Mengapa pompa pengisian daya hanya digunakan untuk aplikasi saat ini yang rendah?

Biasanya elemen yang paling mahal (dan sulit didapat) dalam SMPS adalah induktor. Jadi saya bertanya-tanya apakah mungkin untuk menggunakan catu daya mode alih-daya yang beralih-induktor (yaitu pompa pengisian daya) untuk kasus penggunaan umum, misalnya catu daya bangku-atas, konverter DC-DC berdaya tinggi tetap (beberapa ampere dan beberapa ratus watt daya) ), dll.

Semua desain pompa pengisian yang bisa saya temukan adalah untuk aplikasi berdaya rendah. Apa yang mencegah seseorang merancang catu daya induktor-daya tinggi? Apakah ada beberapa batasan fisik yang melekat?

Ada dua masalah dengan ide Anda. Satu praktis, dan satu fundamental.

Masalah praktisnya adalah bahwa per jumlah kapasitor energi yang disimpan lebih mahal daripada induktor, dan di atas itu usia kapasitor (elektrolitik) benar-benar berkapasitas tinggi.

Masalah mendasar adalah bahwa pengisian kapasitor dari sumber tegangan pada dasarnya rugi (Anda menghilangkan panas). Ini mungkin tampak kontra-intuisi, tetapi tetap benar. (Ada pertanyaan tentang ini beberapa waktu lalu.) Oleh karena itu konverter tegangan terbang-kapasitor, bahkan yang ideal, pada dasarnya tidak efisien. (Konverter tegangan berbasis induktor ideal 100% efisien.)

Anda mungkin berpikir aneh bahwa dunia tidak adil untuk kapasitor, tetapi itu adalah kesalahan manusia kita: kita memasok daya sebagian besar dari sumber tegangan. Untuk sumber arus, kebalikannya adalah benar: konverter arus ideal dari kapasitor terbang dapat 100% efisien, sedangkan yang dari induktor harus pasti lossy.

Kapasitor akan lebih baik jika sumber dan output adalah arus konstan. Anda dapat mengisi daya kapasitor hingga tegangan naik ke tingkat tertentu, kemudian melepaskan kapasitor ke impedansi beban untuk mempertahankan arus keluaran yang konstan. Anda akan menggunakan induktor besar sebagai filter keluaran untuk menjaga arus keluaran konstan.

Karena sumber kami adalah tegangan konstan dan kami biasanya menginginkan tegangan output konstan, menggunakan induktor untuk menyimpan energi dan kapasitor untuk menyaringnya menjadi lebih masuk akal.

Perhatikan bahwa semua perlengkapan beralih efisien memiliki kedua kapasitor dan induktor.

Ya, pompa pengisian daya (kapasitor terbang) dapat mengambil tegangan dan memindahkannya, membalikkannya, bahkan mengalikannya dengan bilangan bulat dan sejenisnya, tetapi setiap kali Anda mengisi atau mengeluarkan kapasitor melalui sakelar resistif Anda kehilangan sebagian dari perubahan energi kapasitor di saklar itu sendiri - perubahan tegangan yang lebih besar berarti lebih banyak kerugian. Saklar resistansi yang lebih rendah hanya berarti bahwa energi yang hilang untuk perubahan tegangan yang diberikan dikompresi menjadi irisan waktu yang lebih kecil, totalnya tetap konstan.

Jika dua kapasitor atau rangkaian seri kapasitor dengan voltase berbeda dihubungkan bersama, muatannya akan rata-rata dengan cara yang mengurangi jumlah energi yang tersimpan di dalamnya. Jika mereka terhubung menggunakan induktor, energi berlebih akan ditransfer ke induktor itu dan selanjutnya dapat digunakan untuk tujuan yang bermanfaat. Jika koneksi itu murni resistif, energi akan 100% dikonversi menjadi panas. Meminimalkan resistensi tidak akan mengurangi kehilangan energi; itu hanya akan mengurangi jumlah waktu yang dibutuhkan untuk itu terjadi.

Konsekuensinya, agar pompa pengisian menjadi efisien, kapasitor harus cukup besar sehingga voltase yang melintasi mereka tidak pernah sangat bervariasi. Dalam kasus di mana pompa pengisian tidak perlu membawa banyak energi, orang dapat menggunakan regulator linier pada output dan cukup meningkatkan tegangan sehingga dalam kondisi riak terburuk tegangan output masih akan cukup tinggi untuk mempertahankan regulasi, tetapi efisiensi akan dibatasi oleh rasio tegangan beban dikalikan rasio kenaikan terhadap tegangan sumber.

Ada beberapa masalah dengan pompa pengisian daya.

1. mereka tidak dapat menawarkan pengaturan tegangan dan efisiensi secara bersamaan. Satu-satunya cara untuk mengatur tegangan output sehingga tetap konstan selama variasi tegangan input dan variasi beban adalah dengan memperkenalkan inefisiensi yang disengaja.
2. Arus harus melewati dua elemen switching (dioda atau transistor) selama pengisian dan pelepasan bagian dari siklus (sedangkan dengan buck atau boost converter hanya perlu melewati satu elemen switching pada suatu waktu).
3. Efisiensi sangat tergantung pada rasio tegangan input ke output yang diinginkan. Jika Anda ingin mengatakan konverter tegangan 1,5x maka Anda harus menggunakan pengaturan multi-tahap yang kompleks atau membuat konverter 2x dan menjalankannya dalam mode yang sengaja tidak efisien.