Comment fonctionnent les circuits Buck-Boost

Nous avons tous beaucoup entendu parler des circuits buck et boost et savons que ces circuits sont essentiellement utilisés dans les conceptions SMPS pour augmenter ou réduire une tension donnée à l'entrée. La chose intéressante à propos de cette technologie est qu'elle permet les fonctions ci-dessus avec une génération de chaleur négligeable qui se traduit par des conversions extrêmement efficaces.

Qu'est-ce que Buck-Boost, comment ça marche

Apprenons le concept dans la première section sans impliquer beaucoup de détails techniques afin qu'il devienne plus facile de comprendre ce qu'est exactement le concept Buck Boost, même pour un débutant.

Parmi les trois topologies fondamentales nommées buck, boost et buck-boost, la troisième est plus populaire car elle permet aux deux fonctions (buck boost) d'être utilisées via une seule configuration en modifiant simplement les impulsions d'entrée.

Dans la topologie buck-boost, nous avons principalement un composant de commutation électronique qui peut se présenter sous la forme d'un transistor ou d'un mosfet. Ce composant est commuté via un signal pulsé provenant d'un circuit oscillateur intégré.

Outre le composant de commutation ci-dessus, le circuit a une inductance, une diode et un condensateur comme ingrédients principaux.

Toutes ces pièces sont disposées sous la forme qui peut être observée dans le schéma suivant:

En se référant au diagramme de suralimentation abaisseur ci-dessus, le mosfet est la partie qui reçoit les impulsions qui l'obligent à fonctionner dans deux conditions: état ON et état OFF.

Pendant l'état ON, le courant d'entrée obtient un chemin clair à travers le mosfet et essaie instantanément de se frayer un chemin à travers l'inductance puisque la diode est positionnée dans l'état polarisé inversé.

L'inducteur en raison de sa propriété inhérente essaie de restreindre l'infliction soudaine de courant et dans une réponse de compensation stocke une certaine quantité de courant en lui.

Désormais, dès que le mosfet est éteint, il passe à l'état OFF bloquant tout passage du courant d'entrée.

Encore une fois, l'inducteur est incapable de faire face à ce changement soudain de courant d'une amplitude donnée à zéro, et dans une réponse pour compenser cela, il renvoie son courant stocké via la diode à la sortie du circuit.

Dans le processus, le courant est également stocké dans le condensateur.

Au cours de l'état ON suivant du mosfet, le cycle est répété comme ci-dessus, mais sans courant disponible de l'inducteur, le condensateur décharge l'énergie stockée dans la sortie, ce qui aide à maintenir la sortie stable au degré optimisé.

Vous vous demandez peut-être quel facteur détermine les résultats BUCK ou BOOST à ​​la sortie? C'est assez simple, cela dépend de la durée pendant laquelle le mosfet est autorisé à rester à l'état ON ou à l'état OFF.

Avec une augmentation du temps d'activation des mosfets, le circuit commence à se transformer en un convertisseur Boost, tandis que le temps d'arrêt des mosfets dépassant son temps d'activation entraîne le comportement du circuit comme un convertisseur Buck.

Ainsi, l'entrée dans le mosfet peut être effectuée via un circuit PWM optimisé pour obtenir les transitions requises sur le même circuit.

Exploration plus technique de la topologie Buck / Boost dans les circuits SMPS:

Comme indiqué dans la section ci-dessus, les trois topologies fondamentales couramment utilisées avec les alimentations à découpage sont le buck, le boost et le buck boosts.

Celles-ci sont essentiellement non isolées dans lesquelles l'étage de puissance d'entrée partage une base commune avec la section de puissance de sortie. Bien sûr, nous pourrions également trouver des versions isolées bien que plutôt rares.

Les trois topologies exprimées ci-dessus peuvent être distinguées uniquement en fonction de leurs propriétés exclusives.Les propriétés peuvent être identifiées comme les rapports de conversion de tension en régime permanent, la nature des courants d'entrée et de sortie et le caractère de l'ondulation de la tension de sortie.

