Mạch Điện

Nguyên lý hoạt động mạch nguồn Buck

Mạch nguồn Buck là bộ chuyển đổi DC sang DC có đầu ra thấp hơn đầu vào của nó. Nó còn được gọi là bộ chuyển đổi bước xuống. Các thành phần quan trọng về cách hoạt động và hoạt động của bộ chuyển đổi buck là công tắc, diode, cuộn cảm, tụ điện đầu ra và mạch điều khiển. Hãy tham khảo với hocdientu !

Điện áp đầu ra <Điện áp đầu vào

Duty Cycle lý tưởng của một bộ chuyển đổi buck chỉ là điện áp đầu ra chia cho điện áp đầu vào. Về mặt toán học,

Duty Cycle = Điện áp đầu ra / Điện áp đầu vào

Nếu bạn muốn hiểu cách bắt nguồn Duty Cycle, hãy đọc bài viết Khởi tạo Duty Cycle Buck Converter .

Duty Cycle của bộ chuyển đổi buck luôn nhỏ hơn 100% vì điện áp đầu ra luôn thấp hơn điện áp đầu vào.

Mạch bên dưới là một bộ chuyển đổi buck điển hình. Công tắc Q1 là MOSFET. Diode là D1, cuộn cảm là L1 và tụ điện đầu ra là C1. Đầu ra của mạch điều khiển được minh họa dưới dạng tín hiệu PWM.

Một tụ điện ở phía đầu vào cũng cần thiết nhưng nó không phải là một phần của mạch lưu trữ năng lượng chính. Nó chủ yếu được thêm vào để chống lại tiếng ồn.

Nguyên lý hoạt động mạch nguồn Buck
Nguyên lý hoạt động mạch nguồn Buck

Ngoài MOSFET, công tắc có thể là BJT hoặc IGBT. Nó cũng có thể là một bộ điều khiển tích hợp sẵn. Diode cũng có thể được thay thế bằng một công tắc. Cách tiếp cận này được gọi là bộ chuyển đổi buck đồng bộ. Cả hai công tắc đều có thể được tích hợp sẵn vào IC điều khiển cũng như cho các ứng dụng công suất thấp.

Nguyên lý hoạt động mạch nguồn Buck

Nguyên lý hoạt động mạch nguồn Buck
Nguyên lý hoạt động mạch nguồn Buck

Công tắc được điều khiển bởi một tín hiệu PWM để nó sẽ bật và tắt liên tục trong một khoảng thời gian xác định.

Khi PWM cao, công tắc (Q1) bật, diode (D1) phân cực ngược. Lúc này cuộn cảm (L1) sẽ tích điện. Tụ điện đầu ra (C1) cũng sẽ sạc.

Mặt khác, khi tín hiệu PWM ở mức thấp, công tắc tắt, diode sẽ phân cực thuận vì cuộn cảm thay đổi phân cực của nó. Lúc này cuộn cảm sẽ bắt đầu phóng điện, tụ ra giúp cung cấp năng lượng cho tải.

Khi nào thì sử dụng Buck Converter?

Nếu bạn muốn có nguồn DC 12V hoặc nguồn 5V DC từ nguồn DC 24V, thì bạn cần một bộ chuyển đổi buck.

Bạn có thể nghĩ rằng bạn cũng có thể sử dụng một bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính đơn giản. Vâng, nó là sự thật. Tuy nhiên, bộ điều chỉnh tuyến tính chỉ được giới hạn ở một công suất rất thấp. Kích thước của bộ điều chỉnh tuyến tính là lớn. Nó làm tiêu hao điện năng rất lớn và rất kém hiệu quả.

Bộ chuyển đổi Buck hiệu quả so với Bộ điều chỉnh tuyến tính giảm áp

Một bộ điều chỉnh tuyến tính sẽ hấp thụ điện năng theo đúng nghĩa đen để cung cấp đầu ra điện áp ổn định. Ví dụ, điện áp đầu vào là 24V và điện áp đầu ra là 12V, bộ điều chỉnh sẽ giảm xuống 12V. Dòng điện đầu ra nhân với sụt áp này là công suất tiêu tán cho bộ điều chỉnh tuyến tính. Thật là mất mát. Hiệu quả rất thấp.

