Η διαφορά μεταξύ ενός ρυθμιστή buck και ενός ρυθμιστή boost

Λειτουργία και κατεύθυνση εξόδου τάσης

Ρυθμιστής μείωσης τάσης

Η βασική λειτουργία ενός ρυθμιστή μείωσης τάσης είναι να μειώσει μια υψηλότερη εισερχόμενη τάση σε χαμηλότερη σταθερή εξοδική τάση. Για παράδειγμα, η κοινή 12V DC εισερχόμενη τάση μετατρέπεται σε σταθερή εξοδική τάση 5V ή 3.3V για να καλύψει τις ανάγκες φορτιστών κινητών τηλεφώνων και ορισμένων chips στην κύρια πλακέτα του υπολογιστή.

Ρυθμιστής αύξησης τάσης

Ο ρυθμιστής αύξησης τάσης αυξάνει τη χαμηλότερη εισερχόμενη τάση σε υψηλότερη σταθερή εξοδική τάση. Για παράδειγμα, σε ορισμένα συστήματα που χρησιμοποιούν μοναδικές ή πολλαπλές μπαταρίες (1.5V ή 3V κλπ.), η τάση μπορεί να αυξηθεί σε 5V, 9V κλπ., μέσω του ρυθμιστή αύξησης, για να ενεργοποιήσει κύκλους ή συσκευές που απαιτούν υψηλότερες τάσεις, όπως πορτατιβές ηχεία και ορισμένα χειροκίνητα μέτρησης.

Δομή κυκλώματος και λειτουργικός μηχανισμός

Ρυθμιστής μείωσης τάσης

• Βασική δομή κυκλώματος: Ο κοινός ρυθμιστής μείωσης τάσης χρησιμοποιεί τη δομή buck converter. Συνίσταται κυρίως από διακόπτες ενέργειας (όπως MOSFET), συμπλέκτες, κατασταλτικούς, διόδους και κυκλώματα ελέγχου.

• Λειτουργικός μηχανισμός: Όταν ο διακόπτης ενέργειας είναι ενεργός, η εισερχόμενη τάση φορτίζει τον συμπλέκτη, ο ρευστής του συμπλέκτη αυξάνεται γραμμικά, την ίδια στιγμή η διόδος είναι ανενεργή, και η φορτία είναι εφοδιασμένη από τον κατασταλτικό. Όταν ο διακόπτης ενέργειας είναι ανενεργός, ο συμπλέκτης παράγει αντίστροφη ηλεκτροκινητική δύναμη, η οποία εφοδιάζει τον κατασταλτικό και τη φορτία μέσω της διόδου, και ο ρευστής του συμπλέκτη μειώνεται γραμμικά. Καταναλώνοντας τον χρόνο ενεργοποίησης και απενεργοποίησης (duty cycle) του διακόπτη ενέργειας, η εξοδική τάση προσαρμόζεται για να διατηρήσει την εξοδική τάση σταθερή.

Ρυθμιστής αύξησης τάσης

• Βασική δομή κυκλώματος: Χρησιμοποιείται συνήθως η δομή boost converter, περιλαμβάνοντας επίσης διακόπτες ενέργειας, συμπλέκτες, κατασταλτικούς, διόδους και κυκλώματα ελέγχου.

• Λειτουργικός μηχανισμός: Όταν ο διακόπτης ενέργειας είναι ενεργός, η εισερχόμενη τάση προστίθεται στα δύο άκρα του συμπλέκτη, ο ρευστής του συμπλέκτη αυξάνεται γραμμικά, την ίδια στιγμή η διόδος είναι ανενεργή, και ο κατασταλτικός αποφορτίζεται στη φορτία για να διατηρήσει την εξοδική τάση. Όταν ο διακόπτης ενέργειας είναι ανενεργός, η αντίστροφη ηλεκτροκινητική δύναμη που παράγεται από τον συμπλέκτη προστίθεται στην εισερχόμενη τάση, φορτίζοντας τον κατασταλτικό μέσω της διόδου και εφοδιάζοντας τη φορτία. Καταναλώνοντας τον χρόνο ενεργοποίησης και απενεργοποίησης (duty cycle) του διακόπτη ενέργειας, η εξοδική τάση μπορεί να αυξηθεί και να σταθεροποιηθεί.