De plus, la réponse en fréquence du rapport cyclique à l'exécution de la tension de sortie peut être considérée comme l'une des propriétés importantes.

Parmi les trois topologies mentionnées ci-dessus, la topologie buck-boost est la plus préférée car elle permet à la sortie de fonctionner à des tensions inférieures à la tension d'entrée (mode buck) et également de produire des tensions supérieures à la tension d'entrée (mode boost).

Cependant, la tension de sortie peut être acquise toujours avec la polarité opposée à l'entrée, ce qui ne crée aucun problème.

Le courant d'entrée appliqué à un convertisseur élévateur abaisseur est sous la forme d'un courant pulsé dû à la commutation du commutateur d'alimentation associé (Q1).

Ici, le courant passe de zéro à l pendant chaque cycle d'impulsion.Il en va de même pour la sortie également et nous obtenons un courant pulsé à cause de la diode associée qui ne conduit que dans un sens, provoquant une situation de pulsation ON et OFF pendant le cycle de commutation .

Le condensateur est chargé de fournir le courant de compensation lorsque la diode est à l'état éteint ou polarisé en inverse pendant les cycles de commutation.

Cet article explique la fonctionnalité d'état stable du convertisseur buck-boost en mode continu et en mode discontinu avec des exemples de formes d'onde présentées.

La fonctionnalité d'échange de tension rapport cyclique-tension de sortie est présentée après une introduction de la conception du commutateur PWM.

La figure 1 est un schéma simpliste de l'étage de puissance buck-boost avec un bloc de circuit de commande ajouté. L'interrupteur d'alimentation, Q1, est un MOSFET à canal n. La diode de sortie est CR1.

L'inductance, L, et le condensateur, C, constituent le filtrage de sortie efficace. Le condensateur ESR, RC (résistance série équivalente) et la résistance CC de l'inducteur, RL, sont tous analysés dans le. La résistance, R, correspond à la charge identifiée par la sortie de l'étage de puissance.

Au cours de la fonctionnalité normale de l'étage de puissance buck-boost, Q1 est constamment activé et désactivé avec les temps de marche et d'arrêt régis par le circuit de commande.

Ce comportement de commutation permet une chaîne d'impulsions à la jonction de Q1, CR1 et L.

Même si l'inductance, L, est liée au condensateur de sortie, C, si seul CR1 conduit, un filtre de sortie L / C réussi est établi. Il nettoie la succession d'impulsions pour aboutir à une tension de sortie CC.

Analyse en régime permanent de l'étape Buck-Boost

Un étage de puissance peut fonctionner avec un réglage de courant d'inductance continu ou discontinu. Le mode de courant continu de l'inducteur est identifié par le courant continu dans l'inducteur pendant la séquence de commutation en régime permanent.

Le mode de courant d'inductance discontinu est identifié par le courant d'inductance restant à zéro pendant une section du cycle de commutation. Il commence à zéro, s'étend jusqu'à une valeur maximale et revient à zéro au cours de chaque modèle de commutation.

Les deux méthodes distinctes sont mentionnées plus en détail par la suite et des suggestions de modèles pour la valeur de l'inducteur pour maintenir un mode de fonctionnalité sélectionné en fonction de la capacité de charge nominale sont présentées. Il est plutôt avantageux qu'un convertisseur soit dans un format unique uniquement sur ses circonstances de fonctionnement prédites puisque la réponse en fréquence de l'étage de puissance varie sensiblement entre les deux techniques de fonctionnement distinctes.

Avec cette évaluation, un MOSFET de puissance à canal n est utilisé et une tension positive, VGS (ON), est fournie de la porte aux bornes source de Q1 par le circuit de commande pour activer le FET. L'avantage d'utiliser un FET à canal n est son RDS inférieur (activé), mais le circuit de commande est délicat car un entraînement suspendu devient nécessaire. Pour les dimensions de boîtier identiques, un FET à canal p possède un RDS (on) plus élevé, mais ne nécessite généralement pas de circuit de commande flottant.

