Буцк-боост ДЦ / ДЦ претварачи: МВП за дизајн напајања

DC-DC Boost converter tutorial (Јун 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Обезбеђује већу флексибилност у дизајну док штеди простор на плочи и поједностављује рачун материјала у различитим апликацијама за претварање енергије

БИ ДАВИД ЛОЦОНТО, менаџер дизајн центра - Повер би Линеар Продуцтс, и СТЕВЕ КНОТХ, виши производни инжењер маркетинга - Повер би Линеар Продуцтс
Аналог Девицес, Инц.
ввв.аналог.цом

Претварач ДЦ / ДЦ конвертора је један од најважнијих алата у алатној кутији дизајнера за снабдевање за различите сценарије конверзије снаге. У овим ситуацијама, улазни напони могу да се разликују у великој мјери због не-идеалних или вишеструких улазних извора напајања, прелазних поремећаја или пуњења и пражњења елемената чувања. Јединствени индукциони претварачи не-инвертинг буцк-боост константно смањују (буцк) или повећавају улазни напон и регулишу излазни напон, без обзира да ли је улаз изнад, једнак или мањи од излаза. Тросмерна флексибилност буцк-боост цонвертер-а може заменити два ИЦ-а (засебни претварач за претварање или мали линеарни регулатор плус напонски претварач), чиме се штеди простор / отисак на штампаној плочи (ПЦБ) и поједностављује рачун материјала (БОМ).

Ови претварачи знатно повећавају животни век батерије у преносивим системима пошто користе више корисничких опсега корисног напона у батерији док регулирају излаз. У случају вишеструких потенцијалних извора напајања, конвертор повишења буке може се користити искључиво у режиму буке или појачања у зависности од извора напајања. Поред тога, у апликацији за напајање електричном енергијом у којој елемент за одлагање пражњења има криву напона пражњења која обухвата потребни фиксни излаз, конвертор буцк-боост ће вршити оба начина рада.

Услови примене варирају по тржишном сегменту
Осим потрошачких производа, опсег улазних и излазних напона може се разликовати у зависности од примјене. На пример, у аутомобилским окружењима, 12-В акумулатор је главни напон за све електронике. Међутим, та номинална вредност 12 В може да се спусти до 3 В током хладне скретања или до конца до 40 В (ограничено трансорб) током стања депоније оптерећења.

У индустријској примени, стандардни напонски магистарски напони су или 24 В или 12 В; Поред тога, најчешће се сусрећу вишеслојни напони за напајање, са трајањем од неколико микросекунди до стотинама милисекунди. Електроника у овим системима мора не само да преживи пролазне напонске шиљке, већ у многим случајевима, такође, поуздано функционише током читавог догађаја. Индустријски и војни / ваздухопловни системи захтевају широке опсеге температуре рада и робусну испоруку електричне енергије за суштинску низводну електронику чак и под строгим увјетима напонског напона (баш као и аутомобилска околина).

Осим тога, ваздухопловна, војна и ваздухопловна окружења имају стандардне шине за снагу, али могу радити и од различитих конфигурација батерија и соларних панела, тако да су потребни напојници који могу да задовоље веома широк опсег улазног напона. Неке апликације морају да прихвате много различитих улазних извора тако да сваки извор енергије аутоматски покреће систем. Многе војне примене, на примјер, морају прихватити различите врсте батерија, адаптера, па чак и соларне плоче које пружају њихову моћ.

Због тога што ови системи захтевају вишеструко добро регулисане шине за напајање, шине доњег напона обично се испоручују помоћу регулатора или регулатора слабог ослобађања (ЛДО). Постоје захтјеви, међутим, за стабилизоване шине од 12В и 24В до средње високе снаге за сензоре напајања и различите аналогне функције (оп ампс, мотори или примопредајници). Многи од њих захтевају и буку и повећавају конверзију у зависности од нивоа напона сабирнице или конфигурације система. Конвертор за повећање буке (у неким случајевима, са соларном способношћу) пружа флексибилност за регулисање излаза из различитих улазних извора, минимизирајући број претварача енергије у дизајну и тиме поједностављујући БОМ.

Изазови дизајна претварача енергије
У прошлости дизајн који захтева операцију буцк-и боост-моде решен је коришћењем више претварача снаге са својим типичним проблемима површине ПЦБ-а, величине, виших трошкова, веће сложености, ниже поузданости, веће потежеће струје (И К ) и ниже ефикасности конверзије. Алтернативна топологија, као што је примарни претварач примарне индукције (СЕПИЦ), док је једноставнији од више претварача енергије, има око 10% мању ефикасност од синхроног буцк-боост конвертера и захтјева два индуктора и високонапонски склопни кондензатор, додајући сложеност и потенцијалну буку, као и смањено трајање батерије.