Εφαρμογή σεναρίου

Ρυθμιστής μείωσης τάσης

• Συσκευές καταναλωτικής ηλεκτρονικής: χρησιμοποιούνται ευρέως σε κινητά τηλέφωνα, tablets, laptops και άλλες συσκευές. Τα περισσότερα chips και κυκλώματα μέσα σε αυτές τις συσκευές απαιτούν διάφορα επίπεδα χαμηλής τάσης εφοδιασμού, και ο εφοδιασμός ενέργειας της συσκευής (όπως η τάση της λιθιούχης μπαταρίας ή η εξωτερική τάση του adapter) είναι σχετικά υψηλός, και απαιτείται ένας ρυθμιστής μείωσης τάσης για να καλύψει τις απαιτήσεις τάσης διαφορετικών συστατικών.

• Προσαρμοστής ενέργειας: Χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της ενεργειακής προμήθειας σε χαμηλότερη DC εξοδική τάση, όπως η κοινή 220V AC σε 5V, 9V, 12V DC τάση, για φόρτιση ή εφοδιασμό ενέργειας σε κινητά τηλέφωνα, routers και άλλες συσκευές.

Ρυθμιστής αύξησης τάσης

• Πορτατιβές συσκευές: Για πορτατιβές συσκευές που εφοδιάζονται με χαμηλότερες μπαταρίες (όπως ξηρές μπαταρίες, μπαταρίες κουμπιού), όταν ορισμένα συστατικά στη συσκευή απαιτούν υψηλότερη τάση. Για παράδειγμα, κάποια φώτα που εφοδιάζονται με μία 1.5V ξηρή μπαταρία, αυξάνουν την τάση σε 3V ή υψηλότερη μέσω του ρυθμιστή αύξησης για να παρέχουν φωτεινότερη φωτεινότητα.

• Σύστημα ανανεώσιμης ενέργειας: Στο σύστημα φωτοβολταϊκής ενέργειας, όταν η εξοδική τάση των φωτοβολταϊκών κυκλών είναι χαμηλή σε χαμηλή ένταση φωτός, ο ρυθμιστής αύξησης μπορεί να αυξήσει τη χαμηλή τάση σε επίπεδο τάσης που είναι κατάλληλο για τα επόμενα κύκλους (όπως inverters) για να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα χρήσης της ηλιακής ενέργειας.

Χαρακτηριστικά αποδοτικότητας

Ρυθμιστής μείωσης τάσης

Κατά τη διαδικασία μείωσης, η αποδοτικότητα του ρυθμιστή μείωσης τάσης είναι συνδεδεμένη με τη διαφορά μεταξύ εισερχόμενης και εξοδικής τάσης, το ρευστό φορτία, την απόδοση των συστατικών κυκλώματος και άλλα παράγοντα. Γενικά, όταν η διαφορά μεταξύ εισερχόμενης και εξοδικής τάσης είναι μικρή, η αποδοτικότητα είναι σχετικά χαμηλή σε περίπτωση ελαφρού φορτίου (μικρό ρευστό φορτία), και η αποδοτικότητα θα βελτιωθεί με την αύξηση του ρευστού φορτία. Ωστόσο, αν η διαφορά μεταξύ εισερχόμενης και εξοδικής τάσης είναι πολύ μεγάλη, η αποδοτικότητα θα μειωθεί επίσης λόγω της επιρροής των απωλειών ενέργειας (κυρίως απώλειες συστατικών όπως διακόπτες ενέργειας και συμπλέκτες).

Ρυθμιστής αύξησης τάσης

Η αποδοτικότητα του ρυθμιστή αύξησης τάσης επηρεάζεται επίσης από πολλούς παράγοντες. Διότι κατά τη διαδικασία αύξησης, ο συμπλέκτης πρέπει να αποθηκεύσει περισσότερη ενέργεια για να αυξήσει την τάση, και η διόδος θα έχει κάποια απώλεια ενέργειας κατά την αντίστροφη αποσύνδεση, οπότε σε περίπτωση χαμηλής εισερχόμενης τάσης, υψηλής εξοδικής τάσης και βαρύ φορτίο (μεγάλο ρευστό φορτία), η αποδοτικότητα μπορεί να επηρεαστεί σημαντικά, αλλά με την εξέλιξη της τεχνολογίας, νέοι ρυθμιστές αύξησης τάσης βελτιώνουν συνεχώς την αποδοτικότητα.