Mengapa buck (step-down) switching regulator memerlukan induktor dan dioda?

Jadi, saya mengerti, paling tidak pada tingkat dasar, metode pengoperasian switching konverter, baik buck maupun boost. Namun, yang membingungkan saya adalah mengapa konverter uang tidak mudah.

Mengapa tidak membangun konverter uang sebagai sakelar yang mengisi kapasitor, dengan sakelar yang dikontrol oleh pembanding yang membandingkan voltase keluaran dengan referensi? Bukankah itu jauh lebih sederhana, memungkinkan Anda untuk menggunakan kapasitor yang lebih mudah dan murah tersedia di tempat induktor, dan melewatkan dioda sepenuhnya?

Konverter buck sesederhana meningkatkan konverter. Bahkan, mereka persis sirkuit yang sama, hanya terlihat ke belakang, jika kita memiliki kebebasan untuk memilih switch mana (dari dua) yang akan bekerja sebagai saklar yang dikendalikan (atau keduanya, jika itu adalah konverter sinkron).

Mengenai paragraf kedua Anda, jika Anda melakukannya, Anda akan mengalami kerugian. Lebih dari dengan regulator diaktifkan berbasis induktor, dan jauh lebih banyak daripada dengan regulator linier. Setiap kali Anda menghubungkan sumber tegangan ke kapasitor yang tegangan awalnya tidak sama dengan sumber tegangan, Anda pasti akan membuang energi. Bahkan jika Anda tidak melihat resistor eksplisit, dalam kehidupan nyata itu ada di sana, dan (anehnya) tidak peduli seberapa kecil itu, ia akan membuang jumlah energi yang sama. Lihat di sini .

Pompa pengisian berfungsi seperti yang Anda katakan, tetapi pompa itu kurang efisien daripada regulator yang diaktifkan berbasis induktor.

Jadi, itulah justifikasi untuk - tampaknya tidak perlu - menambahkan kompleksitas regulator berbasis induktor.

Lebih lanjut : Untuk mencoba memberi Anda intuisi tentang mengapa ada konverter buck dan boost ada, lihat gambar ini.

Jika Anda mencoba untuk memindahkan energi antara dua sumber tegangan yang tidak sama, atau antara dua sumber arus yang tidak sama, Anda akan mengalami kerugian yang tak terhindarkan. Di sisi lain, Anda dapat memindahkan energi (dan bahkan melakukan beberapa tegangan atau skala saat di jalan) tanpa setiap kerugian, jika Anda menghubungkan sumber tegangan ke sumber arus. Elemen fisik pasif yang paling menyerupai sumber arus adalah induktor. Itu sebabnya regulator diaktifkan berbasis induktor ada.

Pompa pengisian akan berada di kolom kiri. Efisiensi maksimum teoretis mereka lebih rendah dari 100% (efisiensi aktual tergantung pada perbedaan tegangan, dan kapasitansi). Regulator diaktifkan berbasis induktor berada di kolom kanan. Efisiensi maksimum teoretis mereka adalah 100% (!).

Masalah dengan apa yang Anda gambarkan adalah terkini. Dalam konverter buck, Anda bisa mendapatkan rata-rata 10A dengan hanya 5A, karena 5A lainnya mencapai output melalui dioda. Dan dioda hanya bias maju karena tendangan induktif. Tanpa induktor dan dioda, hanya ada satu jalur untuk arus mengalir ke output, dan itu langsung keluar dari input. Dengan topologi itu, jika arus keluaran rata-rata Anda adalah 10A, arus input rata-rata Anda juga harus 10A. Dan jika Anda kehilangan tegangan dari input ke output, sementara arus tetap sama, energi yang hilang akan hilang sebagai panas. Ini mengalahkan tujuan menggunakan regulator switching daripada regulator linier di tempat pertama.

Selanjutnya, jika Anda mengambil dua tutup pada tegangan yang berbeda dan cukup tutup sakelar di antara mereka, arus sesaat akan menjadi sangat, sangat besar. Model setiap penutup sebagai sumber Thevenin, catu tegangan sempurna dengan resistansi seri. Resistansi jalur antara dua sumber sempurna akan menjadi resistan pada kondisi perangkat switching, ditambah ESR dari kedua penutup. ESR dari tutup mungkin akan berada di urutan 1 mOhm, jika tidak jauh lebih sedikit. Resistansi dalam keadaan transistor dapat bervariasi, tetapi mungkin tidak lebih dari 100 mOhm. Jadi, jika Anda memiliki perbedaan 10V antara input dan output, arus input / sakelar instan Anda untuk menyalakan sakelar setidaknya 100A, dan mungkin setinggi ribuan ampli.

