Hur Buck Converters fungerar

I artikeln nedan presenteras en omfattande kunskap om hur buck-omvandlare fungerar.

Som namnet antyder är en buck-omvandlare utformad för att motsätta eller begränsa en ingångsström som orsakar en utgång som kan vara mycket lägre än den medföljande ingången.

Med andra ord kan det betraktas som en steg-ned-omvandlare som kan användas för att erhålla beräknade spänningar eller strömmar som är lägre än ingångsspänningen.

Låt oss lära oss mer om hur buck-omvandlare i elektroniska kretsar genom följande diskussion:

The Buck Converter

Vanligtvis kan du hitta en buck-omvandlare som används i SMPS- och MPPT-kretsar som specifikt kräver att utspänningen minskas avsevärt än ingångskällans effekt, utan att påverka eller ändra uteffekten, det vill säga V x I-värdet.

Försörjningskällan till en buck-omvandlare kan komma från ett nätuttag eller från en likströmskälla.

En buck-omvandlare används endast för de applikationer där en elektrisk isolering kanske inte är kritiskt nödvändig över ingångseffektkällan och belastningen, men för applikationer där ingången kan vara på nätnivåer används normalt en flyback-topologi genom en isolerande transformator.

Huvudanordningen som används som växlingsmedel i en buck-omvandlare kan vara i form av en mosfet eller en kraft-BJT (såsom en 2N3055), som är konfigurerad att växla eller svänga i snabb takt genom ett integrerat oscillatorsteg med dess bas eller grind.

Det andra viktiga elementet i en buck-omvandlare är induktorn L, som lagrar elektriciteten från transistorn under dess PÅ-perioder och släpper ut den under dess AV-perioder och upprätthåller en kontinuerlig matning till lasten på den angivna nivån.

Detta steg kallas också 'Svänghjul' steg eftersom dess funktion liknar ett mekaniskt svänghjul som kan upprätthålla en kontinuerlig och stadig rotation med hjälp av regelbundna tryck från en extern källa.

Ingång AC eller DC?

En buck-omvandlare är i grunden en DC till DC-omvandlingskrets som är utformad för att skaffa en matning från en likströmskälla, som kan vara ett batteri eller en solpanel. Detta kan också vara från en växelström till likströmsadapter som uppnås genom en brygglikriktare och en filterkondensator.

Oavsett vad som kan vara källan till ingångs-DC till buck-omvandlaren omvandlas den alltid till en hög frekvens med hjälp av en chopperoscillatorkrets tillsammans med ett PWM-steg.

Denna frekvens matas sedan till omkopplingsanordningen för de nödvändiga buck-omvandlaråtgärderna.

Användning av Buck Converter

Såsom diskuteras i ovanstående avsnitt angående hur en buck-omvandlare fungerar, och som kan ses i följande diagram, innefattar buck-omvandlingskretsen en omkopplingstransistor och en tillhörande svänghjulskrets som inkluderar dioden D1, induktorn L1 och kondensatorn Cl.

Under de perioder då transistorn är PÅ passerar först först transistorn och sedan genom induktorn L1 och slutligen till belastningen. I processen försöker induktorn på grund av dess inneboende egenskap motsätta sig den plötsliga införandet av ström genom att lagra energin i den.

Denna motstånd från L1 hämmar strömmen från den applicerade ingången för att nå belastningen och nå toppvärdet för de initiala omkopplarna.

Men under tiden går transistorn in i sin avstängningsfas och bryter ingångsförsörjningen till induktorn.

När strömförsörjningen är avstängd står L1 igen inför en plötslig förändring i strömmen och för att kompensera förändringen spolar den ut den lagrade energin över den anslutna belastningen

Transistor Slå på-period

Med hänvisning till ovanstående figur, medan transistorn är i inkopplingsfasen, tillåter den att strömmen når belastningen, men under de första ögonblicken av strömbrytaren är strömmen kraftigt begränsad på grund av induktansmotståndet mot den plötsliga appliceringen av ström genom den.

Emellertid reagerar induktorn i processen och kompenserar beteendet genom att lagra strömmen i den, och under en viss del tillförs tillförseln att nå belastningen och även till kondensatorn Cl, som också lagrar den tillåtna delen av matningen i den. .