Боост-моде операција у претварачу буцк-боост-а представља сопствени скуп јединствених изазова, посебно када је претварач појачања искључен или током почетне примјене извора напајања. Конвенционални конвертор повецања има директну путању за струју од В ИН до В ОУТ кроз индуктор и диоде за повецање. Овај аспект конвертера може довести до велике и потенцијално штетне струје при напајању када се напајање прикључи на В ИН, и тиме држи В ОУТ дјеломично напајање, са пада диода испод В ИН када се претварач напајања искључи.

Међутим, многи од конвертора буцк-боост Аналог Девицес пружају функцију искључивања излаза која је инхерентна у својој четвероструки прекидачкој архитектури. Стога, при иницијалној примени снаге на В ИН, улазна струја буцк-боост претварача се држи под контролом, постепено рампинг од нуле до тренутног граничног нивоа, док се В ОУТ искључује. Када је искључен, конвертор повишења буке потпуно искључује В ОУТ од В ИН, тако да В ОУТ може безбедно да пуни до нуле.

Хемијске карактеристике литијум-гвожђо-фосфатних батерија омогућују дуже време рада, али се њихови напонски наставци за напајање проширују, уз значајну енергију која је доступна при напонима батерија испод 3 В. Ова карактеристика утиче на сродни систем претварања снаге, чиме су потребни синхрони регулатори за буцк-боост да генеришу излазе од 3 В или више, уобичајени у многим системима укључујући и индустријске.

Неке сигурносне апликације које користе суперцапациторс боље се користе са претварачима буцк-боост који могу да се спусте на веома ниске улазне напоне. На пример, банка кондензатора (суперцапациторс, елецтролитицс, итд.) Се наплаћује на неки напонски ниво. У случају нестанка струје, низводни претварач за буцк-боост може да одржава регулацију излаза јер има користи од омогућавања кориштења све енергије у кондензаторима. Ово може смањити количину капацитета која је потребна у апликацији (смањење капацитета и области плоче).

Међутим, још модернији претварач и даље треба 2.к В улазног напона да ради. Корисници, стога, требају играти неке трикове (повратак, итд.) Ако желе да повуку напајање са улаза који је мањи од 2.к В. Многи ДЦ / ДЦ конвертори то не могу учинити.

Неколико производа који решавају многе од ових проблема укључују претвараче бук-боост Аналог Девицес-а. За улаз који захтијева 40-В могућност, ЛТЦ3115-1 / -2 и ЛТЦ3114-1 су добро прилагођени. За улазни напон до 15 В, на располагању су ЛТЦ3111, ЛТЦ3112 и ЛТЦ3129 са ултразвучним струјом. Ускоро будућни породични производ ЛТЦ311к ће проширити улазни напон на 18 В и подржати 5 А излазне струје у начину буцк-а.

Без обзира на то, у индустрији је дошло до празнине - ДЦ / ДЦ конвертор који је компатибилан са 12-В / 24-В системом, који такође има умерену излазну струју до 600 мА, низак напон након старт-уп-а, и ултра ниске мирне струје.

Кључни разлози за одабир конвертора за буцк-боост
Решење за повећање трошкова које решава горе описане проблеме треба да има следеће атрибуте:

  • Рад преко широког опсега улазног / излазног напона
  • Довољна излазна струјна способност
  • Ултра-лов И К
  • Низак излазни бука / талас
  • Високо ефикасна операција
  • Искључите излаз када радите у режиму повишења
  • Минималне спољне компоненте потребне, једноставне за дизајн
  • Одличне топлинске перформансе

Неколико примера који решавају ове потребе укључују Аналог Девицес 'ЛТЦ3130 и ЛТЦ3130-1. Овај 25-В улазни и излазни монолитни синхрони конвертори буцк-боост могу снабдевати до 600 мА излазне струје у буцк моду и пружити изузетно ниску 1, 2-μА неизмењену струју (видети слику 1 ). Сваки уређај нуди опсег улазног напона од 2, 4 В до 25 В и излазни опсег од 1 В до 25 В (ЛТЦ3130 је подесива, види слику 2 ) и обезбеђује регулисан излаз са улазима изнад, испод или једнак излаз. Једном када се започну, уређаји имају само стандардни улазни напон од 0, 6 В. Операција Бурст-моде која се може изабрати корисник смањује нестационарну струју на само 1, 2 μА, побољшавајући ефикасност светлосног оптерећења и продужавање времена рада батерије.

