¿Por qué los conmutadores son más eficientes que los reguladores lineales?

Los reguladores lineales funcionan al colocar efectivamente una resistencia variable controlada entre la fuente y la carga. Toda la corriente para la carga fluye a través de este elemento resistivo. Y el voltaje a través de él es igual a la diferencia entre el voltaje de la fuente y el voltaje de carga. Así que el poder disipado es

\ $ P_ {lin} = I_ {load} \ times {} (V_ {src} -V_ {load}) \ $.

Los reguladores de conmutación funcionan cambiando el ciclo de trabajo del flujo de corriente a lo largo de un ciclo de conmutación, y luego promediando la salida utilizando un filtro. Durante parte del ciclo, una alta corriente fluye con una baja caída de voltaje. Durante la otra parte del ciclo casi no fluye corriente con una caída de alto voltaje. Ninguna de estas condiciones disipa tanto poder como calor. Idealmente el poder perdido se convierte en

\ $ P_ {sw} = \ mathrm {DC} (I_ {on}) (0 \ \ mathrm {V}) + (1- \ mathrm {DC}) (0 \ \ mathrm {A}) ( V_ {off}) \ $,

que es, por supuesto, 0 W. Por lo general, gran parte de la ineficiencia en el mundo real se debe a la pérdida de potencia durante el corto intervalo de conmutación entre las partes "encendida" y "apagada" del ciclo.

Por lo general, los reguladores de conmutación son más eficientes, pero no siempre.

Un regulador lineal ideal tiene una caída de voltaje \ $ V_ {IN} - V_ {OUT} \ $ y hay un elemento de paso lineal como un transistor que actúa como una resistencia, por lo que la pérdida de potencia en el caso ideal es P = \ $ I \ cdot (V_ {IN} - V_ {OUT}) \ $, como usted dice. Ese es el caso ideal, en realidad el regulador necesita un poco de corriente para funcionar, y puede haber un componente que dependa de la corriente de salida. Algunos reguladores lineales LDO que dependen de los elementos de paso PNP laterales pueden tener un consumo muy alto cerca del abandono, tal vez 100 mA desperdiciado por una corriente de salida de 1A (porque los transistores PNP hechos con algunos procesos de IC tienden a tener una ganancia de corriente bastante horrible).

Un regulador de conmutación ideal es el siguiente:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Cuando el interruptor es un transistor, y D1 puede ser un diodo o puede ser otro transistor. En el caso ideal, no hay ningún mecanismo de pérdida de energía . El diodo bloquea perfectamente o conduce perfectamente, el interruptor hace lo mismo, el inductor no tiene resistencia de CC y el condensador no tiene ESR. Así que el poder en es igual al poder fuera. Por supuesto que la realidad solo puede acercarse a ese ideal. Habrá pérdidas que son 'gastos generales' y pérdidas que aumentan con el aumento de la corriente.

Tenga en cuenta que el inductor es una parte crítica de este circuito; si intenta omitirlo, el voltaje inamovible (a corto plazo) en C1 se enfrentará al voltaje inamovible en Vin y la corriente se volverá infinita. En un circuito real, SW1 tendría cierta resistencia y se calentaría tanto como el transistor de paso en el regulador lineal (excepto que también estaría generando toneladas de EMI).

  

Es bien sabido que los reguladores de conmutación son más eficientes que los reguladores lineales.

A un punto. Poner 3.5V en un regulador lineal LDO 3.3V da una eficiencia del 94%. Sería difícil encontrar un regulador de conmutación que pueda hacer eso.

  

También sé que el regulador lineal debe disipar la diferencia entre la tensión de entrada y la tensión de salida por la corriente en forma de calor.

Sí, pero los reguladores lineales deben consumir tanta o ligeramente más corriente para una corriente de salida dada, mientras que los reguladores de conmutación cambian la caída en el voltaje de salida por una disminución en la corriente de entrada, y por lo tanto generalmente usan menos potencia que un regulador lineal configurado de manera similar.

Los conmutadores ideales no disipan ninguna potencia. Toman un poco de energía del lado de entrada, lo almacenan y luego lo sueltan en el lado de salida.

La energía se almacena en un campo magnético dentro de un inductor o en un campo eléctrico en un capacitor.

