¿Por qué buck (step-down) de los reguladores de conmutación requieren de un inductor y el diodo?

Question

Por tanto, entiendo, al menos en un nivel básico, el método de operación de conmutación de los convertidores, tanto buck y boost. Lo que me desconcierta, sin embargo, es la razón por la convertidores buck, en particular, no son más sencillos.

¿Por qué no construir un convertidor buck como un interruptor que carga un capacitor, con el interruptor controlado por un comparador de la comparación de la tensión de salida de referencia? ¿No sería mucho más sencillo, te permiten utilizar más fácilmente y a menor precio disponible del condensador en lugar de el inductor, y omitir el diodo en su totalidad?

Answer 1

Buck convertidores son tan simples como aumentar los convertidores. De hecho, son exactamente el mismo circuito, visto al revés, si tenemos la libertad de elegir qué interruptor (de los dos) funcionará como el conmutador controlado (o ambos, si es un convertidor síncrono).

Respecto a tu segundo párrafo, si se hizo, se incurriría en pérdidas. Más que con un inductor conmutados basados en el regulador, y mucho, mucho más que con un regulador lineal. Cada vez que se conecta una fuente de voltaje de un capacitor cuya tensión inicial no es la misma que la de la fuente de voltaje, inevitablemente, la energía de los residuos. Incluso si usted no ve una resistencia explícita, en la vida real está ahí, y (curiosamente) no importa lo pequeño que es, de los residuos que la misma cantidad de energía. Vea aquí.

Bombas de carga de trabajo, como usted dice, pero son menos eficientes que los inductor basado en la conmutación de los reguladores.

Así que esa es la justificación para el ... al parecer innecesario-- añade complejidad de inductor basado en la conmutación de los reguladores.

Más: Para tratar de dar la intuición de por qué buck y boost convertidores de existir, véase esta figura.

Si intenta mover la energía entre dos fuentes de voltaje que no son iguales, o entre dos fuentes de corriente que no son iguales, usted tendrá pérdidas inevitables. Por otro lado, se puede mover la energía (e incluso haciendo algunos de voltaje o corriente de escala en el camino) sin cualquier pérdida, si se conecta una fuente de voltaje a una fuente de corriente. El pasivo elemento físico que se asemeja a la mayoría de una fuente de corriente es un inductor. Por eso inductor conmutados basados en los reguladores de existir.

Bombas de carga sería en la columna de la izquierda. Su máximo teórico de la eficiencia es inferior al 100% (el real de la eficiencia depende de la diferencia de los voltajes y las capacitancias). Inductor conmutados basados en los reguladores están en la columna de la derecha. Su teórica máxima eficiencia es del 100% (!).

Answer 2

El problema con lo que estás describiendo es actual. En un convertidor buck, usted puede obtener un promedio de 10A con sólo 5A, porque el otro 5A llega a la salida a través del diodo. Y el diodo sólo está sesgada hacia adelante debido a la inductiva patada. Sin el inductor y el diodo, sólo hay un camino para el flujo de corriente a la salida, y que la recta de la entrada. Con la topología, si tu promedio de la corriente de salida es de 10A, el promedio de la corriente de entrada tiene que ser también 10A. Y si estás perdiendo el voltaje de entrada a la salida, mientras que el actual sigue siendo el mismo, la pérdida de energía es disipada en forma de calor. Esta derrota el propósito de utilizar un regulador de conmutación en lugar de un regulador lineal en el primer lugar.

Además, si usted toma dos gorras en diferentes voltajes y simplemente cerrar un interruptor entre ellos, la corriente instantánea que va a ser muy, muy grande. Modelo de cada tapa como un Thevenin de origen, en un perfecto suministro de voltaje con una resistencia en serie. La resistencia de la ruta entre las dos fuentes perfectas será el estado de la resistencia del dispositivo de conmutación, además de la velocidad de sedimentación globular de las dos tapas. ESR de las tapas es, probablemente, va a estar en el orden de 1 mOhm, si no mucho menos. En el estado de resistencia de un transistor puede variar, pero probablemente no más de 100 mOhm. Así que si usted tiene una 10V diferencia entre la entrada y la salida, su instantánea de entrada/interruptor de corriente de encender el interruptor será de al menos 100, y posiblemente tan alto como miles de amperios.

