Cependant, le processus conserve toujours la relation P = I x V, ce qui signifie que lorsque la sortie du convertisseur augmente la tension d'entrée, la sortie subit proportionnellement une réduction de courant, ce qui fait que la puissance de sortie est presque toujours égale à l'entrée. puissance ou moins que la puissance d'entrée.
Comment fonctionne un convertisseur Boost
Un convertisseur élévateur est une sorte d'alimentation SMPS ou à découpage qui fonctionne fondamentalement avec deux semi-conducteurs actifs (transistor et diode) et avec au moins un composant passif sous la forme d'un condensateur ou d'une inductance ou les deux pour une plus grande efficacité.L'inducteur est ici essentiellement utilisé pour augmenter la tension et le condensateur est introduit pour filtrer les fluctuations de commutation et pour réduire les ondulations de courant à la sortie du convertisseur.
L'alimentation d'entrée qui peut nécessiter une suralimentation ou une intensification pourrait être acquise à partir de toute source CC appropriée telle que des batteries, des panneaux solaires, des générateurs à moteur, etc.
Principe de fonctionnement
L'inductance d'un convertisseur élévateur joue le rôle important d'augmenter la tension d'entrée.
L'aspect crucial qui devient responsable de l'activation de la tension de suralimentation à partir d'un inducteur est dû à sa propriété inhérente de résister ou de s'opposer à un courant soudainement induit à travers lui, et en raison de sa réponse à cela avec une création de champ magnétique et ensuite la destruction du magnétique. domaine. La destruction conduit à la libération de l'énergie stockée.
Ce processus ci-dessus entraîne le stockage du courant dans l'inducteur et le retour de ce courant stocké à travers la sortie sous la forme de contre-EMF.
Un circuit de commande de transistor de relais peut être considéré comme un excellent exemple de circuit de convertisseur élévateur. La diode de retour connectée aux bornes du relais est introduite pour court-circuiter les champs électromagnétiques inversés de la bobine de relais et pour protéger le transistor chaque fois qu'il s'éteint.
Si cette diode est retirée et qu'un redresseur à condensateur à diode est connecté aux bornes du collecteur / émetteur du transistor, la tension augmentée de la bobine de relais peut être collectée à travers ce condensateur.
Le processus dans une conception de convertisseur élévateur aboutit à une tension de sortie toujours supérieure à la tension d'entrée.
Configuration du convertisseur Boost
En se référant à la figure suivante, nous pouvons voir une configuration de convertisseur de suralimentation standard, le modèle de travail peut être compris comme indiqué sous:Lorsque l'appareil illustré (qui pourrait être n'importe quel BJT de puissance standard ou un mosfet) est allumé, le courant de l'alimentation d'entrée entre dans l'inducteur et circule dans le sens des aiguilles d'une montre à travers le transistor pour terminer le cycle à l'extrémité négative de l'alimentation d'entrée.
Au cours du processus ci-dessus, l'inducteur subit une introduction soudaine de courant à travers lui-même et tente de résister à l'afflux, ce qui entraîne le stockage d'une certaine quantité de courant à l'intérieur grâce à la génération d'un champ magnétique.
Lors de la séquence suivante suivante, lorsque le transistor est désactivé, la conduction du courant se rompt, forçant à nouveau un changement soudain du niveau de courant à travers l'inducteur. L'inductance répond à cela en reculant ou en libérant le courant stocké. Etant donné que le transistor est en position OFF, cette énergie trouve son chemin à travers la diode D et à travers les bornes de sortie représentées sous la forme d'une tension contre-EMF.
L'inducteur effectue cela en détruisant le champ magnétique qui y était précédemment créé alors que le transistor était en mode de commutation ON.
Cependant, le processus ci-dessus de libération d'énergie est mis en œuvre avec une polarité opposée, de sorte que la tension d'alimentation d'entrée devient maintenant en série avec la tension de force contre-électromotrice de l'inductance. Et comme nous le savons tous, lorsque les sources d'alimentation se rejoignent en série, leur tension nette s'additionne pour produire un résultat combiné plus important.
