Buck Converter — komponentu izmēru noteikšana

Šajā rakstā tiks sniegta procedūra, kā aprēķināt un atlasīt komponentus, kas nepieciešami galvaniski izolēta pazeminoša līdzstrāvas pārveidotāja jaudas sadaļas projektēšanai, buck pārveidotāja topoloģija. Šīs topoloģijas pārveidotāji ir piemēroti līdzstrāvas sprieguma samazināšanai 50 voltu robežās pie ieejas un slodzes jaudai, kas nepārsniedz 100 vatus.

Viss, kas attiecas uz kontroliera un draivera ķēdes izvēli, kā arī lauka efekta tranzistora veidu, tiks atstāts ārpus šī raksta darbības jomas, taču mēs detalizēti analizēsim ķēdi un katra darbības režīma raksturlielumus. šāda veida pārveidotāju jaudas daļas galvenajām sastāvdaļām.

Sāciet attīstību impulsu pārveidotājs, ņem vērā šādus sākotnējos datus: ieejas un izejas sprieguma vērtības, maksimālo pastāvīgo slodzes strāvu, jaudas tranzistora pārslēgšanas frekvenci (pārveidotāja darbības frekvenci), kā arī strāvas vilni caur droseļvārstu. šos datus, aprēķiniet droseles induktivitāte, kas nodrošinās nepieciešamos parametrus, izejas kondensatora jaudu, kā arī reversās diodes īpašības.

• Ieejas spriegums - Uin, V

• Izejas spriegums — Uout, V

• Maksimālā slodzes strāva — Iout, A

• Pulsācijas strāvas diapazons caur droseli - Idr, A

• Tranzistoru pārslēgšanas frekvence — f, kHz

Pārveidotājs darbojas šādi. Perioda pirmajā daļā, kad tranzistors ir aizvērts, strāva tiek piegādāta no primārā barošanas avota caur induktors uz slodzi, kamēr notiek izejas filtra kondensatora uzlāde. Kad tranzistors ir atvērts, slodzes strāvu uztur kondensatora lādiņš un induktora strāva, ko nevar nekavējoties pārtraukt, un to aizver reversā diode, kas tagad ir atvērta perioda otrajā daļā.

Piemēram, pieņemsim, ka mums ir jāizstrādā buck pārveidotāja topoloģija, ko darbina pastāvīgs 24 voltu spriegums, un izejā jāiegūst 12 volti ar nominālo slodzes strāvu 1 amp un lai spriegums pulsētu izeja nepārsniedz 50 mV. Lai pārveidotāja darba frekvence ir 450 kHz, un strāvas pulsācija caur induktors nepārsniedz 30% no maksimālās slodzes strāvas.

Sākotnējie dati:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I out = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Tā kā mēs runājam par impulsu pārveidotāju, tā darbības laikā spriegums netiks pastāvīgi pievadīts droselei, tas tiks pievadīts tieši ar impulsiem, kuru pozitīvo daļu ilgumu dT var aprēķināt, pamatojoties uz droseles darbības frekvenci. pārveidotājs un ieejas un izejas sprieguma attiecība saskaņā ar šādu formulu:

dT = Uout / (Uin * f),

kur Uout / Uin = DC ir tranzistora vadības impulsa darba cikls.

Pārslēgšanas impulsa pozitīvās daļas laikā avots baro pārveidotāja ķēdi, impulsa negatīvās daļas laikā induktora uzkrātā enerģija tiek pārnesta uz izejas ķēdi.

Mūsu piemēram izrādās: dT = 1,11 μs — laiks, kurā impulsa pozitīvās daļas laikā ieejas spriegums iedarbojas uz induktors ar kondensatoru un tam pievienoto slodzi.

Saskaņā ar ar elektromagnētiskās indukcijas likumu, strāvas Idr izmaiņas caur induktors L (kas ir drosele) būs proporcionālas spriegumam Udr, kas pielikts spoles spailēm, un tā pielietošanas laikam dT (impulsa pozitīvās daļas ilgums):

Udr = L * Idr / dT

Droseles spriegums Udr - šajā gadījumā nekas vairāk kā starpība starp ieejas un izejas spriegumiem tajā perioda daļā, kad tranzistors atrodas vadošā stāvoklī:

Udr = Uin-Uout

Un mūsu piemēram izrādās: Udr = 24 — 12 = 12 V — droselei pieliktā sprieguma amplitūda darba impulsa pozitīvās daļas laikā.

Droseļvārsts

Tagad, zinot droselei pievadītā sprieguma lielumu Udr, iestatot droseles darbības impulsa dT laiku, kā arī droseles maksimālās pieļaujamās strāvas pulsācijas vērtību Idr, varam aprēķināt nepieciešamo droseles induktivitāti L. :

L = Udr * dT / Idr

Mūsu piemēram izrādās: L = 44,4 μH — darba droseles minimālā induktivitāte, ar kuru noteiktā vadības impulsa dT pozitīvās daļas laikā viļņa svārstības nepārsniegs Idr.

Kondensators

Kad ir noteikta droseles induktivitātes vērtība, pārejiet pie filtra izejas kondensatora kapacitātes izvēles. Pulsācijas strāva caur kondensatoru ir vienāda ar pulsācijas strāvu caur induktors. Tāpēc, neņemot vērā induktīvā vadītāja pretestību un kondensatora induktivitāti, mēs izmantojam šādu formulu, lai atrastu kondensatora minimālo nepieciešamo kapacitāti:

C = dT * Idr/dU,

kur dU ir sprieguma pulsācija pāri kondensatoram.

Ņemot sprieguma viļņa vērtību kondensatorā, kas vienāds ar dU = 0,050 V, mūsu piemēram iegūstam C = 6,66 μF - filtra izejas kondensatora minimālo kapacitāti.

Diode

Visbeidzot, atliek noteikt darba diodes parametrus. Strāva plūst caur diodi, kad ieejas spriegums tiek atvienots no induktora, tas ir, darba impulsa otrajā daļā:

Id = (1 -DC) * Iout — vidējā strāva caur diodi, kad tā ir atvērta un vada.

Mūsu piemērā Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A - jūs varat izvēlēties Šotkija diodi strāvai 1 A ar maksimālo pretējo spriegumu, kas ir lielāks par ieeju, tas ir, apmēram 30 volti.