Stwórz zasilacz typu Buck-Boost

W tej serii artykułów przyglądamy się projektowaniu i implementacji głównych typów regulatorów i przetworników mocy, które możesz użyć w projekcie elektronicznym. Dałem inżynierowi, którego mentoruję, serię wymagań, aby zademonstrować każdy z tych typów i zarejestrowałem wyniki tutaj, abyś mógł przejść przez te same ćwiczenia i mieć nadzieję, że dojdziesz do tych samych wyników.

Kolejny regulator przełączający to ostatni w naszej serii regulatorów przełączających dla studentów. Wymagania projektowe mojego inżyniera były takie, że zasilacz powinien być w stanie utrzymać stabilne napięcie wyjściowe, nawet jeśli napięcie zasilania jest wyższe lub niższe niż wymagane napięcie wyjściowe. Innymi słowy, powinien być w stanie zarówno podwyższać, jak i obniżać napięcie zasilania, aby dostarczyć stabilne napięcie wyjściowe dla urządzenia obciążenia. Ten typ regulatora przełączającego jest niezwykle użyteczny, szczególnie dla urządzeń zasilanych bateriami lub urządzeń z kilkoma różnymi źródłami zasilania, między którymi przełącza się w zależności od ustalonych warunków lub wymaganego trybu działania.

Moje wymagania dla tego projektu były następujące:

• Zakres napięcia wejściowego 3,0 do 4,2 V
• Napięcie wyjściowe 3,3 V
• Prąd wyjściowy 200 mA

Do osiągnięcia operacji podnoszenia i obniżania napięcia za pomocą jednego regulatora można użyć kilku topologii. W tym artykule omówimy następujące:

• Przetwornik Buck-Boost
• SEPIC
• Ćuk
• Przetwornik Flyback

Przetwornik Buck-Boost to rodzaj zasilacza impulsowego, który wykorzystuje funkcjonalność zarówno przetwornika podwyższającego (boost), jak i obniżającego (buck) w jednym obwodzie. Połączenie obu obwodów, podwyższającego i obniżającego, może zapewnić stabilne napięcie wyjściowe w szerokim zakresie napięcia zasilania wejściowego. Ponadto, zarówno przetworniki boost, jak i buck używają bardzo podobnych komponentów, które są po prostu przearanżowane w zależności od tego, który typ przetwornika jest wymagany.

Na powyższym schemacie można zobaczyć podobieństwa obu topologii. Również ten sam dławik może być używany dla obu topologii:

 

W połączonej topologii przetwornika Boost-Buck pokazanej na powyższym schemacie, można zobaczyć, że jednostka sterująca, która jest oscylatorem, PWM i kontrolerem sprzężenia zwrotnego, ma zdolność wyboru między operacją przetwornika podwyższającego a obniżającego.

Działanie przetwornika buck

W trybie przetwornicy obniżającej, tranzystorowy przełącznik TR2 jest wyłączony, a tranzystorowy przełącznik TR1 jest włączany i wyłączany przez kontroler PWM z kwadratową falą przy użyciu wysokiej częstotliwości, jak opisano w karcie danych kontrolera.

Gdy tranzystorowy przełącznik TR1 jest w stanie ON, prąd przepływa przez cewkę L, energetyzując jej pole magnetyczne, a następnie ładując kondensator wyjściowy C oraz obciążenie wyjściowe. Dioda Schottky'ego D1 jest wyłączona przez obecność dodatniego napięcia na jej katodzie.

Gdy tranzystorowy przełącznik TR1 jest w stanie OFF, cewka L staje się źródłem prądu, podczas gdy jej pole magnetyczne zapada, generując siłę elektromotoryczną zwrotną i odwracając polaryzację napięcia na cewce L. To włącza diodę Schottky'ego D1, pozwalając na przepływ prądu przez diodę Schottky'ego D2 do obciążenia wyjściowego.