La même chose se produit dans un convertisseur élévateur pendant le mode de décharge de l'inductance, produisant une sortie qui peut être le résultat combiné de la tension de retour EMF de l'inductance et de la tension d'alimentation existante, comme indiqué dans le diagramme ci-dessus.
Cette tension combinée se traduit par une sortie augmentée ou une sortie augmentée qui trouve son chemin à travers la diode D et le condensateur C pour atteindre finalement la charge connectée.
Le condensateur C joue ici un rôle assez important, pendant le mode de décharge de l'inductance, le condensateur C y stocke l'énergie combinée libérée, et pendant la phase suivante lorsque le transistor s'éteint à nouveau et l'inductance est en mode de stockage, le condensateur C essaie maintenir l'équilibre en fournissant sa propre énergie stockée à la charge. Voir la figure ci-dessous.
Cela garantit une tension relativement stable pour la charge connectée qui est capable d'acquérir de l'énergie pendant les périodes à la fois ON et OFF du transistor.
Si C n'est pas inclus, cette fonction est annulée, ce qui entraîne une puissance inférieure pour la charge et un taux d'efficacité inférieur.
Le processus expliqué ci-dessus se poursuit lorsque le transistor est activé / désactivé à une fréquence donnée, ce qui maintient l'effet de conversion d'amplification.
Modes de fonctionnement
Un convertisseur élévateur peut fonctionner principalement dans deux modes: le mode continu et le mode discontinu.En mode continu, le courant de l'inducteur n'est jamais autorisé à atteindre zéro pendant son processus de décharge (lorsque le transistor est éteint).
Cela se produit lorsque le temps ON / OFF du transistor est dimensionné de telle sorte que l'inductance est toujours connectée rapidement avec l'alimentation d'entrée via le transistor ON, avant de pouvoir se décharger complètement à travers la charge et le condensateur C.
Cela permet à l'inducteur de produire de manière cohérente la tension de suralimentation à un taux efficace.
Dans le mode discontinu, le moment d'activation du transistor peut être si éloigné que l'inducteur peut être autorisé à se décharger complètement et à rester inactif entre les périodes de mise en marche du transistor, créant d'énormes tensions d'ondulation à travers la charge et le condensateur C.
Cela pourrait rendre la sortie moins efficace et avec plus de fluctuations.
La meilleure approche consiste à calculer le temps ON / OFF du transistor qui produit une tension stable maximale à travers la sortie, ce qui signifie que nous devons nous assurer que l'inducteur est commuté de manière optimale de sorte qu'il ne soit pas allumé trop rapidement, ce qui pourrait ne pas lui permettre de se décharger. de manière optimale, et ni l'allumer très tard, ce qui pourrait le vider d'un point inefficace.
Calcul, inductance, courant, tension et cycle de service dans un convertisseur Boost
Ici, nous ne discuterons que du mode continu qui est le moyen préférable de faire fonctionner un convertisseur boost, évaluons les calculs impliqués avec un convertisseur boost en mode continu:Pendant que le transistor est en phase ON, la tension de la source d'entrée (
) est appliqué à travers l'inducteur, induisant un courant ( 
) s'accumulent à travers l'inducteur pendant une période de temps, notée (t). Cela peut être exprimé par la formule suivante: ΔIL / Δt = Vt / L
Au moment où l'état ON du transistor est sur le point de se remettre et que le transistor est sur le point de s'éteindre, le courant censé s'accumuler dans l'inducteur peut être donné par la formule suivante:
ΔIL (activé) = 1 / L 0ʃDT
ou
Largeur = DT (Vi) / L
Où D est le cycle de service. Pour comprendre sa définition, vous pouvez vous référer à notre précédent b poste lié au convertisseur uck
L désigne la valeur d'inductance de l'inductance en Henry.
