Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
DC-DC кернеуді төмендетуші қуат түрлендіргіш
DC DC voltage step down power converter
Бак түрлендіргіш немесе төмендетуші түрлендіргіш – кірістен (көзінен) шығысқа (жүктемеге) дейін кернеуді төмендетіп, ток күшін арттыратын DC-DC түрлендіргіш. Бұл – ауыстырылатын режимдегі қуат көздерінің бір класы. Бак түрлендіргіш сияқты ауыстырылатын түрлендіргіштер, сызықтық реттегіштерге қарағанда DC-DC түрлендіргіштер ретінде әлдеқайда жоғары қуат тиімділігін қамтамасыз етеді. Сызықтық реттегіштер қуатты жылу түрінде таратып, шығыс тогын арттырмайтын қарапайым схемалар болып табылады. Бак түрлендіргіштерінің тиімділігі өте жоғары болуы мүмкін, көбінесе 90%-дан астам, бұл оларды компьютердің негізгі қуат көзінің кернеуін (әдетте 12 В) USB, DRAM және CPU-ға қажетті төменгі кернеулерге (әдетте 5, 3.3 немесе 1.8 В) түрлендіру сияқты тапсырмалар үшін пайдалы етеді. Бак түрлендіргіштері әдетте кем дегенде екі жартылай өткізгіш (диод және транзистор, бірақ қазіргі заманғы бак түрлендіргіштері диодты синхронды түзету үшін қолданылатын екінші транзистормен жиі ауыстырады) және кем дегенде бір энергия сақтау элементін (конденсатор, индуктор немесе олардың екеуін де) қамтиды. Кернеудің тербелісін азайту үшін конденсаторлардан жасалған сүзгілер (кейде индукторлармен бірге) әдетте мұндай түрлендіргіштің шығысына (жүктеме жағындағы сүзгі) және кірісіне (көзі жағындағы сүзгі) қосылады. Оның атауы, қуат көзінің кернеуіне қарсы тұратын немесе «төмендетіп» (buck) тұратын индуктордан шыққан. Бак түрлендіргіштері әдетте 100 кГц-тен бірнеше МГц-ке дейінгі ауысу жиіліктері диапазонында жұмыс істейді. Жоғары ауысу жиілігі кішірек индукторлар мен конденсаторларды пайдалануға мүмкіндік береді, бірақ транзисторларды жиі ауыстырудың нәтижесінде тиімділік те төмендейді.
A buck converter or step down converter is a DC to DC converter which decreases voltage, while increasing current, from its input (supply) to its output (load). It is a class of switched mode power supply. Switching converters (such as buck converters) provide much greater power efficiency as DC to DC converters than linear regulators, which are simpler circuits that dissipate power as heat, but do not step up output current. The efficiency of buck converters can be very high, often over 90%, making them useful for tasks such as converting a computer's main supply voltage, which is usually 12V, down to lower voltages needed by USB, DRAM and the CPU, which are usually 5, 3.3 or 1.8V. Buck converters typically contain at least two semiconductors (a diode and a transistor, although modern buck converters frequently replace the diode with a second transistor used for synchronous rectification) and at least one energy storage element (a capacitor, inductor, or the two in combination). To reduce voltage ripple, filters made of capacitors (sometimes in combination with inductors) are normally added to such a converter's output (load side filter) and input (supply side filter). Its name derives from the inductor that “bucks” or opposes the supply voltage. Buck converters typically operate with a switching frequency range from 100 kHz to a few MHz. A higher switching frequency allows for use of smaller inductors and capacitors, but also increases lost efficiency to more frequent transistor switching.
