- Dasar-dasar Desain Sirkuit Boost Converter
- PWM dan Duty Cycle untuk Boost Converter Circuit
- Meningkatkan efisiensi Sirkuit Boost Converter
- Contoh Desain untuk Boost Converter
Dalam elektronika, regulator adalah alat atau mekanisme yang dapat mengatur keluaran daya secara konstan. Ada berbagai jenis regulator yang tersedia di domain catu daya. Tetapi terutama, dalam kasus konversi DC ke DC, ada dua jenis regulator yang tersedia: Linear atau Switching.
Sebuah regulator linear mengatur output menggunakan drop tegangan resistif, dan karena ini regulator Linear memberikan efisiensi yang lebih rendah dan kekuasaan kalah dalam bentuk panas.
Di sisi lain Pengatur saklar menggunakan induktor, Dioda dan saklar daya untuk mentransfer energi dari sumbernya ke keluaran.
Ada tiga jenis regulator switching yang tersedia.
1. Pengonversi langkah (Boost Regulator)
2. Konverter penurun (pengatur Buck)
3. Inverter (Flyback)
Dalam tutorial ini kami menjelaskan rangkaian Switching Boost Regulator. Kami sudah menjelaskan Desain Boost Regulator di tutorial sebelumnya. Di sini kita akan membahas berbagai aspek konverter Boost dan cara meningkatkan efisiensinya.
Dasar-dasar Desain Sirkuit Boost Converter
Dalam banyak kasus, kita perlu mengubah tegangan yang lebih rendah ke tegangan yang lebih tinggi tergantung pada kebutuhan. Boost regulator meningkatkan tegangan dari potensi yang lebih rendah ke potensi yang lebih tinggi.
Pada gambar di atas, rangkaian pengatur Boost sederhana ditunjukkan di mana Induktor, dioda, Kapasitor, dan sakelar digunakan.
Tujuan induktor adalah untuk membatasi laju perubahan tegangan arus yang mengalir melalui sakelar daya. Ini akan membatasi kelebihan arus puncak tinggi yang tidak dapat dihindari oleh resistansi sakelar secara individual.
Juga, energi toko induktor, energi diukur dalam Joule E = (L * I 2 /2)
Kami akan memahami bagaimana induktor mentransfer energi dalam gambar dan grafik yang akan datang.
Dalam hal mengganti regulator boost, ada dua Fase, Satu adalah fase Pengisian Induktor atau fase Sakelar (Sakelar sebenarnya tertutup) dan yang lainnya adalah fase Discharge atau fase mematikan (Sakelar terbuka).
Jika kita mengasumsikan bahwa sakelar telah dalam posisi terbuka untuk waktu yang lama, penurunan tegangan dioda negatif dan tegangan kapasitor sama dengan tegangan input. Dalam situasi ini, jika sakelar ditutup, Vin takut melintasi induktor. Dioda mencegah pelepasan kapasitor melalui sakelar ke ground.
Arus yang melalui induktor naik secara linier dengan waktu. Laju kenaikan arus linier sebanding dengan tegangan input dibagi dengan induktansi di / dt = Tegangan melintasi Induktor / Induktansi
Pada grafik atas, menunjukkan fase Pengisian induktor. Sumbu x menunjukkan t (waktu) dan sumbu Y menunjukkan I (arus melalui induktor). Arus meningkat secara linier dengan waktu ketika sakelar ditutup atau ON.
Sekarang, ketika sakelar kembali mati atau terbuka, arus induktor mengalir melalui dioda dan mengisi kapasitor keluaran. Ketika tegangan keluaran naik, kemiringan arus melalui induktor berbalik. Tegangan Output naik sampai Tegangan melalui induktor = L * (di / dt) tercapai.
Laju penurunan arus induktor dengan waktu berbanding lurus dengan tegangan induktor. Semakin tinggi tegangan induktor, semakin cepat arus turun melalui induktor.
Pada grafik di atas, arus induktor turun seiring waktu ketika sakelar mati.
Ketika regulator switching dalam kondisi operasi mapan, tegangan rata-rata Induktor adalah Nol selama seluruh siklus switching. Untuk kondisi ini, arus rata-rata yang melalui induktor juga dalam keadaan mapan.
Jika kita mengasumsikan bahwa waktu pengisian induktor adalah Ton dan rangkaian memiliki tegangan input, maka akan ada waktu Toff atau waktu pelepasan tertentu untuk tegangan output.
Karena tegangan induktor rata-rata sama dengan nol dalam kondisi tunak, kita dapat membangun rangkaian penguat menggunakan istilah berikut
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)
Karena tegangan output sama dengan tegangan Input dan tegangan induktor rata-rata (Vout = Vin + VL)
Kita bisa bilang, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
Kami juga dapat menghitung Vout menggunakan duty cycle.
Siklus Tugas (D) = Ton / (Ton + Toff)
Untuk booster switching regulator, Vout akan menjadi Vin / (1 - D)
PWM dan Duty Cycle untuk Boost Converter Circuit
Jika kita mengontrol siklus kerja, kita dapat mengontrol output kondisi-mapan dari konverter penguat. Jadi, untuk variasi siklus kerja, kami menggunakan rangkaian kontrol di seluruh sakelar.
Jadi, untuk rangkaian pengatur penguat dasar lengkap, kita memerlukan rangkaian tambahan yang akan memvariasikan siklus kerja dan dengan demikian jumlah waktu induktor menerima energi dari sumbernya.
