Como funcionam os circuitos Buck-Boost

Todos nós já ouvimos falar muito sobre circuitos buck e boost e sabemos que basicamente esses circuitos são usados ​​nos projetos SMPS para aumentar ou diminuir uma determinada tensão de entrada. O interessante dessa tecnologia é que ela habilita as funções acima com geração desprezível de calor, resultando em conversões extremamente eficientes.

O que é Buck-Boost, como funciona

Vamos aprender o conceito na primeira seção sem envolver muitos detalhes técnicos para facilitar a compreensão do que é exatamente o conceito de arrecadar dinheiro para iniciantes.

Entre as três topologias fundamentais chamadas buck, boost e buck-boost, a terceira é mais popular, pois permite que ambas as funções (buck boost) sejam usadas através de uma única configuração, simplesmente alterando os pulsos de entrada.

Na topologia do buck-boost, temos principalmente um componente de comutação eletrônica que pode estar na forma de um transistor ou um mosfet. Este componente é comutado através de um sinal pulsante de um circuito de oscilador integrado.

Além do componente de comutação acima, o circuito possui um indutor, diodo e capacitor como ingredientes principais.


Todas essas partes estão organizadas da maneira que pode ser vista no diagrama a seguir:

Referindo-se ao diagrama de inversão de inversão acima, o mosfet é a parte que recebe os pulsos que o obriga a operar sob duas condições: estado ON e estado OFF.

Durante o estado LIGADO, a corrente de entrada obtém um caminho claro através do mosfet e tenta atravessar instantaneamente o indutor, pois o diodo é colocado no estado de polarização reversa.

O indutor, devido à sua propriedade inerente, tenta restringir a repentina imposição de corrente e, em uma resposta compensatória, armazena uma certa quantidade de corrente nele.

Agora, assim que o mosfet é desligado, ele entra no estado OFF e bloqueia qualquer passagem da corrente de entrada.

Novamente, o indutor não pode lidar com essa mudança repentina de corrente de uma dada magnitude para zero e, em resposta para compensar isso, ele retorna sua corrente armazenada através do diodo através da saída do circuito.

No processo, a corrente também é armazenada no capacitor.


Durante o próximo estado ON do mosfet, o ciclo se repete como acima, no entanto, sem corrente disponível do indutor, o capacitor descarrega a energia armazenada na saída, ajudando a manter a saída estável no grau otimizado.

Você pode estar se perguntando qual fator decide os resultados BUCK ou BOOST na saída. É bastante simples, depende de quanto tempo o mosfet pode permanecer no estado ON ou OFF.

Com o aumento do tempo de mosfet no tempo, o circuito começa a se transformar em um conversor Boost, enquanto o tempo de desligamento do mosfet que excede o tempo de espera faz com que o circuito se comporte como um conversor Buck.

Portanto, a entrada no mosfet pode ser feita através de um circuito PWM otimizado para obter as transições necessárias através do mesmo circuito.

Explorando a topologia Buck / Boost em circuitos SMPS Mais tecnicamente:

Conforme discutido na seção anterior, as três topologias fundamentais usadas popularmente nas fontes de alimentação de comutação são ampliações de aumento, aumento e aumento.

Eles são basicamente não isolados, onde o estágio de potência de entrada compartilha uma base comum com a seção de potência de saída. Obviamente, também podemos encontrar versões isoladas, embora bastante raras.

As três topologias expressas acima podem ser distinguidas de uma maneira única, dependendo de suas propriedades exclusivas. As propriedades podem ser identificadas como as taxas de conversão de tensão em estado estacionário, a natureza das correntes de entrada e saída e o caráter da flutuação da tensão de saída.

Além disso, a resposta em frequência do ciclo de trabalho ao funcionamento da tensão de saída pode ser considerada como uma das propriedades importantes.

Entre as três topologias mencionadas acima, a topologia de reforço de buck é a mais preferida, pois permite que a saída trabalhe com tensões inferiores à tensão de entrada (modo buck) e também produz tensões acima da tensão de entrada (modo boost).

No entanto, a tensão de saída sempre pode ser adquirida com a polaridade oposta à entrada, o que não cria um problema.

A corrente de entrada aplicada a um conversor buck boost é a forma de uma corrente pulsante devido à comutação do interruptor de alimentação associado (Q1).

Aqui, a corrente muda de zero para 1 durante cada ciclo de pulso. O mesmo vale para a saída e obtemos uma corrente pulsante devido ao diodo associado que está dirigindo apenas em uma direção, causando uma situação de pulsação ON e OFF durante o ciclo de comutação. .


