- Diferencia entre Buck y Boost Regulator
- Conceptos básicos de diseño del circuito convertidor reductor
- Modos de funcionamiento del convertidor reductor
- PWM y ciclo de trabajo para circuito convertidor reductor
- Mejorar la eficiencia del circuito convertidor Buck
- Diseño de ejemplo para Buck Converter
En electrónica, un regulador es un dispositivo o mecanismo que puede regular la salida de potencia constantemente. Hay diferentes tipos de reguladores disponibles en el dominio de la fuente de alimentación. Pero principalmente, en el caso de la conversión de CC a CC, hay dos tipos de reguladores disponibles: Lineal o Conmutación.
Un regulador lineal regula la salida mediante una caída de tensión resistiva y, debido a esto, los reguladores lineales proporcionan una menor eficiencia y pierden potencia en forma de calor.
En el otro lado, el regulador de conmutación usa inductor, diodo y un interruptor de encendido para transferir energía desde su fuente a la salida.
Hay tres tipos de reguladores de conmutación disponibles.
1. Convertidor elevador (regulador de impulso)
2. Convertidor reductor (regulador Buck)
3. Inversor (Flyback)
En este tutorial, describiremos el circuito del regulador reductor de conmutación. Ya describimos el diseño del regulador Buck en el tutorial anterior. Aquí discutiremos diferentes aspectos del convertidor Buck y cómo mejorar su eficiencia.
Diferencia entre Buck y Boost Regulator
La diferencia entre el regulador reductor y elevador es que, en el regulador reductor, la ubicación del inductor, el diodo y el circuito de conmutación es diferente a la del regulador elevador. Además, en el caso del regulador de refuerzo, el voltaje de salida es más alto que el voltaje de entrada, pero en el regulador reductor, el voltaje de salida es más bajo que el voltaje de entrada.
Una topología reductora o convertidor reductor es una de las topologías básicas más utilizadas en SMPS. Es una opción popular en la que necesitamos convertir un voltaje más alto en un voltaje de salida más bajo.
Al igual que el regulador de refuerzo, un convertidor reductor o regulador reductor consta de un inductor, pero la conexión del inductor está en la etapa de salida en lugar de la etapa de entrada utilizada en los reguladores de impulso.
Entonces, en muchos casos, necesitamos convertir un voltaje más bajo en un voltaje más alto según los requisitos. El regulador reductor convierte el voltaje de mayor potencial a menor potencial.
Conceptos básicos de diseño del circuito convertidor reductor
En la imagen de arriba, se muestra un circuito regulador Buck simple donde se utilizan un inductor, diodo, condensador y un interruptor. La entrada está conectada directamente a través del interruptor. El inductor y el condensador están conectados a través de la salida, por lo que la carga obtiene una forma de onda de corriente de salida suave. El diodo se utiliza para bloquear el flujo de corriente negativa.
En el caso de conmutar reguladores de refuerzo, hay dos fases, una es la fase de carga del inductor o la fase de encendido (el interruptor está cerrado en realidad) y la otra es la fase de descarga o la fase de apagado (el interruptor está abierto).
Si asumimos que el interruptor ha estado en posición abierta durante mucho tiempo, la corriente en el circuito es 0 y no hay voltaje presente.
En esta situación, si el interruptor se acerca, la corriente aumentará y el inductor creará un voltaje a través de él. Esta caída de voltaje minimiza el voltaje de la fuente en la salida, después de unos momentos la tasa de cambio de corriente disminuye y el voltaje a través del inductor también disminuye, lo que eventualmente aumenta el voltaje a través de la carga. Inductor almacena energía usando su campo magnético.
Entonces, cuando el interruptor está encendido, a través del inductor el voltaje es V L = Vin - Vout
La corriente en el inductor aumenta a una tasa de (Vin - Vout) / L
La corriente a través del inductor aumenta linealmente con el tiempo. La tasa de aumento de la corriente lineal es proporcional al voltaje de entrada menos el voltaje de salida dividido por la inductancia
di / dt = (Vin - Vout) / L
El gráfico superior que muestra la fase de carga del inductor. El eje x denota t (tiempo) y el eje Y denota i (corriente a través del inductor). La corriente aumenta linealmente con el tiempo cuando el interruptor está cerrado o encendido.
Durante este tiempo, mientras la corriente todavía está cambiando, siempre se producirá una caída de voltaje en el inductor. El voltaje a través de la carga será menor que el voltaje de entrada. Durante el estado apagado, mientras el interruptor está abierto, la fuente de voltaje de entrada se desconecta y el inductor transferirá la energía almacenada a la carga. El inductor se convertirá en la fuente de corriente de la carga.
El diodo D1 proporcionará una ruta de retorno de la corriente que fluye a través del inductor durante el estado de apagado.
La corriente del inductor disminuye con una pendiente igual a –Vout / L
Modos de funcionamiento del convertidor reductor
El convertidor Buck se puede operar en dos modos diferentes. Modo continuo o modo discontinuo.
Modo continuo
Durante el modo continuo, el inductor nunca se descarga por completo, el ciclo de carga comienza cuando el inductor está parcialmente descargado.
En la imagen de arriba, podemos ver, cuando el interruptor se enciende cuando la corriente del inductor (iI) aumenta linealmente, luego cuando el interruptor se apaga, el inductor comienza a disminuir, pero el interruptor vuelve a encenderse mientras el inductor está parcialmente descargado. Este es el modo de funcionamiento continuo.
