Como funcionam os circuitos Buck-Boost

Como funcionam os circuitos Buck-Boost

Todos nós já ouvimos muito sobre circuitos buck e boost e sabemos que basicamente esses circuitos são usados ​​em projetos SMPS para aumentar ou diminuir uma determinada tensão na entrada. O interessante sobre esta tecnologia é que ela permite as funções acima com geração de calor desprezível, o que resulta em conversões extremamente eficientes.



O que é Buck-Boost, como funciona

Vamos aprender o conceito na primeira seção sem envolver muitos detalhes técnicos, para que seja mais fácil entender o que é exatamente o conceito de aumento de valor, mesmo para um novato.

Entre as três topologias fundamentais chamadas buck, boost e buck-boost, a terceira é mais popular, pois permite que ambas as funções (buck boost) sejam usadas por meio de uma única configuração apenas alterando os pulsos de entrada.





Na topologia buck-boost, temos principalmente um componente de comutação eletrônico que pode ser na forma de um transistor ou um mosfet. Este componente é comutado por meio de um sinal pulsante de um circuito oscilador integrado.

Além do componente de comutação acima, o circuito tem um indutor, um diodo e um capacitor como ingredientes principais.



Todas essas partes estão organizadas na forma que pode ser testemunhada no diagrama a seguir:

Referindo-se ao diagrama buck boost acima, o mosfet é a parte que recebe os pulsos que o força a operar sob duas condições: estado ON e estado OFF.

Durante o estado LIGADO, a corrente de entrada obtém um caminho claro através do mosfet e instantaneamente tenta fazer seu caminho através do indutor, já que o diodo está posicionado no estado de polarização reversa.

O indutor por conta de sua propriedade inerente tenta restringir a inflicção repentina de corrente e em uma resposta compensatória armazena alguma quantidade de corrente nele.

Agora, assim que o mosfet é desligado, ele passa para o estado OFF, bloqueando qualquer passagem da corrente de entrada.

Mais uma vez, o indutor é incapaz de lidar com essa mudança repentina de corrente de uma dada magnitude para zero e, em resposta para compensar isso, ele retrocede sua corrente armazenada por meio do diodo na saída do circuito.

No processo, a corrente também é armazenada no capacitor.

Durante o próximo estado ON do mosfet, o ciclo é repetido como acima, no entanto, sem corrente disponível do indutor, o capacitor descarrega a energia armazenada na saída, o que ajuda a manter a saída estável em um grau otimizado.

Você pode estar se perguntando qual fator decide o BUCK ou o BOOST resultados na saída? É muito simples, depende de quanto tempo o mosfet pode permanecer no estado ON ou no estado OFF.

Com um aumento no tempo LIGADO dos mosfets, o circuito começa a se transformar em um conversor Boost, enquanto com o tempo DESLIGADO dos mosfets excedendo seu tempo LIGADO, o circuito se comporta como um conversor Buck.

Assim, a entrada para o mosfet pode ser feita por meio de um circuito PWM otimizado para obter as transições necessárias no mesmo circuito.

Explorando a topologia Buck / Boost em circuitos SMPS mais tecnicamente:

Conforme discutido na seção acima, as três topologias fundamentais que são popularmente usadas com fontes de alimentação comutadas são o buck, boost e o buck boosts.

Eles são basicamente não isolados, nos quais o estágio de potência de entrada compartilha uma base comum com a seção de potência de saída. Claro que também podemos encontrar versões isoladas, embora muito raras.

As três topologias expressas acima podem ser distinguidas exclusivamente, dependendo de suas propriedades exclusivas. As propriedades podem ser identificadas como as taxas de conversão de tensão de estado estacionário, a natureza das correntes de entrada e saída e o caráter da ondulação da tensão de saída também.

Além disso, a resposta em frequência do ciclo de trabalho à execução da tensão de saída pode ser considerada como uma das propriedades importantes.

