Arbejdsmåden for switch-mode regulator

Switch-mode regulators er effektive spændingsregulatører, der kontrollerer strømmen ved hurtigt at skifte mellem switch-elementer (som MOSFET'er) og opnår spændingsregulering gennem energilagringselementer (som induktorer eller kondensatorer). Her er en forklaring på, hvordan de fungerer, og deres nøglekomponenter:

1. Kontrol af switch-element

Kernen i en switching-regulator er et switch-element, der periodisk skifter mellem tilstande ON og OFF. Når switch-elementet er i tilstanden ON, overføres indgangsspændingen gennem switch-elementet til induktoren; når switch-elementet er i tilstanden OFF, tvinges strømmen i induktoren til at fortsætte gennem dioden (eller synkroniserende rektifier) ved udgangsenden.

2. Induktors og kondensators rolle

• Induktor: Som et lagringselement gemmer den energi, når switch-elementet ledede, og frigiver energi, når switch-elementet er slukket.

• Kondensator: Forbundet parallelt med udgangen for at jæmne udgangsspændingen og reducere riper, som skyldes induktorens strømafbrydelse.

3. Pulsbredde-modulation (PWM) kontrol

PWM er en metode til at kontrollere andelen af lednings- og afbrydelsestid for switching-elementer. Ved at justere duty-cyclus (dvs. forholdet mellem ledningstid og periodetid) af PWM-signalet, kan man kontrollere hastigheden, hvormed induktorer lagrer og frigiver energi, og derved regulere størrelsen af udgangsspændingen.

4. Feedback-loop

For at opretholde stabiliteten af udgangsspændingen inkluderes der normalt en feedback-loop i buck-type switching-regulatorer. Denne løkke overvåger udgangsspændingen og sammenligner den med en referencespænding. Hvis udgangsspændingen afviger fra det satte værdi, justerer feedback-løkken duty-cyclusen af PWM-signalet for at øge eller formindske energioverførslen af induktoren, hvilket opretholder stabiliteten af udgangsspændingen.

5. Arbejdsmåde

• Kontinuerlig ledringsmåde (CCM): Under tung belastning falder strømmen i induktoren aldrig til nul over hele switchingcyklussen.

• Diskontinuerlig ledringsmåde (DCM): eller Burst-måde: Under let belastning eller ingen belastning kan regulatoren gå ind i disse tilstande for at forbedre effektiviteten og reducere tomstrømsforbrug.

6. Effektivitet og varmeledelse

Da switching-handlingen af switch-elementet vil producere visse tab, er effektiviteten af switching-regulatoren ikke 100%. Men højeffektive design kan opnås ved at optimere valget af switch-elementer, reducere switching-tab og ledringstab. Samtidig er passende varmeledelsesforanstaltninger (som køler) også nødvendige for at undgå overophedning og opretholde regulatorens pålidelighed.

Oversigt

Switch-mode regulators opnår effektiv og stabil spændingsregulering gennem ovenstående mekanisme, og de anvendes bredt i forskellige elektroniske enheder som computere, mobiltelefoner, TV'ere osv., der sikrer, at disse enheder kan fungere normalt under forskellige indgangsspændinger.