Идеалдық жағдай
Бук түрлендіргіштің тұжырымдық моделі индуктордың ток пен кернеуі арасындағы байланыс тұрғысынан жақсы түсініледі. Түрлендіргіш ашық (өшірілген) күйде болғанда, тізбектегі ток нөлге тең болады. Түрлендіргіш алғаш рет жабылғанда (қосылған) ток көтеріле бастайды, ал индуктор өзгеретін токқа жауап ретінде өзінің қосқыштарында қарсы кернеу тудырады. Бұл кернеудің төмендеуі көздің кернеуіне қарсы әсер етеді, демек жүктемедегі жалғыз кернеуді азайтады. Уақыт өте келе токтың өзгеру жылдамдығы төмендейді, сонымен қатар индуктордағы кернеу де төмендейді, жүктемедегі кернеуді арттырады. Осы уақыт ішінде индуктор энергияны магниттік өріс түрінде сақтайды. Егер түрлендіргіш ток әлі де өзгеретін кезде ашылса, онда индукторда әрқашан кернеудің төмендеуі болады, сондықтан жүктемедегі жалғыз кернеу кіріс кернеу көзінен әрқашан аз болады. Түрлендіргіш қайтадан ашылғанда (өшірілген), кернеу көзі тізбектен алынып тасталады және ток кемиді. Азаятын ток индукторда кернеудің төмендеуін тудырады (қосылған күйдегі төмендеуге қарама-қарсы), ал енді индуктор ток көзіне айналады. Индуктордың магниттік өрісінде сақталған энергия жүктеме арқылы ток ағынын қолдайды. Кіріс кернеу көзі ажыратылған кезде ағып жатқан бұл ток, қосылған күйде ағып жатқан токқа қосылғанда, орташа кіріс тогынан артық токқа тең болады (өшірілген күйде нөл болады). Орташа токтын "артуы" кернеудің төмендеуін өтеуге көмектеседі және жүктемеге берілген қуатты идеалды түрде сақтайды. Өшірілген күйде индуктор өзінің сақталған энергиясын тізбектің қалған бөлігіне босатады. Егер индуктор толық босатылғанға дейін түрлендіргіш қайтадан жабылса (қосылған күйде), жүктемедегі кернеу әрқашан нөлден жоғары болады.
The conceptual model of the buck converter is best understood in terms of the relation between current and voltage of the inductor. Beginning with the switch open (off state), the current in the circuit is zero. When the switch is first closed (on state), the current will begin to increase, and the inductor will produce an opposing voltage across its terminals in response to the changing current. This voltage drop counteracts the voltage of the source and therefore reduces the net voltage across the load. Over time, the rate of change of current decreases, and the voltage across the inductor also then decreases, increasing the voltage at the load. During this time, the inductor stores energy in the form of a magnetic field. If the switch is opened while the current is still changing, then there will always be a voltage drop across the inductor, so the net voltage at the load will always be less than the input voltage source. When the switch is opened again (off state), the voltage source will be removed from the circuit, and the current will decrease. The decreasing current will produce a voltage drop across the inductor (opposite to the drop at on state), and now the inductor becomes a current source. The stored energy in the inductor's magnetic field supports the current flow through the load. This current, flowing while the input voltage source is disconnected, when appended to the current flowing during on state, totals to current greater than the average input current (being zero during off state). The "increase" in average current makes up for the reduction in voltage, and ideally preserves the power provided to the load. During the off state, the inductor is discharging its stored energy into the rest of the circuit. If the switch is closed again before the inductor fully discharges (on state), the voltage at the load will always be greater than zero.
Жалғастырмалы режим
Бак түрлендіргіштері үздіксіз режимде жұмыс істейді, егер индуктор арқылы өтетін ток коммутация циклі барысында нөлге ешқашан түспесе. Осы режимдегі жұмыс принципі 4-суретте көрсетілген графикте суреттелген.