Pada gambar di atas, sebuah penguat Kesalahan dapat dilihat yang merasakan tegangan keluaran melintasi beban menggunakan jalur umpan balik dan mengontrol sakelar. Teknik kontrol yang paling umum termasuk teknik PWM atau Pulse Width Modulation yang digunakan untuk mengontrol duty cycle sirkuit.
The sirkuit kontrol kontrol jumlah waktu switch tetap terbuka atau dekat, tergantung pada arus yang ditarik oleh beban. Sirkuit ini juga digunakan untuk operasi kontinu dalam kondisi tunak. Ini akan mengambil sampel tegangan keluaran dan menguranginya dari tegangan referensi dan membuat sinyal kesalahan kecil, kemudian sinyal kesalahan ini akan dibandingkan dengan sinyal ramp osilator dan dari keluaran komparator sinyal PWM akan beroperasi atau mengontrol sakelar sirkuit.
Ketika tegangan keluaran berubah, tegangan kesalahan juga terpengaruh olehnya. Karena kesalahan perubahan tegangan, komparator mengontrol keluaran PWM. PWM juga berubah ke posisi ketika tegangan keluaran menciptakan tegangan kesalahan nol dan dengan melakukan ini, sistem loop kontrol tertutup menjalankan pekerjaan.
Untungnya, Sebagian besar regulator penguat Switching modern memiliki hal ini di dalam paket IC. Jadi desain sirkuit sederhana dicapai dengan menggunakan regulator switching modern.
Tegangan umpan balik referensi dilakukan dengan menggunakan jaringan pembagi resistor. Ini adalah sirkuit tambahan, yang dibutuhkan bersama dengan induktor, dioda, dan kapasitor.
Meningkatkan efisiensi Sirkuit Boost Converter
Sekarang, Jika kita menyelidiki tentang efisiensi, itu adalah berapa banyak daya yang kita berikan di dalam sirkuit dan berapa banyak yang kita dapatkan pada keluarannya.
(Cemberut / Pin) * 100%
Karena energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, ia hanya dapat diubah, sebagian besar energi listrik kehilangan daya yang tidak terpakai dan diubah menjadi panas. Selain itu, tidak ada situasi ideal dalam bidang praktis, efisiensi merupakan faktor yang lebih besar untuk memilih regulator tegangan.
Salah satu faktor kehilangan daya utama untuk regulator switching adalah dioda. Arus jatuh waktu tegangan maju (Vf xi) adalah watt yang tidak terpakai yang diubah menjadi panas dan mengurangi efisiensi rangkaian regulator switching. Juga, Ini adalah biaya tambahan untuk sirkuit untuk teknik manajemen panas / panas menggunakan heatsink, atau Kipas untuk mendinginkan sirkuit dari panas yang hilang. Tidak hanya penurunan tegangan maju, pemulihan terbalik untuk dioda silikon juga menghasilkan kehilangan daya yang tidak perlu dan pengurangan efisiensi secara keseluruhan.
Salah satu cara terbaik untuk menghindari dioda pemulihan standar adalah dengan menggunakan dioda Schottky sebagai pengganti dioda yang memiliki penurunan tegangan maju rendah dan pemulihan mundur yang lebih baik. Ketika efisiensi maksimum diperlukan, dioda dapat diganti menggunakan MOSFET. Dalam teknologi modern, ada banyak pilihan yang tersedia di bagian regulator penguat Switching, yang memberikan efisiensi lebih dari 90% dengan mudah.
Selain itu, terdapat fitur "Mode Lewati" yang digunakan di banyak perangkat modern yang memungkinkan regulator untuk melewati siklus peralihan saat tidak diperlukan peralihan pada beban yang sangat ringan. Ini adalah cara yang bagus untuk meningkatkan efisiensi dalam kondisi beban ringan. Dalam mode lewati, siklus Pengalihan dimulai hanya ketika tegangan keluaran turun di bawah ambang batas pengatur.
Meskipun memiliki efisiensi yang lebih tinggi, teknik desain stasioner, komponen yang lebih kecil, regulator switching lebih berisik daripada regulator linier. Tetap saja, mereka sangat populer.
Contoh Desain untuk Boost Converter
Sebelumnya kita telah membuat rangkaian booster regulator menggunakan MC34063 dimana keluaran 5V dihasilkan dari tegangan masukan 3.7V. MC34063 adalah regulator switching yang digunakan dalam konfigurasi regulator boost. Kami menggunakan Induktor, dioda Schottky, dan kapasitor.
Pada gambar di atas, Cout adalah kapasitor keluaran dan kami juga menggunakan induktor dan dioda Schottky yang merupakan komponen dasar untuk regulator switching. Ada juga jaringan Umpan Balik yang digunakan. Resistor R1 dan R2 membuat rangkaian pembagi tegangan yang diperlukan untuk PWM komparator dan tahap amplifikasi kesalahan. Tegangan referensi komparator adalah 1,25V.
Jika kita melihat proyek secara rinci, kita dapat melihat bahwa efisiensi 70-75% dicapai oleh rangkaian regulator penguat switching MC34063 ini. Efisiensi lebih lanjut dapat ditingkatkan dengan menggunakan teknik PCB yang tepat dan memperoleh prosedur manajemen termal.