Dentre as três topologias acima referidas, a topologia buck-boost é a mais preferida porque permite que a saída trabalhe tensões menores que a tensão de entrada (modo buck) e também para produzir tensões acima da tensão de entrada (modo boost).

Porém, a tensão de saída pode ser adquirida sempre com a polaridade oposta da entrada, o que não cria nenhum problema.

A corrente de entrada aplicada a um conversor buck boost é a forma de uma corrente pulsante devido à comutação do interruptor de alimentação associado (Q1).

Aqui, a corrente muda de zero para l durante cada ciclo de pulso. O mesmo é verdadeiro para a saída também e temos uma corrente pulsante por causa do diodo associado que conduz apenas em uma direção, causando uma situação de pulsação ON e OFF durante o ciclo de comutação .

O capacitor é responsável por fornecer a corrente de compensação quando o diodo estiver desligado ou com polarização reversa durante os ciclos de chaveamento.

Este artigo explica a funcionalidade de estado estacionário do conversor buck-boost em operação de modo contínuo e modo descontínuo com formas de onda exemplares apresentadas.

A funcionalidade de troca de tensão do ciclo de trabalho para a saída é apresentada após a introdução do design da chave PWM.

A Figura 1 é um esquema simplista do estágio de potência buck-boost com um bloco de circuito de acionamento adicionado. O interruptor de alimentação, Q1, é um MOSFET de canal n. O diodo de saída é CR1.

O indutor, L, e o capacitor, C, constituem a filtragem de saída eficiente. O capacitor ESR, RC, (resistência em série equivalente) e a resistência do indutor DC, RL, são todos analisados ​​no. O resistor, R, corresponde à carga identificada pela saída do estágio de potência.

Como funcionam os circuitos Buck-Boost SMPS

No curso da funcionalidade regular do estágio de potência do buck-boost, Q1 é constantemente ligado e desligado com os tempos de ligar e desligar governados pelo circuito de controle.

Este comportamento de comutação permite uma cadeia de pulsos na junção de Q1, CR1 e L.

Mesmo que o indutor, L, esteja ligado ao capacitor de saída, C, se apenas CR1 conduzir, um filtro de saída L / C bem-sucedido é estabelecido. Ele limpa a sucessão de pulsos para resultar em uma tensão de saída CC.

Análise de estado estacionário do estágio Buck-Boost

Um estágio de potência pode funcionar em configuração de corrente indutora contínua ou descontínua. O modo de corrente contínua do indutor é identificado pela corrente contínua no indutor ao longo da sequência de chaveamento no processo de estado estacionário.

O modo de corrente do indutor descontínuo é identificado pela corrente do indutor permanecendo zero por uma seção do ciclo de comutação. Ele começa em zero, se estende até um valor máximo e volta a zero no curso de cada padrão de comutação.

Os dois métodos distintos são mencionados em muito mais detalhes posteriormente e sugestões de modelo para o valor do indutor para sustentar um modo selecionado de funcionalidade conforme a capacidade de carga nominal são apresentadas. É bastante favorável para um conversor estar em um único formato apenas sobre suas circunstâncias de funcionamento previstas, uma vez que a resposta de frequência do estágio de potência altera substancialmente entre as duas técnicas distintas de operação.

Com esta avaliação, um MOSFET de alimentação de canal n é empregado e uma tensão positiva, VGS (ON), é fornecida do Gate aos terminais de fonte de Q1 pelo circuito de controle para ligar o FET. A vantagem de empregar um FET de canal n é seu RDS (ativado) mais baixo, porém o circuito de controle é complicado porque uma unidade suspensa se torna necessária. Para as dimensões de pacote idênticas, um FET de canal p possui um RDS (on) mais alto, embora normalmente não precise de um circuito de acionamento flutuante.

O transistor Q1 e o diodo CR1 são ilustrados dentro de um contorno de linha tracejada com os terminais marcados a, p e c. Ele é discutido detalhadamente na parte Buck-Boost Power Stage Modeling.

