Come funzionano i circuiti buck-boost

Abbiamo tutti sentito parlare molto dei circuiti buck e boost e sappiamo che fondamentalmente questi circuiti vengono utilizzati nei progetti SMPS per aumentare o diminuire una determinata tensione all'ingresso. La cosa interessante di questa tecnologia è che consente le funzioni di cui sopra con una generazione di calore trascurabile che si traduce in conversioni estremamente efficienti.

Cos'è Buck-Boost, come funziona

Impariamo il concetto nella prima sezione senza coinvolgere molti tecnicismi in modo che diventi più facile capire qual è esattamente il concetto di buck boost anche per un principiante.

Tra le tre topologie fondamentali denominate buck, boost e buck-boost, la terza è più apprezzata poiché consente di utilizzare entrambe le funzioni (buck boost) tramite un'unica configurazione alterando gli impulsi di ingresso.

Nella topologia buck-boost abbiamo principalmente un componente di commutazione elettronico che può essere sotto forma di transistor o mosfet. Questo componente viene commutato tramite un segnale pulsante da un circuito oscillatore integrato.

Oltre al suddetto componente di commutazione, il circuito ha un induttore, un diodo e un condensatore come ingredienti principali.

Tutte queste parti sono disposte nella forma che può essere osservata nel diagramma seguente:

Facendo riferimento al diagramma buck boost sopra, il mosfet è la parte che riceve gli impulsi che lo costringono a funzionare in due condizioni: stato ON e stato OFF.

Durante lo stato ON la corrente di ingresso ottiene un percorso chiaro attraverso il mosfet e cerca istantaneamente di attraversare l'induttore poiché il diodo è posizionato nello stato polarizzato inverso.

L'induttore a causa della sua proprietà intrinseca cerca di limitare l'inflizione improvvisa di corrente e in una risposta di compensazione immagazzina una certa quantità di corrente in esso.

Ora non appena il mosfet viene spento si porta nello stato di OFF bloccando ogni passaggio della corrente in ingresso.

Anche in questo caso l'induttore non è in grado di far fronte a questo improvviso cambiamento di corrente da una data grandezza a zero, e in una risposta per compensare questo, respinge la sua corrente immagazzinata attraverso il diodo attraverso l'uscita del circuito.

Nel processo anche la corrente viene immagazzinata nel condensatore.

Durante il successivo stato ON del mosfet, il ciclo viene ripetuto come sopra ma senza corrente disponibile dall'induttore, il condensatore scarica l'energia immagazzinata nell'uscita che aiuta a mantenere l'uscita stabile al grado ottimizzato.

Ti starai chiedendo quale fattore decide i risultati BUCK o BOOST in uscita? È abbastanza semplice, dipende da quanto tempo il mosfet può rimanere nello stato ON o nello stato OFF.

Con un aumento del tempo di attivazione dei mosfet, il circuito inizia a trasformarsi in un convertitore Boost mentre con il tempo di disattivazione dei mosfet che supera il suo tempo di attivazione, il circuito si comporta come un convertitore Buck.

Pertanto, l'ingresso al mosfet può essere effettuato tramite un circuito PWM ottimizzato per ottenere le transizioni richieste attraverso lo stesso circuito.

Esplorazione più tecnica della topologia Buck / Boost nei circuiti SMPS:

Come discusso nella sezione precedente, le tre topologie fondamentali comunemente utilizzate con gli alimentatori in modalità switch sono buck, boost e buck boost.

Questi sono fondamentalmente non isolati in cui lo stadio di potenza in ingresso condivide una base comune con la sezione di potenza in uscita. Ovviamente potremmo trovare anche versioni isolate anche se piuttosto rare.

Le tre topologie sopra espresse possono essere distinte in modo univoco a seconda delle loro proprietà esclusive. Le proprietà possono essere identificate come i rapporti di conversione della tensione di stato stazionario, la natura delle correnti di ingresso e di uscita e anche il carattere del ripple della tensione di uscita.

Inoltre, la risposta in frequenza del ciclo di lavoro all'esecuzione della tensione di uscita può essere considerata una delle proprietà importanti.

