Конвертеры Buck и их классные приложения
Конвертер buck представляет собой вездесущий DC-DC преобразователь, который эффективно преобразует высокое напряжение в низкое напряжение эффективно. Эффективное преобразование мощности увеличивает срок службы батареи, уменьшает тепло и позволяет создавать небольшие гаджеты. Конвертер buck может использоваться во многих прохладных приложениях. В этой статье приводится краткое введение в конвертер buck и охватывает несколько крутых приложений схем конвертеров buck - и его двоюродный брат полумоста - и предоставляет ссылки на ресурсы, где заинтересованные читатели могут больше узнать о конкретных чипах для использования в своих проектах,
Введение в конвертер Buck
Конвертер buck - простая схема. На рисунке 1 представлена упрощенная схема конвертера buck. MOSFET MOSFET активируется и выключается. Контрольная ИС, не изображенная, использует замкнутый контур обратной связи для управления выходным напряжением. Функция передачи постоянного тока представляет собой уравнение, которое связывает входное напряжение, выходное напряжение и рабочий цикл преобразователя. $ Vout = Vin * D $, где Vout - выходное напряжение, Vin - входное напряжение, D - рабочий цикл или процент времени, в течение которого MOSFET включен. Индуктор и конденсатор на рисунке 1 образуют фильтр нижних частот. Этот фильтр нижних частот сглаживает действие переключения MOSFET и обеспечивает хорошее, плавное, постоянное напряжение.
Рисунок 1: Упрощенная схема несинхронного доллара. TPS5430 является примером несинхронного контроллера buck.
На рисунке 2 показана общая вариация конвертера buck: синхронный конвертер buck. В синхронном конвертере buck диод свободного хода заменяется MOSFET. Использование MOSFET также позволяет осуществлять двунаправленную передачу мощности. Если конвертер buck работает в обратном направлении, его можно запустить в качестве ускорителя. Для этого требуется специальная интегральная схема преобразователя. Он используется в таких приложениях, как USB On-the-Go, которые позволяют использовать ваш смартфон для питания небольшой портативной электроники.
Два MOSFET в этой компоновке называются полумостами. Полумосты также являются очень полезными схемами, которые имеют множество приложений.
Рисунок 2: Упрощенная схема синхронного конвертера. LM5119 является примером синхронного контроллера конвертора.
Конвертер buck используется везде. Остальная часть статьи охватывает некоторые распространенные приложения.
USB On-The-Go
USB On-The-Go позволяет подключать к смартфону клавиатуры, мыши и другие периферийные устройства. Периферийное устройство потребляет питание от USB-порта телефона. Регулирование мощности обрабатывается с использованием синхронного конвертора, который может передавать мощность в обоих направлениях. Когда телефон подключен к зарядному устройству, конвертер buck работает как конвертер buck для зарядки литиевой батареи в телефоне. Когда периферийное устройство подключено, конвертер buck работает в обратном направлении в качестве повышающего преобразователя для генерации 5 В от литиевой батареи. Ознакомьтесь с этими ссылками от Texas Instruments и Linear Technology, чтобы узнать больше о двунаправленных DC-DC преобразователях, поддерживающих USB On-The-Go.
Рисунок 3: Некоторые популярные смартфоны.
Конвертер POL для ПК и ноутбуков
Конвертер Point-of-Load, или POL, является неизолированным конвертером buck, который способен эффективно управлять мощностью при высоких токовых нагрузках. Это особенно полезно для материнских плат для ПК и ноутбуков. Современные микропроцессоры работают с очень низким напряжением, обычно 1, 8 В. Для этой цели используется синхронный доллар, иногда многофазный. Этот POL часто называют модулем регулятора напряжения или VRM в спецификации материнской платы. Muarata делает преобразователи точки нагрузки, как этот.
Рисунок 4: Материнская плата на печатной плате.
Зарядные устройства
Все хотят, чтобы их смартфон, планшет или портативный аккумулятор быстро заряжали, не нагревая их портативные устройства. Синхронный конвертер buck - лучший способ сделать это. Как правило, порт зарядки для мобильного устройства представляет собой порт micro USB. Он принимает регулируемый 5V. Цепи зарядки находятся внутри мобильного устройства, которое часто является конвертером. Некоторые контроллеры buck имеют встроенные интеллектуальные контроллеры батарей, такие как чип от линейной технологии.
