Buck Converters ทำงานอย่างไร

บทความด้านล่างนี้นำเสนอความรู้ที่ครอบคลุมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของตัวแปลงบั๊ก

ตามชื่อที่แนะนำตัวแปลงบั๊กถูกออกแบบมาเพื่อต่อต้านหรือ จำกัด กระแสอินพุตทำให้เอาต์พุตอาจต่ำกว่าอินพุตที่ให้มามาก

กล่าวอีกนัยหนึ่งถือได้ว่าเป็นตัวแปลงแบบ step down ซึ่งสามารถใช้สำหรับการรับแรงดันไฟฟ้าที่คำนวณได้หรือกระแสที่ต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำงานของ ตัวแปลงบั๊กในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ผ่านการอภิปรายต่อไปนี้:

ตัวแปลงบั๊ก

โดยทั่วไปคุณอาจพบตัวแปลงบั๊กที่ใช้ในวงจร SMPS และ MPPT ซึ่งต้องการให้แรงดันไฟฟ้าขาออกลดลงอย่างมีนัยสำคัญกว่ากำลังไฟฟ้าของแหล่งอินพุตโดยไม่ส่งผลกระทบหรือเปลี่ยนแปลงกำลังขับนั่นคือค่า V x I

แหล่งจ่ายไปยังตัวแปลงบั๊กอาจมาจากเต้ารับ AC หรือจากแหล่งจ่ายไฟ DC

ตัวแปลงบั๊กใช้สำหรับแอปพลิเคชันเหล่านั้นที่การแยกไฟฟ้าอาจไม่จำเป็นอย่างยิ่งในแหล่งจ่ายไฟเข้าและโหลดอย่างไรก็ตามสำหรับแอปพลิเคชันที่อินพุตอาจอยู่ที่ระดับไฟเมนโดยปกติโทโพโลยีแบบฟลายแบ็คจะใช้ผ่านหม้อแปลงแยก

อุปกรณ์หลักที่ใช้เป็นเอเจนต์สวิตชิ่งในตัวแปลงบั๊กอาจอยู่ในรูปแบบมอสเฟ็ทหรือบีเจทีกำลัง (เช่น 2N3055) ซึ่งกำหนดค่าให้สลับหรือสั่นในอัตราที่รวดเร็วผ่านขั้นตอนออสซิลเลเตอร์ในตัวด้วย ฐานหรือประตู

องค์ประกอบที่สำคัญประการที่สองในตัวแปลงบั๊กคือตัวเหนี่ยวนำ L ซึ่งเก็บกระแสไฟฟ้าจากทรานซิสเตอร์ในช่วง ON และปล่อยออกมาในช่วงที่ปิดเพื่อให้จ่ายกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องไปยังโหลดในระดับที่กำหนด

ขั้นตอนนี้เรียกอีกอย่างว่า 'มู่เล่' ขั้นตอนเนื่องจากการทำงานของมันคล้ายกับมู่เล่เชิงกลซึ่งสามารถรักษาการหมุนได้อย่างต่อเนื่องและมั่นคงด้วยความช่วยเหลือของแรงผลักจากแหล่งภายนอก

อินพุต AC หรือ DC?

ตัวแปลงบั๊กเป็นวงจรตัวแปลง DC เป็น DC ที่ออกแบบมาเพื่อรับแหล่งจ่ายไฟจากแหล่ง DC ซึ่งอาจเป็นแบตเตอรี่หรือแผงโซลาร์เซลล์ สิ่งนี้อาจมาจากเอาท์พุทอะแดปเตอร์ AC เป็น DC ที่ทำได้โดยใช้วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์และตัวเก็บประจุตัวกรอง

ไม่ว่าแหล่งที่มาของอินพุต DC ไปยังตัวแปลงบั๊กจะถูกแปลงเป็นความถี่สูงอย่างสม่ำเสมอโดยใช้วงจรออสซิลเลเตอร์สับพร้อมกับขั้นตอน PWM

จากนั้นความถี่นี้จะถูกป้อนไปยังอุปกรณ์สวิตชิ่งสำหรับการดำเนินการแปลงบั๊กที่จำเป็น

การทำงานของ Buck Converter

ดังที่กล่าวไว้ในหัวข้อข้างต้นเกี่ยวกับวิธีการทำงานของตัวแปลงบั๊กและดังที่เห็นได้จากแผนภาพต่อไปนี้วงจรตัวแปลงบั๊กประกอบด้วยทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งและวงจรมู่เล่ที่เกี่ยวข้องซึ่งรวมถึงไดโอด D1 ตัวเหนี่ยวนำ L1 และตัวเก็บประจุ C1

