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Leitfaden zu Buck-, Boost- und Buck-Boost-Konverter

2023/12/21
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Wie funktioniert ein Buck Converter?

Wie funktioniert ein Boost -Konverter?

Was ist ein Auftriebsspannungswandler?

Die Power Conversion-Technologie ist ein unverzichtbarer Bestandteil moderner elektronischer Geräte, wobei DC-DC-Konverter (Direktstrom auf Direktstrom) eine Schlüsselrolle spielen.Diese Konverter, darunter Buck-Konverter, Boost-Wandler und Buck-Boost-Konverter, unterscheiden sich in ihren Arbeitsprinzipien, aber alle sind so konzipiert, dass sie die Anforderungen von Schaltkreisen für verschiedene Spannungsstufen erfüllen.Dieser Artikel befasst sich mit den Funktionen und Arbeitsprinzipien dieser drei Arten von Konvertern und unterstreicht ihre Bedeutung für die zeitgenössische elektronische Technologie.

Was ist ein Buck -Konverter?

Ein Buck-Wandler, auch als Step-Down-Wandler bezeichnet, ist ein hocheffizienter Typ der Schaltmodus-Netzteil, mit der höhere DC-Spannungen (höhere Gleichstrom-Spannungen) in niedrigere Umwandlung konvertiert werden.Zu seinen Schlüsselkomponenten gehören mindestens zwei Halbleiter (typischerweise ein Transistor und eine Diode) und mindestens ein Energiespeicherelement, wie ein Induktor oder Kondensator.In modernen Konstruktionen zur Verbesserung der Effizienz werden häufig zwei Transistoren anstelle der Transistor-Diode-Kombination verwendet, eine Methode, die als synchrone Richtigkeit bezeichnet wird, beispielsweise eine Kombination von Kondensatoren und Induktoren.

Filter aus Kondensatoren (normalerweise mit Induktoren gepaart) werden üblicherweise zum Ausgang (auf der Lastseite) und der Eingabe (auf der Stromquellenseite) solcher Wandler hinzugefügt, um die Spannungswellen zu reduzieren.

Als Typ von DC-DC-Konverter sind Schalter-Mode-Konverter wie der Buck-Wandler effizienter als lineare Regulatoren.Lineare Regulatoren sind weniger komplexe Schaltkreise, die die Spannung reduzieren, indem sie Energie in Form von Wärme abgeleitet werden, aber den Ausgangsstrom nicht erhöhen.Buck-Konverter sind äußerst effizient (typischerweise mehr als 90%), wodurch sie für die Umwandlung der Hauptnetzteilspannung von Computern (ca. 12 V) in die für USB, DRAM und CPUs (5 V erforderlichen unteren Spannungen) geeignet sind, 3,3 V oder 1,8 V, siehe PSU).

Einer der am häufigsten verwendeten DC/DC-Wandler ist der Step-Down-DC/DC-Wandler, auch als Buck-Konverter bezeichnet.Buck -Wandler können größere DC -Spannungen auf niedrigere Gleichstromwerte von 24 V auf 12 V oder 5 V reduzieren.Sie bieten eine breite Palette von Anwendungen, geringem Verlust und hohe Effizienz.

Wie funktioniert ein Buck Converter?

Bei der Steuerung eines Puls-Breitenmodulationssignals (PWM) wechselt der Transistor-VT in einem Buck DC/DC-Wandler zwischen Leitung und Grenzwert (auch als Off-Status bezeichnet).PWM funktioniert ähnlich wie ein mechanischer Schalter, der schnell ein- und ausschaltet.Abbildung 1 zeigt sein Betriebsprinzip.Die Abbildungen 1-1 bzw. 1-2 zeigen die aktuellen Pfade, wenn VT ein- und ausgeschaltet ist.Zur Erleichterung der Schaltungsanalyse verwenden die Abbildungen das Schließen und Öffnen von Switch S, um die Ein- und Ausschalten von VT darzustellen.Wenn VT aktiviert ist (d. H. Wenn S geschlossen ist), wird die Flyback -Dioden -VD abgeschnitten und die Eingangsspannungs -UI auf das linke Ende der Energiespeicher -Induktor -L angelegt, wodurch eine Spannung (UI - UO) erzeugt wird.Wenn der Strom, der durch L fließt, zunimmt, nimmt die im Induktor gespeicherte Energie linear zu.Die induzierte elektromotive Kraft des Induktors ist links positiv und rechts negativ.Während dieses Zeitraums versorgt der Eingangsstrom (d. H. Der Induktorstrom IL) nicht nur die Last, sondern lädt auch den Filterkondensator C auf. Die Summe des Kondensatorladstroms I1 und der Last -RL -Strom IO entspricht dem Induktorstrom IL.