Le transistor Q1 et la diode CR1 sont illustrés à l'intérieur d'un contour en pointillés avec des bornes repérées a, p et c. Il est discuté en détail dans la partie Modélisation de l'étage de puissance Buck-Boost.

Analyse du mode de conduction continue en régime permanent Buck-Boost

Ce qui suit est une description du Buck Boost fonctionnant dans le fonctionnement en régime permanent dans la méthode de conduction continue. L'objectif principal de ce segment serait de présenter une dérivation de la relation de transformation de tension pour l'étage de puissance abaisseur-élévateur en mode de conduction continue.

Cela sera important car il indique la façon dont la tension de sortie est déterminée par le cycle de service et la tension d'entrée ou, au contraire, comment le cycle de service pourrait être déterminé en fonction de la tension d'entrée et de la tension de sortie.

L'état permanent signifie que la tension d'entrée, la tension de sortie, le courant de charge de sortie et le rapport cyclique sont constants au lieu de varier. Des lettres majuscules sont généralement fournies aux étiquettes des variables pour suggérer une grandeur à l'état d'équilibre. En mode de conduction continue, le convertisseur abaisseur-élévateur prend quelques états par cycle de commutation.

L'état ON est à chaque fois que Q1 est ON et CR1 est OFF. L'état OFF est à chaque fois que Q1 est OFF et CR1 est ON. Un circuit linéaire simple pourrait symboliser chacun des deux états dans lesquels les commutateurs du circuit sont remplacés par leur circuit d'adaptation au cours de chaque état. Le schéma de circuit pour chacune des deux conditions est présenté à la figure 2.

La période de la condition ON est D × TS = TON dans laquelle D est le rapport cyclique, fixé par le circuit de commande, représenté sous la forme d'un rapport de la période de commutation ON sur la période d'une seule séquence de commutation complète, Ts.

La longueur de l'état OFF est appelée TOFF. Comme on ne peut trouver que quelques conditions par cycle de commutation pour le mode de conduction continue, TOFF est égal à (1 − D) × TS. La grandeur (1 − D) est parfois appelée D ’. Ces périodes sont présentées avec les formes d'onde de la figure 3.

En regardant la figure 2, au cours de l'état ON, Q1 offre une résistance réduite, RDS (on), de son drain à la source et manifeste une chute de tension plus petite de VDS = IL × RDS (on).

De plus, il y a une petite chute de tension à travers la résistance continue de l'inductance égale à IL × RL.

Ainsi, la tension d'entrée, VI, moins les déficits, (VDS + IL x RL), est appliquée à travers l'inductance, L. CR1 est OFF dans cette période car elle serait polarisée en inverse.

Le courant d'inductance, IL, passe de l'alimentation d'entrée, VI, par l'intermédiaire de Q1 et à la masse. Au cours de l'état ON, la tension appliquée aux bornes de l'inductance est constante et identique à VI - VDS - IL × RL.

Suivant la norme de polarité pour le courant IL présentée dans la figure 2, le courant d'inductance augmente en raison de la tension exécutée. De plus, du fait que la tension appliquée est fondamentalement cohérente, le courant d'inductance augmente linéairement. Cette augmentation du courant d'inductance au cours de TON est illustrée sur la figure 3.

Le niveau auquel le courant de l'inducteur augmente est généralement déterminé en utilisant une forme de la formule bien connue:

La montée du courant de l'inductance au cours de l'état ON est présentée comme:

Cette grandeur, ΔIL (+), est appelée le courant d'ondulation de l'inducteur. En outre, observez que pendant cet intervalle, chaque bit du courant de charge de sortie entre par le condensateur de sortie, C.

En référence à la figure 2, alors que Q1 est OFF, il offre une impédance accrue de son drain à sa source.

Par conséquent, comme le courant circulant dans l'inducteur L ne peut pas s'ajuster instantanément, le courant passe de Q1 à CR1. En raison de la réduction du courant d'inductance, la tension aux bornes de l'inductance inverse la polarité jusqu'à ce que le redresseur CR1 se transforme en polarisation directe et bascule sur ON.

