مدیریت منابع تغذیه

مبدل افزاینده

مبدل DC به DC افزاینده ولتاژ

مبدل افزاینده که به عنوان مبدل بوست (Boost) نیز شناخته می‌شود، نوعی مبدل DC به DC است که ولتاژ ورودی را به ولتاژ خروجی بالاتر افزایش می‌دهد. معمولاً برای کاربردهایی استفاده می‌شود که ولتاژ بالاتری نسبت به منبع ورودی نیاز است، مانند لوازمی که با باتری کار میکنند، سیستم‌های خورشیدی و لوازم الکترونیکی قابل حمل.

اجزای اصلی یک مبدل افزاینده یا بوست عبارتند از:

منبع ولتاژ ورودی (Vin): این منبع تغذیه مبدل است و ولتاژی که می‌خواهید افزایش دهید را فراهم می‌کند.

سوئیچ (معمولا ماسفت): این سوئیچ با روشن و خاموش شدن در فرکانس مشخص، جریان جریان از سلف را کنترل می‌کند.

سلف (L): این قطعه انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره می‌کند و به صورت کنترل شده به خروجی انتقال می‌دهد.

دیود (D): مسیری را برای جریان جریان در هنگام خاموش بودن کلید فراهم می کند و از تخلیه ولتاژ خروجی به منبع ورودی جلوگیری می‌کند.

خازن خروجی (Cout): این قطعه ولتاژ خروجی را فیلتر و ولتاژ خروجی را ثابت و smooth می‌کند.

بار (R): دستگاه یا قطعه ای که توان خروجی را مصرف می‌کند.

مدار کنترل: این قطعه عملیات سوئیچینگ را برای حفظ ولتاژ خروجی پایدار مدیریت می کند.

عملکرد یک مبدل بوست را می‌توان به دو مرحله اصلی تقسیم کرد:

زمان روشن (On-time): هنگامی که کلید روشن است، ولتاژ ورودی به سلف متصل می‌شود و باعث می‌شود جریان از سلف به صورت خطی افزایش یابد. دیود بایاس معکوس است و از تخلیه ولتاژ خروجی به منبع ورودی جلوگیری می‌کند.
زمان خاموش (On-time): هنگامی که سوئیچ قطع می‌شود، میدان مغناطیسی سلف فرو می‌ریزد، که ولتاژی را در سرتاسر سلف القا می‌کند که بیشتر از ولتاژ ورودی است. این دیود را forward-biases می کند و به جریان سلف اجازه می دهد تا به خازن خروجی و بار برسد. ولتاژ خروجی (Vout) در این مرحله افزایش می‌یابد.

ولتاژ خروجی یک مبدل بوست را می‌توان با تنظیم دیوتی سایکل سوئیچ، که درصد روشن شدن سوئیچ است، کنترل کرد. ولتاژ خروجی (Vout) را می توان به صورت زیر تقریب زد:

Vout ≈ Vin / (1 – D)

جایی که Vin ولتاژ ورودی و D چرخه وظیفه است. راندمان مبدل به فرکانس سوئیچینگ، کیفیت قطعات و طراحی بستگی دارد، با راندمان نرمال از 80٪ تا 95٪.

سوالات متداول

  1. تعیین مخصات فنی: محدوده ولتاژ ورودی (Vin)، ولتاژ خروجی مورد نظر (Vout) و حداکثر جریان خروجی (Iout) را بر اساس نیازهای برنامه خود تعیین کنید. همچنین در مورد بازده هدف و ریپل ولتاژ خروجی قابل قبول تصمیم بگیرید.
  2. تعیین فرکانس سوئیچینگ (fsw): انتخاب یک فرکانس سوئیچینگ مناسب یک مبادله بین کارایی، اندازه قطعه و هزینه است. فرکانس‌های بالاتر، سلف‌ها و خازن‌های کوچک‌تری را امکان‌پذیر می‌سازد، اما ممکن است تلفات سوئیچینگ بیشتری ایجاد کند. مقادیر معمولی از 100 کیلوهرتز تا 2 مگاهرتز متغیر است.
  3. محاسبه دیوتی سایکل (D): دیوتی سایکل مورد نیاز برای دستیابی به ولتاژ خروجی مورد نظر را با استفاده از فرمول زیر تعیین کنید:

D ≈ 1 – (Vin / Vout)

4. انتخاب ترانزیستور سوئیچینگ: یک ترانزیستور مناسب (معمولا ماسفت) را بر اساس ولتاژ ورودی، جریان خروجی و فرکانس سوئیچینگ انتخاب کنید. اطمینان حاصل کنید که درجه بندی ولتاژ و جریان ترانزیستور از حداکثر ولتاژ ورودی و جریان خروجی مورد نیاز بیشتر است. همچنین، مقاومت روشن ترانزیستور (RDS(روشن)) را برای کارایی در نظر بگیرید.
5. طراحی مدار کنترل: یک روش کنترل مناسب (حالت ولتاژ یا جریان) را انتخاب کنید و حلقه کنترل را با استفاده از یک آی سی کنترلر PWM اختصاصی یا یک میکروکنترلر پیاده سازی کنید. حلقه کنترل معمولاً از یک مرجع ولتاژ، تقویت کننده خطا و ژنراتور PWM تشکیل شده است.
6. انتخاب سلف (L): مقدار سلف مناسب را بر اساس جریان خروجی مورد نظر، فرکانس سوئیچینگ و ریپل ولتاژ خروجی انتخاب کنید. یک دستورالعمل متداول این است که یک سلف با مقداری انتخاب کنید که منجر به موج دار شدن جریان سلف پیک به پیک بین 20 تا 40 درصد حداکثر جریان خروجی شود.
7. انتخاب دیود (D): دیودی را با درجه ولتاژ مناسب و زمان بازیابی به اندازه کافی سریع برای برنامه خود انتخاب کنید. دیودهای شاتکی به دلیل افت ولتاژ رو به جلو پایین و ویژگی های سوئیچینگ سریع اغلب ترجیح داده می شوند.
8. انتخاب خازن خروجی (Cout): خازن خروجی را انتخاب کنید که موج ولتاژ خروجی قابل قبول و پاسخ گذرا خوب را ارائه دهد. مقدار خازن به فرکانس سوئیچینگ، جریان خروجی و ریپل ولتاژ مورد نظر بستگی دارد.
9. طراحی شبکه بازخورد: شبکه بازخورد را با استفاده از مقاومت ها و خازن ها برای تنظیم عملکرد، پایداری و پاسخ گذرا حلقه کنترل پیاده سازی کنید.
10. اجزای اختیاری: خازن های فیلتر ورودی/خروجی، مدارهای اسنابر یا ویژگی های حفاظتی (مانند ولتاژ اضافه، جریان اضافه یا حفاظت حرارتی) را در صورت نیاز برای کاربرد خاص خود اضافه کنید.
11. لی اوت PCB: طرح PCB را طراحی کنید، از قرار دادن قطعات و مسیریابی مناسب اطمینان حاصل کنید تا نویز، امواج ولتاژ و مسائل حرارتی را به حداقل برسانید.
12. تست و اعتبارسنجی: مبدل تقویت کننده را جمع آوری کنید و عملکرد آن را در شرایط مختلف عملیاتی آزمایش کنید. تأیید کنید که مشخصات مورد نظر مطابقت دارد و هرگونه تنظیمات لازم را در طراحی انجام دهید.

به یاد داشته باشید که اینها دستورالعمل های کلی هستند و ملاحظات طراحی خاص ممکن است بسته به کاربرد مدنظر شما متفاوت باشد. ضروری است که الزامات خود را به دقت تجزیه و تحلیل کنید و از دیتاشیت و اپلیکیشن نوت‌های مربوطه برای اجزای انتخابی خود استفاده کنید.

مبدل بوست که به عنوان مبدل افزاینده نیز شناخته می‌شود، نوعی مبدل DC به DC است که ولتاژ ورودی را به ولتاژ خروجی بالاتر افزایش می‌دهد. با ذخیره انرژی در یک سلف و رهاسازی آن به خروجی به صورت کنترل شده عمل می‌کند. در اینجا یک توضیح گام به گام در مورد نحوه عملکرد یک مبدل بوست آورده شده است:

  1. زمان روشن (سوئیچ بسته): هنگامی که کلید (معمولا یک ماسفت) بسته یا روشن می‌شود، ولتاژ ورودی (Vin) به سلف (L) متصل می‌شود و جریان از طریق سلف شروع به افزایش خطی می‌کند. در این مدت، دیود (D) بایاس معکوس است، به این معنی که هیچ جریانی از آن عبور نمی‌کند. انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی سلف افزایش می‌یابد، در حالی که خازن خروجی (Cout) نیروی بار را تامین می کند.
  2. زمان خاموش (سوئیچ باز): هنگامی که کلید باز یا خاموش می شود، جریان جریان از طریق سلف مختل می‌شود و میدان مغناطیسی در حال فروپاشی ولتاژی را در سراسر سلف القا می‌کند. این ولتاژ القایی بالاتر از ولتاژ ورودی است که دیود را به سمت جلو هدایت می کند و به جریان اجازه می دهد از آن عبور کند. انرژی سلف به خازن خروجی و بار منتقل می شود و ولتاژ خروجی (Vout) را افزایش می دهد.

ولتاژ خروجی یک مبدل تقویت کننده به دیوتی سایکل (D) سوئیچ بستگی دارد که نسبت زمان روشن به کل دوره سوئیچینگ (زمان روشن + زمان خاموش) است. ولتاژ خروجی را می‌توان با استفاده از فرمول زیر تقریب زد:

Vout ≈ Vin / (1 – D)

مدار کنترل، معمولاً از یک کنترلر اختصاصی PWM یا یک میکروکنترلر استفاده می‌کند، ولتاژ خروجی را نظارت می‌کند و چرخه وظیفه را برای حفظ ولتاژ خروجی پایدار تنظیم می کند. حلقه کنترل معمولاً از یک مرجع ولتاژ، تقویت کننده خطا و ژنراتور PWM تشکیل شده است. با مقایسه ولتاژ خروجی با ولتاژ مرجع و تنظیم چرخه کار بر این اساس، مدار کنترل تضمین می‌کند که ولتاژ خروجی حتی با تغییرات در ولتاژ ورودی یا شرایط بار، ثابت می‌ماند.

کارایی یک مبدل بوست به فرکانس سوئیچینگ، کیفیت قطعات و طراحی بستگی دارد. برای دستیابی به راندمان مطلوب، ریپل ولتاژ خروجی و پاسخ گذرا، بهینه سازی انتخاب اجزا، مانند مقدار سلف، نوع دیود و مقدار خازن خروجی ضروری است. بازده نرمال برای مبدل های افزاینده از 80٪ تا 95٪ متغیر است.

مبدل های بوست که به عنوان مبدل های افزایش دهنده نیز شناخته می‌شوند، نوعی تنظیم کننده ولتاژ سوئیچینگ هستند که ولتاژ ورودی پایین تر را به ولتاژ خروجی بالاتر تبدیل می کنند و بازده را بالا نکه می‌دارند آنها در کاربردهای مختلفی استفاده می‌شوند که در آن لازم است سطح ولتاژ افزایش یابد. برخی از کاربردهای رایج مبدل های بوست عبارتند از:

  1. دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل: مبدل‌های تقویت‌کننده در دستگاه‌های دارای باتری مانند تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها و لپ‌تاپ‌ها استفاده می‌شوند تا ولتاژ باتری را به سطح بالاتری که برای اجزای خاص دستگاه نیاز است افزایش دهند.
  2. روشنایی LED: مبدل های تقویت کننده اغلب در سیستم های روشنایی LED استفاده می‌شوند تا ولتاژ ورودی را به سطحی مناسب برای هدایت LED های متعدد متصل به سری افزایش دهند و از روشنایی ثابت و طول عمر طولانی اطمینان حاصل کنند.
  3. سیستم های خورشیدی: در کاربردهای انرژی خورشیدی، مبدل های بوست برای افزایش ولتاژ خروجی پنل های خورشیدی یا سیستم های برداشت انرژی تا سطح مناسب برای شارژ باتری ها یا تغذیه به اینورترهای برق استفاده می‌شوند.
  4. الکترونیک خودرو: مبدل های افزاینده برای کاربردهای مختلف در خودرو استفاده می شود، مانند تامین ولتاژ پایدار برای قطعات الکترونیکی حساس، امکان بازیابی انرژی در طول ترمز احیاکننده، یا افزایش ولتاژ از باتری کم ولتاژ به سطح بالاتر برای استفاده در خودروهای الکتریکی یا هیبریدی. .
  5. منابع تغذیه: مبدل های بوست در منابع تغذیه برای ارائه ولتاژهای خروجی بالاتر از ولتاژ ورودی استفاده می شوند که امکان انتخاب طیف وسیع تری از گزینه های ولتاژ را برای بارها و کاربردهای مختلف فراهم می کند.
  6. سیستم‌های مخابراتی: در سیستم‌های مخابراتی، مبدل‌های بوست برای تامین برق پایدار تجهیزاتی مانند فرستنده‌ها، تقویت‌کننده‌ها یا ایستگاه‌های پایه استفاده می‌شوند که ممکن است به ولتاژ بالاتری نسبت به ولتاژ ورودی موجود نیاز داشته باشند.
  7. شبکه‌های سنسور و لوازم اینترنت اشیا: مبدل‌های تقویت‌کننده را می‌توان در شبکه‌های حسگر و دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT) یافت که به منبع انرژی پایدار و کارآمد از باتری‌های ولتاژ پایین یا سیستم‌های برداشت انرژی نیاز دارند.

