Einfache Ladungsableitend Topologien - Schaltnetzteil-Design

A tutorial on Schaltnetzteil-Design von Jerrold Foutz

Wie in der Einleitung erläutert. Eine Stromversorgung ist eine Pufferschaltung, die zwischen einer inkompatiblen Quelle und der Last, um sie kompatibel zu machen, angeordnet ist. In diesem Abschnitt werden wir einige einfache ableitenden Schaltungen erkunden, die zwischen einem 12-VDC-Batterie und einer 5-VDC-Last, um sie kompatibel platziert werden können. Die Pufferschaltungen sind einfach, dass wir die Teile zu einem einzelnen oder weniger der folgenden Teile beschränken: variable Widerstand, Durchbruchdiode, Schalter, Dioden, einzigen Wicklung Induktor und einen Kondensator.

Für die ableitenden Topologien verwenden wir nur den variablen Widerstand und die Durchbruchdiode. Die anderen Teile werden in dem nächsten Abschnitt auf Schaltungstopologien verwendet werden.

Wir werden nur mit dem Leistungsumwandlungs Teil der Schaltung, nicht die Kontrolle betroffen sein. Wir nehmen an, daß die Schaltungen mit offenem Regelkreis und die Ausgangsspannung wird manuell durch den Wert eines veränderlichen Widerstands oder das Tastverhältnis eines Schalters gesteuert.

Obwohl sie einfach aus einem Teilebasis, die Schaltungen wir mit diesen Teilen sind nicht unbedingt einfach aus analytischer Sicht erkunden. Einige der Schalttopologien werden die rechte Halbebene Nullen enthalten, ein interessantes Thema, das später in diesem Tutorial beschrieben wird.

Die ersten beiden Topologien diskutiert wird nicht vermittlungs Modus-Topologien, aber dissipative Topologien. Die Motivation dafür ist die Bedeutung der Effizienz bei der Leistungsumwandlung zu zeigen - den Hauptgrund, Schaltnetzteile eingesetzt werden.

In all folgenden Beispielen werden wir eine 12 VDC-Quelle und das Ziel der Bereitstellung von 5 V DC bei einer maximalen Belastung von 20 A annehmen, die von 100 W und einem minimalen Lastwiderstand von 0,25 Ohm bis zu einer maximalen Lastleistung entspricht.

In Regula Vergleich werden wir mit Effizienz als einer der Gütezahlen sein. Die Effizienz wird in Bezug auf die Eingangsleistung und die Ausgangsleistung definiert ist als:

Wirkungsgrad = (Pout / Pin)
oder in Bezug auf die Verlustleistung
= 1 / (1 + (Ploss / Pout))
wo Effizienz ist eine Fraktion, die als Prozentsatz ausgedrückt werden kann.

Dissipative Regler Regelung durch eine gezielte Umwandlung von übermäßigen Leistungsnetzteilen zu erwärmen, im Gegensatz zu Schaltmodus erreichen, die für die Regulierung auf eine Wärmeumwandlung beruhen nicht. Schaltnetzversorgung wäre 100% effizient, wenn die Komponenten ideal sind. Dissipative Regulawandel Wärme mit entweder einer Reihe oder einem Shunt-Elemente.

Wir beginnen unsere Untersuchung von einfachen Topologien durch den variablen Widerstand aus unserer Stückliste auswählen und zwischen der Energiequelle und der Last zu verbinden. Was wir bekommen, ist ein einfacher in Abbildung 2-1 gezeigte Serie Regler mit offenem Regelkreis. R1 ist oft ein Transistor ist.

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Abbildung 2-1: Serie Regulator

Die Lösung und die Auflistung der Parameter von Interesse:

• I = 20 A
• R1 = 0,35 Ohm
• Pin = 240 W
• Pout (R2) = 100 W
• Leistung R1 = 140 W
• Effizienz = Pout / Pin = 0,417 => 42%

R1 variiert 5 VDC bei Vo zu erhalten, in 20 resultierenden ein Strom in der Schleife und der Lastwiderstand R2 fließt. Beachten Sie, dass der 5 V-Ausgang durch Eintropfen Spannung über den Vorwiderstand R1 erhalten wird, daher der Name Serienregler. Um eine 100 W an die Last, 240 W der Quelle erforderlich und 140 W Leistung wird in R1 verschwendet - nicht sehr effizient. Wenn die Lastleistung reduziert wird, so ist die Eingangsleistung und die Effizienz bleibt gleich für alle Lasten. Da der Strom, wenn explizit in der Effizienz Gleichung aufhebt, vereinfacht sich die Effizienz dieser Schaltung Vo / Vin. Wie wir im nächsten Abschnitt sehen werden, ist dies die Shunt-Regler nicht wahr.