La tension connectée aux bornes de L se transforme en (VO - Vd - IL × RL) dans lequel l'amplitude, Vd, est la chute de tension directe de CR1. Le courant d'inductance, IL, à ce point passe du condensateur de sortie et de l'agencement de résistance de charge via CR1 et à la ligne négative.

Observez que l'alignement de CR1 et le trajet de circulation du courant dans l'inductance signifie que le courant circulant dans le condensateur de sortie et le groupement de résistances de charge conduit à VO pour être une tension négative. Au cours de l'état OFF, la tension connectée aux bornes de l'inductance est stable et identique à (VO - Vd - IL × RL).

En conservant notre convention de polarité similaire, cette tension connectée est négative (ou inversée en polarité par rapport à la tension connectée au cours du temps ON), en raison du fait que la tension de sortie VO est négative.

Par conséquent, le courant de l'inducteur diminue tout au long du temps d'arrêt. De plus, comme la tension connectée est fondamentalement constante, le courant de l'inducteur diminue linéairement. Cette réduction du courant d'inductance au cours de TOFF est présentée dans la figure 3.

La réduction du courant de l'inducteur par la situation OFF est fournie par:

Cette grandeur, ΔIL (-), peut être appelée le courant d'ondulation de l'inducteur. Dans des situations d'état stable, la montée de courant, ΔIL (+), au cours du temps ON et la réduction de courant pendant le temps OFF, ΔIL (-), doit être identique.

Ou bien, le courant de l'inducteur pourrait offrir une augmentation ou une réduction globale d'un cycle à l'autre qui ne serait pas une situation de condition stable.

Ainsi, ces deux équations peuvent être assimilées et élaborées pour que VO acquière l'affiliation de commutation de tension buck-boost sous forme de conduction continue:

Détermination de VO:

De plus, en remplaçant TS par TON + TOFF et en utilisant D = TON / TS et (1 − D) = TOFF / TS, l'équation en régime permanent pour VO est:

Observez qu'en simplifiant ce qui précède, TON + TOFF est censé être similaire à TS. Cela ne peut être vrai que pour le mode de conduction continue comme nous allons le découvrir dans l'évaluation du mode de conduction discontinue. Un examen essentiel doit être effectué à ce stade:

Fixer les deux valeurs de ΔIL à égalité est exactement égal à niveler les volt-secondes sur l'inducteur. Les volt-secondes employés sur l'inducteur sont le produit de la tension employée et de la période pendant laquelle la tension est appliquée.

Cela peut être le moyen le plus efficace d'estimer des amplitudes non identifiées, par exemple VO ou D en ce qui concerne les paramètres de circuit communs, et cette approche sera fréquemment utilisée dans cet article. La stabilisation de la volt seconde sur l'inducteur est une exigence naturelle et devrait être perçue au moins en plus comme la loi d'Ohm.

Dans les équations ci-dessus pour ΔIL (+) et ΔIL (-), la tension de sortie était implicitement supposée être cohérente sans aucune tension d'ondulation alternative pendant toute la durée de marche et la période d'arrêt.

Il s'agit d'une simplification acceptée et implique quelques résultats individuels. Premièrement, on pense que le condensateur de sortie est suffisamment important pour que sa conversion de tension soit minimale.

Deuxièmement, la tension du condensateur ESR est en outre jugée minimale. De telles hypothèses sont légitimes car la tension d'ondulation CA sera certainement nettement inférieure à la partie CC de la tension de sortie.

La modification de tension ci-dessus pour VO démontre le fait que VO pourrait être modifié en réglant avec précision le cycle de service, D.

Cette connexion se rapproche de zéro lorsque D arrive près de zéro et augmente sans destination lorsque D s'approche de 1. Une simplification typique considère que VDS, Vd et RL sont suffisamment petits pour être négligés. En établissant VDS, Vd et RL à zéro, la formule ci-dessus se simplifie sensiblement à:

Une méthode qualitative moins compliquée pour visualiser le fonctionnement du circuit consisterait à envisager l'inductance comme une partie de stockage d'énergie. Chaque fois que Q1 est activé, de l'énergie est versée sur l'inducteur.

