- Perbedaan antara Buck dan Boost Regulator
- Dasar-dasar Desain Sirkuit Buck Converter
- Mode Pengoperasian Buck Converter
- PWM dan Siklus Tugas untuk Sirkuit Buck Converter
- Meningkatkan efisiensi Sirkuit Buck Converter
- Contoh Desain untuk Buck 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 akan menjelaskan rangkaian Switching Buck Regulator. Kami sudah menjelaskan Desain Regulator Buck di tutorial sebelumnya. Di sini kita akan membahas berbagai aspek konverter Buck dan cara meningkatkan efisiensinya.
Perbedaan antara Buck dan Boost Regulator
Perbedaan antara regulator buck dan boost adalah, pada buck regulator penempatan induktor, dioda dan rangkaian switching berbeda dengan regulator boost. Selain itu, dalam hal regulator penguat tegangan output lebih tinggi dari tegangan input, tetapi dalam regulator buck, tegangan output lebih rendah dari tegangan input.
Sebuah buck topologi atau buck converter adalah salah satu dari topologi dasar yang paling banyak digunakan digunakan di SMP. Ini adalah pilihan populer di mana kita perlu mengubah tegangan yang lebih tinggi ke tegangan keluaran yang lebih rendah.
Sama seperti booster regulator, buck converter atau buck regulator terdiri dari induktor, tetapi sambungan induktor berada dalam tahap keluaran daripada tahap masukan yang digunakan dalam regulator penguat.
Jadi, dalam banyak kasus, kita perlu mengubah tegangan yang lebih rendah ke tegangan yang lebih tinggi tergantung pada kebutuhan. Regulator buck mengubah tegangan dari potensial yang lebih tinggi ke potensial yang lebih rendah.
Dasar-dasar Desain Sirkuit Buck Converter
Pada gambar di atas, rangkaian pengatur Buck sederhana ditunjukkan di mana Induktor, dioda, Kapasitor, dan sakelar digunakan. Input terhubung langsung melalui sakelar. Induktor dan kapasitor terhubung di output, sehingga beban mendapatkan bentuk gelombang arus keluaran yang halus. Dioda digunakan untuk memblokir aliran arus negatif.
Dalam kasus switching booster regulator, ada dua Fase, Satu adalah fase Pengisian Induktor atau fase Switch-on (Switch ditutup sebenarnya) dan yang lainnya adalah fase Discharge atau fase mematikan (Sakelar terbuka).
Jika kita mengasumsikan bahwa sakelar telah dalam posisi terbuka untuk waktu yang lama, arus di rangkaian adalah 0 dan tidak ada tegangan.
Dalam situasi ini, jika sakelar mendekat maka arus akan meningkat dan induktor akan menciptakan tegangan di atasnya. Penurunan tegangan ini meminimalkan tegangan sumber pada keluaran, setelah beberapa saat laju perubahan arus menurun dan tegangan yang melintasi induktor juga menurun yang pada akhirnya meningkatkan tegangan melintasi beban. Induktor menyimpan energi menggunakan medan magnetnya.
Jadi, ketika sakelar hidup, tegangan induktor adalah V L = Vin - Vout
Arus dalam induktor naik dengan laju (Vin - Vout) / L.
Arus yang melalui induktor naik secara linier dengan waktu. Laju kenaikan arus linier sebanding dengan tegangan input dikurangi tegangan output dibagi dengan induktansi
di / dt = (Vin - Vout) / L.
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.
selama ini sementara arus masih berubah, akan selalu ada penurunan tegangan yang terjadi di induktor. Tegangan yang melintasi beban akan lebih rendah dari tegangan input. Selama keadaan mati, saat sakelar terbuka, sumber tegangan input terputus, dan induktor akan mentransfer energi yang tersimpan ke beban. The induktor akan menjadi sumber arus untuk beban.
Diode D1 akan memberikan jalur balik dari arus yang mengalir melalui induktor selama sakelar off-state.
Arus induktor berkurang dengan kemiringan sama dengan –Vout / L
Mode Pengoperasian Buck Converter
Konverter Buck dapat dioperasikan dalam dua mode berbeda. Mode kontinu atau mode terputus - putus.
Mode berkelanjutan
Selama mode Kontinu, induktor tidak pernah habis sepenuhnya, siklus pengisian dimulai saat induktor habis sebagian.
Pada gambar di atas, kita dapat melihat, ketika sakelar hidup ketika arus induktor (iI) meningkat secara linier, kemudian ketika sakelar mati, induktor mulai berkurang, tetapi sakelar kembali menyala sementara induktor sebagian kosong. Ini adalah mode operasi Berkelanjutan.
Energi yang tersimpan di induktor adalah E = (LI L 2) / 2
Mode Terputus
Mode terputus-putus sedikit berbeda dari mode kontinu. Dalam mode Discontinuous, Induktor habis sepenuhnya sebelum memulai siklus pengisian baru. Induktor akan melepaskan sepenuhnya ke nol sebelum sakelar menjadi on.
Selama mode diskontinu, seperti yang dapat kita lihat pada gambar di atas ketika sakelar menyala, arus induktor (il) meningkat secara linier, kemudian ketika sakelar mati, induktor mulai berkurang, tetapi sakelar hanya hidup setelah induktor benar-benar habis dan arus induktor menjadi nol sama sekali. Ini adalah mode operasi tanpa henti. Dalam operasi ini, arus yang mengalir melalui induktor tidak kontinyu.
PWM dan Siklus Tugas untuk Sirkuit Buck Converter
Seperti yang kita bahas di tutorial buck converter sebelumnya, memvariasikan duty cycle kita dapat mengontrol rangkaian buck regulator. Untuk ini, diperlukan sistem kendali dasar. Penguat kesalahan dan rangkaian kontrol sakelar juga diperlukan yang akan bekerja dalam mode kontinu atau terputus-putus.
Jadi, untuk rangkaian regulator buck lengkap, kita membutuhkan sirkuit 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.
Sirkuit kontrol mengontrol jumlah waktu sakelar tetap terbuka atau, mengontrol berapa banyak waktu induktor mengisi atau melepaskan.
Sirkuit ini mengontrol sakelar tergantung pada mode operasinya. 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, Kebanyakan regulator buck 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 Buck Converter
Sekarang, jika kita menyelidiki tentang efisiensi, 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. Penurunan tegangan maju dikalikan dengan arus (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 Switching buck regulator, yang memberikan efisiensi lebih dari 90% dengan mudah.
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 Buck Converter
Kami sebelumnya membuat rangkaian regulator buck menggunakan MC34063 di mana output 5V dihasilkan dari tegangan input 12V. MC34063 adalah regulator switching yang digunakan dalam konfigurasi buck regulator. 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 75-78% efisiensi dicapai oleh rangkaian regulator buck switching MC34063 ini. Efisiensi lebih lanjut dapat ditingkatkan dengan menggunakan teknik PCB yang tepat dan memperoleh prosedur manajemen termal.
Contoh Penggunaan Regulator Buck-
- Sumber daya Dc dalam aplikasi tegangan rendah
- Peralatan portabel
- Perlengkapan audio
- Sistem perangkat keras tertanam.
- Sistem tata surya dll.