Tra le tre topologie di cui sopra, la topologia buck-boost è la più preferita perché consente all'uscita di lavorare con tensioni inferiori alla tensione di ingresso (modalità buck) e anche di produrre tensioni superiori alla tensione di ingresso (modalità boost).

Tuttavia la tensione di uscita può essere acquisita sempre con la polarità opposta rispetto all'ingresso, il che non crea problemi di sorta.

La corrente di ingresso applicata a un convertitore buck boost è la forma di una corrente pulsante dovuta alla commutazione dell'interruttore di alimentazione associato (Q1).

Qui la corrente passa da zero a l durante ogni ciclo di impulsi, lo stesso vale anche per l'uscita e si ottiene una corrente pulsante a causa del diodo associato che conduce solo in una direzione, provocando una situazione pulsante ON e OFF durante il ciclo di commutazione .

Il condensatore è responsabile della fornitura della corrente di compensazione quando il diodo è nello stato spento o polarizzato inversamente durante i cicli di commutazione.

Questo articolo spiega la funzionalità di stato stazionario del convertitore buck-boost nel funzionamento in modalità continua e discontinua con forme d'onda esemplificative presentate.

La funzionalità di scambio della tensione dal ciclo di lavoro all'uscita viene presentata dopo un'introduzione del design dell'interruttore PWM.

La Figura 1 mostra uno schema semplicistico dello stadio di potenza buck-boost con un blocco del circuito di azionamento aggiunto. L'interruttore di alimentazione, Q1, è un MOSFET a canale n. Il diodo di uscita è CR1.

L'induttore, L, e il condensatore, C, costituiscono il filtraggio efficiente dell'uscita. Il condensatore ESR, RC, (resistenza in serie equivalente) e la resistenza CC dell'induttore, RL, sono tutti analizzati nel. La resistenza, R, corrisponde al carico identificato dall'uscita dello stadio di potenza.

Nel corso della normale funzionalità dello stadio di potenza buck-boost, Q1 viene costantemente acceso e spento con i tempi di accensione e spegnimento regolati dal circuito di controllo.

Questo comportamento di commutazione consente una catena di impulsi alla giunzione di Q1, CR1 e L.

Anche se l'induttore, L, è collegato al condensatore di uscita, C, se solo CR1 conduce, viene stabilito un filtro di uscita L / C corretto. Pulisce la successione degli impulsi per ottenere una tensione di uscita CC.

Analisi dello stato stazionario della fase Buck-Boost

Uno stadio di potenza può funzionare con l'impostazione della corrente dell'induttore continua o discontinua. La modalità di corrente continua dell'induttore è identificata dalla corrente continua nell'induttore durante la sequenza di commutazione nel processo a regime.

La modalità di corrente dell'induttore discontinuo è identificata dalla corrente dell'induttore che rimane zero per una sezione del ciclo di commutazione. Inizia da zero, si estende fino a un valore massimo e torna a zero nel corso di ogni schema di commutazione.

I due metodi distinti sono menzionati in seguito in modo molto più dettagliato e vengono presentati suggerimenti di modello per il valore dell'induttore per sostenere una modalità di funzionalità selezionata come la capacità del carico nominale. È piuttosto favorevole per un convertitore essere in un unico formato solo nelle circostanze di funzionamento previste poiché la risposta in frequenza dello stadio di potenza altera sostanzialmente tra le due distinte tecniche di funzionamento.

Con questa valutazione, viene impiegato un MOSFET di potenza a canale n e una tensione positiva, VGS (ON), viene fornita dal Gate ai terminali Source di Q1 dal circuito di controllo per accendere il FET. Il vantaggio dell'utilizzo di un FET a canale n è il suo RDS inferiore (acceso), tuttavia il circuito di controllo è complicato perché diventa necessario un azionamento sospeso. Per le dimensioni identiche del pacchetto, un FET a canale p possiede un RDS più elevato (attivo), tuttavia in genere potrebbe non richiedere un circuito di pilotaggio flottante.

Il transistor Q1 e il diodo CR1 sono illustrati all'interno di un contorno tratteggiato con terminali contrassegnati con a, p, e c. Viene discusso approfonditamente nella parte Modellazione dello stadio di potenza Buck-Boost.

