Pourquoi les régulateurs à découpage abaisseur (abaisseur) nécessitent-ils une inductance et une diode?

Donc, je comprends, au moins à un niveau de base, la méthode de fonctionnement des convertisseurs de commutation, à la fois buck et boost. Ce qui m'intrigue cependant, c'est pourquoi les convertisseurs buck en particulier ne sont pas plus simples.

Pourquoi ne pas construire un convertisseur abaisseur comme un interrupteur qui charge un condensateur, l'interrupteur étant contrôlé par un comparateur comparant la tension de sortie à une référence? Cela ne serait-il pas beaucoup plus simple, vous permettrait d'utiliser un condensateur disponible plus facilement et à moindre coût à la place de l'inductance, et de sauter complètement la diode?

Les convertisseurs Buck sont aussi simples que les convertisseurs boost. En fait, ce sont exactement le même circuit, juste vu à l'envers, si nous avons la liberté de choisir quel interrupteur (sur les deux) fonctionnera comme interrupteur commandé (ou les deux, s'il s'agit d'un convertisseur synchrone).

Concernant votre deuxième paragraphe, si vous le faisiez, vous subiriez des pertes. Plus qu'avec un régulateur commuté à inductance, et bien plus qu'avec un régulateur linéaire. Chaque fois que vous connectez une source de tension à un condensateur dont la tension initiale n'est pas la même que celle de la source de tension, vous gaspillez inévitablement de l'énergie. Même si vous ne voyez pas de résistance explicite, dans la vraie vie, elle est là, et (curieusement), quelle que soit sa taille, elle gaspillera la même quantité d'énergie. Voyez ici .

Les pompes de charge fonctionnent comme vous le dites, mais elles sont moins efficaces que les régulateurs commutés à inductance.

C'est donc la justification de la complexité supplémentaire - apparemment inutile - des régulateurs commutés à inductance.

Plus : Pour essayer de vous donner l'intuition de la raison pour laquelle les convertisseurs buck et boost existent, voir cette figure.

Si vous essayez de déplacer l'énergie entre deux sources de tension qui ne se ressemblent pas, ou entre deux sources de courant qui ne se ressemblent pas, vous aurez des pertes inévitables. D'un autre côté, vous pouvez déplacer de l'énergie (et même faire une mise à l'échelle de tension ou de courant en cours de route) sans aucune perte, si vous connectez une source de tension à une source de courant. L'élément physique passif qui ressemble le plus à une source de courant est un inducteur. C'est pourquoi il existe des régulateurs commutés à inductance.

Les pompes de charge seraient sur la colonne de gauche. Leur efficacité maximale théorique est inférieure à 100% (l'efficacité réelle dépend de la différence de tensions et des capacités). Les régulateurs commutés à inductance sont sur la colonne de droite. Leur efficacité maximale théorique est de 100% (!).

Le problème avec ce que vous décrivez est actuel. Dans un convertisseur abaisseur, vous pouvez obtenir une sortie moyenne de 10 A avec seulement 5 A d'entrée, car les autres 5 A atteignent la sortie via la diode. Et la diode n'est polarisée vers l'avant qu'en raison du coup de pied inductif. Sans l'inductance et la diode, il n'y a qu'un seul chemin pour que le courant circule vers la sortie, et c'est tout droit sorti de l'entrée. Avec cette topologie, si votre courant de sortie moyen est de 10A, votre courant d'entrée moyen doit également être de 10A. Et si vous perdez la tension d'entrée à la sortie, alors que le courant reste le même, l'énergie perdue est dissipée sous forme de chaleur. Cela va à l'encontre de l'utilisation d'un régulateur à découpage au lieu d'un régulateur linéaire en premier lieu.

De plus, si vous prenez deux bouchons à des tensions différentes et fermez simplement un interrupteur entre eux, le courant instantané va être très, très important. Modélisez chaque capuchon comme une source Thevenin, une alimentation en tension parfaite avec une résistance en série. La résistance du chemin entre les deux sources parfaites sera la résistance à l'état passant du dispositif de commutation, plus l'ESR des deux bouchons. L'ESR des bouchons va probablement être de l'ordre de 1 mOhm, sinon beaucoup moins. La résistance à l'état passant d'un transistor peut varier, mais ne dépasse probablement pas 100 mOhm. Donc, si vous avez une différence de 10 V entre l'entrée et la sortie, votre courant d'entrée / interrupteur instantané à la mise sous tension de l'interrupteur sera d'au moins 100 A, et peut-être aussi élevé que des milliers d'ampères.

