Warum benötigen Abwärtsschaltregler eine Induktivität und eine Diode?

Ich verstehe also zumindest im Grunde die Funktionsweise von Schaltwandlern, sowohl Buck als auch Boost. Was mich jedoch verwundert, ist, warum Buck-Konverter im Besonderen nicht einfacher sind.

Warum nicht einen Tiefsetzsteller als Schalter bauen, der einen Kondensator lädt, wobei der Schalter von einem Komparator gesteuert wird, der die Ausgangsspannung mit einer Referenz vergleicht? Wäre das nicht viel einfacher, wenn Sie anstelle der Induktivität einen einfacheren und kostengünstigeren Kondensator verwenden und die Diode ganz auslassen könnten?

Buck-Wandler sind so einfach wie Boost-Wandler. Tatsächlich sind sie genau die gleiche Schaltung, nur in umgekehrter Richtung gesehen, wenn wir die Freiheit haben zu wählen, welcher Schalter (von den beiden) als gesteuerter Schalter funktioniert (oder beide, wenn es sich um einen Synchronwandler handelt).

Wenn Sie dies in Bezug auf Ihren zweiten Absatz tun würden, würden Sie Verluste erleiden. Mehr als bei einem induktiv geschalteten Regler und viel mehr als bei einem linearen Regler. Jedes Mal, wenn Sie eine Spannungsquelle an einen Kondensator anschließen, dessen Anfangsspannung nicht der Spannung der Spannungsquelle entspricht, wird unvermeidlich Energie verschwendet. Selbst wenn Sie keinen expliziten Widerstand sehen, ist dieser im wirklichen Leben vorhanden, und (seltsamerweise) egal wie klein er ist, wird er dieselbe Energiemenge verschwenden. Sehen Sie hier .

Ladungspumpen funktionieren wie Sie sagen, sind jedoch weniger effizient als geschaltete Regler auf Induktorbasis.

Das ist die Rechtfertigung für die - anscheinend unnötige - zusätzliche Komplexität von Schaltreglern auf Induktorbasis.

Weitere Informationen : In dieser Abbildung sehen Sie, warum es Abwärts- und Aufwärtswandler gibt.

Wenn Sie versuchen, Energie zwischen zwei Spannungsquellen zu verschieben, die sich nicht gleichen, oder zwischen zwei Stromquellen, die sich nicht gleichen, treten unvermeidbare Verluste auf. Auf der anderen Seite können Sie Energie (und sogar dabei einige Spannungs- oder Stromskalierung auf dem Weg) , ohne bewegen jeden Verlust, wenn Sie eine Spannungsquelle mit einer Stromquelle verbinden. Das passive physikalische Element, das einer Stromquelle am meisten ähnelt, ist eine Induktivität. Aus diesem Grund gibt es geschaltete Regler auf Induktorbasis.

Ladungspumpen befinden sich in der linken Spalte. Ihr theoretischer maximaler Wirkungsgrad liegt unter 100% (der tatsächliche Wirkungsgrad hängt von der Spannungsdifferenz und den Kapazitäten ab). Schaltregler auf Induktorbasis befinden sich in der rechten Spalte. Ihr theoretischer maximaler Wirkungsgrad beträgt 100% (!).

Das Problem mit dem, was Sie beschreiben, ist aktuell. In einem Abwärtswandler können Sie mit nur 5 A einen durchschnittlichen Ausgang von 10 A erzielen, da die anderen 5 A den Ausgang über die Diode erreichen. Und die Diode ist nur wegen des induktiven Kicks vorgespannt. Ohne die Induktivität und die Diode kann nur ein Stromweg zum Ausgang fließen, und zwar direkt vom Eingang. Wenn in dieser Topologie der durchschnittliche Ausgangsstrom 10 A beträgt, muss auch der durchschnittliche Eingangsstrom 10 A betragen. Und wenn Sie Spannung von Eingang zu Ausgang verlieren, während der Strom gleich bleibt, wird die verlorene Energie als Wärme abgeführt. Dies macht den Zweck zunichte, einen Schaltregler anstelle eines Linearreglers zu verwenden.