 

Praca przetwornicy podwyższającej

W trybie przetwornicy podwyższającej, tranzystorowy przełącznik TR1 jest włączony, a tranzystorowy przełącznik TR2 jest przełączany włączany i wyłączany przez kontroler PWM z sygnałem prostokątnym. Gdy tranzystorowy przełącznik TR2 jest włączony, prąd wejściowy przepływa przez cewkę L i tranzystorowy przełącznik TR2 do ujemnego zacisku zasilania (masa), energetyzując pole magnetyczne cewki L. W tej fazie cyklu, dioda Schottky'ego D2 nie może przewodzić, ponieważ jej anoda jest utrzymywana na napięciu zacisku masowego przez tranzystorowy przełącznik TR2, zapewniając ścieżkę przewodzenia.

W tym okresie, obciążenie wyjściowe jest zasilane całkowicie przez ładunek przechowywany przez kondensator C, który został naładowany w poprzednich cyklach.

Gdy tranzystorowy przełącznik TR2 jest wyłączony, cewka L jest energetyzowana, a kondensator C jest częściowo rozładowany. W tej fazie cyklu, cewka L generuje przeciwelektromotoryczność (EMF). Energia EMF będzie zależała zarówno od szybkości zmiany prądu, gdy tranzystorowy przełącznik TR2 jest włączany i wyłączany, jak i od indukcyjności.

W tym momencie polaryzacja na induktorze L jest odwracana, a napięcie przeciw-EMF teraz dodaje się do napięcia wejściowego, więc jest teraz wyższe niż, lub przynajmniej równe, napięciu wejściowemu. Dioda Schottky'ego D2 jest teraz włączona, więc obwód zasila obciążenie wyjściowe i ładuje kondensator C, aby był gotowy na następną fazę cyklu, gdy tranzystorowy przełącznik TR2 jest włączony.

 

Funkcja przenoszenia między wejściem a wyjściem może być wyrażona przez:

Działanie przetwornicy SEPIC

SEPIC, czyli Single Ended Primary Inductor Converter, to rodzaj przetwornicy, która może również obniżać, podwyższać napięcie lub dostarczać napięcie równe napięciu zasilania do obciążenia wyjściowego. Topologia przetwornicy SEPIC jest zwykle oparta na przetwornicy podwyższającej oraz odwróconej przetwornicy podwyższająco-obniżającej. Ten typ przetwornicy jest popularny w aplikacjach bateryjnych ze względu na jej efektywność i niezawodność.

Gdy tranzystorowy przełącznik S1 jest WŁĄCZONY, prąd płynie przez cewkę L1, a prąd przez L2 staje się ujemny. Energia płynąca przez L1 pochodzi ze źródła wejściowego. Dioda D1 jest WŁĄCZONA, a kondensator C1 dostarcza energię elektryczną i zwiększa amplitudę prądu płynącego przez cewkę L2. To zwiększa energię magazynowaną w jej polu magnetycznym, przy czym prąd jest dostarczany z kondensatora C2.

 

Gdy tranzystorowy przełącznik S1 jest WYŁĄCZONY, prąd płynący przez kondensator C1 staje się równy prądowi płynącemu przez cewkę L1. Ponieważ cewki nie pozwalają na natychmiastową zmianę prądu, prąd płynący przez cewkę L2 nadal będzie miał kierunek ujemny. Dlatego, gdy tranzystorowy przełącznik S1 jest WYŁĄCZONY, moc do obciążenia wyjściowego jest dostarczana z cewek L1 i L2. Kondensator C1 będzie ładowany w tym okresie przez cewkę L1.

Funkcja przenoszenia między wejściem a wyjściem może być wyrażona przez:

 

Działanie przetwornicy Ćuk

Przetwornica Ćuk (nazywana również 'przetwornicą inwertującą z dwoma dławikami') jest inwertującą przetwornicą SEPIC z topologią flyback. Ta przetwornica jest podobna do innych wymienionych na tej liście, ponieważ jest zdolna do operacji podwyższania i obniżania napięcia. Energia używana przez przetwornicę jest przekazywana do kondensatora, gdy tranzystorowy przełącznik jest otwarty. Oznacza to, że głównym elementem magazynującym energię w obwodzie przetwornicy Ćuk jest kondensator, w przeciwieństwie do większości innych topologii zasilaczy impulsowych, gdzie głównym elementem magazynującym energię jest dławik.

