เหตุใดสวิตช์ถึงจึงมีประสิทธิภาพมากกว่าตัวควบคุมเชิงเส้น

เป็นที่รู้กันดีว่าสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์นั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าและเป็นลิเนียร์เรเตอร์ ฉันยังรู้ว่าตัวควบคุมเชิงเส้นจะต้องกระจายความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตและแรงดันเอาท์พุทคูณด้วยกระแสเป็นความร้อน

แต่ทำไมถึงไม่สามารถใช้กับสวิตชิ่งเรกกูเลเตอร์ที่มีเงื่อนไขเดียวกัน: แรงดันไฟฟ้าอินพุตและแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟขาออกเดียวกัน

ฉันรู้ว่าตัวสลับจะร้อน ฉันมีหนึ่งตัวบนบอร์ดที่ร้อนมากจนคุณแทบจะแตะมันไม่ได้ แต่แล้วอีกครั้งมันก็แค่ 2 1/2 มิลลิเมตรในแต่ละด้านและดูเหมือนมดเมื่อเทียบกับช่องผ่าน 7805 ที่มีแผงระบายความร้อน

ตัวควบคุมเชิงเส้นทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการใส่ตัวต้านทานตัวแปรที่ควบคุมได้ระหว่างแหล่งจ่ายและโหลด กระแสทั้งหมดสำหรับโหลดไหลผ่านองค์ประกอบความต้านทานนี้ และแรงดันไฟฟ้าข้ามมันเท่ากับความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าต้นทางและแรงดันโหลด ดังนั้นพลังงานจึงลดลง

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

ตัวควบคุมการสลับทำงานโดยการเปลี่ยนรอบการทำงานของการไหลของกระแสบนวงจรสวิตชิ่งจากนั้นเฉลี่ยค่าออกโดยใช้ตัวกรอง ระหว่างส่วนหนึ่งของวงจรกระแสไฟฟ้าสูงที่มีแรงดันไฟฟ้าตกต่ำ ในช่วงอื่น ๆ ของวัฏจักรแทบไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลที่มีแรงดันตกคร่อมสูง เงื่อนไขเหล่านี้ไม่สลายพลังงานมากเท่าความร้อน นึกคิดพลังที่สูญเสียไปจะกลายเป็น

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

ซึ่งแน่นอนว่า 0 W โดยทั่วไปแล้วความไร้ประสิทธิภาพในโลกแห่งความเป็นจริงนั้นเกิดจากพลังที่สูญเสียไปในช่วงระยะเวลาสลับสลับระหว่าง "เปิด" และ "ปิด" ของวงจร

โดยปกติแล้วการสลับหน่วยงานกำกับดูแลจะมีประสิทธิภาพมากกว่า แต่ไม่เสมอไป

ตัวควบคุมเชิงเส้นในอุดมคติมีแรงดันตก$V_{IN} - V_{OUT}$และมีองค์ประกอบผ่านเชิงเส้นเช่นทรานซิสเตอร์ที่ทำหน้าที่เหมือนตัวต้านทานดังนั้นการสูญเสียพลังงานในกรณีอุดมคติคือ P =$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$, ตามที่คุณพูด. นั่นคือกรณีที่เหมาะสมที่สุดในความเป็นจริงผู้ควบคุมต้องการกระแสไฟฟ้าเล็กน้อยในการทำงานและอาจมีส่วนประกอบที่ขึ้นอยู่กับกระแสไฟขาออก ตัวควบคุมเชิงเส้น LDO บางตัวที่ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ PNP ด้านข้างสามารถมีการบริโภคสูงมากใกล้กับการตกคร่อม - บางที 100mA สูญเปล่าสำหรับกระแสไฟขาออก 1A (เพราะทรานซิสเตอร์ PNP ที่ทำด้วยกระบวนการ IC บางตัวมีแนวโน้มที่จะ

ตัวควบคุมสวิตช์ (เจ้าชู้) ในอุดมคติมีลักษณะดังนี้:

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ตำแหน่งที่สวิตช์เป็นทรานซิสเตอร์และ D1 อาจเป็นไดโอดหรืออาจเป็นทรานซิสเตอร์อีกตัว ในกรณีที่เหมาะมีไม่มีกลไกการสูญเสียพลังงาน ไดโอดบล็อกอย่างสมบูรณ์หรือดำเนินการอย่างสมบูรณ์สวิตช์ทำเช่นเดียวกันตัวเหนี่ยวนำไม่มีความต้านทานกระแสตรงและตัวเก็บประจุไม่มี ESR ดังนั้นพลังงานในเท่ากับพลังงานออก แน่นอนว่าความเป็นจริงสามารถเข้าใกล้อุดมคตินั้นได้ จะมีการสูญเสียที่เป็น 'ค่าใช้จ่าย' และการสูญเสียที่เพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นในปัจจุบัน

