วงจร Buck-Boost ทำงานอย่างไร

เราทุกคนเคยได้ยินมากมายเกี่ยวกับวงจรบัคและบูสต์และรู้ว่าโดยทั่วไปแล้ววงจรเหล่านี้ใช้ในการออกแบบ SMPS สำหรับการเพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดที่อินพุต สิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับเทคโนโลยีนี้คือช่วยให้ฟังก์ชันข้างต้นมีการสร้างความร้อนเล็กน้อยซึ่งส่งผลให้เกิดการแปลงที่มีประสิทธิภาพอย่างมาก

Buck-Boost คืออะไรมันทำงานอย่างไร

มาเรียนรู้แนวคิดในส่วนแรกโดยไม่ต้องเกี่ยวข้องกับเทคนิคมากนักเพื่อให้ง่ายต่อการทำความเข้าใจว่าอะไรคือแนวคิดการเพิ่มบัคแม้แต่กับมือใหม่

ในบรรดาโทโพโลยีพื้นฐานทั้งสามที่มีชื่อว่า buck, boost และ buck-boost อันที่สามนั้นได้รับความนิยมมากกว่าเนื่องจากอนุญาตให้ใช้ทั้งฟังก์ชัน (buck boost) ผ่านการกำหนดค่าเดียวเพียงแค่เปลี่ยนพัลส์อินพุต

ในโทโพโลยี buck-boost เรามีส่วนประกอบสวิตชิ่งอิเล็กทรอนิกส์เป็นหลักซึ่งอาจอยู่ในรูปของทรานซิสเตอร์หรือมอสเฟต ส่วนประกอบนี้ถูกเปลี่ยนผ่านสัญญาณพัลซิ่งจากวงจรออสซิลเลเตอร์ในตัว

นอกเหนือจากส่วนประกอบสวิตชิ่งข้างต้นแล้ววงจรยังมีตัวเหนี่ยวนำไดโอดและตัวเก็บประจุเป็นส่วนผสมหลัก

ชิ้นส่วนทั้งหมดเหล่านี้จัดเรียงในรูปแบบที่อาจเห็นได้ในแผนภาพต่อไปนี้:

อ้างอิงจากแผนภาพการเพิ่มบั๊กข้างต้น mosfet เป็นส่วนที่รับพัลส์ซึ่งบังคับให้ทำงานภายใต้สองเงื่อนไข: สถานะเปิดและสถานะปิด

ในระหว่างสถานะ ON กระแสอินพุตจะได้รับเส้นทางที่ชัดเจนผ่าน mosfet และพยายามทำให้มันข้ามตัวเหนี่ยวนำทันทีเนื่องจากไดโอดอยู่ในตำแหน่งที่กลับด้าน

ตัวเหนี่ยวนำเนื่องจากคุณสมบัติโดยธรรมชาติของมันพยายาม จำกัด กระแสที่เกิดขึ้นอย่างกะทันหันและในการตอบสนองที่ชดเชยจะเก็บปริมาณกระแสบางส่วนไว้ในนั้น

ตอนนี้ทันทีที่ปิด mosfet มันจะอยู่ภายใต้สถานะปิดปิดกั้นทางใด ๆ ของกระแสอินพุต

อีกครั้งที่ตัวเหนี่ยวนำไม่สามารถรับมือกับการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของกระแสจากขนาดที่กำหนดเป็นศูนย์และในการตอบสนองเพื่อชดเชยสิ่งนี้มันจะดึงกระแสไฟฟ้าที่เก็บไว้ผ่านไดโอดผ่านเอาต์พุตของวงจร

ในกระบวนการนี้กระแสจะถูกเก็บไว้ในตัวเก็บประจุ

ในระหว่างสถานะ ON ถัดไปของ mosfet วงจรจะถูกทำซ้ำตามด้านบน แต่ไม่มีกระแสจากตัวเหนี่ยวนำตัวเก็บประจุจะปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ไปยังเอาต์พุตซึ่งช่วยในการรักษาเอาต์พุตให้คงที่ในระดับที่เหมาะสมที่สุด

คุณอาจสงสัยว่าปัจจัยอะไรที่ตัดสินผล BUCK หรือ BOOST ที่เอาต์พุต? มันค่อนข้างง่ายขึ้นอยู่กับระยะเวลาที่มอสเฟตได้รับอนุญาตให้อยู่ในสถานะเปิดหรือในสถานะปิด

ด้วยการเพิ่มขึ้นของ mosfets ON time วงจรจะเริ่มเปลี่ยนเป็น Boost converter ในขณะที่เวลาปิด mosfets เกินเวลา ON ส่งผลให้วงจรทำงานเหมือนตัวแปลง Buck

