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Guida ai convertitori Buck, Boost e Buck-Boost

  • 21/12/2023
  • 3,193

Cos'è un convertitore di dollari?

Come funziona un convertitore Buck?

Cos'è un convertitore boost?

Come funziona un convertitore boost?

Cos'è un convertitore di tensione di sollevamento?

In conclusione

FAQ


La tecnologia di conversione di potenza è una parte indispensabile dei moderni dispositivi elettronici, con convertitori di corrente continua a corrente continua (DC-DC) che svolgono un ruolo chiave.Questi convertitori, tra cui convertitori Buck, convertitori Boost e convertitori di boost, differiscono nei loro principi di lavoro, ma tutti sono progettati per soddisfare le esigenze dei circuiti per vari livelli di tensione.Questo articolo approfondisce le funzioni e i principi di lavoro di questi tre tipi di convertitori, evidenziando il loro significato nella tecnologia elettronica contemporanea.

Cos'è un convertitore di dollari?


Un convertitore Buck, noto anche come convertitore a gradino, è un tipo di alimentazione in modalità interruttore altamente efficiente progettato per convertire tensioni a corrente continua (DC) più basse.I suoi componenti chiave includono almeno due semiconduttori (in genere un transistor e un diodo) e almeno un elemento di accumulo di energia, come un induttore o un condensatore.Nei progetti moderni per migliorare l'efficienza, vengono spesso utilizzati due transistor anziché la combinazione del diodi a transistor, un metodo indicato come rettifica sincrona, ad esempio una combinazione di condensatori e induttori.

I filtri composti da condensatori (solitamente abbinati a induttori) vengono comunemente aggiunti all'uscita (sul lato del carico) e l'ingresso (sul lato della sorgente di alimentazione) di tali convertitori per ridurre le increspature della tensione.

Come tipo di convertitore DC-DC, i convertitori in modalità interruttore come il convertitore Buck sono più efficienti dei regolatori lineari.I regolatori lineari sono circuiti meno complessi che riducono la tensione dissipando l'energia sotto forma di calore, ma non aumentano la corrente di uscita.I convertitori Buck sono estremamente efficienti (in genere superiori al 90%), rendendoli altamente adatti per la conversione della tensione di alimentazione principale (ad alta capacità) dei computer (circa 12 V) alle tensioni più basse richieste per USB, DRAM e CPU (5V, 3.3V o 1.8 V, fare riferimento a PSU).

Uno dei convertitori DC/DC più comunemente usati è il convertitore DC/DC step-down, noto anche come convertitore Buck.I convertitori Buck possono ridurre le tensioni CC maggiori a valori CC inferiori, ad esempio da 24 V a 12 V o 5 V.Offrono una vasta gamma di applicazioni, bassa perdita e alta efficienza.

Come funziona un convertitore Buck?


Nel controllo di un segnale di modulazione a larghezza di impulsi (PWM), il Transistor VT in un convertitore DC/DC Buck si alterna tra conduzione e cutoff (noto anche come stato OFF).PWM funziona in modo simile a un interruttore meccanico che si accende rapidamente.La Figura 1 illustra il suo principio operativo.Le figure 1-1 e 1-2 raffigurano rispettivamente i percorsi di corrente quando VT è acceso e spento.Per facilitare l'analisi dei circuiti, le figure utilizzano la chiusura e l'apertura di Switch S per rappresentare l'accensione e la spegnimento di VT.Quando VT è attivato (cioè quando S è chiuso), il diodo del flyback VD viene interrotto e l'interfaccia utente di tensione di ingresso viene applicata all'estremità sinistra dell'induttore di accumulo di energia L, creando una tensione (UI - UO).All'aumentare della corrente IL attraverso L, l'energia immagazzinata nell'induttore aumenta linearmente.La forza elettromotiva indotta dell'induttore è positiva a sinistra e negativa a destra.Durante questo periodo, la corrente di input (ovvero la corrente induttore IL) non solo alimenta il carico, ma carica anche il condensatore del filtro C. La somma della corrente di ricarica del condensatore I1 e la corrente di carico RL IO è uguale alla corrente dell'induttore IL.

