Perché i commutatori sono più efficienti dei regolatori lineari?

È noto che i regolatori a commutazione sono più efficienti dei regolatori lineari. So anche che il regolatore lineare deve dissipare la differenza tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita moltiplicata per la corrente come calore.

Ma perché questo non si applica ai regolatori di commutazione con le stesse condizioni: stessa tensione di ingresso, tensione e corrente di uscita?

So che gli switcher possono surriscaldarsi; Ne ho uno su una tavola che fa così caldo che riesci a malapena a toccarlo, ma poi è solo 2 1/2 millimetri su ciascun lato e sembra una formica rispetto a un foro passante 7805 con il suo dissipatore di calore.

I regolatori lineari funzionano inserendo efficacemente una resistenza variabile controllata tra la sorgente e il carico. Tutta la corrente per il carico scorre attraverso questo elemento resistivo. E la tensione attraverso di essa è uguale alla differenza tra la tensione di sorgente e la tensione di carico. Quindi la potenza dissipata è

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

I regolatori di commutazione funzionano modificando il ciclo di lavoro del flusso di corrente su un ciclo di commutazione, quindi calcolando la media dell'uscita utilizzando un filtro. Durante una parte del ciclo scorre una corrente elevata con una caduta di tensione bassa. Durante l'altra parte del ciclo quasi nessuna corrente scorre con una caduta di tensione elevata. Nessuna di queste condizioni dissipa molta energia come il calore. Idealmente il potere perso diventa

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

che è, ovviamente, 0 W. Tipicamente gran parte dell'inefficienza nel mondo reale è dovuta alla perdita di potenza durante l'intervallo di commutazione molto breve tra le parti "on" e "off" del ciclo.

Di solito i regolatori di commutazione sono più efficienti, ma non sempre.

$V_{IN} - V_{OUT}$$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$, come dici. Questo è il caso ideale, in realtà il regolatore ha bisogno di un po 'di corrente per funzionare e potrebbe esserci un componente che dipende dalla corrente di uscita. Alcuni regolatori lineari LDO che dipendono da elementi di passaggio PNP laterali possono avere un consumo molto elevato vicino al dropout, forse 100 mA sprecati per corrente di uscita 1A (perché i transistor PNP realizzati con alcuni processi IC tendono ad avere un guadagno di corrente piuttosto scadente).

Un regolatore di commutazione ideale (buck) è simile al seguente:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Quando l'interruttore è un transistor e D1 può essere un diodo o può essere un altro transistor. Nel caso ideale, non esiste un meccanismo di perdita di energia . Il diodo si blocca perfettamente o conduce perfettamente, l'interruttore fa lo stesso, l'induttore non ha resistenza CC e il condensatore non ha ESR. Quindi il potere in è uguale al potere fuori. Naturalmente la realtà non può che avvicinarsi a quell'ideale. Ci saranno perdite che sono "generali" e perdite che aumentano con l'aumentare della corrente.

Si noti che l'induttore è una parte critica di questo circuito: se si tenta di ometterlo, la tensione inamovibile (a breve termine) su C1 verrebbe a contatto con la tensione inamovibile su Vin e la corrente diventerebbe infinita. In un circuito reale, SW1 avrebbe una certa resistenza e si surriscalderebbe come il transistor di passaggio nel regolatore lineare (tranne che produrrebbe anche tonnellate di EMI).

È noto che i regolatori a commutazione sono più efficienti dei regolatori lineari.

A un certo punto. Inserendo 3,5 V in un regolatore lineare LDO 3,3 V si ottiene un'efficienza del 94%. Sarebbe difficile trovare un regolatore di commutazione in grado di farlo.

So anche che il regolatore lineare deve dissipare la differenza tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita moltiplicata per la corrente sotto forma di calore.

Sì, ma i regolatori lineari devono assorbire tanta o leggermente più corrente per una data corrente di uscita, mentre i regolatori di commutazione scambiano la caduta della tensione di uscita con una diminuzione della corrente di ingresso e quindi di solito consumano meno energia rispetto a un regolatore lineare configurato in modo simile.

I commutatori ideali non dissipano energia. Prendono un po 'di energia dal lato input, lo memorizzano e poi lo rilasciano sul lato output.

L'energia viene immagazzinata in un campo magnetico all'interno di un induttore o in un campo elettrico in un condensatore.

