operación del convertidor Buck

Aquí está la imagen: -

Essignificativamentemáscomplejodeloquevoyadecir,perotenganpacienciaconmigo:-

Primero,voyapedirtequeimaginesqueD1esuninterruptorcomoSW1,perosecierracuandoSW1seabre.Loqueluegoobtieneenelpunto(2)delcircuitoesunaondacuadrada;tieneunpicodeVin(digamos10V)ycaerápidamentea0VcuandoSW1seabre(recuerdaquetepedíqueconsideresqueD1tambiénesuninterruptor).Estoserepiteaunafrecuenciaarbitrariamentealta,como100kHz.

DigamostambiénquesedeseaqueVd(susalida)seade5V.Ahora,silaondacuadradade10Ven(2)pasaralamitaddesutiempoa10Vylamitaddesutiempoa0V,entonceselvalorpromedioseríade5V,esdecir,exactamenteloquedesea.

SidehechorequierequeVdsea3.3V,entonceslaondacuadradaen(2)pasaríaaproximadamenteunterciodesutiempoa10Vyaproximadamentedosterciosdesutiempoa0V.(RecuerdaqueteestoypidiendoqueconsideresqueD1esuninterruptorquesecierracuandoSW1seabre).

Entonces,tienesunaondacuadradaen(2)quetieneunciclodetrabajode(digamosuntercio)YahoratienesunfiltrodepasobajoformadoporL1yC1:lasalidadeestoesmásomenosunvoltajedeCCa3.3V.

Luego,ponesunaresistenciadecargaen(\$R_L\$)-¿Alteraestoelnivelpromediodevoltajedesalida?Larespuestaesvirtualmente"no" porque está usando un inductor y un condensador para formar un circuito de paso bajo y si la resistencia interna del inductor no es demasiado grande, entonces no habrá demasiada corriente continua a través de L1 y Todavía obtendré 3.3V en la salida.

Sin embargo, si carga la salida demasiado, el 3.3V comenzará a caer y esto es cuando el circuito de control comienza a tomar el control y aplica un poco más de un tercio de ciclo de servicio al SW1 que está encendido. Este circuito de control es fundamental en todos los circuitos reguladores, pero no es necesario comprender los entresijos de esto para comprender el funcionamiento básico.

Hasta ahora he asumido que D1 es un interruptor (como SW1) y lo que se describe se llama un regulador de sincronización síncrona: utiliza dos MOSFET; uno para SW1 y otro en lugar de D1. Creo que es más fácil acercarse primero a los reguladores sincrónicos que luego a entender los reguladores estándar (pero menos eficientes).

Los reguladores Buck estándar tienen D1 (no un interruptor) y les gustaría que D1 se comportara como un interruptor (como se describió anteriormente) pero no siempre lo hace. Para empezar, deja caer 0.7V cuando está actuando como un interruptor (quizás un poco menos si usas un diodo schottky). Conduce como un interruptor, pero el 0.7V a través de él pierde energía en forma de calor, nunca puede igualar la eficiencia del regulador síncrono.

¿Cómo se comporta D1 como un interruptor? Cuando SW1 está cerrado, una corriente de rampa corre a través de L1 y cuando SW1 finalmente se abre, la emf de L1 (2) negativa para mantener la corriente a través de L1 sigue fluyendo. Esta es la naturaleza de los inductores y si esto es un poco extraño para usted, vaya y estudie los inductores. Este voltaje negativo cae rápidamente por debajo de 0V hasta que D1 comienza a conducir, ahora se está comportando como un regulador síncrono (aunque con una caída de 0.7V a través de él). SW1 finalmente comienza a conducir nuevamente y el ciclo se repite.

Anteriormente, la onda cuadrada descrita en el punto (2) era de 10 V pico y 0 V en la parte inferior; ahora es 10 V pico pero -0,7 V en la parte inferior. L1 y C1 siguen siendo un filtro de paso bajo (como se mencionó anteriormente y si el ciclo de trabajo de la onda cuadrada fuera un tercio, el voltaje en la salida sería de aproximadamente 3.1 V. El sistema de control tomaría el control y alteraría el ciclo de trabajo hasta la salida fue 3.3V.

Pero hay un problema adicional cuando D1 es solo un diodo (y no un interruptor) y esto realmente hace que los reguladores de buck no síncronos sean bastante difíciles de manejar. Si la carga es muy ligera, D1 no actúa como un interruptor (como por un regulador síncrono) y la tensión de salida aumenta y aumenta porque la energía almacenada en L1 sigue bombeando a C1 y, por supuesto, la tensión de salida aumenta. No es un gran problema porque el circuito de control mantiene esto bajo control aplicando ciclos de trabajo cada vez más pequeños que la onda cuadrada en el punto (2).

Tengo en mi explicación el punto en el que necesito tomar un descanso, así que si te las arreglas para atravesar esto y quieres más, avísame. El resultado de lo que explicaría es que los alrededores almacenan energía en el inductor (cuando SW1 se cierra), lo transfieren al condensador y se aseguran de que la energía transferida \ $ \ veces \ $ frecuencia (ciclos por segundo) coincida con la potencia que necesita el resistencia de carga a la tensión que el regulador pretende regular en.

¡Los reguladores síncronos son mucho más fáciles de explicar!

Sus suposiciones son ciertamente correctas. La salida de un convertidor Buck no es 100% de CC pura como un regulador lineal. Siempre habrá ondulación allí, directamente proporcional al ciclo de trabajo del convertidor. Durante el tiempo de encendido del interruptor, el aumento de la corriente del inductor hace que la tensión del condensador aumente, y durante el tiempo de apagado del interruptor, la corriente del inductor disminuye, al igual que la tensión del condensador.

La razón por la que el convertidor reductor es una fuente de alimentación de CC razonablemente buena depende del tamaño del inductor y de la frecuencia de conmutación del convertidor. La ondulación de salida de un convertidor Buck bien diseñado debido a la conmutación será de alrededor del 1% del nivel de CC general (50 mV de ondulación pico a pico para una salida de 5 VCC, por ejemplo).

Dado que el inductor está suministrando corriente durante el tiempo de encendido y apagado del interruptor, el ESR del capacitor de salida suele ser la característica restrictiva en términos de la cantidad de capacitor que necesita (para obtener un buen rendimiento de ondulación, necesita ESR pequeño; para obtener un ESR pequeño, generalmente pone muchas mayúsculas en paralelo y termina usando más de lo que 'necesita' para soportar el voltaje de salida durante el tiempo de apagado del interruptor)