Tuttavia il processo conserva sempre la relazione P = I x V, il che significa che quando l'uscita del convertitore aumenta la tensione di ingresso, l'uscita subisce proporzionalmente una riduzione di corrente, che fa sì che la potenza di uscita sia quasi sempre uguale all'ingresso potenza o inferiore alla potenza in ingresso.
Come funziona un convertitore Boost
Un convertitore boost è una sorta di alimentatore SMPS o switching che funziona fondamentalmente con due semiconduttori attivi (transistor e diodo) e con un minimo di un componente passivo sotto forma di un condensatore o un induttore o entrambi per una maggiore efficienza.L'induttore qui fondamentalmente viene utilizzato per aumentare la tensione e il condensatore viene introdotto per filtrare le fluttuazioni di commutazione e per ridurre le ondulazioni di corrente all'uscita del convertitore.
L'alimentazione in ingresso che può essere richiesta per essere potenziata o potenziata potrebbe essere acquisita da qualsiasi fonte CC adatta come batterie, pannelli solari, generatori a motore ecc.
Principio operativo
L'induttore in un convertitore boost svolge l'importante per aumentare la tensione di ingresso.
L'aspetto cruciale che diventa responsabile dell'attivazione della tensione di boost da un induttore è dovuto alla sua proprietà intrinseca di resistere o opporsi a una corrente indotta improvvisamente attraverso di esso, e per la sua risposta a questo con una creazione di campo magnetico e successivamente la distruzione del magnetico campo. La distruzione porta al rilascio dell'energia immagazzinata.
Questo processo di cui sopra si traduce nella memorizzazione della corrente nell'induttore e nel recupero di questa corrente immagazzinata attraverso l'uscita sotto forma di EMF di ritorno.
Un circuito di pilotaggio a transistor relè può essere considerato un ottimo esempio di circuito convertitore boost. Il diodo flyback collegato attraverso il relè viene introdotto per cortocircuitare gli EMF inversi dalla bobina del relè e per proteggere il transistor ogni volta che si spegne.
Se questo diodo viene rimosso e un raddrizzatore del condensatore a diodi è collegato attraverso il collettore / emettitore del transistor, la tensione potenziata dalla bobina del relè può essere raccolta attraverso questo condensatore.
Il processo in un progetto di convertitore boost si traduce in una tensione di uscita che è sempre superiore alla tensione di ingresso.
Configurazione del convertitore boost
Facendo riferimento alla figura seguente, possiamo vedere una configurazione standard del convertitore boost, lo schema di lavoro può essere inteso come indicato sotto:Quando il dispositivo mostrato (che potrebbe essere un qualsiasi BJT di alimentazione standard o un mosfet) viene acceso, la corrente dall'alimentazione di ingresso entra nell'induttore e scorre in senso orario attraverso il transistor per completare il ciclo all'estremità negativa dell'alimentazione di ingresso.
Durante il processo di cui sopra l'induttore subisce un'improvvisa introduzione di corrente attraverso se stesso e cerca di resistere all'afflusso, il che si traduce nell'immagazzinamento di una certa quantità di corrente in esso attraverso la generazione di un campo magnetico.
Alla successiva sequenza successiva, quando il transistor viene spento, la conduzione della corrente si interrompe, forzando ancora una volta un cambiamento improvviso nel livello di corrente attraverso l'induttore. L'induttore risponde a questo rilasciando o rilasciando la corrente immagazzinata. Poiché il transistor è in posizione OFF, questa energia trova il suo percorso attraverso il diodo D e attraverso i terminali di uscita mostrati sotto forma di una tensione EMF di ritorno.
L'induttore esegue ciò distruggendo il campo magnetico che è stato precedentemente creato in esso mentre il transistor era in modalità di accensione.
Tuttavia, il processo di rilascio di energia di cui sopra è implementato con una polarità opposta, in modo tale che la tensione di alimentazione di ingresso ora diventi in serie con la tensione di back emf dell'induttore. E come tutti sappiamo che quando le fonti di alimentazione si uniscono in serie, la loro tensione netta si somma per produrre un risultato combinato più grande.
