Почему для понижающих (понижающих) импульсных стабилизаторов требуются катушка индуктивности и диод?

Понижающие преобразователи так же просты, как и повышающие преобразователи. На самом деле, это точно такая же схема, только если смотреть с обратной стороны, если у нас есть свобода выбора, какой переключатель (из двух) будет работать как управляемый переключатель (или оба, если это синхронный преобразователь).

Что касается вашего второго абзаца, если вы это сделаете, вы понесете убытки. Больше, чем с импульсным регулятором на основе индуктора, и намного больше, чем с линейным регулятором. Каждый раз, когда вы подключаете источник напряжения к конденсатору, начальное напряжение которого не совпадает с исходным напряжением источника напряжения, вы неизбежно теряете энергию. Даже если вы не видите явного резистора, в реальной жизни он есть, и (любопытно) независимо от того, насколько он мал, он будет тратить такое же количество энергии. Смотрите здесь .

Зарядовые насосы работают так, как вы говорите, но они менее эффективны, чем импульсные стабилизаторы на основе индуктора.

Таким образом, это оправдание для - очевидно ненужной - дополнительной сложности импульсных стабилизаторов на основе индуктора.

Подробнее : чтобы попытаться дать вам интуитивное представление о том, почему существуют понижающие и повышающие преобразователи, см. этот рисунок.

Если вы попытаетесь передать энергию между двумя неодинаковыми источниками напряжения или между двумя неодинаковыми источниками тока, у вас будут неизбежные потери. С другой стороны, вы можете перемещать энергию (и даже выполнять некоторое масштабирование напряжения или тока по пути) без каких -либо потерь, если вы подключите источник напряжения к источнику тока. Пассивным физическим элементом, который больше всего напоминает источник тока, является индуктор. Вот почему существуют импульсные стабилизаторы на основе индуктора.

Зарядные насосы будут в левой колонке. Их теоретический максимальный КПД ниже 100% (фактический КПД зависит от разницы напряжений и емкостей). Импульсные регуляторы на основе индуктора находятся в правой колонке. Их теоретический максимальный КПД составляет 100% (!).

Проблема, которую вы описываете, актуальна. В понижающем преобразователе вы можете получить в среднем 10 А на выходе только с 5 А на входе, потому что остальные 5 А достигают выхода через диод. А диод смещен только вперед из-за индуктивного удара. Без катушки индуктивности и диода есть только один путь для прохождения тока к выходу, и это прямо от входа. С этой топологией, если ваш средний выходной ток составляет 10 А, ваш средний входной ток также должен быть 10 А. И если вы теряете напряжение от входа к выходу, а ток остается прежним, потерянная энергия рассеивается в виде тепла. В первую очередь это противоречит цели использования импульсного регулятора вместо линейного регулятора.

Далее, если вы возьмете два конденсатора на разное напряжение и просто замкнете между ними переключатель, мгновенный ток будет очень и очень большим. Смоделируйте каждую крышку как источник Thevenin, идеальный источник напряжения с последовательным сопротивлением. Сопротивление пути между двумя идеальными источниками будет равно сопротивлению коммутационного устройства во включенном состоянии плюс ESR обоих конденсаторов. ESR конденсаторов, вероятно, будет порядка 1 мОм, если не намного меньше. Сопротивление транзистора в открытом состоянии может варьироваться, но, вероятно, не превышает 100 мОм. Таким образом, если у вас есть разница в 10 В между входом и выходом, ваш мгновенный входной ток / ток переключателя при включении переключателя будет не менее 100 А и, возможно, до тысяч ампер.

Конечно, эти всплески будут возникать время от времени, в зависимости от выходной нагрузки и плотности цикла сравнения. В остальное время ток вашего входа/переключателя равен нулю. Таким образом, вы можете получить среднее значение 1 А, но то, что видит вход, — это пики 1000 А при рабочем цикле 0,1%. Регулярные большие скачки тока, подобные этому, создадут проблему с правильным плавким предохранителем; среднеквадратический ток такой волны в конечном итоге примерно в 18 раз превышает средний ток! Им также требуется более мощный переключатель, который не будет насыщаться такими высокими мгновенными токами. Не говоря уже об электромагнитном шуме, который этот механизм устранил бы!

