Imidlertid bevarer prosessen alltid forholdet P = I x V, noe som betyr at når utgangen til omformeren trapper opp inngangsspenningen, gjennomgår utgangen proporsjonalt en strømreduksjon, noe som fører til at utgangseffekten nesten alltid er lik inngangen. strøm eller mindre enn inngangseffekten.
Hvordan en Boost Converter fungerer
En boost-omformer er en slags strømforsyning for SMPS- eller brytermodus som i utgangspunktet fungerer med to aktive halvledere (transistor og diode) og med minst en passiv komponent i form av en kondensator eller en induktor eller begge deler for større effektivitet.Induktoren her brukes i utgangspunktet for å øke spenningen, og kondensatoren blir introdusert for filtrering av svitsvingninger og for å redusere strømkrusninger ved utgangen til omformeren.
Inngangsforsyningen som kan være nødvendig å øke eller øke, kan anskaffes fra en hvilken som helst egnet likestrømskilde, for eksempel batterier, solcellepaneler, motorbaserte generatorer etc.
Driftsprinsipp
Induktoren i en boost-omformer spiller det viktige med å øke inngangsspenningen.
Det avgjørende aspektet som blir ansvarlig for å aktivere boostspenningen fra en induktor, er på grunn av dens iboende egenskap å motstå eller motsette seg en plutselig indusert strøm over den, og på grunn av dens respons på dette med dannelse av magnetfelt og deretter ødeleggelse av magnetisk felt. Ødeleggelsen fører til frigjøring av den lagrede energien.
Denne prosessen ovenfor resulterer i lagring av strømmen i induktoren og sparker tilbake denne lagrede strømmen over utgangen i form av tilbake EMF.
En relétransistordriverkrets kan betraktes som et godt eksempel på en boost-omformerkrets. Flyback-dioden koblet over reléet blir introdusert for å kortslutte de motsatte EMF-ene fra reléspolen og for å beskytte transistoren når den slås AV.
Hvis denne dioden fjernes og en diodekondensator likeretter er koblet over transistorens kollektor / emitter, kan den forsterkede spenningen fra reléspolen samles over denne kondensatoren.
Prosessen i en boost-omformerdesign resulterer i en utgangsspenning som alltid er høyere enn inngangsspenningen.
Boost Converter-konfigurasjon
Med henvisning til følgende figur kan vi se en standard boost-omformerkonfigurasjon, arbeidsmønsteret kan forstås som gitt under:Når den viste enheten (som kan være en hvilken som helst standard strøm BJT eller en mosfet) er slått PÅ, kommer strøm fra inngangsforsyningen inn i induktoren og strømmer med klokken gjennom transistoren for å fullføre syklusen ved den negative enden av inngangsforsyningen.
Under prosessen ovenfor opplever induktoren en plutselig innføring av strøm over seg selv og prøver å motstå tilstrømningen, noe som resulterer i lagring av en viss mengde strøm i den gjennom generering av et magnetfelt.
Ved neste påfølgende sekvens, når transistoren slås AV, bryter ledningen av strøm, og igjen tvinger en plutselig endring i strømnivået over induktoren. Induktoren reagerer på dette ved å sparke tilbake eller slippe den lagrede strømmen. Siden transistoren er i AV-posisjon, finner denne energien sin vei gjennom dioden D og over de viste utgangsterminalene i form av en EMF-spenning på baksiden.
Induktoren utfører dette ved å ødelegge magnetfeltet som tidligere ble opprettet i den mens transistoren var i bryter PÅ-modus.
Imidlertid er den ovennevnte prosessen med å frigjøre energi implementert med motsatt polaritet, slik at inngangsforsyningsspenningen nå blir i serie med induktorens tilbake-emf-spenning. Og som vi alle vet at når forsyningskilder blir med i serie, øker nettospenningen for å gi et større kombinert utfall.