Maintenant, pendant que le transistor est à l'état OFF, et si nous supposons que la diode offre une chute de tension minimale à travers lui et le condensateur C suffisamment grand pour pouvoir produire une tension de sortie presque constante, alors le courant de sortie (
) peut être déduit à l'aide de l'expression suivante Vi - Vo = LdI / dt
Aussi, les variations actuelles (
) qui peuvent se produire aux bornes de l'inductance pendant sa période de décharge (transistor bloqué) peut être donnée comme suit: ΔIL (désactivé) = 1 / L x DTʃT (Vi - Vo) dt / L = (Vi - Vo) (1 - D) T / L
En supposant que le convertisseur puisse fonctionner dans des conditions relativement stables, l'amplitude du courant ou l'énergie stockée à l'intérieur de l'inducteur tout au long du cycle de commutation (commutation) peut être supposée stable ou à une vitesse identique, cela peut être exprimé comme suit:
E = ½ L x 2IL
Ce qui précède implique également que, puisque le courant pendant toute la période de commutation, ou au début de l'état ON et à la fin de l'état OFF doit être identique, leur valeur résultante du changement du niveau de courant doit être un zéro, comme exprimé ci-dessous:
ΔIL (activé) + ΔIL (désactivé) = 0
Si nous substituons les valeurs de ΔIL (on) et ΔIL (off) dans la formule ci-dessus à partir des dérivations précédentes, nous obtenons:
IL (activé) - ΔIL (désactivé) = Vidt / L + (Vi - Vo) (1 - D) T / L = 0
Une simplification supplémentaire donne le résultat suivant: Vo / Vi = 1 / (1 - D)
ou
Vo = Vi / (1 - D)
L'expression ci-dessus identifie clairement que la tension de sortie dans un convertisseur élévateur sera toujours supérieure à la tension d'alimentation d'entrée (sur toute la plage du cycle de service, 0 à 1)
En mélangeant les termes sur les côtés dans l'équation ci-dessus, nous obtenons l'équation pour déterminer le cycle de service dans un cycle de travail de convertisseur élévateur.
D = 1 - Vo / Vi
Les évaluations ci-dessus nous donnent les différentes formules pour déterminer les différents paramètres impliqués dans les opérations de convertisseur élévateur, qui peuvent être utilisées efficacement pour calculer et optimiser une conception précise de convertisseur élévateur.
Calculer l'étage de puissance du convertisseur Boost
Les 4 directives suivantes sont nécessaires pour calculer l'étage de puissance du convertisseur Boost:
1. Plage de tension d'entrée: Vin (min) et Vin (max)
2. Tension de sortie minimale: Vout
3. Courant de sortie le plus élevé: Iout (max)
4. Circuit IC utilisé pour construire le convertisseur élévateur.
Ceci est souvent obligatoire, simplement parce que certains plans pour les calculs doivent être pris qui peuvent ne pas être mentionnés sur la fiche technique.
Dans le cas où ces limitations sont familières, l'approximation de l'étage de puissance normalement
se déroule.
Évaluation du courant de commutation le plus élevé
La première étape pour déterminer le courant de commutation serait de déterminer le cycle de service, D, pour la tension d'entrée minimale. Une tension d'entrée minimale est utilisée principalement parce que cela se traduit par le courant de commutation le plus élevé.
D = 1 - {Vin(min) x n} / Vout---------- (1)
Vin (min) = tension d'entrée minimale
Vout = tension de sortie requise
n = efficacité du convertisseur, par ex. la valeur anticipée peut être de 80%
L'efficacité est mise dans le calcul du cycle de service, simplement parce que le convertisseur doit également présenter la dissipation de puissance. Cette estimation offre un cycle de service plus sensible par rapport à la formule sans le facteur d'efficacité.
Nous devons éventuellement autoriser une tolérance estimée à 80% (ce qui pourrait être impossible pour un boost
le pire des cas du convertisseur), doit être pris en compte ou éventuellement se référer à la partie Caractéristiques conventionnelles de la fiche technique du convertisseur sélectionné
Calcul du courant d'ondulation
L'action subséquente pour calculer le courant de commutation le plus élevé serait de déterminer le courant d'ondulation de l'inductance.
Dans la fiche technique du convertisseur, il est généralement fait référence à un inducteur spécifique ou à une variété d'inductances pour travailler avec le CI. Par conséquent, nous devons soit utiliser la valeur d'inductance suggérée pour calculer le courant d'ondulation, si rien n'est présenté dans la fiche technique, celle estimée dans la liste des inducteurs.