ดังนั้นอินพุตไปยัง mosfet สามารถทำได้ผ่านวงจร PWM ที่ปรับให้เหมาะสมเพื่อรับการเปลี่ยนที่ต้องการในวงจรเดียวกัน

การสำรวจ Buck / Boost Topology ในวงจร SMPS ในทางเทคนิคเพิ่มเติม:

ตามที่กล่าวไว้ในหัวข้อข้างต้นโครงสร้างพื้นฐานสามประการที่นิยมใช้กับอุปกรณ์จ่ายไฟในโหมดสวิตช์คือบั๊กบูสต์และบัคบูสต์

โดยพื้นฐานแล้วสิ่งเหล่านี้ไม่ได้แยกออกจากกันซึ่งขั้นตอนกำลังอินพุตจะใช้ฐานร่วมกับส่วนกำลังเอาต์พุต แน่นอนว่าเราสามารถหาเวอร์ชันแยกได้แม้ว่าจะค่อนข้างหายาก

โทโพโลยีที่แสดงไว้ข้างต้นสามารถแยกแยะได้โดยไม่ซ้ำกันขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะของพวกเขาคุณสมบัติอาจถูกระบุว่าเป็นอัตราส่วนการแปลงแรงดันไฟฟ้าที่คงที่ลักษณะของกระแสอินพุตและเอาต์พุตและลักษณะของการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้าขาออกเช่นกัน

นอกจากนี้การตอบสนองความถี่ของรอบการทำงานต่อการทำงานของแรงดันไฟฟ้าขาออกถือได้ว่าเป็นคุณสมบัติที่สำคัญอย่างหนึ่ง

ในบรรดาโทโพโลยีสามอย่างที่กล่าวถึงข้างต้นโทโพโลยีแบบบูสต์บูสต์เป็นสิ่งที่ต้องการมากที่สุดเนื่องจากช่วยให้เอาท์พุตทำงานได้แรงดันไฟฟ้าน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุต (โหมดบั๊ก) และยังสร้างแรงดันไฟฟ้าเหนือแรงดันไฟฟ้าอินพุต (โหมดเพิ่ม)

อย่างไรก็ตามแรงดันไฟฟ้าขาออกสามารถรับได้เสมอโดยมีขั้วตรงข้ามจากอินพุตซึ่งไม่ได้สร้างปัญหาใด ๆ

กระแสอินพุตที่ใช้กับตัวแปลงบูสต์บูสต์เป็นรูปแบบของกระแสที่เต้นเป็นจังหวะเนื่องจากการสลับสวิตช์ไฟที่เกี่ยวข้อง (Q1)

ที่นี่กระแสจะเปลี่ยนจากศูนย์เป็น l ในทุกรอบพัลส์เช่นเดียวกับที่เอาท์พุทเช่นกันและเราได้รับกระแสที่เต้นเป็นจังหวะเนื่องจากไดโอดที่เกี่ยวข้องซึ่งดำเนินการในทิศทางเดียวเท่านั้นทำให้เกิดสถานการณ์เปิดและปิดเป็นจังหวะระหว่างรอบการสลับ .

ตัวเก็บประจุมีหน้าที่ในการจัดหากระแสไฟฟ้าชดเชยเมื่อไดโอดอยู่ในสถานะปิดหรือย้อนกลับในระหว่างรอบการเปลี่ยน

บทความนี้อธิบายถึงการทำงานของตัวแปลงบั๊กบูสต์ในโหมดต่อเนื่องและโหมดไม่ต่อเนื่องพร้อมรูปคลื่นที่เป็นแบบอย่างที่นำเสนอ

ฟังก์ชันการแลกเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ารอบต่อเอาต์พุตจะถูกนำเสนอหลังจากการแนะนำการออกแบบสวิตช์ PWM

รูปที่ 1 แผนผังที่เรียบง่ายของขั้นตอนการเพิ่มพลังบั๊กพร้อมเพิ่มบล็อกวงจรไดรฟ์ สวิตช์ไฟ Q1 เป็น N-Channel MOSFET ไดโอดเอาต์พุตคือ CR1

ตัวเหนี่ยวนำ L และตัวเก็บประจุ C เป็นตัวกรองเอาต์พุตที่มีประสิทธิภาพ ตัวเก็บประจุ ESR, RC (ความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า) และความต้านทาน DC ของตัวเหนี่ยวนำ RL ทั้งหมดถูกวิเคราะห์ในรูปแบบ. ตัวต้านทาน R สอดคล้องกับโหลดที่ระบุโดยเอาต์พุตของสเตจกำลัง

ในระหว่างการทำงานปกติของขั้นตอนการเพิ่มพลังบั๊ก Q1 จะเปิดและปิดอยู่ตลอดเวลาด้วยเวลาเปิดและปิดที่ควบคุมโดยวงจรควบคุม