Det samme skjer i en boost-omformer under induktorutladningsmodus, og produserer en utgang som kan være det kombinerte resultatet av induktorens tilbake EMF-spenning og den eksisterende forsyningsspenningen, som vist på diagrammet ovenfor
Denne kombinerte spenningen resulterer i en forsterket utgang eller en forsterket utgang som finner sin vei gjennom dioden D og tverrkondensatoren C for til slutt å nå den tilkoblede belastningen.
Kondensatoren C spiller en ganske viktig rolle her, under induktorutladningsmodus lagrer kondensatoren C den frigjorte kombinerte energien i den, og i løpet av neste fase når transistoren slår seg AV igjen og induktoren er i lagringsmodus, prøver kondensatoren C for å opprettholde likevekten ved å levere sin egen lagrede energi til lasten. Se figuren nedenfor.
Dette sikrer en relativt jevn spenning for den tilkoblede belastningen som er i stand til å skaffe seg kraft både i transistorens PÅ- og AV-perioder.
Hvis C ikke er inkludert, kanselleres denne funksjonen, noe som resulterer i en lavere effekt for belastningen og lavere effektivitetsgrad.
Ovennevnte forklarte prosess fortsetter når transistoren slås PÅ / AV med en gitt frekvens, og opprettholder boost-konverteringseffekten.
Driftsmåter
En boost-omformer kan primært brukes i to moduser: kontinuerlig modus og diskontinuerlig modus.I kontinuerlig modus får induktorstrømmen aldri tilgang til null under utladningsprosessen (mens transistoren er slått AV).
Dette skjer når PÅ / AV-tiden til transistoren er dimensjonert på en slik måte at spolen alltid kobles raskt tilbake med inngangsforsyningen gjennom den påsluttede transistoren, før den klarer å bli helt utladet over belastningen og kondensatoren C.
Dette gjør at induktoren konsekvent kan produsere boostspenningen med en effektiv hastighet.
I diskontinuerlig modus kan transistorbryterens PÅ-timing være så bred fra hverandre at induktoren kan få lov til å bli fullstendig utladet og forbli inaktiv mellom transistorens bryter PÅ-perioder, og skape enorme rippelspenninger over belastningen og kondensatoren C.
Dette kan gjøre produksjonen mindre effektiv og med flere svingninger.
Den beste tilnærmingen er å beregne PÅ / AV-tiden for transistoren som gir maksimal stabil spenning over utgangen, noe som betyr at vi må sørge for at induktoren er optimalt slått slik at den ikke blir slått PÅ for raskt, noe som kanskje ikke tillater utladning optimalt, og heller ikke slå den på veldig sent, noe som kan tømme det til et ineffektivt punkt.
Beregning, induktans, strøm, spenning og driftssyklus i en boost-omformer
Her vil vi bare diskutere kontinuerlig modus som er den foretrukne måten å betjene en boost-omformer på, la oss evaluere beregningene som er involvert med en boost-omformer i en kontinuerlig modus:Mens transistoren er i PÅ-fasen, vil inngangskildespenningen (
) påføres over induktoren og induserer en strøm ( 
) bygge seg opp gjennom induktoren i en tidsperiode, betegnet med (t). Dette kan uttrykkes med følgende formel: ΔIL / Δt = Vt / L
Når PÅ-tilstanden til transistoren er i ferd med å komme over, og transistoren er i ferd med å slå seg AV, kan strømmen som skal bygge seg opp i induktoren gis av følgende formel:
ΔIL (på) = 1 / L 0ʃDT
eller
Bredde = DT (Vi) / L.
Hvor D er driftssyklus. For å forstå definisjonen kan du se vår forrige b uck converter relatert innlegg
L betegner induktansverdien til induktoren i Henry.