Topologia używa albo dwóch oddzielnych dławików, albo pojedynczego komponentu nazywanego sprzężonym dławikiem.

Przetwornica Ćuk składa się z dwóch dławików, dwóch kondensatorów, tranzystorowego przełącznika i diody. Ta przetwornica jest typu inwertującego, co oznacza, że napięcie wyjściowe jest ujemne w stosunku do napięcia wejściowego.

Kondensator C1 jest używany do przenoszenia energii wysokiej częstotliwości. Jest on podłączany naprzemiennie do wejścia i wyjścia przetwornicy Ćuka pomiędzy równoległym przełącznikiem tranzystorowym a diodą. Dwa dławiki, L1 i L2, są używane do przekształcenia źródła napięcia wejściowego E i źródła napięcia wyjściowego U na źródła prądu. Przez krótki czas dławiki mogą być traktowane jako źródła prądu, ponieważ są w stanie utrzymać stały prąd. Ładowanie kondensatora wyjściowego C2 za pomocą źródła prądu (dławika) jest metodą zapobiegania ograniczeniu prądu rezystancyjnego i związanym z tym stratom energii.

Przetwornica Ćuka może pracować w trybie ciągłego prądu, nieciągłego prądu oraz nieciągłego napięcia.

Funkcja przenoszenia między wejściem a wyjściem może być wyrażona przez:

Działanie przetwornicy flyback

Przetwornica flyback to izolowana przetwornica DC-DC przełączająca, która może podwyższać lub obniżać napięcie wejściowe. Ta przetwornica używa izolacji galwanicznej do oddzielenia wyjścia od wejścia. Rozdzielony dławik jest używany do utworzenia transformatora dla tej izolacji.

Można zauważyć, że topologia przetwornicy DC-DC typu flyback jest dość podobna do topologii przetwornicy podnosząco-obniżającej; różnica polega na tym, że zamiast dławika używa się transformatora. Zasady działania obu tych typów przetwornic są również bardzo podobne.

Gdy przełącznik jest w pozycji ON, pierwotna cewka transformatora jest połączona z źródłem napięcia wejściowego. Pozwala to na wzrost przepływu prądu w cewce pierwotnej, a pole magnetyczne wokół cewki pierwotnej magazynuje energię w transformatorze. Napięcie indukowane w cewce wtórnej jest ujemne, co oznacza, że dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowym, a kondensator wyjściowy zasila obciążenie wyjściowe.

Gdy przełącznik jest w pozycji OFF, prąd cewki pierwotnej maleje, a pole magnetyczne się zmniejsza. Napięcie cewki wtórnej jest dodatnie, i prąd przepływa przez diodę spolaryzowaną w kierunku przewodzenia, dostarczając energię do kondensatora i obciążenia wyjściowego.

 

Funkcję przejścia między wejściem a wyjściem można wyrazić przez:

 

 

Istnieją inne typy przełączanych zasilaczy DC-DC z możliwością podnoszenia i obniżania napięć, ale dyskusję na ich temat pozostawimy na inny czas.

Działanie przetwornicy podwyższająco-obniżającej

Topologia, którą wybrał mój inżynier dyplomowany do tego zadania, to przetwornica podwyższająco-obniżająca. Jednak wszystkie inne topologie, które omówiliśmy, również będą w stanie wykonać wymaganą operację potrzebną do tego zadania, więc możesz eksperymentować z tymi różnymi topologiami. Eksperymentowanie z różnymi topologiami i próba osiągnięcia tych samych wyników może wydawać się na początku bezcelowe, ale te ćwiczenia znacząco zwiększą twoją wiedzę i zrozumienie zasilaczy. Co najlepsze, da ci to przewagę, jeśli kiedykolwiek staniesz przed zadaniem lub pracą, czy ćwiczeniem na uniwersytecie/college'u, gdzie musisz wybrać zasilacz do urządzenia lub aplikacji.

Układ scalony wybrany przez mojego inżyniera dyplomowanego to Texas Instruments TPS63000, który jest urządzeniem w średniej cenie z regulowanym dodatnim napięciem wyjściowym i zdolnością do utrzymania 1,2 A prądu wyjściowego w trybie obniżania napięcia oraz 800 mA prądu wyjściowego w trybie podwyższania napięcia.