Abwärtswandler

Wenn VT ausgeschaltet ist (d. H. Wenn s getrennt ist), wird der Induktor L aus der Eingangsspannungs-UI isoliert, wie in Abbildung 1-2 gezeigt.Da sich der Strom im Induktor nicht abrupt ändern kann, wird eine induzierte Spannung mit einem negativen links und positiv auf der rechten Seite über L erzeugt, um einen konstanten Strom zu erhalten, der durch den Induktor fließt.Zu diesem Zeitpunkt leitet die Flyback -Diode -VD die in l gespeicherte Magnetfeldergie in elektrische Energie um, wodurch die Last durch die durch VD gebildete Schaltung fortgesetzt wird, während der Induktorstrom il linear abnimmt.Gleichzeitig wird der Entladungsstrom I2 des Filterkondensators C auf dem IL -Induktorstrom überlagert und der Last RL Strom versorgt.Die Summe des Induktorstroms IL und des Kondensatorentladungsstroms I2 bildet den Laststrom IO.

Eigenschaften eines Buck DC/DC -Konverters:

1. UO ist die Ausgangsspannung.
2. Die Polarität der Ausgangsspannung UO ist die gleiche wie die Eingangsspannungs -Benutzeroberfläche.
3. Die maximale Spannung, die der Power -Switch -Transistor VT standhalten kann, ist UCE = UI.
4. Der maximale Strom durch den Kollektor des Netzschaltertransistors VT ist IC = IO.
5. Der durchschnittliche Strom der Flyback-Diode VD beträgt if = (1-d) IO.
6. UR = UI ist die von der Flyback Diode VD getragene Rückspannung.
7. DC/DC-Wandler können diskrete Komponenten und PWM-Controller sowie integrierte Schaltungsgeräte verwenden.Beispiele für gängige integrierte Schaltungsprodukte sind LM2576, LM2596 und L4960.Der periphere Schaltkreis des LM2576 ist einer der einfachsten.

Was ist ein Boost -Konverter?

Ein Boost-Konverter, auch als DC-DC-Stufe-Chopper bekannt, ist ein effizienter Typ des DC-DC-Wandlers, der speziell für die Erhöhung der Gleichstrom-Eingangsspannung auf ein höheres Niveau entwickelt wurde und gleichzeitig die gleiche Polarität beibehält.Diese Konverter spielen eine entscheidende Rolle bei der Ausführung des elektronischen Schaltkreises, insbesondere in Situationen, in denen die Stromversorgungsspannung erhöht werden muss, um den spezifischen Lastanforderungen zu erfüllen.

Im Kern besteht ein Boost -Wandler aus mindestens zwei Halbleiterkomponenten (typischerweise einer Diode und einem Transistor wie einem MOSFET) und mindestens einem Energiespeicherelement (wie einem Induktor oder Kondensator).Die kollaborative Funktion dieser Komponenten ermöglicht es dem Konverter, die Spannung effektiv zu erhöhen und gleichzeitig die Stabilität und Reinheit der Spannung aufrechtzuerhalten.Kondensatoren und Induktoren dienen hier nicht nur als Medien für die Energiespeicherung, sondern auch als Filter, die sowohl an Eingangs- als auch Ausgangsenden installiert sind, um Spannungswellen und Rauschen zu reduzieren und so einen stabileren Ausgang zu liefern.