Nå, mens transistoren er i AV-tilstand, og hvis vi antar at dioden tilbyr minimum spenningsfall over den og kondensatoren C som er stor nok til å kunne produsere nesten en konstant utgangsspenning, så er utgangsstrømmen (
) kan utledes ved hjelp av følgende uttrykk Vi - Vo = LdI / dt
Også gjeldende variasjoner (
) som kan forekomme over induktoren i løpet av utladningsperioden (transistor av-tilstand) kan gis som: ΔIL (av) = 1 / L x DTʃT (Vi - Vo) dt / L = (Vi - Vo) (1 - D) T / L
Forutsatt at omformeren kan utføre med relativt jevne forhold, størrelsen på strømmen eller energien som er lagret inne i induktoren gjennom kommuterings- (koblings-) syklusen kan antas å være jevn eller i samme hastighet, kan dette uttrykkes som:
E = ½ L x 2IL
Ovennevnte antyder også at, siden strømmen gjennom kommuteringsperioden, eller ved begynnelsen av PÅ-tilstanden og på slutten av AV-tilstanden skal være identisk, bør deres resulterende verdi av endringen i nåværende nivå være null, som uttrykt nedenfor:
ΔIL (på) + ΔIL (av) = 0
Hvis vi erstatter verdiene til ΔIL (på) og ΔIL (av) i formelen ovenfor fra de forrige avledningene, får vi:
IL (på) - ΔIL (av) = Vidt / L + (Vi - Vo) (1 - D) T / L = 0
Ytterligere forenkling av dette gir følgende resultat: Vo / Vi = 1 / (1 - D)
eller
Vo = Vi / (1 - D)
Ovennevnte uttrykk identifiserer tydelig at utgangsspenningen i en boost-omformer alltid vil være høyere enn inngangsforsyningsspenningen (over hele området for driftssyklusen, 0 til 1)
Ved å blande ordene på tvers av sidene i ligningen ovenfor får vi ligningen for å bestemme driftssyklusen i en arbeidssyklus for boost-omformeren.
D = 1 - Vo / Vi
Ovennevnte evalueringer gir oss de forskjellige formlene for å bestemme de forskjellige parametrene som er involvert i boost converter-operasjoner, som effektivt kan brukes til å beregne og optimalisere en nøyaktig boost converter-design.
Beregn Boost Converter Power Stage
Følgende fire retningslinjer er nødvendige for å beregne Boost Converter Power Stage:
1. Inngangsspenningsområde: Vin (min) og Vin (maks)
2. Minimal utgangsspenning: Vout
3. Høyeste utgangsstrøm: Iout (maks)
4. IC-krets brukt til å bygge boost-omformeren.
Dette er ofte obligatorisk, rett og slett fordi visse konturer for beregningene bør tas som kanskje ikke er nevnt i databladet.
I tilfelle disse begrensningene er kjent, er tilnærmingen av effekttrinnet normalt
tar plass.
Evaluering av den høyeste bryterstrømmen
Det primære trinnet for å bestemme bryterstrømmen vil være å finne ut driftssyklusen, D, for minimum inngangsspenning. En minimumsinngangsspenning brukes hovedsakelig fordi dette gir den høyeste bryterstrømmen.
D = 1 - {Vin (min) x n} / Vout ---------- (1)
Vin (min) = minimum inngangsspenning
Vout = nødvendig utgangsspenning
n = effektiviteten til omformeren, f.eks. forventet verdi kan være 80%
Effektiviteten legges inn i beregningen av driftssyklusen, ganske enkelt fordi omformeren også kreves for å presentere strømavledningen. Denne estimeringen gir en mer fornuftig driftssyklus sammenlignet med formelen uten effektivitetsfaktoren.
Vi må muligens tillate anslagsvis 80% toleranse (det kan ikke være upraktisk for et løft
converter worst case efficiency), bør vurderes eller eventuelt henvises til delen Konvensjonelle funksjoner i den valgte konverteringsdatabladet
Beregning av ringstrømmen
Den påfølgende handlingen for å beregne den høyeste bryterstrømmen ville være å finne ut spolens ringstrøm.
I databladet for omformere er det vanligvis referert til en spesifikk induktor eller en rekke induktorer som fungerer med IC. Derfor må vi enten bruke den foreslåtte induktorverdien for å beregne ringstrømmen, hvis ingenting er presentert i databladet, den som er estimert i induktorlisten.