Debido a las no idealidades de los componentes reales, como el ESR en los inductores, disipan un poco de poder. También pierden algo de poder durante la conmutación de transistores. También se pierde algo de energía en el controlador.

  

Pero, ¿por qué esto no se aplica a los reguladores de conmutación con el mismo   condiciones

Para un regulador lineal en serie, la fuente proporciona potencia el 100% del tiempo y parte de esta potencia se debe desperdiciar ya que (1) la tensión de la fuente (magnitud) es mayor que la carga y (2) la corriente de la fuente debe ser algo mayor que la corriente de carga.

Sin embargo, para un regulador de conmutación, la fuente entrega energía solo durante una fracción del período de conmutación. Durante este tiempo, parte de la energía suministrada por la fuente se entrega a la carga y el resto se envía a los elementos del circuito de almacenamiento de energía; se desperdicia muy poco.

Luego, durante el tiempo de apagado, los elementos del circuito de almacenamiento de energía entregan energía a la carga.

Esta es la diferencia crucial: solo se extrae suficiente energía de la fuente durante el tiempo de encendido para alimentar la carga continuamente.

Por ejemplo, si la carga requiere 5W continuos, la fuente podría entregar 10W el 50% del tiempo y 0W el 50% restante para una potencia promedio de 5W. Los elementos del circuito de almacenamiento de energía "suavizan" el flujo de energía: absorben el exceso de energía durante el tiempo de encendido y luego lo entregan durante el tiempo de apagado.

Un regulador de conmutación de buck-boost ideal se puede modelar como un par de tapas conectadas directamente a la entrada y salida, una bobina y algunos circuitos de enrutamiento que pueden cambiar entre tres configuraciones (solo buck, solo boost o el circuito de inversión solo necesitaría dos).

1. La entrada se conecta a la salida a través de la bobina
2. La bobina está conectada directamente a través de la entrada
3. La bobina está conectada directamente a través de la salida

Supongamos que los componentes se comportan de manera ideal (sin pérdidas resistivas o de conmutación, etc.) los topes de la fuente se sitúan a 10 V, la salida dibuja 1A, el conmutador pasa la mitad de su tiempo en la primera configuración, la mitad en la tercera y los ciclos son rápidos Es suficiente que los voltajes máximos y la corriente de la bobina no tengan la posibilidad de cambiar mucho durante cada ciclo.

En estado "estable", sujeto a las condiciones anteriores, la bobina tendrá un amplificador que fluye a través de él todo el tiempo (ya que siempre estará en serie con un dibujo de carga de 1 amperio). Si el límite de salida está a cinco voltios, entonces la mitad del tiempo que la bobina tendrá + 5V a través de él, y la mitad del tiempo tendrá -5V, por lo que en promedio su corriente permanecerá en 1 amp. La mitad del tiempo al límite de la fuente se le quitará un amplificador (cuando esté conectado a la bobina), y la mitad del tiempo no tendrá ninguno, por lo que la fuente verá la mitad de un amperio del consumo actual.

La forma más sencilla de ver cómo un conmutador puede extraer menos corriente de la fuente de lo que la carga extrae es observar dónde fluyen los electrones: la mitad de los electrones que atraviesan la carga provendrán de la fuente, y La mitad se cambiará para evitar la fuente. Por lo tanto, la carga tendrá el doble de la corriente que fluye a través de ella que la fuente.

Para aburrir a todos con la vieja y vieja analogía del flujo de agua, agregaré esto: supongamos que tenemos tres niveles de altura H ₁ , H _½ , H ₀ ; un suministro de agua proviene de H ₁ , luego fluye a H _½ un poco a su destino, un molino o algo así, y luego de vuelta hasta el final en H ₀ . El regulador se encuentra en la transición de H ₁ a H _½ .

• Un regulador lineal es una cascada: los electrones simplemente se derrumban y liberan su potencial como energía térmica al medio ambiente. La corriente en H _½ será la misma que en H₁.

• Un conmutador no solo deja que el agua fluya hacia abajo, sino que también lo baja de manera controlada en cubos. Cada cubeta que viene de H ₁ necesita un contrapeso, lo natural que se debe usar es otra cubeta de agua , de H ₀ !