Switcher'lar neden lineer regülatörlerden daha verimli?

Anahtarlama regülatörlerinin doğrusal regülatörlerden daha verimli olduğu iyi bilinmektedir. Doğrusal regülatörün giriş voltajı ile çıkış voltajı arasındaki akımı ısı olarak çarpması gerektiğini de biliyorum.

Peki bu aynı koşullara sahip anahtarlama regülatörleri için neden geçerli değildir: aynı giriş voltajı ve çıkış voltajı ve akımı?

Değiştiricilerin ısınabileceğini biliyorum; Ben zar zor dokunabilirsiniz o kadar ısınır bir tahta üzerinde var, ama sonra yine her iki tarafta sadece 2 1/2 milimetre ve ısı emici ile bir delik 7805 ile karşılaştırıldığında bir karınca gibi görünüyor.

Doğrusal regülatörler, kaynak ve yük arasına kontrollü bir değişken direnç koyarak etkili bir şekilde çalışır. Yük için tüm akım bu dirençli elemandan akar. Ve üzerindeki voltaj, kaynak voltajı ve yük voltajı arasındaki farka eşittir. Yani harcanan güç

$P_{lin} = I_{load}\times{}(V_{src}-V_{load})$.

Anahtarlama regülatörleri, bir anahtarlama döngüsü boyunca akım akışının görev döngüsünü değiştirerek, ardından bir filtre kullanarak çıktının ortalamasını alarak çalışır. Döngünün bir kısmı sırasında düşük bir voltaj düşüşüyle ​​yüksek bir akım akar. Döngünün diğer kısmı sırasında, yüksek voltaj düşüşüyle ​​neredeyse hiç akım akmaz. Bu koşulların hiçbiri ısı olarak fazla enerji harcamaz. İdeal olarak kaybedilen güç

$P_{sw}= \mathrm{DC}(I_{on})(0\ \mathrm{V}) + (1-\mathrm{DC})(0\ \mathrm{A})(V_{off})$,

Gerçek dünyadaki verimsizliğin çoğu, döngünün "açık" ve "kapalı" kısımları arasındaki çok kısa geçiş döneminde kaybedilen güçten kaynaklanır.

Genellikle anahtarlama regülatörleri daha verimlidir, ancak her zaman değil.

İdeal bir doğrusal regülatörün voltaj düşüşü vardır$V_{IN} - V_{OUT}$ve bir direnç gibi davranan bir transistör gibi doğrusal bir geçiş elemanı vardır , bu nedenle ideal durumda güç kaybı P =$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$, dediğin gibi. Bu ideal bir durumdur, gerçekte regülatörün çalışması için biraz akıma ihtiyacı vardır ve çıkış akımına bağlı bir bileşen olabilir. Yanal PNP geçiş elemanlarına bağlı bazı LDO lineer regülatörler, 1A çıkış akımı için 100mA boşa harcanmasına yakın çok yüksek bir tüketime sahip olabilir (çünkü bazı IC işlemleriyle yapılan PNP transistörleri oldukça boktan akım kazancı olma eğilimindedir).

İdeal bir anahtarlama (kova) regülatörü şöyle görünür:

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

Anahtar bir transistör olduğunda ve D1 bir diyot olabilir veya başka bir transistör olabilir. İdeal durumda, enerji kaybı mekanizması yoktur . Diyot ya mükemmel bir şekilde bloke olur ya da mükemmel bir şekilde iletir, anahtar aynı şeyi yapar, indüktörün DC direnci yoktur ve kapasitörün ESR'si yoktur. Böylece güç, güç çıkışına eşittir. Tabii ki gerçeklik sadece bu ideale yaklaşabilir. 'Genel gider' kayıpları ve artan akımla birlikte artan kayıplar olacaktır.

İndüktörün bu devrenin kritik bir parçası olduğuna dikkat edin - atlamayı denerseniz, C1 üzerindeki taşınmaz (kısa vadede) voltaj, Vin üzerindeki taşınmaz voltaja karşı gelir ve akım sonsuz olur. Gerçek bir devrede, SW1'in bir miktar direnci olur ve lineer regülatördeki geçiş transistörü kadar ısınır (tonlarca EMI yapması dışında).

Anahtarlama regülatörlerinin doğrusal regülatörlerden daha verimli olduğu iyi bilinmektedir.

Bir noktaya. Bir LDO 3.3V doğrusal regülatörüne 3.5V koymak,% 94 verimlilik sağlar. Bunu yapabilecek bir anahtarlama regülatörü bulmakta zorlanırsınız.

Doğrusal regülatörün giriş voltajı ile çıkış voltajı arasındaki akımı ısı olarak çarpması gerektiğini de biliyorum.

Evet, ancak doğrusal regülatörler belirli bir çıkış akımı için çok fazla veya biraz daha fazla akım çekmelidir, oysa anahtarlama regülatörleri çıkış akımındaki düşüşü giriş akımında bir düşüş için takas ederler ve bu nedenle genellikle benzer şekilde yapılandırılmış bir doğrusal regülatörden daha az güç kullanırlar.