Análise do modo de condução contínua de estado estacionário Buck-Boost

A seguir está uma descrição do buck boost trabalhando na operação de estado estacionário no método de condução contínua. O objetivo principal deste segmento seria apresentar uma derivação da relação de transformação de tensão para o estágio de potência buck-boost do modo de condução contínua.

Isso será significativo, pois indica a forma como a tensão de saída é determinada pelo ciclo de trabalho e a tensão de entrada ou, ao contrário, como o ciclo de trabalho pode ser determinado dependendo da tensão de entrada e da tensão de saída.

O estado estacionário significa que a tensão de entrada, a tensão de saída, a corrente de carga de saída e o ciclo de trabalho são constantes ao invés de variar. Letras maiúsculas são geralmente fornecidas para rótulos de variáveis ​​para sugerir uma magnitude de estado estacionário. No modo de condução contínua, o conversor buck-boost assume alguns estados por ciclo de comutação.

O estado ON é cada vez que Q1 está ON e CR1 está OFF. O estado OFF ocorre sempre que Q1 está OFF e CR1 está ON. Um circuito linear fácil poderia simbolizar cada um dos dois estados em que os interruptores do circuito são substituídos por seus circuitos correspondentes no curso de cada estado. O diagrama do circuito para cada uma das duas condições é apresentado na Figura 2.

Como funcionam os circuitos Buck Boost

O período da condição LIGADO é D × TS = TON em que D é o ciclo de trabalho, fixado pelo circuito de acionamento, representado na forma de uma razão do período de comutação para o período de uma única sequência de comutação completa, Ts.

O comprimento do estado OFF é conhecido como TOFF. Como podemos encontrar apenas algumas condições por ciclo de chaveamento para o modo de condução contínua, TOFF é igual a (1 − D) × TS. A magnitude (1 − D) é ocasionalmente chamada de D '. Esses períodos são apresentados junto com as formas de onda na Figura 3.

Observando a Figura 2, no curso do estado ON, Q1 oferece uma resistência reduzida, RDS (on), de seu dreno à fonte e manifesta uma queda de tensão menor de VDS = IL × RDS (on).

Além disso, há uma pequena queda de tensão na resistência CC do indutor igual a IL × RL.

Desse modo, a tensão de entrada, VI, menos déficits, (VDS + IL × RL), é colocada no indutor, L. CR1 está DESLIGADO neste período, pois seria polarizado reversamente.

A corrente do indutor, IL, passa da alimentação de entrada, VI, por meio de Q1 e para o aterramento. No curso do estado ON, a tensão aplicada no indutor é constante e igual a VI - VDS - IL × RL.

Seguindo a norma de polaridade para a corrente IL apresentada na Figura 2, a corrente do indutor aumenta devido à tensão executada. Além disso, como a tensão aplicada é fundamentalmente consistente, a corrente do indutor aumenta linearmente. Este aumento na corrente do indutor no curso de TON é mostrado na Figura 3.

O nível pelo qual a corrente do indutor aumenta é geralmente determinado utilizando uma forma da fórmula bem conhecida:

Fórmula do circuito SMPS Buck-Boost

O aumento da corrente do indutor no curso do status LIGADO é apresentado como:

Esta magnitude, ΔIL (+), é denominada corrente de ondulação do indutor. Além disso, observe que, ao longo desse intervalo, cada bit da corrente de carga de saída chega pelo capacitor de saída, C.

Com referência à Figura 2, enquanto Q1 está OFF, ele oferece uma impedância aumentada de seu dreno para a fonte.

Conseqüentemente, como a corrente em execução no indutor L é incapaz de se ajustar instantaneamente, a corrente muda de Q1 para CR1. Como resultado da redução da corrente do indutor, a tensão através do indutor inverte a polaridade até que o retificador CR1 se transforme em polarização direta e ligue.