Buck converters operate in continuous mode if the current through the inductor never falls to zero during the commutation cycle. In this mode, the operating principle is described by the plots in figure 4:
Көп фазалы бук
Көп фазалы бук-конвертер – кіріс және жүктеме арасында параллель орналасқан негізгі бук-конвертерлік схемалардың схемалық топологиясы. n "фазаның" әрқайсысы ауысу периодында тең интервалмен қосылады. Бұл схема әдетте жоғарыда сипатталған синхронды бук топологиясымен қолданылады. Бұл типтегі конвертер жүктеме өзгерістеріне, ауысу жоғалтуларының артуынсыз, n есе жылдам ауысқандай жылдам жауап бере алады. Осылайша, ол заманауи микропроцессорлар сияқты жылдам өзгеріп отыратын жүктемелерге жауап бере алады. Ауысу толқынының айтарлықтай төмендеуі де байқалады. Бұл жай ғана тиімді жиіліктің жоғарылауымен ғана емес, сонымен қатар n есе жұмыс циклы бүтін сан болғанда, ауысу толқыны 0-ге дейін төмендейді; қосылған фазалардағы индуктор тогының өсу жылдамдығы, өшірілген фазалардағы азаю жылдамдығымен дәл сәйкес келеді. Тағы бір артықшылығы – жүктеме тогы көп фазалы конвертердің n фазасына бөлінеді. Бұл жүктемені бөлу, әрбір коммутатордағы жылу шығынын үлкенірек аумаққа таратуға мүмкіндік береді. Бұл схемалық топология компьютерлік аналық платаларда 12 В тұрақты кернеуді процессорға (CPU) қолайлы, төменгі кернеуге (шамамен 1 В) түрлендіру үшін қолданылады. Қазіргі заманғы процессорлардың қуат талаптары 200 Вт-тан асып кетуі мүмкін, олар өте жылдам өзгеріп, 10 мВ-тан кем болмайтын тығыз толқын талаптарына ие. Көптеген аналық платалардағы процессорлық қуат көздері 3 немесе 4 фазаны қолданады, ал жоғары деңгейдегі жүйелерде 16 немесе одан да көп фазалар болуы мүмкін. Көп фазалы конвертердегі басты қиындық – жүктеме тогының n фазаға тең бөлінуін қамтамасыз ету. Ток теңгерімі бірнеше тәсілмен жүзеге асырылуы мүмкін. Ток "жоғалтусыз" өлшеу үшін индуктордың немесе төменгі коммутатордың (қосылған кезде) кернеуін сезінуге болады. Бұл әдіс жоғалтусыз саналады, өйткені ол бук-конвертер топологиясына тән кедергілік жоғалтуларға негізделген. Тағы бір әдіс – тізбекке кішкентай резисторды қосып, оның үстіндегі кернеуді өлшеу. Бұл әдіс дәлірек және реттелуге қолайлы, бірақ орын, тиімділік және қаржы шығындарына байланысты бірнеше кемшіліктері бар. Соңында, токты кірісте өлшеуге болады. Кернеуді жоғарғы коммутатор арқылы немесе қуат резисторын пайдаланып, ағымды шамамен өлшеу үшін жоғалтусыз өлшеуге болады. Бұл тәсіл техникалық тұрғыдан қиын, өйткені ауысу шуын сүзгілеу оңай емес. Алайда, ол әр фаза үшін сезімтал резистордан арзан.
The multiphase buck converter is a circuit topology where basic buck converter circuits are placed in parallel between the input and load. Each of the n "phases" is turned on at equally spaced intervals over the switching period. This circuit is typically used with the synchronous buck topology, described above. This type of converter can respond to load changes as quickly as if it switched n times faster, without the increase in switching losses that would cause. Thus, it can respond to rapidly changing loads, such as modern microprocessors. There is also a significant decrease in switching ripple. Not only is there the decrease due to the increased effective frequency, but any time that n times the duty cycle is an integer, the switching ripple goes to 0; the rate at which the inductor current is increasing in the phases which are switched on exactly matches the rate at which it is decreasing in the phases which are switched off. Another advantage is that the load current is split among the n phases of the multiphase converter. This load splitting allows the heat losses on each of the switches to be spread across a larger area. This circuit topology is used in computer motherboards to convert the 12 VDC power supply to a lower voltage (around 1 V), suitable for the CPU. Modern CPU power requirements can exceed 200W, can change very rapidly, and have very tight ripple requirements, less than 10mV. Typical CPU power supplies found on mainstream motherboards use 3 or 4 phases, while high end systems can have 16 or more phases. One major challenge inherent in the multiphase converter is ensuring the load current is balanced evenly across the n phases. This current balancing can be performed in a number of ways. Current can be measured "losslessly" by sensing the voltage across the inductor or the lower switch (when it is turned on). This technique is considered lossless because it relies on resistive losses inherent in the buck converter topology. Another technique is to insert a small resistor in the circuit and measure the voltage across it. This approach is more accurate and adjustable, but incurs several costs—space, efficiency and money. Finally, the current can be measured at the input. Voltage can be measured losslessly, across the upper switch, or using a power resistor, to approximate the current being drawn. This approach is technically more challenging, since switching noise cannot be easily filtered out. However, it is less expensive than having a sense resistor for each phase.