Лучше оставить транзистор в аналоговом режиме и просто отрегулировать напряжение на его затворе так, чтобы сопротивление сток-исток удерживало выходной конденсатор на желаемом напряжении. И вот вам линейный регулятор.

Ник, я в основном оставлю обсуждение преобразователя индуктивности другим и обращусь к следующему:

Почему бы не построить понижающий преобразователь в виде переключателя, который заряжает конденсатор, при этом переключатель, управляемый компаратором, сравнивает выходное напряжение с опорным? Разве это не было бы намного проще, если бы вы могли использовать более простой и дешевый конденсатор вместо катушки индуктивности и полностью пропустить диод?

Используя ОЧЕНЬ специальные методы, можно изготовить конденсаторные преобразователи, которые эффективно преобразуют энергию с одного уровня напряжения на другой. НО упрощенные методы плохо работают. Однокаскадный конденсаторный преобразователь, уменьшающий напряжение вдвое путем сброса заряда с одного конденсатора на другой с такой же емкостью, имеет ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КПД 50%, а практический КПД не больше теоретического, а возможно и меньше. Это происходит благодаря простому применению «законов физики». К сожалению, реальность такова, что требования для достижения хорошего КПД гораздо легче удовлетворить с преобразователем на базе индуктора, чем с преобразователем на основе конденсатора.

Попробуйте этот простой мысленный эксперимент.
Возьмите два конденсатора С1 и С2 одинаковой емкости.
Зарядите C1, скажем, до 10 В.
Основная формула, связывающая заряд и емкость: V = kQ/C
, где V — напряжение на конденсаторе, k — константа, Q — заряд, а C = емкость. Теперь подключите C2 к C1.
Заряд в C1 теперь будет поровну разделен между C1 и C2.
Таким образом, напряжение на каждом конденсаторе составляет 5 В - либо потому, что заряд на каждом из них наполовину первоначальный, либо потому, что емкость удвоилась - два взгляда на одно и то же.

Все идет нормально.

НО энергия в конденсаторе составляет 0,5 x C x V ^ 2.

Первоначально выше E = 0,5 x C x 10 ^ 2 = 50 единиц энергии C.
После объединения двух конденсаторов энергия на конденсатор = 0,5 x C x 5 ^ 2 или для двух конденсаторов энергия
= 2 x 0,5 x C x 5 ^ 2 = 25 единиц энергии C.
О, Боже ! :-(.
Просто объединив два конденсатора и заставив их разделить заряд, мы УМЕНЬШИЛИ имеющуюся энергию ПОЛОВИНУ!
Половина энергии была потеряна в процессе!
Этот, по-видимому, странный и необъяснимый факт связан с резистивными потерями энергии во время передачи. САМОЕ ЛУЧШЕЕ мы теряем половину энергии, если таким образом напряжение уменьшается вдвое.Минимальный результат потери энергии одинаков, независимо от того, используем ли мы большое значение сопротивления для передачи энергии или очень низкое сопротивление, такое как кусок провода - небольшая часть ом.В последнем случае мы получаем очень большие токи.

«Очевидное» решение состоит в том, чтобы «поставить конденсаторы друг на друга», чтобы зарядить их, и разместить их параллельно, чтобы разрядить. Это работает! За один цикл. Теоретическая эффективность = 100%. На практике в этом случае требуется как минимум 2 переключателя со сложностью и потерями, и это работает только для соотношения 2:1. Хуже того, если мы снизим напряжение на конденсаторе с нагрузкой, так что его нужно перезаряжать для следующего цикла, мы обнаружим, что перезарядка имеет те же резистивные потери, что и раньше. Мы получаем 100% теоретическую эффективность только в том случае, если мы не потребляем энергию :-(.
Своего рода решение состоит в том, чтобы падение напряжения на конденсаторе было очень небольшим, а перезарядка - лишь на небольшую величину. Если мы сделаем это, эффективность может быть близка к 100%, НО нам нужны большие конденсаторы на ток нагрузки (поскольку большая часть емкости используется только для поддержания постоянного напряжения), и у нас все еще есть коэффициент преобразования только 2: 1. Другие соотношения могут быть достигнуты, но это раздражает, это сложно и дорого, и в большинстве случаев не имеет преимуществ перед использованием катушек индуктивности. Некоторые очень специализированные преобразователи работают таким образом, но они встречаются редко. И вы можете купить микросхемы повышающего или понижающего преобразователя с несколькими фиксированными коэффициентами, такими как 2: 1, 3: 1, 4: 1, но они обычно маломощны, Vout падает с нагрузкой (выше Zout, чем хорошо), и они обычно хуже во многих отношениях к преобразователю на основе индуктора.

