Régulateur de suralimentation à commutation: principes de conception et efficacité

En électronique, un régulateur est un dispositif ou un mécanisme qui peut réguler en permanence la puissance de sortie. Il existe différents types de régulateurs disponibles dans le domaine de l'alimentation électrique. Mais principalement, dans le cas de la conversion CC en CC, il existe deux types de régulateurs disponibles: linéaire ou à commutation.

Un régulateur linéaire régule la sortie en utilisant une chute de tension résistive, et grâce à cela, les régulateurs linéaires offrent une efficacité inférieure et perdent de la puissance sous forme de chaleur.

De l'autre côté, le régulateur de commutation utilise une inductance, une diode et un interrupteur d'alimentation pour transférer l'énergie de sa source à la sortie.

Il existe trois types de régulateurs de commutation disponibles.

1. Convertisseur élévateur (Boost Regulator)

2. Convertisseur abaisseur (régulateur Buck)

3. Inverseur (Flyback)

Dans ce tutoriel, nous décrivons la commutation Le circuit régulateur Boost. Nous avons déjà décrit la conception du régulateur Boost dans le tutoriel précédent. Ici, nous discuterons de différents aspects du convertisseur Boost et de la façon d'améliorer son efficacité.

Bases de conception du circuit de convertisseur de suralimentation

Dans de nombreux cas, nous devons convertir une tension inférieure en une tension supérieure en fonction des besoins. Le régulateur Boost augmente la tension du potentiel inférieur au potentiel supérieur.

Dans l'image ci-dessus, un simple circuit de régulateur Boost est montré où un inducteur, une diode, un condensateur et un interrupteur sont utilisés.

Le but de l'inductance est de limiter la vitesse de montée du courant qui traverse l'interrupteur d'alimentation. Cela limitera l'excès de courant de crête élevé qui est inévitable par la résistance du commutateur individuellement.

En outre, le magasin d' énergie de l' inducteur, l'énergie mesurée en Joules E = (L * I ² /2)

Nous comprendrons comment les inducteurs transfèrent l'énergie dans les images et graphiques à venir.

En cas de commutation de régulateurs de suralimentation, il y a deux phases, l'une est la phase de charge de l'inducteur ou la phase de mise en marche (l'interrupteur est fermé en fait) et l'autre est la phase de décharge ou la phase de coupure (l'interrupteur est ouvert).

Si nous supposons que l' interrupteur est en position ouverte depuis longtemps, la chute de tension aux bornes de la diode est négative et la tension aux bornes du condensateur est égale à la tension d'entrée. Dans cette situation, si l'interrupteur se ferme, le Vin est effrayé à travers l'inducteur. La diode empêche la décharge du condensateur à travers le commutateur vers la terre.

Le courant traversant l'inducteur augmente linéairement avec le temps. Le taux de montée du courant linéaire est proportionnel à la tension d'entrée divisée par l'inductance di / dt = tension aux bornes de l'inductance / inductance

Dans le graphique supérieur, montrant la phase de charge de l'inducteur. L'axe x désigne t (temps) et l'axe Y désigne I (courant traversant l'inducteur). Le courant augmente linéairement avec le temps lorsque l'interrupteur est fermé ou activé.

Maintenant, lorsque l'interrupteur s'éteint ou est devenu ouvert, le courant de l'inducteur circule à travers la diode et charge le condensateur de sortie. Lorsque la tension de sortie augmente, la pente du courant à travers l'inductance s'inverse. La tension de sortie augmente jusqu'à ce que la tension à travers l'inductance = L * (di / dt) soit atteinte.

Le taux de chute de courant de l'inducteur avec le temps est directement proportionnel à la tension de l'inducteur. Plus la tension de l'inducteur est élevée, plus la chute de courant à travers l'inductance est rapide.

Dans le graphique ci-dessus, le courant de l' inducteur diminue avec le temps lorsque l'interrupteur s'éteint.

Lorsque le régulateur de commutation est en état de fonctionnement en régime permanent, la tension moyenne de l'inducteur est nulle pendant tout le cycle de commutation. Pour cette condition, le courant moyen traversant l'inducteur est également en régime permanent.

Si nous supposons que le temps de charge de l'inducteur est Ton et que le circuit a une tension d'entrée, alors il y aura un temps Toff ou de décharge spécifique pour une tension de sortie.

Comme la tension moyenne de l'inducteur est égale à zéro en régime permanent, nous pouvons construire un circuit de suralimentation en utilisant les termes suivants

Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)

Comme la tension de sortie est égale à la tension d'entrée et à la tension moyenne de l'inductance (Vout = Vin + VL)

On peut dire ça, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)

Nous pouvons également calculer le Vout en utilisant le cycle de service.

Cycle de service (D) = Ton / (Ton + Toff)

Pour le régulateur de commutation de suralimentation, le Vout sera Vin / (1 - D)

PWM et cycle de service pour le circuit de convertisseur de suralimentation

Si nous contrôlons le cycle de service, nous pouvons contrôler la sortie en régime permanent du convertisseur élévateur. Ainsi, pour la variation du cycle de service, nous utilisons un circuit de commande à travers le commutateur.