Lorsque Q1 est éteint, l'inducteur renvoie une partie de son énergie au condensateur de sortie et à la charge. La tension de sortie est régulée en établissant le temps de marche de Q1. Par exemple, en augmentant le temps d'activation de Q1, la quantité de puissance envoyée à l'inducteur est amplifiée.

Une énergie supplémentaire est ensuite envoyée à la sortie au cours du temps d'arrêt de Q1 provoquant une augmentation de la tension de sortie. Contrairement à l'étage de puissance abaisseur, l'amplitude typique du courant d'inductance n'est pas la même que le courant de sortie.

Pour associer le courant de l'inductance au courant de sortie, en regardant les figures 2 et 3, observez que le courant de l'inductance à la sortie est uniquement dans l'état bloqué de l'étage de puissance.

Ce courant moyenné sur toute une séquence de commutation est le même que le courant de sortie puisque le courant approximatif dans le condensateur de sortie doit être équivalent à zéro.

La connexion entre le courant inducteur moyen et le courant de sortie pour l'étage de puissance buck-boost en mode continu est assurée par:

Un autre point de vue important est le fait que le courant d'inductance typique est proportionnel au courant de sortie, et comme le courant d'ondulation de l'inductance, ΔIL, n'est pas lié au courant de charge de sortie, les valeurs minimales et les plus élevées du courant d'inductance suivent précisément le courant d'inductance moyen.

A titre d'exemple, si le courant d'inductance moyen diminue de 2A en raison d'une réduction du courant de charge, dans ce cas les valeurs les plus basses et les plus élevées du courant d'inductance diminuent de 2A (en considérant que le mode de conduction continue est conservé).

L'évaluation précédente concernait la fonctionnalité d'étage de puissance buck-boost en mode courant d'inductance continu. Le segment suivant est une explication de la fonctionnalité en régime permanent en mode de conduction discontinue. Le résultat principal est une dérivation de la relation de conversion de tension pour l'étage de puissance buck-boost en mode de conduction discontinue.

Évaluation du mode de conduction discontinue en régime permanent Buck-Boost

À ce stade, nous examinons ce qui se produit lorsque le courant de charge est réduit et le mode de conduction passe de continu à discontinu.

N'oubliez pas que pour le mode de conduction continue, le courant d'inductance moyen suit le courant de sortie, c'est-à-dire si le courant de sortie diminue, dans ce cas le courant d'inductance moyen le sera également.

En outre, les pics les plus bas et les plus élevés du courant d'inducteur poursuivent avec précision le courant d'inducteur moyen. Dans le cas où le courant de charge de sortie est diminué en dessous du niveau de courant fondamental, le courant d'inductance serait nul pour une partie de la séquence de commutation.

Cela ressortirait des formes d'onde présentées à la figure 3, car le niveau de crête à crête du courant d'ondulation ne peut pas changer avec le courant de charge de sortie.

Dans un étage de puissance buck-boost, si le courant d'inductance tente de passer en dessous de zéro, il s'arrête simplement à zéro (en raison du mouvement de courant unidirectionnel dans CR1) et y continue jusqu'au début de l'action de commutation suivante. Ce mode de fonctionnement est appelé mode de conduction discontinue.

Un étage de puissance fonctionnant sur un circuit élévateur abaisseur dans un format de conduction discontinue possède trois états distinctifs à travers chaque cycle de commutation, contrairement à 2 états pour un format de conduction continue.

L'état actuel de l'inductance dans lequel l'étage de puissance est à la périphérie entre le réglage continu et discontinu est présenté sur la figure 4.

Dans ce cas, le courant de l'inductance s'effondre simplement à zéro tandis que le cycle de commutation suivant commence juste après que le courant atteint zéro. Observez que les valeurs de IO et IO (Crit) sont présentées dans la figure 4 puisque IO et IL incluent des polarités opposées.

Un abaissement supplémentaire du courant de charge de sortie place l'étage de puissance dans un modèle de conduction discontinue. Cette condition est illustrée à la figure 5.