ในช่วงที่ทรานซิสเตอร์เปิดอยู่พลังงานจะผ่านทรานซิสเตอร์ก่อนจากนั้นผ่านตัวเหนี่ยวนำ L1 และสุดท้ายไปยังโหลด ในกระบวนการนี้ตัวเหนี่ยวนำเนื่องจากคุณสมบัติโดยธรรมชาติพยายามที่จะต่อต้านการแนะนำอย่างกะทันหันของกระแสโดยการกักเก็บพลังงานไว้ในนั้น

การต่อต้านโดย L1 นี้จะยับยั้งกระแสจากอินพุตที่ใช้ไปถึงโหลดและถึงค่าสูงสุดสำหรับอินสแตนซ์สวิตชิ่งเริ่มต้น

อย่างไรก็ตามในระหว่างนี้ทรานซิสเตอร์จะเข้าสู่เฟสปิดสวิตช์โดยตัดแหล่งจ่ายอินพุตไปยังตัวเหนี่ยวนำ

เมื่อแหล่งจ่ายปิด L1 อีกครั้งจะเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของกระแสและเพื่อชดเชยการเปลี่ยนแปลงจะล้างพลังงานที่เก็บไว้ออกจากโหลดที่เชื่อมต่อ

ช่วงเวลา 'เปิด' สวิตช์ทรานซิสเตอร์

อ้างถึงรูปด้านบนในขณะที่ทรานซิสเตอร์อยู่ในสวิตช์เปิดเฟสจะอนุญาตให้กระแสไฟฟ้าเข้าถึงโหลด แต่ในช่วงเริ่มต้นของการเปิดสวิตช์กระแสจะถูก จำกัด อย่างมากเนื่องจากตัวเหนี่ยวนำต่อต้านการใช้งานกะทันหันของ ปัจจุบันผ่านมัน

อย่างไรก็ตามในกระบวนการนี้ตัวเหนี่ยวนำจะตอบสนองและชดเชยพฤติกรรมโดยการเก็บกระแสไว้ในนั้นและในหลักสูตรบางส่วนแหล่งจ่ายได้รับอนุญาตให้เข้าถึงโหลดและไปยังตัวเก็บประจุ C1 ซึ่งเก็บส่วนที่อนุญาตของแหล่งจ่ายไว้ด้วย .

นอกจากนี้ควรคำนึงถึงด้วยว่าในขณะที่เกิดเหตุการณ์ข้างต้นแคโทด D1 จะสัมผัสกับศักยภาพเชิงบวกเต็มรูปแบบซึ่งทำให้มันกลับลำเอียงทำให้พลังงานที่เก็บไว้ของ L1 เป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับเส้นทางกลับข้ามโหลดผ่านโหลด สถานการณ์นี้ทำให้ตัวเหนี่ยวนำสามารถกักเก็บพลังงานไว้ในนั้นได้โดยไม่มีการรั่วไหล

ทรานซิสเตอร์ปิดช่วงเวลา 'ปิด'

ตอนนี้อ้างถึงรูปด้านบนเมื่อทรานซิสเตอร์เปลี่ยนกลับการกระทำการสลับนั่นคือทันทีที่ปิด L1 จะถูกนำมาใช้อีกครั้งพร้อมกับกระแสที่ว่างเปล่าอย่างกะทันหันซึ่งจะตอบสนองโดยการปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ไปยังโหลดใน รูปแบบของความต่างศักย์ที่เท่ากัน

ตอนนี้เนื่องจาก T1 ปิดอยู่แคโทดของ D1 จึงถูกปลดออกจากศักยภาพเชิงบวกและเปิดใช้งานด้วยเงื่อนไขไปข้างหน้า

เนื่องจากสภาพเอนเอียงไปข้างหน้าของ D1 พลังงาน L1 ที่ปล่อยออกมาหรือ EMF ด้านหลังที่เตะโดย L1 จึงได้รับอนุญาตให้ทำวงจรผ่านโหลด D1 และกลับไปที่ L1

ในขณะที่กระบวนการกำลังเสร็จสิ้นพลังงาน L1 จะผ่านการลดลงแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลเนื่องจากการใช้งานของโหลด ตอนนี้ C1 เข้ามาช่วยและช่วยเหลือ L1 EMF โดยการเพิ่มกระแสไฟฟ้าที่เก็บไว้ลงในโหลดดังนั้นจึงมั่นใจได้ว่าแรงดันไฟฟ้าทันทีที่มีเสถียรภาพพอสมควรให้กับโหลด ... จนกว่าทรานซิสเตอร์จะเปิดอีกครั้งเพื่อรีเฟรชวงจรกลับ

