Итак, я понимаю, по крайней мере, на базовом уровне, метод работы переключения преобразователей, как доллар, так и буст. Что меня озадачивает, так это то, почему долларовые преобразователи, в частности, не проще.
Почему бы не создать понижающий преобразователь в качестве переключателя, который заряжает конденсатор, при этом переключатель управляется компаратором, сравнивающим выходное напряжение с эталоном? Разве это не будет намного проще, позволит ли вам использовать более легкий и дешевый конденсатор вместо индуктора и полностью пропустить диод?
Ответы:
Бак-конвертеры так же просты, как буст-конвертеры. Фактически, они представляют собой одну и ту же схему, только если смотреть назад, если у нас есть свобода выбора, какой переключатель (из двух) будет работать как управляемый переключатель (или оба, если это синхронный преобразователь).
Что касается вашего второго абзаца, если бы вы сделали это, вы понесли бы убытки. Больше, чем с помощью индуктивного импульсного регулятора, и гораздо больше, чем с линейным регулятором. Каждый раз, когда вы подключаете источник напряжения к конденсатору, начальное напряжение которого не совпадает с напряжением источника напряжения, вы неизбежно теряете энергию. Даже если вы не видите явного резистора, в реальной жизни он есть, и (что любопытно), независимо от того, насколько он маленький, он будет тратить такое же количество энергии. Смотрите здесь .
Зарядные насосы работают, как вы говорите, но они менее эффективны, чем индуктивные переключаемые регуляторы.
Таким образом, это оправдывает - очевидно ненужную - дополнительную сложность индуктивных переключаемых регуляторов.
Больше : чтобы попытаться дать вам представление о том, почему существуют понижающие и повышающие преобразователи, см. Этот рисунок.
Если вы попытаетесь переместить энергию между двумя источниками напряжения, которые не похожи, или между двумя источниками тока, которые не похожи, вы будете иметь неизбежные потери. С другой стороны, вы можете перемещать энергию (и даже выполнять некоторое масштабирование напряжения или тока в пути) без каких-либо потерь, если подключите источник напряжения к источнику тока. Пассивный физический элемент, который больше всего напоминает источник тока, является индуктором. Вот почему существуют индуктивные переключаемые регуляторы.
Зарядные насосы будут в левой колонке. Их теоретический максимальный КПД ниже 100% (фактический КПД зависит от разности напряжений и емкостей). Индукторные переключаемые регуляторы находятся в правой колонке. Их теоретическая максимальная эффективность составляет 100% (!).
источник
Проблема с тем, что вы описываете, актуальна. В понижающем преобразователе вы можете получить в среднем 10 А с выходом всего 5 А, потому что другой 5 А достигает выхода через диод. И диод только смещен вперед из-за индуктивного удара. Без индуктора и диода, есть только один путь прохождения тока к выходу, и это прямо из входа. С этой топологией, если ваш средний выходной ток составляет 10 А, ваш средний входной ток также должен быть 10 А. И если вы теряете напряжение от входа к выходу, в то время как ток остается тем же самым, потерянная энергия рассеивается в виде тепла. Это в первую очередь отрицательно сказывается на использовании переключающего регулятора вместо линейного регулятора.
Кроме того, если вы возьмете две крышки при разных напряжениях и просто замкнете переключатель между ними, мгновенный ток будет очень, очень большим. Смоделируйте каждую крышку как источник Thevenin, идеальный источник напряжения с последовательным сопротивлением. Сопротивление пути между двумя идеальными источниками будет сопротивлением включенного состояния переключающего устройства, а также ESR обеих крышек. ESR крышек, вероятно, будет порядка 1 МОм, если не намного меньше. Сопротивление транзистора во включенном состоянии может варьироваться, но, вероятно, оно составляет не более 100 МОм. Таким образом, если у вас разница между входом и выходом 10 В, ваш мгновенный ток на входе / переключателе при включении переключателя будет не менее 100 А, а возможно и тысяч ампер.
