SMPS : Nicht-isolierte Wandler

Unser früherer Artikel über getaktete Stromversorgungen wurden die Grundlagen der Leistungsumwandlung behandelt und die wichtigsten Unterschiede zwischen Schaltnetzteilen und linearen Stromversorgungen dargelegt. Wir haben auch festgestellt, dass es zwei Hauptkategorien von SMPS-Topologien gibt: nicht-isolierte Wandler und isolierte Wandler.

In diesem Artikel werden wir einen genaueren Blick auf Folgendes werfen nicht isolierter Wandler Topologien.

Abwärtswandler (Step-down)

Wie der Name schon sagt, wandelt der Abwärtswandler eine höhere Eingangsspannung in eine stabilisierte niedrigere Ausgangsspannung um. Er ist nicht isolierend und eignet sich ideal zum Absenken von Spannungen als Gleichstromwandler. Es handelt sich um eine relativ einfache Schaltung, bei der der Induktionsstrom durch einen oberen Schalter und eine Diode gesteuert wird.

Wenn der Schalter auf ON, wird die Energie sowohl auf die Last als auch auf die Spule übertragen L.

Wenn der Schalter auf AUS, kehrt sich die Induktionsspannung um und die Freilaufdiode wird in Durchlassrichtung vorgespannt, die in der Induktionsspule gespeicherte Energie L versorgt die Last durch D und L.  

Die LC Anordnung bietet eine sehr effektive Filterung des Induktionsstroms. Daher haben der Abwärtsregler und seine Ableitungen alle eine sehr geringe Ausgangswelligkeit. Der Abwärtsregler wird normalerweise immer im Dauermodus betrieben (der Induktionsstrom fällt nie auf Null), wo die Spitzenströme niedriger sind und der Bedarf an Glättungskondensatoren geringer ist.

Die Ausgangsspannung ist abhängig von der ON und AUS Zeit, d. h. das Tastverhältnis des Rechteckimpulses, und der Ausdruck für die Ausgangsspannung lautet wie folgt:

D ist das Tastverhältnis des oberen Schalters, definiert als die Durchlasszeit geteilt durch eine Schaltperiode

Vorteile

• Der Abwärtswandler ist sehr einfach und benötigt nur einen Leistungsschalter
• Der Wirkungsgrad des Buck-Reglers beträgt etwa 90%
• Die Kosten und die Größe sind gering
• Netzspannungsschwankungen haben eine große Toleranz

Benachteiligungen

• Die Rückkopplungsschaltung des PWM-Reglers erfordert eine minimale Ausgangswelligkeit, um ordnungsgemäß zu regeln.

Anwendungen

• Batteriebetriebene tragbare Geräte wie RAM, CPU, USB usw.

Aufwärtswandler (Step-Up)

Wie der Name schon sagt, wandelt der Aufwärtswandler eine niedrigere Eingangsspannung in eine stabilisierte höhere Ausgangsspannung um.

Wenn der Schalter auf ON, Diode D umgekehrt vorgespannt und die Energie wird gespeichert in L und Kondensator C liefert Strom an die Last.

Wenn der Schalter auf AUS, die gespeicherte Energie in L wird auf die Last übertragen durch L und D.

Die Ausgangsspannung kann höher sein als die Eingangsspannung, da sie sich aus der Summierung der vorgespeicherten Spannung in L und V_IN.

Der Strom, der dem Ausgangsglättungskondensator vom Wandler zugeführt wird, ist der Diodenstrom, der immer diskontinuierlich sein wird. Das bedeutet, dass der Ausgangskondensator groß sein muss, mit einem niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (e.s.r), um eine relativ akzeptable Ausgangswelligkeit zu erzeugen. Dies steht im Gegensatz zu den Anforderungen an den Abwärtswandler-Ausgangskondensator.

