EN
Bir dizgeç devresinde, bir dizgeç ortak bir enerji depolama pasif bileşenidir ve anahtarlı güç kaynaklarının tasarımı sırasında filtreleme, gerilim artırma ve azaltma gibi roller oynar. Şema tasarımının erken aşamasında, mühendisler sadece uygun dizgeç değerlerini seçmek zorunda değiller, aynı zamanda dizgeçin dayanabileceği akımı, bobinin DCR'sını, mekanik boyutları, kayıpları vb. de göz önünde bulundurmalıdır. Eğer dizgeçlerin işlevleriyle yeterince tanımlı değillerse, tasarım sırasında genellikle pasif olurlar ve çok fazla zaman sarf ederler.
Dizgeçlerin İşlevlerini Anlama
Bir dizgeç, anahtarlı güç kaynağı çıkışındaki LC filtre devresindeki "L" unsurudur. Gerilim düşürme dönüşümünde, dizgeçin bir ucuna DC çıkış gerilimi bağlıdır, diğer ucu ise anahtar frekansına göre giriş gerilimine ve GND'ye geçiş yapar.
Durum 1'de, dizgeç MOSFET vasıtasıyla giriş gerilimine bağlanır. Durum 2'de, dizgeç GND'ye bağlanır.
Bu tür denetleyicinin kullanılmasından dolayı, indüktörün iki şekilde yerleştirebilir: bir diod vasıtasıyla veya bir MOSFET vasıtasıyla. Eğer ilk yöntem kullanılırsa, dönüştürücü asenkron kip olarak adlandırılır. Son durumda ise, dönüştürücü senkron kip olarak tanımlanır.
Durum 1'de, indüktörün bir ucuna giriş gerilimi bağlıdır ve diğer ucuna çıkış gerilimi bağlıdır. Bir buck dönüştürücü için, giriş gerilimi çıkış geriliminden daha yüksek olmalıdır, bu nedenle indüktör üzerinde ileri bir gerilim düşümü oluşur.
Durum 2'de, başlangıçta giriş gerilimine bağlı olan indüktörün ucu yerleştirilir. Bir buck dönüştürücü için, çıkış gerilimi kesinlikle pozitif uç olmalıdır, bu nedenle indüktör üzerinde negatif bir gerilim düşümü oluşur.
Indüktör Gerilimi Hesaplama Formülü
V=L(dI/dt). Since the current through the inductor increases when the inductor voltage is positive (State 1) and decreases when the voltage is negative (State 2), the inductor current waveform is shown in Figure 2:
Yukarıdaki şekilde, indüktördeki maksimum akımın DC akımı ile anahtarlamada zirve-zirve akımının yarısı toplamı olduğunu görebiliriz. Yukarıdaki şekil ayrıca dalga akımını göstermektedir. Yukarıda bahsedilen formüle göre, zirve akımı şu şekilde hesaplanabilir: burada ton, State 1'deki zamandır, T anahtarlama periyodudur ve DC, State 1'in duty cycle'idir.
Eşzamanlı Dönüştürme Devresi
Eşsiz Dönüştürme Devresi
Rs: Akım algılama direnci ve indüktör sarmalı direncinin birleşik direnci. Vf: Schottky diyodunun ileri gerilim düşümü. R: İletim yolundaki toplam direnç, R=Rs+Rm olarak hesaplanır, burada MOSFET'in açık durumunda direncidir.
Indüktör çekirdeğinin doyumu
Hesaplanan indüktör zirve akımı ile, indüktörden geçen akım arttıkça, indüktansının azalacağını biliyoruz. Bu, çekirdek malzemesinin fiziksel özelliklerine bağlıdır. Indüktansın azalma derecesi kritiktir: azalma çok ciddi olursa, dönüştürücü normal şekilde çalışmayacaktır. Indüktörün aşırı akım nedeniyle başarısız olduğu akım, temel bir indüktör parametresi olan doyuma akımdır.
Dönüştürücü devrelerindeki güç indüktörlerinin doyum eğrisi önemlidir ve dikkatle izlenmelidir. Bu kavramı anlamak için, L'nin DC akımıyla olan gerçek ölçümlerini görebilirsiniz.
Akım belirli bir eşiği geçtiğinde, indüktans keskin bir şekilde düşer—bu da doyuma denilen bir fenomendir. Daha fazla akım artışları indüktörün tamamen başarısız olmasına neden olabilir.
Bu doyuma özelliğiyle, neden tüm dönüştürücüler DC çıkış akımı altında indüktans değeri değişimi aralığını (△L ≤ 20% veya 30%) belirtir ve neden indüktör belirtiminde Isat parametresi bulunur anlayabiliriz. Ripple akımındaki değişim indüktansiye önemli ölçüde etki etmediğinden, çıktı gerilimi dalgalanmasını etkileyen ripple akımını tüm uygulamalarda mümkün olduğunca minimize etmek istenir. Bu nedenle, DC çıkış akımı altındaki indüktans azalmalarının derecesine daima büyük bir ilgi gösterilirken, spesifikasyonlarda ripple akımı altındaki indüktans sıklıkla göz ardı edilir.