La energía almacenada en el inductor es E = (LI L 2) / 2
Modo discontinuo
El modo discontinuo es ligeramente diferente al modo continuo. En el modo discontinuo, el inductor se descarga completamente antes de comenzar un nuevo ciclo de carga. El inductor se descargará completamente hasta cero antes de que se encienda el interruptor.
Durante el modo discontinuo, como podemos ver en la imagen de arriba cuando el interruptor se enciende, la corriente del inductor (il) aumenta linealmente, luego cuando el interruptor se apaga, el inductor comienza a disminuir, pero el interruptor solo se enciende después del inductor está completamente descargado y la corriente del inductor se vuelve completamente cero. Este es el modo de funcionamiento discontinuo. En esta operación, el flujo de corriente a través del inductor no es continuo.
PWM y ciclo de trabajo para circuito convertidor reductor
Como discutimos en el tutorial anterior del convertidor reductor, al variar el ciclo de trabajo podemos controlar el circuito del regulador reductor. Para ello, se requiere un sistema de control básico. Además, se requiere un amplificador de error y un circuito de control de interruptor que funcionará en modo continuo o discontinuo.
Entonces, para un circuito regulador reductor completo, necesitamos un circuito adicional que variará el ciclo de trabajo y, por lo tanto, la cantidad de tiempo que el inductor recibe energía de la fuente.
En la imagen de arriba, se puede ver un amplificador de error que detecta el voltaje de salida a través de la carga usando una ruta de retroalimentación y controla el interruptor. La técnica de control más común incluye la técnica de modulación de ancho de pulso o PWM que se utiliza para controlar el ciclo de trabajo de los circuitos.
El circuito de control controla la cantidad de tiempo que el interruptor permanece abierto o, controlando cuánto tiempo se carga o descarga el inductor.
Este circuito controla el interruptor según el modo de funcionamiento. Tomará una muestra del voltaje de salida y lo restará de un voltaje de referencia y creará una pequeña señal de error, luego esta señal de error se comparará con una señal de rampa de oscilador y desde la salida del comparador una señal PWM operará o controlará el interruptor. circuito.
Cuando cambia el voltaje de salida, el voltaje de error también se ve afectado. Debido al cambio de voltaje de error, el comparador controla la salida PWM. El PWM también cambió a una posición en la que el voltaje de salida crea un voltaje de error cero y, al hacer esto, el sistema de circuito cerrado de control ejecuta el trabajo.
Afortunadamente, la mayoría de los reguladores Switching Buck modernos tienen esto incorporado dentro del paquete IC. Por lo tanto, se logra un diseño de circuitos simple utilizando los reguladores de conmutación modernos.
La tensión de retroalimentación de referencia se realiza mediante una red de divisores de resistencias. Este es el circuito adicional, que se necesita junto con el inductor, los diodos y los condensadores.
Mejorar la eficiencia del circuito convertidor Buck
Ahora, si investigamos sobre la eficiencia, cuánta energía proporcionamos dentro de los circuitos y cuánto obtenemos en la salida. (Puchero / Pin) * 100%
Como la energía no se puede crear ni destruir, solo se puede convertir, la mayoría de las energías eléctricas pierden poderes no utilizados convertidos en calor. Además, no existe una situación ideal en el campo práctico, la eficiencia es un factor más importante para seleccionar reguladores de voltaje.
Uno de los principales factores de pérdida de potencia de un regulador de conmutación es el diodo. La caída de voltaje directa multiplicada por la corriente (Vf xi) es la potencia no utilizada que se convierte en calor y reduce la eficiencia del circuito regulador de conmutación. Además, es el costo adicional de los circuitos para las técnicas de gestión térmica / térmica que utilizan un disipador de calor o ventiladores para enfriar los circuitos del calor disipado. No solo la caída de voltaje directa, la recuperación inversa para diodos de silicio también produce una pérdida de energía innecesaria y una reducción de la eficiencia general.
Una de las mejores formas de evitar un diodo de recuperación estándar es usar diodos Schottky en lugar de diodos que tienen una caída de voltaje directa baja y una mejor recuperación inversa. Cuando se necesita la máxima eficiencia, el diodo se puede reemplazar utilizando MOSFET. En la tecnología moderna, hay muchas opciones disponibles en la sección del regulador reductor de conmutación, que brindan más del 90% de eficiencia fácilmente.
A pesar de tener mayor eficiencia, técnica de diseño estacionario, componente más pequeño, los reguladores de conmutación son ruidosos que un regulador lineal. Aún así, son muy populares.
Diseño de ejemplo para Buck Converter
Anteriormente creamos un circuito regulador reductor usando MC34063 donde la salida de 5V se genera a partir del voltaje de entrada de 12V. MC34063 es el regulador de conmutación que se utilizó en la configuración de regulador reductor. Usamos un inductor, un diodo Schottky y condensadores.
En la imagen de arriba, Cout es el capacitor de salida y también usamos un inductor y un diodo Schottky que son los componentes básicos de un regulador de conmutación. También se utiliza una red de comentarios. Las resistencias R1 y R2 crean un circuito divisor de voltaje que se necesita para la etapa de amplificación de error y PWM del comparador. El voltaje de referencia del comparador es de 1,25 V.
Si vemos el proyecto en detalle, podemos ver que este circuito regulador reductor de conmutación MC34063 logra una eficiencia del 75-78%. Se puede mejorar aún más la eficiencia utilizando la técnica de PCB adecuada y obteniendo procedimientos de gestión térmica.
Ejemplo de uso de regulador Buck
- Fuente de alimentación de CC en la aplicación de bajo voltaje
- Equipo portatil
- Equipo de sonido
- Sistemas de hardware integrados.
- Sistemas solares, etc.