Vinte tipos de topologia de fonte de alimentação chaveada

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2022-03-17 129

O que é topologia? A chamada topologia de circuito é o método de conexão de dispositivos de potência e componentes eletromagnéticos no circuito, e o projeto de componentes magnéticos, circuito de compensação de malha fechada e todos os outros componentes do circuito dependem da topologia. As topologias mais básicas são conversores buck, boost e boost/buck, flyback isolado, forward, push-pull, meia ponte e ponte completa.
Existem cerca de 14 topologias comuns de fonte de alimentação chaveada, cada uma com suas próprias características e ocasiões aplicáveis. O princípio de seleção é ver se há saída de alta ou baixa potência, alta ou baixa tensão e se há o mínimo de componentes possível.
Portanto, é muito importante estar familiarizado com as vantagens, desvantagens e campos de aplicação das diferentes topologias para selecionar adequadamente as topologias. A escolha errada fará com que o projeto da dieta esteja fadado ao fracasso desde o início. A seguir, um resumo de 20 topologias básicas de fonte de alimentação chaveada para ajudar o sistema a dominar o princípio de funcionamento e as características básicas de cada estrutura de circuito.

Comparação de 20 topologias de fontes de alimentação chaveadas

Topologia básica comum de: ■ Buck step-down ■ Boost boost ■ Buck-Boost buck-boost ■ Flyback flyback ■ Excitação direta para frente ■ Dois transistores para frente transistor duplo para frente ■ Push-Pull push-pull ■ Meia ponte Meia ponte ■ Ponte completa Ponte Completa ■ SEPIC ■ C'uk

Forma de onda básica de modulação por largura de pulso de

Essas topologias estão todas relacionadas a circuitos de comutação, e a forma de onda básica da modulação por largura de pulso é definida da seguinte forma:

、Buck 降压

Características:
■ Reduza a entrada para uma tensão mais baixa.
■ Provavelmente o circuito mais simples.
■ O filtro indutor/capacitor suaviza a onda quadrada após a comutação.
■ A saída é sempre menor ou igual à entrada.
■ Corrente de entrada descontínua (corte)
■ Corrente de saída suave

Impulso impulso

Características:
■ Aumente a entrada para uma tensão mais alta.
■ O mesmo que o abaixador, mas o indutor, a chave e o diodo são reorganizados.
■ A relação de saída é sempre maior ou igual à entrada (ignorando a queda de tensão direta do diodo)
■ Suavização de corrente de entrada
■ Corrente de saída descontínua (corte)

Buck Boost Buck Boost

Características:
■ Outro método de arranjo de indutores, interruptores e diodos
■ Combina as desvantagens dos circuitos buck e boost.
■ Corrente de entrada descontínua (corte)
■ A corrente de saída também é descontínua (corte)
■ A saída é sempre oposta à entrada (observe a polaridade do capacitor), mas a amplitude pode ser menor ou maior que a entrada.
■ O conversor "Flyback" tem, na verdade, a forma de isolamento do circuito buck-boost (acoplamento do transformador).

Flyback flyback

Características:
■ Funciona como um circuito buck-boost, mas o indutor possui dois enrolamentos, que servem tanto como transformador quanto como indutor.
■ A saída pode ser positiva ou negativa, determinada pela polaridade da bobina e do diodo.
■ A tensão de saída pode ser maior ou menor que a tensão de entrada, que é determinada pela relação de espiras do transformador.
■ Esta é a topologia isolada mais simples.
■ Múltiplas saídas podem ser obtidas adicionando enrolamentos e circuitos secundários.

O atacante está animado

Características:
■ Forma de acoplamento do transformador do circuito abaixador.
■ Corrente de entrada descontínua e corrente de saída suave.
■ Como é utilizado o transformador, a saída pode ser maior ou menor que a entrada e pode ter qualquer polaridade.
■ Múltiplas saídas podem ser obtidas adicionando enrolamentos e circuitos secundários.
■ O núcleo do transformador deve ser desmagnetizado em cada ciclo de comutação. A prática comum é adicionar um enrolamento com o mesmo número de voltas que o enrolamento primário.
■ A energia armazenada no indutor primário durante a fase de ligação é liberada através de enrolamentos e diodos adicionais durante a fase de desligamento.

Características:■ Forma de acoplamento do transformador do circuito abaixador.■ Corrente de entrada descontínua e corrente de saída suave.■ Como é utilizado o transformador, a saída pode ser maior ou menor que a entrada e pode ter qualquer polaridade.■ Múltiplas saídas podem ser obtidas adicionando enrolamentos e circuitos secundários.■ O núcleo do transformador deve ser desmagnetizado em cada ciclo de comutação. A prática comum é adicionar um enrolamento com o mesmo número de voltas que o enrolamento primário.■ A energia armazenada no indutor primário durante a fase de ligação é liberada através de enrolamentos e diodos adicionais durante a fase de desligamento.

Transistor duplo direto para frente com dois transistores

Características:
■ Dois interruptores funcionam ao mesmo tempo.
■ Quando a chave está desligada, a energia armazenada no transformador inverte a polaridade do primário e liga o diodo.Principais vantagens:
■ A tensão em cada chave nunca excederá a tensão de entrada.
■ Não há necessidade de redefinir a pista sinuosa.

