Хорошо известно, что переключающие регуляторы более эффективны, чем линейные регуляторы. Я также знаю, что линейный регулятор должен рассеивать разницу между входным напряжением и выходным напряжением, умноженную на ток в виде тепла.
Но почему это не распространяется на переключающие регуляторы с одинаковыми условиями: одинаковое входное напряжение, выходное напряжение и ток?
Я знаю, что переключатели могут нагреваться; У меня есть один на доске, который становится настолько горячим, что вы едва можете дотронуться до него, но с другой стороны, он составляет всего 2 1/2 миллиметра с каждой стороны и выглядит как муравей по сравнению со сквозным отверстием 7805 с его радиатором.
источник
Обычно переключающие регуляторы более эффективны, но не всегда.
Идеальный переключающий (понижающий) регулятор выглядит так:
смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab
Если коммутатор является транзистором, а D1 может быть диодом или другим транзистором. В идеальном случае нет механизма потери энергии . Диод либо полностью блокирует, либо отлично проводит, переключатель делает то же самое, индуктор не имеет сопротивления постоянному току, а конденсатор не имеет ESR. Таким образом, сила равна силе. Конечно, реальность может приблизиться только к этому идеалу. Будут потери, которые являются «накладными», и потери, которые увеличиваются с увеличением тока.
Обратите внимание, что катушка индуктивности является критической частью этой цепи - если вы попытаетесь ее опустить, неподвижное (в краткосрочной перспективе) напряжение на С1 будет противостоять неподвижному напряжению на Vin, и ток станет бесконечным. В реальной цепи SW1 будет иметь некоторое сопротивление, и он станет таким же горячим, как транзистор в линейном регуляторе (за исключением того, что он также будет производить тонны электромагнитных помех).
источник
В точку. Подвод 3,5 В в линейный регулятор LDO 3,3 В дает эффективность 94%. Вам будет сложно найти регулятор переключения, который сможет это сделать.
Да, но линейные регуляторы должны потреблять столько же или чуть больше тока для данного выходного тока, в то время как переключающие регуляторы обменивают падение выходного напряжения на уменьшение входного тока и, следовательно, обычно используют меньше мощности, чем аналогично сконфигурированный линейный регулятор в целом.
источник
Идеальные переключатели не рассеивают мощность. Они берут немного энергии со стороны входа, сохраняют ее и затем отпускают со стороны выхода.
Энергия накапливается либо в магнитном поле внутри индуктора, либо в электрическом поле в конденсаторе.
Из-за неидеальности реальных компонентов, таких как ESR в катушках индуктивности, они рассеивают немного энергии. Они также теряют некоторую мощность при переключении транзисторов. Некоторая энергия также теряется в контроллере.
источник
Для последовательного линейного регулятора источник выдает энергию в 100% случаев, и часть этой мощности должна быть потрачена впустую, поскольку (1) напряжение источника (величина) больше нагрузки и (2) ток источника должен быть несколько больше, чем ток нагрузки.
Однако для регулятора переключения источник выдает энергию только в течение некоторой доли периода переключения. В течение этого времени часть энергии, поступающей от источника, поступает на нагрузку, а остальная часть подается на элементы схемы накопления энергии - очень мало тратится впустую.
Затем в течение времени отключения элементы схемы накопления энергии подают питание на нагрузку.
Это принципиальное различие - от источника во время работы потребляется только достаточно энергии для непрерывного питания нагрузки.
Например, если нагрузке требуется непрерывная мощность 5 Вт, источник может выдавать 10 Вт в 50% случаев и 0 Вт в оставшиеся 50% при средней мощности 5 Вт. Элементы схемы накопления энергии «сглаживают» поток энергии - поглощают избыточную мощность во время работы и затем подают ее во время работы.
источник
Идеальный импульсный импульсный стабилизатор может быть смоделирован как пара колпачков, подключенных непосредственно к входу и выходу, катушка и некоторая схема маршрутизации, которая может переключаться между тремя конфигурациями (схема только с усилением, только с усилением или инвертирующая схема). нужно только два).
Предположим, что компоненты ведут себя идеальным образом (без потерь сопротивления или коммутации и т. Д.), Когда ограничения на напряжение источника питания составляют 10 В, выходной сигнал равен 1 А, коммутатор тратит половину своего времени в первой конфигурации, половину в третьей и выполняет циклы достаточно быстро, чтобы Напряжение крышки и ток катушки не имеют шансов сильно измениться в течение каждого цикла.
В «устойчивом» состоянии, при условии соблюдения вышеуказанных условий, катушка будет постоянно проходить через нее по одному усилителю (поскольку она всегда будет последовательно подключена к нагрузке, потребляющей 1 ампер). Если выходная крышка находится на уровне пяти вольт, то половину времени на катушке будет +5 В, а половину - на -5 В, поэтому в среднем ее ток останется на уровне 1 А. Половину времени в крышке источника будет извлекаться один усилитель (когда он подключен к катушке), а в половине случаев его нет, так что источник будет видеть половину тока потребления тока.
Самый простой способ увидеть, как коммутатор может потреблять меньше тока от источника, чем нагрузка от него, - это посмотреть, куда движутся электроны: половина электронов, проходящих через нагрузку, будет поступать от источника, а половина будет переключился на обход источника. Таким образом, нагрузка будет иметь в два раза больше тока, протекающего через нее, чем источник.
источник
Чтобы утомить каждого старой доброй аналогией с потоком воды, я добавлю следующее: предположим, у нас есть три уровня высоты H 1 , H ½ , H 0 ; запас воды поступает из H 1 , затем течет в H ½ немного к месту назначения, мельнице или чему-то еще, а затем возвращается обратно в H 0 . Регулятор находится при переходе от H 1 к H ½ .
Линейный регулятор - это водопад: электроны просто гремят вниз и высвобождают свой потенциал в виде тепловой энергии в окружающую среду. Ток на H ½ будет таким же, как на H 1 .
Переключатель не только позволяет воде стечь, но и опускает ее порционно в ведра. Каждое ведро, которое идет от H 1, нуждается в противовесе, естественная вещь, которую нужно использовать - это другое ведро воды , от H 0 !
источник