O capacitor é responsável por fornecer a corrente de compensação quando o diodo está no estado desligado ou polarizado inversamente durante os ciclos de comutação.

Este artigo explica a funcionalidade do estado estacionário do conversor buck-boost na operação em modo contínuo e descontínuo, com formas de onda exemplares apresentadas.

O ciclo de trabalho para a funcionalidade de troca de tensão de saída é introduzido após a introdução do design do comutador PWM.

A Figura 1 é um esquema simplista do estágio de potência de reforço com um bloco de circuito de acionamento adicional. O interruptor Q1 é um MOSFET de n canais. O diodo de saída é CR1.

O indutor, L, e o capacitor, C, constituem a filtragem de saída eficiente. O capacitor ESR, RC, (resistência em série equivalente) e a resistência CC do indutor, RL, são discutidos no. A resistência, R, corresponde à carga identificada pela saída do estágio de potência.

Como funcionam os circuitos Buck-Boost do SMPS

No curso da funcionalidade regular do amplificador de potência de ampliação, o Q1 é constantemente ligado e desligado, com os tempos de ligado e desligado regidos pelo circuito de controle.

Esse comportamento de comutação permite uma cadeia de pulsos na junção de Q1, CR1 e L.

Embora o indutor, L, esteja conectado ao capacitor de saída C, se apenas o CR1 conduzir, um filtro de saída L / C bem-sucedido é estabelecido. Limpa a sequência de pulsos para resultar em uma tensão de saída CC.

Análise de estado estacionário do estágio Buck-Boost

Um estágio de potência pode operar em uma configuração de corrente de indutor contínua ou descontínua. O modo de corrente direta do indutor é identificado pela corrente direta no indutor durante a sequência de comutação no processo de estado estacionário.

O modo de corrente descontínua do indutor é identificado pela corrente restante do indutor zero durante uma seção do ciclo de comutação. Começa em zero, se estende ao valor máximo e retorna a zero no decorrer de cada padrão de chave.

Os dois métodos diferentes são mencionados com mais detalhes posteriormente e modelos para o valor do indutor são sugeridos para manter um modo selecionado de funcionalidade conforme a capacidade de carga nominal é apresentada. É bastante favorável que um conversor esteja em um único formato apenas acima das circunstâncias operacionais esperadas, uma vez que a resposta de frequência do amplificador de potência altera substancialmente as duas técnicas operacionais diferentes.

Com essa avaliação, um MOSFET de potência de canal n é empregado e uma tensão positiva, VGS (ON), é fornecida do portão aos terminais da fonte Q1 pelo circuito de controle para ativar o FET. O benefício de empregar um FET de canal n é seu RDS mais baixo (ativado), no entanto, o circuito de controle é complicado porque é necessário um disco suspenso. Para dimensões de pacote idênticas, um FET de canal p tem um RDS mais alto (ativado), no entanto, normalmente não precisa de um circuito de acionamento flutuante.

O transistor Q1 e o diodo CR1 são ilustrados dentro de um contorno de linha tracejada com os terminais rotulados a, p e c. É discutido em profundidade na parte de modelagem do amplificador de potência Buck-Boost.

Análise do modo de condução contínua em estado estacionário Buck-Boost

A seguir, é apresentada uma descrição do aumento de investimento que funciona em operação de estado estacionário no método de direção contínua. O principal objetivo desse segmento seria apresentar uma derivação da taxa de transformação de tensão para o estágio de potência de reforço do modo de condução contínua.

Isso será significativo, pois indica como a tensão de saída é determinada pelo ciclo de trabalho e pela tensão de entrada ou, inversamente, como o ciclo de trabalho pode ser determinado, dependendo da tensão de entrada e da tensão de saída. .

O estado estacionário significa que a tensão de entrada, a tensão de saída, a corrente de carga de saída e o ciclo de trabalho são constantes e não variáveis. Geralmente, são fornecidas letras maiúsculas em rótulos variáveis ​​para sugerir uma magnitude de estado estacionário. No modo de direção contínua, o conversor buck-boost leva alguns estados por ciclo de comutação.

O estado LIGADO é sempre que Q1 é LIGADO e CR1 é DESLIGADO. O estado OFF é toda vez que Q1 está desativado e CR1 está ativado. Um circuito linear fácil pode simbolizar cada um dos dois estados nos quais os interruptores no circuito são substituídos pelo circuito correspondente no decorrer de cada estado. O diagrama do circuito para cada uma das duas condições é apresentado na Figura 2.

Como funcionam os circuitos Buck Boost

O período da condição ON é D × TS = TON, em que D é o ciclo de serviço, definido pelo circuito de acionamento, representado como uma razão do período ON para o período de uma única sequência de comutação completa, Ts.