Wenn Sie zwei Kappen mit unterschiedlichen Spannungen nehmen und einfach einen Schalter zwischen ihnen schließen, wird der Momentanstrom sehr, sehr groß. Modellieren Sie jede Kappe als Thevenin-Quelle, eine perfekte Spannungsversorgung mit einem Widerstand in Reihe. Der Widerstand des Pfads zwischen den beiden perfekten Quellen ist der Einschaltwiderstand des Schaltgeräts zuzüglich des ESR beider Kappen. Der ESR der Kappen wird wahrscheinlich in der Größenordnung von 1 mOhm liegen, wenn nicht viel weniger. Der Einschaltwiderstand eines Transistors kann variieren, beträgt jedoch wahrscheinlich nicht mehr als 100 mOhm. Wenn Sie also eine 10-V-Differenz zwischen Eingang und Ausgang haben, beträgt Ihr momentaner Eingangs- / Schaltstrom beim Einschalten des Schalters mindestens 100 A und möglicherweise bis zu Tausenden von Ampere.

Natürlich werden Sie diese Spitzen nur ab und zu haben, abhängig von der Ausgangslast und der Enge Ihrer Vergleichsschleife. In der restlichen Zeit ist Ihr Eingangs- / Schaltstrom Null. Sie könnten also einen Durchschnitt von 1A ziehen, aber der Eingang sieht 1000A-Spitzen bei einem Tastverhältnis von 0,1%. Regelmäßige große Stromspitzen wie diese machen das ordnungsgemäße Verschmelzen zu einem Problem. Der Effektivstrom dieser Art von Welle ist ungefähr das 18-fache des Durchschnittsstroms! Sie benötigen auch einen kräftigeren Schalter, der bei so hohen Momentanströmen nicht gesättigt ist. Ganz zu schweigen von dem elektromagnetischen Rauschen, das diese Anordnung verursachen würde!

Es ist besser, den Transistor in einem analogen Modus zu belassen und nur seine Gate-Spannung so einzustellen, dass der Drain-Source-Widerstand die Ausgangskappe auf der gewünschten Spannung hält. Und da haben Sie einen Linearregler.

Nick - Ich überlasse die Diskussion über Induktivitätskonverter größtenteils anderen und werde Folgendes ansprechen:

Warum nicht einen Tiefsetzsteller als Schalter bauen, der einen Kondensator lädt, wobei der Schalter von einem Komparator gesteuert wird, der die Ausgangsspannung mit einer Referenz vergleicht? Wäre das nicht viel einfacher, wenn Sie anstelle der Induktivität einen einfacheren und kostengünstigeren Kondensator verwenden und die Diode ganz auslassen könnten?

Mit SEHR speziellen Methoden ist es möglich, Kondensatorwandler herzustellen, die effizient Energie von einem Spannungspegel in einen anderen umwandeln. ABER simplistische Methoden schlagen fehl. Ein einstufiger Kondensatorwandler, der die Spannung halbiert, indem Ladung von einem Kondensator in einen anderen mit gleicher Kapazität abgeleitet wird, hat einen theoretischen Wirkungsgrad von 50% und einen praktischen von nicht mehr als dem theoretischen und wahrscheinlich weniger. Dies ist auf die einfache Anwendung der physikalischen Gesetze zurückzuführen. Die unglückliche Realität ist, dass die Anforderungen zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades mit einem Induktor-Basis-Wandler weitaus leichter erfüllt werden als mit einem Kondensator-basierten.