S valg av dette applikasjonsnotatet for å beregne Boost Converter Power Stage.
Delta I (l) = {Vin (min) x D} / f (s) x L ---------- (2)
Vin (min) = minste inngangsspenning
D = driftssyklus målt i ligning 1
f (s) = omformerens minste bryterfrekvens
L = foretrukket induktorverdi
Deretter må det fastslås hvis den foretrukne IC kan være i stand til å levere den optimale ytelsen
strøm.
Iout (max) = [I lim (min) - Delta I (l) / 2] x (1 - D) ---------- (3)
I lim (min) = minimal verdi av
gjeldende begrensning av den involverte bryteren (uthevet i dataene
ark)
Delta I (l) = induktor ringstrøm målt i tidligere ligning
D = driftssyklus beregnet i første ligning
Hvis den estimerte verdien for den optimale utgangsstrømmen til den valgte IC, Iout (maks), er under systemets forventede største utgangsstrøm, må en alternativ IC med litt høyere bryterstrømstyring virkelig brukes.
Forutsatt at den målte verdien for Iout (max) sannsynligvis er en nyanse mindre enn den forventede, kan du muligens bruke den rekrutterte ICen med en induktor med større induktans når den fremdeles er i den foreskrevne serien. En større induktans reduserer ringstrømmen og forbedrer derfor den maksimale utgangsstrømmen med den spesifikke IC.
Hvis den etablerte verdien er over programmets beste utgangsstrøm, blir den største bryterstrømmen i utstyret funnet ut:
Isw (maks) = Delta I (L) / 2 + Iout (maks) / (1 - D) --------- (4)
Delta I (L) = induktor ringstrøm målt i andre ligning
Iout (max), = optimal utgangsstrøm viktig i verktøyet
D = driftssyklus som målt tidligere
Det er faktisk den optimale strømmen, induktoren, den medfølgende bryteren (e) i tillegg til den eksterne dioden er nødvendig for å stå opp mot.
Valg av induktor
Noen ganger inneholder databladene mange anbefalte induktorverdier. Hvis dette er situasjonen, vil du foretrekke en induktor med dette området. Jo større induktorverdien er, desto større er den maksimale utgangsstrømmen, hovedsakelig på grunn av redusert ringstrøm.
Kutt ned induktorverdien, nedskalert er løsningsstørrelsen. Vær oppmerksom på at induktoren alltid burde inkludere en bedre strømstyrke i motsetning til den maksimale strømmen som er spesifisert i ligning 4 på grunn av at strømmen øker med senking av induktansen.
For elementer der det ikke er utlevert noe induktorområde, er følgende bilde en pålitelig beregning for den passende induktoren
L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (L) x f (s) x Vout --------- (5)
Vin = standard inngangsspenning
Vout = foretrukket utgangsspenning
f (s) = minimal byttefrekvens for omformeren
Delta I (L) = projisert induktor ringstrøm, observer nedenfor:
Induktorens ringstrøm kan ganske enkelt ikke måles med den første ligningen, bare fordi induktoren ikke gjenkjennes. En lydtilnærming for induktorens ringstrøm er 20% til 40% av utgangsstrømmen.
Delta I (L) = (0,2 til 0,4) x Iout (maks) x Vout / Vin ---------- (6)
Delta I (L) = projisert induktor ringstrøm
Iout (maks) = optimal utgang
strøm som kreves for søknaden
Bestemmelse av likeretterdiode
For å få ned tap, må Schottky-dioder virkelig betraktes som et godt valg.
Fremoverstrøm vurderes som nødvendig er på nivå med maksimal utgangsstrøm:
I (f) = Iout (maks) ---------- (7)
I (f) = typisk
fremoverstrøm til likeretterdioden
Iout (max) = optimal utgangsstrøm viktig i programmet
Schottky-dioder inkluderer betydelig mer toppstrøm i forhold til normal vurdering. Det er derfor den økte toppstrømmen i programmet ikke er en stor bekymring.