พฤติกรรมการสลับนี้อนุญาตให้ใช้โซ่พัลส์ที่จุดเชื่อมต่อของ Q1, CR1 และ L

แม้ว่าตัวเหนี่ยวนำ L จะเชื่อมโยงกับตัวเก็บประจุเอาท์พุท C แต่ถ้ามีเพียง CR1 เท่านั้นที่ดำเนินการตัวกรองเอาต์พุต L / C ที่ประสบความสำเร็จจะถูกสร้างขึ้น ทำความสะอาดการต่อเนื่องของพัลส์เพื่อให้ได้แรงดันเอาต์พุต DC

การวิเคราะห์สถานะคงที่ของ Buck-Boost Stage

ขั้นตอนกำลังอาจทำงานในการตั้งค่ากระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่อง โหมดปัจจุบันของตัวเหนี่ยวนำแบบต่อเนื่องถูกระบุโดยกระแสอย่างต่อเนื่องในตัวเหนี่ยวนำในลำดับการสลับในกระบวนการสถานะคงที่

โหมดปัจจุบันของตัวเหนี่ยวนำไม่ต่อเนื่องถูกระบุโดยกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำอยู่ที่ศูนย์สำหรับส่วนหนึ่งของวงจรการเปลี่ยน เริ่มต้นที่ศูนย์ขยายเป็นค่าสูงสุดและกลับมาเป็นศูนย์ในทุกรูปแบบการสลับ

วิธีการที่แตกต่างกันสองวิธีได้รับการกล่าวถึงในรายละเอียดที่ใหญ่กว่ามากในภายหลังและคำแนะนำแบบจำลองสำหรับค่าตัวเหนี่ยวนำเพื่อรักษาโหมดการทำงานที่เลือกไว้เนื่องจากความสามารถของโหลดที่กำหนด ค่อนข้างดีสำหรับตัวแปลงที่จะอยู่ในรูปแบบเดียวในสถานการณ์การทำงานที่คาดการณ์ไว้เท่านั้นเนื่องจากการตอบสนองความถี่ของสเตจกำลังมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากระหว่างสองเทคนิคการทำงานที่แตกต่างกัน

ด้วยการประเมินนี้จะใช้ MOSFET กำลัง n-channel และแรงดันไฟฟ้าบวก VGS (ON) ถูกจ่ายจากประตูไปยังขั้วต้นทางของ Q1 โดยวงจรควบคุมเพื่อเปิด FET ประโยชน์ของการใช้ n-channel FET คือ RDS (เปิด) ที่ต่ำกว่า แต่วงจรควบคุมจะยุ่งยากเนื่องจากจำเป็นต้องมีไดรฟ์ที่ถูกระงับ สำหรับขนาดบรรจุภัณฑ์ที่เหมือนกัน p-channel FET มี RDS (เปิด) ที่สูงกว่าอย่างไรก็ตามโดยทั่วไปแล้วอาจไม่จำเป็นต้องใช้วงจรไดรฟ์ลอย

ทรานซิสเตอร์ Q1 และไดโอด CR1 แสดงอยู่ภายในโครงร่างเส้นประที่มีเทอร์มินัลติดแท็ก a, p และ c มีการกล่าวถึงอย่างละเอียดในส่วน Buck-Boost Power Stage Modeling

การวิเคราะห์โหมดการนำไฟฟ้าแบบต่อเนื่อง Buck-Boost Steady-State

ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายของการเพิ่มบัคที่ทำงานในการดำเนินการแบบคงที่ในวิธีการนำไฟฟ้าแบบต่อเนื่อง วัตถุประสงค์หลักของส่วนนี้คือการนำเสนอที่มาของความสัมพันธ์ในการแปลงแรงดันไฟฟ้าสำหรับขั้นตอนการเพิ่มพลังบั๊กในโหมดการนำไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง

สิ่งนี้จะมีความสำคัญเนื่องจากเป็นการระบุวิธีที่แรงดันไฟฟ้าขาออกถูกกำหนดโดยรอบการทำงานและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าหรือในทางตรงกันข้ามวิธีการกำหนดรอบการทำงานขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและแรงดันขาออก

สถานะคงที่หมายความว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าแรงดันขาออกกระแสไฟฟ้าขาออกและรอบการทำงานจะคงที่เมื่อเทียบกับค่าที่แปรผัน โดยปกติตัวพิมพ์ใหญ่จะมีให้กับป้ายกำกับตัวแปรเพื่อแนะนำขนาดที่คงที่ ในโหมดการนำไฟฟ้าแบบต่อเนื่องตัวแปลง buck-boost จะใช้เวลาสองสามสถานะต่อรอบการเปลี่ยน