Einer der wesentlichen Vorteile von Boost -Konverter ist ihre hohe Effizienz.Durch sorgfältiges Design können sie bis zu 99% der Eingangsenergie in Output -Energie umwandeln.Diese hohe Effizienz macht Boost -Konverter besonders beliebt in Anwendungen, die für den Energieverbrauch empfindlich sind.Der Schlüssel zu dieser effizienten Konvertierung liegt in der Auswahl und Konfiguration der Schaltkomponenten.Designer müssen genaue Kompromisse zwischen der Pannungspannung des Halbleiters und dem Widerstand des Halbleiters einlassen, wenn sie geöffnet sind.Da Boost -Wandler die Summe der Stromversorgungsspannung und die vom Induktor erzeugte Spannung abwickeln müssen, müssen die ausgewählten Halbleiterkomponenten bei der Leitung eine ausreichend hohe Breakdown -Spannungen und so niedrig wie möglich wie möglich aufweisen.

Boost -Konverter verfügen über eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Branchen und Feldern.In Automobilanwendungen werden sie verwendet, um die erforderlichen Spannungen für elektronische Steuereinheiten und -sensoren bereitzustellen.In Leistungsverstärkern und adaptiven Steuerungssystemen liefern sie die Stromversorgung, die erforderlich ist, um Hochleistungsvorgänge voranzutreiben.Sie werden außerdem in batteriebetriebenen Systemen, tragbaren Unterhaltungselektronik, Kommunikationsgeräten, Batterieladskreisen und vielem mehr verwendet, um sicherzustellen, dass Geräte normalerweise auch unter Batteriebedingungen mit niedrigem Voltbatterie arbeiten.Darüber hinaus spielen Boost -Konverter eine wichtige Rolle bei Heizungen, Schweißmaschinen, DC -Motorantrieben, Stromkreisläufen der Stromversorgung und verteilten Stromversorgungsarchitektursystemen.

Wie funktioniert ein Boost -Konverter?

Das schematische Diagramm des Boost -Konverters ist unten dargestellt.

Schematschema des Konverters

Der Hauptvorteil der Verwendung eines Boost -Konverters ist die hohe Effizienz.Bei ordnungsgemäßem Design können bis zu 99% der Eingangsenergie in nutzbare Ausgangsenergie umgewandelt werden, wodurch eine Gesamteffizienz von 99% erreicht wird.Es ist wichtig zu beachten, dass die Gestaltung eines Boost-Konverters im Wesentlichen einen Kompromiss zwischen der Aufschlüsselungsspannung des Schalters (normalerweise eines MOSFET) und seinem Widerstand im Öffnen beinhaltet.Dies liegt daran, dass die kritische Spannungsbewertung sehr hoch sein muss, da sie die kombinierte Spannung der Stromversorgung und des Induktors verarbeiten muss, was bei der Durchführung von hohem Widerstand bedeutet.

Die Auswahl eines Induktors, der große Ströme bewältigen kann und einen hohen magnetischen Permeabilitätskern aufweist, ist ebenfalls entscheidend.Dies trägt dazu bei, hochinduktivische Werte zu erreichen, ohne die Kompaktheit der gesamten Struktur zu beeinträchtigen.Der Induktor ist immer auf der Eingangsseite angeschlossen und dient als Quelle für konstante Eingangsstrom.Dies macht den Boost -Wandler zu einer Gleichstromeingangsquelle, wobei die Last effektiv als DC -Spannungsquelle angesehen wird.

Mit einem Boost -Konverter können Sie die Gleichstromspannung von Eingang zu Ausgang erhöhen.Der Betriebszustand der Schaltung wird durch den Leitfähigkeitsstatus des Schalters bestimmt.Wenn eingeschaltet wird, nimmt der Strom durch die Drosselklappe linear zu, während die Diode nicht leitend bleibt, wie im folgenden Diagramm dargestellt.

Passieren Sie den Zustand eines Boost -Konverters

Bei Ausnahme führt die Diode Strom durch und Strom wird vom Induktor an den Kondensator weitergegeben.Dies führt zu einer Verringerung des Gasstroms, obwohl sich der Strom durch die Gas nicht wesentlich ändert.Dies ist im folgenden Diagramm gezeigt.

