Zasada działania regulatora przełączanego

Regulatory przełączane to wydajne regulatory napięcia, które kontrolują prąd poprzez szybkie przełączanie elementów przełączających (takich jak MOSFETy) i osiągają regulację napięcia za pomocą elementów magazynujących energię (jak cewki lub kondensatory). Oto wyjaśnienie ich działania i kluczowych komponentów:

1. Kontrola elementu przełączającego

Rdzeniem regulatora przełączanego jest element przełączający, który okresowo przełącza się między stanem WŁĄCZONY a stanem WYŁĄCZONY. Gdy element przełączający jest w stanie WŁĄCZONY, napięcie wejściowe jest przekazywane przez element przełączający do cewki; gdy element przełączający jest w stanie WYŁĄCZONY, prąd w cewce jest zmuszany do dalszego przepływu przez diodę (lub synchroniczny prostownik) na końcu wyjściowym.

2. Rola cewek i kondensatorów

• Cewka: Jako element magazynujący, gromadzi energię, gdy element przełączający przepuszcza prąd, a uwalnia energię, gdy element przełączający jest wyłączony.

• Kondensator: Połączony równolegle na wyjściu, aby wygładzić napięcie wyjściowe i zmniejszyć oscylacje spowodowane przerwaniami prądu w cewce.

3. Modulacja szerokości impulsu (PWM)

PWM to metoda kontroli proporcji czasu przepuszczania i czasu zacięcia elementów przełączających. Dostosowując współczynnik wypełnienia (tj. stosunek czasu przepuszczania do okresu) sygnału PWM, można kontrolować tempo, w jakim cewki gromadzą i uwalniają energię, co pozwala na regulację wielkości napięcia wyjściowego.

4. Pętla sprzężenia zwrotnego

Aby utrzymać stabilność napięcia wyjściowego, w regulatorach przełączanych typu step-down zwykle zawarta jest pętla sprzężenia zwrotnego. Ta pętla monitoruje napięcie wyjściowe i porównuje je z napięciem odniesienia. Jeśli napięcie wyjściowe odbiega od ustawionej wartości, pętla sprzężenia zwrotnego dostosowuje współczynnik wypełnienia sygnału PWM, aby zwiększyć lub zmniejszyć transfer energii przez cewkę, co pozwala utrzymać stabilność napięcia wyjściowego.

5. Tryb pracy

• Tryb ciągłej przewodności (CCM): W warunkach dużego obciążenia, prąd w cewce nigdy nie spada do zera w całym cyklu przełączania.

• Tryb nieciągłej przewodności (DCM): lub tryb Burst: W warunkach małego obciążenia lub bez obciążenia, regulator może wejść w te tryby, aby zwiększyć wydajność i zmniejszyć zużycie mocy w stanie bezczynności.

6. Wydajność i zarządzanie ciepłem

Ponieważ działanie przełączające elementu przełączającego generuje pewne straty, wydajność regulatora przełączanego nie wynosi 100%. Jednak wysoce wydajne projekty mogą być osiągnięte poprzez optymalizację wyboru elementów przełączających, redukcję strat przełączania i strat przewodzenia. Tymczasem odpowiednie środki zarządzania ciepłem (takie jak chłodnice) są również konieczne, aby zapobiec nadmiernemu nagrzewaniu i utrzymać niezawodność regulatora.

Podsumowanie

Regulatory przełączane osiągają wydajną i stabilną regulację napięcia dzięki powyższej mechanice i są szeroko stosowane w różnych urządzeniach elektronicznych, takich jak komputery, telefony komórkowe, telewizory itp., zapewniając, że te urządzenia mogą działać normalnie w różnych warunkach napięcia wejściowego.