O comprimento do estado OFF é conhecido como TOFF. Como apenas um par de condições pode ser encontrado por ciclo de comutação para o modo de direção contínua, TOFF é igual a (1 – D) × TS. A magnitude (1 – D) é chamada ocasionalmente de D ‘. Esses períodos são apresentados juntamente com as formas de onda na Figura 3.

Observando a Figura 2, no estado LIGADO, Q1 oferece uma resistência reduzida, RDS (ativada), desde o dreno até a fonte e exibe uma queda de tensão mais baixa de VDS = IL × RDS (ativada).

Além disso, há uma pequena queda de tensão na resistência CC do indutor igual a IL × RL.

Assim, a tensão de entrada, VI, menos déficit (VDS + IL × RL), é aplicada no indutor, L. CR1 está DESLIGADO nesse período, pois inverteria a polarização.

A corrente do indutor, IL, passa da fonte de entrada VI até Q1 e aterra. No decurso do estado LIGADO, a tensão colocada no indutor é constante e a mesma que VI – VDS – IL × RL.

Seguindo a norma de polaridade para a corrente IL apresentada na Figura 2, a corrente do indutor aumenta devido à tensão executada. Além disso, como a tensão aplicada é fundamentalmente consistente, a corrente do indutor aumenta linearmente. Este aumento na corrente do indutor ao longo de TON é mostrado na Figura 3.

O nível pelo qual a corrente do indutor aumenta é geralmente determinado usando uma forma bem conhecida da fórmula:

Fórmula de circuito SMPS Buck-Boost

O aumento da corrente do indutor no estado ON é apresentado como:

Essa magnitude, ΔIL (+), é chamada corrente de ondulação do indutor. Observe também que, nesse intervalo, cada bit da corrente de carga de saída entra pelo capacitor de saída C.

Referindo-se à Figura 2, enquanto Q1 está DESLIGADO, ele oferece uma impedância mais alta do seu dreno para a fonte.

Consequentemente, como a corrente em funcionamento no indutor L não pode ser ajustada instantaneamente, a corrente muda de Q1 para CR1. Como resultado da redução da corrente do indutor, a tensão no indutor reverte a polaridade até que o retificador CR1 seja polarizado para a frente e LIGADO.

A tensão conectada através de L se torna (VO – Vd – IL × RL), onde a magnitude, Vd, é a queda direta de tensão de CR1. A corrente do indutor, IL, neste momento passa do capacitor de saída e da disposição do resistor de carga através de CR1 e para a linha negativa.

Observe que o alinhamento do CR1 e o caminho do fluxo de corrente no indutor significa que a corrente funcionando no grupo de capacitores de saída e resistores de carga leva o VO a uma tensão negativa. Durante o estado OFF, a tensão conectada através do indutor é estável e a mesma que (VO – Vd – IL × RL).

Preservando nossa convenção de polaridade semelhante, essa tensão conectada é negativa (ou polaridade reversa da tensão conectada ao longo do tempo LIGADO), devido ao fato de a tensão de saída VO ser negativa.

Portanto, a corrente do indutor diminui ao longo do tempo de desligamento. Além disso, como a tensão conectada é basicamente estável, a corrente do indutor é linearmente reduzida. Essa redução na corrente do indutor ao longo do TOFF é descrita na Figura 3.

A redução de corrente do indutor através da situação de desligamento é fornecida por:

Essa magnitude, ΔIL (-), pode ser chamada de corrente de ondulação do indutor. Em situações de estado estacionário, o aumento da corrente, ΔIL (+), ao longo do tempo LIGADO e a diminuição da corrente durante o tempo de DESLIGAMENTO, ΔIL (-), devem ser idênticos.

Ou, a corrente do indutor poderia oferecer um aumento ou diminuição geral de ciclo para ciclo que não seria uma circunstância de condição estável.

Portanto, ambas as equações podem ser equacionadas e calculadas para que o VO adquira a condução contínua da afiliação de mudança de tensão de impulso:

Determinação do VO:

Além de substituir TS por TON + TOFF e usar D = TON / TS e (1 – D) = TOFF / TS, a equação de estado estacionário do VO é:

Observe que, simplificando o exposto acima, presume-se que TON + TOFF seja semelhante ao TS. Isso pode ser genuíno apenas para o modo de direção contínua, como descobriremos na avaliação do modo de direção descontínua. Um exame essencial deve ser feito neste momento:

Definir os dois valores de ΔIL no par é exatamente o mesmo que nivelar os volt-segundos no indutor. Os segundos-volt usados ​​no indutor são o produto da voltagem usada e o período durante o qual a voltagem é aplicada.

