Buck Switching چیست

مقدمه:

Buck Switching با استفاده از یک ترانزیستور سوئیچینگ (مانند ماسفت) و یک سلف برای کنترل تبدیل ولتاژ کار می‌کند. در دو حالت On-state و Off-state کار می‌کند. در طول حالت روشن، ترانزیستور روشن می‌شود و اجازه می‌دهد جریان از سلف عبور کند و انرژی ذخیره شود. سپس این انرژی در هنگام خاموش شدن ترانزیستور در حالت خاموش به خروجی منتقل می‌شود.

باک سوئیچ با کنترل فرکانس سوئیچینگ و چرخه وظیفه (نسبت زمان روشن به زمان خاموش)، ولتاژ خروجی را تنظیم می‌کند. در این مقاله از اسکای تک به بررسی Buck Switch می پردازیم.

منبع تغذیه حالت Buck Switching:

رگولاتور Buck Switching یک نوع مدار منبع تغذیه حالت سوئیچ است که برای کاهش موثر ولتاژ DC از ولتاژ بالاتر به ولتاژ پایین‌تر طراحی شده است، یعنی ولتاژ منبع تغذیه را کم یا “Bucks” می‌کند و در نتیجه ولتاژ موجود در خروجی را کاهش می‌دهد. پایانه ها بدون تغییر قطبیت به عبارت دیگر، رگولاتور سوئیچ باک یک مدار رگولاتور کاهنده است، بنابراین برای مثال یک مبدل باک می‌تواند مثلاً 12+ ولت را به 5+ ولت تبدیل کند.

رگولاتور Buck Switching یک مبدل DC به DC و یکی از ساده ترین و محبوب ترین انواع رگولاتور سوئیچینگ است. هنگامی که در پیکربندی منبع تغذیه حالت سوئیچ استفاده می‌شود، رگولاتور سوئیچ باک از یک ترانزیستور سری یا ماسفت برق (به طور ایده آل یک ترانزیستور دوقطبی گیت عایق یا IGBT) به عنوان دستگاه کلید زنی اصلی خود همان‌طور که در زیر نشان داده شده است استفاده می‌کند.

ویژگی‌های Buck Switching :

Buck Switching همچنین به عنوان مبدل باک یا مبدل کاهنده نیز شناخته می‌شود، نوعی مبدل برق DC-DC است که به طور گسترده در دستگاه های الکترونیکی برای پایین آوردن یا کاهش موثر سطح ولتاژ از منبع ولتاژ بالاتر به سطح ولتاژ پایین استفاده می‌شود. در اینجا برخی از ویژگی های کلیدی سوئیچ باک آورده شده است:

