Boost Switching چیست

مقدمه:

Boost Switching نوعی مبدل برق DC-DC است که ولتاژ ورودی را به سطح ولتاژ خروجی بالاتر می‌برد. از آنجایی که ولتاژ خروجی بالاتر از ولتاژ ورودی است، به عنوان مبدل افزایش دهنده نیز شناخته می‌شود. مبدل تقویت کننده با ذخیره انرژی در یک سلف و سپس رها کردن آن به بار خروجی هنگام خاموش شدن سوئیچ ترانزیستور عمل می‌کند. در این سری از مقالات ‌ اسکای تک به بررسی Boost Switching می‌پردازیم.

Boost Switching از یک سلف ، یک دیود، یک سوئیچ ترانزیستور و یک خازن تشکیل شده است. هنگامی که کلید ترانزیستور روشن می‌شود، ولتاژ ورودی به سلف اعمال می‌شود و جریان از سلف عبور می‌کند. هنگامی که ترانزیستور خاموش می‌شود، ولتاژ دو سوی سلف معکوس می‌شود و انرژی ذخیره شده از طریق دیود به بار خروجی آزاد می‌شود. خازن به صاف کردن ولتاژ خروجی کمک می‌کند.

منبع تغذیه حالت Boost Switching : 

رگولاتور Boost Switching نوع دیگری از مدار منبع تغذیه حالت سوئیچ است. این مبدل باک قبلی دارای انواع قطعات است، اما این بار در موقعیت های مختلف. مبدل تقویت کننده برای افزایش ولتاژ DC از ولتاژ پایین‌تر به ولتاژ بالاتر طراحی شده است، یعنی ولتاژ تغذیه را نیز اضافه یا افزایش می‌دهد، در نتیجه ولتاژ موجود در پایانه های خروجی را بدون تغییر قطبیت افزایش می‌دهد؛ به عبارت دیگر، رگولاتور Boost Switching یک مدار رگولاتور استپ‌آپ است، بنابراین برای مثال یک مبدل تقویت کننده می‌تواند مثلاً 5+ ولت را به +12 ولت تبدیل کند.

قبلاً دیدیم که رگولاتورBuck Switching از یک ترانزیستور سوئیچینگ سری در طراحی اولیه خود استفاده می‌کند. تفاوت طراحی رگولاتور Boost Switching این است که از یک ترانزیستور سوئیچینگ متصل موازی برای کنترل ولتاژ خروجی از منبع تغذیه حالت سوئیچ استفاده می‌کند.

از آنجایی که سوئیچ ترانزیستور به طور موثر به موازات خروجی متصل می‌شود، انرژی الکتریکی تنها زمانی از طریق سلف به بار عبور می‌کند که ترانزیستور مطابق شکل “OFF” (سوئیچ باز) بایاس شود.

ویژگی‌های Boost Switching:

Boost Switching به تکنیک تبدیل توان مورد استفاده در مدارهای الکترونیکی برای افزایش سطح ولتاژ از مقدار کمتر به مقدار بالاتر اشاره دارد. این شامل استفاده از مبدل تقویت کننده است که نوعی مبدل DC-DC است. مبدل تقویت کننده با ذخیره انرژی در یک سلف در یک قسمت از چرخه سوئیچینگ و سپس رها کردن آن به خروجی در قسمت دیگری از چرخه عمل می‌کند و در نتیجه ولتاژ خروجی افزایش می‌یابد.

ویژگی‌ها و مزایای Boost Switching عبارت‌اند از:

1. افزایش ولتاژ: وظیفه اصلی Boost Switching افزایش سطح ولتاژ ورودی به سطح ولتاژ خروجی بالاتر است. این به ویژه در سیستم هایی که به ولتاژ بالاتری نسبت به ورودی موجود نیاز دارند مفید است.
2. راندمان: Boost Switching می‌تواند تبدیل توان را با راندمان بالا فراهم کند، به خصوص زمانی که با استفاده از اجزا و تکنیک های سوئیچینگ مدرن اجرا شود. این امکان استفاده بهینه از انرژی الکتریکی را فراهم می‌کند و تلفات برق را به حداقل می رساند.
3. تنظیم:Boost Switching می‌توانند تنظیم ولتاژ خروجی خوبی را ارائه دهند، به این معنی که می‌توانند ولتاژ خروجی نسبتاً پایدار را حتی زمانی که ولتاژ ورودی یا شرایط بار تغییر می‌کند، حفظ کنند. این باعث می‌شود آن‌ها برای کاربردهایی که پایداری ولتاژ حیاتی است مناسب باشند.
4. انعطاف‌پذیری طراحی: Boost Switching انعطاف‌پذیری طراحی را از نظر سطوح ولتاژ ورودی و خروجی ارائه می‌دهد. با تنظیم پارامترهای مبدل تقویت کننده، مانند مقادیر سیکل کار و سلف، می‌توان به ولتاژ خروجی مورد نظر در محدوده عملکرد مبدل دست یافت.
5. گستره کاربرد گسترده: Boost Switching در سیستم های الکترونیکی مختلف، از جمله منابع تغذیه، شارژرهای باتری، درایورهای LED، سیستم های انرژی تجدیدپذیر (مانند انرژی خورشیدی یا بادی) و سایر دستگاه هایی که نیاز به تقویت ولتاژ دارند، کاربرد دارد.
6. اندازه جمع و جور: مبدل های تقویت کننده را می‌توان به گونه ای طراحی کرد که فشرده و سبک باشند که آن‌ها را برای برنامه های قابل حمل و با محدودیت فضا مناسب می‌کند.
7.  ویژگی های حفاظتی: مبدل های تقویت کننده مدرن اغلب شامل ویژگی های حفاظتی داخلی مانند حفاظت از اضافه ولتاژ، حفاظت از جریان اضافه و خاموش شدن حرارتی هستند. این ویژگی ها به محافظت از مبدل و دستگاه های متصل در برابر آسیب احتمالی کمک می‌کند.

توجه به این نکته مهم است که ویژگی ها و عملکرد خاص Boost Switching بسته به طراحی و اجرای مدار مبدل تقویت کننده می‌تواند متفاوت باشد.

تنظیم کننده Boost Switching:

در مدار Boost Switching، زمانی که سوئیچ ترانزیستور کاملا روشن است، انرژی الکتریکی از منبع تغذیه ، VIN از سلف و کلید ترانزیستور عبور کرده و به منبع تغذیه باز می‌گردد. در نتیجه، هیچ یک از آن ها به خروجی نمی رود زیرا سوئیچ ترانزیستور اشباع شده به طور موثری یک اتصال کوتاه به خروجی ایجاد می‌کند.

این جریان از طریق سلف را افزایش می‌دهد زیرا مسیر داخلی کوتاه تری برای بازگشت به منبع دارد. در همین حال، دیود D1 بایاس معکوس می‌شود زیرا آند آن از طریق سوئیچ ترانزیستور به زمین متصل می‌شود و سطح ولتاژ در خروجی نسبتاً ثابت باقی می‌ماند زیرا خازن شروع به تخلیه از طریق بار می‌کند.

هنگامی که ترانزیستور به طور کامل خاموش می‌شود، منبع ورودی اکنون از طریق سلف و دیود متصل به سری به خروجی متصل می‌شود. همان‌طور که میدان سلف کاهش می‌یابد، انرژی القایی ذخیره شده در سلف توسط VIN، از طریق دیود بایاس به جلو، به خروجی رانده می‌شود.

نتیجه همه این‌ها این است که ولتاژ القایی در سرتاسر سلف L1 معکوس می‌شود و به ولتاژ منبع ورودی اضافه می‌کند و کل ولتاژ خروجی را همان‌طور که اکنون تبدیل می‌شود، VIN + VL اضافه می‌کند.

جریان از خازن صاف کننده، C1 که برای تامین بار هنگام بسته شدن سوئیچ ترانزیستور استفاده می‌شد، اکنون توسط منبع ورودی از طریق دیود به خازن باز می‌گردد. سپس جریان ارائه شده به خازن جریان دیود است که همیشه روشن یا خاموش خواهد بود زیرا دیود به طور مداوم بین وضعیت رو به جلو و معکوس خود توسط عملکرد سوئیچینگ ترانزیستور سوئیچ می‌شود. سپس خازن صاف کننده باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا یک خروجی ثابت صاف تولید کند.