Den andre parameteren som skal overvåkes, er diodens strømforsyning. Den består av å håndtere:
P (d) = I (f) x V (f) ---------- (8)
I (f) = gjennomsnittsstrøm for likeretterdioden
V (f) = fremoverspenning til likeretterdioden
Innstilling for utgangsspenning
De fleste omformere tildeler utgangsspenningen med et resistivt delernettverk (som kan være innebygdskulle de være stasjonære utgangsspenningsomformere).
Med den tildelte tilbakemeldingsspenningen, V (fb), og tilbakemeldingsstrømmen, I (fb), har spenningsdeleren en tendens til å være
beregnet.
Strømmen ved hjelp av den resistive skillelinjen kan kanskje være omtrent hundre ganger så massiv som tilbakemeldingsstrømmen:
I (r1 / 2)> eller = 100 x I (fb) ---------- (9)
I (r1 / 2) = strøm i løpet av motstandsdeleren til GND
I (fb) = tilbakemeldingsstrøm fra databladet
Dette øker under 1% unøyaktighet i spenningsevalueringen. Strømmen er i tillegg betydelig større.
Hovedproblemet med mindre motstandsverdier er et økt effekttap i motstandsdeleren, bortsett fra at relevansen kan være noe forhøyet.
Med ovenstående overbevisning utarbeides motstandene som listet opp nedenfor:
R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (10)
R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (11)
R1, R2 = motstandsdeler.
V (fb) = tilbakemeldingsspenning fra databladet
I (r1 / 2) = strøm på grunn av den resistive skillelinjen til GND, etablert i ligning 9
Vout = planlagt utgangsspenning
Valg av inngangskondensator
Den minste verdien for inngangskondensatoren deles vanligvis ut i databladet. Denne aller minste verdien er viktig for jevn inngangsspenning som et resultat av toppstrømforutsetningen for en bryterstrømforsyning.
Den mest egnede metoden er å bruke keramiske kondensatorer med redusert ekvivalent seriemotstand (ESR).
Det dielektriske elementet må være X5R eller høyere. Ellers kan kondensatoren droppe det meste av kapasitansen på grunn av DC-skjevhet eller temperatur (se referanser 7 og 8).
Verdien kan faktisk økes hvis inngangsspenningen kanskje er støyende.
Valg av utgangskondensator
Den beste metoden er å finne små ESR-kondensatorer for å redusere krusningen på utgangsspenningen. Keramiske kondensatorer er de riktige typene når det dielektriske elementet er av X5R-typen eller mer effektivtI tilfelle omformeren bærer ekstern kompensasjon, kan en hvilken som helst kondensatorverdi over det foreslåtte minste i databladet brukes, men likevel må kompensasjonen endres for den valgte utgangskapasitansen.
Med internt kompenserte omformere må de tilrådelige induktor- og kondensatorverdiene brukes, eller informasjonen i databladet for tilpasning av utgangskondensatorene kan adopteres med forholdet L x C.