Ten układ scalony został wybrany ze względu na jego niską cenę, dobrą dostępność, wysoką efektywność przy wymaganym obciążeniu (do 200 mA), jest dość tani i ma prosty układ komponentów oraz prosty układ PCB.

Ten układ scalony jest zaprojektowany głównie do przenośnych urządzeń zasilanych bateryjnie, szczególnie tych zasilanych przez dwie lub trzy baterie alkaliczne, NiCd, NiMH, lub pojedynczą baterię litowo-polimerową lub litowo-jonową.

Ten regulator IC można zakupić w większości dystrybutorów komponentów elektronicznych takich jak Mouser, Digi-Key, Farnell, Arrow, Vertical, RS Components.

TPS63000 jest jednym z serii regulatorów DC-DC boost-buck TPS6300X, które mają regulowane napięcie wyjściowe. Dwa inne urządzenia w tej serii mają stałe napięcia wyjściowe 3,3 V i 5 V. Wybraliśmy wariant z regulowanym napięciem ze względu na elastyczność, jaką oferuje. Zaledwie kilka dodatkowych obliczeń i zmiana kilku komponentów umożliwia łatwą konwersję regulatora z wyjścia 3,3 V na 5 V i odwrotnie.

Ten regulator IC jest wyposażony w funkcje włączania urządzenia (EN), blokady przy niskim napięciu, ochrony przed przegrzaniem i trybu oszczędzania energii.

Funkcja włączania urządzenia (Enable, EN) pozwala na kontrolę regulatora, umożliwiając jego wyłączenie, jeśli jest to wymagane. Funkcja ta używa dedykowanego pinu EN, który może być podciągnięty do wysokiego poziomu, gdy działanie regulatora jest aktywne, i opuszczony do niskiego, gdy regulator musi zostać wyłączony. Funkcję tę można kontrolować za pomocą MCU, urządzenia obserwującego lub nadzorującego, lub za pomocą prostego tranzystora lub bramki logicznej.

Blokada przy niskim napięciu uniemożliwia uruchomienie regulatora, gdy napięcie zasilania wejściowego jest niższe niż próg napięcia regulatora. Funkcja ta zapobiega nieprawidłowej pracy regulatora, gdy napięcie zasilania wejściowego jest poza dopuszczalnymi granicami. Gdy napięcie zasilania wejściowego znajduje się w granicach normy, regulator automatycznie restartuje się.

Funkcja ochrony przed przegrzaniem pozwala regulatorowi na samoczynne wyłączenie się, gdy wewnętrznie zmierzone przekroczy ustalony próg, chroniąc układ scalony i resztę obwodu.

Tryb oszczędzania energii używa dedykowanego pinu PS/SYNC. Przy podciągnięciu pinu do wysokiego poziomu, tryb oszczędzania energii jest wyłączony, a przy opuszczeniu - włączony. Podłączenie sygnału zegarowego do tego pinu pozwoli nam na implementację synchronizacji częstotliwości.

Projekt schematu

Zobaczysz, że projekt schematu nie był skomplikowany, ponieważ zarówno projekt obwodu, jak i wymagane komponenty były rekomendowane w karcie katalogowej urządzenia.

Jak zwykle na pierwszym etapie, napięcie wyjściowe zostało ustawione na 3,3 V, korzystając z następującego wzoru podanego w karcie katalogowej:

Wszystkie wartości zmiennych można znaleźć w karcie katalogowej. Napięcie zwrotne VFB wynosi około 500 mV, a nasze wymagane napięcie wyjściowe VOUT to 3,3 V. Rezystor R2 powinien być mniejszy niż 500 kΩ, więc na początek wybrano wartość 200 kΩ.

Początkowo obliczona wartość R1 wynosiła 1,12 MΩ. Dla wygody wartość ta została zmieniona na 1 MΩ i przy użyciu tej wartości, obliczona wartość R2 wynosi 178 kΩ.