  • Bộ chuyển đổi Buck sử dụng một công tắc nguồn và diode . Công tắc nguồn khi bật lý tưởng là không bị sụt áp. Khi nó tắt, lý tưởng là không có dòng điện nào có thể chạy qua. Tất nhiên, không có hệ thống lý tưởng nào như vậy, vì vậy trên thực tế, trong quá trình bật, điện áp giảm xuống rất thấp dẫn đến tiêu hao điện năng nhỏ và trong khi tắt, cũng có mức tiêu hao điện năng tối thiểu.
  • Với diode cũng vậy. Khi nó được phân cực thuận, điện áp giảm nhỏ và do đó công suất tiêu tán cũng. Khi phân cực ngược cũng có tổn thất công suất rất nhỏ.
  • Nói chung, hiệu quả của bộ điều chỉnh tuyến tính thấp hơn rất nhiều so với bộ biến đổi buck.

Hoạt động của bộ chuyển đổi Buck – Chế độ dẫn

Bộ chuyển đổi Buck có ba chế độ dẫn. Chúng cần thiết phải học để hiểu đầy đủ cách hoạt động và vận hành của bộ chuyển đổi buck. Đó là chế độ dẫn liên tục (CCM), chế độ dẫn không liên tục (DCM) và chế độ chuyển tiếp .

Chế độ dẫn liên tục có nghĩa là dòng điện dẫn sẽ không chạm 0 trong bất kỳ chu kỳ chuyển mạch nào. Dạng sóng bên dưới hiển thị chế độ dẫn liên tục. Như bạn có thể thấy, dòng điện không bao giờ chạm đến 0.

CCM chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng Dòng điện. Điều này là do tại CCM, dòng điện đỉnh và RMS thấp. Điều này sẽ làm giảm tổn thất trong các thiết bị điện và có thể đạt được hiệu suất hệ thống cao hơn. Ở góc độ điều khiển, CCM dễ xử lý hơn. Tôi không phải là chuyên gia về hệ thống điều khiển; Tôi chỉ trì hoãn ý kiến ​​của tôi với chuyên gia.

Trong chế độ chuyển tiếp hoặc chế độ biên, dòng điện dẫn nằm chính xác trên vạch 0 trước khi chu kỳ chuyển mạch tiếp theo xảy ra. Xem dạng sóng Dòng điện bên dưới.

Trong chế độ chuyển tiếp, RMS Dòng điện và giá trị đỉnh cao hơn CCM. Đối với các ứng dụng công suất cao, điều này không phổ biến. Về mặt kiểm soát, đây cũng là một thách thức so với CCM. Rất khó để duy trì dòng điện trong quá trình chuyển đổi số không.

Trong chế độ dẫn không liên tục (DCM), dòng điện dẫn chạm 0 trước khi chu kỳ chuyển mạch tiếp theo xảy ra. Trong số ba chế độ dẫn, chế độ này có đỉnh và dòng điện RMS cao nhất. Điều này không được khuyến khích cho các ứng dụng công suất cao. Tuy nhiên, chế độ CCM có thể hoạt động giống như chế độ DCM. Điều này sẽ xảy ra ở tải rất nhẹ. Điều này là do, trong quá trình thiết kế, cuộn cảm có kích thước ở mức tải tối đa. Coi tần số và Duty Cycle là không đổi, ở mức tải nhẹ, vòng điều khiển cho phép hoạt động của DCM duy trì sự điều tiết.

Trong số ba chế độ dẫn, CCM là chế độ yêu cầu giá trị điện dẫn lớn nhất. Tiếp theo là chế độ chuyển tiếp và yêu cầu cuộn cảm nhỏ nhất là DCM.

Phương trình thiết kế bộ biến đổi Buck được suy ra trong CCM hoặc chế độ chuyển tiếp. Điều này là do ở các chế độ dẫn này, dòng điện dẫn tăng và mức dốc xuống bằng nhau.

Về mặt EMC, tốt hơn là bộ chuyển đổi buck CCM.

Dạng sóng Dòng điện cuộn cảm

Dưới đây là dạng sóng dòng điện dẫn. Dạng sóng này minh họa rằng bộ chuyển đổi buck đang hoạt động trong vùng CCM. Dòng điện dẫn tăng tuyến tính khi tín hiệu PWM ở mức cao. Nó đang giảm tuyến tính khi tín hiệu PWM thấp.