สถานะเปิดคือทุกครั้งที่ Q1 เปิดอยู่และ CR1 ปิดอยู่ สถานะ OFF คือทุกครั้งที่ Q1 ปิดและ CR1 เปิดอยู่ วงจรเชิงเส้นอย่างง่ายสามารถเป็นสัญลักษณ์ของแต่ละสถานะทั้งสองซึ่งสวิตช์ในวงจรจะถูกแทนที่ด้วยวงจรที่ตรงกันในแต่ละสถานะ แผนภาพวงจรสำหรับแต่ละเงื่อนไขทั้งสองแสดงไว้ในรูปที่ 2

ช่วงเวลาของเงื่อนไข ON คือ D × TS = TON ซึ่ง D คือรอบการทำงานซึ่งกำหนดโดยวงจรไดรฟ์ซึ่งแสดงในรูปแบบของอัตราส่วนของช่วงเวลาเปิดสวิตช์กับช่วงเวลาของลำดับการสลับแบบเต็มครั้งเดียว Ts

ความยาวของสถานะปิดเรียกว่า TOFF เนื่องจากเราสามารถหาเงื่อนไขได้เพียงไม่กี่เงื่อนไขต่อรอบการสลับสำหรับโหมดการนำไฟฟ้าต่อเนื่อง TOFF จึงเท่ากับ (1 − D) × TS ขนาด (1 − D) บางครั้งเรียกว่า D ' ช่วงเวลาเหล่านี้ถูกนำเสนอพร้อมกับรูปคลื่นในรูปที่ 3

เมื่อดูรูปที่ 2 ในสถานะ ON Q1 จะมีความต้านทานที่ลดลง RDS (เปิด) จากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งกำเนิดและแสดงให้เห็นว่าแรงดันไฟฟ้าลดลงเล็กน้อยของ VDS = IL × RDS (เปิด)

นอกจากนี้ยังมีแรงดันไฟฟ้าตกเล็กน้อยบนความต้านทานกระแสตรงของตัวเหนี่ยวนำเท่ากับ IL × RL

ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าอินพุต VI ลบการขาดดุล (VDS + IL × RL) จะถูกวางบนตัวเหนี่ยวนำ L. CR1 จะปิดภายในช่วงเวลานี้เนื่องจากจะมีการย้อนกลับแบบเอนเอียง

กระแสตัวเหนี่ยวนำ IL ส่งผ่านจากแหล่งจ่ายอินพุต VI โดยทาง Q1 และลงกราวด์ ในระหว่างสถานะเปิดแรงดันไฟฟ้าที่วางบนตัวเหนี่ยวนำจะคงที่และเหมือนกับ VI - VDS - IL × RL

ตามบรรทัดฐานของขั้วสำหรับ IL ปัจจุบันที่แสดงในรูปที่ 2 กระแสของตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ดำเนินการ นอกจากนี้เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้มีความสม่ำเสมอโดยพื้นฐานกระแสของตัวเหนี่ยวนำจึงเพิ่มขึ้นในเชิงเส้น การเพิ่มกระแสของตัวเหนี่ยวนำในรูปแบบของ TON นี้แสดงไว้ในรูปที่ 3

ระดับที่โดยทั่วไปการเพิ่มกระแสของตัวเหนี่ยวนำจะถูกกำหนดโดยใช้รูปแบบของสูตรที่รู้จักกันดี:

การเพิ่มขึ้นของกระแสตัวเหนี่ยวนำในสถานะ ON แสดงเป็น:

ขนาดนี้ΔIL (+) เรียกว่ากระแสกระเพื่อมของตัวเหนี่ยวนำ นอกจากนี้สังเกตว่าในช่วงเวลานี้กระแสโหลดเอาต์พุตทุกบิตจะเข้ามาโดยตัวเก็บประจุเอาต์พุต C

ด้วยการอ้างอิงถึงรูปที่ 2 ในขณะที่ Q1 ปิดอยู่จะมีอิมพีแดนซ์ที่เพิ่มขึ้นจากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งที่มา

ดังนั้นเนื่องจากกระแสที่ทำงานในตัวเหนี่ยวนำ L ไม่สามารถปรับได้ทันทีกระแสจึงเปลี่ยนจาก Q1 เป็น CR1 อันเป็นผลมาจากการลดกระแสของตัวเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเหนี่ยวนำจะกลับขั้วจนกระทั่งวงจรเรียงกระแส CR1 เปลี่ยนเป็นแบบเอนเอียงไปข้างหน้าและพลิกเปิด

แรงดันไฟฟ้าที่เชื่อมต่อระหว่าง L เปลี่ยนเป็น (VO - Vd - IL × RL) ซึ่งขนาด Vd คือแรงดันตกไปข้างหน้าของ CR1 กระแสตัวเหนี่ยวนำ IL ณ จุดนี้ผ่านจากตัวเก็บประจุเอาท์พุทและการจัดเรียงตัวต้านทานโหลดผ่าน CR1 และไปยังสายลบ