Тиімділік
Тиімділікке әсер ететін екі негізгі құбылыс бар: өткізгіштік жоғалтулары және коммутациялық жоғалтулары. Өткізгіштік жоғалтулары ток компоненттер арқылы өтетін кезде пайда болады және жүктемеге байланысты. Олар транзистор немесе MOSFET коммутаторы өткізгіштік күйде болғандағы, индуктор орамасының кедергісі және конденсатордың эквиваленттік тізбектік кедергісіндегі Жоуль эффектісінен туындайды. Бұл жағдайда жоғалтулар ток квадратына пропорционалды. Өткізгіштік жоғалтулары диодтың тікелей кернеуінің төмендеуінен де (әдетте 0,7 В немесе шоттки диоды үшін 0,4 В) пайда болады және бұл жағдайда токқа пропорционалды. Транзистор мен диодта коммутациялық жоғалтулар жабық және ашық күйлер арасындағы өту кезінде кернеу мен ток үстімеленгенде пайда болады. Қалыпты PN диодының кері қалпына келтіруінен туындайтын коммутациялық жоғалтуларды азайту үшін шоттки диодын қолдануға болады. Коммутациялық жоғалтулар коммутациялық жиілікке пропорционалды. Нақты әлемдегі толыққанды buck түрлендіргіште шығыс кернеуін немесе индуктор тогын реттеу үшін басқару схемасы да болады. Бұл схема және MOSFET қақпа контроллері қуатты тұтынуға ие, бұл түрлендіргіштің жалпы тиімділігіне әсер етеді.
There are two main phenomena impacting the efficiency: conduction losses and switching losses. Conduction losses happen when current is flowing through the components and thus depend on the load. They are caused by Joule effect in the resistance when the transistor or MOSFET switch is conducting, the inductor winding resistance, and the capacitor equivalent series resistance. Losses are proportional to the square of the current in this case. Conduction losses are also generated by the diode forward voltage drop (usually 0.7 V or 0.4 V for schottky diode), and are proportional to the current in this case. Switching losses happen in the transistor and diode when the voltage and the current overlap during the transitions between closed and open states. A schottky diode can be used to minimize the switching losses caused by the reverse recovery of a regular PN diode. The switching losses are proportional to the switching frequency. In a complete real world buck converter, there is also a command circuit to regulate the output voltage or the inductor current. This circuit and the MOSFET gate controller have a power consumption, impacting the overall efficiency of the converter.
Импедансты сәйкестендіру
Импеданстық сәйкестікті қолдану арқылы қуат беруді максималды деңгейге жеткізу үшін бук-конвертерді пайдалануға болады. Мұның бір мысалы – фотоэлектрлік жүйелерде кеңінен қолданылатын максималды қуат нүктесін іздеу құрылғысы. Бұл, әсіресе кедергілердің динамикалық түрде өзгеруіне байланысты қолдануларда тиімді.
A buck converter can be used to maximize the power transfer through the use of impedance matching. An application of this is in a maximum power point tracker commonly used in photovoltaic systems. This is particularly useful in applications where the impedances are dynamically changing.