Essa pode ser a maneira mais eficaz de estimar quantidades não identificadas, por exemplo, VO ou D com relação aos parâmetros comuns do circuito, e essa abordagem será usada com frequência neste artigo. A estabilização de volt-segundos no indutor é um requisito natural e deve ser percebido pelo menos adicionalmente como a Lei de Ohm.

Nas equações acima para ΔIL (+) e ΔIL (-), a tensão de saída foi implicitamente assumida como consistente sem nenhuma tensão de ondulação CA durante o tempo ON e OFF.

Essa é uma simplificação aceita e traz alguns resultados individuais. Primeiro, acredita-se que o capacitor de saída tenha tamanho adequado para que sua conversão de tensão seja mínima.

Segundo, a tensão do capacitor ESR também é considerada mínima. Tais suposições são legítimas, uma vez que a tensão de ondulação CA será definitivamente menor do que a porção CC da tensão de saída.

A alteração de tensão acima para o VO demonstra a verdade de que o VO pode ser ajustado ajustando o ciclo de serviço, D.

Essa conexão é desenhada perto de zero quando D chega perto de zero e aumenta sem destino quando D se aproxima de 1. Uma simplificação típica considera que VDS, Vd e RL são pequenos o suficiente para serem negligenciados. Ao definir VDS, Vd e RL como zero, a fórmula acima é bastante simplificada para:

Um método qualitativo menos complicado de visualizar a operação do circuito seria visualizar o indutor como parte do armazenamento de energia. Toda vez que Q1 é ligado, a energia é derramada no indutor.

Enquanto Q1 está desligado, o indutor retorna parte de sua energia ao capacitor de saída e à carga. A tensão de saída é regulada ajustando o Q1 no tempo. Por exemplo, aumentando o tempo de ativação Q1, a quantidade de energia enviada ao indutor é amplificada.

Posteriormente, energia adicional é enviada à saída durante o tempo de inatividade do primeiro trimestre, causando um aumento na tensão de saída. Ao contrário do estágio de potência do inversor, a magnitude típica da corrente do indutor não é a mesma que a corrente de saída.

Para associar a corrente do indutor à corrente de saída, observando as Figuras 2 e 3, observe que a corrente do indutor apenas na saída está no estado desligado do estágio de energia.

Essa corrente calculada sobre uma sequência de comutação completa é igual à corrente de saída, pois a corrente aproximada no capacitor de saída deve ser equivalente a zero.

A conexão entre a corrente média do indutor e a corrente de saída do estágio de potência de reforço em modo contínuo é fornecida por:

Outro ponto de vista significativo é o fato de que a corrente típica do indutor é proporcional à corrente de saída e, como a corrente de ondulação do indutor, ΔIL, não está relacionada à corrente de carga de saída, os valores mínimos e maior corrente do indutor segue com precisão a corrente média do indutor.

Por exemplo, se a corrente média do indutor diminuir em 2A devido a uma redução da corrente de carga, os valores mais baixos e mais altos da corrente do indutor serão reduzidos em 2A (considerando que o modo de condução é preservado continue).

A avaliação anterior foi para a funcionalidade do estágio de potência de reforço de buck no modo de corrente contínua do indutor. O próximo segmento é uma explicação da funcionalidade de estado estacionário no modo de direção descontínua. O resultado primário é uma derivação da taxa de conversão de tensão para o estágio de potência de pulso de impulso no modo de direção descontínua.

Avaliação do modo de condução descontínua do reforço em estado estacionário

Neste ponto, examinamos o que acontece quando a corrente de carga é reduzida e o modo de condução muda de contínuo para descontínuo.

Lembre-se de que, no modo de condução contínua, a corrente média do indutor segue a corrente de saída, ou seja, no caso de a corrente de saída cair, a corrente média do indutor também.

Além disso, os picos mais altos e mais baixos da corrente do indutor rastreiam com precisão a corrente média do indutor. No caso de a corrente de carga de saída cair abaixo do nível de corrente fundamental, a corrente do indutor seria zero para parte da sequência de comutação.

Isso ficaria evidente nas formas de onda apresentadas na Figura 3, porque o nível pico a pico da corrente de ondulação não pode ser alterado com a corrente de carga de saída.

Em um estágio de potência de reforço, se a corrente do indutor tentar ficar abaixo de zero, ela simplesmente pára em zero (devido ao movimento de corrente unidirecional em CR1) e continua lá até o início da ação de comutação subsequente. Este modo de trabalho é conhecido como modo de condução descontínuo.