Tentu saja, Anda hanya akan mendapatkan paku-paku itu sesering mungkin, tergantung pada beban keluaran dan ketatnya loop perbandingan Anda. Sisa waktu, input / switch Anda saat ini adalah nol. Jadi, Anda mungkin menarik rata-rata 1A, tetapi apa yang dilihat input adalah lonjakan 1000A pada siklus tugas 0,1%. Lonjakan arus besar biasa seperti itu akan membuat masalah sekering yang tepat; arus RMS dari jenis gelombang itu akhirnya menjadi sekitar 18x arus rata-rata! Mereka juga membutuhkan saklar yang lebih besar, yang tidak akan jenuh dengan arus seketika yang tinggi. Untuk tidak mengatakan suara elektromagnetik yang ditunda oleh pengaturan!

Lebih baik meninggalkan transistor dalam mode analog dan hanya menyesuaikan tegangan gerbangnya sehingga resistansi sumber pembuangan menahan tutup output pada tegangan yang diinginkan. Dan di sana Anda memiliki regulator linier.

Nick - Saya akan meninggalkan diskusi pengonversi induktor ke orang lain dan saya akan membahas:

Mengapa tidak membangun konverter uang sebagai sakelar yang mengisi kapasitor, dengan sakelar yang dikontrol oleh pembanding yang membandingkan voltase keluaran dengan referensi? Bukankah itu jauh lebih sederhana, memungkinkan Anda untuk menggunakan kapasitor yang lebih mudah dan murah tersedia di tempat induktor, dan melewatkan dioda sepenuhnya?

Dengan menggunakan metode SANGAT khusus dimungkinkan untuk membuat konverter kapasitor yang secara efisien mengubah energi dari satu tingkat tegangan ke yang lain. TAPI metode sederhana gagal parah. Konverter kapasitor satu tahap yang membagi tegangan dengan membuang muatan dari satu kapasitor ke kapasitansi yang sama lainnya memiliki efisiensi TEORETIS 50% dan praktis tidak lebih dari yang teoritis dan mungkin kurang. Ini karena aplikasi sederhana 'hukum fisika'. Realitas yang disayangkan adalah bahwa persyaratan untuk mencapai efisiensi yang baik jauh lebih mudah dipenuhi dengan konverter basis induktor daripada dengan yang berbasis kapasitor.

Coba eksperimen pemikiran sederhana ini.
Ambil dua kapasitor C1 & C2 dengan kapasitansi yang sama.
Biaya C1 untuk mengatakan 10V.
Rumus dasar yang menghubungkan muatan dan kapasitansi adalah V = kQ / C di
mana V adalah tegangan kapasitor, k adalah konstanta, Q adalah muatan dan C = kapasitansi. Sekarang hubungkan C2 ke C1.
Biaya dalam C1 sekarang akan dibagi rata antara C1 & C2.
Jadi Tegangan pada masing-masing kapasitor adalah 5V - baik karena muatan pada masing-masing adalah setengah asli atau karena kapasitansi berlipat ganda - 2 cara memandang hal yang sama.

Sejauh ini baik.

TETAPI energi dalam kapasitor adalah 0,5 x C x V ^ 2.

Awalnya di atas E = 0,5 x C x 10 ^ 2 = 50C unit energi.
Setelah menggabungkan dua kapasitor, energi per kap = 0,5 x C x 5 ^ 2 atau untuk dua kapitalisasi
energi = 2 x 0,5 x C x 5 ^ 2 = 25C ​​Unit energi.
Oh sayang ! :-(.
Hanya dengan menggabungkan dua kapasitor dan meminta mereka berbagi muatan, kami telah MENCEGAH energi yang ada!
Setengah dari energi telah hilang dalam proses!
Fakta yang aneh dan tidak dapat dijelaskan ini disebabkan oleh hilangnya energi resistif selama transfer. TERBAIK kita kehilangan separuh energi jika tegangan membelah dengan cara ini.Hasil energi minimum yang hilang adalah sama apakah kita menggunakan nilai resistansi yang besar untuk mentransfer energi atau resistansi nilai yang sangat rendah seperti sepotong kawat - sebagian kecil dari ohm, dalam kasus terakhir kita mendapatkan arus yang sangat tinggi.