Steigungsstatus des Konverters steigern

Bei der Analyse von Boost -Konverter ist es wichtig, sich an zwei wichtige Aspekte zu erinnern: Der Induktorstrom ist kontinuierlich, was nur mit der richtigen Auswahl des Induktorwerts möglich ist.Darüber hinaus ist die Nettoänderung des Induktorstroms während eines beliebigen Arbeitszyklus Null, da der Induktorstrom von einer positiven Steigung zu einem maximalen Wert steigt, wenn der Schalter eingeschaltet ist, und dann zu seinem ursprünglichen negativen Steigungswert zurückkehrt.Während des stationären Betriebs der Schaltung können zwei Betriebsmodi auf der Grundlage des Induktorstromwerts definiert werden.Wenn der Induktorstrom niemals Null erreicht, wird er als kontinuierlicher Leitungsmodus bezeichnet.Wenn der Induktorstrom jedoch Null erreicht, arbeitet er im diskontinuierlichen Modus.Die folgende Formel repräsentiert die Beziehung zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung:

U = u / (1-D)

Hier ist D der Arbeitszyklus.

Der Arbeitszyklus ist definiert als der Prozentsatz der Zeit, in dem sich der Schalter eingeschaltet hat.Mit anderen Worten, die parallele Kombination des Induktors und des Kondensators bildet einen Tiefpassfilter zweiter Ordnung, der die Schalteffekte durch Reduzierung von Spannungswellen ausgleicht, um eine reine Gleichspannung zu erzeugen.Basierend auf dem Verhältnis von Eingang zur Ausgangsspannung des Boost -Wandlers kann der Schluss gezogen werden, dass die Ausgangsspannung, wenn der Arbeitszyklus nahe Null liegt, der Eingangsspannung entspricht.Ebenso nimmt die Ausgangsspannung auf unbestimmte Zeit zu.

Im Folgenden sind Eigenschaften von Boost DC/DC -Konvertern:

1. Es wird als Boost -Wandler bezeichnet, da die Ausgangsspannung UO größer ist als die Eingangsspannungs -UI.Die Beziehung zwischen UO und UI, UO = UI / (1-D), kann durch Anpassung des Arbeitszyklus D geändert werden.
2. Die Polarität der Ausgangsspannung UO ist die gleiche wie die Eingangsspannungs -Benutzeroberfläche.
3. Die maximale Spannung, die der Power -Switch -Transistor VT standhalten kann, ist uce = uo.
4. Der maximale Strom durch VT ist IC = IO / (1-D).
5. Der durchschnittliche Strom durch die Boost -Diode -VD beträgt if = io.
6. Die von der Boost Diode VD getragene Rückspannung ist ur = uo.
7. Integrierte Schaltungen für Boost -DC/DC -Konverter umfassen LM2577 und max1599.

Was ist ein Auftriebsspannungswandler?

Der Buck-Boost-Wandler, ein vielfältiger DC-DC-Transformator, fällt aus, um eine Spannung auszugeben, die höher, niedriger oder sogar dem Eingang entspricht.Seine Anpassungsfähigkeit ist besonders entscheidend für die Leistungsmanagement- und elektronische Geräte, die schwankte Eingangsspannungen ausgesetzt sind oder verschiedene Ausgangsniveaus benötigen.

Unterscheidet sich von den herkömmlichen Flyback-Konvertern unter Verwendung von Buck-Boost-Varianten verwenden hauptsächlich einen Einzelinduktor, wobei die Notwendigkeit eines Transformators umgangen wird.Diese strategische Wahl optimiert nicht nur das Design, sondern setzt auch sowohl Kosten-Diese Konverter nehmen verschiedene Topologien an, wobei die invertierenden und nicht invertierenden Architekturen vorherrschend sind.

Die Ausgangsspannung der invertierenden Architektur polarisiert umgekehrt zum Eingang, von unschätzbarem Wert für Aufgaben wie die Erzeugung negativer Spannung.Hier ist der Arbeitszyklus des Power Switch Transistor modifizierbar und bietet umfangreiche Spannungsregulierungsfunktionen.Das Markenzeichen des Konverters liegt in seinen Fähigkeiten, diesen Arbeitszyklus zu manipulieren, um ein breites Spektrum der Ausgangsspannungen zu erzeugen und von fast Null zu schwingen, um den absoluten Wert der Eingangsspannung zu übertreffen.