Analisi in modalità di conduzione continua allo stato stazionario buck-boost

Quella che segue è una descrizione del buck boost che funziona nel funzionamento stazionario nel metodo di conduzione continua. L'obiettivo principale di questo segmento sarebbe presentare una derivazione della relazione di trasformazione della tensione per lo stadio di potenza buck-boost in modalità di conduzione continua.

Ciò sarà significativo poiché indica il modo in cui la tensione di uscita è determinata dal ciclo di lavoro e dalla tensione di ingresso o, al contrario, come il ciclo di lavoro potrebbe essere determinato in base alla tensione di ingresso e alla tensione di uscita.

Stato stazionario significa che la tensione di ingresso, la tensione di uscita, la corrente di carico in uscita e il ciclo di lavoro sono costanti anziché variabili. Le lettere maiuscole vengono solitamente fornite alle etichette delle variabili per suggerire una grandezza di stato stazionario. In modalità di conduzione continua, il convertitore buck-boost assume un paio di stati per ciclo di commutazione.

Lo stato ON è ogni volta che Q1 è ON e CR1 è OFF. Lo stato OFF è ogni volta che Q1 è OFF e CR1 è ON. Un semplice circuito lineare potrebbe simboleggiare ciascuno dei due stati in cui gli interruttori nel circuito sono sostituiti dal loro circuito di adattamento nel corso di ciascuno stato. Lo schema del circuito per ciascuna delle due condizioni è presentato nella Figura 2.

Il periodo della condizione ON è D × TS = TON in cui D è il duty cycle, fissato dal circuito di pilotaggio, rappresentato sotto forma di rapporto tra il periodo di accensione e il periodo di una singola sequenza di commutazione completa, Ts.

La durata dello stato OFF è nota come TOFF. Poiché si possono trovare solo un paio di condizioni per ciclo di commutazione per la modalità di conduzione continua, TOFF è uguale a (1 − D) × TS. La grandezza (1 − D) è occasionalmente chiamata D '. Questi periodi sono presentati insieme alle forme d'onda nella Figura 3.

Guardando la Figura 2, nel corso dello stato ON, Q1 offre una resistenza ridotta, RDS (on), dal suo drain alla sorgente e manifesta una minore caduta di tensione di VDS = IL × RDS (on).

Inoltre vi è una piccola caduta di tensione attraverso la resistenza cc dell'induttore pari a IL × RL.

In tal modo, la tensione di ingresso, VI, meno i deficit, (VDS + IL × RL), viene inserita attraverso l'induttore, L. CR1 è OFF entro questo periodo in quanto sarebbe polarizzato inversamente.

La corrente dell'induttore, IL, passa dall'alimentazione in ingresso, VI, tramite Q1 ea massa. Nel corso dello stato ON, la tensione applicata all'induttore è costante e uguale a VI - VDS - IL × RL.

Seguendo la norma di polarità per la corrente IL presentata nella Figura 2, la corrente dell'induttore aumenta a causa della tensione eseguita. Inoltre, poiché la tensione applicata è fondamentalmente coerente, la corrente dell'induttore aumenta linearmente. Questo aumento della corrente dell'induttore nel corso di TON è illustrato nella Figura 3.

Il livello di aumento della corrente dell'induttore è generalmente determinato utilizzando una forma della formula ben nota:

L'aumento della corrente dell'induttore nel corso dello stato ON è presentato come:

Questa grandezza, ΔIL (+), è chiamata corrente di ondulazione dell'induttore. Inoltre osservare che attraverso questo intervallo, ogni bit della corrente di carico in uscita arriva dal condensatore di uscita, C.

Con riferimento alla Figura 2, mentre Q1 è OFF, offre una maggiore impedenza dal suo drain alla sorgente.

Di conseguenza, poiché la corrente che scorre nell'induttore L non è in grado di regolare istantaneamente, la corrente passa da Q1 a CR1. Come risultato della riduzione della corrente dell'induttore, la tensione attraverso l'induttore inverte la polarità fino a quando il raddrizzatore CR1 non si trasforma in polarizzato in avanti e si accende.

La tensione collegata su L si trasforma in (VO - Vd - IL × RL) in cui l'ampiezza, Vd, è la caduta di tensione diretta di CR1. La corrente dell'induttore, IL, a questo punto passa dal condensatore di uscita e dalla disposizione del resistore di carico tramite CR1 e alla linea negativa.

