Warum sind Umschalter effizienter als Linearregler?

Es ist bekannt, dass Schaltregler effizienter sind als Linearregler. Ich weiß auch, dass der Linearregler die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung mal dem Strom als Wärme abführen muss.

Aber warum gilt dies nicht für Schaltregler mit denselben Bedingungen: gleiche Eingangsspannung und Ausgangsspannung und -strom?

Ich weiß, dass Umschalter heiß werden können. Ich habe eine auf einem Brett, das so heiß wird, dass man es kaum berühren kann, aber andererseits sind es nur 2 1/2 Millimeter auf jeder Seite und sehen aus wie eine Ameise im Vergleich zu einem Durchgangsloch 7805 mit seinem Kühlkörper.

Linearregler arbeiten, indem sie effektiv einen gesteuerten variablen Widerstand zwischen Quelle und Last legen. Der gesamte Strom für die Last fließt durch dieses Widerstandselement. Und die Spannung darüber ist gleich der Differenz zwischen Quellenspannung und Lastspannung. Die Verlustleistung ist also

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

Schaltregler arbeiten, indem sie das Tastverhältnis des Stromflusses über einen Schaltzyklus ändern und dann den Ausgang mithilfe eines Filters mitteln. Während eines Teils des Zyklus fließt ein hoher Strom mit einem geringen Spannungsabfall. Während des anderen Teils des Zyklus fließt fast kein Strom mit einem hohen Spannungsabfall. Keine dieser Bedingungen führt viel Energie als Wärme ab. Im Idealfall wird die verlorene Leistung

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

Dies ist natürlich 0 W. Typischerweise ist ein Großteil der Ineffizienz in der realen Welt auf einen Leistungsverlust während des sehr kurzen Schaltintervalls zwischen den "Ein" - und "Aus" -Teilen des Zyklus zurückzuführen.

Normalerweise sind Schaltregler effizienter, aber nicht immer.

Ein idealer Linearregler hat einen Spannungsabfall und es gibt ein lineares Durchlasselement wie einen Transistor, der wie ein Widerstand wirkt, so dass der Leistungsverlust im Idealfall P = I ⋅ ( V I N ist - V O U $V_{IN} - V_{OUT}$$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$, wie du sagst. Dies ist der Idealfall. In Wirklichkeit benötigt der Regler etwas Strom, um zu arbeiten, und es kann eine Komponente geben, die vom Ausgangsstrom abhängt. Einige LDO-Linearregler, die von lateralen PNP-Durchgangselementen abhängen, können einen sehr hohen Verbrauch nahe dem Ausfall haben - möglicherweise 100 mA, die für 1 A Ausgangsstrom verschwendet werden (da PNP-Transistoren, die mit einigen IC-Prozessen hergestellt wurden, dazu neigen, eine ziemlich beschissene Stromverstärkung zu haben).

Ein idealer Schaltregler (Buck) sieht folgendermaßen aus:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Wo der Schalter ein Transistor ist und D1 eine Diode oder ein anderer Transistor sein kann. Im Idealfall gibt es keinen Energieverlustmechanismus . Die Diode blockiert entweder perfekt oder leitet perfekt, der Schalter macht dasselbe, der Induktor hat keinen Gleichstromwiderstand und der Kondensator hat keinen ESR. Der Stromverbrauch entspricht also dem Stromausfall. Natürlich kann sich die Realität nur diesem Ideal nähern. Es wird Verluste geben, die "Overhead" sind, und Verluste, die mit zunehmendem Strom zunehmen.

Beachten Sie, dass der Induktor ein kritischer Teil dieser Schaltung ist. Wenn Sie versuchen, ihn wegzulassen, würde die unbewegliche (kurzfristige) Spannung an C1 gegen die unbewegliche Spannung an Vin stoßen und der Strom würde unendlich werden. In einer realen Schaltung hätte SW1 einen gewissen Widerstand und es würde so heiß werden wie der Durchgangstransistor im Linearregler (außer es würde auch Tonnen von EMI erzeugen).

Es ist bekannt, dass Schaltregler effizienter sind als Linearregler.

Bis zu einem Punkt. Das Einbringen von 3,5 V in einen LDO 3,3 V-Linearregler ergibt einen Wirkungsgrad von 94%. Es würde Ihnen schwer fallen, einen Schaltregler zu finden, der das kann.

Ich weiß auch, dass Linearregler den Unterschied zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung mal Strom als Wärme abführen müssen.

Ja, aber Linearregler müssen für einen bestimmten Ausgangsstrom so viel oder etwas mehr Strom ziehen, während Schaltregler den Abfall der Ausgangsspannung gegen eine Abnahme des Eingangsstroms eintauschen und daher normalerweise weniger Strom verbrauchen als ein ähnlich konfigurierter Linearregler insgesamt.

Ideale Umschalter verbrauchen keine Energie. Sie nehmen ein wenig Strom von der Eingangsseite, speichern ihn und geben ihn dann auf der Ausgangsseite frei.

