Perché i regolatori di commutazione buck (step-down) richiedono un induttore e un diodo?

Quindi, capisco, almeno a livello base, il metodo di funzionamento dei convertitori, sia buck che boost. Ciò che mi confonde, tuttavia, è perché i convertitori buck in particolare non sono più semplici.

Perché non costruire un convertitore buck come interruttore che carica un condensatore, con l'interruttore controllato da un comparatore che confronta la tensione di uscita con un riferimento? Non sarebbe molto più semplice, ti permetterebbe di usare un condensatore disponibile più facilmente ed economicamente al posto dell'induttore e di saltare completamente il diodo?

I convertitori Buck sono semplici come i convertitori boost. In realtà, sono esattamente lo stesso circuito, appena visto all'indietro, se abbiamo la libertà di scegliere quale interruttore (tra i due) funzionerà come interruttore controllato (o entrambi, se si tratta di un convertitore sincrono).

Per quanto riguarda il tuo secondo paragrafo, se lo facessi, subiresti delle perdite. Più che con un regolatore commutato basato su induttore e molto più che con un regolatore lineare. Ogni volta che si collega una sorgente di tensione a un condensatore la cui tensione iniziale non è la stessa di quella della sorgente di tensione, si spreca inevitabilmente energia. Anche se non vedi un resistore esplicito, nella vita reale è lì, e (curiosamente) non importa quanto sia piccolo, sprecherà quella stessa quantità di energia. Vedi qui .

Le pompe di carica funzionano come dici tu, ma sono meno efficienti dei regolatori commutati basati su induttori.

Quindi, questa è la giustificazione per - apparentemente inutile - aggiunta complessità dei regolatori commutati basati su induttori.

Altro : Per provare a darti l'intuizione del perché esistono convertitori buck e boost, vedi questa figura.

Se si tenta di spostare l'energia tra due fonti di tensione non uguali o tra due fonti di corrente non uguali, si avranno inevitabili perdite. D'altra parte, puoi spostare l'energia (e persino fare un ridimensionamento della tensione o della corrente lungo la strada) senza alcuna perdita, se colleghi una sorgente di tensione a una sorgente di corrente. L'elemento fisico passivo che assomiglia di più a una sorgente corrente è un induttore. Ecco perché esistono regolatori commutati basati su induttori.

Le pompe di carica sarebbero sulla colonna di sinistra. La loro massima efficienza teorica è inferiore al 100% (l'efficienza effettiva dipende dalla differenza di tensioni e dalle capacità). I regolatori commutati basati su induttori sono nella colonna di destra. La loro massima efficienza teorica è del 100% (!).

Il problema con quello che stai descrivendo è attuale. In un convertitore buck, è possibile ottenere una media di 10A con solo 5A in ingresso, poiché gli altri 5A raggiungono l'uscita attraverso il diodo. E il diodo è polarizzato solo in avanti a causa del calcio induttivo. Senza l'induttore e il diodo, c'è solo un percorso per far scorrere la corrente verso l'uscita, e questo è uscito direttamente dall'ingresso. Con tale topologia, se la corrente di uscita media è 10A, anche la corrente di ingresso media deve essere 10A. E se stai perdendo tensione dall'ingresso all'uscita, mentre la corrente rimane la stessa, l'energia persa viene dissipata come calore. Ciò vanifica in primo luogo lo scopo di utilizzare un regolatore di commutazione anziché un regolatore lineare.

Inoltre, se prendi due tappi a tensioni diverse e chiudi semplicemente un interruttore tra loro, la corrente istantanea sarà molto, molto grande. Modella ogni cappuccio come una sorgente di Thevenin, un perfetto alimentatore di tensione con una resistenza in serie. La resistenza del percorso tra le due sorgenti perfette sarà la resistenza allo stato on del dispositivo di commutazione, più l'ESR di entrambi i tappi. L'ESR dei tappi sarà probabilmente dell'ordine di 1 mOhm, se non di molto inferiore. La resistenza allo stato on di un transistor può variare, ma probabilmente non supera i 100 mOhm. Quindi, se si ha una differenza di 10 V tra ingresso e uscita, la corrente di ingresso / commutazione istantanea all'accensione dell'interruttore sarà di almeno 100 A e possibilmente alta quanto migliaia di ampere.

