DC/DC-Abwärtswandler

Abwärtswandler erzeugen eine DC-Ausgangsspannung, die kleiner ist als die DC-Eingangsspannung. Mit anderen Worten, das Einknicken oder Verringern der Versorgungsspannung. Häufig verwendete lineare Regler verringern die Spannung, indem sie die Leistung als Wärme in einem Widerstand abführen, was mit großen Unterschieden zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung sehr ineffizient wird. Während ohmsche Bauelemente durch Joule-Erwärmung Strom verschwenden, verwenden Abwärtswandler Blindschaltungen, die im Idealfall keine Leistung abgeben und somit die Spannung bei entsprechender Erhöhung des verfügbaren Stroms effizient verringern können. Im Abwärtswandler fängt ein Schalter die Gleichstromversorgung ein, um den AC-Eingang für einen Tiefpassfilter zu erzeugen. Der Tiefpassfilter besteht aus einer Induktivität und einem Kondensator und extrahiert die mittlere Spannung mit nur geringen Verlusten aufgrund parasitärer Widerstände. Das Ergebnis ist eine Ausgangsspannung, die kleiner oder gleich der Eingangsspannung ist. In diesem Video wird der Aufbau eines Abwärtswandlers veranschaulicht und untersucht, wie sich die Änderung des Betriebszustands des Wandlers auf seine Ausgangsspannung auswirkt.

Diese Abwärtswandlerschaltung verwendet einen elektronischen Schalter, um eine Induktivität an die Gleichstromversorgung anzuschließen und zu trennen. Dieser Schalter kann ein Bipolartransistor, ein MOSFET oder ein ähnliches elektronisches Gerät sein. Die Induktivität und ein Kondensator bilden einen Tiefpassfilter mit einer Diode, die einen Pfad für den Induktorstrom bereitstellt, wenn der Schalter geöffnet ist. Der Ausgang des Tiefpassfilters ist mit der Last verbunden. Eine digitale Impulsfolge öffnet oder schließt den Schalter mit einem Tastverhältnis D, das dem Verhältnis der Einschaltzeit zur Periode entspricht. Wenn der Schalter geschlossen ist, wird der Eingang zum Tiefpassfilter mit Versorgungsspannung, V in, verbunden. Die Diode wird in Sperrrichtung vorgespannt und leitet nicht und der Strom fließt durch die Induktivität. Wenn der Schalter geöffnet ist, muss dieser Induktorstrom in die gleiche Richtung weiterfließen und die Diode wird in Vorwärtsrichtung vorgespannt, um eine vollständige Stromschleife zu bilden. Am Eingang des Tiefpassfilters erzeugt diese Schaltkommutierung eine Rechteckwelle, die zwischen V und in etwa null Volt oszilliert. Mit Ausnahme einer gewissen Welligkeit ist die Leistung des Filters der Durchschnitt der Rechteckwelle, die mit zunehmendem Tastverhältnis zunimmt. Bei ausreichend hohen Schaltfrequenzen sind die Lade- und Entladezeiten der Kondensatoren kurz. So wird die Spannungswelligkeit gering und das Ergebnis ist ein sauberer DC-Ausgang, der vom DC-Eingang abgestuft wird. Da es sich bei der Induktivität und dem Kondensator um reaktive Komponenten handelt, haben sie im Idealfall keine ohmschen Leistungsverluste. Der ideale LC-Filter ist dann in der Lage, Strom mit 100 % Wirkungsgrad an die Last weiterzuleiten. In Wirklichkeit reduzieren der Drahtwiderstand der Induktivität und andere parasitäre Widerstände in der Schaltung den Wirkungsgrad auf den Bereich von 80 bis 95%. Nachdem nun die Grundlagen des Abwärtswandlers besprochen wurden, werfen wir einen Blick darauf, wie ein Abwärtswandler die Spannung absenkt und im Leitungsmodus, auch CCM genannt, weitermacht, ein Zustand, in dem die Induktivität immer mit einem Strom ungleich Null arbeitet.

Bei diesen Experimenten wird die Strommastplatine von HiRel Systems verwendet, die für das Experimentieren mit verschiedenen DC/DC-Wandler-Schaltungstopologien ausgelegt ist. Stellen Sie zunächst sicher, dass der Signalversorgungsschalter S90 ausgeschaltet ist. Stecken Sie dann die Signalversorgung in den DIN-Stecker J90. Stellen Sie die Jumper für die PWM-Steuerauswahl, J62 und J63, auf die Open-Loop-Position. Stellen Sie die Gleichstromversorgung auf positive 24 Volt ein, schließen Sie den Netzteilausgang jedoch nicht an die Platine an. Bauen Sie die Schaltung mit dem oberen MOSFET, der unteren Diode und der BB-Magnetplatine auf. Notieren Sie den Wert der Induktivität auf der BB-Magnetplatine. Der Lastwiderstand RL ist ein Leistungspotentiometer. Verwenden Sie ein Multimeter, um den Widerstand abzulesen, während Sie ihn auf 12 Ohm einstellen. Verbinden Sie dann den Lastwiderstand zwischen den Klemmen V2+ und COM. Stellen Sie die Schaltwahlschalterbank S30 wie folgt ein. PWM zum oberen MOSFET, Onboard-PWM verwenden und Last ausschalten. Verbinden Sie als Nächstes den Differenztastkopf des Oszilloskops zwischen Anschluss 15, dem Gate des oberen MOSFETs, und Anschluss 11, der die Quelle ist. Schalten Sie den Signalversorgungsschalter S90 ein und beobachten Sie die Impulsfolge, die den MOSFET antreibt. Stellen Sie das Frequenzeinstellpotentiometer RV60 so ein, dass eine Schaltfrequenz von 100 Kilohertz erzeugt wird. Stellen Sie das Tastverhältnis-Potentiometer RV63 so ein, dass die Impulse eine Einschaltzeit von fünf Mikrosekunden haben.

