Чому комутатори ефективніші, ніж лінійні регулятори?

Загальновідомо, що регулятори комутації ефективніші, ніж лінійні регулятори. Я також знаю, що лінійний регулятор повинен розсіювати різницю між вхідною напругою та напругою на виході, меншими за струм, як тепло.

Але чому це не стосується регуляторів комутації з однаковими умовами: однаковою вхідною напругою та вихідною напругою та струмом?

Я знаю, що комутатори можуть нагрітися; У мене є такий на дошці, який нагрівається так, що ви ледве доторкаєтесь до нього, але знову ж таки, це лише 2 1/2 міліметра з кожного боку і виглядає як мурашка порівняно з наскрізним отвором 7805 з його тепловідводом.

Лінійні регулятори працюють, ефективно ставлячи керований змінний резистор між джерелом і навантаженням. Весь струм для навантаження протікає через цей резистивний елемент. А напруга на ньому дорівнює різниці між напругою джерела і напругою навантаження. Тож влада розсіюється

$P_{lin} = I_{load}\times{}(V_{src}-V_{load})$.

Регулятори перемикання працюють, змінюючи робочий цикл потоку струму протягом циклу перемикання, а потім усереднюючи вихід з використанням фільтра. Під час частини циклу протікає високий струм із низьким падінням напруги. В іншій частині циклу майже не протікає струм із великим падінням напруги. Жодна з цих умов не розсіює багато енергії, як тепло. В ідеалі втрачається сила

$P_{sw}= \mathrm{DC}(I_{on})(0\ \mathrm{V}) + (1-\mathrm{DC})(0\ \mathrm{A})(V_{off})$,

що, звичайно, становить 0 Вт. Зазвичай велика частина неефективності в реальному світі пов'язана з потужністю, втраченою під час дуже короткого інтервалу перемикання між частинами циклу "увімкнено" та "вимкнено".

Зазвичай регулятори комутації ефективніші, але не завжди.

Ідеальний лінійний регулятор має падіння напруги$V_{IN} - V_{OUT}$ і є лінійний прохідний елемент, такий як транзистор, який діє як резистор, тому втрати потужності в ідеальному випадку - P =$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$, як ви говорите. Це ідеальний випадок, насправді регулятору потрібно трохи струму для роботи, і може бути компонент, який залежить від вихідного струму. Деякі лінійні регулятори LDO, які залежать від бічних елементів пропускання PNP, можуть мати дуже високий рівень споживання, близький до випадаючого - можливо, 100 мА витрачається на вихідний струм 1А (тому що транзистори ПНП, виготовлені з деякими процесами ІК, мають досить шалений посилення струму).

Ідеальний регулятор перемикання (долар) виглядає так:

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Якщо перемикач є транзистором, а D1 може бути діодом або це може бути інший транзистор. В ідеальному випадку є немає механізму втрати енергії . Діод або блокує ідеально, або проводить ідеально, перемикач робить те саме, індуктор не має опору постійного струму, а конденсатор не має ШОЕ. Таким чином, потужність у рівній потужності. Звичайно, реальність може лише наближатися до цього ідеалу. Будуть втрати, які є "накладними" та втрати, що збільшуються зі збільшенням струму.

Зауважте, що індуктор є найважливішою частиною цього кола - якщо ви спробуєте його опустити, нерухома (в короткому терміні) напруга на С1 вийде проти нерухомої напруги на Він і струм стане нескінченним. У реальній схемі SW1 мав би певний опір, і він би став настільки ж гарячим, як прохідний транзистор в лінійному регуляторі (за винятком того, що він би також робив тонни EMI).

Загальновідомо, що регулятори комутації ефективніші, ніж лінійні регулятори.

До точки. Поміщення 3,5 В у лінійний регулятор LDO 3.3V дає ККД 94%. Вам буде важко натиснути, щоб знайти регулятор комутації, який може це зробити.

Я також знаю, що лінійний регулятор повинен розсіювати різницю між вхідною напругою та вихідною напругою, меншою за струм, як тепло.

Так, але лінійні регулятори повинні подавати стільки ж чи трохи більше струму для заданого вихідного струму, тоді як регулятори комутації торкаються падіння вихідної напруги для зменшення вхідного струму, а тому зазвичай використовують меншу потужність, ніж аналогічно налаштований лінійний регулятор в цілому.