Lo stesso accade in un convertitore boost durante la modalità di scarica dell'induttore, producendo un'uscita che può essere il risultato combinato della tensione EMF di ritorno dell'induttore e della tensione di alimentazione esistente, come mostrato nel diagramma sopra
Questa tensione combinata si traduce in un'uscita potenziata o in un'uscita aumentata che trova il suo percorso attraverso il diodo D e il condensatore trasversale C per raggiungere infine il carico collegato.
Il condensatore C gioca un ruolo abbastanza importante qui, durante la modalità di scarica dell'induttore il condensatore C immagazzina l'energia combinata rilasciata in esso, e durante la fase successiva quando il transistor si spegne di nuovo e l'induttore è in modalità di memorizzazione, il condensatore C prova mantenere l'equilibrio fornendo al carico la propria energia immagazzinata. Vedere la figura sotto.
Ciò garantisce una tensione relativamente costante per il carico collegato che è in grado di acquisire potenza durante entrambi i periodi di ON e OFF del transistor.
Se C non è incluso, questa funzione viene annullata con conseguente minore potenza per il carico e minore efficienza.
Il processo sopra spiegato continua quando il transistor viene acceso / spento a una data frequenza, sostenendo l'effetto di conversione boost.
Modalità di funzionamento
Un convertitore boost può essere utilizzato principalmente in due modalità: la modalità continua e la modalità discontinua.In modalità continua, la corrente dell'induttore non può mai raggiungere lo zero durante il suo processo di scarica (mentre il transistor è spento).
Ciò accade quando il tempo ON / OFF del transistor è dimensionato in modo tale che l'induttore sia sempre ricollegato rapidamente con l'alimentazione in ingresso tramite il transistor acceso, prima che possa scaricarsi completamente attraverso il carico e il condensatore C.
Ciò consente all'induttore di produrre costantemente la tensione di boost a una velocità efficiente.
Nella modalità discontinua, la temporizzazione di accensione del transistor può essere così ampia da consentire all'induttore di scaricarsi completamente e rimanere inattivo tra i periodi di accensione del transistor, creando enormi tensioni di ondulazione attraverso il carico e il condensatore C.
Ciò potrebbe rendere l'output meno efficiente e con maggiori fluttuazioni.
L'approccio migliore è calcolare il tempo di accensione / spegnimento del transistor che fornisce la massima tensione stabile attraverso l'uscita, il che significa che dobbiamo assicurarci che l'induttore sia commutato in modo ottimale in modo tale che non sia acceso troppo rapidamente, il che potrebbe non consentirgli di scaricarsi in modo ottimale e non accenderlo molto tardi, il che potrebbe prosciugarlo in un punto inefficiente.
Calcolo, induttanza, corrente, tensione e ciclo di lavoro in un convertitore boost
Qui discuteremo solo della modalità continua che è il modo preferibile per utilizzare un convertitore boost, valutiamo i calcoli coinvolti con un convertitore boost in modalità continua:Mentre il transistor è nella fase ON, la tensione della sorgente di ingresso (
) viene applicato attraverso l'induttore, inducendo una corrente ( 
) si accumulano attraverso l'induttore per un periodo di tempo, indicato con (t). Questo può essere espresso con la seguente formula: ΔIL / Δt = Vt / L
Nel momento in cui lo stato ON del transistor sta per superare e il transistor sta per spegnersi, la corrente che dovrebbe accumularsi nell'induttore può essere data dalla seguente formula:
ΔIL (acceso) = 1 / L 0ʃDT
o
Larghezza = DT (Vi) / L
Dove D è il ciclo di lavoro. Per capirne la definizione puoi fare riferimento al nostro precedente b post correlato al convertitore uck
L indica il valore di induttanza dell'induttore in Henry.