Det bör också tas med i beräkningen att medan ovanstående händer, upplever D1-katoden en full positiv potential som håller den omvänd förspänd, vilket gör det omöjligt för L1: s lagrade energi att få en returväg över lasten via lasten. Denna situation gör att induktorn kan fortsätta lagra energin i den utan läckage.

Transistor-avstängningsperiod

Nu med hänvisning till ovanstående figur, när transistorn återställer sin omkopplingsåtgärd, det vill säga så snart den stängs av, introduceras L1 återigen med ett plötsligt tomrum, vilket den svarar genom att släppa den lagrade energin mot belastningen i formen av en ekvivalent potentialskillnad.

Nu, eftersom T1 är avstängd, befrias katoden hos D1 från den positiva potentialen och den aktiveras med ett framåtbaserat tillstånd.

På grund av det framåtförspända tillståndet för D1 får den frigjorda L1-energin eller den bakre EMF som sparkas av L1 fullborda cykeln genom lasten, D1 och tillbaka till L1.

Medan processen avslutas går L1-energin genom en exponentiell nedgång på grund av lastens förbrukning. C1 kommer nu till undsättning och hjälper eller hjälper L1 EMF genom att lägga till sin egen lagrade ström till lasten och därigenom säkerställa en rimligt stabil momentan spänning till belastningen ... tills transistorn slår PÅ igen för att uppdatera cykeln tillbaka.

Hela proceduren möjliggör exekvering av den önskade bockomvandlarapplikationen, där endast en beräknad del av matningsspänningen och strömmen tillåts för belastningen istället för den relativt större toppspänningen från ingångskällan.

Detta kan ses i form av en mindre krusningsvågform istället för de stora fyrkantiga vågorna från ingångskällan.

I avsnittet ovan lärde vi oss exakt hur buck-omvandlare fungerar, i följande diskussion kommer vi att gräva djupare och lära oss den relevanta formeln för att bestämma de olika parametrarna relaterade till buck-omvandlare.

Formel för beräkning av bockspänningen i en Buck Converter-krets

Från ovanstående beslut kan vi dra slutsatsen att den maximala lagrade strömmen inuti L1 beror på transistorns PÅ-tid, eller den bakre EMF på L1 kan dimensioneras genom att dimensionera PÅ- och AV-tiden på L på lämpligt sätt, det innebär också att utgången spänning i en buck-omvandlare kan förutbestämmas genom att beräkna TI-tiden för T1.

Formeln för att uttrycka buck-omvandlarutgången kan bevittnas i nedanstående förhållande:

V (ut) = {V (in) x t (ON)} / T.

där V (in) är källspänningen, t (ON) är PÅ-tiden för transistorn,

och T är den 'periodiska tiden' eller perioden för en hel cykel av PWM, det vill säga den tid det tar att fullborda en full PÅ-tid + en full AV-tid.

Löst exempel:

Låt oss försöka förstå ovanstående formel med ett löst exempel:

Låt oss anta en situation där en buck-omvandlare drivs med V (in) = 24V

T = 2ms + 2ms (PÅ-tid + AV-tid)

t (ON) = 1 ms

Att ersätta dessa i ovanstående formel får vi:

V (ut) = 24 x 0,001 / 0,004 = 6V

Därför V (ut) = 6V

Låt oss nu öka transistortiden genom att göra t (ON) = 1,5 ms

Därför är V (ut) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9V

Från exemplen ovan blir det ganska tydligt att omkopplingstiden t (ON) hos transistorn reglerar utgångsspänningen eller den erforderliga Buck-spänningen i en buck-omvandlare, så att något värde mellan 0 och V (in) kan uppnås helt enkelt genom att dimensionera PÅ-tid för växlingstransistorn.

Buck Converter för negativa leveranser

Buck-omvandlarkretsen som vi hittills diskuterat är utformad för att passa applikationer med positiv matning, eftersom utgången kan generera en positiv potential med hänvisning till ingångsmarken.

Men för applikationer som kan kräva ett negativt utbud kan designen ändras något och göras kompatibel med sådana applikationer.

Bilden ovan visar att genom att helt enkelt byta induktans och diodens position kan utsignalen från bockomvandlaren inverteras eller göras negativ med avseende på den tillgängliga gemensamma jordingången.