Ідеальні комутатори не розсіюють жодної потужності. Вони забирають трохи енергії з боку входу, зберігають її, а потім відпускають на вихідній стороні.

Енергія зберігається або в магнітному полі всередині індуктора, або в електричному полі в конденсаторі.

Через неідеальність реальних компонентів, таких як ШОЕ в індукторах, вони розсіюють трохи енергії. Вони також втрачають деяку потужність під час перемикання транзисторів. Частина енергії також втрачається в контролері.

Але чому це не стосується регуляторів комутації з однаковими умовами

Для серійного лінійного регулятора джерело подає енергію в 100% часу, і частина цієї потужності повинна витрачатися, оскільки (1) напруга (величина) джерела більше, ніж навантаження, і (2) струм джерела повинен бути дещо більшим, ніж струм навантаження.

Однак для регулятора комутації джерело подає живлення лише на деяку частину періоду комутації. За цей час частина енергії, поданої джерелом, доставляється до навантаження, а інша частина передається елементам схеми накопичення енергії - витрачається дуже мало.

Потім під час вимкнення елементи ланцюга накопичення енергії подають живлення навантаження.

У цьому важлива відмінність - лише від джерела протягом часу вбирається достатня потужність для постійного живлення навантаження.

Наприклад, якщо для навантаження потрібні постійні 5 Вт, джерело може подавати 10 Вт 50% часу, а 0 ВТ - решта 50% при середній потужності 5 Вт. Елементи схеми накопичення енергії "згладжують" потік енергії - поглинаючи надлишкову потужність протягом часу, а потім доставляючи її у час відключення.

Ідеальний регулятор комутації прискореного посилення може бути змодельований як пара кришок, з'єднаних безпосередньо з входом і виходом, котушки та деякої схеми маршрутизації, яка може перемикатися між трьома конфігураціями (тільки для долара, тільки для підсилення або інвертування потрібно лише два).

1. Вхід підключається до виходу через котушку
2. Котушка підключається безпосередньо через вхід
3. Котушка з'єднана безпосередньо через вихід

Припустимо, що компоненти поводяться ідеально (без резистивних чи комутаційних втрат тощо). Кришки джерела сидять на рівні 10 В, на виході виводиться 1А, комутатор витрачає половину свого часу в першій конфігурації, половину в третій і цикліть досить швидко, щоб напруги ковпака та струм котушки не мають шансів змінитися протягом кожного циклу.

У "стаціонарному" стані, при дотриманні вищезазначених умов, котушка матиме один підсилювач, що протікає через неї весь час (оскільки вона завжди буде послідовно з навантажувальним навантаженням 1 ампер). Якщо вихідний ковпак сидить на п’яти вольтах, то половина часу котушки матиме + 5В поперек, а половину часу - -5В, тому в середньому струм залишатиметься на 1 ампер. Половину часу на кришку джерела буде виведений з нього один підсилювач (коли він підключений до котушки), а половину часу він не матиме, тож джерело побачить половину ампер струму.

Найпростіший спосіб побачити, як комутатор може виводити менший струм від джерела, ніж навантаження з нього - це подивитися, куди протікають електрони: половина електронів, які проходять через навантаження, надійде від джерела, а половина буде перейшов на обхід джерела. Таким чином, навантаження матиме вдвічі більше струму, що протікає через нього, ніж джерело.

Для того, щоб набриднути всім добру аналогію про течію води, додамо це: припустимо, у нас три рівні висоти H ₁ , H _½ , H ₀ ; запас води надходить з Н ₁ , потім стікає на Н _½ трохи до місця призначення, млина чи чогось, а потім назад по дорозі до Н ₀ . Регулятор знаходиться на переході від H ₁ до H _½ .

• Лінійний регулятор - водоспад: електрони просто грядуть і вивільняють свій потенціал як теплову енергію в навколишнє середовище. Струм на H _½ буде таким самим, як і на H ₁ .

• Комутатор не просто дозволяє води текти вниз, але знижує її контрольно порційно у відрах. Кожне відро, яке спускається з Н _1, потребує противаги; природна річ - це ще одне відро з водою , від Н ₀ !