Tại sao bộ chuyển mạch hiệu quả hơn bộ điều chỉnh tuyến tính?

Nó cũng được biết rằng bộ điều chỉnh chuyển đổi là hiệu quả hơn sau đó bộ điều chỉnh tuyến tính. Tôi cũng biết rằng bộ điều chỉnh tuyến tính phải làm tiêu tan sự khác biệt giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra nhân với dòng điện dưới dạng nhiệt.

Nhưng tại sao điều này không áp dụng cho các bộ điều chỉnh chuyển mạch có cùng điều kiện: cùng điện áp đầu vào và điện áp đầu ra và dòng điện?

Tôi biết công tắc có thể bị nóng; Tôi có một cái trên một cái bảng nóng đến mức bạn gần như không thể chạm vào nó, nhưng một lần nữa, nó chỉ có 2 1/2 mm mỗi bên và trông giống như một con kiến ​​so với lỗ 7805 thông qua lỗ tản nhiệt của nó.

Bộ điều chỉnh tuyến tính hoạt động bằng cách đặt hiệu quả một điện trở biến được điều khiển giữa nguồn và tải. Tất cả dòng điện cho tải chảy qua phần tử điện trở này. Và điện áp trên nó bằng với sự khác biệt giữa điện áp nguồn và điện áp tải. Vì vậy, sức mạnh tiêu tan là

$P_{lin} = I_{load}\times{}(V_{src}-V_{load})$

Bộ điều chỉnh chuyển mạch hoạt động bằng cách thay đổi chu kỳ nhiệm vụ của dòng chảy qua chu kỳ chuyển mạch, sau đó lấy trung bình đầu ra bằng bộ lọc. Trong một phần của chu kỳ, dòng điện cao chạy với điện áp thấp. Trong phần còn lại của chu kỳ hầu như không có dòng điện nào bị sụt điện áp cao. Cả hai điều kiện này đều không tiêu tan nhiều năng lượng như nhiệt. Lý tưởng nhất là mất điện

$P_{sw}= \mathrm{DC}(I_{on})(0\ \mathrm{V}) + (1-\mathrm{DC})(0\ \mathrm{A})(V_{off})$

tất nhiên, đó là 0 W. Thông thường, phần lớn sự kém hiệu quả trong thế giới thực là do mất điện trong thời gian chuyển đổi rất ngắn giữa các phần "bật" và "tắt" của chu kỳ.

Thông thường các bộ điều chỉnh chuyển mạch là hiệu quả hơn, nhưng không phải luôn luôn.

$V_{IN} - V_{OUT}$$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$, như bạn nói. Đó là trường hợp lý tưởng, trong thực tế, bộ điều chỉnh cần một chút dòng điện để hoạt động, và có thể có một thành phần phụ thuộc vào dòng điện đầu ra. Một số bộ điều chỉnh tuyến tính LDO phụ thuộc vào các phần tử vượt qua PNP bên có thể có mức tiêu thụ rất cao gần với mức giảm - có lẽ 100mA bị lãng phí cho dòng điện đầu ra 1A (vì các bóng bán dẫn PNP được tạo ra với một số quy trình IC có xu hướng có mức tăng dòng khá tệ).

Một bộ điều chỉnh chuyển đổi lý tưởng (buck) trông như thế này:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Trong đó công tắc là một bóng bán dẫn và D1 có thể là một diode hoặc nó có thể là một bóng bán dẫn khác. Trong trường hợp lý tưởng, không có cơ chế mất năng lượng . Các diode hoặc khối hoàn hảo hoặc dẫn hoàn hảo, công tắc làm như vậy, cuộn cảm không có điện trở DC và tụ điện không có ESR. Vì vậy, sức mạnh tương đương với sức mạnh ra. Tất nhiên thực tế chỉ có thể tiếp cận lý tưởng đó. Sẽ có những tổn thất là 'phí tổn' và tổn thất tăng theo mức tăng hiện tại.

Lưu ý rằng cuộn cảm là một phần quan trọng của mạch này - nếu bạn cố gắng bỏ qua nó, điện áp bất động (trong ngắn hạn) trên C1 sẽ đi lên so với điện áp bất động trên Vin và dòng điện sẽ trở nên vô hạn. Trong một mạch thực, SW1 sẽ có một số điện trở và nó sẽ nóng như bóng bán dẫn trong bộ điều chỉnh tuyến tính (ngoại trừ nó cũng sẽ tạo ra hàng tấn EMI).

Nó cũng được biết rằng bộ điều chỉnh chuyển đổi là hiệu quả hơn sau đó bộ điều chỉnh tuyến tính.

Đến một điểm. Đặt 3,5V vào bộ điều chỉnh tuyến tính LDO 3.3V cho hiệu suất 94%. Bạn sẽ khó có thể tìm thấy một bộ điều chỉnh chuyển đổi có thể làm điều đó.

Tôi cũng biết rằng bộ điều chỉnh tuyến tính phải tiêu tan sự khác nhau giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra nhân với dòng điện dưới dạng nhiệt.

Có, nhưng các bộ điều chỉnh tuyến tính phải rút ra nhiều hơn hoặc một chút dòng điện cho một dòng đầu ra nhất định, trong khi các bộ điều chỉnh chuyển đổi làm giảm điện áp đầu ra để giảm dòng điện đầu vào, và do đó thường sử dụng ít năng lượng hơn so với tổng bộ điều chỉnh tuyến tính được cấu hình tương tự.