Рисунок 5: Ноутбук
Солнечные зарядные устройства
Эффективное преобразование высокого напряжения в низкое напряжение - это сильная сторона конвертера. Существует множество продуктов, предназначенных для зарядки аккумулятора от солнечной панели с более высоким напряжением. Солнечное зарядное устройство имеет функцию, которую другие конвертеры buck не называют максимальным отслеживанием мощности. Солнечные элементы имеют нелинейные кривые тока-напряжения. Солнечное зарядное устройство часто представляет собой конвертер с микроконтроллером. Микроконтроллер сообщает конвертеру buck об увеличении максимальной мощности путем изменения тока нагрузки для зарядки аккумулятора в кратчайшие сроки. Некоторые конвертеры buck имеют встроенное отслеживание максимальной мощности и зарядное устройство для литиевых батарей, например LT3652 от линейной технологии.
Рисунок 6: Складная панель солнечных батарей для туристов от GoalZero.
Усилители мощности
Ступень мощности усилителей мощности класса D представляет собой синхронный конвертер. Одно большое различие между преобразователем постоянного тока и аудиоустройством класса D заключается в том, что, хотя преобразователь постоянного тока создает постоянное напряжение по напряжению и нагрузке, усилитель класса D намеренно производит сигнал переменного тока. Разница заключается в контуре обратной связи. Обратите внимание, что выходной каскад представляет собой полумост, а затем LC-фильтр. Хорошим примером усилителя класса D является TDA8954 от NXP.
Рисунок 7: упрощенная схема усилителя класса D.
Чистый синусоидальный инвертор
Чистые синусоидальные инверторы мощности создают синусоидальную энергию от источника постоянного напряжения, такого как аккумулятор. Вы можете использовать инвертор для питания домашнего электронного устройства от большой батареи или автомобиля. Сила инверсии силового инвертора выглядит как усилитель класса D.
Quadcopters
Конвертеры Buck используются в квадроциклах. Quadcopters часто питаются от многоячеистого литиевого аккумулятора. типичные конфигурации паков - 2-6 ячеек в серии. Эти аккумуляторные батареи производят напряжение в диапазоне 6 В-25 В. Конвертер buck снижает напряжение батареи до 5 В или 3, 3 В для управления полетом (мозг квадроцикла) для использования. В промышленности quadcopter часто называются BEC-преобразователи BEC, что является сокращением для схемы устранения батареи или UBEC, что означает универсальную схему устранения батареи. BEC и UBEC часто встречаются на электронных регуляторах скорости, которые управляют бесщеточными двигателями на квадроцикле или на распределительной плате питания, которая направляет энергию батареи туда, где ей нужно идти.
Рисунок 8: Квадкоптер от Thrust-UAV.
Бесщеточные моторные контроллеры
Говоря о квадроциклах, quadcopters используют бесщеточные двигатели, чтобы летать из-за их высокой эффективности и легковесности. Три полумоста используются для управления индуктивными катушками бесщеточного двигателя. См. Рисунок 9, упрощенная схема бесщеточного двигателя. Он выглядит как 3 синхронных конвертера buck без конденсаторов фильтра. На рисунке 10 изображен фактический электронный регулятор скорости, используемый любителями quadcopter.
Рисунок 9: упрощенная схема бесщеточного контроллера двигателя.
Рисунок 10: Электронный регулятор скорости, используемый любителями. Этот конкретный контроллер скорости включает в себя встроенный контроллер байпаса.
Силовые ступени, которые являются синхронными, позволяют подавать питание от двигателей к батарее. Это процесс, известный как регенеративное торможение, которое используется в поездах и электромобилях, включая родстер Tesla.
Машинно-моторные контроллеры
Мотор щеткой можно приводить в движение с помощью конфигурации, называемой высокоскоростным управлением двигателем. Это в основном синхронный конвертер без выходного конденсатора.
Рисунок 11: Упрощенная схема контроллера щеткой-двигателем. Обратите внимание на сходство с конвертером buck.
Выводы
В этой статье представлено краткое введение в конвертеры buck. Конвертеры Buck и их двоюродный брат полумост используются во многих прохладных приложениях, включая смартфоны, ноутбуки, планшеты, портативные аккумуляторные батареи, фонарики, квадроциклы. Усилители звука и схемы управления двигателем имеют много общего с конверторами buck.