Versuchen Sie dieses einfache Gedankenexperiment.
Nehmen Sie zwei Kondensatoren C1 und C2 mit gleicher Kapazität.
Laden Sie C1 auf, um 10 V zu sagen.
Eine Grundformel in Bezug auf Ladung und Kapazität ist V = kQ / C,
wobei V die Kondensatorspannung ist, k eine Konstante ist, Q Ladung ist und C Kapazität ist. Verbinden Sie nun C2 mit C1.
Die Ladung in C1 wird nun zu gleichen Teilen zwischen C1 und C2 aufgeteilt.
Die Spannung an jedem Kondensator beträgt also 5 V - entweder weil die Ladung jeweils zur Hälfte aus dem Original stammt oder weil sich die Kapazität verdoppelt hat - 2 Betrachtungsweisen.

So weit, ist es gut.

ABER die Energie in einem Kondensator beträgt 0,5 x C x V ^ 2.

Anfangs über E = 0,5 x C x 10 ^ 2 = 50C Energieeinheiten.
Nach dem Kombinieren der beiden Kondensatoren ist Energie pro Kappe = 0,5 x C x 5 ^ 2 oder für zwei Kappen
Energie = 2 x 0,5 x C x 5 ^ 2 = 25C ​​Energieeinheiten.
Ach je ! :-(.
Nur durch die Kombination der beiden Kondensatoren und die Aufteilung der Ladung haben wir die vorhandene Energie VERHALTEN! Die
Hälfte der Energie ist dabei verloren gegangen!
Diese äußerst bizarre und unerklärliche Tatsache ist auf Widerstandsenergieverluste während der Übertragung zurückzuführen Am besten wir verlieren die Hälfte der Energie, wenn sich die Spannung auf diese Weise halbiert. Das minimale Ergebnis des Energieverlusts ist das gleiche, ob wir einen großen Widerstandswert für die Energieübertragung oder einen sehr geringen Widerstandswert wie ein Stück Draht verwenden - ein kleiner Bruchteil von ein Ohm. Im letzteren Fall bekommen wir extrem hohe Ströme.

Eine "naheliegende" Lösung besteht darin, "die Kondensatoren übereinander zu stellen", um sie aufzuladen und parallel zu schalten, um sie zu entladen. Das funktioniert! Für einen Zyklus. Theoretischer Wirkungsgrad = 100%. In der Praxis erfordert dies in diesem Fall mindestens 2 x Umschalter mit Komplexität und Verlusten, und es funktioniert nur bei einem Verhältnis von 2: 1. Schlimmer noch, wenn wir die Kappenspannung mit der Last verringern, so dass sie für den nächsten Zyklus wieder aufgeladen werden muss, stellen wir fest, dass die Wiederaufladung dieselben Widerstandsverluste wie zuvor aufweist. Wir erhalten nur dann einen theoretischen Wirkungsgrad von 100%, wenn wir keinen Strom ziehen :-(.
Eine Art Lösung besteht darin, den Spannungsabfall des Kondensators nur sehr gering zu halten und ihn nur geringfügig wieder aufzuladen. Wenn wir dies tun, kann der Wirkungsgrad nahe bei 100% liegen, ABER wir benötigen große Kappen pro Laststrom (da der größte Teil der Kapazität nur dazu verwendet wird, die Spannung konstant zu halten) und wir haben immer noch nur ein Umwandlungsverhältnis von 2: 1. Andere Verhältnisse können erreicht werden, aber es ist ärgerlich, wird komplex und teuer und hat in den meisten Fällen wenige oder keine Vorteile gegenüber der Verwendung von Induktoren. Einige sehr spezialisierte Konverter arbeiten auf diese Weise, aber sie sind selten. Und Sie können Aufwärts- oder Abwärtswandler-ICs mit einigen festen Verhältnissen wie 2: 1, 3: 1, 4: 1 kaufen, aber sie haben normalerweise eine geringe Leistung, Vout sinkt mit der Last (höheres Zout als schön) und sie sind normalerweise schlechter in vielerlei Hinsicht zu einem Wandler auf Induktorbasis.

Aus diesem Grund wird normalerweise ein einfacher, billiger Abwärtswandler für die Spannungsreduzierung verwendet. Der eigentliche Konverter verwendet 1 x L, 1 x D, 1 x Schalter (MOSFET oder was auch immer) und der Rest ist "Kleber" oder Verbesserungen. Die Steuerung kann auch sehr einfach sein.