Ora, mentre il transistor è nello stato OFF, e se assumiamo che il diodo offra una caduta di tensione minima attraverso di esso e il condensatore C abbastanza grande da essere in grado di produrre una tensione di uscita quasi costante, allora la corrente di uscita (
) può essere dedotto con l'aiuto della seguente espressione Vi - Vo = LdI / dt
Inoltre, le attuali variazioni (
) che può verificarsi attraverso l'induttore durante il suo periodo di scarica (stato transistor spento) può essere dato come: ΔIL (off) = 1 / L x DTʃT (Vi - Vo) dt / L = (Vi - Vo) (1 - D) T / L
Supponendo che il convertitore possa funzionare in condizioni relativamente stabili, l'entità della corrente o l'energia immagazzinata all'interno dell'induttore durante il ciclo di commutazione (commutazione) può essere considerata costante o ad una velocità identica, ciò può essere espresso come:
E = ½ L x 2IL
Quanto sopra implica anche che, poiché la corrente per tutto il periodo di commutazione, o all'inizio dello stato ON e alla fine dello stato OFF dovrebbe essere identica, il loro valore risultante della variazione del livello corrente dovrebbe essere zero, come espresso di seguito:
ΔIL (acceso) + ΔIL (spento) = 0
Se sostituiamo i valori di ΔIL (on) e ΔIL (off) nella formula sopra dalle derivazioni precedenti, otteniamo:
IL (acceso) - ΔIL (spento) = Vidt / L + (Vi - Vo) (1 - D) T / L = 0
Semplificando ulteriormente questo si ottiene il seguente risultato: Vo / Vi = 1 / (1 - D)
o
Vo = Vi / (1 - D)
L'espressione sopra identifica chiaramente che la tensione di uscita in un convertitore boost sarà sempre superiore alla tensione di alimentazione in ingresso (su tutta la gamma del ciclo di lavoro, da 0 a 1)
Mescolando i termini attraverso i lati nell'equazione sopra otteniamo l'equazione per determinare il ciclo di lavoro in un ciclo di lavoro del convertitore boost.
D = 1 - Vo / Vi
Le valutazioni di cui sopra ci forniscono le varie formule per determinare i diversi parametri coinvolti nelle operazioni del convertitore boost, che possono essere efficacemente utilizzate per calcolare e ottimizzare un progetto accurato del convertitore boost.
Calcola lo stadio di potenza del convertitore boost
Le seguenti 4 linee guida sono necessarie per calcolare lo stadio di potenza del convertitore boost:
1. Gamma di tensioni di ingresso: Vin (min) e Vin (max)
2. Tensione di uscita minima: Vout
3. Massima corrente di uscita: Iout (max)
4. Circuito IC impiegato per costruire il convertitore boost.
Questo è spesso obbligatorio, semplicemente perché dovrebbero essere presi alcuni schemi per i calcoli che potrebbero non essere menzionati nella scheda tecnica.
Nel caso in cui queste limitazioni siano familiari, l'approssimazione dello stadio di potenza normalmente
ha luogo.
Valutazione della massima corrente di commutazione
Il passaggio principale per determinare la corrente di commutazione sarebbe calcolare il ciclo di lavoro, D, per la tensione di ingresso minima. Viene impiegata una tensione di ingresso minima necessaria principalmente perché ciò si traduce nella massima corrente di commutazione.
D = 1 - {Vin (min) x n} / Vout ---------- (1)
Vin (min) = tensione di ingresso minima
Vout = tensione di uscita richiesta
n = efficienza del convertitore, ad es. il valore previsto può essere dell'80%
L'efficienza viene messa nel calcolo del duty cycle, semplicemente perché il convertitore deve presentare anche la potenza dissipata. Questa stima offre un ciclo di lavoro più ragionevole rispetto alla formula senza il fattore di efficienza.
Dobbiamo possibilmente consentire una tolleranza stimata dell'80% (che potrebbe non essere poco pratico per una spinta
convertitore di efficienza nel caso peggiore), dovrebbe essere considerato o eventualmente fare riferimento alla parte Caratteristiche convenzionali della scheda tecnica del convertitore scelto
Calcolo della corrente di ondulazione
L'azione successiva per calcolare la corrente di commutazione più alta sarebbe quella di calcolare la corrente di ondulazione dell'induttore.
Nella scheda tecnica del convertitore di solito si fa riferimento a un induttore specifico oa una varietà di induttori per lavorare con l'IC. Pertanto dobbiamo utilizzare il valore dell'induttore suggerito per calcolare la corrente di ripple, se nel datasheet non viene presentato nulla, quello stimato nell'elenco Inductors.