La réponse en fréquence de l'étage de puissance en mode discontinu est assez différente de la réponse en fréquence en mode continu qui est présentée dans le segment Buck-Boost Power Stage Modeling. De plus, la connexion d'entrée à sortie est assez diversifiée, comme présenté dans cette dérivation de page:

Pour démarrer la dérivation du rapport de changement de tension de l'étage de puissance buck-boost en mode de conduction discontinue, rappelez-vous que vous avez trois états distinctifs que le convertisseur considère par le biais de la fonctionnalité de mode de conduction discontinue.

L'état ON est lorsque Q1 est activé et CR1 est désactivé. L'état OFF est lorsque Q1 est OFF et CR1 est ON. La condition IDLE est lorsque chaque Q1 et CR1 sont OFF. Les deux conditions initiales ressemblent beaucoup à la situation de mode continu et les circuits de la figure 2 sont pertinents en dehors de ce TOFF ≠ (1-D) × TS. Le reste de la séquence de commutation est l'état IDLE.

De plus, la résistance CC de l'inductance de sortie, la chute de tension directe de la diode de sortie, ainsi que la chute de tension à l'état ON du MOSFET de puissance sont généralement supposées être suffisamment minimes pour être négligées.

La période de temps de l'état MARCHE est TON = D × TS où D est le rapport cyclique, fixé par le circuit de commande, indiqué comme un rapport du temps de mise en marche au temps d'une séquence de commutation complète, Ts. La longueur de l'état OFF est TOFF = D2 × TS. La période IDLE est le reste du modèle de commutation qui est présenté comme TS - TON - TOFF = D3 × TS. Ces périodes sont mises en place avec les formes d'onde de la figure 6.

Sans vérifier la description complète, les équations de la montée et de la baisse du courant de l'inducteur sont énumérées ci-dessous. La montée du courant de l'inductance au cours de l'état ON est émise par:

La quantité de courant d'ondulation, ΔIL (+), est également le courant de crête de l'inductance, Ipk car en mode discontinu, le courant commence à 0 à chaque cycle La réduction du courant de l'inductance au cours de l'état OFF est présentée par:

Tout comme la situation de mode de conduction continue, la montée de courant, ΔIL (+), au cours du temps ON et la réduction de courant pendant le temps OFF, ΔIL (-), sont identiques. Ainsi, ces deux équations pourraient être assimilées et adressées pour que VO acquière l'initiale de deux équations à utiliser pour résoudre le rapport de conversion de tension:

Ensuite, nous déterminons le courant de sortie (la tension de sortie VO divisée par la charge de sortie R). C'est la moyenne sur une séquence de commutation du courant de l'inductance à ce moment où CR1 devient conducteur (D2 × TS).

Ici, remplacez la connexion pour IPK (ΔIL (+)) dans l'équation ci-dessus pour acquérir:

Par conséquent, nous avons deux équations, celle pour le courant de sortie (VO divisé par R) qui vient d'être dérivée et celle pour la tension de sortie, les deux en ce qui concerne VI, D et D2. À ce stade, nous démêlons chaque formule pour D2 et fixons les deux équations à égalité l'une avec l'autre.

En utilisant l'équation résultante, une illustration de la tension de sortie, VO, pourrait être obtenue. L'affiliation de transformation de tension buck-boost en mode de conduction discontinue s'écrit:

La connexion ci-dessus affiche l'une des principales différences entre les deux modes de conduction. Pour le mode de conduction discontinue, la relation de changement de tension est fonction de la tension d'entrée, du cycle de service, de l'inductance de l'étage de puissance, de la fréquence de commutation et de la résistance de charge de sortie.

Pour le mode de conduction continue, la connexion de commutation de tension est simplement influencée par la tension d'entrée et le cycle de service. Dans les applications traditionnelles, l'étage de puissance buck-boost est exécuté dans un choix entre le mode de conduction continue ou le mode de conduction discontinue. Pour un usage spécifique, un mode de conduction est choisi tandis que l'étage de puissance a été fait pour maintenir le mode identique.