Вот почему вы обычно видите хороший простой, дешевый и удобный понижающий преобразователь, используемый для понижения напряжения. Фактический преобразователь использует 1 x L, 1 x D, 1 x переключатель (MOSFET или что-то еще), а остальное - «клей» или улучшения. Контроллер также может быть очень простым.

Было бы невозможно поддерживать постоянное напряжение конденсатора. Каждый раз, когда вы замыкаете переключатель, вы сбрасываете на него напряжение (какое напряжение?), И напряжение будет повышаться из-за высокого пикового тока. Конденсатору это тоже не понравится. И вы потеряете много энергии при переключении.

В переключателе катушка обеспечивает плавное возрастание тока, заряжающего конденсатор, и в среднем следует за током нагрузки. Диод нужен для размыкания ключа. В этот момент катушка создала магнитное поле, энергия которого должна куда-то деться. Диод замыкает петлю, которая позволяет току катушки продолжать течь.

Благодаря более совершенным коммутационным устройствам, понижающие преобразователи в наши дни построить намного проще, чем предполагает их теория работы. И они могут достичь КПД до 95%, чего никогда нельзя сделать простым включением и выключением конденсатора.

Самый простой способ понять необходимость диода — подумать о том, сколько раз электроны могут проходить через нагрузку каждый раз, когда они проходят через источник питания. Если диода нет, то каждый электрон, проходящий через нагрузку, должен снова пройти через источник питания, прежде чем он сможет вернуться к нагрузке. Добавление диода позволяет некоторым электронам посетить нагрузку, пройти через диод и снова посетить нагрузку, не возвращаясь к источнику питания. Катушка необходима, потому что без нее электронам, которые проходят через нагрузку и достигают диода, не будет хватать энергии, чтобы пройти через диод и снова посетить нагрузку. Катушка поглощает избыточную энергию электронов, поступающих из источника питания, а затем передает ее рециркулирующим электронам.

Вы можете понизить напряжение постоянного тока с помощью резистора, один последовательно, Rs и резистор, RL и нагрузка шунтируют на общий, но вы знаете, что это неэффективно с потерей мощности = V * I в серии Rs.

Вы можете сделать шаг вниз с переключаемым коэффициентом сопротивления (как вы предложили), а затем последовательное сопротивление является функцией рабочего цикла и переключает эффективное последовательное сопротивление (ESR),

следовательно, Rs = ESR / T {где T — время включения/время цикла для T = 0–1}

Теперь вашей нагрузке нужна емкость для стабилизации напряжения и, возможно, активный стабилитрон, и в последовательном резисторе все равно будут потери. Рассмотрим соотношение 10: 1, тогда ток в 10 раз выше, но в 1/10 раза, поэтому P = V * I * T, потери мощности такие же, как у линейного регулятора. Есть смысл?

Катушка индуктивности обеспечивает постоянный ток при понижении напряжения. Поскольку ток в значительной степени реактивен и не совпадает по фазе для сигнала переменного тока с тактовой коммутацией в качестве понижающего устройства, он намного эффективнее. Есть смысл? Сделав реактивное сопротивление намного меньше, чем нагрузка, вы можете стать еще более эффективным. Это означает увеличение скорости переключения и значения индуктивности. Но насыщение ферритом достигает практического предела тока, и очень важно использовать феррит с воздушным зазором для гораздо больших токов.