Конечно, эти пики будут появляться очень часто, в зависимости от выходной нагрузки и плотности цикла сравнения. В остальное время ваш вход / ток переключения равен нулю. Таким образом, вы можете получить среднее значение 1А, но на входе наблюдаются пики 1000А с коэффициентом заполнения 0,1%. Подобные регулярные большие всплески тока создадут проблему правильного слияния; среднеквадратичное значение тока такой волны в 18 раз превышает среднее значение! Им также требуется более мощный переключатель, который не будет насыщаться мгновенными токами, которые так высоки. Не говоря уже об электромагнитном шуме, который этот механизм откладывает!
Лучше оставить транзистор в аналоговом режиме и просто отрегулировать его напряжение на затворе так, чтобы сопротивление сток-исток удерживало выходную крышку на требуемом напряжении. И там у вас есть линейный регулятор.
источник
Ник - Я в основном оставлю обсуждение преобразователя индуктивности другим, и я обращусь к:
Используя ОЧЕНЬ специальные методы, можно создать конденсаторные преобразователи, которые эффективно преобразуют энергию с одного уровня напряжения на другой. НО упрощенные методы терпят неудачу плохо. Одноступенчатый конденсаторный преобразователь, который делит напряжение наполовину путем сброса заряда с одного конденсатора на другой с равной емкостью, имеет ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КПД 50%, а практический - не более теоретического и, возможно, меньшего. Это связано с простым применением «законов физики». К сожалению, реальность такова, что требования к достижению хорошей эффективности гораздо легче удовлетворить с помощью индукторного базового преобразователя, чем с конденсатором.
Попробуйте этот простой мысленный эксперимент.
Возьмите два конденсатора C1 и C2 равной емкости.
Зарядите С1, чтобы сказать 10V.
Базовая формула, относящаяся к заряду и емкости, имеет вид V = kQ / C,
где V - напряжение конденсатора, k - постоянная величина, Q - заряд, а C - емкость. Теперь подключите C2 к C1.
Заряд в С1 теперь будет делиться поровну между С1 и С2.
Таким образом, напряжение на каждом конденсаторе составляет 5 В - либо потому, что заряд на каждом из них наполовину оригинален, либо потому, что емкость удвоилась - 2 способа взглянуть на одно и то же.
Все идет нормально.
НО энергия в конденсаторе составляет 0,5 х С х V ^ 2.
Первоначально выше E = 0,5 x C x 10 ^ 2 = 50C единиц энергии.
После объединения двух конденсаторов энергия на колпачок = 0,5 х С х 5 ^ 2 или для двух колпачков
энергия = 2 х 0,5 х С х 5 ^ 2 = 25 С единиц энергии.
О, Боже ! :-(.
Просто объединив два конденсатора и разделив их заряд, мы ПОЛУЧИЛИ присутствующую энергию!
Половина энергии была потеряна в процессе!
Этот очевидный причудливый и необъяснимый факт связан с резистивными потерями энергии во время передачи. ЛУЧШЕ мы теряем половину энергии, если напряжение уменьшается вдвое. Результат минимальной потери энергии одинаков, независимо от того, используем ли мы большое значение сопротивления для передачи энергии или очень низкое значение сопротивления, такое как кусок провода - небольшая доля Ом. В последнем случае мы получаем чрезвычайно высокие токи.
«Очевидное» решение состоит в том, чтобы «поставить конденсаторы друг на друга», чтобы зарядить их, и разместить их параллельно, чтобы разрядить. Это работает! За один цикл. Теоретическая эффективность = 100%. Выполнение этого на практике в этом случае требует по меньшей мере 2 переключающих переключателей со сложностью и потерями, и это работает только для отношения 2: 1. Хуже того, если мы уменьшаем напряжение накачки с нагрузкой, чтобы его необходимо было перераспределить для следующего цикла, мы обнаруживаем, что перезарядка имеет те же резистивные потери, что и раньше. Мы получаем 100% теоретическую эффективность, только если не вытягиваем энергию :-(.