1. کاهش ولتاژ: عملکرد اصلی یک Buck Switching پایین آوردن ولتاژ ورودی به ولتاژ خروجی پایین تر است. منبع ولتاژ بالاتر (مانند باتری یا منبع تغذیه) را به ولتاژ پایین‌تر مناسب برای تامین انرژی قطعات الکترونیکی تبدیل می‌کند.
2. راندمان بالا: Buck Switching به راندمان بالا در تبدیل ولتاژ معروف هستند. آن‌ها می‌توانند به سطوح بازدهی بیش از 90٪ یا حتی بالاتر برسند که در نتیجه حداقل اتلاف توان در طول فرآیند تبدیل ایجاد می‌شود.
3. مدار کنترل: یک Buck Switching شامل مدار کنترلی است که ولتاژ خروجی را تنظیم می‌کند. این مدار کنترل معمولاً از تکنیک‌های مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای کنترل سوئیچینگ عنصر سوئیچ (معمولاً یک ترانزیستور) در مبدل استفاده می‌کند.
4. عنصر سوئیچینگ: Buck Switching از یک عنصر سوئیچ (معمولا یک ماسفت یا یک ترانزیستور) تشکیل شده است که جریان را از طریق یک سلف کنترل می‌کند. سوئیچ به سرعت روشن و خاموش می‌شود و جریان ضربانی ایجاد می‌کند که برای تولید ولتاژ خروجی مورد نظر فیلتر می‌شود.
5. سلف و خازن: یک Buck Switching از یک سلف و یک خازن به عنوان اجزای غیرفعال کلیدی استفاده می‌کند. سلف انرژی را در طول دوره روشن شدن ذخیره می‌کند و در طول دوره خاموش شدن آن را به بار رها می‌کند. خازن به صاف کردن ولتاژ خروجی و کاهش ریپل کمک می‌کند.
6. ویژگی های حفاظتی: Buck Switching اغلب ویژگی‌های حفاظتی مختلفی را برای محافظت از مبدل و اجزای متصل در خود دارند. این‌ها ممکن است شامل حفاظت در برابر جریان اضافه، حفاظت از ولتاژ اضافه، خاموش شدن حرارتی و حفاظت از اتصال کوتاه باشد.
7. اندازه جمع و جور: Buck Switching ازنظر اندازه جمع و جور هستند و به دلیل کارایی بالا و توانایی پایین آوردن ولتاژ بدون نیاز به ترانسفورماتورهای حجیم می‌توانند در دستگاه های الکترونیکی کوچک ادغام شوند.
8. طیف گسترده ای از برنامه‌ها:Buck Switching کاربردها را در دستگاه های الکترونیکی مختلف، از جمله گوشی های هوشمند، لپ تاپ ها، منابع تغذیه، درایورهای LED، وسایل الکترونیکی خودرو و بسیاری دیگر از دستگاه های با باتری یا ولتاژ پایین پیدا می‌کنند.

توجه به این نکته مهم است که طرح‌ها و مدل‌های خاص Buck Switching ممکن است ویژگی‌ها و تغییرات بیشتری برای برآوردن نیازها و کاربردهای مختلف داشته باشند.

رگولاتور Buck Switching:

می‌بینیم که پیکربندی مدار پایه برای مبدل Buck Switching ترانزیستوری سری، TR1 با مدار محرک مرتبط است که ولتاژ خروجی را تا حد ممکن نزدیک به سطح مورد نظر نگه می‌دارد، یک دیود، D1، یک سلف، L1 و یک صاف کننده. خازن C1. مبدل باک دو حالت کار دارد، بسته به اینکه ترانزیستور سوئیچینگ TR1 روشن یا خاموش باشد.

هنگامی که ترانزیستور بایاس روشن (سوئیچ بسته) می‌شود، دیود D1 بایاس معکوس می‌شود و ولتاژ ورودی، VIN باعث می‌شود جریانی از طریق سلف به بار متصل در خروجی جریان یابد و خازن C1 را شارژ کند. همان‌طور که یک جریان در حال تغییر از طریق سیم پیچ سلف می‌گذرد، یک back-emf تولید می‌کند که طبق قانون فارادی با جریان مخالفت می‌کند تا زمانی که به حالت ثابت برسد و میدان مغناطیسی در اطراف سلف L1 ایجاد کند. این وضعیت تا زمانی که TR1 بسته باشد به طور نامحدود ادامه دارد.

هنگامی که ترانزیستور TR1 توسط مدار کنترل کننده خاموش می‌شود (سوئیچ باز)، ولتاژ ورودی فوراً از مدار امیتر قطع می‌شود و باعث می‌شود که میدان مغناطیسی اطراف سلف فرو بریزد و ولتاژ معکوس را در سراسر سلف القا کند. این ولتاژ معکوس باعث می‌شود که دیود بایاس رو به جلو شود، بنابراین انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی سلف جریان را مجبور می‌کند تا از طریق بار در همان جهت عبور کند و از طریق دیود به عقب بازگردد.