A tensão conectada em L se transforma em (VO - Vd - IL × RL) em que a magnitude, Vd, é a queda de tensão direta de CR1. A corrente do indutor, IL, neste ponto passa do capacitor de saída e do arranjo do resistor de carga via CR1 e para a linha negativa.

Observe que o alinhamento de CR1 e o caminho da circulação da corrente no indutor significa que a corrente circulando no agrupamento do capacitor de saída e do resistor de carga leva a VO a ser uma tensão negativa. No curso do estado OFF, a tensão conectada ao indutor é estável e a mesma que (VO - Vd - IL × RL).

Preservando nossa convenção de polaridade semelhante, esta tensão conectada é negativa (ou inverte a polaridade da tensão conectada no decorrer do tempo ON), devido ao fato de que a tensão de saída VO é negativa.

Portanto, a corrente do indutor diminui durante o tempo DESLIGADO. Além disso, como a tensão conectada é basicamente estável, a corrente do indutor reduz linearmente. Esta redução na corrente do indutor no curso do TOFF é descrita na Figura 3.

A redução da corrente do indutor através da situação OFF é fornecida por:

Esta magnitude, ΔIL (-), pode ser denominada corrente de ondulação do indutor. Em situações de estado estável, a subida da corrente, ΔIL (+), no decorrer do tempo ON e a redução da corrente através do tempo OFF, ΔIL (-), deve ser idêntica.

Ou então, a corrente do indutor poderia oferecer um aumento ou redução geral de ciclo para ciclo que não seria uma circunstância de condição estável.

Assim, ambas as equações podem ser equacionadas e trabalhadas para VO adquirir a afiliação de mudança de tensão de impulso de reforço de forma de condução contínua:

Determinando para VO:

Bem como, substituindo TS por TON + TOFF, e empregando D = TON / TS e (1 − D) = TOFF / TS, a equação de estado estacionário para VO é:

Observe que ao simplificar o acima, TON + TOFF é suposto ser semelhante a TS. Isso pode ser verdadeiro apenas para o modo de condução contínua, como iremos descobrir na avaliação do modo de condução descontínua. Um escrutínio essencial deve ser feito neste ponto:

Fixar os dois valores de ΔIL no par um com o outro é exatamente igual a nivelar os volt-segundos no indutor. Os volt-segundos empregados no indutor são o produto da voltagem empregada e o período de aplicação da voltagem.

Essa pode ser a maneira mais eficaz de estimar magnitudes não identificadas, por exemplo, VO ou D em relação aos parâmetros de circuito comuns, e essa abordagem será usada com frequência neste artigo. A estabilização de volt-segundo no indutor é um requisito natural e deve ser percebida pelo menos adicionalmente como Lei de Ohms.

Nas equações acima para ΔIL (+) e ΔIL (-), a tensão de saída foi implicitamente suposta como consistente, sem qualquer ondulação de tensão CA durante o tempo ON e o período OFF.

Esta é uma simplificação aceita e envolve alguns resultados individuais. Em primeiro lugar, acredita-se que o capacitor de saída seja de tamanho adequado, já que sua conversão de tensão é mínima.

Em segundo lugar, a tensão do capacitor ESR também é considerada mínima. Essas suposições são legítimas, uma vez que a ondulação de tensão CA será definitivamente significativamente menor do que a porção CC da tensão de saída.

A alteração de tensão acima para VO demonstra a verdade de que VO pode ser ajustado pelo ajuste fino do ciclo de trabalho, D.

Essa conexão se aproxima de zero quando D chega perto de zero e aumenta sem destino quando D se aproxima de 1. Uma simplificação típica considera VDS, Vd e RL são pequenos o suficiente para serem negligenciados. Estabelecendo VDS, Vd e RL para zero, a fórmula acima simplifica visivelmente para:

Um método qualitativo menos complicado para imaginar a operação do circuito seria contemplar o indutor como uma parte de armazenamento de energia. Cada vez que Q1 está ligado, a energia é derramada sobre o indutor.