Karta katalogowa zalecała również dodanie dodatkowego kondensatora sprzężenia zwrotnego Cff równolegle do R2, aby zapewnić bardziej stabilne sprzężenie zwrotne i poprawić wydajność sterowania. Wzór do obliczania kondensatora sprzężenia zwrotnego został również podany w karcie katalogowej, jak następuje:

Więc, korzystając z tego równania, obliczona wartość kondensatora wyniosła 2,2 pF.

Karta katalogowa zawiera również kilka zaleceń dotyczących dławików; jednak mój inżynier stażysta zdecydował się obliczyć i wybrać dławik samodzielnie. Wzór wymagany został również podany w karcie katalogowej:

 

Najpierw został obliczony współczynnik wypełnienia dla trybu podwyższania napięcia:

 

Ponieważ jest to współczynnik wypełnienia w trybie podwyższania napięcia, wartość użytego napięcia wejściowego Vin powinna być najniższym napięciem roboczym, przy którym przetwornica będzie działać w aplikacji. W naszym przypadku jest to 3,0 V. Napięcie wyjściowe Vout wynosi 3,3 V.

Teraz, gdy obliczyliśmy współczynnik wypełnienia w trybie podwyższania, pozostałe zmienne to:

Częstotliwość przełączania przetwornicy f = 2,5 MHz
Wartość induktora może być zmieniana w trakcie obliczeń, ale zaczynamy od wartości 2,2 uH, ponieważ taka została zalecona w projekcie obwodu na karcie danych.

Prąd wyjściowy został wybrany na poziomie 300 mA, aby zapewnić wystarczający margines błędu.

Skuteczność przetwornicy została wybrana na poziomie 0,94. Odczytano to z krzywych efektywności dostarczonych na wykresie w karcie danych:

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps63000.pdf?ts=1598976934250&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FTPS63000%253FHQS%253DTI-null-null-octopart-df-pf-manuf-wwe

Wartość odczytana z wykresu jest przybliżona, ale nie obawiaj się używania przybliżonych wartości w inżynierii, ponieważ cały projekt elektroniczny opiera się na użyciu marginesów i przybliżonych wartości.

Wykorzystując te wartości, obliczony szczytowy prąd cewki wynosi:

 

Cewka LQH31CN2R2M03L produkowana przez Murata została wybrana. Jej indukcyjność to 2,2 uH, nominalny prąd to 430 mA, i ma ona taki sam mały rozmiar jak SMD 1206.

Kondensator wejściowy zgodnie z zaleceniami karty katalogowej powinien mieć co najmniej 4,7 uF, a wartość kondensatora wyjściowego powinna wynosić co najmniej 15 uF. Jednak te wartości mogą być zwiększone powyżej tych zaleceń, ponieważ zmniejszy to tętnienia napięcia wejściowego i wyjściowego. Mój inżynier dyplomowany wybrał dla tej aplikacji kondensator 10 uF na wejście i dwa kondensatory o wartościach 10 uF i 22 uF na wyjście.

Do tego jest również dodatkowy filtr dolnoprzepustowy RC dla pinu zasilania kontrolnego VINA. Wartości filtru RC dla rezystora i kondensatora zostały wzięte z karty katalogowej.

Wybrane złącza tym razem to listwowe bloki zaciskowe dostępne od Molex.

Te złącza są łatwe do lutowania i mogą być używane z żeńskimi przewodami nagłówkowymi, które są łatwo dostępne wszędzie i mogą bez problemu przenosić prąd o natężeniu 200 mA.

Wszystkie te wybory prowadzą do zaprojektowanego schematu dla regulatora podnosząco-obniżającego napięcie TPS63000 DC-DC:

Projektowanie PCB

Zobaczysz, że projektowanie PCB również było dość proste w tym przypadku. Rekomendacje zostały wzięte z karty katalogowej, i tylko minimalne zmiany projektowe były wymagane.

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps63000.pdf?ts=1598976934250&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FTPS63000%253FHQS%253DTI-null-null-octopart-df-pf-manuf-wwe

Umieszczenie komponentów początkowo zostało wykonane zgodnie z rekomendacjami z karty katalogowej:

Jako że mamy dwa oddzielne uziemienia dla uziemienia zasilania PGND i uziemienia obwodu sterowania GND, które są połączone za pomocą komponentu Net Tie, Net Tie został umieszczony na dole, blisko pinu GND:

Kolejnym krokiem w układzie PCB było ręczne trasowanie ścieżek. Ta technika pozwala na łatwiejszą kontrolę przepływu prądu w PCB i może pokazać wiele szczegółów.