Es wäre unmöglich, die Spannung des Kondensators konstant zu halten. Jedes Mal, wenn Sie den Schalter schließen, wird eine Spannung (welche Spannung?) Angelegt, die aufgrund einer hohen Stromspitze ansteigt. Der Kondensator würde es auch nicht mögen. Und Sie verlieren viel Energie beim Umschalten.

In einem Umschalter sorgt die Spule dafür, dass der Strom, der den Kondensator auflädt, gleichmäßig ansteigt und im Durchschnitt dem Laststrom folgt. Die Diode wird benötigt, wenn der Schalter öffnet. In diesem Moment hat die Spule ein Magnetfeld aufgebaut, dessen Energie irgendwohin gehen muss. Die Diode schließt die Schleife, damit der Spulenstrom fließen kann.

Dank fortschrittlicherer Schaltgeräte sind Abwärtswandler heutzutage viel einfacher zu bauen, als ihre Betriebstheorie vermuten lässt. Und sie können einen Wirkungsgrad von bis zu 95% erzielen, was nur das Ein- und Ausschalten eines Kondensators nicht kann.

Der einfachste Weg, die Notwendigkeit der Diode zu verstehen, besteht darin, sich zu überlegen, wie oft Elektronen die Last jedes Mal durchlaufen können, wenn sie die Versorgung durchlaufen. Wenn es keine Diode gibt, muss jedes Elektron, das die Last durchläuft, die Versorgung erneut durchlaufen, bevor es die Last erneut besuchen kann. Das Hinzufügen der Diode ermöglicht es einigen Elektronen, die Last zu besuchen, die Diode zu durchlaufen und die Last erneut zu besuchen, ohne die Versorgung erneut durchlaufen zu müssen. Die Spule ist notwendig, weil Elektronen, die durch die Last gehen und die Diode erreichen, nicht genug Energie haben, um durch die Diode zu gehen und die Last erneut zu besuchen. Die Spule absorbiert überschüssige Energie von den Elektronen, die frisch aus der Versorgung kommen, und führt diese dann den zurückgeführten Elektronen zu.

Sie können eine Gleichspannung mit einem Widerstandsverhältnis, einem in Reihe geschalteten, Rs und dem Widerstand, RL und Last in Nebenschluss zu Masse herunterschalten, aber Sie wissen, dass es bei Verlustleistung = V * I in der Reihe Rs nicht effizient ist.

Sie können mit einem geschalteten Widerstandsverhältnis (wie von Ihnen vorgeschlagen) absteigen, und dann ist der Serienwiderstand eine Funktion des Tastverhältnisses und des effektiven Serienwiderstands (ESR) des Schalters.

daher ist Rs = ESR / T {wobei T die EIN-Zeit / Zykluszeit für T = 0 bis 1 ist}

Jetzt benötigt Ihre Last Kapazität, um die Spannung und möglicherweise einen aktiven Zener zu stabilisieren, und der Vorwiderstand geht immer noch verloren. Betrachten Sie ein Verhältnis von 10: 1, dann ist der Strom 10x höher, aber in 1/10 der Zeit, also P = V * I * T, ist der Leistungsverlust der gleiche wie bei einem linearen Regler. Sinn ergeben?

Die Induktivität liefert den Dauerstrom, während die Spannung abgesenkt wird. Da der Strom für das getaktete Wechselstromsignal als Abwärtsvorrichtung weitgehend reaktiv und phasenverschoben ist, ist er viel effizienter. Sinn ergeben? Wenn Sie die Blindimpedanz viel niedriger als die Last einstellen, können Sie sogar noch effizienter werden. Dies bedeutet, dass die Schaltrate und der Induktivitätswert erhöht werden. Die Ferritsättigung erreicht jedoch ein praktisches Stromlimit, und es ist wichtig, für viel größere Ströme Ferrit mit Luftspalt zu verwenden .