Enquanto Q1 está desligado, o indutor fornece de volta parte de sua energia ao capacitor de saída e à carga. A tensão de saída é regulada estabelecendo-se o tempo de ativação de Q1. Por exemplo, aumentando o on-time de Q1, a quantidade de energia enviada para o indutor é amplificada.

Energia adicional é subsequentemente enviada para a saída no decorrer do tempo desligado de Q1, causando um aumento na tensão de saída. Em contraste com o estágio de potência buck, a magnitude típica da corrente do indutor não é a mesma que a corrente de saída.

Para associar a corrente do indutor à corrente de saída, observando as Figuras 2 e 3, observe que a corrente do indutor chega à saída apenas no estado desligado do estágio de potência.

Essa corrente média em uma sequência de comutação inteira é a mesma que a corrente de saída, uma vez que a corrente aproximada no capacitor de saída deve ser equivalente a zero.

A conexão entre a corrente média do indutor e a corrente de saída para o estágio de potência buck-boost de modo contínuo é fornecida por:

Outro ponto de vista significativo é o fato de que a corrente típica do indutor é proporcional à corrente de saída e, como a corrente de ondulação do indutor, ΔIL, não está relacionada com a corrente de carga de saída, os valores mínimo e mais alto da corrente do indutor seguem precisamente a corrente média do indutor.

Por exemplo, se a corrente média do indutor diminui em 2A devido a uma redução da corrente de carga, nesse caso os valores mais baixo e mais alto da corrente do indutor reduzem em 2A (considerando o modo de condução contínua é preservado).

A avaliação anterior foi para a funcionalidade do estágio de potência buck-boost no modo de corrente contínua do indutor. O segmento a seguir é uma explicação da funcionalidade de estado estacionário no modo de condução descontínua. O resultado primário é uma derivação da relação de conversão de tensão para o estágio de potência do modo de condução descontínua.

Avaliação do modo de condução descontínua em estado estacionário Buck-Boost

Neste ponto, examinamos o que ocorre onde a corrente de carga é reduzida e o modo de condução muda de contínuo para descontínuo.

Lembre-se de que para o modo de condução contínua, a corrente média do indutor segue a corrente de saída, ou seja, no caso de a corrente de saída reduzir, nesse caso, a corrente média do indutor também diminuirá.

Além disso, os picos mais baixos e mais altos da corrente do indutor perseguem a corrente média do indutor com precisão. Caso a corrente de carga de saída diminua abaixo do nível de corrente fundamental, a corrente do indutor seria zero para uma parte da sequência de chaveamento.

Isso ficaria aparente nas formas de onda apresentadas na Figura 3, porque o nível de pico a pico da corrente de ondulação é incapaz de se alterar com a corrente de carga de saída.

Em um estágio de potência buck-boost, se a corrente do indutor tentar ficar abaixo de zero, ele simplesmente para em zero (por causa do movimento da corrente unidirecional em CR1) e continua lá até o início da ação de comutação subsequente. Este modo de trabalho é conhecido como modo de condução descontínua.

Um estágio de potência funcionando do circuito de reforço de retorno em formato de condução descontínua possui três estados distintos através de cada ciclo de comutação em contraste com 2 estados para formato de condução contínua.

O estado atual do indutor no qual o estágio de potência está na periferia entre o ajuste contínuo e descontínuo é apresentado na Figura 4.

Nesse caso, a corrente do indutor simplesmente cai para zero, enquanto o ciclo de chaveamento seguinte começa logo após a corrente chegar a zero. Observe que os valores de IO e IO (Crit) são apresentados na Figura 4, uma vez que IO e IL incluem polaridades opostas.

Uma redução ainda maior da corrente de carga de saída define o estágio de potência em um padrão de condução descontínua. Essa condição é desenhada na Figura 5.