از آنجایی که ولتاژ القایی در سراسر سلف L1 منفی است، به ولتاژ منبع اضافه می‌کند، VIN جریان سلف را به بار وارد می‌کند. ولتاژ خروجی حالت ثابت مبدل های تقویت کننده به صورت زیر ارائه می‌شود:

مانند مبدل باک قبلی، ولتاژ خروجی مبدل تقویت کننده به ولتاژ ورودی و چرخه کار بستگی دارد؛ بنابراین با کنترل چرخه وظیفه، تنظیم خروجی حاصل می‌شود. همچنین نه این که این معادله مستقل از مقدار سلف، جریان بار و خازن خروجی باشد.

در بالا دیدیم که عملکرد پایه یک مدار منبع تغذیه حالت سوئیچ غیر ایزوله می‌تواند از یک مبدل باک یا پیکربندی مبدل تقویت کننده بسته به اینکه نیاز به ولتاژ خروجی کاهش (باک) یا افزایش (تقویت) داشته باشیم، استفاده کند. در حالی که Boost Switching ممکن است پیکربندی رایج تر سوئیچینگ SMPS باشند، مبدل های تقویت کننده معمولاً در برنامه های مدار خازنی مانند شارژرهای باتری، فلاش های عکس، فلاش های بارق و غیره استفاده می‌شوند، زیرا خازن تمام جریان بار را در حالی که سوئیچ بسته است تامین می‌کند.

کاربردها Boost Switching:

1. کاربردها روشنایی LED: مبدل های تقویت کننده معمولاً در برنامه های روشنایی LED برای ارائه ولتاژ بالاتر مورد نیاز LED ها استفاده می‌شوند. این به LED ها اجازه می‌دهد تا کارآمدتر و با طول عمر بیشتری کار کنند.
2. شارژ باتری: از مبدل های تقویت کننده می‌توان برای افزایش ولتاژ شارژر باتری استفاده کرد و به آن اجازه می‌دهد باتری ولتاژ بالاتری نسبت به ولتاژ ورودی شارژ کند.
3. منابع تغذیه: مبدل های تقویت کننده در بسیاری از انواع منبع تغذیه، از جمله آداپتورهای AC-DC که در آن ولتاژ ورودی به DC یکسو می‌شود و سپس به ولتاژ خروجی مورد نیاز تقویت می‌شود، استفاده می‌شود.
4. سیستم های انرژی خورشیدی: مبدل های تقویت کننده را می توان در سیستم های انرژی خورشیدی استفاده کرد تا ولتاژ پنل های خورشیدی را تا حدی افزایش دهد که بتوان از آن برای شارژ باتری یا تغذیه اینورتر استفاده کرد.
5. الکترونیک خودرو: مبدل های تقویت کننده در بسیاری از کاربردهای الکترونیک خودرو برای افزایش ولتاژ باتری خودرو به سطح مورد نیاز الکترونیک استفاده می‌شوند.
6. تقویت کننده های ولتاژ بالا: مبدل های تقویت کننده را می توان در تقویت کننده های ولتاژ بالا برای تامین ولتاژ بالا مورد نیاز مدار تقویت کننده استفاده کرد.
7. وسایل نقلیه الکتریکی: مبدل های تقویت کننده در وسایل نقلیه الکتریکی برای افزایش ولتاژ از بسته باتری به سطح مورد نیاز کنترل کننده موتور استفاده می‌شود.

نتیجه‌گیری:

Boost Switching نوعی مبدل DC-DC است که ولتاژ ورودی را به ولتاژ خروجی بالاتر افزایش می‌دهد. مبدل های تقویت کننده چندین مزیت مانند راندمان بالا، محدوده ولتاژ ورودی گسترده و هزینه کم را ارائه می دهند. آن‌ها معمولاً در کاربردهایی مانند روشنایی LED، شارژ باتری، منابع تغذیه، سیستم های انرژی خورشیدی و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می‌شوند.

با این حال، Boost Switching نیز دارای محدودیت هایی مانند جریان خروجی محدود، محدودیت های ولتاژ ورودی، موج دار شدن ولتاژ خروجی، تداخل الکترومغناطیسی و پیچیدگی هستند. هنگام انتخاب مبدل DC-DC برای یک برنامه خاص، مهم است که الزامات و محدودیت های خاص برنامه را در نظر بگیرید تا بهترین نوع مبدل را انتخاب کنید.