S élection de cette note d'application pour calculer l'étage de puissance du convertisseur Boost.
Delta I (l) = {Vin (min) x D} / f (s) x L ---------- (2)
Vin (min) = plus petite tension d'entrée
D = cycle de service mesuré dans l'équation 1
f (s) = plus petite fréquence de découpage du convertisseur
L = valeur d'inductance préférée
Par la suite, il doit être établi si le CI préféré peut être en mesure de fournir la sortie optimale.
actuel.
Iout (max) = [I lim (min) - Delta I (l) / 2] x (1 - D) ---------- (3)
I lim (min) = valeur minimale du
restriction actuelle du commutateur concerné (mis en évidence dans les données
feuille)
Delta I (l) = courant d'ondulation de l'inducteur mesuré dans l'équation précédente
D = rapport cyclique calculé dans la première équation
Dans le cas où la valeur estimée du courant de sortie optimal du circuit intégré choisi, Iout (max), est inférieure au courant de sortie le plus élevé attendu par le système, un circuit intégré alternatif avec une commande de courant de commutation légèrement plus élevée doit vraiment être utilisé.
À condition que la valeur mesurée pour Iout (max) soit probablement une teinte inférieure à celle attendue, vous pouvez éventuellement appliquer le circuit intégré recruté avec un inductance avec une inductance plus grande chaque fois qu'il est toujours dans la série prescrite. Une inductance plus grande diminue le courant d'ondulation et améliore donc le courant de sortie maximal avec le circuit intégré spécifique.
Si la valeur établie est supérieure au meilleur courant de sortie du programme, le plus grand courant de commutation dans l'équipement est déterminé:
Isw (max) = Delta I (L) / 2 + Iout (max) / (1 - D) --------- (4)
Delta I (L) = courant d'ondulation de l'inductance mesuré dans la deuxième équation
Iout (max), = courant de sortie optimal essentiel dans le secteur
D = rapport cyclique tel que mesuré précédemment
C'est en fait le courant optimal, l'inductance, le (s) commutateur (s) inclus en plus de la diode externe est nécessaire pour se tenir debout.
Sélection d'inducteur
Parfois, les fiches techniques fournissent de nombreuses valeurs d'inductance recommandées. Si tel est le cas, vous voudrez préférer un inducteur avec cette gamme. Plus la valeur de l'inductance est élevée, plus le courant de sortie maximal augmente, principalement en raison de la diminution du courant d'ondulation.
La réduction de la valeur de l'inducteur, la réduction est la taille de la solution. Sachez que l'inductance doit invariablement inclure un meilleur courant nominal par opposition au courant maximal spécifié dans l'équation 4 en raison du fait que le courant s'accélère avec l'abaissement de l'inductance.
Pour les éléments dans lesquels aucune plage d'inductance n'est distribuée, l'image suivante est un calcul fiable pour l'inductance appropriée
L = Vin x ( Vout - Vin) / Delta I(L) x f(s) x Vout --------- (5)
Vin = tension d'entrée standard
Vout = tension de sortie préférée
f (s) = fréquence de découpage minimale du convertisseur
Delta I (L) = courant d'ondulation de l'inductance projeté, observer ci-dessous:
Le courant d'ondulation de l'inducteur ne peut tout simplement pas être mesuré avec la première équation, simplement parce que l'inducteur n'est pas reconnu. Une approximation sonore pour le courant d'ondulation de l'inductance est compris entre 20% et 40% du courant de sortie.
Delta I (L) = (0,2 à 0,4) x Iout (max) x Vout / Vin ---------- (6)
Delta I (L) = courant d'ondulation de l'inductance projeté
Iout (max) = sortie optimale
courant requis pour l'application
Détermination de la diode de redressement
Pour réduire les pertes, les diodes Schottky doivent vraiment être considérées comme un bon choix.