Слика 1: ЛТЦ3130 типична апликацијска схема и карактеристике.

Слика 2: В ОУТ диференцијална једначина и схема за ЛТЦ3130.

ЛТ3130 такође нуди ЕКСТВ ЦЦ могућности. ЕКСТВ ЦЦ уређаја управља ИЦ ако је> 3 В (опсег: 3 В до 25 В).

Заштићена топологија буцк-бооста ЛТЦ3130 / -1 обезбеђује низак ниво шума, без жмиркања преко свих режима рада, што је погодно за РФ и прецизне аналогне апликације које су осетљиве на буку за напајање. Уређаји укључују и програмабилну максималну контролу снаге (МППЦ), обезбеђујући максималну испоруку енергије из не-идеалних извора напајања као што су фотонапонске ћелије.

ЛТЦ3130-1 поседује све карактеристике ЛТЦ3130, али нуди четири фиксна излазна напона који се могу изабрати корисник - 1.8 В, 3.3 В, 5 В и 12 В - елиминишући одводник резистора који је потребан за подесиву излазну верзију (погледајте Табелу 1 ).

Табела 1: Поставке програма В ОУТ за ЛТЦ3130-1.

ЛТЦ3130 / -1 има довољну маргину напона за руковање системима улазних литијумских батерија од 6 серија и номиналним 12-В системима који подлежу великим шумовима буке, као и могућност напајања 24-В сензора. Гарантована гранична струја од 660 мА индуктивне границе обезбеђује излазну струју јачине режима, нарочито за сензоре од 24 В који морају радити од ниских улазних напона, као што су батерије 3.3 В или 5 В.

ЛТЦ3130 / -1 обухвата четири интерна ниска РДС ОН Н-канална МОСФЕТа да би обезбедила ефикасност до 95%. Стартовање конвертера може се постићи из извора који могу снабдевати чак 7, 5 μВ, чинећи ЛТЦ3130 / 3130-1 добро прилагођеним апликацијама које напајају слаби извори, укључујући соларне ћелије танког филма. Алтернативно, операција Бурст-Моде може бити онемогућена, нудећи континуирано пребацивање ниског нивоа шума. Константна фреквенцијска прелазна фреквенција ЛТЦ3130 / -1 осигурава низак ниво буке и високу ефикасност док минимизира величину екстерних компоненти (погледајте слику 3 ). Уграђена компензација петље и меки старт смањују број спољних делова и поједностављују дизајн.

Слика 3: ЛТЦ3130 / -1 ефикасност је 94% за 14.4 В ИН до 12 В ОУТ на 200 мА.

24-В сензорска апликација
Слика 4 наглашава батеријско напајање напајања 24-В сензора. Снага сензора обезбеђује примарна батерија високе поузданости и дуготрајног литијум-тионил-хлорида. Да би се максимално повећао радни век, сензор се активира само за кратке интервале са дугим временским периодом између активирања, а затим се враћа у стање ниског нула када је неактиван.

Слика 4: 24-В конвертер са батеријским напајањем са ИЛИМом од 200 мА за ограничавање нагињања батерије.

Користи се ЛТЦ3130 ограничена улазна струја од 200 мА (ИЛИМ пин = ГНД) како би се смањиле вршне струје узете из литијум-тионил-хлоридне батерије високе импедансе када је сензор активиран, што додатно продужава вијек трајања батерија. ЛТЦ3130 се искључује спуштањем нуле РУН током дугих периода мировања, цртањем само 1 μА из излаза 24 В.

Сензор се такође искључује из 24-В траке или се искључи како би се смањио излазни кондензатор капацитета 24 В током дугих периода мировања. Са 24-В излазом који се одржава на овај начин, сензор се може брзо укључити, извршити потребно мерење, а затим поново искључити, без потребе да чека електричну шину од 24 В. Током нормалног рада сензора, овај ДЦ / ДЦ конвертор постиже до 83% ефикасности.

Закључак
Јединствени индукциони претварач за претварање буке је изузетно флексибилан и вредан компонента напајања. Флексибилност и карактеристике као што су МППЦ и ЕКСТВ ЦЦ омогућавају низ јединствених сценарија напајања који су погодни за решавање проблема у широком спектру апликација.