Ainsi, pour un circuit de régulateur de suralimentation de base complet, nous avons besoin d'un circuit supplémentaire qui fera varier le cycle de service et donc la durée pendant laquelle l'inducteur reçoit de l'énergie de la source.

Dans l'image ci-dessus, on peut voir un amplificateur d'erreur qui détecte la tension de sortie aux bornes de la charge en utilisant un chemin de rétroaction et commande le commutateur. La technique de contrôle la plus courante comprend la technique de modulation de largeur d'impulsion ou PWM qui est utilisée pour contrôler le cycle de service des circuits.

Le circuit de commande contrôle la durée pendant laquelle l'interrupteur reste ouvert ou fermé, en fonction du courant consommé par la charge. Ce circuit utilise également pour un fonctionnement continu en régime permanent. Il prélèvera un échantillon de la tension de sortie et la soustrayera d'une tension de référence et créera un petit signal d'erreur, puis ce signal d'erreur sera comparé à un signal de rampe d'oscillateur et à partir de la sortie du comparateur, un signal PWM fonctionnera ou contrôlera le commutateur circuit.

Lorsque la tension de sortie change, la tension d'erreur est également affectée. En raison d'un changement de tension d'erreur, le comparateur contrôle la sortie PWM. Le PWM est également passé à une position lorsque la tension de sortie crée une tension d'erreur nulle et, ce faisant, le système de boucle de commande fermée exécute le travail.

Heureusement, la plupart des régulateurs de suralimentation à commutation modernes ont cette chose intégrée dans le boîtier IC. Ainsi, la conception simple des circuits est obtenue en utilisant les régulateurs de commutation modernes.

La tension de retour de référence est effectuée à l'aide d'un réseau diviseur de résistances. C'est le circuit supplémentaire, qui est nécessaire avec l'inducteur, les diodes et les condensateurs.

Améliorer l'efficacité du circuit de convertisseur de suralimentation

Maintenant, si nous étudions l'efficacité, c'est la quantité d'énergie que nous fournissons à l'intérieur du circuit et la quantité que nous obtenons à la sortie.

(Pout / Pin) * 100%

Comme l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, elle ne peut être que convertie, la plupart des énergies électriques perdent des pouvoirs inutilisés convertis en chaleur. En outre, il n'y a pas de situation idéale dans le domaine pratique, l'efficacité est un facteur plus important pour la sélection des régulateurs de tension.

L'un des principaux facteurs de perte de puissance pour un régulateur à découpage est la diode. Le courant de temps de chute de tension directe (Vf xi) est la puissance inutilisée qui est convertie en chaleur et réduit l'efficacité du circuit de régulateur de commutation. En outre, il s'agit du coût supplémentaire des circuits pour les techniques de gestion thermique / thermique utilisant un dissipateur thermique ou des ventilateurs pour refroidir les circuits de la chaleur dissipée. Non seulement la chute de tension directe, la récupération inverse pour les diodes au silicium produisent également une perte de puissance inutile et une réduction de l'efficacité globale.

L'un des meilleurs moyens d'éviter une diode de récupération standard est d'utiliser des diodes Schottky à la place de diodes qui ont une faible chute de tension directe et une meilleure récupération inverse. Lorsqu'une efficacité maximale est nécessaire, la diode peut être remplacée à l'aide de MOSFET. Dans la technologie moderne, il existe de nombreux choix disponibles dans la section du régulateur de suralimentation à commutation, qui fournissent facilement plus de 90% d' efficacité.

De plus, il existe une fonction «Mode saut» qui est utilisée dans de nombreux appareils modernes qui permet au régulateur de sauter des cycles de commutation lorsqu'il n'est pas nécessaire de commuter à des charges très légères. C'est un excellent moyen d'améliorer l'efficacité dans des conditions de faible charge. En mode saut, le cycle de commutation est lancé uniquement lorsque la tension de sortie chute en dessous d'un seuil de régulation.

Malgré une efficacité plus élevée, une technique de conception stationnaire, un composant plus petit, les régulateurs de commutation sont bruyants qu'un régulateur linéaire. Pourtant, ils sont très populaires.

Exemple de conception pour Boost Converter

Nous avons précédemment créé un circuit de régulateur de suralimentation à l'aide du MC34063 où la sortie 5V est générée à partir de la tension d'entrée 3,7V. MC34063 est le régulateur de commutation qui a été utilisé dans la configuration du régulateur de suralimentation. Nous avons utilisé une inductance, une diode Schottky et des condensateurs.

Dans l'image ci-dessus, Cout est le condensateur de sortie et nous avons également utilisé une inductance et une diode Schottky qui sont les composants de base d'un régulateur de commutation. Un réseau de rétroaction est également utilisé. Les résistances R1 et R2 créent un circuit diviseur de tension qui est nécessaire pour le PWM du comparateur et l'étage d'amplification d'erreur. La tension de référence du comparateur est de 1,25V.

Si nous voyons le projet en détail, nous pouvons voir qu'une efficacité de 70 à 75% est atteinte par ce circuit de régulateur de suralimentation à commutation MC34063. Une efficacité supplémentaire peut être améliorée en utilisant une technique PCB appropriée et en obtenant des procédures de gestion thermique.