Um estágio de potência operacional do circuito de reforço de reversão no formato de condução descontínua possui três estados distintos em cada ciclo de comutação, em contraste com 2 estados para o formato de condução contínua.

A Figura 4 apresenta o estado atual do indutor no qual o estágio de potência está na periferia entre o ajuste contínuo e o descontínuo.

Nesse caso, a corrente do indutor simplesmente cai para zero, enquanto o próximo ciclo de comutação começa logo após a corrente atingir zero. Observe que os valores de IO e IO (Crit) são apresentados na Figura 4, pois IO e IL incluem polaridades opostas.

Uma redução adicional na corrente de carga de saída define o estágio de potência em um padrão de condução descontínuo. Esta condição é desenhada na Figura 5.

A resposta em frequência do amplificador de potência em modo descontínuo é bastante diferente da resposta em frequência em modo contínuo que é apresentada no segmento de modelagem de amplificador de potência Buck-Boost. Além disso, a conexão de entrada e saída é bastante diversa, conforme apresentado nesta página:

Para começar a derivar a taxa de mudança de tensão do estágio de potência de reforço de buck do modo de unidade descontínua, lembre-se de que ele possui três estados distintos que a unidade considera através da funcionalidade do modo de unidade descontínua.

O estado LIGADO é quando Q1 está LIGADO e CR1 está DESLIGADO. O estado DESLIGADO é quando Q1 está DESLIGADO e CR1 está LIGADO. A condição IDLE é quando cada Q1 e CR1 estão desativados. As duas condições iniciais são muito semelhantes à situação do modo contínuo e os circuitos na Figura 2 são relevantes, além do TOFF ≠ (1 – D) × TS. O restante da sequência de comutação é o estado IDLE.

Além disso, a resistência CC do indutor de saída, a queda de tensão direta do diodo de saída, bem como a queda de tensão do estado MOSFET ON de energia geralmente são consideradas pequenas o suficiente para serem ignoradas.

O período de tempo LIGADO é TON = D × TS, em que D é o ciclo de serviço, definido pelo circuito de controle, indicado como uma razão entre o tempo ligado e o tempo de uma sequência de comutação completa, Ts. O comprimento do estado OFF é TOFF = D2 × TS. O período de inatividade é o restante do padrão de comutação que é apresentado como TS – TON – TOFF = D3 × TS. Esses períodos são apresentados com as formas de onda na Figura 6.

Sem verificar a descrição completa, as equações para a subida e descida da corrente do indutor estão listadas abaixo. O aumento da corrente do indutor no estado ON é emitido por:

A quantidade de corrente de ondulação, ΔIL (+), também é a corrente máxima do indutor, Ipk, pois no modo descontínuo, a corrente começa em 0 a cada ciclo. A redução da corrente do indutor no estado OFF é apresentada por:

Como na situação do modo de direção contínua, o aumento atual, ΔIL (+), ao longo do tempo ON e a redução atual, enquanto no tempo OFF, ΔIL (-), são idênticos . Portanto, ambas as equações podem ser correspondidas e tratadas para que o VO adquira a inicial de duas equações que serão usadas para resolver a taxa de conversão de tensão:

Em seguida, determinamos a corrente de saída (a tensão de saída VO dividida pela carga de saída R). É a média de uma sequência de comutação da corrente do indutor no momento em que CR1 se torna condutor (D2 × TS).

Aqui, substitua a conexão por IPK (ΔIL (+)) na equação acima para adquirir:

Portanto, temos duas equações, a da corrente de saída (VO dividida por R) recém derivada e a da tensão de saída, ambas em relação a VI, D e D2. Neste ponto, desvendamos cada fórmula para D2 e ​​também organizamos as duas equações em conjunto.

Usando a equação resultante, uma ilustração pode ser obtida para a tensão de saída, VO. A afiliação da transformação de tensão de pulso de impulso no modo de condução descontínua é escrita por:

A conexão acima mostra uma das principais diferenças entre os dois modos de condução. Para o modo de condução descontínua, a taxa de mudança de tensão é uma função da tensão de entrada, ciclo de trabalho, indutância do estágio de potência, frequência de comutação e resistência da carga de saída.

Para o modo de condução contínua, a conexão de mudança de tensão é influenciada apenas pela tensão de entrada e pelo ciclo de serviço. Em aplicações tradicionais, o estágio de potência de inversão aumenta em uma escolha entre o modo de direção contínua ou o modo de direção descontínua. Para um uso específico, um modo de direção é escolhido ao executar o estágio de potência para manter o modo idêntico.



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

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Veja na FONTE até ser revisado o post.

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