Le courant nominal direct jugé nécessaire est égal au courant de sortie maximal:
I (f) = Iout (max) ---------- (7)
I (f) = typique
courant direct de la diode de redressement
Iout (max) = courant de sortie optimal important dans le programme
Les diodes Schottky incluent un courant de crête considérablement plus élevé que le courant nominal normal. C'est pourquoi l'augmentation du courant de pointe dans le programme n'est pas une grande préoccupation.
Le deuxième paramètre à surveiller est la dissipation de puissance de la diode. Il consiste à manipuler:
P (d) = I (f) x V (f) ---------- (8)
I (f) = courant direct moyen de la diode de redressement
V (f) = tension directe de la diode de redressement
Réglage de la tension de sortie
La plupart des convertisseurs allouent la tension de sortie avec un réseau de diviseur résistif (qui pourrait être intégrédevraient-ils être des convertisseurs de tension de sortie fixes).
Avec la tension de retour attribuée, V (fb), et le courant de polarisation de retour, I (fb), le diviseur de tension a tendance à être
calculé.
Le courant à l'aide du diviseur résistif pourrait peut-être être environ cent fois plus massif que le courant de polarisation de rétroaction:
I (r1 / 2)> ou = 100 x I (fb) ---------- (9)
I (r1 / 2) = courant au cours du diviseur résistif à GND
I (fb) = courant de polarisation de rétroaction de la fiche technique
Cela augmente en dessous de 1% d'inexactitude de l'évaluation de la tension. Le courant est en outre considérablement plus important.
Le principal problème avec des valeurs de résistance plus petites est une perte de puissance accrue dans le diviseur résistif, sauf que la pertinence peut être quelque peu élevée.
Avec la conviction ci-dessus, les résistances sont élaborées comme indiqué ci-dessous:
R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (10)
R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (11)
R1, R2 = diviseur résistif.
V (fb) = tension de retour de la fiche technique
I (r1 / 2) = courant dû au diviseur résistif à GND, établi dans l'équation 9
Vout = tension de sortie prévue
Sélection du condensateur d'entrée
La plus petite valeur du condensateur d'entrée est généralement indiquée dans la fiche technique. Cette valeur minimale est vitale pour stabiliser la tension d'entrée en raison de la condition de courant de crête d'une alimentation à découpage.
La méthode la plus appropriée consiste à utiliser des condensateurs céramiques à résistance en série équivalente réduite (ESR).
L'élément diélectrique doit être X5R ou supérieur. Sinon, le condensateur pourrait perdre la majeure partie de sa capacité en raison de la polarisation CC ou de la température (voir les références 7 et 8).
La valeur pourrait en fait être augmentée si la tension d'entrée est peut-être bruyante.
Sélection du condensateur de sortie
La meilleure méthode consiste à localiser de petits condensateurs ESR pour réduire l'ondulation sur la tension de sortie. Les condensateurs céramiques sont les bons types lorsque l'élément diélectrique est de type X5R ou plus efficaceDans le cas où le convertisseur supporterait une compensation externe, tout type de valeur de condensateur au-dessus de la plus petite valeur préconisée dans la fiche technique peut être appliqué, mais d'une manière ou d'une autre, la compensation doit être modifiée pour la capacité de sortie sélectionnée.
Avec les convertisseurs à compensation interne, les valeurs d'inductance et de condensateur recommandées doivent être habituées, ou les informations de la fiche technique pour adapter les condensateurs de sortie peuvent être adoptées avec le rapport L x C.