Bien sûr, vous n'aurez que ces pointes de temps en temps, en fonction de la charge de sortie et de l'étanchéité de votre boucle de comparaison. Le reste du temps, votre courant d'entrée / de commutation est nul. Donc, vous tirez peut-être 1A en moyenne, mais ce que l'entrée voit est des pointes de 1000A à un rapport cyclique de 0,1%. De grandes pointes de courant régulières comme celle-ci vont rendre la fusion appropriée un problème; le courant RMS de ce type d'onde finit par être quelque chose comme 18 fois le courant moyen! Ils nécessitent également un interrupteur plus robuste, qui ne saturera pas avec des courants instantanés aussi élevés. Sans parler du bruit électromagnétique que cet arrangement repousserait!

Mieux vaut laisser le transistor en mode analogique et juste ajuster sa tension de grille afin que la résistance drain-source maintienne le capuchon de sortie à la tension souhaitée. Et là, vous avez un régulateur linéaire.

Nick - Je laisserai largement la discussion sur le convertisseur d'inductance à d'autres et j'aborderai:

Pourquoi ne pas construire un convertisseur abaisseur comme un interrupteur qui charge un condensateur, l'interrupteur étant contrôlé par un comparateur comparant la tension de sortie à une référence? Cela ne serait-il pas beaucoup plus simple, vous permettrait d'utiliser un condensateur disponible plus facilement et à moindre coût à la place de l'inductance, et de sauter complètement la diode?

En utilisant des méthodes TRÈS spéciales, il est possible de fabriquer des convertisseurs de condensateurs qui transforment efficacement l'énergie d'un niveau de tension à un autre. MAIS les méthodes simplistes échouent gravement. Un convertisseur de condensateur à un étage qui divise par deux la tension en déchargeant la charge d'un condensateur dans un autre de capacité égale a une efficacité théorique de 50% et une efficacité pratique non supérieure à la théorique et probablement inférieure. Cela est dû à la simple application des «lois de la physique». La triste réalité est que les exigences pour atteindre une bonne efficacité sont beaucoup plus facilement satisfaites avec un convertisseur à base d'inductance qu'avec un convertisseur à condensateur.

Essayez cette expérience de pensée simple.
Prenez deux condensateurs C1 et C2 de capacité égale.
Chargez C1 pour dire 10V.
Une formule de base reliant la charge et la capacité est V = kQ / C
où V est la tension du condensateur, k est une constante, Q est la charge et C = la capacité. Connectez maintenant C2 à C1.
La charge en C1 sera désormais partagée également entre C1 et C2.
Ainsi, la tension sur chaque condensateur est de 5 V - soit parce que la charge sur chacun est à moitié d'origine ou parce que la capacité a doublé - 2 façons de voir la même chose.

Jusqu'ici tout va bien.

MAIS l'énergie dans un condensateur est de 0,5 x C x V ^ 2.

Initialement au-dessus de E = 0,5 x C x 10 ^ 2 = unités d'énergie 50C.
Après avoir combiné l'énergie des deux condensateurs par cap = 0,5 x C x 5 ^ 2 ou pour deux caps
énergie = 2 x 0,5 x C x 5 ^ 2 = 25C ​​Unités d'énergie.
Oh cher ! :-(.
Simplement en combinant les deux condensateurs et en leur faisant partager la charge, nous avons diminué l'énergie présente!
La moitié de l'énergie a été perdue dans le processus!
Ce fait apparemment bizarre et inexplicable est dû aux pertes d'énergie résistives pendant le transfert. MEILLEUR, nous perdons la moitié de l'énergie si la tension est divisée par deux de cette manière. un ohm. Dans ce dernier cas, nous obtenons des courants extrêmement élevés.