A causa delle non idealità dei componenti reali, come l'ESR negli induttori, dissipano un po 'di potenza. Perdono anche un po 'di energia durante la commutazione del transistor. Una certa energia viene anche persa nel controller.

Ma perché questo non si applica ai regolatori di commutazione con le stesse condizioni

Per un regolatore lineare in serie, la sorgente fornisce energia il 100% del tempo e parte di questa potenza deve essere sprecata poiché (1) la tensione della sorgente (magnitudo) è maggiore del carico e (2) la corrente della sorgente deve essere leggermente maggiore di la corrente di carico.

Tuttavia, per un regolatore di commutazione, la sorgente fornisce energia solo per una frazione del periodo di commutazione. Durante questo periodo, parte dell'energia erogata dalla sorgente viene erogata al carico e il resto viene erogato agli elementi del circuito di accumulo di energia - si spreca molto poco.

Quindi, durante il tempo di inattività, gli elementi del circuito di accumulo dell'energia forniscono energia al carico.

Questa è la differenza cruciale: durante il tempo di accensione viene prelevata solo energia sufficiente per alimentare il carico in modo continuo.

Ad esempio, se il carico richiede 5 W continui, la sorgente potrebbe erogare 10 W il 50% delle volte e 0 W il restante 50% per una potenza media di 5 W. Gli elementi del circuito di accumulo dell'energia "livellano" il flusso di energia - assorbendo l'energia in eccesso durante il tempo di accensione e quindi erogandolo durante il tempo di spegnimento.

Un regolatore di commutazione buck-boost ideale può essere modellato come una coppia di tappi collegati direttamente all'ingresso e all'uscita, una bobina e alcuni circuiti di routing che possono passare tra tre configurazioni (un circuito solo buck, solo boost o invertente ne bastano solo due).

1. L'ingresso si collega all'uscita attraverso la bobina
2. La bobina è collegata direttamente attraverso l'ingresso
3. La bobina è collegata direttamente attraverso l'uscita

Supponiamo che i componenti si comportino in modo ideale (nessuna perdita resistiva o di commutazione, ecc.) I tappi della sorgente si trovano a 10 V, l'uscita assorbe 1A, lo switcher trascorre metà del tempo nella prima configurazione, metà nella terza e cicla abbastanza velocemente che il le tensioni del cappuccio e la corrente della bobina non hanno possibilità di cambiare molto durante ogni ciclo.

In stato "stabile", fatte salve le condizioni di cui sopra, la bobina avrà un amplificatore che la attraversa continuamente (poiché sarà sempre in serie con un carico che disegna 1 amp). Se il limite di uscita si trova a cinque volt, metà del tempo la bobina avrà + 5V su di essa e metà del tempo avrà -5V, quindi in media la sua corrente rimarrà a 1 amp. La metà delle volte il cappuccio della sorgente avrà un amplificatore rimosso (quando è collegato alla bobina) e la metà del tempo non ne avrà nessuno, quindi la sorgente vedrà mezzo amp di assorbimento di corrente.

Il modo più semplice per vedere come un commutatore può assorbire meno corrente dalla sorgente di quanto il carico trae da essa è quello di guardare dove gli elettroni stanno scorrendo: metà degli elettroni che attraversano il carico verrà dalla sorgente e metà sarà commutato per bypassare la fonte. Pertanto, il carico avrà il doppio della corrente che lo attraversa rispetto alla sorgente.

Per annoiare tutti con la buona vecchia analogia del flusso d'acqua, aggiungerò questo: supponiamo di avere tre livelli di altezza H ₁ , H _½ , H ₀ ; una fornitura di acqua proviene da H ₁ , quindi scorre a H _½ un po 'verso la sua destinazione, un mulino o qualcosa del genere, e poi di nuovo completamente su H ₀ . Il regolatore è al passaggio da H ₁ a H _½ .

• Un regolatore lineare è una cascata: gli elettroni scendono fragorosamente e rilasciano il loro potenziale come energia termica nell'ambiente. La corrente su H _½ sarà la stessa di H ₁ .

• Uno switcher non solo lascia scorrere l'acqua verso il basso, ma la abbassa in modo controllato parzialmente in secchi. Ogni secchio che scende da H _{1 ha} bisogno di un contrappeso, la cosa naturale da usare è un altro secchio d'acqua , da H ₀ !