Avec la compensation secondaire, les équations suivantes peuvent être utiles pour réguler les valeurs du condensateur de sortie pour une ondulation de tension de sortie prévue:
Cout (min) = Iout (max) x D / f (s) x Delta Vout ---------- (12)
Cout (min) = plus petite capacité de sortie
Iout (max) = courant de sortie optimal de l'utilisation
D = cycle de service calculé avec l'équation 1
f (s) = plus petite fréquence de découpage du convertisseur
Delta Vout = ondulation de tension de sortie idéale
L'ESR du condensateur de sortie augmente d'un tiret plus d'ondulation, pré-assigné avec l'équation:
Delta Vout (ESR) = ESR x [Iout (max) / 1 -D + Delta I (l) / 2] ---------- (13)
Delta Vout (ESR) = ondulation de tension de sortie alternative résultant des condensateurs ESR
ESR = résistance série équivalente du condensateur de sortie utilisé
Iout (max) = plus grand courant de sortie de l'utilisation
D = cycle de service compris dans la première équation
Delta I (l) = courant d'ondulation de l'inductance de l'équation 2 ou de l'équation 6
Equations pour évaluer l'étage de puissance d'un convertisseur Boost
Cycle de service maximal: D = 1 - Vin(min) x n / Vout ---------- (14)
Vin (min) = plus petite tension d'entrée
Vout = tension de sortie attendue
n = efficacité du convertisseur, par ex. estimé 85%
Courant d'ondulation d'inducteur:
Delta I (l) = Vin (min) x D / f (s) x L ---------- (15)
Vin (min) = plus petite tension d'entrée
D = cycle de service établi dans l'équation 14
f (s) = fréquence de découpage nominale du convertisseur
L = valeur d'inductance spécifiée
Courant de sortie maximal du CI désigné:
Iout (max) = [Ilim (min) - Delta I (l)] x (1 - D) ---------- (16)Ilim (min) = plus petite valeur de la limite de courant de la sorcière intégrale (offerte dans la fiche technique)
Delta I (l) = courant d'ondulation de l'inductance établi dans l'équation 15
D = cycle de service estimé dans l'équation 14
Courant de commutation maximal spécifique à l'application:
Isw (max) = Delta I (l) / 2 + Iout (max) / (1 - D) ---------- (17)Delta I (l) = courant d'ondulation de l'inductance estimé dans l'équation 15
Iout (max), = courant de sortie le plus élevé possible requis dans l'utilitaire
D = cycle de service compris dans l'équation 14
Approximation d'inducteur:
L = Vin x ( Vout - Vin) / Delta I(l) x f(s) x Vout ---------- (18)Vin = tension d'entrée commune
Vout = tension de sortie prévue
f (s) = plus petite fréquence de découpage du convertisseur
Delta I (l) = courant d'ondulation de l'inductance projeté, voir l'équation 19
Évaluation du courant d'ondulation de l'inducteur:
Delta I (l) = (0,2 à 0,4) x Iout (max) x Vout / Vin ---------- (19)Delta I (l) = courant d'ondulation de l'inductance projeté
Iout (max) = courant de sortie le plus élevé important dans l'utilisation
Courant direct typique de la diode de redressement:
I (f) = Iout (max) ---------- (20)
Iout (max) = courant de sortie optimal approprié dans l'utilitaire
Dissipation de puissance dans la diode de redressement:
P (d) = I (f)
x V (f) ---------- (21)
I (f) = courant direct typique de la diode de redressement
V (f) = tension directe de la diode de redressement
Courant en utilisant un réseau diviseur résistif pour le positionnement de la tension de sortie:
I (r1 / 2)> ou = 100 x I (fb) ---------- (22)I (fb) = courant de polarisation de rétroaction de la fiche technique
Valeur de la résistance entre la broche FB et GND:
R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (23)
Valeur de la résistance entre la broche FB et Vout:
R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (24)
V (fb) = tension de retour de la fiche technique
I (r1 / 2) = courant
en raison du diviseur résistif à GND, compris dans l'équation 22
Vout = tension de sortie recherchée
Plus petite capacité de sortie, sinon pré-assignée dans la fiche technique:
Cout (min) = Iout (max) x D / f (s) x Delta I (l) ---------- (25)
Iout (max) = courant de sortie le plus élevé possible du programme
D = cycle de service compris dans l'équation 14
f (s) = plus petite fréquence de découpage du convertisseur
Delta Vout = ondulation de tension de sortie attendue
Ondulation de tension de sortie excessive due à l'ESR:
Delta Vout (esr) = ESR x [Iout (max) / (1 - D) + Delta I (l) / 2 ---------- (26)
ESR = résistance série parallèle du condensateur de sortie utilisé
Iout (max) = courant de sortie optimal de l'utilisation
D = cycle de service déterminé dans l'équation 14
Delta I (l) = courant d'ondulation de l'inductance de l'équation 15 ou de l'équation 19
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