ขั้นตอนทั้งหมดช่วยให้สามารถเรียกใช้แอปพลิเคชันตัวแปลงบั๊กที่ต้องการโดยอนุญาตให้ใช้แรงดันและกระแสไฟฟ้าที่คำนวณได้สำหรับโหลดเท่านั้นแทนที่จะใช้แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ค่อนข้างใหญ่กว่าจากแหล่งอินพุต

สิ่งนี้อาจเห็นได้ในรูปของรูปคลื่นระลอกคลื่นขนาดเล็กแทนที่จะเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมขนาดใหญ่จากแหล่งอินพุต

ในส่วนข้างต้นเราได้เรียนรู้วิธีการทำงานของตัวแปลงบัคในการสนทนาต่อไปนี้เราจะเจาะลึกลงไปและเรียนรู้สูตรที่เกี่ยวข้องในการกำหนดพารามิเตอร์ต่างๆที่เกี่ยวข้องกับตัวแปลงบั๊ก

สูตรการคำนวณแรงดันบั๊กในวงจรบั๊กคอนเวอร์เตอร์

จากการตัดสินใจข้างต้นเราสามารถสรุปได้ว่ากระแสไฟฟ้าที่เก็บไว้สูงสุดภายใน L1 นั้นขึ้นอยู่กับเวลา ON ของทรานซิสเตอร์หรือ EMF ด้านหลังของ L1 สามารถกำหนดขนาดได้โดยการกำหนดขนาดเวลาเปิดและปิดของ L อย่างเหมาะสมนอกจากนี้ยังหมายความว่าเอาต์พุต แรงดันไฟฟ้าในตัวแปลงบั๊กสามารถกำหนดไว้ล่วงหน้าได้โดยการคำนวณเวลาเปิดของ T1

สูตรสำหรับการแสดงเอาต์พุตตัวแปลงบั๊กอาจพบเห็นได้ในความสัมพันธ์ด้านล่าง:

V (ออก) = {V (ใน) x t (ON)} / T

โดยที่ V (in) คือแรงดันแหล่งที่มา t (ON) คือเวลา ON ของทรานซิสเตอร์

และ T คือ 'periodic time' หรือช่วงเวลาหนึ่งรอบของ PWM เต็มรูปแบบนั่นคือเวลาที่ใช้ในการทำ ON เต็มหนึ่งครั้ง + เวลา OFF เต็มหนึ่งครั้ง

ตัวอย่างที่แก้ไข:

ลองทำความเข้าใจสูตรข้างต้นด้วยตัวอย่างที่แก้ไขได้:

สมมติสถานการณ์ที่ตัวแปลงบั๊กทำงานด้วย V (in) = 24V

T = 2ms + 2ms (เวลา ON + เวลาปิด)

t (เปิด) = 1ms

แทนที่สิ่งเหล่านี้ในสูตรข้างต้นเราจะได้รับ:

V (ออก) = 24 x 0.001 / 0.004 = 6V

ดังนั้น V (ออก) = 6V

ทีนี้มาเพิ่มเวลาทรานซิสเตอร์โดยสร้าง t (ON) = 1.5ms

ดังนั้น V (ออก) = 24 x 0.0015 / 0.004 = 9V

จากตัวอย่างข้างต้นจะเห็นได้ชัดเจนว่าในเวลาการสลับตัวแปลงบั๊ก t (ON) ของทรานซิสเตอร์จะควบคุมแรงดันขาออกหรือแรงดันไฟฟ้าบั๊กที่ต้องการดังนั้นค่าใด ๆ ระหว่าง 0 ถึง V (นิ้ว) สามารถทำได้โดยการกำหนดขนาดให้เหมาะสม ON เวลาของทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง

Buck Converter สำหรับอุปกรณ์เชิงลบ

วงจรบัคคอนเวอร์เตอร์ที่เราพูดถึงจนถึงตอนนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้เหมาะกับการใช้งานอุปทานในเชิงบวกเนื่องจากเอาต์พุตสามารถสร้างศักยภาพเชิงบวกโดยอ้างอิงกับกราวด์อินพุต

อย่างไรก็ตามสำหรับแอพพลิเคชั่นที่อาจต้องใช้อุปกรณ์สิ้นเปลืองการออกแบบอาจมีการปรับเปลี่ยนเล็กน้อยและทำให้เข้ากันได้กับแอพพลิเคชั่นดังกล่าว

รูปด้านบนแสดงให้เห็นว่าเพียงแค่สลับตำแหน่งของตัวเหนี่ยวนำและไดโอดเอาต์พุตจากตัวแปลงบั๊กอาจจะกลับด้านหรือทำให้เป็นลบเมื่อเทียบกับอินพุตกราวด์ทั่วไปที่มีอยู่