โปรดทราบว่าตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนสำคัญของวงจรนี้ - หากคุณพยายามที่จะละเว้นแรงดันไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ได้ (ในระยะสั้น) ของ C1 จะขึ้นกับแรงดันไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ได้ใน Vin และกระแสจะไม่มีที่สิ้นสุด ในวงจรจริง SW1 จะมีความต้านทานบ้างและมันจะร้อนเหมือนทรานซิสเตอร์พาสในตัวควบคุมเชิงเส้น (ยกเว้นมันจะทำให้ EMI เป็นตัน)

เป็นที่รู้กันดีว่าสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์นั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าและเป็นลิเนียร์เรเตอร์

จนถึงจุดหนึ่ง การใส่ 3.5V ลงใน LDO 3.3V linear regulator ให้ประสิทธิภาพ 94% คุณจะกดยากที่จะหาสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์ที่สามารถทำได้

ฉันรู้ว่าตัวควบคุมเชิงเส้นจะต้องกระจายความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตและแรงดันไฟฟ้าออกคูณด้วยกระแสเป็นความร้อน

ใช่แต่หน่วยงานกำกับดูแลเชิงเส้นจะต้องดึงกระแสไฟฟ้าออกมากหรือน้อยสำหรับกระแสเอาท์พุทที่กำหนดในขณะที่สวิตชิ่งเรกูเลเตอร์จะลดแรงดันเอาท์พุทสำหรับการลดลงของกระแสอินพุตดังนั้นโดยปกติแล้ว

สวิตช์ในอุดมคติไม่กระจายพลังงานใด ๆ พวกเขาใช้พลังงานเล็กน้อยจากด้านอินพุตเก็บไว้แล้วปล่อยมันที่ด้านเอาต์พุต

พลังงานถูกเก็บไว้ในสนามแม่เหล็กภายในตัวเหนี่ยวนำหรือสนามไฟฟ้าในตัวเก็บประจุ

เนื่องจากองค์ประกอบที่ไม่เป็นอุดมคติของจริงเช่น ESR ในตัวเหนี่ยวนำพวกเขากระจายพลังงานเล็กน้อย พวกเขายังสูญเสียพลังงานในระหว่างการสลับทรานซิสเตอร์ พลังงานบางส่วนก็หายไปในตัวควบคุม

แต่ทำไมมันถึงไม่มีผลกับสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์ด้วยสภาพเดียวกัน

สำหรับตัวควบคุมเชิงเส้นแบบอนุกรมแหล่งจ่ายไฟจะให้กำลัง 100% ของเวลาและพลังงานบางส่วนจะต้องถูกทำลายเนื่องจาก (1) แรงดันไฟฟ้าแหล่งที่มา (ขนาด) มีขนาดใหญ่กว่าโหลดและ (2) แหล่งจ่ายกระแสจะต้องมากกว่า โหลดปัจจุบัน

อย่างไรก็ตามสำหรับตัวควบคุมการสลับแหล่งจ่ายพลังงานเพียงบางส่วนของช่วงเวลาการเปลี่ยน ในช่วงเวลานี้กำลังงานบางส่วนที่ถูกส่งมาจากแหล่งจ่ายจะถูกส่งไปยังโหลดและส่วนที่เหลือจะถูกส่งไปยังองค์ประกอบวงจรการจัดเก็บพลังงานซึ่งสิ้นเปลืองน้อยมาก

จากนั้นในช่วงเวลาปิดองค์ประกอบวงจรการจัดเก็บพลังงานส่งพลังงานให้กับโหลด

นี่คือความแตกต่างที่สำคัญ - มีพลังงานมากพอที่ดึงมาจากแหล่งกำเนิดในช่วงเวลาที่กำหนดเพื่อจ่ายพลังงานอย่างต่อเนื่อง

ตัวอย่างเช่นถ้าโหลดต้องการ 5W อย่างต่อเนื่องแหล่งที่มาอาจมอบ 10W 50% ของเวลาและ 0W ที่เหลือ 50% สำหรับพลังงานเฉลี่ย 5W องค์ประกอบวงจรการจัดเก็บพลังงาน 'ราบรื่น' การไหลของพลังงาน - ดูดซับพลังงานส่วนเกินในช่วงเวลาและจากนั้นส่งมันในช่วงเวลาปิด