Si osservi che l'allineamento di CR1 e il percorso di circolazione della corrente nell'induttore significa che la corrente che scorre nel condensatore di uscita e il raggruppamento del resistore di carico porta a VO una tensione negativa. Nel corso dello stato OFF, la tensione collegata all'induttore è stabile e uguale a (VO - Vd - IL × RL).

Preservando anche la nostra convenzione di polarità, questa tensione collegata è meno (o inversa di polarità rispetto alla tensione collegata nel corso del tempo ON), a causa del fatto che la tensione di uscita VO è negativa.

Pertanto, la corrente dell'induttore si abbassa per tutto il tempo OFF. Inoltre, poiché la tensione collegata è fondamentalmente stabile, la corrente dell'induttore si riduce linearmente. Questa riduzione della corrente dell'induttore nel corso del TOFF è delineata nella Figura 3.

La riduzione della corrente dell'induttore attraverso la situazione OFF è fornita da:

Questa grandezza, ΔIL (-), può essere definita la corrente di ondulazione dell'induttore. In situazioni di stato stabile, l'aumento di corrente, ΔIL (+), nel corso del tempo ON e la riduzione di corrente attraverso il tempo OFF, ΔIL (-), devono essere identici.

Oppure, la corrente dell'induttore potrebbe offrire un aumento o una riduzione complessiva da ciclo a ciclo che non sarebbe una circostanza di condizione stabile.

Pertanto, entrambe queste equazioni possono essere equiparate e elaborate affinché VO acquisisca l'affiliazione di commutazione di tensione buck-boost sotto forma di conduzione continua:

Determinazione per VO:

Inoltre, sostituendo TS per TON + TOFF e impiegando D = TON / TS e (1 − D) = TOFF / TS, l'equazione di stato stazionario per VO è:

Si noti che nel semplificare quanto sopra, TON + TOFF dovrebbe essere simile a TS. Questo può essere vero solo per la modalità di conduzione continua, come scopriremo nella valutazione della modalità di conduzione discontinua. A questo punto dovrebbe essere effettuato un esame essenziale:

Fissare i due valori di ΔIL alla pari tra loro è esattamente uguale a livellare i volt-secondi sull'induttore. I volt-secondi impiegati sull'induttore sono il prodotto della tensione impiegata e il periodo per cui viene applicata la tensione.

Questo può essere il modo più efficace per stimare le grandezze non identificate, ad esempio VO o D, per quanto riguarda i parametri del circuito comune, e questo approccio verrà utilizzato frequentemente in questo articolo. La stabilizzazione dei Volt al secondo sull'induttore è un requisito naturale e dovrebbe essere percepita almeno come legge di Ohm.

Nelle equazioni precedenti per ΔIL (+) e ΔIL (-), si supponeva implicitamente che la tensione di uscita fosse coerente senza alcuna tensione di ondulazione CA per tutto il tempo ON e il periodo OFF.

Questa è una semplificazione accettata e comporta un paio di risultati individuali. In primo luogo, si ritiene che il condensatore di uscita sia sufficientemente grande da rendere minima la sua conversione di tensione.

In secondo luogo, la tensione del condensatore ESR è inoltre considerata minima. Tali ipotesi sono legittime poiché la tensione di ondulazione CA sarà sicuramente significativamente inferiore alla porzione CC della tensione di uscita.

L'alterazione della tensione di cui sopra per VO dimostra la verità che VO potrebbe essere ottimizzata regolando il ciclo di lavoro, D.

Questa connessione si avvicina allo zero quando D arriva vicino allo zero e aumenta senza destinazione quando D si avvicina a 1. Una tipica semplificazione considera che VDS, Vd e RL sono abbastanza piccoli da trascurare. Stabilendo VDS, Vd e RL a zero, la formula sopra si semplifica notevolmente per:

Un metodo qualitativo meno complicato per rappresentare il funzionamento del circuito sarebbe quello di contemplare l'induttore come una parte di immagazzinamento di energia. Ogni volta che Q1 è acceso, l'energia viene versata sull'induttore.