S elezione di questa nota applicativa per calcolare lo stadio di potenza del convertitore boost.
Delta I (l) = {Vin (min) x D} / f (s) x L ---------- (2)
Vin (min) = tensione di ingresso più piccola
D = duty cycle misurato nell'equazione 1
f (s) = frequenza di commutazione minima del convertitore
L = valore dell'induttore preferito
Successivamente deve essere stabilito se il circuito integrato preferito può essere in grado di fornire l'uscita ottimale
attuale.
Iout (max) = [I lim (min) - Delta I (l) / 2] x (1 - D) ---------- (3)
I lim (min) = valore minimo di
restrizione attuale dello switch interessato (evidenziata nei dati
foglio)
Delta I (l) = corrente di ondulazione dell'induttore misurata nell'equazione precedente
D = duty cycle calcolato nella prima equazione
Nel caso in cui il valore stimato per la corrente di uscita ottimale del circuito integrato deciso, Iout (max), sia inferiore alla corrente di uscita massima prevista dal sistema, è necessario utilizzare un circuito integrato alternativo con un controllo della corrente di commutazione leggermente superiore.
A condizione che il valore misurato per Iout (max) sia probabilmente un'ombra inferiore a quello atteso, è possibile applicare l'IC reclutato con un induttore con induttanza maggiore ogni volta che è ancora nella serie prescritta. Un'induttanza maggiore riduce la corrente di ondulazione, quindi aumenta la corrente di uscita massima con l'IC specifico.
Se il valore stabilito è superiore alla migliore corrente di uscita del programma, viene calcolata la massima corrente di commutazione nell'apparecchiatura:
Isw (max) = Delta I (L) / 2 + Iout (max) / (1 - D) --------- (4)
Delta I (L) = corrente di ripple dell'induttore misurata nella seconda equazione
Iout (max), = corrente di uscita ottimale essenziale nell'utenza
D = duty cycle misurato in precedenza
In realtà è la corrente ottimale, l'induttore, l'interruttore o gli interruttori inclusi oltre al diodo esterno devono resistere.
Selezione dell'induttore
A volte le schede tecniche forniscono numerosi valori di induttori consigliati. Se questa è la situazione, preferisci un induttore con questa gamma. Maggiore è il valore dell'induttore, maggiore è la corrente di uscita massima principalmente a causa della minore corrente di ondulazione.
La riduzione del valore dell'induttore, la riduzione è la dimensione della soluzione. Essere consapevoli del fatto che l'induttore dovrebbe davvero includere invariabilmente una migliore corrente nominale rispetto alla corrente massima specificata nell'equazione 4 a causa del fatto che la corrente accelera con l'abbassamento dell'induttanza.
Per gli elementi in cui non è disponibile la gamma dell'induttore, la figura seguente rappresenta un calcolo affidabile per l'induttore adatto
L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (L) x f (s) x Vout --------- (5)
Vin = tensione di ingresso standard
Vout = tensione di uscita preferita
f (s) = frequenza di commutazione minima del convertitore
Delta I (L) = corrente di ondulazione dell'induttore proiettata, osservare di seguito:
La corrente di ondulazione dell'induttore semplicemente non può essere misurata con la prima equazione, solo perché l'induttore non è riconosciuto. Un'approssimazione del suono per la corrente di ondulazione dell'induttore è dal 20% al 40% della corrente di uscita.
Delta I (L) = (da 0,2 a 0,4) x Iout (max) x Vout / Vin ---------- (6)
Delta I (L) = corrente di ondulazione dell'induttore proiettata
Iout (max) = potenza ottimale
corrente richiesta per l'applicazione
Determinazione del diodo raddrizzatore
Per ridurre le perdite, i diodi Schottky devono davvero essere considerati una buona scelta.
La corrente nominale diretta considerata necessaria è pari alla massima corrente di uscita:
I (f) = Iout (max) ---------- (7)
I (f) = tipico
corrente diretta del diodo raddrizzatore
Iout (max) = corrente di uscita ottimale importante nel programma
I diodi Schottky includono una corrente nominale di picco considerevolmente maggiore rispetto alla valutazione normale. Questo è il motivo per cui l'aumento della corrente di picco nel programma non è una grande preoccupazione.