Ovviamente, avrai solo quei picchi ogni tanto, a seconda del carico di uscita e della tenuta del tuo ciclo di confronto. Il resto del tempo, la corrente di input / switch è zero. Quindi potresti ottenere una media di 1A, ma ciò che vede l'ingresso sono picchi di 1000A con un duty cycle dell'1%. Regolari picchi di corrente di grandi dimensioni come quello stanno per causare una corretta fusione; la corrente RMS di quel tipo di onda finisce per essere qualcosa come 18 volte la corrente media! Richiedono anche un interruttore più robusto, che non si saturierà con correnti istantanee così elevate. Per non parlare del rumore elettromagnetico che la disposizione avrebbe rimandato!

Meglio lasciare il transistor in modalità analogica e regolare semplicemente la sua tensione di gate in modo che la resistenza di drain-source mantenga il cappuccio di uscita alla tensione desiderata. E lì hai un regolatore lineare.

Nick - Lascerò ampiamente la discussione del convertitore induttore ad altri e mi rivolgerò a:

Perché non costruire un convertitore buck come interruttore che carica un condensatore, con l'interruttore controllato da un comparatore che confronta la tensione di uscita con un riferimento? Non sarebbe molto più semplice, ti permetterebbe di usare un condensatore disponibile più facilmente ed economicamente al posto dell'induttore e di saltare completamente il diodo?

Utilizzando metodi MOLTO speciali è possibile realizzare convertitori di condensatori che trasformano efficacemente l'energia da un livello di tensione a un altro. MA i metodi semplicistici falliscono male. Un convertitore di condensatore a stadio singolo che dimezza la tensione scaricando la carica da un condensatore a un altro di pari capacità ha un'efficienza TEORICA del 50% e una pratica non superiore a quella teorica e probabilmente inferiore. Ciò è dovuto alla semplice applicazione delle "leggi della fisica". La sfortunata realtà è che i requisiti per raggiungere una buona efficienza sono soddisfatti molto più facilmente con un convertitore di base induttore che con un condensatore.

Prova questo semplice esperimento mentale.
Prendi due condensatori C1 e C2 di uguale capacità.
Carica C1 per dire 10 V.
Una formula di base relativa a carica e capacità è V = kQ / C
dove V è la tensione del condensatore, k è una costante, Q è la carica e C = capacità. Ora collega C2 a C1.
L'addebito in C1 verrà ora condiviso equamente tra C1 e C2.
Quindi la tensione su ciascun condensatore è 5 V - o perché la carica su ciascuno è metà originale o perché la capacità è raddoppiata - 2 modi di vedere la stessa cosa.

Fin qui tutto bene.

MA l'energia in un condensatore è 0,5 x C x V ^ 2.

Inizialmente sopra E = 0,5 x C x 10 ^ 2 = unità energetiche 50C.
Dopo aver combinato l'energia dei due condensatori per tappo = 0,5 x C x 5 ^ 2 o per
energia a due tappi = 2 x 0,5 x C x 5 ^ 2 = 25C ​​Unità energetiche.
Oh caro ! :-(.
Semplicemente combinando i due condensatori e facendoli condividere la carica, abbiamo FALSO l'energia presente!
Metà dell'energia è stata persa nel processo!
Questo fatto insolitamente bizzarro e inspiegabile è dovuto alle perdite di energia resistiva durante il trasferimento. MIGLIORE perdiamo metà dell'energia se la tensione si dimezza in questo modo. Il risultato minimo di energia persa è lo stesso sia che utilizziamo un grande valore di resistenza per trasferire energia o una resistenza di valore molto basso come un pezzo di filo - una piccola frazione di un ohm. In quest'ultimo caso otteniamo correnti estremamente elevate.