สังเกตว่าการจัดตำแหน่งของ CR1 และเส้นทางของการไหลเวียนของกระแสในตัวเหนี่ยวนำแสดงว่ากระแสที่วิ่งในตัวเก็บประจุเอาท์พุทและการจัดกลุ่มตัวต้านทานโหลดทำให้ VO เป็นแรงดันลบ ในระหว่างสถานะ OFF แรงดันไฟฟ้าที่เชื่อมต่อผ่านตัวเหนี่ยวนำจะคงที่และเหมือนกับ (VO - Vd - IL × RL)

รักษารูปแบบขั้วของเราในทำนองเดียวกันแรงดันไฟฟ้าที่เชื่อมต่อนี้จะเป็นลบ (หรือย้อนกลับในขั้วจากแรงดันไฟฟ้าที่เชื่อมต่อในช่วงเวลา ON) เนื่องจากแรงดันเอาต์พุต VO เป็นลบ

ดังนั้นกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจึงลดลงตลอดเวลาปิด นอกจากนี้เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่เชื่อมต่อนั้นคงที่โดยทั่วไปกระแสของตัวเหนี่ยวนำจึงลดลงในเชิงเส้น การลดลงของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในหลักสูตรของ TOFF นี้ได้ระบุไว้ในรูปที่ 3

การลดกระแสของตัวเหนี่ยวนำผ่านสถานการณ์ OFF มีให้โดย:

ขนาดนี้ΔIL (-) สามารถเรียกได้ว่ากระแสกระเพื่อมของตัวเหนี่ยวนำ ในสถานการณ์ที่มีเสถียรภาพการเพิ่มขึ้นของปัจจุบันΔIL (+) ในช่วงเวลา ON และการลดลงของปัจจุบันตลอดเวลาปิดΔIL (-) จะต้องเหมือนกัน

หรือมิฉะนั้นกระแสตัวเหนี่ยวนำอาจให้การเพิ่มหรือลดโดยรวมจากวงจรหนึ่งไปอีกวงจรหนึ่งซึ่งจะไม่ใช่สภาพแวดล้อมที่คงที่

ดังนั้นสมการทั้งสองนี้อาจถูกนำมาเทียบเคียงและหาค่า VO เพื่อให้ได้มาซึ่งรูปแบบการนำไฟฟ้าแบบต่อเนื่องบัค - บูสต์แรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนไปจากการเชื่อมโยง:

การกำหนด VO:

เช่นเดียวกับการแทนที่ TS สำหรับ TON + TOFF และการใช้ D = TON / TS และ (1 − D) = TOFF / TS สมการสถานะคงที่สำหรับ VO คือ:

สังเกตว่าในการทำให้ง่ายขึ้นข้างต้น TON + TOFF ควรจะคล้ายกับ TS สิ่งนี้อาจเป็นของแท้สำหรับโหมดการนำไฟฟ้าต่อเนื่องเท่านั้นเนื่องจากเราจะค้นพบในการประเมินโหมดการนำไฟฟ้าที่ไม่ต่อเนื่อง ควรมีการตรวจสอบข้อเท็จจริงที่สำคัญ ณ จุดนี้:

การแก้ไขค่าสองค่าของΔILให้เท่ากันจะเท่ากับการปรับระดับโวลต์ - วินาทีบนตัวเหนี่ยวนำ โวลต์ - วินาทีที่ใช้กับตัวเหนี่ยวนำคือผลคูณของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้และระยะเวลาที่ใช้แรงดันไฟฟ้า

นี่อาจเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการประมาณขนาดที่ไม่ระบุตัวตนตัวอย่างเช่น VO หรือ D เกี่ยวกับพารามิเตอร์วงจรทั่วไปและวิธีนี้จะถูกใช้บ่อยในบทความนี้ ความเสถียรของโวลต์ - วินาทีบนตัวเหนี่ยวนำเป็นข้อกำหนดตามธรรมชาติและควรรับรู้อย่างน้อยก็เป็นกฎของโอห์ม

ในสมการข้างต้นสำหรับΔIL (+) และΔIL (-) แรงดันไฟฟ้าขาออกควรจะสอดคล้องกันโดยปริยายโดยไม่มีแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับตลอดช่วงเวลาเปิดและช่วงปิด

นี่คือการทำให้เข้าใจง่ายที่ยอมรับและก่อให้เกิดผลลัพธ์ของแต่ละบุคคล ประการแรกเชื่อว่าตัวเก็บประจุเอาท์พุทมีขนาดเพียงพอที่จะแปลงแรงดันไฟฟ้าได้น้อยที่สุด

ประการที่สองแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ ESR ยังถือว่าน้อยที่สุด สมมติฐานดังกล่าวถูกต้องเนื่องจากแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจะต่ำกว่าส่วน DC ของแรงดันไฟฟ้าขาออกอย่างมีนัยสำคัญ

การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าข้างต้นสำหรับ VO แสดงให้เห็นถึงความจริงที่ว่า VO สามารถปรับแต่งได้โดยการปรับแต่งรอบหน้าที่ D.

