Импульсные преобразователи энергии широко используются в электронных устройствах во многих секторах, включая промышленный, коммерческий, коммунальный и потребительский рынки. Для маломощных приложений, основанных на преобразовании постоянного тока в постоянный (DC/DC), большинство современных преобразований энергии выполняется с использованием трех основных типов преобразователей мощности: понижающего, повышающего и понижающе-повышающего.
Понижающе-повышающие преобразователи (Buck-Boost) позволяют повышать или понижать напряжение с помощью одной и той же схемы в зависимости от конкретного применения. Читайте дальше, чтобы узнать больше об основах работы понижающе-повышающих преобразователей и о том, как они работают.
Понижающий преобразователь понижает входное напряжение, тогда как повышающий преобразователь увеличивает входное напряжение. Оба этих преобразователя служат для определенных приложений. Однако в некоторых приложениях требуется как повышение, так и понижение входного напряжения в зависимости от определенных условий или для удовлетворения конкретных сценариев работы. В таких случаях не рекомендуется размещать два преобразователя по отдельности. Таким образом, можно использовать схему понижающе-повышающего преобразователя, поскольку она объединяет элементы понижающего преобразователя и повышающего преобразователя. Принципиальная схема комбинированного преобразователя показана на следующем рисунке.
Понижающий преобразователь обычно стабилизирует входное напряжение от нуля до значения, немного меньшего, чем входное напряжение. Повышающий преобразователь, с другой стороны, переключает схему между режимом, в котором энергия накапливается в катушке индуктивности, в то время как сопутствующий конденсатор разряжается, чтобы удовлетворить требования к выходу, и режимом, в котором катушка индуктивности высвобождает накопленную энергию для перезарядки конденсатора, как поддержание общего энергетического баланса. Обе эти операции возможны в случае обычного повышающе-понижающего преобразователя. Сегодня доступны несколько вариантов базового преобразователя для обеспечения работы на низких частотах и высоких уровнях напряжения. Однако здесь приведен общий для всех них принцип работы.
Проще говоря, повышающе-понижающий преобразователь может обеспечить стабилизированный выход постоянного тока от источника питания с уровнем напряжения, который меньше или выше выходного напряжения. Для некоторых приложений требуется возможность модуляции входного напряжения, включая системы накопления энергии, такие как батареи, входные напряжения которых сильно различаются. Это связано с циклами зарядки и разрядки аккумулятора. Когда аккумулятор полностью заряжен, напряжение на аккумуляторе обычно превышает требуемое выходное напряжение. В таких случаях можно использовать понижающий преобразователь для поддержания постоянного напряжения питания. Точно так же, когда батарея разряжается, уровень напряжения снижается, что приводит к стадии, когда батарею необходимо перезарядить, чтобы ее можно было использовать.
Известно, что повышающе-понижающий преобразователь преобразует положительное постоянное напряжение на входе в отрицательное постоянное напряжение на выходе. Состояние проводимости переключателя диктует работу схемы. Во включенном состоянии ток, протекающий через дроссель, увеличивается линейно. Диод не проводит. Это показано на следующем рисунке.
В закрытом состоянии диод проводит ток, и передача энергии происходит от катушки индуктивности к конденсатору. Это приводит к уменьшению тока катушки, хотя ток через нее не может резко измениться. Это показано на следующем рисунке. Важно отметить, что передача энергии происходит от катушки индуктивности к конденсатору, в результате чего на резисторе возникает напряжение противоположной полярности по сравнению с входным напряжением.
Во время установившейся работы схемы можно определить два режима работы на основе значения тока дросселя. Если данный ток никогда не достигает нуля, это называется непрерывным режимом проводимости. Однако, если ток дросселя достигает нуля, он работает в прерывистом режиме. Соотношение между входным напряжением и выходным напряжением для понижающе-повышающего преобразователя может быть представлено следующим уравнением:
Uвых = -D*Uвх/(1-D), здесь D – коэффициент заполнения.
Коэффициент заполнения определяется как процент времени, в течение которого силовой ключ включен. Другими словами, параллельная комбинация катушки индуктивности и конденсатора образует фильтр нижних частот второго порядка, который сглаживает действие переключения, создавая чистое постоянное напряжение за счет уменьшения пульсаций напряжения.
Итоги
- Для маломощных приложений, основанных на преобразовании постоянного тока в постоянный, большинство современных преобразований энергии выполняется с использованием трех основных типов преобразователей мощности: понижающего, повышающего и понижающе-повышающего.
- Понижающие преобразователи понижают входное напряжение, тогда как повышающие преобразователи повышают входное напряжение.
- Соотношение между входным напряжением и выходным напряжением для понижающе-повышающего преобразователя может быть представлено следующим уравнением: Uвых = -D*Uвх/(1-D).