Una soluzione "ovvia" è "posizionare i condensatori uno sopra l'altro" per caricarli e posizionarli in parallelo per scaricarli. Questo funziona! Per un ciclo. Efficienza teorica = 100%. In questo caso, in pratica in questo caso sono necessari almeno 2 interruttori di commutazione con complessità e perdite e funziona solo per un rapporto 2: 1. Peggio ancora, se riduciamo la tensione di protezione con carico, quindi deve essere rigenerata per il ciclo successivo, scopriamo che la ricarica ha le stesse perdite resistive di prima. Otteniamo un'efficienza teorica del 100% solo se non estraiamo energia :-(.
Una soluzione consiste nel far cadere la tensione del condensatore solo in una quantità molto piccola e ricaricarla solo in una piccola quantità. Se lo facciamo, l'efficienza può essere vicina al 100% MA abbiamo bisogno di grandi tappi per corrente di carico (poiché la maggior parte della capacità viene utilizzata solo per mantenere costante la tensione) e abbiamo ancora solo un rapporto di conversione 2: 1. Altri rapporti possono essere raggiunti ma è fastidioso, diventa complesso e costoso e presenta pochi o nessun vantaggio rispetto all'uso degli induttori nella maggior parte dei casi. Alcuni convertitori molto specializzati lavorano in questo modo ma sono rari. E puoi acquistare circuiti integrati convertitori su o giù con alcuni rapporti fissi come 2: 1, 3: 1, 4: 1 ma di solito sono a bassa potenza, Vout si abbassa con carico (Zout più alto di quanto è bello) e di solito sono inferiori in molti modi a un convertitore basato su induttore.

Questo è il motivo per cui di solito vedi un bel convertitore buck semplice ed economico in uso per lo stepdown della tensione. L'attuale convertitore utilizza 1 x L, 1 x D, 1 x interruttore (MOSFET o altro) e il resto è "colla" o miglioramenti. Il controller può anche essere molto semplice.

Sarebbe impossibile mantenere costante la tensione del condensatore. Ogni volta che si chiude l'interruttore, si scarica una tensione (quale tensione?) Su di essa e la tensione aumenterebbe a causa di un picco di corrente elevato. Anche al condensatore non piacerebbe. E perderai molta energia nel passaggio.

In un commutatore la bobina fa sì che la corrente che carica il condensatore aumenti uniformemente e che in media segua la corrente di carico. Il diodo è necessario per l'apertura dell'interruttore. In quel momento la bobina ha creato un campo magnetico la cui energia deve andare da qualche parte. Il diodo chiude il circuito che consente alla corrente della bobina di fluire.

Grazie a dispositivi di commutazione più avanzati, i convertitori buck sono molto più semplici da costruire in questi giorni di quanto suggerirebbe la loro teoria del funzionamento. E possono raggiungere un'efficienza fino al 95%, che accendere e spegnere un condensatore non può mai fare.

Il modo più semplice per comprendere la necessità del diodo è di pensare a quante volte gli elettroni possono attraversare il carico per ogni volta che passano attraverso l'alimentazione. Se non è presente un diodo, ogni elettrone che attraversa il carico deve ritornare attraverso l'alimentazione prima di poter rivisitare il carico. L'aggiunta del diodo consente ad alcuni elettroni di visitare il carico, passare attraverso il diodo e visitare nuovamente il carico senza dover tornare indietro attraverso l'alimentazione. La bobina è necessaria perché senza di essa gli elettroni che attraversano il carico e raggiungono il diodo non avranno abbastanza energia per attraversare il diodo e visitare nuovamente il carico. La bobina assorbe l'energia in eccesso dagli elettroni che arrivano freschi dall'alimentazione e quindi li alimenta agli elettroni di ricircolo.

È possibile ridurre una tensione CC con un rapporto di resistenza, uno in serie, Rs e la resistenza, RL e caricare in shunt su comune, ma si sa che non è efficiente con perdita di potenza = V * I nella serie Rs.

Puoi scendere con un rapporto resistore commutato (come hai suggerito) e quindi la resistenza in serie è una funzione del duty cycle e commuta la resistenza in serie effettiva (ESR),

quindi Rs = ESR / T {dove T è tempo ON / tempo ciclo per T = 0 a 1}

Ora il tuo carico ha bisogno di capacità per stabilizzare la tensione e forse uno zener attivo e ci saranno ancora perdite nel resistore serie. Considerare un rapporto 10: 1, quindi la corrente è 10 volte più alta ma in 1/10 del tempo, quindi P = V * I * T, la perdita di potenza è la stessa di un regolatore lineare. Ha senso?

L'induttore fornisce la corrente costante mentre si abbassa la tensione. Poiché la corrente è in gran parte reattiva e sfasata per il segnale CA commutato come orologio come dispositivo di riduzione, è molto più efficiente. Ha senso? Rendo l'impedenza reattiva molto più bassa del carico, puoi diventare ancora più efficiente. Ciò significa aumentare la velocità di commutazione e il valore di induttanza. Ma la saturazione di ferrite raggiunge un limite di corrente pratico ed è fondamentale utilizzare la ferrite con intercapedine d'aria per correnti molto più grandi.