Решение проблемы заключается в том, чтобы падение напряжения на конденсаторе было очень небольшим, а перезарядка - лишь небольшим. Если мы сделаем это, эффективность может быть близка к 100%, НО нам понадобятся большие ограничения на ток нагрузки (так как большая часть емкости используется только для поддержания постоянного напряжения), и у нас все еще будет коэффициент преобразования 2: 1. Другие соотношения могут быть достигнуты, но это раздражает, получается сложным и дорогим, и в большинстве случаев имеет мало или вообще не имеет преимуществ перед использованием индукторов. Некоторые очень специализированные конвертеры работают таким образом, но они редки. И вы можете купить микросхемы преобразователя с повышением или понижением с несколькими фиксированными коэффициентами, такими как 2: 1, 3: 1, 4: 1, но они обычно имеют низкое энергопотребление, Vout падает с нагрузкой (выше Zout, чем приятно), и они обычно уступают во многих отношениях к преобразователю на основе индуктора.
Вот почему вы обычно видите хороший простой, дешевый легкий понижающий преобразователь, используемый для понижения напряжения. Фактический преобразователь использует 1 x L, 1 x D, 1 x переключатель (MOSFET или любой другой), а остальное - «клей» или улучшения. Контроллер также может быть очень простым.
источник
Было бы невозможно поддерживать постоянное напряжение на конденсаторе. Каждый раз, когда вы закрываете выключатель, вы сбрасываете на него напряжение (какое напряжение?), И напряжение повышается из-за высокого пикового тока. Конденсатору это тоже не понравится. И вы потеряете много энергии при переключении.
В переключателе катушка делает так, чтобы ток зарядки конденсатора плавно повышался и что в среднем он следовал за током нагрузки. Диод нужен для того, когда выключатель размыкается. В этот момент катушка создала магнитное поле, энергия которого должна куда-то уходить. Диод замыкает петлю, которая позволяет току катушки продолжать течь.
Благодаря более совершенным коммутирующим устройствам в наши дни встраивать понижающие преобразователи гораздо проще, чем можно предположить в теории их работы. И они могут достичь эффективности до 95%, чего просто не может сделать включение и выключение конденсатора.
источник
Самый простой способ понять потребность в диоде - это подумать, сколько раз электроны могут проходить через нагрузку за каждый раз, когда они проходят через источник питания. Если диода нет, то каждый электрон, который проходит через нагрузку, должен снова пройти через источник питания, прежде чем он сможет вернуться к нагрузке. Добавление диода позволяет некоторым электронам посещать нагрузку, проходить через диод и снова посещать нагрузку, не возвращаясь через источник питания. Катушка необходима, потому что без нее электроны, которые проходят через нагрузку и достигают диода, не будут иметь достаточно энергии, чтобы пройти через диод и снова посетить нагрузку. Катушка поглощает избыточную энергию от электронов, которые поступают свежими от источника питания, а затем передает ее рециркулирующим электронам.
источник
Вы можете понизить напряжение постоянного тока с помощью соотношения резисторов, одного последовательно, Rs и резистора, RL и нагрузки в шунте к общему, но вы знаете, что оно неэффективно с потерей мощности = V * I в серии Rs.
Вы можете снизить коэффициент переключения резисторов (как вы предложили), и тогда последовательное сопротивление является функцией коэффициента заполнения и эффективного последовательного сопротивления переключателя (ESR),
следовательно, Rs = ESR / T {где T - время включения / время цикла для T = от 0 до 1}
Теперь вашей нагрузке нужна емкость для поддержания напряжения и, возможно, активного стабилитрона, и в последовательном резисторе все равно будут потери. Рассмотрим соотношение 10: 1, тогда ток будет в 10 раз больше, но в 1/10 времени, поэтому P = V * I * T, потеря мощности такая же, как у линейного регулятора. Есть смысл?
Индуктор обеспечивает постоянный ток при понижении напряжения. Поскольку ток является в значительной степени реактивным и не совпадает по фазе для сигнала переменного тока с коммутацией тактовых импульсов в качестве понижающего устройства, он намного более эффективен. Есть смысл? Сделав реактивное сопротивление намного ниже, чем нагрузка, вы можете стать еще более эффективным. Это означает увеличение скорости переключения и значения индуктивности. Но насыщение феррита достигает практического предела тока, и очень важно использовать феррит с воздушным зазором для гораздо больших токов.
источник