Beachten Sie, dass die Topologie, die von einem Spannungsteiler ist. Spannungs- und Stromteiler werden in großem Umfang in Stromversorgungsschaltkreis-Design und Modellierung verwendet. Eine Zukunft Abschnitt wird ihnen gewidmet sein.

Aus unserer Stückliste, fügen wir nun eine Bruchdiode über die Last in Abbildung 2-1 den Shunt-Regler, wenn Abbildung 2-2 gezeigt zu bekommen.

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Abbildung 2-2: Shunt-Regler

Dies ist eine sehr beliebte Topologie, weil es Spannungsregelung mit nur zwei Teilen bietet, einen festen Wert R1 und die Durchbruchdiode. Die Schaltung hat auch inhärenten Kurzschlussschutz, solange die Leistung von R1 ist so gewählt, dass es in einen Kurzschluss zu betreiben. Der große Nachteil der Schaltung ist eine schlechte Effizienz, insbesondere bei leichter als Volllast. Wenn die Lastleistung ein kleiner Teil der Gesamtsystemleistung ist, kann dies oft toleriert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Topologie ist auch dasselbe wie ein Serienregler eine Durchbruchsdiode als Überspannungsschutz verwendet. Wie wir im Abschnitt über Schaltnetzteil-Topologien, Überspannungsschutz ist ein sehr wichtiger Aspekt sehen.

Es sei angenommen, die gleichen Bedingungen wie in Abbildung 1-1 und daß die Durchbruchsdiode bricht eine infinitesimale Menge oberhalb 5 Vdc, so dass es keinen Strom zieht. Dann wird das Wirkungsgrad der Schaltung ist das gleiche wie das 42% der Reihenreglerschaltung.

Nun verringern die Last auf die Hälfte durch den Lastwiderstand R2 Erhöhung von 0,25 Ohm bis 0,5 Ohm, so dass nur 10 eine Strömung in der Last und die Lastleistung ist 50 W. Die Spannung würde steigen, aber die Durchbruchsdiode zwingt es auf 5 V und die überschüssiger Strom fließt in der Durchbruchdiode. Der Wirkungsgrad ist jetzt 50/240 W => 21% im Vergleich zu 42% für den Serienregler Beispiel. Bei Null-Laststrom ist die Wirkungsgrad 0%.

In der Praxis fließt etwas Strom immer in der Bruchdiode. Dies führt zu dem Schluss, dass eine Reihe ableitende Regler ist immer effizienter als ein Shunt-Regler ableitend, alles andere gleich ist.

Eine interessante Beobachtung über den Shunt-Regler ist der maximale Wirkungsgrad tritt bei einer Eingangsspannung, die nur eine Funktion der Eingangsspannungstoleranz und unabhängig von der R1 oder R2 ist. Durch Einstellen der Verlustleistung als Funktion der Schaltungsparameter und Eingangsspannungstoleranz, wobei das teilweise und Einstellung auf Null, die folgende Gleichung nach oben erhalten wird.

Vin = Vo * (1 + SQRT (1-a)) / a
wobei a = 1-Toleranz.
und
R2 = a * (Vin - Vo) / Imax
wobei Imax der maximale Laststrom

Für unser Beispiel, und eine 20% ige Eingangsspannungstoleranz (a = 1-0,2 = 0,8), die Eingangsspannung, die die maximale Effizienz und der Wert von R1 Ausbeuten sind:

Beispiel:
Vin = 5 * (1 + SQRT (1-0.8)) / 0,8 = 5 * (1 + 0,447) /0.8 = 9,05 Vdc
R1 = 0,8 * (9,05 bis 5,0) / 20 = 0,162 Ohm
Effizienz = Pout / Pin => 100 W / 181 W => 55%

Durch die Wahl der optimale Eingangsspannung (anstelle von 12 V) für eine Toleranz von 20%, die maximale Effizienz des Shunt-Reglers wird von 42% auf 55% erhöht. Beachten Sie jedoch, dass die Effizienz eines Serienreglers für die gleiche Eingangsspannung niedriger (5 / 9.05 => 55%) wird auch auf die maximale Effizienz des Shunt-Reglers 55% erhöht wird, wie zu erwarten wäre.

Dies beendet unseren Blick auf ableitende Regulierungsbehörden. In unseren Beispielen waren die Leistungsverluste immer größer als die Lastleistung für einen 12-VDC-Eingang und 5-VDC-Ausgang - eine schreckliche Verschwendung von Energie.

Was sind die System Auswirkungen dieser Leistungsverlust?

Auswirkungen des Stromausfalls

diese Informationen für das Design nicht ohne unabhängige Überprüfung der Informationen verwenden.