Der Boost-Eingangsstrom ist ein kontinuierlicher Induktionsstrom, der eine niedrige Eingangswelligkeit aufweist. Diese Eigenschaft macht den Boost-Wandler zu einer idealen Wahl für die Leistungsfaktor-Korrektur-Anwendung, d.h. der Boost-Wandler wird als Vorregler vor dem Hauptwandler platziert. Die Hauptfunktionen bestehen darin, die Eingangsversorgung zu regeln und den Leistungsfaktor der Leitung erheblich zu verbessern. Diese Anforderung ist in den letzten Jahren sehr wichtig geworden, um den Leistungsfaktor der Netzversorgung zu verbessern.

Der Ausgang hängt nur vom Eingang und dem Tastverhältnis ab:

Vorteile

• Dieser Wandler ist in der Lage, die Spannung mit der geringstmöglichen Anzahl von Komponenten zu erhöhen.
• Der Eingangsstrom ist kontinuierlich, was für Quellen wie Photovoltaik oder Batterien sehr wünschenswert ist.
• Der hier verwendete Schalter hat die gemeinsame Masse mit der Quelle, was die Anordnung der Antriebs- und Steuerschaltung erleichtert.

Benachteiligungen

• Der Ladestrom des Ausgangskondensators ist diskontinuierlich, was zu einer größeren Kondensatorgröße und EMI-Problemen führt.

Anwendungen

• Schaltungen zur Blindleistungskompensation
• Elektroautos
• Batteriebetriebene Systeme

Abwärts/Aufwärtswandler (Step Down / Step Up)

Der Buck-Boost-Schaltregler ist eine Kombination aus Abwärtswandler und Aufwärtswandler, die eine invertierte (negative) Ausgangsspannung erzeugt, die je nach Tastverhältnis größer oder kleiner als die Eingangsspannung sein kann. Der Abwärts-/Aufwärtswandler ist eine Variante des Aufwärtswandler-Schaltkreises, bei dem der invertierende Wandler nur die in der Spule L gespeicherte Energie an die Last abgibt. Sowohl der Eingangs- als auch der Ausgangsstrom sind pulsierend, niedrige Restwelligkeitswerte sind mit dem Abwärts/Aufwärtswandler sehr schwer zu erreichen. Es werden sehr große Ausgangsfilterkondensatoren benötigt, in der Regel bis zum 8-fachen eines Abwärtsreglers.

Wenn der Schalter auf ON, ist die Diode in Sperrichtung vorgespannt und die Energie wird gespeichert in L und der Kondensator C liefert Strom an die Last.

Wenn der Schalter auf AUS, die gespeicherte Energie in L wird auf die Last übertragen durch L und eine in Durchlassrichtung vorgespannte Diode D.

Der Ausdruck für die Ausgangsspannung lautet:

Vorteile

• Die Eingangsspannung kann höher oder niedriger sein als die geregelte Ausgangsspannung

Benachteiligungen

• Invertierte Ausgangsspannung
• Der Schalter hat keinen Masseanschluss, was bedeutet, dass in der PWM-Ausgangsschaltung ein Pegelumsetzer erforderlich ist, der die Kosten und die Komplexität des Entwurfs erhöhen kann.

Anwendungen

• Stabilisierung der Leistung von Fotovoltaikzellen

Vergleich

	Buck	Boost	Buck-Boost
Ausgangsspannung
Leistung (W)	0-1000	0-150	0-150
Bereich der Einschaltdauer (Duty Cycle)	0 bis 1	0 bis < 0,8	0 bis < 0,8
Energiespeicherung	Einzelinduktor	Einzelinduktor	Einzelinduktor
Produkt-Merkmale	Kontinuierlicher Strom am Ausgang	Dauerstrom am Eingang	Kein Dauerstrom am Eingang und Ausgang

In unserem nächsten Artikel werden wir einen Blick auf folgende Themen werfen asymmetrisch isolierter Wandler Topologien und ihre Anwendungen.