ตัวควบคุมสวิตช์แบบบูสบูสต์ในอุดมคติอาจจำลองเป็นคู่ของแคปที่เชื่อมต่อโดยตรงกับอินพุทและเอาท์พุทขดลวดและวงจรเส้นทางบางชนิดซึ่งสามารถสลับระหว่างการกำหนดค่าสามแบบ (วงจรแบบบั๊กเท่านั้น ต้องการเพียงสอง)

1. อินพุตเชื่อมต่อกับเอาต์พุตผ่านขดลวด
2. ขดลวดเชื่อมต่อโดยตรงข้ามอินพุต
3. ขดลวดเชื่อมต่อโดยตรงกับเอาต์พุต

สมมติว่าส่วนประกอบทำงานในอุดมคติ (ไม่มีตัวต้านทานหรือการสูญเสียการสลับ ฯลฯ ) ตัวแหล่งสัญญาณอยู่ที่ 10V เอาต์พุตดึง 1A ตัวสลับใช้เวลาครึ่งหนึ่งในการกำหนดค่าครั้งแรกครึ่งหนึ่งในสามและรอบเร็วพอที่ แรงดันไฟฟ้าสูงสุดและกระแสขดลวดไม่มีโอกาสเปลี่ยนแปลงมากในแต่ละรอบ

ในสถานะ "คงที่" ภายใต้เงื่อนไขข้างต้นขดลวดจะมีหนึ่งแอมป์ที่ไหลผ่านอยู่ตลอดเวลา (เนื่องจากมันจะอยู่ในชุดที่มีการวาดภาพโหลด 1 แอมป์เสมอ) หากฝาปิดเอาต์พุตอยู่ที่ห้าโวลต์ดังนั้นเวลาครึ่งที่ขดลวดจะมี + 5V ข้ามไปและครึ่งเวลานั้นจะมี -5V ดังนั้นโดยเฉลี่ยแล้วกระแสไฟจะยังคงอยู่ที่ 1 แอมป์ ครึ่งหนึ่งของเวลาที่แหล่งข้อมูลจะมีแอมป์หนึ่งตัวที่นำออกมา (เมื่อเชื่อมต่อกับขดลวด) และครึ่งหนึ่งเวลานั้นจะไม่มีเลยดังนั้นแหล่งที่มาจะเห็นครึ่งหนึ่งของแอมป์ปัจจุบัน

วิธีที่ง่ายที่สุดในการดูว่าตัวสลับสามารถดึงกระแสจากแหล่งจ่ายน้อยกว่าโหลดได้อย่างไรคือดูว่าอิเล็กตรอนไหลไปที่ใด: ครึ่งหนึ่งของอิเล็กตรอนที่ผ่านโหลดจะมาจากแหล่งกำเนิดและครึ่งหนึ่งจะเป็น เปลี่ยนเพื่อหลีกเลี่ยงแหล่งที่มา ดังนั้นโหลดจะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้มากกว่าแหล่งกำเนิดเป็นสองเท่า

เพื่อให้ทุกคนเบื่อกับการเปรียบเทียบการไหลของน้ำที่ดีฉันจะเพิ่มสิ่งนี้: สมมติว่าเรามีระดับความสูงสามระดับH ₁ , H _½ , H ₀ ; การจัดหาน้ำมาจากH ₁แล้วไหลH _½บิตไปยังปลายทางที่เป็นโรงสีหรือบางสิ่งบางอย่างแล้วกลับทุกทางในH 0 ควบคุมที่เปลี่ยนแปลงจากH ₁เพื่อH ½

• ตัวควบคุมเชิงเส้นคือน้ำตก: อิเล็กตรอนเพิ่งฟ้าร้องลงมาแล้วปลดปล่อยศักยภาพของมันในฐานะพลังงานความร้อนต่อสิ่งแวดล้อม ปัจจุบันในH _½จะเป็นเช่นเดียวกับในH 1

• ตัวสลับไม่เพียงปล่อยให้น้ำไหลลงเท่านั้น ถังแต่ละใบที่ลงมาจากH ₁ต้องการน้ำหนักถ่วงสิ่งธรรมชาติที่ใช้คือถังน้ำอีกอันตั้งแต่H ₀ !