A resposta de frequência do estágio de potência do modo descontínuo é bem diferente da resposta de frequência do modo contínuo que é apresentada no segmento Buck-Boost Power Stage Modeling. Além disso, a conexão de entrada para saída é bastante diversa, conforme apresentado nesta derivação de página:

Para iniciar a derivação da razão de mudança de tensão do estágio de potência do modo de condução descontínuo do modo de condução descontínuo, lembre-se de que você tem três estados distintos que o conversor considera por meio da funcionalidade do modo de condução descontínua.

O estado ON é quando Q1 está ON e CR1 está OFF. O estado OFF é quando Q1 está OFF e CR1 está ON. A condição IDLE é quando cada Q1 e CR1 estão desligados. As duas condições iniciais são muito semelhantes à situação de modo contínuo e os circuitos da Figura 2 são relevantes, exceto por TOFF ≠ (1 − D) × TS. O resto da sequência de comutação é o estado IDLE.

Além disso, a resistência DC do indutor de saída, a queda de tensão direta do diodo de saída, bem como a queda de tensão no estado LIGADO do MOSFET de energia geralmente são supostamente diminutos o suficiente para serem ignorados.

O período de tempo do estado LIGADO é TON = D × TS, onde D é o ciclo de trabalho, fixado pelo circuito de controle, indicado como uma razão entre o tempo de ativação e o tempo de uma sequência de comutação completa, Ts. O comprimento do estado OFF é TOFF = D2 × TS. O período IDLE é o resto do padrão de chaveamento que é apresentado como TS - TON - TOFF = D3 × TS. Esses períodos são apresentados com as formas de onda na Figura 6.

Sem verificar a descrição abrangente, as equações para o aumento e queda da corrente do indutor são enumeradas abaixo. O aumento da corrente do indutor no curso do estado ON é emitido por:

A quantidade da corrente de ondulação, ΔIL (+), é da mesma forma a corrente de pico do indutor, Ipk, pois no modo descontínuo, a corrente começa em 0 a cada ciclo. A redução da corrente do indutor no curso do estado OFF é apresentada por:

Assim como na situação do modo de condução contínua, o aumento da corrente, ΔIL (+), no decorrer do tempo ON e a redução da corrente no tempo OFF, ΔIL (-), são idênticas. Assim, ambas as equações poderiam ser equacionadas e endereçadas para VO para adquirir a inicial de duas equações a serem utilizadas para resolver a relação de conversão de tensão:

Em seguida, determinamos a corrente de saída (a tensão de saída VO dividida pela carga de saída R). É a média de uma sequência de chaveamento da corrente do indutor no momento em que CR1 se torna condutivo (D2 × TS).

Aqui, substitua a conexão para IPK (ΔIL (+)) na equação acima para adquirir:

Portanto, temos duas equações, uma para a corrente de saída (VO dividido por R) que acabou de ser derivada e outra para a tensão de saída, ambas em relação a VI, D e D2. Neste ponto, desvendamos cada fórmula para D2 e ​​também corrigimos as duas equações no mesmo nível uma da outra.

Utilizando a equação resultante, uma ilustração para a tensão de saída, VO, pode ser obtida. A afiliação de transformação de tensão buck-boost do modo de condução descontínua é escrita por:

A conexão acima mostra uma das principais diferenças entre os dois modos de condução. Para o modo de condução descontínua, a relação de mudança de tensão é uma função da tensão de entrada, ciclo de serviço, indutância do estágio de potência, frequência de chaveamento e resistência de carga de saída.

Para o modo de condução contínua, a conexão de comutação de tensão é influenciada apenas pela tensão de entrada e pelo ciclo de trabalho. Em aplicações tradicionais, o estágio de potência buck-boost é executado em uma escolha entre o modo de condução contínua ou o modo de condução descontínua. Para um uso específico, um modo de condução é escolhido enquanto o estágio de potência foi feito para sustentar o modo idêntico.




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