Công tắc lý tưởng không tiêu tan bất kỳ quyền lực. Họ lấy một chút năng lượng từ phía đầu vào, lưu trữ và sau đó giải phóng nó ở phía đầu ra.

Năng lượng được lưu trữ trong một từ trường bên trong một cuộn cảm hoặc một điện trường trong một tụ điện.

Do tính không lý tưởng của các thành phần thực, như ESR trong cuộn cảm, chúng tiêu tan một chút sức mạnh. Họ cũng mất một số năng lượng trong quá trình chuyển đổi bóng bán dẫn. Một số năng lượng cũng bị mất trong bộ điều khiển.

Nhưng tại sao điều này không áp dụng cho việc chuyển đổi bộ điều chỉnh với cùng điều kiện

Đối với bộ điều chỉnh tuyến tính nối tiếp, nguồn cung cấp năng lượng 100% thời gian và một phần năng lượng này phải bị lãng phí vì (1) điện áp nguồn (cường độ) lớn hơn tải và (2) dòng điện nguồn phải lớn hơn một chút dòng tải.

Tuy nhiên, đối với bộ điều chỉnh chuyển mạch, nguồn chỉ cung cấp năng lượng trong một số phần của giai đoạn chuyển mạch. Trong thời gian này, một phần năng lượng được cung cấp bởi nguồn được cung cấp cho tải và phần còn lại được cung cấp cho các phần tử mạch lưu trữ năng lượng - rất ít bị lãng phí.

Sau đó, trong thời gian tắt, các phần tử mạch lưu trữ năng lượng cung cấp năng lượng cho tải.

Đây là sự khác biệt quan trọng - chỉ có đủ năng lượng được rút ra từ nguồn trong thời gian bật để cung cấp năng lượng liên tục.

Ví dụ: nếu tải yêu cầu 5W liên tục, nguồn có thể cung cấp 10W 50% thời gian và 0W 50% còn lại cho công suất trung bình là 5W. Các phần tử mạch lưu trữ năng lượng 'làm mịn' dòng năng lượng - hấp thụ năng lượng dư thừa trong thời gian và sau đó cung cấp năng lượng trong thời gian tắt.

Một bộ điều chỉnh chuyển mạch buck-boost lý tưởng có thể được mô hình như một cặp nắp được kết nối trực tiếp với đầu vào và đầu ra, một cuộn dây và một số mạch định tuyến có thể chuyển đổi giữa ba cấu hình (một mạch chỉ Buck, chỉ tăng hoặc đảo ngược sẽ chỉ cần hai).

1. Đầu vào kết nối với đầu ra thông qua cuộn dây
2. Các cuộn dây được kết nối trực tiếp trên đầu vào
3. Các cuộn dây được kết nối trực tiếp trên đầu ra

Giả sử các thành phần hoạt động theo kiểu lý tưởng (không có tổn thất điện trở hoặc chuyển mạch, v.v.), các nắp nguồn nằm ở 10V, đầu ra rút ra 1A, bộ chuyển đổi dành một nửa thời gian trong cấu hình đầu tiên, một nửa thứ ba và quay vòng đủ nhanh để điện áp nắp và dòng điện cuộn không có cơ hội thay đổi nhiều trong mỗi chu kỳ.

Ở trạng thái "ổn định", tuân theo các điều kiện trên, cuộn dây sẽ có một amp chảy qua nó mọi lúc (vì nó sẽ luôn ở trong chuỗi với bản vẽ tải 1 amp). Nếu nắp đầu ra ở mức 5 volt, thì một nửa thời gian cuộn dây sẽ có + 5V trên nó và một nửa thời gian nó sẽ có -5V, vì vậy trung bình dòng điện của nó sẽ duy trì ở mức 1 amp. Một nửa thời gian nắp nguồn sẽ có một amp được lấy ra khỏi nó (khi nó được kết nối với cuộn dây) và một nửa thời gian nó sẽ không có, vì vậy nguồn sẽ thấy một nửa amp rút ra hiện tại.

Cách đơn giản nhất để xem làm thế nào một bộ chuyển đổi có thể lấy dòng điện từ nguồn ít hơn so với tải được lấy từ nó là nhìn vào nơi các electron đang chảy: một nửa số electron đi qua tải sẽ đến từ nguồn, và một nửa sẽ là chuyển sang bỏ qua nguồn. Do đó, tải sẽ có dòng điện chạy qua nó gấp đôi so với nguồn.

Để khoan tất cả mọi người với sự tương tự nước chảy cũ tốt Tôi sẽ thêm này: giả sử chúng ta có ba cấp độ chiều cao H ₁ , H _½ , H ₀ ; một nguồn cung cấp nước đến từ H ₁ , sau đó chảy ở H _½ một chút đến đích của nó, một nhà máy hoặc một cái gì đó, và sau đó quay trở lại H ₀ . Cơ quan chức năng là sự chuyển đổi từ H ₁ đến H _½ .

• Một bộ điều chỉnh tuyến tính là một thác nước: các electron chỉ sấm sét giáng xuống và giải phóng tiềm năng của chúng dưới dạng năng lượng nhiệt ra môi trường. Các hiện hành về H _½ sẽ được giống như trên H ₁ .

• Một công tắc không chỉ để nước chảy xuống, mà hạ thấp nó một cách kiểm soát từng phần trong xô. Mỗi xô đi xuống từ H ₁ cần một đối trọng, điều tự nhiên cần sử dụng là một xô nước khác , từ H ₀ !