Med sekundær kompensasjon kan følgende ligninger være til hjelp for å regulere utgangskondensatorverdiene for en planlagt utgangsspenningsrippel:
Cout (min) = Iout (maks) x D / f (s) x Delta Vout ---------- (12)
Cout (min) = minste utgangskapasitans
Iout (max) = optimal utgangsstrøm for bruken
D = driftssyklus utarbeidet med ligning 1
f (s) = omformerens minste bryterfrekvens
Delta Vout = ideell utgangsspenningsring
ESR til utgangskondensatoren øker en større rippel, forhåndsallokert med ligningen:
Delta Vout (ESR) = ESR x [Iout (max) / 1 -D + Delta I (l) / 2] ---------- (13)
Delta Vout (ESR) = alternativ utgangsspenningsring som følge av kondensatorer ESR
ESR = ekvivalent seriemotstand for den brukte utgangskondensatoren
Iout (max) = største utgangsstrøm for bruken
D = driftssyklus funnet i første ligning
Delta I (l) = induktor ringstrøm fra ligning 2 eller ligning 6
Ligninger for å evaluere kraftfasen til en Boost Converter
Maksimal driftssyklus: D = 1 - Vin (min) x n / Vout ---------- (14)
Vin (min) = minste inngangsspenning
Vout = forventet utgangsspenning
n = effektiviteten til omformeren, f.eks. estimert 85%
Induktor ringstrøm:
Delta I (l) = Vin (min) x D / f (s) x L ---------- (15)
Vin (min) = minste inngangsspenning
D = driftssyklus etablert i ligning 14
f (s) = omformerens nominelle bryterfrekvens
L = spesifisert spoleverdi
Maksimal utgangsstrøm for nominert IC:
Iout (max) = [Ilim (min) - Delta I (l)] x (1 - D) ---------- (16)Ilim (min) = minste verdi av den nåværende grensen for den integrerte heksen (tilbys i databladet)
Delta I (l) = Induktor ringstrøm etablert i ligning 15
D = driftssyklus estimert i ligning 14
Applikasjonsspesifikk maks bryterstrøm:
Isw (max) = Delta I (l) / 2 + Iout (max) / (1 - D) ---------- (17)Delta I (l) = induktor ringstrøm estimert i ligning 15
Iout (maks), = høyest mulig utgangsstrøm som kreves i verktøyet
D = driftssyklus funnet i ligning 14
Induktor tilnærming:
L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (l) x f (s) x Vout ---------- (18)Vin = vanlig inngangsspenning
Vout = planlagt utgangsspenning
f (s) = omformerens minste bryterfrekvens
Delta I (l) = projisert induktor ringstrøm, se ligning 19
Induktor Ripple Current Valuation:
Delta I (l) = (0,2 til 0,4) x Iout (maks) x Vout / Vin ---------- (19)Delta I (l) = projisert spole ringstrøm
Iout (max) = høyeste utgangsstrøm viktig i bruken
Typisk fremstrøm av likeretterdiode:
I (f) = Iout (maks) ---------- (20)
Iout (max) = optimal utgangsstrøm som passer i verktøyet
Effektdissipasjon i likeretterdiode:
P (d) = I (f)
x V (f) ---------- (21)
I (f) = typisk fremstrøm for likeretterdioden
V (f) = fremoverspenning til likeretterdioden
Strøm ved å bruke Resistive Divider Network for posisjonering av utgangsspenning:
I (r1 / 2)> eller = 100 x I (fb) ---------- (22)I (fb) = tilbakemeldingsstrøm fra databladet
Verdien av motstanden mellom FB-stift og GND:
R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (23)
Verdien av motstanden mellom FB-pin og Vout:
R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (24)
V (fb) = tilbakemeldingsspenning fra databladet
I (r1 / 2) = strøm
på grunn av den resistive skillelinjen til GND, funnet ut i ligning 22
Vout = ettertraktet utgangsspenning
Minste utgangskapasitet, ellers forhåndstildelt i databladet:
Cout (min) = Iout (maks) x D / f (s) x Delta I (l) ---------- (25)
Iout (max) = høyest mulig utgangsstrøm for programmet
D = driftssyklus funnet i ligning 14
f (s) = omformerens minste bryterfrekvens
Delta Vout = forventet utgangsspenning
Overflødig utgangsspenningsring på grunn av ESR:
Delta Vout (esr) = ESR x [Iout (max) / (1 - D) + Delta I (l) / 2 ---------- (26)
ESR = parallell seriemotstand for den brukte utgangskondensatoren
Iout (max) = optimal utgangsstrøm for bruken
D = driftssyklus bestemt i ligning 14
Delta I (l) = induktor ringstrøm fra ligning 15 eller ligning 19
Forrige: Lag denne elektriske scooteren / Rickshaw Circuit Neste: Beregning av induktorer i Buck Boost-omformere