Energie wird entweder in einem Magnetfeld innerhalb eines Induktors oder in einem elektrischen Feld in einem Kondensator gespeichert.

Aufgrund von Nichtidealitäten realer Komponenten wie ESR in Induktivitäten verbrauchen sie etwas Energie. Sie verlieren auch etwas Strom während des Transistorschaltens. In der Steuerung geht auch etwas Energie verloren.

Aber warum gilt das nicht für Schaltregler mit den gleichen Bedingungen?

Bei einem Serienlinearregler liefert die Quelle 100% der Zeit Leistung, und ein Teil dieser Leistung muss verschwendet werden, da (1) die Quellenspannung (Größe) größer als die Last ist und (2) der Quellenstrom etwas größer als sein muss der Laststrom.

Bei einem Schaltregler liefert die Quelle jedoch nur über einen Bruchteil einer Schaltperiode Strom. Während dieser Zeit wird ein Teil der von der Quelle gelieferten Energie an die Last und der Rest an Energiespeicherschaltungselemente geliefert - es wird sehr wenig verschwendet.

Während der Ausschaltzeit liefern die Energiespeicherschaltungselemente dann Strom an die Last.

Dies ist der entscheidende Unterschied: Während der Einschaltzeit wird nur genügend Strom aus der Quelle entnommen, um die Last kontinuierlich mit Strom zu versorgen.

Wenn die Last beispielsweise eine kontinuierliche Leistung von 5 W erfordert, liefert die Quelle in 50% der Fälle 10 W und in einer durchschnittlichen Leistung von 5 W 0 W die restlichen 50% . Die Energiespeicherschaltungselemente „glätten“ den Energiefluss - absorbieren überschüssigen Strom während der Einschaltzeit und liefern ihn dann während der Ausschaltzeit.

Ein idealer Buck-Boost-Schaltregler kann als ein Paar Kappen modelliert werden, die direkt mit dem Eingang und Ausgang verbunden sind, eine Spule und einige Routing-Schaltungen, die zwischen drei Konfigurationen umschalten können (eine Nur-Buck-Boost-, Nur-Boost-Schaltung oder eine invertierende Schaltung würde dies tun) brauche nur zwei).

1. Der Eingang ist über die Spule mit dem Ausgang verbunden
2. Die Spule ist direkt über den Eingang angeschlossen
3. Die Spule ist direkt am Ausgang angeschlossen

Angenommen, die Komponenten verhalten sich ideal (keine Widerstands- oder Schaltverluste usw.). Die Quellenkappen liegen bei 10 V, der Ausgang zieht 1A, der Umschalter verbringt die Hälfte seiner Zeit in der ersten Konfiguration, die Hälfte in der dritten und zykliert schnell genug, dass die Kappenspannungen und Spulenstrom haben keine Chance, sich während jedes Zyklus stark zu ändern.

Im "stationären" Zustand fließt unter den oben genannten Bedingungen ständig ein Ampere durch die Spule (da sie immer in Reihe mit einer Last von 1 Ampere geschaltet ist). Wenn die Ausgangskappe bei fünf Volt liegt, hat die Spule die Hälfte der Zeit + 5 V und die Hälfte der Zeit -5 V, sodass ihr Strom im Durchschnitt bei 1 Ampere bleibt. Die Hälfte der Zeit, in der an der Quellenkappe ein Verstärker entnommen wird (wenn sie an die Spule angeschlossen ist), und die Hälfte der Zeit, in der keine Ampere vorhanden ist, sodass die Quelle einen halben Ampere Stromverbrauch sieht.

Der einfachste Weg, um zu sehen, wie ein Umschalter weniger Strom aus der Quelle ziehen kann als die Last aus ihr, besteht darin, zu untersuchen, wo die Elektronen fließen: Die Hälfte der Elektronen, die durch die Last gehen, kommt von der Quelle und die andere Hälfte geschaltet, um die Quelle zu umgehen. Somit fließt durch die Last doppelt so viel Strom wie durch die Quelle.

Um alle mit der guten alten Wasserfluss-Analogie zu langweilen, füge ich Folgendes hinzu: Nehmen wir an, wir haben drei Höhenstufen H ₁ , H _½ , H ₀ ; Eine Wasserversorgung kommt von H ₁ , fließt dann bei H _½ ein bisschen zu seinem Ziel, einer Mühle oder so, und dann den ganzen Weg zurück zu H ₀ . Der Regler befindet sich am Übergang von H ₁ zu H _½ .

• Ein linearer Regler ist ein Wasserfall: Die Elektronen donnern einfach herab und geben ihr Potenzial als Wärmeenergie an die Umwelt ab. Der Strom an H _½ ist der gleiche wie an H ₁ .

• Ein Umschalter lässt das Wasser nicht nur nach unten fließen, sondern senkt es in Eimern kontrolliert ab. Jeder Eimer, der von H kommt _{1 kommt,} benötigt ein Gegengewicht. Die natürliche Verwendung ist ein weiterer Eimer Wasser von H ₀ !