Anahtarlı Güç Kaynakları için Uygun Indüktörlerin Seçimi
Indüktörler, anahtarlama güç kaynaklarında yaygın olarak kullanılan bileşenlerdir. Akımları ve gerilimleri arasındaki faz farkı nedeniyle, teorik olarak kayıp sıfırdır. Indüktörler genellikle enerji depolama elemanları olarak kullanılır ve "gelenlere karşı çıkarak gidenleri tutar" özelliği gösterirler ve genellikle kapasitörlerle birlikte giriş ve çıkış filtre devrelerinde akımı düzleştirmek için kullanılırlar.
Manyetik bileşenler olarak, indüktörler manyetik doyuma ilişkin bir sorunla karşı karşıya kalır. Bazı uygulamalar indüktör doyumuna izin verirken, bazıları belirli bir akım değeri başlayarak doymaya izin verir ve diğerleri ise bunu kesinlikle yasaklar, bu da belirli devrelerde ayrım yapmayı gerektirir. Çoğu durumda, indüktörler "lineer bölge"nde çalışır, burada indüktans değeri sabit kalır ve uçlara uygulanmış gerilim veya akım ile değişmez. Ancak, anahtarlama güç kaynaklarında atlanmaz bir problem bulunmaktadır: indüktör sarımları iki dağıtık (veya parazit) parametreye neden olur. Bunlardan biri kaçınılmaz olan sarım direncidir ve diğeri ise sarım süreci ve malzemelerle ilgili dağıtık sızıntı kapasitesidir. Sızıntı kapasitesi düşük frekanslarda önemsiz bir etkiye sahip olsa da, frekans arttıkça etkisi giderek daha belirgin hale gelir. Frekans belirli bir değeri geçtiğinde, indüktör kapasitif özellikler sergileyebilir. Eğer sızıntı kapasitesi tek bir kapasitör olarak "toplu" olarak ele alınırsa, bu, indüktörün belirli bir frekansın ötesinde kapasitif davranışını ortaya çıkarır.
Bir devrede bulunan bir indüktörün işleyiş durumunu analiz ederken, aşağıdaki özellikler dikkate alınmalıdır:
1. Bir akım I, bir L indüktörü черезinde geçtiğinde, indüktörde depolanmış enerji şu şekildedir: E=0.5 × L× I2(1)
2. Anahtarlama çevrimi boyunca, indüktör akımı değişimi (ripple akımın peak-to-peak değeri) ile indüktör üzerindeki gerilim arasındaki ilişki şu şekildedir:
V=(L × di)/dt(2), Bu, ripple akımının büyüklüğünün indüktans değerine bağlı olduğunu gösterir.
3. Indüktörler ayrıca yükleme ve boşaltma süreçlerine tabidir. Bir indüktör üzerindeki akım, üzerine uygulanan voltajın (volt-saniye) integraline orantılıdır. İndüktör voltajı değişiklik göstereceğinden, akım değişiklik oranı di/dt de değişecektir: ileri bir voltaj, akımı doğrusal olarak artırmaya neden olurken, ters bir voltaj, doğrusal olarak azalmaya neden olur.
Buck Tipi Anahtarlı Güç Kaynakları için Indüktör Seçimi
Buck tipi anahtarlı güç kaynağı için bir indüktör seçerken, maksimum giriş gerilimi, çıkış gerilimi, güç anahtarma frekansı, maksimum dalga akımı ve görev döngüsü belirlenmelidir. Aşağıda, buck tipi anahtarlı güç kaynakları için indüktans değeri hesaplaması açıklanmaktadır. İlk olarak, anahtarlamا frekansının 300 kHz, giriş gerilim aralığının 12 V ± 10%, çıkış akımının 1 A ve maksimum dalga akımının 300 mA olduğunu varsayalım.
Buck Tipi Anahtarlı Güç Kaynağı Devre Şeması
Maksimum giriş gerilimi 13.2V'dir ve karşılık gelen duti döngüsü şu şekildedir: D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3), burada Vo çıkış gerilimidir ve Vi giriş gerilimidir. Anahtarlama transistörü açık iken, bobin üzerindeki gerilim şu şekildedir: V = Vi - Vo = 8.2 V(4). Anahtarlama transistörü kapalı iken, bobin üzerindeki gerilim şu şekildedir: V＝-Vo－Vd＝-5.3V(5).dt＝D/F(6). Denklemler (2), (3) ve (6) denklem (2)'ye yerleştirilmiştir:
Yukseltme Tipi Anahtarlama Güç Kaynakları için Bobin Seçimi
Bir boost anahtarlı güç kaynağı için indüktans değeri hesaplaması, duty cycle ve indüktör gerilimi arasındaki ilişki formülünün değiştiği haricinde, diğer süreçler bir buck anahtarlı güç kaynağı için kullanılan hesaplama yöntemiyle aynıdır. Anahtarlama frekansı 300 kHz, giriş gerilim aralığı 5 V ± 10%, çıkış akımı 500 mA, verimlilik %80, maksimum dalga akımı 450 mA ve karşılık gelen duty cycle şu şekilde hesaplanır: D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542(7).