Por supuesto, usted sólo tiene esos picos de cada tan a menudo, dependiendo de la carga de salida y el ajuste de la comparación de bucle. El resto del tiempo, su entrada interruptor de la corriente es cero. Así que usted puede tirar de 1A promedio, pero lo que la entrada se ve es 1000A puntas en un .1% de ciclo de trabajo. Regular de grandes picos de corriente que se va a hacer la correcta fusión de un problema; la corriente RMS de que tipo de onda termina siendo algo así como 18x el promedio actual! También requieren un interruptor de beefier, que no se sature con instantáneos de las corrientes que alta. Para no decir nada de el ruido electromagnético que el acuerdo iba a poner!

Mejor dejar el transistor en modo analógico y sólo ajustar su tensión de puerta de modo que el drenaje-fuente de resistencia mantiene la salida en el límite de la tensión deseada. Y hay que tener un regulador lineal.

Answer 3

Nick - te voy a dejar gran parte del inductor convertidor de discusión a los demás y me voy a la dirección:

¿Por qué no construir un convertidor buck como un interruptor que carga un capacitor, con el interruptor controlado por un comparador de la comparación de la tensión de salida de referencia? ¿No sería mucho más sencillo, te permiten utilizar más fácilmente y a menor precio disponible del condensador en lugar de el inductor, y omitir el diodo en su totalidad?

El uso de métodos MUY especiales es posible hacer condensador de convertidores que transformar eficazmente la energía de un nivel de tensión a otro. PERO simplista métodos fallan mal. Una sola etapa de condensadores del convertidor de que las mitades de la tensión mediante el vertido de carga de un condensador en otro de igual capacitancia tiene una eficiencia TEÓRICA del 50% y una práctica de no más de la teórica, y probablemente menos. Esto es debido a la simple aplicación de 'las leyes de la física'. La triste realidad es que los requisitos para lograr una buena eficiencia son mucho más fáciles de cumplir con un inductor de la base del convertidor de que con un condensador.

Pruebe este sencillo experimento.
Tomar dos condensadores C1 Y C2 de la igualdad de capacitancia.
De carga de C1 a decir 10V.
Una fórmula básica relacionadas con la carga y la capacitancia es V = kQ/C
donde V es el voltaje del condensador, k es una constante, Q es la carga y C = capacitancia. Ahora conecte el C2 a C1.
La carga de C1 ahora va a ser compartida por igual entre C1 Y C2.
Por lo que el Voltaje en cada condensador es de 5V - ya sea porque la carga en cada uno es la mitad de la original o porque la capacidad se ha duplicado - 2 formas de ver la misma cosa.

Hasta ahora tan bueno.

PERO la energía en un condensador es de 0.5 x C x V^2.

Inicialmente anterior E = 0.5 x C x 10^2 = 50C unidades de energía.
Después de la combinación de los dos condensadores de energía per cap = 0.5 x C x 5^2 o de dos capas.
energía = 2 x 0.5 x C x 5^2 = 25 ° C unidades de Energía.
Oh, querido ! :-(.
Sólo mediante la combinación de los dos condensadores y con ellos, compartir la responsabilidad que se nos han reducido a la MITAD la energía presente!
La mitad de la energía que se ha perdido en el proceso!
Este aopparently extraño e inexplicable hecho es debido a resistiva las pérdidas de energía durante la transferencia. Lo MEJOR que podemos perder la mitad de la energía si el voltaje mitades de esta manera. El mínimo de pérdidas de energía resultado es el mismo si utilizamos un gran valor de la resistencia a la transferencia de energía, o un muy bajo valor de la resistencia, como un pedazo de alambre - una pequeña fracción de un ohm. En este último caso tenemos extremadamente altas corrientes.

