηνίου μειώνεται κατά 2Α λόγω μείωσης ρεύματος φορτίου, στην περίπτωση αυτή οι χαμηλότερες και υψηλότερες τιμές του ρεύματος πηνίου μειώνονται κατά 2Α (δεδομένου ότι διατηρείται ο τρόπος συνεχούς αγωγιμότητας).

Η διαρκής αξιολόγηση ήταν για τη λειτουργικότητα του σταδίου ισχύος buck-boost σε συνεχή λειτουργία επαγωγέα. Το παρακάτω τμήμα είναι μια εξήγηση της λειτουργικότητας σταθερής κατάστασης σε ασυνεχή λειτουργία αγωγής. Το πρωταρχικό αποτέλεσμα είναι η παραγωγή της σχέσης μετατροπής τάσης για το στάδιο ασυνεχούς λειτουργίας αγωγιμότητας.

Αξιολόγηση κατάστασης ασυνεχούς αγωγιμότητας Buck-Boost Steady-State

Εξετάζουμε σε αυτό το σημείο τι συμβαίνει όταν μειώνεται το ρεύμα φορτίου και ο τρόπος αγωγιμότητας αλλάζει από συνεχή σε ασυνεχή.

Θυμηθείτε για τη λειτουργία συνεχούς αγωγιμότητας, το μέσο ρεύμα επαγωγέα ακολουθεί το ρεύμα εξόδου, δηλαδή σε περίπτωση που το ρεύμα εξόδου μειώνεται, σε αυτήν την περίπτωση θα ισχύει και το μέσο ρεύμα επαγωγέα.

Εκτός αυτού, οι χαμηλότερες και υψηλότερες κορυφές του επαγωγικού ρεύματος ακολουθούν με ακρίβεια το μέσο ρεύμα επαγωγέα. Σε περίπτωση που το ρεύμα φορτίου εξόδου μειωθεί κάτω από το βασικό επίπεδο ρεύματος, το ρεύμα επαγωγής θα είναι μηδέν για ένα μέρος της ακολουθίας μεταγωγής.

Αυτό θα ήταν προφανές από τις κυματομορφές που παρουσιάζονται στο Σχήμα 3, επειδή το επίπεδο κορυφής προς κορυφή του ρεύματος κυματισμού δεν μπορεί να μεταβληθεί με το ρεύμα φορτίου εξόδου.

Σε ένα στάδιο ισχύος ενίσχυσης, εάν το ρεύμα επαγωγής προσπαθεί να είναι κάτω από το μηδέν, σταματά απλώς στο μηδέν (λόγω της κίνησης του μονοκατευθυντικού ρεύματος στο CR1) και συνεχίζεται εκεί μέχρι την έναρξη της επόμενης ενέργειας μεταγωγής. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας είναι γνωστός ως ασυνεχής τρόπος αγωγής.

Ένα στάδιο ισχύος που λειτουργεί με κύκλωμα ενίσχυσης buck σε μορφή ασυνεχούς αγωγιμότητας διαθέτει τρεις διακριτικές καταστάσεις σε κάθε κύκλο μεταγωγής σε αντίθεση με 2 καταστάσεις για συνεχή μορφή αγωγής.

Η κατάσταση ρεύματος επαγωγέα στην οποία το στάδιο ισχύος βρίσκεται στην περιφέρεια μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς ρύθμισης παρουσιάζεται στο σχήμα 4.

Σε αυτό το επαγωγικό ρεύμα καταρρέει απλώς στο μηδέν, ενώ ο ακόλουθος κύκλος μεταγωγής ξεκινά αμέσως μετά το ρεύμα φτάσει στο μηδέν. Παρατηρήστε ότι οι τιμές των IO και IO (Crit) παρουσιάζονται στο Σχήμα 4, καθώς οι IO και IL περιλαμβάνουν αντίθετες πολικότητες.

Η πιο χαμηλή μείωση του ρεύματος φορτίου εξόδου θέτει το στάδιο ισχύος σε ασυνεχές μοτίβο αγωγιμότητας. Αυτή η συνθήκη παρουσιάζεται στο Σχήμα 5.

Η απόκριση συχνότητας σταδίου ασυνεχούς λειτουργίας είναι αρκετά διαφορετική από την απόκριση συχνότητας συνεχούς λειτουργίας που παρουσιάζεται στο τμήμα Μοντέλο Buck-Boost Power Stage Modeling. Επιπλέον, η σύνδεση εισόδου προς έξοδο είναι αρκετά διαφορετική όπως παρουσιάζεται σε αυτήν την παραγωγή σελίδας:

Για να ξεκινήσετε την παραγωγή της αναλογίας αλλαγής τάσης σταδίου ισχύος ασυνεχούς λειτουργίας αγωγιμότητας, θυμηθείτε ότι έχετε τρεις διακριτικές καταστάσεις που ο μετατροπέας λαμβάνει υπόψη μέσω της λειτουργίας ασυνεχούς λειτουργίας αγωγιμότητας.