การเชื่อมต่อนี้เข้าใกล้ศูนย์เมื่อ D มาถึงใกล้ศูนย์และเพิ่มขึ้นโดยไม่ถูกกำหนดเนื่องจาก D เข้าใกล้ 1 การทำให้เข้าใจง่ายโดยทั่วไปถือว่า VDS, Vd และ RL มีขนาดเล็กพอที่จะละเลย การสร้าง VDS, Vd และ RL เป็นศูนย์สูตรข้างต้นช่วยลดความซับซ้อนอย่างเห็นได้ชัดเพื่อ:

วิธีการเชิงคุณภาพที่ซับซ้อนน้อยกว่าในการแสดงภาพการทำงานของวงจรคือการพิจารณาตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนเก็บพลังงาน ทุกครั้งที่เปิด Q1 พลังงานจะถูกเทลงบนตัวเหนี่ยวนำ

ในขณะที่ Q1 ปิดอยู่ตัวเหนี่ยวนำจะจ่ายพลังงานส่วนหนึ่งกลับไปยังตัวเก็บประจุเอาต์พุตและโหลด แรงดันไฟฟ้าขาออกถูกควบคุมโดยการสร้างตรงเวลาของ Q1 ตัวอย่างเช่นเมื่อเพิ่มเวลาตรงของ Q1 ปริมาณของกำลังที่ส่งไปยังตัวเหนี่ยวนำจะถูกขยาย

ต่อมาพลังงานเพิ่มเติมจะถูกส่งไปยังเอาท์พุตในช่วงนอกเวลาของ Q1 ทำให้แรงดันไฟฟ้าขาออกเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้ามกับขั้นตอนการจ่ายกระแสไฟฟ้าขนาดปกติของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะไม่เหมือนกับกระแสไฟฟ้าขาออก

ในการเชื่อมโยงกระแสตัวเหนี่ยวนำกับกระแสเอาต์พุตให้ดูที่รูปที่ 2 และ 3 สังเกตว่ากระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำไปยังเอาต์พุตเพียงอย่างเดียวในขณะที่อยู่ในสถานะปิดของขั้นตอนกำลัง

กระแสไฟฟ้าที่เฉลี่ยของลำดับการสลับทั้งหมดจะเหมือนกับกระแสเอาต์พุตเนื่องจากกระแสโดยประมาณในตัวเก็บประจุเอาต์พุตควรจะเทียบเท่ากับศูนย์

การเชื่อมต่อระหว่างกระแสตัวเหนี่ยวนำเฉลี่ยและกระแสเอาท์พุตสำหรับสเตจพลังงานบัค - บูสต์โหมดต่อเนื่องมีให้โดย:

มุมมองที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือความจริงที่ว่ากระแสตัวเหนี่ยวนำทั่วไปเป็นสัดส่วนกับกระแสไฟฟ้าขาออกและเนื่องจากกระแสไฟกระเพื่อมของตัวเหนี่ยวนำΔILไม่เกี่ยวข้องกับกระแสโหลดเอาต์พุตค่าต่ำสุดและสูงสุดของกระแสตัวเหนี่ยวนำจะเป็นไปตามกระแสตัวเหนี่ยวนำเฉลี่ยอย่างแม่นยำ

ตัวอย่างเช่นหากกระแสตัวเหนี่ยวนำเฉลี่ยลดลง 2A เนื่องจากการลดกระแสโหลดในกรณีนั้นค่าต่ำสุดและสูงสุดของกระแสตัวเหนี่ยวนำจะลดลงโดย 2A (เมื่อพิจารณาจากโหมดการนำไฟฟ้าต่อเนื่องจะยังคงอยู่)

การประเมินผลที่เกิดขึ้นมีไว้สำหรับฟังก์ชั่นการเพิ่มพลังบั๊กในโหมดปัจจุบันของตัวเหนี่ยวนำแบบต่อเนื่อง ส่วนต่อไปนี้เป็นคำอธิบายเกี่ยวกับฟังก์ชันการทำงานแบบคงที่ในโหมดการนำไฟฟ้าที่ไม่ต่อเนื่อง ผลลัพธ์หลักคือที่มาของความสัมพันธ์ในการแปลงแรงดันไฟฟ้าสำหรับขั้นตอนการเพิ่มพลังบั๊กในโหมดการนำไฟฟ้าที่ไม่ต่อเนื่อง

การประเมินโหมดการนำไฟฟ้าแบบไม่ต่อเนื่องของ Buck-Boost Steady-State

เมื่อถึงจุดนี้เราจะตรวจสอบสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสโหลดลดลงและโหมดการนำไฟฟ้าจะเปลี่ยนจากต่อเนื่องเป็นไม่ต่อเนื่อง