Convertitore Buck

Quando VT viene disattivato (cioè quando S è disconnesso), l'induttore L si isola dall'interfaccia utente di tensione di ingresso, come mostrato nella Figura 1-2.Poiché la corrente nell'induttore non può cambiare bruscamente, una tensione indotta con un negativo a sinistra e positiva a destra viene generata attraverso L per mantenere una corrente costante che scorre attraverso l'induttore.Al momento, il diodo Flyback VD conduce, convertendo l'energia del campo magnetico immagazzinato in L in energia elettrica, che continua a alimentare il carico attraverso il circuito formato da VD, mentre la corrente induttore IL diminuisce linearmente.Allo stesso tempo, la corrente di scarica I2 del condensatore del filtro C è sovrapposta alla corrente induttore IL, fornendo energia al carico RL.La somma della corrente induttore IL e la corrente di scarica del condensatore I2 costituisce la corrente di carico IO.

Caratteristiche di un convertitore buck DC/DC:

  • 1. UO è la tensione di uscita.
  • 2. La polarità della tensione di uscita UO è la stessa dell'interfaccia utente di tensione di ingresso.
  • 3. La tensione massima che l'interruttore di alimentazione VT può resistere è UCE = UI.
  • 4. La corrente massima attraverso il collettore del transistor di alimentazione VT è IC = IO.
  • 5. La corrente media del diodo flyback VD è IF = (1-D) IO.
  • 6. Ur = UI è la tensione inversa portata dal diodo Flyback VD.
  • 7. I convertitori DC/DC possono utilizzare componenti discreti e controller PWM a gradini, nonché dispositivi a circuito integrato.Esempi di prodotti a circuito integrato comuni includono LM2576, LM2596 e L4960.Il circuito periferico dell'LM2576 è uno dei più semplici.

Cos'è un convertitore boost?


Un convertitore di boost, noto anche come Chopper Step-Up DC-DC, è un tipo efficiente di convertitore DC-DC specificamente progettato per aumentare la tensione di ingresso della corrente continua a un livello superiore mantenendo la stessa polarità.Questi convertitori svolgono un ruolo cruciale nella progettazione di circuiti elettronici, in particolare nelle situazioni in cui la tensione di alimentazione deve essere aumentata per soddisfare i requisiti di carico specifici.

Nel suo centro, un convertitore boost è costituito da almeno due componenti a semiconduttore (in genere un diodo e un transistor, come un MOSFET) e almeno un elemento di accumulo di energia (come un induttore o un condensatore).Il funzionamento collaborativo di questi componenti consente al convertitore di aumentare efficacemente la tensione, mantenendo pur stabilità e purezza della tensione.I condensatori e gli induttori svolgono doppi ruoli qui, non solo come mezzi per lo stoccaggio di energia, ma anche come filtri, installati alle estremità di ingresso e output per ridurre le increspature e il rumore della tensione, fornendo così un'uscita di potenza più stabile.

Uno dei vantaggi significativi dei convertitori di boost è la loro alta efficienza.Attraverso un design meticoloso, possono convertire fino al 99% dell'energia di input in energia di uscita.Questa elevata efficienza rende i convertitori di boost particolarmente popolari nelle applicazioni sensibili al consumo di energia.La chiave di questa conversione efficiente sta nella selezione e nella configurazione dei componenti di commutazione.I progettisti devono fare precisi compromessi tra la tensione di rottura e la resistenza del semiconduttore quando aperti.Poiché i convertitori di boost devono gestire la somma della tensione di alimentazione e la tensione generata dall'induttore, i componenti a semiconduttore scelti devono avere tensioni di rottura sufficientemente elevate e la più bassa resistenza possibile durante la conduzione.

I convertitori di boost hanno una vasta gamma di applicazioni in vari settori e campi.Nelle applicazioni automobilistiche, vengono utilizzati per fornire le tensioni necessarie per le unità di controllo elettroniche e i sensori.Negli amplificatori di potenza e nei sistemi di controllo adattivi, forniscono la potenza necessaria per guidare operazioni ad alte prestazioni.Sono anche ampiamente utilizzati in sistemi a batteria, elettronica di consumo portatili, dispositivi di comunicazione, circuiti di ricarica della batteria e altro, garantendo che i dispositivi funzionino normalmente anche in condizioni di batteria a bassa tensione.Inoltre, i convertitori di boost svolgono un ruolo vitale nei riscaldatori, nelle saldature, nelle unità motori CC, nei circuiti di correzione del fattore di potenza e nei sistemi di architettura di alimentazione distribuita.

Come funziona un convertitore boost?


Di seguito è mostrato il diagramma schematico del convertitore Boost.