مبدل های بوست مزیت راندمان بالا، اندازه جمع و جور و تبدیل ولتاژ انعطاف پذیر را ارائه می‌دهند که آنها را در بسیاری از کاربردهایی که سطوح ولتاژ نیاز به افزایش دارند به گزینه ای محبوب تبدیل می‌کند.

برای طراحی یک مبدل تقویت کننده، به اجزای زیر نیاز دارید:

منبع ولتاژ ورودی (Vin): منبع تغذیه مبدل، ولتاژی را که می‌خواهید افزایش دهید، تامین می‌کند.

سوئیچ (معمولا ماسفت): این سوئیچ با روشن و خاموش شدن در فرکانس مشخص، جریان جریان از سلف را کنترل می‌کند.

سلف (L): این قطعه انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره می‌کند و به صورت کنترل شده به خروجی رها می کند.

دیود (D): مسیری را برای جریان جریان در هنگام خاموش بودن کلید فراهم می کند و از تخلیه ولتاژ خروجی به منبع ورودی جلوگیری می کند.

خازن خروجی (Cout): این قطعه ولتاژ خروجی را فیلتر می کند و خروجی ثابت و smooth را ارائه می‌دهد.

بار (R): دستگاه یا قطعه ای که توان خروجی را مصرف می کند.

مدار کنترل: این قطعه عملیات سوئیچینگ را برای حفظ ولتاژ خروجی پایدار مدیریت می کند. ممکن است شامل یک آی سی کنترلر PWM یا یک میکروکنترلر اختصاصی، یک مرجع ولتاژ، یک تقویت کننده خطا و یک ژنراتور PWM باشد.

شبکه فیدبک: شبکه ای از مقاومت ها و خازن ها برای تنظیم عملکرد، پایداری و پاسخ گذرا حلقه کنترل.

 

  • اجزای اختیاری:

1. خازن های فیلتر ورودی/خروجی: این خازن ها می توانند به کاهش نویز و ریپل ولتاژ ورودی و خروجی کمک کنند.

2. مدارهای Snubber: این مدارها می توانند به کاهش نوسانات ولتاژ و جریان در کلید و دیود کمک کنند و قابلیت اطمینان و کارایی را بهبود بخشند.

3. مدار Soft-start: این مدار می تواند جریان هجومی را در هنگام راه اندازی محدود کند و از آسیب احتمالی قطعات جلوگیری کند.

4. ویژگی های حفاظتی: مدارهای حفاظتی اضافه ولتاژ، جریان اضافی یا حرارتی ممکن است برای افزایش ایمنی و قابلیت اطمینان اضافه شوند.

 

برد مدار چاپی (PCB): برای نصب و اتصال تمام اجزای مبدل بوست به یک PCB نیاز است.

این اجزا باید بر اساس محدوده ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی مورد نظر، حداکثر جریان خروجی، بازده هدف و ریپل ولتاژ خروجی قابل قبول برای کاربرد خاص شما انتخاب شوند. به یاد داشته باشید که برای قطعاتی که انتخاب می‌کنید، به برگه‌های داده و یادداشت‌های کاربردی مربوطه مراجعه کنید و مبدل مونتاژ شده را برای اطمینان از مطابقت با مشخصات مورد نظر آزمایش کنید.