İdeal anahtarlayıcılar herhangi bir güç harcamaz. Giriş tarafından biraz güç alırlar, saklarlar ve çıkış tarafında serbest bırakırlar.

Enerji ya bir indüktör içindeki manyetik bir alanda ya da bir kondansatördeki bir elektrik alanında depolanır.

İndüktörlerdeki ESR gibi gerçek bileşenlerin idealsizliği nedeniyle, biraz güç harcarlar. Transistör anahtarlaması sırasında da biraz güç kaybederler. Denetleyicide de bir miktar enerji kaybolur.

Ancak bu neden aynı koşullara sahip anahtarlama regülatörleri için geçerli değildir?

Bir seri lineer regülatör için, kaynak zamanın% 100'ünü sağlar ve bu gücün bir kısmı boşa harcanmalıdır çünkü (1) kaynak gerilimi (büyüklük) yükten daha büyüktür ve (2) kaynak akımı biraz daha büyük olmalıdır yük akımı.

Bununla birlikte, bir anahtarlama regülatörü için, kaynak bir anahtarlama süresinin sadece bir kısmına güç verir. Bu süre boyunca, kaynak tarafından sağlanan gücün bir kısmı yüke ve geri kalanı enerji depolama devresi elemanlarına teslim edilir - çok az israf edilir.

Ardından, kapalı kalma süresi boyunca, enerji depolama devresi elemanları yüke güç sağlar.

Bu çok önemli bir farktır - yük sırasında sürekli olarak güç sağlamak için kaynaktan sadece yeterli güç çekilir.

Örneğin, yük sürekli bir 5W gerektiriyorsa, kaynak, zamanın% 10'unu 50W ve geri kalan% 50'sini ortalama güç . Enerji depolama devresi elemanları enerji akışını 'düzleştirir' - açık kalma sırasında fazla gücü emer ve daha sonra kapalı kalma süresi içinde iletir.

İdeal bir kova yükseltme anahtarlama regülatörü, giriş ve çıkışa doğrudan bağlanan bir çift kapak, bir bobin ve üç konfigürasyon arasında geçiş yapabilen bazı yönlendirme devresi olarak modellenebilir (sadece kova, sadece boost veya ters çevirme devresi sadece iki gerekir).

1. Giriş çıkışa bobin üzerinden bağlanır
2. Bobin doğrudan girişe bağlanır
3. Bobin doğrudan çıkışa bağlanır

Bileşenlerin ideal şekilde davrandığını varsayalım (dirençli veya anahtarlama kaybı yok, vb.) Kaynak başlıkları 10V'de oturuyor, çıkış 1A çekiyor, anahtarlayıcı birinci konfigürasyonda zamanının yarısını, üçüncüsünün yarısını geçiriyor ve kapak gerilimleri ve bobin akımı her döngüde fazla değişiklik yapma şansına sahip değildir.

"Kararlı" durumda, yukarıdaki koşullara bağlı olarak, bobinin her zaman içinden bir amper akacaktır (çünkü her zaman 1 amperlik yük ile seri olacak). Çıkış kapağı beş voltta oturuyorsa, bobinin yarısı + 5V'ye sahip olacak ve yarısı -5V olacaktır, bu nedenle ortalama akımı 1 amperde kalacaktır. Kaynak kapağın yarısından bir amper çıkarılır (bobine bağlandığında) ve yarıda hiçbiri olmayacaktır, bu nedenle kaynak akım amperinin yarım amperini görür.

Bir anahtarlayıcının kaynaktan yükten daha az akım çekebileceğini görmenin en basit yolu, elektronların nereye aktığına bakmaktır: yükten geçen elektronların yarısı kaynaktan gelir ve yarısı kaynağı atlamak için değiştirildi. Böylece yük, kaynaktan iki kat daha fazla akıma sahip olacaktır.

Ben bu ekleyeceğiz iyi eski su akış benzetme ile delik herkese: Biz üç yükseklik düzeyine sahip varsayalım H ₁ , H _½ , H ₀ ; bir su kaynağı H _1'den gelir , daha sonra H _½ değerinden biraz hedefine, bir değirmene ya da bir şeye akar ve daha sonra H ₀ üzerine geri akar . Regülatör geçişte olduğu H ₁ için H _½ .

• Doğrusal bir regülatör bir şelaledir: elektronlar sadece aşağı iner ve çevreye termal enerji olarak potansiyellerini serbest bırakır. Mevcut H _½ ile aynı olacaktır H ₁ .

• Bir şalter sadece suyun akmasına izin vermekle kalmaz, aynı zamanda kovalarda kontrollü olarak porsiyonlar halinde indirir. Dan aşağı gelir Her kova H ₁ bir denge ihtiyacı kullanımına doğal bir şey suyun başka kova gelen, H ₀ !