โปรดจำไว้ว่าสำหรับโหมดการนำไฟฟ้าต่อเนื่องกระแสตัวเหนี่ยวนำเฉลี่ยจะติดตามกระแสไฟฟ้าขาออกนั่นคือในกรณีที่กระแสเอาต์พุตลดลงในกรณีนั้นกระแสตัวเหนี่ยวนำเฉลี่ยจะเป็นเช่นนั้น

นอกจากนี้ยอดต่ำสุดและสูงสุดของกระแสตัวเหนี่ยวนำจะไล่ตามกระแสตัวเหนี่ยวนำเฉลี่ยอย่างแม่นยำ ในกรณีที่กระแสโหลดเอาต์พุตลดลงต่ำกว่าระดับกระแสพื้นฐานกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะเป็นศูนย์สำหรับส่วนหนึ่งของลำดับการสลับ

สิ่งนี้จะเห็นได้ชัดจากรูปคลื่นที่แสดงในรูปที่ 3 เนื่องจากระดับสูงสุดถึงจุดสูงสุดของกระแสกระเพื่อมไม่สามารถเปลี่ยนแปลงกับกระแสโหลดเอาต์พุตได้

ในขั้นตอนการเพิ่มพลังบัคหากกระแสตัวเหนี่ยวนำพยายามต่ำกว่าศูนย์มันก็จะหยุดที่ศูนย์ (เนื่องจากการเคลื่อนที่ของกระแสทิศทางเดียวใน CR1) และดำเนินต่อไปที่นั่นจนกว่าจะเริ่มการดำเนินการสวิตชิ่งในภายหลัง โหมดการทำงานนี้เรียกว่าโหมดการนำไฟฟ้าไม่ต่อเนื่อง

ขั้นตอนการทำงานของวงจรบูสต์บั๊กในรูปแบบการนำไฟฟ้าที่ไม่ต่อเนื่องมีสถานะที่แตกต่างกันสามสถานะผ่านทุกรอบการสลับในทางตรงกันข้ามกับ 2 สถานะสำหรับรูปแบบการนำไฟฟ้าแบบต่อเนื่อง

สถานะปัจจุบันของตัวเหนี่ยวนำซึ่งขั้นตอนกำลังอยู่ที่รอบนอกระหว่างการตั้งค่าต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่องแสดงไว้ในรูปที่ 4

ในสิ่งนี้กระแสตัวเหนี่ยวนำจะยุบลงเป็นศูนย์ในขณะที่รอบการสลับต่อไปนี้เริ่มต้นหลังจากที่กระแสเข้าสู่ศูนย์ สังเกตว่าค่าของ IO และ IO (Crit) ถูกกำหนดไว้ในรูปที่ 4 เนื่องจาก IO และ IL รวมขั้วตรงข้าม

การลดกระแสโหลดเอาต์พุตให้ต่ำลงจะทำให้ขั้นตอนกำลังไฟฟ้าเป็นรูปแบบการนำไฟฟ้าที่ไม่ต่อเนื่อง เงื่อนไขนี้ถูกวาดไว้ในรูปที่ 5

การตอบสนองความถี่ของสเตจพลังงานในโหมดไม่ต่อเนื่องนั้นค่อนข้างแตกต่างจากการตอบสนองความถี่โหมดต่อเนื่องซึ่งนำเสนอในเซ็กเมนต์ Buck-Boost Power Stage Modeling นอกจากนี้การเชื่อมต่ออินพุตไปยังเอาต์พุตมีความหลากหลายพอสมควรตามที่นำเสนอในหน้านี้:

ในการเริ่มต้นการได้มาของอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าของโหมดการนำกระแสไฟฟ้าแบบไม่ต่อเนื่อง Buck-Boost ให้ระลึกว่าคุณมีสถานะที่แตกต่างกันสามสถานะที่ตัวแปลงพิจารณาผ่านฟังก์ชันโหมดการนำไฟฟ้าที่ไม่ต่อเนื่อง

สถานะเปิดคือเมื่อ Q1 เปิดอยู่และ CR1 ปิดอยู่ สถานะปิดคือเมื่อ Q1 ปิดและ CR1 เปิดอยู่ เงื่อนไข IDLE คือเมื่อแต่ละ Q1 และ CR1 ปิดอยู่ สองเงื่อนไขเริ่มต้นนั้นเหมือนกับสถานการณ์ในโหมดต่อเนื่องมากและวงจรของรูปที่ 2 มีความเกี่ยวข้องนอกเหนือจาก TOFF ≠ (1 − D) × TS ลำดับการสลับที่เหลือคือสถานะ IDLE