Rozważania termiczne dotyczące projektowania PCB nie były bardzo rygorystyczne, ponieważ projekt został opracowany dla aplikacji z prądem wyjściowym <200 mA. Maksymalne rozpraszanie mocy regulatora IC zostało obliczone w karcie katalogowej następująco:

Obliczając rozpraszanie mocy przy 3,3 V z prądem wyjściowym 200 mA, plus uwzględniając straty rozpraszania wynikające z efektywności około 90%, otrzymamy:

Szerokie poligony zostały użyte dla ścieżek wejściowych i wyjściowych, plus płaszczyzny masy na górze i dole. Oceniono, że są one więcej niż wystarczające dla aplikacji.

Następnie dodano poligony mocy:

W końcu dodano płaszczyzny masy do warstw górnej i dolnej:

Wnioski

W nowoczesnych gadżetach elektronicznych istnieje wiele aplikacji, gdzie połączona zdolność do podwyższania i obniżania napięcia w jednym regulatorze jest wymagana. Jest to szczególnie niezbędne w aplikacjach bateryjnych, ponieważ napięcie baterii ma tendencję do obniżania się podczas rozładowywania. Inne aplikacje mogą dotyczyć superkondensatorów lub regulatora, który może pracować z kilku źródeł zasilania, na przykład zazwyczaj używając baterii, ale przełączając się na zasilanie USB podczas podłączenia do ładowania baterii.

Omówiłem kilka różnych topologii dostępnych dla regulatorów napięcia podwyższających i obniżających. Obejmują one konwerter boost-buck bez izolacji, konwerter SEPIC, konwerter Ćuka oraz izolowany konwerter flyback. Wybór odpowiedniego zależy od zastosowania, budżetu, wszelkich trudności obwodowych lub operacyjnych, dostępności i wielu innych aspektów. Eksperymentowanie z różnymi topologiami dla twoich aplikacji może być świetnym pomysłem, ponieważ rozwija twoją wiedzę na ich temat. Może nadejść czas, kiedy zostaniesz poproszony o zaprojektowanie obwodu wymagającego takiego regulatora; łatwiej ci będzie wybrać między tymi topologiami, jeśli już wszystkie przetestowałeś.

Projektowanie komponentów tej aplikacji nie było skomplikowane, ponieważ karta katalogowa zawiera dość jasne wyjaśnienia, rekomendacje i wytyczne. Jednak w innych sytuacjach możesz odkryć, że projektowanie obwodów regulatorów podwyższających i obniżających napięcie może wymagać bardzo skomplikowanych układów, co może wiązać się z wieloma obliczeniami i starannym doborem komponentów. Inne topologie mogą również wymagać użycia większej liczby komponentów indukcyjnych, co zwykle zwiększa złożoność obwodu i koszt implementacji projektu.

Zauważyłeś, że projekt PCB dla tego przetwornika był również stosunkowo łatwy, ponieważ karta katalogowa dostarczyła zalecenia dotyczące układu, które łatwo zaadaptowano. Jednak dla aplikacji z wyższymi prądami obciążenia projekt PCB może stać się bardzo skomplikowany z powodu bardziej złożonych wymagań zarządzania ciepłem. Ponadto, dla aplikacji z wyższymi wymaganiami prądowymi, konieczne będzie rozważenie efektów EMI.

Znajdziesz pliki projektowe dla wielu moich projektów udostępnione na licencji open-source MIT na GitHub. Możesz swobodnie korzystać z dowolnych obwodów lub projektów, jakie chcesz, nawet w projektach komercyjnych. Szczegóły urządzeń, o których dyskutujemy, znajdziesz w mojej obszernej bibliotece open-source Altium Designer Library. Znajdziesz tam również szczegóły dotyczące ogromnej gamy różnych komponentów zawartych w tej bibliotece.