Solusi "jelas" adalah "berdiri kapasitor di atas satu sama lain" untuk mengisi daya dan menempatkannya secara paralel untuk melepaskannya. Ini bekerja! Untuk satu siklus. Efisiensi teoretis = 100%. Melakukan hal ini dalam praktiknya dalam kasus ini membutuhkan setidaknya 2 x sakelar pergantian dengan kerumitan dan kerugian dan hanya berfungsi untuk rasio 2: 1. Lebih buruk lagi, jika kita mengurangi tegangan tutup dengan beban sehingga perlu recahrged untuk siklus berikutnya kita menemukan bahwa resapan memiliki kerugian resistif yang sama seperti sebelumnya. Kami mendapatkan efisiensi teoritis 100% hanya jika kami tidak mengeluarkan daya :-(.
Solusi macam adalah memiliki penurunan tegangan kapasitor hanya dalam jumlah yang sangat kecil dan mengisi hanya dengan jumlah kecil. Jika kita melakukan ini, efisiensinya bisa mendekati 100% TETAPI kita perlu tutup besar per arus beban (karena sebagian besar kapasitas digunakan untuk menjaga agar tegangan tetap stabil) dan kita masih hanya memiliki rasio konversi 2: 1. Rasio lain dapat dicapai tetapi itu menjengkelkan, kompleks, dan mahal, serta memiliki sedikit atau tidak ada kelebihan dibandingkan menggunakan induktor dalam banyak kasus. Beberapa konverter yang sangat spesialis bekerja dengan cara ini tetapi jarang. Dan Anda dapat membeli IC konverter naik atau turun dengan beberapa rasio tetap seperti 2: 1, 3: 1, 4: 1 tetapi mereka biasanya berdaya rendah, Vout terkulai dengan beban (Zout lebih tinggi daripada yang baik) dan biasanya lebih rendah dalam banyak hal untuk konverter berbasis induktor.

Itulah sebabnya Anda biasanya melihat konverter buck sederhana, murah dan mudah digunakan untuk penurunan tegangan. Konverter yang sebenarnya menggunakan saklar 1 x L, 1 x D, 1 x (MOSFET atau apa pun) dan sisanya adalah "lem" atau peningkatan. Kontrolernya juga bisa sangat sederhana.

Tidak mungkin menjaga voltase kapasitor konstan. Setiap kali Anda menutup sakelar, Anda akan membuang voltase (voltase apa?) Di atasnya, dan voltase akan naik karena puncak arus yang tinggi. Kapasitor juga tidak akan suka. Dan Anda akan kehilangan banyak energi dalam peralihan.

Dalam sebuah switcher, kumparan membuat bahwa arus pengisian kapasitor naik dengan lancar dan rata-rata mengikuti arus beban. Dioda diperlukan saat sakelar terbuka. Pada saat itu koil telah membangun medan magnet yang energinya harus pergi ke suatu tempat. Dioda menutup loop yang memungkinkan arus koil tetap mengalir.

Berkat perangkat switching yang lebih canggih, konverter buck jauh lebih mudah untuk dibuat hari ini daripada teori operasi mereka. Dan mereka dapat mencapai efisiensi hingga 95%, yang hanya menghidupkan dan mematikan kapasitor tidak dapat dilakukan.

Cara paling sederhana untuk memahami kebutuhan akan dioda adalah dengan memikirkan berapa kali elektron dapat melewati beban untuk setiap kali mereka melewati pasokan. Jika tidak ada dioda, maka setiap elektron yang melewati beban harus kembali melalui pasokan lagi sebelum dapat melihat kembali bebannya. Menambahkan dioda memungkinkan beberapa elektron untuk mengunjungi beban, melewati dioda, dan mengunjungi beban lagi tanpa harus kembali melalui pasokan. Kumparan diperlukan karena tanpa itu elektron yang melewati beban dan mencapai dioda tidak akan memiliki energi yang cukup untuk melewati dioda dan mengunjungi beban lagi. Koil menyerap energi berlebih dari elektron yang datang segar dari suplai, dan kemudian mengumpankannya ke elektron yang diresirkulasi.

Anda dapat mengecilkan tegangan DC dengan rasio resistor, satu seri, Rs dan resistor, RL & muat dalam shunt yang umum, tetapi Anda tahu bahwa itu tidak efisien dengan kehilangan daya = V * I dalam seri Rs.

Anda dapat mengundurkan diri dengan rasio Resistor yang diaktifkan (seperti yang Anda sarankan) dan kemudian resistansi seri adalah fungsi dari siklus kerja dan beralih resistansi seri efektif (ESR),

karenanya Rs = ESR / T {di mana T adalah ON waktu / waktu siklus untuk T = 0 hingga 1}

Sekarang beban Anda membutuhkan kapasitansi untuk memantapkan tegangan dan mungkin zener aktif dan masih akan ada kerugian di resistor seri. Pertimbangkan rasio 10: 1 maka arusnya 10x lebih tinggi tetapi pada 1/10 kali, jadi P = V * I * T, kehilangan daya sama dengan regulator linier. Masuk akal?

Induktor memberikan arus yang stabil sambil mengecilkan tegangan. Karena saat ini sebagian besar reaktif dan keluar dari fase untuk jam beralih sinyal AC sebagai perangkat step-down, itu jauh lebih efisien. Masuk akal? Saya membuat impedansi reaktif jauh lebih rendah daripada beban, Anda bisa menjadi lebih efisien. Ini berarti meningkatkan tingkat switching dan nilai induktansi. Tetapi saturasi ferit mencapai batas praktis saat ini dan sangat penting untuk menggunakan ferit udara-gapped untuk arus yang jauh lebih besar.