Bir boost anahtarlı güç kaynağı devresi şeması
Anahtarı açık iken, indüktör üzerindeki gerilim şu şekildedir: V = Vi = 5.5 V (8), Anahtarı kapalıyken, indüktör üzerindeki gerilim şu şekildedir: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 V (9), Formüller 6/7/8 formül 2'ye yerleştirilirse:
Lütfen, buck dönüştürücülere göre farklı olarak, boost dönüştürücülerinin indüktristen sürekli yük akımı sağlamadığını unutmayın. Anahtar transistor geçişliyken, indüktrin akımı anahtarı aracılığıyla zemine akar ve yük akımı çıkış kondansörü tarafından sağlanır. Bu nedenle, çıkış kondansörü bu dönemde yükü beslemek için yeterli enerji depolamalıdır. Ancak, anahtar kapalıyken, indüktrin akımı yalnızca yükü besler, aynı zamanda çıkış kondansörünü de şarj eder.
Genel olarak, indüktiflik değeri artırılması çıktı dalgalanmasını azaltır ancak güç kaynağı'nın dinamik yanıtını kötüleştirir. Bu nedenle, optimal indüktiflik belirli uygulama gereksinimlerine göre seçilmelidir. Daha yüksek anahtarlamma frekansları daha küçük indüktiflik değerlerine izin verir, bu da indüktrin boyutunu küçültür ve PCB alanı kazandırır. Sonuç olarak, modern anahtarlı güç kaynakları daha küçük elektronik ürünler için olan talebi karşılamak üzere daha yüksek frekanslara yönelmektedir.
Değiştirici Güç Kaynaklarının Analizi ve Uygulaması
Lenz Kanunu Hakkında: Bir DC beslemeli devrede, bobinin kendini tutanlık nedeniyle, akım artışına karşıt bir elektromotor gerilim (EMF) üretilir. Bu nedenle, güç verildiği andaki devre akımı etkili olarak sıfırdır ve tüm gerilim düşüşü bobin üzerinde gerçekleşir. Bobin voltajı sıfıra düştüğünde akım yavaşça artmaya başlar ve geçiş durumu sona erer. Anahtarlı dönüştürücü işleminde, indüktörün enerji depolama ve aktarımı için verimli olması amacıyla oversatuasyon olmamalıdır. Saturasyona uğrayan bir indüktör, enerji depolama yeteneğini kaybederek doğrudan bir DC yolu gibi davranır, bu da dönüştürücü fonksiyonlarını bozar. Anahtarlamaların frekansı sabitken, zirve akımları altında saturasyonu önlemek için indüktiflik değeri yeterince büyük olmalıdır.
Anahtarlamalı Güç Kaynaklarında Indüktansın Belirlenmesi: Düşük anahtarlama frekanslarında, açık/kapalı süreler daha uzun olduğundan, sürekli çıktıyı korumak için daha büyük bir indüktans değeri gereklidir. Bu, indüktörün daha fazla manyetik alan enerjisi depolamasına izin verir. Ayrıca, daha uzun anahtarlama dönemleri, enerji yenilenmesinin daha az sıklıkta olmasına neden olur ve bu da göreceli olarak daha küçük akım dalgalanmasına yol açar. Bu prensip şu formülle açıklanabilir: L = (dt/di) * uL, burada D = Vo/Vi (duty cycle), dt = D/F (açık süre), F = anahtarlama frekansı ve di = akım dalgalanmasıdır. Buck dönüştürücüler için D = 1 - Vi/Vo; boost dönüştürücüler için D = Vo/Vi'dir. Yeniden düzenleme ile: L = D * uL / (F * di). F azaldığında, L orantılı olarak artmalıdır. Tersine, diğer parametreleri sabit tutarken L'yi artırarak di (akım dalgalanması) azaltılır. Yüksek frekanslarda, indüktansı artırmak impeydansı artırır ve bu da güç kaybını artırarak verimliliği düşürür. Genel olarak, sabit frekansa sahip iken, daha büyük L çıkış dalgalanmasını azaltır ancak dinamik yanıtını bozar (yük değişikliklerine daha yavaş uyum sağlar). Bu nedenle, optimal indüktans, dalgalanma azaltımı ve geçiş performansı arasında denge kurmak için uygulama gereksinimlerine göre seçilmelidir.