Η κατάσταση ON είναι όταν το Q1 είναι ON και το CR1 είναι OFF. Η κατάσταση OFF είναι όταν το Q1 είναι OFF και το CR1 είναι ON. Η συνθήκη IDLE είναι όταν κάθε Q1 και CR1 είναι OFF. Οι δύο αρχικές συνθήκες μοιάζουν πολύ με την κατάσταση συνεχούς λειτουργίας και τα κυκλώματα του Σχήματος 2 είναι σχετικά εκτός από εκείνο το TOFF ≠ (1 − D) × TS. Το υπόλοιπο της ακολουθίας μεταγωγής είναι η κατάσταση IDLE.

Επιπλέον, η αντίσταση DC του επαγωγέα εξόδου, η πτώση τάσης προς τα εμπρός δίοδος εξόδου, καθώς και η πτώση τάσης κατάστασης ON MOSFET ON υποτίθεται ότι πρέπει να είναι αρκετά λεπτά για να παραβλεφθούν.

Η χρονική περίοδος της κατάστασης ON είναι TON = D × TS όπου D είναι ο κύκλος λειτουργίας, που καθορίζεται από το κύκλωμα ελέγχου, που υποδεικνύεται ως αναλογία του χρόνου ενεργοποίησης προς το χρόνο μιας πλήρους ακολουθίας μεταγωγής, Ts. Το μήκος της κατάστασης OFF είναι TOFF = D2 × TS. Η περίοδος IDLE είναι το υπόλοιπο μοτίβο εναλλαγής που παρουσιάζεται ως TS - TON - TOFF = D3 × TS. Αυτές οι περίοδοι συνοδεύονται από τις κυματομορφές στο σχήμα 6.

Χωρίς να ελέγξετε την περιεκτική περιγραφή, οι εξισώσεις για την αύξηση και πτώση του επαγωγικού ρεύματος απαριθμούνται παρακάτω. Η αύξηση ρεύματος επαγωγέα κατά τη διάρκεια της κατάστασης ON εκδίδεται από:

Η ποσότητα ρεύματος κυματισμού, ΔIL (+), είναι επίσης το μέγιστο ρεύμα επαγωγέα, Ipk, καθώς σε ασυνεχή λειτουργία, το ρεύμα ξεκινά σε 0 σε κάθε κύκλο. Η μείωση ρεύματος επαγωγέα κατά τη διάρκεια της κατάστασης OFF παρουσιάζεται από:

Ακριβώς όπως και η κατάσταση λειτουργίας συνεχούς αγωγιμότητας, η τρέχουσα άνοδος, ΔIL (+), κατά τη διάρκεια του χρόνου ΟΝ και η τρέχουσα μείωση ενώ στο ΧΡΟΝΟ OFF, ΔΙΛ (-), είναι πανομοιότυπες. Έτσι, και οι δύο αυτές εξισώσεις θα μπορούσαν να εξισωθούν και να αντιμετωπιστούν για να αποκτήσει το VO το αρχικό των δύο εξισώσεων που θα χρησιμοποιηθούν για την επίλυση του λόγου μετατροπής τάσης:

Στη συνέχεια προσδιορίζουμε το ρεύμα εξόδου (η τάση εξόδου VO διαιρούμενη με το φορτίο εξόδου R). Είναι ο μέσος όρος μιας ακολουθίας μεταγωγής του ρεύματος πηνίου εκείνη τη στιγμή που το CR1 γίνεται αγώγιμο (D2 × TS).

Εδώ, αντικαταστήστε τη σύνδεση για IPK (ΔIL (+)) στην παραπάνω εξίσωση για να αποκτήσετε:

Επομένως, έχουμε δύο εξισώσεις, η μία για το ρεύμα εξόδου (VO διαιρούμενο με το R) που μόλις προήλθε και η άλλη για την τάση εξόδου, και οι δύο σε σχέση με τα VI, D και D2. Σε αυτό το σημείο ξεδιπλώνουμε κάθε τύπο για το D2, καθώς επίσης διορθώνουμε τις δύο εξισώσεις μεταξύ τους.

Χρησιμοποιώντας την προκύπτουσα εξίσωση, θα μπορούσε να προκύψει μια απεικόνιση για την τάση εξόδου, VO. Η συσχέτιση μετασχηματισμού τάσης ασυνεχούς αγωγιμότητας κατά τη μετατροπή γράφεται από:

Η παραπάνω σύνδεση εμφανίζει μία από τις κύριες ομοιότητες μεταξύ των δύο τρόπων αγωγής. Για λειτουργία ασυνεχούς αγωγιμότητας, η σχέση αλλαγής τάσης είναι συνάρτηση της τάσης εισόδου, του κύκλου λειτουργίας, της επαγωγής σταδίου ισχύος, της συχνότητας μεταγωγής και της αντίστασης φορτίου εξόδου.

Για συνεχή λειτουργία αγωγής, η σύνδεση εναλλαγής τάσης επηρεάζεται απλώς από την τάση εισόδου και τον κύκλο λειτουργίας. Στις παραδοσιακές εφαρμογές, το στάδιο ισχύος ενισχυτή λειτουργίας επιλέγεται μεταξύ λειτουργίας συνεχούς αγωγής ή ασυνεχούς λειτουργίας αγωγιμότητας. Για μια συγκεκριμένη χρήση, επιλέγεται ένας τρόπος αγωγιμότητας ενώ το στάδιο ισχύος έγινε για να διατηρηθεί η ίδια κατάσταση.