Il secondo parametro che contiene da monitorare è la dissipazione di potenza del diodo. Consiste nel gestire:
P (d) = I (f) x V (f) ---------- (8)
I (f) = corrente diretta media del diodo raddrizzatore
V (f) = tensione diretta del diodo raddrizzatore
Impostazione della tensione di uscita
La maggior parte dei convertitori alloca la tensione di uscita con una rete divisoria resistiva (che potrebbe essere incorporatadovrebbero essere convertitori di tensione di uscita fissi).
Con la tensione di feedback assegnata, V (fb) e la corrente di polarizzazione di feedback, I (fb), il partitore di tensione tende ad essere
calcolato.
La corrente con l'aiuto del divisore resistivo potrebbe forse essere circa cento volte più massiccia della corrente di polarizzazione di feedback:
I (r1 / 2)> o = 100 x I (fb) ---------- (9)
I (r1 / 2) = corrente nel corso del divisore resistivo a GND
I (fb) = corrente di polarizzazione del feedback dalla scheda tecnica
Ciò aumenta al di sotto dell'1% di imprecisione nella valutazione della tensione. La corrente è inoltre notevolmente maggiore.
Il problema principale con valori di resistenza inferiori è una maggiore perdita di potenza nel partitore resistivo, tranne per il fatto che la rilevanza potrebbe essere leggermente elevata.
Con la convinzione di cui sopra, le resistenze vengono elaborate come elencato di seguito:
R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (10)
R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (11)
R1, R2 = divisore resistivo.
V (fb) = tensione di retroazione dalla scheda tecnica
I (r1 / 2) = corrente dovuta al partitore resistivo a GND, stabilita nell'equazione 9
Vout = tensione di uscita pianificata
Selezione del condensatore di ingresso
Il valore minimo per il condensatore di ingresso è tipicamente distribuito nella scheda tecnica. Questo valore minimo è vitale per stabilizzare la tensione di ingresso come risultato del prerequisito della corrente di picco di un alimentatore switching.
Il metodo più adatto consiste nell'utilizzare condensatori ceramici a resistenza in serie equivalente ridotta (ESR).
L'elemento dielettrico deve essere X5R o superiore. In caso contrario, il condensatore potrebbe perdere la maggior parte della sua capacità a causa della polarizzazione CC o della temperatura (vedere i riferimenti 7 e 8).
Il valore potrebbe infatti aumentare se magari la tensione di ingresso è rumorosa.
Selezione del condensatore di uscita
Il metodo migliore è individuare piccoli condensatori ESR per ridurre il ripple sulla tensione di uscita. I condensatori ceramici sono i tipi giusti quando l'elemento dielettrico è di tipo X5R o più efficienteNel caso in cui il convertitore abbia una compensazione esterna, può essere applicato qualsiasi tipo di valore del condensatore superiore al valore più piccolo consigliato nella scheda tecnica, ma in qualche modo la compensazione deve essere modificata per la capacità di uscita selezionata.
Con convertitori compensati internamente, i valori di induttore e condensatore consigliati devono essere abituati, oppure le informazioni nella scheda tecnica per l'adattamento dei condensatori di uscita potrebbero essere adottate con il rapporto L x C.