Boost Schema di convertitore

Il vantaggio principale dell'utilizzo di un convertitore boost è la sua alta efficienza.Con un design adeguato, fino al 99% dell'energia di input può essere convertito in energia di produzione utilizzabile, raggiungendo così un'efficienza complessiva del 99%.È importante notare che la progettazione di un convertitore di boost comporta essenzialmente un compromesso tra la tensione di rottura dell'interruttore (di solito un MOSFET) e la sua resistenza quando aperto.Questo perché la valutazione della tensione critica deve essere molto elevata, in quanto deve gestire la tensione combinata dell'alimentazione e dell'induttore, che significa elevata resistenza durante la conduzione.

È anche cruciale scegliere un induttore in grado di gestire grandi correnti e ha un elevato nucleo di permeabilità magnetica.Ciò aiuta a ottenere elevati valori di induttanza senza compromettere la compattezza dell'intera struttura.L'induttore è sempre collegato sul lato di ingresso, fungendo da fonte di corrente di input costante.Ciò rende il convertitore Boost una sorgente di ingresso a corrente continua, con il carico considerato efficacemente come una sorgente di tensione CC.

Un convertitore Boost consente di aumentare la tensione di corrente continua dall'ingresso all'output.Lo stato operativo del circuito è determinato dallo stato di conducibilità dell'interruttore.Quando è acceso, la corrente attraverso l'acceleratore aumenta linearmente, mentre il diodo rimane non conduttivo, come illustrato nel diagramma seguente.


Passando uno stato di un convertitore boost


Quando è spento, il diodo conduce corrente e la potenza viene passata dall'induttore al condensatore.Ciò si traduce in una riduzione della corrente dell'acceleratore, sebbene la corrente attraverso l'acceleratore non cambia in modo significativo.Questo è mostrato nel diagramma seguente.


Aumenta lo stato di arresto del convertitore

Quando si analizzano i convertitori di boost, è importante ricordare due aspetti chiave: la corrente dell'induttore è continua, che è possibile solo con la corretta selezione del valore dell'induttore.Inoltre, durante qualsiasi ciclo di lavoro, la variazione netta nella corrente dell'induttore è zero, poiché la corrente dell'induttore aumenta da una pendenza positiva a un valore massimo quando l'interruttore è acceso e quindi ritorna al valore di pendenza negativa originale.Durante il funzionamento allo stato stazionario del circuito, è possibile definire due modalità operative in base al valore della corrente induttore.Se la corrente dell'induttore non raggiunge mai zero, viene definita modalità di conduzione continua.Tuttavia, se la corrente dell'induttore raggiunge lo zero, funziona in modalità discontinua.La seguente formula rappresenta la relazione tra tensione di ingresso e tensione di uscita:

U = u / (1-d)

Qui, D è il ciclo di lavoro.

Il ciclo di lavoro è definito come la percentuale di tempo in cui è acceso l'interruttore.In altre parole, la combinazione parallela dell'induttore e del condensatore forma un filtro passa basso di secondo ordine, che appiana gli effetti di commutazione riducendo le increspature della tensione per produrre una tensione DC pura.Sulla base del rapporto tra input e tensione di uscita del convertitore Boost, si può concludere che quando il ciclo di lavoro è vicino allo zero, la tensione di uscita è uguale alla tensione di ingresso.Allo stesso modo, quando il ciclo di lavoro si avvicina all'unità, la tensione di uscita aumenta indefinitamente.

Di seguito sono le caratteristiche dei convertitori DC/DC Boost:

  • 1. Si chiama convertitore Boost perché la tensione di uscita UO è maggiore dell'interfaccia utente di tensione di ingresso.La relazione tra UO e UI, UO = UI / (1-D), può essere modificata regolando il ciclo di lavoro D.
  • 2. La polarità della tensione di uscita UO è la stessa dell'interfaccia utente di tensione di ingresso.
  • 3. La tensione massima che l'interruttore di alimentazione VT può resistere è UCE = UO.
  • 4. La corrente massima tramite VT è IC = IO / (1-D).
  • 5. La corrente media attraverso il diodo Boost VD è IF = IO.
  • 6. La tensione inversa portata dal diodo Boost VD è Ur = UO.
  • 7. I circuiti integrati per i convertitori DC/DC Boost includono LM2577 e MAX1599.

Cos'è un convertitore di tensione di sollevamento?