Empurre-Puxe Empurre-Puxe

Características:
■ O switch (FET) aciona diferentes fases e realiza modulação por largura de pulso (PWM) para ajustar a tensão de saída.
■ Boa taxa de utilização da transmissão de energia do núcleo do transformador em ambos os meios ciclos.
■ Topologia de onda completa, de forma que a frequência de ondulação de saída seja duas vezes maior que a do transformador.
■ A tensão aplicada ao FET é o dobro da tensão de entrada.

Meia ponte meia ponte

Características:
■ A estrutura de topologia do conversor de maior potência é muito comumente usada.
■ O switch (FET) aciona diferentes fases e realiza modulação por largura de pulso (PWM) para ajustar a tensão de saída.
■ Boa taxa de utilização da transmissão de energia do núcleo do transformador em ambos os meios ciclos. E a taxa de utilização do enrolamento primário é melhor do que a do circuito push-pull.
■ Topologia de onda completa, de forma que a frequência de ondulação de saída seja duas vezes maior que a do transformador.
■ A tensão aplicada ao FET é igual à tensão de entrada.

Ponte completa

Características:
■ A topologia mais comumente usada de conversores de maior potência.
■ Os interruptores (FETs) são acionados na forma de pares diagonais e a modulação por largura de pulso (PWM) é realizada para regular a tensão de saída.
■ Boa taxa de utilização da transmissão de energia do núcleo do transformador em ambos os meios ciclos.
■ Topologia de onda completa, de forma que a frequência de ondulação de saída seja duas vezes maior que a do transformador.
■ A tensão aplicada aos FETs é igual à tensão de entrada.
■ Para uma determinada potência, a corrente primária é metade da meia ponte.

Conversor indutor primário de terminação única SEPIC

Características:
■ A tensão de saída pode ser maior ou menor que a tensão de entrada.
■ Assim como o circuito boost, a corrente de entrada é suave, mas a corrente de saída é descontínua.
■ A energia é transferida da entrada para a saída através de um capacitor.
■ São necessários dois indutores.

C'uk (patente de Slobodan C'uk)

Características:
■ Inversão de saída
■ A amplitude da tensão de saída pode ser maior ou menor que a da entrada.
■ Tanto a corrente de entrada quanto a corrente de saída são suaves.
■ A energia é transferida da entrada para a saída através de um capacitor.
■ São necessários dois indutores.
■ Os indutores podem ser acoplados para obter corrente indutora de ondulação zero.

Detalhes do trabalho do circuito

Explique os detalhes de funcionamento das seguintes topologias:
■ Regulador redutor: condução contínua, condução crítica e condução descontínua.
■ Regulador Boost (condução contínua)
■ Operação do transformador
■ Transformador Flyback
■ Transformador direto

Condução contínua do regulador Buck-buck

Características:
■ A corrente do indutor é contínua.
■ Vout é o valor médio da sua tensão de entrada (V1).
■ A tensão de saída é a tensão de entrada multiplicada pela relação de carga (D) da chave.
■ Quando ligado, a corrente do indutor flui para fora da bateria.
■ A corrente flui através do diodo quando a chave está desligada.
■ Ignore as perdas em interruptores e indutores, e D não tem nada a ver com a corrente de carga.
■ O regulador Buck e seus circuitos derivados são caracterizados por:A corrente de entrada é descontínua (corte) e a corrente de saída é contínua (suavização).

Condução crítica do regulador Buck-buck

■ A corrente do indutor ainda é contínua, mas só “chega” a zero quando a chave é ligada novamente, o que é chamado de “condução crítica”. A tensão de saída ainda é igual à tensão de entrada multiplicada por d.

Condução descontínua do regulador Buck-buck

■ Neste caso, a corrente no indutor é zero por um período de tempo em cada ciclo.
■ A tensão de saída ainda é (sempre) o valor médio de v1.
■ A tensão de saída não é a tensão de entrada multiplicada pela relação de carga (D) da chave.
■ Quando a corrente de carga é inferior ao valor crítico, D muda com a corrente de carga (enquanto Vout permanece o mesmo).

Regulador de impulso

■ A tensão de saída é sempre maior (ou igual) à tensão de entrada.
■ Corrente de entrada contínua e corrente de saída descontínua (oposto ao regulador buck).
■ A relação entre a tensão de saída e a relação de carga (D) não é tão simples como nos reguladores Buck. No caso de condução contínua:

Neste exemplo, Vin = 5, Vout = 15 e D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.

Operação do transformador (incluindo a função do indutor primário)

■ O transformador é considerado um transformador ideal e sua indutância primária (magnetização) é conectada em paralelo com o primário.

Transformador Flyback

■Aqui, a indutância primária é muito baixa, o que é usado para determinar a corrente de pico e a energia armazenada. Quando a chave primária é desligada, a energia é transferida para a secundária.

Transformador conversor direto direto

■ A indutância primária é alta porque não há necessidade de armazenar energia.
■ A corrente de magnetização (i1) flui para o "indutor de magnetização" para desmagnetizar o núcleo magnético (tensão reversa) depois que a chave primária é desligada.

resumo

■ Aqui é revisada a topologia de circuito mais comum na conversão de energia chaveada.
■ Existem muitas outras topologias, mas a maioria delas são combinações ou variações das topologias descritas aqui.
■ Cada topologia contém compensações de design exclusivas:1) a tensão aplicada à chave2) Cortar e suavizar a corrente de entrada e saída3) Taxa de utilização do enrolamento
■ A escolha da melhor topologia requer pesquisa:1) faixa de tensão de entrada e saída2) Faixa atual3) A relação custo/desempenho, tamanho/peso

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