Simple dissipatives - Topologies de commutation en mode Design Power Supply

Un tutoriel sur la conception de commutation d'alimentation en mode par Jerrold Foutz

Comme expliqué dans l'introduction. une source d'alimentation est un circuit de mémoire tampon qui est placé entre une source et une charge incompatible afin de les rendre compatibles. Dans cette section, nous explorons quelques circuits dissipatives simples qui peuvent être placés entre une batterie de 12 V cc et une charge de 5 Vdc pour les rendre compatibles. Les circuits tampons sont simples en ce que nous allons restreindre les parties à une ou moins de chacun des éléments suivants: résistance variable, la diode de claquage, interrupteur, diode, seul enroulement inducteur et condensateur.

Pour les topologies dissipatives, nous utiliserons la résistance variable et la diode de claquage. Les autres parties seront utilisées dans la section suivante sur topologies de commutation.

Nous nous intéresserons uniquement avec la partie de conversion de puissance du circuit, et non le contrôle. Nous supposons que les circuits sont en boucle ouverte et la tension de sortie est commandée manuellement par la valeur d'une résistance variable ou le cycle de service d'un commutateur.

Bien que simple à partir d'une base de pièces, les circuits que nous allons explorer avec ces pièces ne sont pas nécessairement simples d'un point de vue analytique. Certaines des topologies de commutation contiendra des zéros-demi-plan à droite, un sujet intéressant qui sera discuté plus loin dans ce tutoriel.

Les deux premières topologies discutées ne seront pas topologies de commutation en mode, mais topologies dissipatives. La motivation pour cela est de montrer l'importance de l'efficacité dans la conversion de puissance - la principale alimentations à découpage en mode raison sont utilisés.

Dans tous les exemples qui suivent, nous allons supposer une source 12 Vcc et le but de fournir 5 V CC à une charge maximale de 20 A, ce qui correspond à une puissance de charge maximale de 100 W et une résistance de charge minimale de 0,25 ohms.

En comparant les régulateurs, nous utiliserons l'efficacité comme l'une des figures de mérite. L'efficacité est définie en termes de puissance d'entrée et la puissance de sortie en tant que:

Efficacité = (Pout / Pin)
ou en termes de perte de puissance
= 1 / (1 + (Pv / Pout))
où l'efficacité est une fraction qui peut être exprimé en pourcentage.

régulateurs dissipatives obtenir une régulation par une conversion délibérée de la puissance excessive à la chaleur, à la différence de commutation en mode blocs d'alimentation qui ne reposent pas sur une conversion de la chaleur pour la régulation. alimentations à découpage en mode serait efficace à 100% si les composants étaient idéales. régulateurs dissipatives convertissent la chaleur soit avec une série ou d'un élément de shunt.

Nous commençons notre enquête sur les topologies simples en sélectionnant la résistance variable de notre liste de pièces et de la connexion entre la source d'alimentation et la charge. Ce que nous obtenons est un simple régulateur de série boucle ouverte représentée à la figure 2-1. R1 est souvent un transistor.

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Figure 2-1: Régulateur série

Résolution et la liste des paramètres d'intérêt:

• I = 20 A
• R1 = 0,35 ohms
• Pin = 240 W
• Pout (R2) = 100 W
• R1 = Puissance 140 W
• Efficacité = Pout / Pin = 0,417 => 42%

R1 est modifiée pour obtenir 5 Vdc à Vo résultant dans 20 un courant circulant dans la boucle et la résistance de charge R2. Notez que la sortie de 5 V est obtenue par la chute de tension à travers la résistance R1 en série, d'où le régulateur série de noms. Pour fournir 100 W à la charge, 240 W est requise de la source et 140 W de puissance est gaspillée dans R1 - pas très efficace. Si la puissance de la charge est réduite, est donc la puissance d'entrée et l'efficacité reste la même pour toutes les charges. Étant donné que le courant annule quand explicitées dans l'équation de l'efficacité, l'efficacité de ce circuit simplifie à Vo / Vin. Comme nous le verrons dans la section suivante, ce n'est pas le cas de régulateurs de dérivation.

