Tính toán cuộn cảm trong bộ chuyển đổi Buck Boost

Trong bài đăng này, chúng tôi cố gắng hiểu phương pháp đo kích thước hoặc tính toán cuộn cảm trong các mạch chuyển đổi tăng cường buck để đảm bảo hiệu suất tối ưu từ các thiết bị này.

Chúng tôi lấy ví dụ về các loại bộ chuyển đổi tăng cường IC 555 và IC 555 buck, và cố gắng hiểu các kỹ thuật tối ưu hóa thông qua các phương trình và điều chỉnh thủ công, để đạt được phản hồi đầu ra tối ưu nhất từ ​​các thiết kế bộ chuyển đổi này.

Trong một vài bài viết trước đây của tôi, chúng tôi đã nghiên cứu toàn diện về cách hoạt động của bộ chuyển đổi buck và boost của SMPS, đồng thời chúng tôi cũng suy ra một vài công thức cơ bản để đánh giá các thông số quan trọng như điện áp, dòng điện và độ tự cảm trong các mạch chuyển đổi này.

Bạn có thể muốn tóm tắt các chi tiết từ các bài viết sau, trước khi bắt tay vào bài viết hiện tại đề cập đến các phương pháp thiết kế cuộn cảm.

Cách hoạt động của Bộ chuyển đổi Boost

Cách hoạt động của trình chuyển đổi Buck

Phương trình cơ bản Buck Boost

Để tính toán cuộn cảm trong mạch SMPS tăng cường buck, chúng ta có thể suy ra hai công thức kết luận sau cho bộ chuyển đổi buck và cho bộ chuyển đổi tăng tương ứng:

Vo = DVin ---------- Đối với công cụ chuyển đổi Buck

Vo = Vin / (1 - D) ---------- Đối với Bộ chuyển đổi Boost

Ở đây D = Chu kỳ làm việc, là = Thời gian BẬT của bóng bán dẫn / Thời gian BẬT + TẮT của mỗi chu kỳ PWM

Vo = Điện áp đầu ra từ bộ chuyển đổi

Vin = Điện áp cung cấp đầu vào cho bộ chuyển đổi

Từ các công thức suy ra ở trên, chúng ta có thể hiểu rằng 3 thông số cơ bản có thể được sử dụng để xác định kích thước đầu ra trong mạch dựa trên SMPS là:

Các thông số chính được liên kết với bộ chuyển đổi Buck Boost

1) Chu kỳ nhiệm vụ

2) Thời gian BẬT / TẮT bóng bán dẫn

3) Và mức điện áp đầu vào.

Điều này ngụ ý rằng bằng cách điều chỉnh thích hợp bất kỳ một trong các tham số trên, có thể điều chỉnh điện áp đầu ra từ bộ chuyển đổi. Việc điều chỉnh này có thể được thực hiện bằng tay hoặc tự động thông qua một mạch PWM tự điều chỉnh.

Mặc dù các công thức trên giải thích rõ ràng cách tối ưu hóa điện áp đầu ra từ bộ chuyển đổi buck hoặc boost, chúng ta vẫn chưa biết cuộn cảm có thể được xây dựng như thế nào để có được phản ứng tối ưu trong các mạch này.

Bạn có thể tìm thấy nhiều công thức phức tạp và được nghiên cứu để giải quyết vấn đề này, tuy nhiên, không một người mới yêu thích hoặc bất kỳ người đam mê điện tử nào muốn thực sự vật lộn với những công thức phức tạp này cho các giá trị cần thiết, mà thực tế có thể có nhiều khả năng cung cấp kết quả sai do tính phức tạp .

Ý tưởng tốt hơn và hiệu quả hơn là 'tính toán' giá trị cuộn cảm với một thiết lập thử nghiệm và thông qua một số quá trình thử và sai thực tế như được giải thích trong các đoạn sau.

Định cấu hình bộ chuyển đổi Boost bằng IC 555

Thiết kế bộ chuyển đổi tăng cường và buck đơn giản dựa trên IC 555 được trình bày dưới đây có thể được sử dụng để xác định giá trị cuộn cảm tốt nhất có thể cho một mạch chuyển đổi tăng cường SMPS cụ thể.

Cuộn cảm L ban đầu có thể được tạo ra tùy ý.

Các quy tắc ngón tay cái là sử dụng số vòng dây cao hơn một chút so với điện áp cung cấp , do đó, nếu điện áp cung cấp là 12V, số vòng có thể là khoảng 15 vòng.