Mentre Q1 è spento, l'induttore restituisce parte della sua energia al condensatore di uscita e al carico. La tensione di uscita viene regolata stabilendo il tempo di attivazione di Q1. Ad esempio, aumentando il tempo di accensione di Q1, la quantità di potenza inviata all'induttore viene amplificata.

Ulteriore energia viene successivamente inviata all'uscita nel corso del tempo di spegnimento di Q1 provocando un aumento della tensione di uscita. Contrariamente allo stadio di potenza buck, l'ampiezza tipica della corrente dell'induttore non è la stessa della corrente di uscita.

Per associare la corrente dell'induttore alla corrente di uscita, osservando le Figure 2 e 3, osservare che la corrente dell'induttore all'uscita solo nello stato spento dello stadio di potenza.

Questa corrente mediata su un'intera sequenza di commutazione è la stessa della corrente di uscita poiché la corrente approssimativa nel condensatore di uscita dovrebbe essere equivalente a zero.

La connessione tra la corrente media dell'induttore e la corrente di uscita per lo stadio di potenza buck-boost in modalità continua è fornita da:

Un altro punto di vista significativo è il fatto che la corrente tipica dell'induttore è proporzionale alla corrente di uscita e poiché la corrente di ondulazione dell'induttore, ΔIL, non è correlata alla corrente di carico in uscita, i valori minimo e massimo della corrente dell'induttore seguono precisamente la corrente media dell'induttore.

Ad esempio, se la corrente media dell'induttore diminuisce di 2A a causa di una riduzione della corrente di carico, in quel caso i valori minimo e massimo della corrente dell'induttore si riducono di 2A (considerando che viene preservata la modalità di conduzione continua).

La precedente valutazione riguardava la funzionalità dello stadio di potenza buck-boost in modalità di corrente continua dell'induttore. Il segmento seguente è una spiegazione della funzionalità di stato stazionario in modalità di conduzione discontinua. Il risultato principale è una derivazione della relazione di conversione della tensione per lo stadio di potenza buck-boost in modalità di conduzione discontinua.

Valutazione della modalità di conduzione discontinua allo stato stazionario buck-boost

A questo punto esaminiamo cosa accade quando la corrente di carico viene ridotta e la modalità di conduzione passa da continua a discontinua.

Ricordare che per la modalità di conduzione continua, la corrente media dell'induttore segue la corrente di uscita, cioè nel caso in cui la corrente di uscita si riduce, in tal caso lo sarà anche la corrente media dell'induttore.

Inoltre, i picchi più bassi e più alti della corrente dell'induttore seguono accuratamente la corrente media dell'induttore. Nel caso in cui la corrente di carico in uscita diminuisca al di sotto del livello di corrente fondamentale, la corrente dell'induttore sarebbe zero per una parte della sequenza di commutazione.

Ciò risulterebbe evidente dalle forme d'onda presentate nella Figura 3, poiché il livello da picco a picco della corrente di ondulazione non è in grado di alterarsi con la corrente di carico in uscita.

In uno stadio di potenza buck-boost, se la corrente dell'induttore cerca di scendere sotto lo zero, si ferma semplicemente a zero (a causa del movimento di corrente unidirezionale in CR1) e continua lì fino all'inizio della successiva azione di commutazione. Questa modalità di lavoro è nota come modalità di conduzione discontinua.

Uno stadio di potenza che funziona con un circuito buck boost in formato a conduzione discontinua possiede tre stati distintivi per ogni ciclo di commutazione in contrasto con 2 stati per il formato a conduzione continua.

Lo stato di corrente dell'induttore in cui lo stadio di potenza si trova alla periferia tra l'impostazione continua e discontinua è presentato nella Figura 4.

In questo la corrente dell'induttore collassa semplicemente a zero mentre il ciclo di commutazione successivo inizia subito dopo che la corrente raggiunge lo zero. Si osservi che i valori di IO e IO (Crit) sono indicati nella Figura 4 poiché IO ​​e IL includono polarità opposte.

Un ulteriore abbassamento della corrente di carico in uscita imposta lo stadio di potenza in uno schema di conduzione discontinuo. Questa condizione è disegnata nella Figura 5.