Umgekehrt behält der nicht invertierende Konverter eine identische Eingangs-Output-Polarität bei, wobei Spannungen sowohl unterhalb als auch über der Eingangsebene gerecht werden.Dieses Setup eignet sich ideal für Anwendungen, die sowohl Hochskalierung als auch Abwärtsscaling der Spannung fordern.In diesem Framework optimiert die Verwendung von Schalter anstelle von Dioden, gekoppelt mit einem gemeinsamen Induktor über die Stufensegmente, die Effizienz und schlägt die Vertrauens des Komponenten ab.

Eine bemerkenswerte Variante, der Vier-Switch-Buck-Boost-Wandler, verbessert die Flexibilität und Kontrolle, indem Vierfachschalter eingebaut werden.Obwohl komplizierte Spannungsanpassungen möglicherweise mehrere Induktoren erfordern, hängen stromlinienförmige Designs wie der SEPIC- oder ćUK -Konverter normalerweise von einem einzelnen Schalter ab.Diese Einfachheit erleichtert eine effiziente Spannungsregulation, während eine unkomplizierte Schaltungsstruktur aufrechterhalten wird.

Abschließend

Buck-Konverter, Boost-Konverter und ihre Hybrid, die Buck-Boost, sind zentral in der Stromverwaltung und der Effizienzverstärkung in der modernen Elektronik.Sie stärken nicht nur die Energieverbrauch, sondern stärken auch die Leistung und Zuverlässigkeit der Geräte.

Im Wesentlichen sind diese DC-DC-Wandler in der Elektroniktechnik unersetzlich.Sie verkörpern modernste elektronische Stromtechnologie und erfüllen eskalierende Anforderungen an Energieeffizienz und Leistung.Technologische Fortschritte und neuartige Materialien versprechen, ihre Effizienz und Anwendungen zu fördern und globale Innovationen in nachhaltigen elektronischen Lösungen zu katalysieren.

FAQ

Was ist ein Buck -Konverter, für den man verwendet wird?

Ein Buck -Wandler wird verwendet, um die Spannung des angegebenen Eingangs abzurufen, um die erforderliche Ausgabe zu erzielen.Buck -Konverter werden hauptsächlich für USB unterwegs verwendet, Punkt der Lastkonverter für PCs und Laptops, Batterieladegeräte, Quad -Copter, Solarladegeräte und Power -Audioverstärker.

Was sind die Nachteile des Buck Converters?

Bei dieser Art von Konverter kann ein hoher Gewinn nicht erzielt werden, da die Effizienz nicht für einen maximalen Gewinn funktioniert (d. H. Sehr kleiner Arbeitszyklus oder großer Dienstzyklus).Keine Isolation von der Eingangsseite zur Ausgangsseite, die für die meisten Betriebssysteme sehr wichtig ist.

Was ist der Zweck des Buck-Boost-Konverters?

Ein Buck-Boost-Wandler erzeugt eine Gleichstromausgangsspannung, die entweder größer oder kleiner sein kann als seine Gleichstrom-Eingangsspannung.Wie der Name schon sagt, kombiniert es die Funktionen eines Buck-Wandlers (verwendet für die DC-Spannung des DC-Spannung) und eines Boost-Konverters (für die DC-Spannungsstufe verwendet).

Erhöhen Buck -Konverter Verstärker?

Wenn ich eine Stromversorgung habe, die bei 3A für 15 V mit einem Maximum bewertet wird (dh 45 W), kann ich einen Buck -Konverter verwenden, um eine höhere Stromstärke bei einer niedrigeren Spannung auszugeben?Ja, so funktioniert es, Sie verlieren jedoch 5-20% durch Effizienz.Ja, aber vergessen Sie nicht, dass der Konverter auf der Eingangsseite Impulse von ~ 9A zieht.