Lassen Sie die Sonde des Differentialoskops zwischen den Anschlüssen 15 und 11 verbunden, die das Gate bzw. die Quelle des oberen MOSFET sind. Um die Spannung am Lastwiderstand RL zu messen, schließen Sie den anderen Differenztastkopf zwischen den Klemmen V2+ und COM an. Verbinden Sie das Gleichstromnetz mit den Eingangsklemmen V1+ und COM. Beobachten Sie die Dreieckswellenform für die Ausgangsspannung und die rechteckige Impulsfolge des Schaltsignals. Die Aufwärtsrampen der Ausgangsspannung treten auf, wenn der Abwärtswandlerschalter geschlossen ist und die Induktivität Energie auf den Kondensator und die Last überträgt. Die Abwärtsrampen treten auf, wenn der Schalter geöffnet ist, die Induktivität von der Eingangsspannungsquelle getrennt wird und der Kondensator einen Teil der gespeicherten Energie an die Last abgibt. Messen Sie als Nächstes den Mittelwert der Ausgangsspannung und die Einschaltzeit der Gate-Quellenspannung. Notieren Sie sich die Eingangsstrom- und Spannungswerte des Gleichstromnetzteils. Wiederholen Sie diesen Test, nachdem Sie das Tastverhältnis-Potentiometer RV64 so eingestellt haben, dass die Impulsfolge ein Tastverhältnis von 0,4, 0,6 und 0,7 hat. Mit zunehmendem Tastverhältnis D steigt auch die durchschnittliche Ausgangsspannung des Abwärtswandlers. Wenn D einen Wert von 0,3 hat, erzeugt ein Eingang von 24 Volt im Idealfall einen Ausgang von etwa 7,2 Volt. Ebenso, wenn D 0,5 ist, dann würde der Ausgang etwa 12 Volt betragen, oder wenn D 0,7 ist, dann würde der Ausgang etwa 16,8 Volt betragen und so weiter.

Stellen Sie das Tastverhältnis auf 0,5 ein, und schließen Sie dann die Eingangs-Gleichstromversorgung an die Klemmen V1+ und COM an. Stellen Sie den RV60 so ein, dass eine Schaltfrequenz von 100 Kilohertz erzeugt wird. Wie zuvor ist die Ausgangsspannungswellenform eine Dreieckswelle, die sich aus dem Tiefpassfilter ergibt, der auf den Rechteckwelleneingang wirkt. Die Gate-Source-Spannung ist eine digitale Impulsfolge mit einer Frequenz von 100 Kilohertz. Eine Periode von 10 Mikrosekunden und eine Einschaltzeit von fünf Mikrosekunden. Messen Sie den Mittelwert der Ausgangsspannung und die Einschaltzeit des Gates zur Quellspannung. Notieren Sie sich die Eingangsstrom- und Spannungswerte des Gleichstromnetzteils. Wiederholen Sie diesen Test, nachdem Sie den RV60 auf eine Schaltfrequenz von 10, 20 und 40 Kilohertz eingestellt haben, wobei das Tastverhältnis auf 0,5 festgelegt ist. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Ausgangswelligkeit ab, da sich auch die Lade- und Entladezeiten des Kondensators verringern. Im Allgemeinen ist die Ausgangsspannung in diesem Experiment geringer als aus dem idealen Verhältnis zu erwarten. Diese Abweichung ist das Ergebnis parasitärer Elemente wie Drahtwiderstand in der Induktivität und anderer Widerstände in der Schaltung, die zu nicht idealen Spannungsabfällen und unberücksichtigten Energieverlusten führen.

Abwärtswandler bieten eine gut kontrollierte Spannungsregelung mit einer damit einhergehenden Erhöhung des Stroms, was sie für Anwendungen mit minimalem Leistungsverlust im Umwandlungsprozess unerlässlich macht. Der Stromverbrauch von Laptops ist durch die Entwicklung von Mikroprozessoren, die nur mit 1,8 oder 0,8 Volt arbeiten, stark gesunken. Laptops und ferngesteuerte Geräte verwenden Abwärtswandler, um die Spannung von Lithiumbatterien auf diese niedrigen Werte zu senken, die Lebensdauer der Batterie zu verlängern und den Batteriestrom zu erhöhen, um den Bedarf integrierter Schaltkreise mit Millionen von Transistoren zu decken. Elektronische Geräte wie Mobiltelefone verwenden Lithium-Ionen-Batterien mit einer nominalen Zellspannung von etwa 3,6 bis 3,7 Volt. Standardisierte Ladegeräte mit den USB-Anschlüssen liefern jedoch fünf Volt. Ein Abwärtswandler im elektronischen Gerät senkt den USB-Ausgang auf die niedrigere Spannung, die zum Laden des Lithium-Ionen-Akkus erforderlich ist.

Sie haben gerade Joves Einführung in Abwärtswandler gesehen. Sie sollten nun ihre Funktionsweise verstehen und wissen, wie der DC-Ausgang vom Tastverhältnis und der Schaltfrequenz abhängt. Danke fürs Zuschauen.