1. Nó phải được quấn trên lõi ferit thích hợp, có thể là vòng ferit hoặc thanh ferit, hoặc qua cụm lõi EE.
2. Độ dày của dây được xác định bởi yêu cầu amp mà ban đầu sẽ không phải là thông số liên quan, do đó bất kỳ dây đồng tráng men tương đối mỏng nào cũng hoạt động được, có thể vào khoảng 25 SWG.
3. Sau đó, theo thông số kỹ thuật hiện tại của thiết kế dự kiến, nhiều dây hơn có thể được thêm vào song song với cuộn cảm trong khi cuộn dây để làm cho nó tương thích với định mức ampe chỉ định.
4. Đường kính của cuộn cảm sẽ phụ thuộc vào tần số, tần số cao hơn sẽ cho phép đường kính nhỏ hơn và ngược lại. Nói chính xác hơn, độ tự cảm của cuộn cảm trở nên cao hơn khi tần số được tăng lên, do đó thông số này sẽ cần được xác nhận thông qua một thử nghiệm riêng biệt sử dụng cùng một IC 555 được thiết lập.

Sơ đồ mạch Boost Converter

Tối ưu hóa điều khiển chiết áp

Thiết lập ở trên cho thấy một mạch IC 555 PWM cơ bản, được trang bị các chiết áp riêng biệt để cho phép tần số điều chỉnh và đầu ra PWM có thể điều chỉnh tại chốt số 3 của nó.

Chân số 3 có thể được kết nối với cấu hình bộ chuyển đổi tăng tiêu chuẩn sử dụng bóng bán dẫn TIP122, cuộn cảm L, diode BA159 và tụ điện C.

Bóng bán dẫn BC547 được giới thiệu để giới hạn dòng điện qua TIP122 để trong quá trình điều chỉnh khi các nồi đang được tinh chỉnh, TIP122 không bao giờ được phép vượt qua điểm đánh thủng, do đó BC547 bảo vệ TIP122 khỏi dòng điện quá mức và làm cho quy trình an toàn và an toàn cho người dùng.

Điện áp đầu ra hoặc điện áp tăng được theo dõi trên C để có phản ứng tối ưu tối đa trong toàn bộ quá trình thử nghiệm.

Sau đó, bộ chuyển đổi tăng cường IC 555 có thể được tối ưu hóa theo cách thủ công thông qua các bước sau:

• Ban đầu, đặt nồi PWM để tạo ra PWM hẹp nhất có thể ở chân số 3 và tần số được điều chỉnh thành khoảng 20kHz.
• Lấy một đồng hồ vạn năng kỹ thuật số cố định trên dải DC trên 100 V và kết nối các đầu nối qua C với cực thích hợp.
• Tiếp theo, điều chỉnh dần nồi PWM và theo dõi miễn là điện áp trên C tiếp tục tăng. Thời điểm bạn thấy điện áp này giảm xuống, hãy khôi phục điều chỉnh về vị trí trước đó mang lại điện áp cao nhất có thể trên nồi và cố định vị trí nồi / đặt trước này làm điểm tối ưu cho cuộn cảm đã chọn.
• Sau đó, điều chỉnh tần số tương tự để tối ưu hóa hơn nữa mức điện áp trên C và đặt nó để đạt được điểm tần số hiệu quả nhất cho cuộn cảm đã chọn.
• Để xác định chu kỳ làm việc, người ta có thể kiểm tra tỷ lệ điện trở nồi PWM, tỷ lệ này sẽ tỷ lệ thuận với tỷ lệ không gian đánh dấu của chu kỳ nhiệm vụ đầu ra chân # 3.
• Giá trị tần số có thể được học thông qua máy đo tần số hoặc bằng cách sử dụng dải tần trên DMM đã cho nếu nó có cơ sở, điều này có thể được kiểm tra tại chân số 3 của IC.

Các thông số cuộn cảm của bạn hiện đã được xác định và có thể được sử dụng cho bất kỳ bộ chuyển đổi tăng cường nào để có phản ứng tối ưu tốt nhất.

Xác định dòng điện cho cuộn cảm

Thông số hiện tại của cuộn cảm có thể được tăng lên bằng cách sử dụng nhiều dây dẫn song song trong khi cuộn dây, chẳng hạn như bạn có thể sử dụng khoảng 5 số dây 26SWG song song để cung cấp năng lượng cho cuộn cảm xử lý dòng điện 5 ampe. và như thế.

Sơ đồ tiếp theo cho thấy quá trình tối ưu hóa và tính toán cuộn cảm trong SMPS, cho một ứng dụng bộ chuyển đổi buck.

Sơ đồ mạch Buck chuyển đổi

Quy trình tương tự cũng áp dụng cho thiết lập này, như đã được thực hiện với thiết kế bộ chuyển đổi tăng cường được giải thích ở trên.

Có thể thấy giai đoạn đầu ra bây giờ đã được thay đổi với một bộ chuyển đổi buck được thiết lập, các bóng bán dẫn hiện được thay thế bằng loại PNP và vị trí của cuộn cảm, diode được thay đổi phù hợp.

Do đó, bằng cách sử dụng hai phương pháp trên, bất kỳ ai cũng có thể xác định hoặc tính toán cuộn cảm trong mạch tăng cường buck mà không cần sử dụng các công thức phức tạp và khó khả thi.