SMPS: convertitori non isolati

Il nostro precedente articolo su alimentatori a commutazione ha trattato le basi della conversione di potenza e ha delineato le differenze principali tra alimentatori a commutazione e lineari. Abbiamo anche stabilito che esistono due categorie principali di topologie di SMPS: i convertitori non isolati e i convertitori di potenza lineari. convertitori isolati.

In questo articolo, esamineremo più da vicino convertitore non isolato topologie.

Convertitore buck (step-down)

Come suggerisce il nome, il convertitore step-down o buck converte una tensione di ingresso più elevata in una tensione di uscita inferiore stabilizzata. Non è isolato ed è ideale per ridurre le tensioni come convertitore da CC a CC. Si tratta di un circuito relativamente semplice, con la corrente dell'induttore controllata da un interruttore superiore e da un diodo.

Quando l'interruttore è ON, l'energia viene trasferita al carico e all'induttore L.

Quando l'interruttore è SPENTO, la tensione dell'induttore si inverte e il diodo di freewheeling diventa polarizzato in avanti, l'energia accumulata nell'induttore L alimenta il carico attraverso D e L.  

Il LC Il sistema fornisce un filtraggio molto efficace della corrente dell'induttore. Di conseguenza, il buck e i suoi derivati hanno tutti caratteristiche di ripple di uscita molto basse. Di norma, il buck funziona sempre in modalità continua (la corrente dell'induttore non scende mai a zero), dove i picchi di corrente sono più bassi e i requisiti del condensatore di regolazione sono minori.

La tensione di uscita dipende dalla ON e SPENTO tempo, ovvero il duty cycle dell'impulso a onda quadra e l'espressione per la tensione di uscita è la seguente:

D è il ciclo di lavoro dell'interruttore superiore, definito come il tempo di conduzione diviso per un periodo di commutazione

Vantaggi

• Il convertitore buck è molto semplice e richiede solo un interruttore di potenza.
• L'efficienza del regolatore buck è di circa 90%
• Il costo e le dimensioni sono contenuti
• La variazione della tensione di rete ha un'ampia tolleranza

Svantaggi

• Il circuito di retroazione del regolatore PWM richiede un ripple di uscita minimo per una corretta regolazione.

Applicazioni

• Apparecchiature portatili a batteria come RAM, CPU, USB ecc.

Convertitore boost (Step-Up)

Come suggerisce il nome, il convertitore step-up o boost converte una tensione di ingresso inferiore in una tensione di uscita superiore stabilizzata.

Quando l'interruttore è ON, diodo D inversa e l'energia viene immagazzinata in L e il condensatore C fornisce corrente al carico.

Quando l'interruttore è SPENTO, l'energia immagazzinata in L viene trasferito al carico attraverso L e D.

La tensione di uscita può essere superiore a quella di ingresso grazie alla somma della tensione pre-memorizzata in L e V_IN.

La corrente fornita dal convertitore al condensatore di lisciatura di uscita è la corrente del diodo, che sarà sempre discontinua. Ciò significa che il condensatore di uscita deve essere di grandi dimensioni, con una bassa resistenza serie equivalente (e.s.r) per produrre un ripple di uscita relativamente accettabile. Ciò è in contrasto con i requisiti del condensatore di uscita buck.

La corrente di ingresso del boost è la corrente continua dell'induttore e ciò consente di ottenere un basso ripple in ingresso. Questa caratteristica rende il convertitore boost una scelta ideale per le applicazioni di correzione del fattore di potenza, il che significa che il convertitore boost è un pre-regolatore, posto prima del convertitore principale. La funzione principale è quella di regolare l'alimentazione in ingresso e di migliorare notevolmente il fattore di potenza della linea. Questo requisito è diventato molto importante negli ultimi anni, per migliorare il fattore di potenza della rete elettrica.

L'uscita dipende solo dall'ingresso e dal ciclo di lavoro:

Vantaggi

• Questo convertitore è in grado di aumentare la tensione con il minor numero di componenti possibile.
• La corrente di ingresso è continua, il che è molto auspicabile per fonti come il fotovoltaico o la batteria.
• L'interruttore utilizzato in questo caso ha la massa in comune con la sorgente, il che facilita la disposizione del circuito di azionamento e del circuito di controllo.

Svantaggi

• La corrente di carica del condensatore di uscita è discontinua, con conseguente aumento delle dimensioni del condensatore e problemi di EMI.

Applicazioni

• Circuiti di correzione del fattore di potenza
• Auto elettriche
• Sistemi di alimentazione a batteria

Convertitore buck-boost (step-down / step-up)

Il regolatore di commutazione buck-boost è una combinazione di convertitore buck e convertitore boost che produce una tensione di uscita invertita (negativa) che può essere maggiore o minore della tensione di ingresso in base al ciclo di lavoro. Il convertitore buck-boost è una variante del circuito del convertitore boost in cui il convertitore invertente eroga al carico solo l'energia immagazzinata dall'induttore L. Entrambe le correnti di ingresso e di uscita sono pulsanti e con il buck-boost è molto difficile ottenere bassi livelli di ripple. Sono necessari condensatori di filtro di uscita molto grandi, in genere fino a 8 volte quelli di un regolatore buck.

Quando l'interruttore è ON, il diodo è invertito e l'energia è immagazzinata in L e il condensatore C fornisce corrente al carico.

Quando l'interruttore è SPENTO, l'energia immagazzinata in L viene trasferito al carico attraverso L e diodo polarizzato in avanti D.

L'espressione per la tensione di uscita è:

Vantaggi

• La tensione di ingresso può essere superiore o inferiore alla tensione di uscita regolata.

Svantaggi

• Tensione di uscita invertita
• L'interruttore non dispone di una connessione a terra, il che significa che nel circuito di uscita PWM è necessario un traduttore di livello che può aggiungere costi e complessità al progetto.

Applicazioni

• Stabilizzazione delle uscite delle celle fotovoltaiche

Confronto

	Buck	Aumento	Buck-Boost
Tensione di uscita
Potenza (W)	0–1000	0–150	0–150
Intervallo del ciclo di funzionamento	Da 0 a 1	Da 0 a < 0,8	Da 0 a < 0,8
Accumulo di energia	Induttore singolo	Induttore singolo	Induttore singolo
Caratteristiche	Corrente continua in uscita	Corrente continua in ingresso	Assenza di corrente continua in ingresso e in uscita

Nel prossimo articolo, daremo un'occhiata a convertitore asimmetrico isolato topologie e le loro applicazioni.