سپس سلف L1 انرژی ذخیره شده خود را به بار باز می‌گرداند که مانند یک منبع عمل می‌کند و جریان را تامین می‌کند تا زمانی که تمام انرژی سلف به مدار بازگردد یا تا زمانی که کلید ترانزیستور دوباره بسته شود، هر کدام که زودتر اتفاق بیفتد. در همان زمان خازن نیز جریان تامین کننده بار را تخلیه می‌کند. ترکیب سلف و خازن یک فیلتر LC را تشکیل می‌دهد که هر موجی را که در اثر سوئیچینگ ترانزیستور ایجاد می‌شود صاف می‌کند.

بنابراین، هنگامی که کلید حالت جامد ترانزیستور بسته است، جریان از منبع تغذیه تامین می‌شود و زمانی که کلید ترانزیستور باز است، جریان توسط سلف تامین می‌شود. توجه داشته باشید که جریان عبوری از سلف همیشه در یک جهت است، یا مستقیماً از منبع تغذیه یا از طریق دیود، اما واضح است که در زمان‌های مختلف در سیکل سوئیچینگ.

از آنجایی که سوئیچ ترانزیستور به طور مداوم بسته و باز می‌شود، بنابراین مقدار متوسط ولتاژ خروجی به چرخه وظیفه مربوط می‌شود، D که به عنوان زمان هدایت سوئیچ ترانزیستور در طول یک سیکل سوئیچینگ کامل تعریف می‌شود.

اگر Vin ولتاژ تغذیه باشد و زمان‌های «ON» و «OFF» برای سوئیچ ترانزیستور به صورت زیر تعریف می‌شوند: ton و toff، ولتاژ خروجی Vout به صورت زیر داده می‌شود:

چرخه وظیفه مبدل Buck Switching :

چرخه وظیفه مبدل Buck Switching نیز می‌تواند به صورت زیر تعریف شود:

بنابراین هر چه چرخه کار بزرگ‌تر باشد، متوسط ولتاژ خروجی DC از منبع تغذیه حالت سوئیچ بالاتر است. از این قسمت می‌توان دید که ولتاژ خروجی همیشه کمتر از ولتاژ ورودی خواهد بود، زیرا D هرگز نمی‌تواند به یک (واحد) برسد و در نتیجه یک تنظیم‌کننده ولتاژ کاهش یابد.

تنظیم ولتاژ با تغییر چرخه کار به دست می‌آید و با سرعت سوئیچینگ بالا تا 200 کیلوهرتز، می‌توان از قطعات کوچک‌تر استفاده کرد و در نتیجه اندازه و وزن منبع تغذیه حالت سوئیچ را تا حد زیادی کاهش داد.

مزیت دیگر مبدل Buck Switching این است که آرایش سلف-خازن (LC) فیلتر بسیار خوبی جریان سلف را فراهم می‌کند. در حالت ایده آل، مبدل باک باید در حالت سوئیچینگ پیوسته کار کند تا جریان سلف هرگز به صفر نرسد. با اجزای ایده آل، یعنی افت ولتاژ صفر و تلفات سوئیچینگ در حالت روشن مبدل باک ایده آل می‌تواند تا 100 درصد راندمان بالایی داشته باشد.

علاوه بر رگولاتور Buck Switching پایین برای طراحی اولیه منبع تغذیه حالت سوئیچ، عملکرد دیگری از رگولاتور سوئیچینگ اساسی وجود دارد که به عنوان یک تنظیم کننده ولتاژ افزایش دهنده به نام مبدل تقویت کننده عمل می‌کند.

نتیجه گیری:

در نتیجه، Buck Switching از یک عنصر سوئیچینگ و یک سلف برای تبدیل ولتاژ DC بالاتر به ولتاژ DC کمتر استفاده می‌کند. عنصر سوئیچینگ جریان را از طریق سلف کنترل می‌کند و سلف انرژی را ذخیره می‌کند. ولتاژ خروجی با تنظیم چرخه وظیفه عنصر سوئیچینگ تنظیم می‌شود که توسط یک حلقه فیدبک برای حفظ ولتاژ خروجی ثابت کنترل می‌شود.