Notez que la topologie est celle d'un diviseur de tension. La tension et diviseurs de courant sont largement utilisés dans la conception et la modélisation du circuit d'alimentation. Une future section sera consacrée.

A partir de notre liste de pièces, nous ajoutons maintenant une diode de claquage à travers la charge de la figure 2-1 pour obtenir le régulateur shunt montré si la figure 2-2.

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Figure 2-2: Régulateur Shunt

Ceci est une topologie très populaire car il assure la régulation de tension avec seulement deux parties, une valeur fixe R1 et la diode de claquage. Le circuit comporte également inhérente protection de court-circuit aussi longtemps que la puissance de R1 est choisi de manière à pouvoir fonctionner dans un court-circuit. L'inconvénient majeur du circuit est faible efficacité, en particulier au plus léger que la pleine charge. Si la puissance de charge est une petite fraction de la puissance totale du système, cela peut souvent être tolérée. Il convient de noter que la topologie est également la même que celle d'un régulateur de série à l'aide d'une diode de claquage protection de surtension. Comme nous le verrons dans la section sur les topologies de commutation d'alimentation en mode, protection de tension est une considération très importante.

Supposons que les mêmes conditions que la figure 1-1 et que la diode de rupture casse une quantité infinitésimale au-dessus de 5 Vdc il tire aucun courant. Ensuite, l'efficacité du circuit est le même que le 42% du circuit de régulation de la série.

réduire maintenant la charge à une moitié par augmentation de la résistance de charge R2 de 0,25 ohms à 0,5 ohms de sorte que 10 Un écoulement de la charge et de la puissance de charge est de 50 W. La tension augmenterait, mais la diode de claquage limite à 5 V et la l'excès de courant circule dans la diode de claquage. L'efficacité est maintenant 50/240 W => 21% par rapport à 42% pour la série exemple du régulateur. A zéro courant de charge, l'efficacité est de 0%.

Dans la pratique, un certain courant circule toujours dans la diode de panne. Cela conduit à la conclusion qu'une série de régulateur dissipant est toujours plus efficace qu'un régulateur de dissipant shunt, tout le reste étant égales par ailleurs.

Une observation intéressante sur le régulateur shunt est l'efficacité maximale se produit à une tension d'entrée qui est seulement une fonction de la tolérance de tension d'entrée et indépendante de la R1 ou R2. En mettant en place la perte de puissance en fonction des paramètres de circuit et la tension d'entrée de tolérance, en prenant la partie et la mise à zéro, l'équation suivante est obtenue.

Vin = Vo * (1 + SQRT (1-a)) / a
où a = 1-tolérance.
et
R2 = a * (Vin - Vo) / Imax
où Imax est le courant de charge maximum

Pour notre exemple, et une tolérance de tension d'entrée de 20% (a = 1 à 0,2 = 0,8), la tension d'entrée qui donne le maximum d'efficacité et la valeur de R1 est:

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

En sélectionnant la tension d'entrée optimale (au lieu de 12 V) pour une tolérance de 20%, l'efficacité maximale du régulateur shunt a été augmentée de 42% à 55%. Toutefois, on notera que l'efficacité d'un régulateur en série pour la même tension d'entrée inférieure (5 / 9,05 => 55%) est également porté à l'efficacité maximale de 55% du régulateur shunt, comme on pouvait s'y attendre.

Cela se termine notre regard sur les organismes de réglementation dissipatives. Dans nos exemples, les pertes de puissance étaient toujours supérieure à la puissance de charge pour une entrée 12 Vdc et 5 Vcc - un terrible gaspillage de l'énergie.

Quelles sont les implications du système de cette perte de puissance?

Conséquences de la perte de puissance

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