Régulateur Buck à commutation: principes de base de la 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 un rendement inférieur 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 didacticiel, nous allons décrire le circuit de commutation Buck Regulator. Nous avons déjà décrit la conception du régulateur Buck dans le tutoriel précédent. Ici, nous discuterons de différents aspects du convertisseur Buck et de la façon d'améliorer son efficacité.

Différence entre le régulateur Buck et Boost

La différence entre le régulateur abaisseur et le régulateur élévateur réside dans le fait que dans le régulateur abaisseur, le placement de l'inducteur, de la diode et du circuit de commutation est différent de celui du régulateur élévateur. De plus, dans le cas d'un régulateur élévateur, la tension de sortie est supérieure à la tension d'entrée, mais dans le régulateur abaisseur, la tension de sortie est inférieure à la tension d'entrée.

Une topologie buck ou un convertisseur buck est l'une des topologies de base les plus utilisées dans SMPS. C'est un choix populaire où nous devons convertir une tension plus élevée en une tension de sortie inférieure.

Comme le régulateur de suralimentation, un convertisseur abaisseur ou un régulateur abaisseur se compose d'un inducteur, mais la connexion de l'inducteur est en étage de sortie plutôt que l'étage d'entrée utilisé dans les régulateurs de suralimentation.

Ainsi, dans de nombreux cas, nous devons convertir une tension inférieure en une tension supérieure en fonction des besoins. Le régulateur Buck convertit la tension d'un potentiel supérieur à un potentiel inférieur.

Bases de conception du circuit de convertisseur Buck

Dans l'image ci-dessus, un simple circuit de régulateur Buck est montré où un inducteur, une diode, un condensateur et un interrupteur sont utilisés. L'entrée est directement connectée à travers le commutateur. L'inducteur et le condensateur sont connectés à travers la sortie, ainsi la charge obtient une forme d'onde de courant de sortie lisse. La diode est utilisée pour bloquer le flux de courant négatif.

En cas de commutation de régulateurs de suralimentation, il y a deux phases, l'une est la phase de charge de l'inductance 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, le courant dans le circuit est de 0 et il n'y a pas de tension présente.

Dans cette situation, si l'interrupteur se ferme, le courant augmentera et l'inducteur créera une tension à travers lui. Cette chute de tension minimise la tension source à la sortie, après quelques instants, le taux de variation de courant diminue et la tension aux bornes de l'inducteur diminue également, ce qui finit par augmenter la tension aux bornes de la charge. L'inducteur stocke l'énergie en utilisant son champ magnétique.

Ainsi, lorsque l'interrupteur est activé, à travers l'inductance, la tension est V _L = Vin - Vout

Le courant dans l'inducteur augmente à un taux de (Vin - Vout) / L

Le courant traversant l'inducteur augmente linéairement avec le temps. Le taux de montée du courant linéaire est proportionnel à la tension d'entrée moins la tension de sortie divisée par l'inductance

di / dt = (Vin - Vout) / L

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.

pendant ce temps, alors que le courant continue de changer, il y aura toujours une chute de tension sur l'inducteur. La tension aux bornes de la charge sera inférieure à la tension d'entrée. Pendant l'état d'arrêt, alors que l'interrupteur est ouvert, la source de tension d'entrée est déconnectée et l'inducteur transférera l'énergie stockée à la charge. L' inducteur deviendra la source de courant de la charge.

La diode D1 fournira un chemin de retour du courant circulant à travers l'inductance pendant l'état de coupure.

Le courant de l'inducteur diminue avec une pente égale à –Vout / L

Modes de fonctionnement du convertisseur Buck

Le convertisseur Buck peut être utilisé dans deux modes différents. Mode continu ou mode discontinu.

Mode continu

En mode continu, l'inducteur n'est jamais complètement déchargé, le cycle de charge démarre lorsque l'inducteur est partiellement déchargé.

Dans l'image ci-dessus, nous pouvons voir, lorsque l'interrupteur s'allume lorsque le courant de l'inducteur (iI) augmente linéairement, puis lorsque l'interrupteur s'éteint, l'inducteur commence à diminuer, mais l'interrupteur se rallume alors que l'inducteur est partiellement déchargé. Il s'agit du mode de fonctionnement continu.

L'énergie stockée dans l'inducteur est E = (LI _L ²) / 2

Mode discontinu

Le mode discontinu est légèrement différent du mode continu. En mode discontinu, l'inductance s'est complètement déchargée avant de commencer un nouveau cycle de charge. L'inducteur se déchargera complètement jusqu'à zéro avant que l'interrupteur ne soit activé.

En mode discontinu, comme nous pouvons le voir dans l'image ci-dessus lorsque l'interrupteur est activé, le courant de l'inducteur (il) augmente linéairement, puis lorsque l'interrupteur s'éteint, l'inducteur commence à diminuer, mais l'interrupteur ne s'allume qu'après l'inducteur est complètement déchargée et le courant de l'inducteur est devenu complètement nul. C'est le mode de fonctionnement discontinu. Dans cette opération, le flux de courant à travers l'inducteur n'est pas continu.

PWM et cycle de service pour le circuit de convertisseur Buck

Comme nous l'avons vu dans le didacticiel précédent sur le convertisseur abaisseur, en variant le cycle de service, nous pouvons contrôler le circuit du régulateur abaisseur. Pour cela, un système de contrôle de base est nécessaire. Un amplificateur d'erreur et un circuit de commande de commutation sont en outre nécessaires, fonctionnant en mode continu ou discontinu.

Ainsi, pour un circuit régulateur abaisseur 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, contrôlant la durée pendant laquelle l'inducteur se charge ou se décharge.

Ce circuit commande l'interrupteur en fonction du mode de fonctionnement. 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 buck Switching modernes ont cette chose intégrée dans le package 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 Buck

Maintenant, si nous étudions l'efficacité, la quantité d'énergie que nous fournissons à l'intérieur du circuit et la quantité que nous obtenons en 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. La chute de tension directe multipliée par le courant (Vf xi) est la puissance inutilisée qui est convertie en chaleur et réduit l'efficacité du circuit de régulation 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 abaisseur de commutation, qui fournissent facilement plus de 90% d' efficacité.

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 Buck Converter

Nous avons précédemment créé un circuit de régulateur abaisseur à l'aide du MC34063 où la sortie 5V est générée à partir de la tension d'entrée 12V. Le MC34063 est le régulateur de commutation utilisé dans la configuration du régulateur abaisseur. 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 75 à 78% est obtenue par ce circuit de régulation abaisseur de commutation MC34063. Une efficacité supplémentaire peut être améliorée en utilisant une technique PCB appropriée et en obtenant des procédures de gestion thermique.

Exemple d'utilisation du régulateur Buck-

1. Source d'alimentation CC dans l'application basse tension
2. Équipement portable
3. Équipement audio
4. Systèmes matériels embarqués.
5. Systèmes solaires, etc.