Bằng cách sử dụng dạng sóng này, dòng điện cuộn cảm, dòng điện RMS và dòng điện một chiều và giá trị đỉnh có thể được tính toán.

Dạng sóng Dòng điện của công tắc chuyển mạch

Dòng điện trên công tắc cho một bộ chuyển đổi CCM buck sẽ giống như bên dưới. Nó là một hình thang. Tăng tuyến tính theo dòng điện dẫn.

Khi tín hiệu PWM cao, dòng chuyển mạch tuân theo hành vi của dòng điện dẫn. Mặt khác, khi tín hiệu PWM ở mức thấp, dòng chuyển mạch ngay lập tức giảm về không.

Dựa trên dạng sóng này, RMS, DC và dòng điện đỉnh có thể được suy ra.

Dạng sóng Dòng điện Diode

Dạng sóng của dòng diode ngược với dòng chuyển mạch. Nó có ý nghĩa vì diode sẽ chỉ bật khi công tắc tắt. Dạng sóng dưới đây cũng cho thấy rằng bộ chuyển đổi buck hoạt động trong CCM.

Sự phân rã tuyến tính của dòng điện cũng theo dòng điện dẫn.

Dạng sóng này là những gì cần thiết để lấy ra các giá trị RMS, DC và dòng điện đỉnh. Để có nguồn gốc chi tiết, hãy đọc NÀY.

Hình minh họa dưới đây cho thấy tất cả các dạng sóng Dòng điện trong một đường cong miền thời gian duy nhất. Dạng sóng màu xanh là PWM. Màu đỏ là dòng điện dẫn. Mặt khác, dạng sóng màu xanh lá cây là dòng chuyển mạch. Dạng sóng màu vàng là dòng diode.

Mức đỉnh của tất cả các dạng sóng Dòng điện là như nhau.

Tóm tắt – Cách hoạt động và hoạt động của Buck Converter

  • Bộ chuyển đổi Buck là một bộ chuyển đổi chuyển đổi DC sang DC.
  • Đầu ra của nó luôn thấp hơn đầu vào của nó
  • Một thuật ngữ khác cho bộ chuyển đổi buck là chuyển đổi bước xuống bộ chuyển đổi
  • Nó có ba chế độ hoạt động; CCM, DCM và TM
  • Duty Cycle của nó là Vout / Vin
  • Các thành phần năng lượng quan trọng là công tắc, diode, cuộn cảm và tụ điện
  • Công tắc có thể là MOSFET, BJT hoặc IGBT
  • Diode cũng có thể là một công tắc
  • Một bộ chuyển đổi buck với 2 công tắc là một bộ chuyển đổi buck đồng bộ
  • Cả hai thiết bị chuyển mạch đều có thể được tích hợp hoặc tích hợp sẵn vào bộ điều khiển cho ứng dụng công suất thấp
  • Hiệu suất bộ chuyển đổi Buck cao hơn nhiều so với bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính
  • Dòng điện đỉnh của cuộn cảm, công tắc và diode có cùng mức
  • Bộ chuyển đổi buck của CCM yêu cầu giá trị cuộn cảm lớn nhất. Bộ chuyển đổi TM buck yêu cầu giá trị cuộn cảm nhỏ hơn CCM nhưng cao hơn DCM. Bộ chuyển đổi DCM buck yêu cầu giá trị cuộn cảm nhỏ nhất.
  • Bộ chuyển đổi buck của CCM có RMS và dòng điện đỉnh thấp hơn. Trong khi bộ chuyển đổi DCM buck có RMS cao nhất và dòng điện đỉnh. Dòng buck TM nằm ở đâu đó giữa mức CCM và DCM.
  • Đối với ứng dụng công suất cao, ưu tiên sử dụng CCM buck
  • Một Buck CCM sẽ hoạt động tại DCM ở mức tải rất nhẹ.
  • Các phương trình thiết kế được suy ra từ CCM hoặc DCM buck
  • Về mặt EMC, CCM buck được ưa chuộng hơn

Đỗ Thủy Học Điện Tử

Tôi một người đam mê cung cấp kiến thức cuộc sống và kiến thức giáo dục văn học , vật lý , điện tử đến cho mọi người hãy cùng tôi tiếp nhận kiến thức mới nhé !

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button