การสลับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า

ในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าพัลส์ (ตัวแปลง) องค์ประกอบที่ใช้งานอยู่ (โดยปกติจะเป็นทรานซิสเตอร์ฟิลด์เอฟเฟกต์) ทำงานในโหมดพัลส์: สวิตช์ควบคุมจะเปิดและปิดสลับกันโดยจ่ายแรงดันไฟฟ้าด้วยพัลส์ไปยังองค์ประกอบสะสมพลังงาน เป็นผลให้พัลส์ปัจจุบันถูกป้อนผ่านโช้ค (หรือผ่านหม้อแปลง ขึ้นอยู่กับโทโพโลยีของตัวควบคุมสวิตชิ่งโดยเฉพาะ) ซึ่งมักจะทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบที่สะสม แปลง และปล่อยพลังงานในวงจรโหลด

พัลส์มีพารามิเตอร์เวลาที่แน่นอน: ตามด้วยความถี่ที่แน่นอนและมีระยะเวลาที่แน่นอน พารามิเตอร์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับขนาดของโหลดที่ป้อนโดยตัวปรับความเสถียรเนื่องจากเป็นกระแสเฉลี่ยของตัวเหนี่ยวนำที่ชาร์จตัวเก็บประจุเอาต์พุตและจ่ายไฟให้กับโหลดที่เชื่อมต่ออยู่

ในโครงสร้างของตัวควบคุมพัลส์สามารถแยกแยะหน่วยการทำงานหลักสามหน่วย: สวิตช์ อุปกรณ์เก็บพลังงาน และวงจรควบคุมโหนดสองโหนดแรกสร้างส่วนพลังงานซึ่งร่วมกับโหนดที่สามสร้างวงจรแปลงแรงดันไฟฟ้าที่สมบูรณ์ บางครั้งสวิตช์สามารถทำได้ในตัวเรือนเดียวกันกับวงจรควบคุม

ดังนั้นการทำงานของตัวแปลงพัลส์จึงเสร็จสิ้นเนื่องจากการปิดและเปิด กุญแจอิเล็กทรอนิกส์… เมื่อปิดสวิตช์ อุปกรณ์เก็บพลังงาน (สำลัก) จะเชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานและเก็บพลังงาน และเมื่อเปิด อุปกรณ์เก็บจะตัดการเชื่อมต่อจากแหล่งจ่ายและเชื่อมต่อกับวงจรโหลดทันที หลังจากนั้นพลังงาน ถูกถ่ายโอนไปยังตัวเก็บประจุตัวกรองและโหลด

เป็นผลให้ค่าเฉลี่ยของแรงดันไฟฟ้ากระทำกับโหลดซึ่งขึ้นอยู่กับระยะเวลาและความถี่ของการทำซ้ำของพัลส์ควบคุม กระแสขึ้นอยู่กับโหลดซึ่งค่าจะต้องไม่เกินขีด จำกัด ที่อนุญาตสำหรับตัวแปลงนี้

พีดับบลิวเอ็มและพีดับบลิวเอ็ม

หลักการของการรักษาเสถียรภาพของแรงดันขาออกของตัวแปลงพัลส์นั้นขึ้นอยู่กับการเปรียบเทียบอย่างต่อเนื่องของแรงดันขาออกกับแรงดันอ้างอิง และขึ้นอยู่กับความคลาดเคลื่อนของแรงดันเหล่านี้ วงจรควบคุมจะคืนค่าอัตราส่วนของระยะเวลาเปิดและ สถานะปิดของสวิตช์ (จะเปลี่ยนความกว้างของพัลส์ควบคุมด้วย การมอดูเลตความกว้างพัลส์ — PWM) หรือเปลี่ยนอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์เหล่านี้ โดยรักษาระยะเวลาให้คงที่ (โดยวิธีการมอดูเลตความถี่พัลส์ — PFM) แรงดันขาออกมักจะวัดด้วยตัวแบ่งความต้านทาน

สมมติว่าแรงดันขาออกภายใต้โหลดลดลงในบางจุดกลายเป็นน้อยกว่าค่าเล็กน้อยในกรณีนี้ ตัวควบคุม PWM จะเพิ่มความกว้างของพัลส์โดยอัตโนมัติ นั่นคือ กระบวนการเก็บพลังงานในโช้คจะยาวขึ้น และดังนั้น พลังงานจะถูกถ่ายโอนไปยังโหลดมากขึ้น เป็นผลให้แรงดันขาออกจะกลับสู่ค่าปกติ

หากความเสถียรทำงานตามหลักการของ PFM เมื่อแรงดันขาออกลดลงภายใต้โหลดอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์จะเพิ่มขึ้น เป็นผลให้มีการถ่ายโอนพลังงานบางส่วนไปยังโหลดมากขึ้นและแรงดันไฟฟ้าจะเท่ากับพิกัดที่ต้องการ ที่นี่จะเป็นการเหมาะสมที่จะกล่าวว่าอัตราส่วนของระยะเวลาของสถานะปิดของสวิตช์ต่อผลรวมของระยะเวลาของสถานะปิดและเปิดคือรอบหน้าที่ DC