Il convertitore Buck-Boost, un trasformatore DC-DC sfaccettato, si distingue per la sua capacità di produrre una tensione più alta, inferiore o addirittura equivalente all'ingresso.La sua adattabilità è particolarmente cruciale per la gestione dell'alimentazione e i dispositivi elettronici che affrontano tensioni di ingresso fluttuanti o necessitano di vari livelli di uscita.

Distinti dai convertitori di flyback convenzionali, le varianti di buck-boost utilizzano principalmente un induttore solitario, aggirando la necessità di un trasformatore.Questa scelta strategica non solo semplifica il design, ma taglia anche i costi e le richieste spaziali preservando un lodevole grado di efficienza e adattabilità.Questi convertitori abbracciano diverse topologie, con le architetture di inverte e non invertenti predominanti.

La tensione di uscita dell'architettura invertita polarizza inversamente all'ingresso, inestimabile per attività come la generazione di tensione negativa.Qui, il ciclo di lavoro del transistor di alimentazione è modificabile, offrendo ampie capacità di regolazione della tensione.Il segno distintivo del convertitore risiede nella sua competenza nel manipolare questo ciclo di lavoro per generare un ampio spettro di tensioni di uscita, oscillando da quasi zero per superare il valore assoluto della tensione di ingresso.

Al contrario, il convertitore non invertito mantiene la polarità identica input-output, accomodando tensioni sia al di sotto che al di sopra del livello di ingresso.Questa configurazione è ideale per applicazioni che richiedono sia upscaling che downscaling della tensione.In questo framework, l'uso di switch invece di diodi, accoppiato con un induttore condiviso attraverso i segmenti di gradino, ottimizza l'efficienza e riduce la dipendenza dai componenti.

Una variante notevole, il convertitore a quattro switch buck-boost, migliora la flessibilità e il controllo incorporando interruttori quadrupli.Sebbene le complessi regolazioni di tensione possano richiedere più induttori, i design aerodinamici come il convertitore Sepic o ćuk di solito dipendono da un singolo interruttore.Questa semplicità facilita l'efficace regolazione della tensione mantenendo una struttura a circuito semplice.

In conclusione


I convertitori di dollari, i convertitori di boost e il loro ibrido, il buck-boost, sono fondamentali nella gestione dell'alimentazione e nel potenziamento dell'efficienza all'interno della moderna elettronica.Non solo aumentano l'utilizzo dell'energia, ma rafforzano anche le prestazioni e l'affidabilità del dispositivo.

In sostanza, questi convertitori DC-DC sono insostituibili nell'ingegneria elettronica.Incorporano la tecnologia elettronica di potenza all'avanguardia e soddisfano le crescenti richieste di efficienza energetica e prestazioni.I progressi tecnologici e nuovi materiali promettono di promuovere la loro efficienza e applicazioni, catalizzando l'innovazione globale in soluzioni elettroniche sostenibili.

FAQ


A cosa serve un convertitore di dollari

Un convertitore Buck viene utilizzato per abbassare la tensione dell'input dato per ottenere l'uscita richiesta.I convertitori BUC sono utilizzati principalmente per USB in viaggio, convertitori di punti di carico per PC e laptop, caricabatterie, coptri a quad, caricabatterie solari e amplificatori audio di alimentazione.

Quali sono gli svantaggi del convertitore Buck?

Non è possibile ottenere un guadagno elevato con questo tipo di convertitore poiché l'efficienza non funziona per un guadagno massimo (cioè un ciclo di lavoro molto piccolo o un grande ciclo di lavoro).Nessun isolamento dal lato di ingresso al lato di uscita che è molto importante per la maggior parte dei sistemi operativi.

Qual è lo scopo del convertitore Buck-Boost?

Un convertitore di boost produce una tensione di uscita CC che può essere maggiore o più piccola di grandezza rispetto alla sua tensione di ingresso CC.Come suggerisce il nome, combina le funzioni di un convertitore Buck (utilizzato per la tensione CC) e un convertitore di boost (utilizzato per il passo di tensione CC).

I convertitori Buck aumentano gli amplificatori?

Se ho un alimentatore classificato per 15 V al massimo a 3A (cioè 45 W), posso usare un convertitore di dollari per produrre un amperaggio più alto a una tensione inferiore?Sì, è così che funziona, perderai il 5-20% attraverso l'efficienza.Sì, ma non dimenticare che il convertitore tirerà gli impulsi di ~ 9a sul lato di input.

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