นอกจากนี้ความต้านทานกระแสตรงของตัวเหนี่ยวนำเอาท์พุทแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าของไดโอดเอาท์พุทลดลงและแรงดันไฟฟ้าตกของ MOSFET ON โดยปกติควรจะเป็นนาทีพอที่จะมองข้ามได้

ช่วงเวลาของสถานะ ON คือ TON = D × TS โดยที่ D คือรอบการทำงานซึ่งกำหนดโดยวงจรควบคุมซึ่งระบุเป็นอัตราส่วนของเวลาเปิดเครื่องกับเวลาของลำดับการสลับแบบเต็มหนึ่งลำดับ Ts ความยาวของสถานะปิดคือ TOFF = D2 × TS ช่วงเวลา IDLE คือรูปแบบการสลับที่เหลือซึ่งแสดงเป็น TS - TON - TOFF = D3 × TS ช่วงเวลาเหล่านี้ถูกกำหนดขึ้นด้วยรูปคลื่นในรูปที่ 6

โดยไม่ต้องตรวจสอบคำอธิบายที่ครอบคลุมสมการสำหรับการเพิ่มขึ้นและลดลงของตัวเหนี่ยวนำจะถูกแจกแจงไว้ด้านล่าง การเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในช่วงของสถานะ ON ออกโดย:

ปริมาณกระแสกระเพื่อมΔIL (+) ก็เช่นเดียวกันกระแสตัวเหนี่ยวนำสูงสุด Ipk เนื่องจากในโหมดไม่ต่อเนื่องกระแสจะเริ่มต้นที่ 0 ทุกรอบการลดกระแสของตัวเหนี่ยวนำในสถานะปิดแสดงโดย:

เช่นเดียวกับสถานการณ์ของโหมดการนำไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องการเพิ่มขึ้นของปัจจุบันΔIL (+) ในช่วงเวลา ON และการลดปัจจุบันขณะอยู่ในเวลาปิดΔIL (-) จะเหมือนกัน ดังนั้นสมการทั้งสองนี้สามารถนำมาเทียบเคียงและกำหนดให้ VO ได้ค่าเริ่มต้นของสองสมการที่จะใช้ในการแก้อัตราส่วนการแปลงแรงดันไฟฟ้า:

ต่อไปเราจะกำหนดกระแสเอาต์พุต (แรงดันเอาต์พุต VO หารด้วยโหลดเอาต์พุต R) เป็นค่าเฉลี่ยของลำดับการสลับหนึ่งของกระแสตัวเหนี่ยวนำในขณะนั้นเมื่อ CR1 กลายเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า (D2 × TS)

ที่นี่แทนที่การเชื่อมต่อสำหรับ IPK (ΔIL (+)) ลงในสมการด้านบนเพื่อรับ:

ดังนั้นเราจึงมีสองสมการหนึ่งสำหรับกระแสเอาท์พุต (VO หารด้วย R) ที่เพิ่งได้มาและอีกหนึ่งสำหรับแรงดันไฟฟ้าขาออกทั้งสองสมการเกี่ยวกับ VI, D และ D2 ณ จุดนี้เราจะคลี่คลายแต่ละสูตรสำหรับ D2 และแก้ไขสมการทั้งสองให้เท่ากัน

การใช้สมการผลลัพธ์ซึ่งเป็นภาพประกอบสำหรับแรงดันเอาต์พุต VO สามารถจัดหาได้ โหมดการนำกระแสที่ไม่ต่อเนื่องการเชื่อมโยงการแปลงแรงดันไฟฟ้าบัค - บูสต์เขียนโดย:

การเชื่อมต่อข้างต้นแสดงความแตกต่างหลักอย่างหนึ่งระหว่างโหมดการนำไฟฟ้าทั้งสองโหมด สำหรับโหมดการนำไฟฟ้าที่ไม่ต่อเนื่องความสัมพันธ์ของการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นฟังก์ชันของแรงดันไฟฟ้าขาเข้ารอบหน้าที่ตัวเหนี่ยวนำของระยะกำลังความถี่การสลับและความต้านทานโหลดเอาต์พุต

สำหรับโหมดการนำไฟฟ้าแบบต่อเนื่องการเชื่อมต่อแบบเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าจะได้รับอิทธิพลจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและรอบการทำงาน ในแอปพลิเคชันแบบเดิมขั้นตอนการเพิ่มพลังบัคจะทำงานในตัวเลือกระหว่างโหมดการนำไฟฟ้าต่อเนื่องหรือโหมดการนำไฟฟ้าที่ไม่ต่อเนื่อง สำหรับการใช้งานที่เฉพาะเจาะจงโหมดการนำไฟฟ้าหนึ่งโหมดจะถูกเลือกในขณะที่ขั้นตอนกำลังถูกสร้างขึ้นเพื่อรักษาโหมดที่เหมือนกัน