Une solution "évidente" consiste à "placer les condensateurs les uns sur les autres" pour les charger et à les placer en parallèle pour les décharger. Cela marche! Pour un cycle. Efficacité théorique = 100%. Faire cela dans la pratique dans ce cas prend au moins 2 commutateurs de commutation avec complexité et pertes et cela ne fonctionne que pour un rapport de 2: 1. Pire, si nous réduisons la tension du capuchon avec la charge, elle doit donc être rechargée pour le cycle suivant, nous constatons que la recharge a les mêmes pertes résistives qu'auparavant. Nous n'obtenons une efficacité théorique de 100% que si nous ne tirons aucune alimentation :-(.
Une solution consiste en quelque sorte à ce que la tension du condensateur ne chute que très peu et ne se recharge que légèrement. Si nous le faisons, l'efficacité peut être proche de 100% MAIS nous avons besoin de grands plafonds par courant de charge (car la majeure partie de la capacité est utilisée pour maintenir la tension stable) et nous n'avons toujours qu'un taux de conversion de 2: 1. D'autres rapports peuvent être atteints, mais ils sont ennuyeux, complexes et coûteux et présentent peu ou pas d'avantages par rapport à l'utilisation d'inducteurs dans la plupart des cas. Certains convertisseurs très spécialisés fonctionnent de cette façon mais ils sont rares. Et vous pouvez acheter des circuits intégrés de convertisseur à la hausse ou à la baisse avec quelques rapports fixes tels que 2: 1, 3: 1, 4: 1, mais ils sont généralement de faible puissance, Vout s'affaisse avec une charge (Zout supérieur à ce qui est agréable) et ils sont généralement inférieurs à bien des égards à un convertisseur basé sur une inductance.

C'est pourquoi vous voyez généralement un joli convertisseur abaisseur simple et bon marché utilisé pour l'abaissement de la tension. Le convertisseur réel utilise 1 x L, 1 x D, 1 x interrupteur (MOSFET ou autre) et le reste est de la "colle" ou des améliorations. Le contrôleur peut également être très simple.

Il serait impossible de maintenir la tension du condensateur constante. Chaque fois que vous fermez l'interrupteur, vous déchargez une tension (quelle tension?) Dessus, et la tension augmente en raison d'une pointe de courant élevée. Le condensateur ne l'aimerait pas non plus. Et vous perdrez beaucoup d'énergie lors de la commutation.

Dans un commutateur, la bobine fait que le courant de charge du condensateur augmente en douceur et qu'en moyenne, il suit le courant de charge. La diode est nécessaire lorsque le commutateur s'ouvre. À ce moment, la bobine a accumulé un champ magnétique dont l'énergie doit aller quelque part. La diode ferme la boucle qui permet au courant de la bobine de continuer à circuler.

Grâce à des dispositifs de commutation plus avancés, les convertisseurs abaisseur sont beaucoup plus simples à construire de nos jours que ne le suggère leur théorie de fonctionnement. Et ils peuvent atteindre une efficacité allant jusqu'à 95%, ce qui ne suffit jamais d'allumer et d'éteindre un condensateur.

Le moyen le plus simple de comprendre le besoin de la diode est de penser au nombre de fois où les électrons peuvent traverser la charge pour chaque fois qu'ils traversent l'alimentation. S'il n'y a pas de diode, chaque électron qui traverse la charge doit repasser par l'alimentation avant de pouvoir revoir la charge. L'ajout de la diode permet à certains électrons de visiter la charge, de passer par la diode et de visiter à nouveau la charge sans avoir à repasser par l'alimentation. La bobine est nécessaire car sans elle, les électrons qui traversent la charge et atteignent la diode n'auront pas assez d'énergie pour traverser la diode et visiter à nouveau la charge. La bobine absorbe l'énergie excédentaire des électrons qui viennent frais de l'alimentation, puis la transmet aux électrons recirculés.

Vous pouvez réduire une tension continue avec un rapport de résistance, un en série, Rs et la résistance, RL et la charge en shunt au commun, mais vous savez que ce n'est pas efficace avec une perte de puissance = V * I dans la série Rs.

Vous pouvez démissionner avec un rapport de résistance commuté (comme vous l'avez suggéré), puis la résistance série est fonction du rapport cyclique et commute la résistance série efficace (ESR),

d'où Rs = ESR / T {où T est le temps ON / le temps de cycle pour T = 0 à 1}

Maintenant, votre charge a besoin d'une capacité pour stabiliser la tension et peut-être d'un zener actif et il y aura toujours une perte dans la résistance série. Considérons un rapport de 10: 1, alors le courant est 10 fois plus élevé, mais au 1 / 10e du temps, donc P = V * I * T, la perte de puissance est la même qu'un régulateur linéaire. Ça a du sens?

L'inductance fournit le courant constant tout en diminuant la tension. Étant donné que le courant est largement réactif et déphasé pour le signal alternatif à commutation d'horloge en tant que dispositif abaisseur, il est beaucoup plus efficace. Ça a du sens? En rendant l'impédance réactive bien inférieure à la charge, vous pouvez devenir encore plus efficace. Cela signifie augmenter la vitesse de commutation et la valeur d'inductance. Mais la saturation en ferrite atteint une limite de courant pratique et il est essentiel de choisir de la ferrite à intervalle d' air pour des courants beaucoup plus importants.