โดยทั่วไป ตัวแปลงพัลส์มีทั้งแบบมีและไม่มีการแยกกัลวานิก ในบทความนี้ เราจะดูวงจรพื้นฐานที่ไม่มีการแยกกัลวานิก: บูสต์, บัค และอินเวิร์ตติงคอนเวอร์เตอร์ ในสูตร Vin คือแรงดันอินพุต Vout คือแรงดันเอาต์พุต และ DC คือรอบการทำงาน

ตัวแปลงบัคคอนเวอร์เตอร์-บัคคอนเวอร์เตอร์หรือสเต็ปดาวน์คอนเวอร์เตอร์แบบแยกด้วยไฟฟ้า

คีย์ T ปิด เมื่อปิดสวิตช์ ไดโอด D จะถูกล็อค การไหลของกระแส เค้น L และตลอดโหลด R เริ่มเพิ่มขึ้น กุญแจจะเปิดขึ้น เมื่อเปิดสวิตช์กระแสผ่านสำลักและผ่านโหลดแม้ว่าจะลดลง แต่ก็ยังไหลต่อไปเพราะมันไม่สามารถหายไปได้ทันที แต่ตอนนี้วงจรปิดไม่ได้ผ่านสวิตช์ แต่ผ่านไดโอดที่เปิดอยู่

สวิตช์ปิดอีกครั้งหากในช่วงเวลาที่สวิตช์เปิดอยู่กระแสผ่านโช้คไม่มีเวลาลดลงเป็นศูนย์จากนั้นจะเพิ่มขึ้นอีกครั้ง ดังนั้นผ่าน choke และผ่านโหลดจึงทำหน้าที่ตลอดเวลา กระแสที่เต้นเป็นจังหวะ (หากไม่มีตัวเก็บประจุ) ตัวเก็บประจุปรับระลอกคลื่นให้เรียบเพื่อให้กระแสโหลดเกือบคงที่

แรงดันขาออกในตัวแปลงประเภทนี้จะน้อยกว่าแรงดันอินพุตเสมอซึ่งที่นี่จะถูกแยกระหว่างสำลักและโหลด ค่าทางทฤษฎี (สำหรับคอนเวอร์เตอร์ในอุดมคติ—โดยไม่คำนึงถึงการสูญเสียของสวิตช์และไดโอด) สามารถพบได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

บูสต์คอนเวอร์เตอร์โดยไม่มีการแยกกัลวานิก - บูสต์คอนเวอร์เตอร์

สวิตช์ T ปิดอยู่ เมื่อปิดสวิตช์ ไดโอด D จะปิด กระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำ L จะเริ่มเพิ่มขึ้น กุญแจจะเปิดขึ้น กระแสยังคงไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ แต่ตอนนี้ผ่านไดโอดเปิดและแรงดันคร่อมตัวเหนี่ยวนำจะถูกเพิ่มเข้ากับแรงดันต้นทาง แรงดันคงที่ทั่วโหลด R ถูกรักษาโดยตัวเก็บประจุ C

สวิตช์ปิด กระแสสำลักเพิ่มขึ้นอีกครั้ง แรงดันเอาต์พุตของตัวแปลงประเภทนี้จะสูงกว่าแรงดันอินพุตเสมอ เนื่องจากแรงดันคร่อมตัวเหนี่ยวนำจะถูกเพิ่มเข้ากับแรงดันแหล่งจ่าย ค่าทางทฤษฎีของแรงดันขาออก (สำหรับตัวแปลงในอุดมคติ) สามารถพบได้โดยใช้สูตร:

Inverting converter โดยไม่มีตัวแยกไฟฟ้า-buck-boost-converter

สวิตช์ T ปิดอยู่ สำลัก L เก็บพลังงาน ไดโอด D ปิด สวิตช์เปิดอยู่—โช้คจ่ายไฟให้ตัวเก็บประจุ C และโหลด R แรงดันเอาต์พุตที่นี่มีขั้วลบค่าของมันสามารถพบได้ (สำหรับกรณีที่เหมาะ) โดยสูตร:

ซึ่งแตกต่างจากตัวปรับความคงตัวเชิงเส้น ตัวปรับความคงตัวแบบสวิตชิ่งมีประสิทธิภาพที่สูงกว่าเนื่องจากความร้อนขององค์ประกอบที่ใช้งานน้อยกว่า ดังนั้นจึงต้องการพื้นที่หม้อน้ำที่เล็กลง ข้อเสียทั่วไปของการสลับความคงตัวคือการมีสัญญาณรบกวนอิมพัลส์ในวงจรเอาต์พุตและอินพุตรวมถึงช่วงชั่วคราวที่ยาวขึ้น