La risposta in frequenza dello stadio di potenza in modalità discontinua è piuttosto dissimile dalla risposta in frequenza in modalità continua che viene presentata nel segmento Buck-Boost Power Stage Modeling. Inoltre, la connessione da input a output è abbastanza varia come presentato in questa derivazione della pagina:

Per avviare la derivazione del rapporto di commutazione della tensione dello stadio di potenza buck-boost in modalità di conduzione discontinua, ricordare che si hanno tre stati distintivi che il convertitore considera attraverso la funzionalità della modalità di conduzione discontinua.

Lo stato ON è quando Q1 è ON e CR1 è OFF. Lo stato OFF è quando Q1 è OFF e CR1 è ON. La condizione IDLE è quando ogni Q1 e CR1 sono OFF. Le due condizioni iniziali sono molto simili alla situazione in modalità continua ei circuiti della Figura 2 sono rilevanti a parte quel TOFF ≠ (1 − D) × TS. Il resto della sequenza di commutazione è lo stato IDLE.

Inoltre, si suppone che la resistenza CC dell'induttore di uscita, la caduta di tensione diretta del diodo di uscita e la caduta di tensione nello stato ON del MOSFET di potenza siano sufficienti per trascurarla.

Il periodo di tempo dello stato ON è TON = D × TS dove D è il duty cycle, fissato dal circuito di controllo, indicato come rapporto tra il tempo di accensione e il tempo di una sequenza di commutazione completa, Ts. La lunghezza dello stato OFF è TOFF = D2 × TS. Il periodo IDLE è il resto dello schema di commutazione che viene presentato come TS - TON - TOFF = D3 × TS. Questi periodi sono sopportati dalle forme d'onda nella Figura 6.

Senza controllare la descrizione completa, le equazioni per l'aumento e la diminuzione della corrente dell'induttore sono elencate di seguito. L'aumento della corrente dell'induttore nel corso dello stato ON è emesso da:

Anche la quantità di corrente di ripple, ΔIL (+), è la corrente di picco dell'induttore, Ipk poiché in modalità discontinua, la corrente inizia a 0 ad ogni ciclo. La riduzione della corrente dell'induttore nel corso dello stato OFF è rappresentata da:

Proprio come la situazione della modalità di conduzione continua, l'aumento di corrente, ΔIL (+), nel corso del tempo ON e la riduzione di corrente durante il tempo OFF, ΔIL (-), sono identici. Pertanto, entrambe queste equazioni potrebbero essere equiparate e indirizzate affinché VO acquisisca l'iniziale di due equazioni da utilizzare per risolvere il rapporto di conversione della tensione:

Successivamente determiniamo la corrente di uscita (la tensione di uscita VO divisa per il carico di uscita R). È la media su una sequenza di commutazione della corrente dell'induttore in quel momento in cui CR1 diventa conduttivo (D2 × TS).

Qui, sostituisci la connessione per IPK (ΔIL (+)) nell'equazione sopra per acquisire:

Abbiamo quindi due equazioni, quella per la corrente di uscita (VO diviso per R) appena derivata e quella per la tensione di uscita, entrambe relative a VI, D e D2. A questo punto sveliamo ogni formula per D2 e ​​fissiamo le due equazioni alla pari.

Utilizzando l'equazione risultante, è possibile ottenere un'illustrazione per la tensione di uscita, VO. L'affiliazione di trasformazione della tensione buck-boost in modalità di conduzione discontinua è scritta da:

La connessione di cui sopra mostra una delle principali differenze tra le due modalità di conduzione. Per la modalità di conduzione discontinua, la relazione di variazione della tensione è una funzione della tensione di ingresso, del ciclo di lavoro, dell'induttanza dello stadio di potenza, della frequenza di commutazione e della resistenza del carico di uscita.

Per la modalità di conduzione continua, la connessione di commutazione della tensione è solo influenzata dalla tensione di ingresso e dal ciclo di lavoro. Nelle applicazioni tradizionali, lo stadio di potenza buck-boost viene eseguito scegliendo tra la modalità di conduzione continua o la modalità di conduzione discontinua. Per un utilizzo specifico, viene scelta una modalità di conduzione mentre lo stadio di potenza è stato realizzato per sostenere la modalità identica.