Un "obvio" que la solución es "soporte de los condensadores en la parte superior de uno al otro" a cargo de ellos y colocarlos en paralelo a la descarga. Esto funciona! Para un ciclo. Teórico de eficiencia = 100%. Haciendo esto, en la práctica, en este caso, se toma al menos 2 x conmutación de los interruptores con la complejidad y las pérdidas y sólo funciona para una proporción de 2:1. Peor aún, si podemos reducir la tapa de voltaje con carga, por lo que necesita ser recahrged para el próximo ciclo nos encontramos con que la recarga tiene la misma pérdidas resistivas como antes. Tenemos un 100% de eficiencia teórica sólo si sacamos ninguna potencia de salida :-(.
Una especie de solución es tener el condensador de caída de tensión sólo una cantidad muy pequeña y la recarga por sólo una pequeña cantidad. Si hacemos esto, la eficiencia puede ser cercana al 100%, PERO tenemos grandes tapas por la corriente de carga (como la mayor parte de la capacidad se utiliza para mantener el voltaje constante) y todavía tienen sólo un 2:1 ratio de conversión. Otras relaciones se puede lograr, pero es molesto, obtener complejo y costoso, y tiene pocos o ningún ventajas sobre el uso de inductores en la mayoría de los casos. Algunos muy especialista convertidores de trabajar de esta manera, pero son raros. Y usted puede comprar up o down converter ICs con un par de fijos razones como 2:1, 3:1, 4:1 pero por lo general son de baja potencia, Vsal se descuelga con carga (mayor Zout que es buena) y son por lo general inferiores en muchos aspectos a un inductor convertidor.

Cual es la razón por la que podemos ver una sencilla, fácil barato del convertidor buck en el uso de la tensión decreciente. El real converter utiliza 1 x L 1 x D, 1 x interruptor (MOSFET o lo que sea) y el resto es el "pegamento" o mejoras. El controlador también puede ser muy simple.

Answer 4

Sería imposible mantener los condensadores de tensión constante. Cada vez que se cierra el interruptor se tirarán a un voltaje (¿cual es el voltaje?) en ella, y la tensión sube debido a un alto pico de corriente. El condensador no les gusta. Y te vas a perder un montón de energía en la conmutación.

En un conmutador de la bobina hace que la corriente de carga del condensador se eleva suavemente y que, en promedio, que sigue la corriente de carga. El diodo es necesario para que cuando se abre el interruptor. En ese momento la bobina se ha construido un campo magnético cuya energía tiene que ir a alguna parte. El diodo se cierra el bucle que permite que la bobina de corriente siguen fluyendo.

Gracias a los más avanzados dispositivos de conmutación convertidores buck son mucho más simples para construir en estos días de su teoría de funcionamiento podría sugerir. Y que puede alcanzar hasta un 95% de eficiencia, que sólo el paso de un condensador de encendido y apagado nunca puede hacer.

Answer 5

Se puede dar un paso hacia abajo de un voltaje de corriente continua con un resistor de relación, uno en serie, Rs y la resistencia RL y de la carga en derivación común, pero usted sabe que no es eficiente con la pérdida de potencia = V*I en la serie Rs.

Usted puede dar el paso con una conmutación Resistencia de relación ( como usted sugiere) y, a continuación, la serie de la resistencia es una función de ciclo de trabajo y el interruptor de la eficaz resistencia en serie (ESR),

por lo tanto Rs = ESR / T { donde T es el tiempo/ tiempo de ciclo para T = 0 a 1 }

Ahora tus necesidades de carga de capacitancia constante el voltaje y tal vez un activo zener y aún así habrá pérdida en la resistencia en serie. Considerar la relación de 10:1 entonces la corriente es 10 veces mayor, pero en 1/10 de la época, por lo que P=V*I*T , la pérdida de potencia es el mismo que el de un regulador lineal. Sentido?

El inductor proporciona la constante de la corriente, mientras que bajar el voltaje. Ya que el actual es en gran medida reactiva y fuera de fase para el reloj de conmutación de señal de CA como un paso hacia abajo el dispositivo , es mucho más eficiente. Sentido? Mi haciendo que la reactiva de la impedancia mucho menor que el de la carga, que puede llegar a ser aún más eficiente. Esto significa aumentar el régimen de conmutación y el valor de inductancia. Pero ferrita saturación alcanza una práctica corriente límite y es fundamental para ir con la red aislada de ferrita para mucho más grande de corrientes.