Con la compensazione secondaria, le seguenti equazioni possono essere di aiuto per regolare i valori del condensatore di uscita per un'ondulazione della tensione di uscita pianificata:
Cout (min) = Iout (max) x D / f (s) x Delta Vout ---------- (12)
Cout (min) = capacità di uscita più piccola
Iout (max) = corrente di uscita ottimale dell'utilizzo
D = duty cycle elaborato con l'equazione 1
f (s) = frequenza di commutazione minima del convertitore
Delta Vout = ondulazione ideale della tensione di uscita
L'ESR del condensatore di uscita aumenta un trattino in più di ondulazione, pre-assegnato con l'equazione:
Delta Vout (ESR) = ESR x [Iout (max) / 1 -D + Delta I (l) / 2] ---------- (13)
Delta Vout (ESR) = ondulazione alternativa della tensione di uscita risultante dall'ESR dei condensatori
ESR = resistenza in serie equivalente del condensatore di uscita impiegato
Iout (max) = massima corrente di uscita dell'utilizzo
D = ciclo di lavoro calcolato nella prima equazione
Delta I (l) = corrente di ondulazione dell'induttore dall'equazione 2 o dall'equazione 6
Equazioni per valutare lo stadio di potenza di un convertitore boost
Ciclo di lavoro massimo: D = 1 - Vino (min) x n / Vout ---------- (14)
Vin (min) = tensione di ingresso più piccola
Vout = tensione di uscita prevista
n = efficienza del convertitore, ad es. stimato 85%
Corrente di ondulazione dell'induttore:
Delta I (l) = Vin (min) x D / f (s) x L ---------- (15)
Vin (min) = tensione di ingresso più piccola
D = duty cycle stabilito nell'equazione 14
f (s) = frequenza di commutazione nominale del convertitore
L = valore dell'induttore specificato
Massima corrente di uscita del circuito integrato nominato:
Iout (max) = [Ilim (min) - Delta I (l)] x (1 - D) ---------- (16)Ilim (min) = valore minimo del limite di corrente dell'integrale (offerto in scheda tecnica)
Delta I (l) = Corrente di ripple dell'induttore stabilita nell'equazione 15
D = duty cycle stimato nell'equazione 14
Corrente di commutazione massima specifica per l'applicazione:
Isw (max) = Delta I (l) / 2 + Iout (max) / (1 - D) ---------- (17)Delta I (l) = corrente di ondulazione dell'induttore stimata nell'equazione 15
Iout (max), = corrente di uscita massima possibile richiesta nell'utilità
D = ciclo di lavoro calcolato nell'equazione 14
Approssimazione dell'induttore:
L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (l) x f (s) x Vout ---------- (18)Vin = tensione di ingresso comune
Vout = tensione di uscita pianificata
f (s) = frequenza di commutazione minima del convertitore
Delta I (l) = corrente di ondulazione dell'induttore proiettata, vedere l'equazione 19
Valutazione della corrente di ondulazione dell'induttore:
Delta I (l) = (da 0,2 a 0,4) x Iout (max) x Vout / Vin ---------- (19)Delta I (l) = corrente di ripple dell'induttore proiettata
Iout (max) = corrente di uscita più alta importante nell'utilizzo
Corrente diretta tipica del diodo raddrizzatore:
I (f) = Iout (max) ---------- (20)
Iout (max) = corrente di uscita ottimale appropriata nell'utilità
Dissipazione di potenza nel diodo raddrizzatore:
P (d) = I (f)
x V (f) ---------- (21)
I (f) = corrente diretta tipica del diodo raddrizzatore
V (f) = tensione diretta del diodo raddrizzatore
Corrente utilizzando la rete divisoria resistiva per il posizionamento della tensione di uscita:
I (r1 / 2)> o = 100 x I (fb) ---------- (22)I (fb) = corrente di polarizzazione del feedback dalla scheda tecnica
Valore del resistore tra pin FB e GND:
R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (23)
Valore del resistore tra pin FB e Vout:
R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (24)
V (fb) = tensione di retroazione dalla scheda tecnica
I (r1 / 2) = corrente
a causa del divisore resistivo a GND, calcolato nell'equazione 22
Vout = tensione di uscita ricercata
Capacità di uscita più piccola, altrimenti preassegnata nella scheda tecnica:
Cout (min) = Iout (max) x D / f (s) x Delta I (l) ---------- (25)
Iout (max) = la massima corrente di uscita possibile del programma
D = ciclo di lavoro calcolato nell'equazione 14
f (s) = frequenza di commutazione minima del convertitore
Delta Vout = ondulazione prevista della tensione di uscita
Ondulazione della tensione di uscita in eccesso dovuta a ESR:
Delta Vout (esr) = ESR x [Iout (max) / (1 - D) + Delta I (l) / 2 ---------- (26)
ESR = resistenza in serie parallela del condensatore di uscita impiegato
Iout (max) = corrente di uscita ottimale dell'utilizzo
D = duty cycle determinato nell'equazione 14
Delta I (l) = corrente di ondulazione dell'induttore dall'equazione 15 o dall'equazione 19
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