Buck Converter: ວົງຈອນຫນ້າທີ່, ພຶດຕິກໍາຂອງ inductor ແລະ ການອອກແບບລະບົບ

Buck converter ແມ່ນຫມວດ DC-to-DC ທີ່ຫລຸດแรงดันໂດຍໃຊ້ການປ່ຽນແປງໄວ, inductor ແລະ capacitors ເພື່ອຮັກສາຜົນຜະລິດໃຫ້ຫມັ້ນຄົງແລະມີປະສິດທິພາບ. ພຶດຕິກໍາຂອງມັນຂຶ້ນຢູ່ກັບວິທີທີ່ກະແສໄຫຼ, ວິທີທີ່ສ່ວນປະກອບເຮັດວຽກນໍາກັນ ແລະວິທີທີ່ວົງຈອນຂອງຫນ້າທີ່ກໍານົດแรงดันອອກ. ບົດຄວາມນີ້ອະທິບາຍແນວຄິດເຫຼົ່ານີ້ຢ່າງຈະແຈ້ງແລະໃຫ້ຂໍ້ມູນລາຍລະອຽດກ່ຽວກັບແຕ່ລະສ່ວນຂອງລະບົບ.

ຄ1. ພາບລວມຂອງ Buck Converter

ຄ2. ຜົນປະໂຫຍດຂອງ Buck Converter

ຄ3. ສ່ວນປະກອບຂອງ Buck Converter

ຄ4. Buck Converter ON ແລະ OFF States

ຄ5. Inductor Current Ripple ໃນ Buck Converter

ຄ6. ບົດບາດ Inductor ແລະ Diode ໃນການດໍາເນີນງານ Buck Converter

ຄ7. Conduction Modes ໃນ Buck Converter

ຄ8. Duty Cycle ແລະ Output Voltage ໃນ Buck Converter

ຄ9. ຂະບວນການອອກແບບພື້ນຖານສໍາລັບ Buck Converter

ຄ10. ວິທີການຄວບຄຸມທີ່ໃຊ້ໃນ buck converter

ຄ11. ການນໍາໃຊ້ທີ່ແຕກຕ່າງກັນຂອງ Buck Converter

ຄ12. ສະຫລຸບ

ຄ13. ຄໍາຖາມທີ່ຖາມເລື້ອຍໆ [FAQ]

ພາບລວມຂອງ Buck Converter

Buck converter ແມ່ນຫມວດ DC-to-DC step-down ທີ່ໃຊ້ການປ່ຽນແປງຄວາມໄວສູງ, inductor ແລະ capacitors ເພື່ອປ່ຽນแรงดันอินพุตທີ່ສູງກວ່າໃຫ້ເປັນแรงดันອອກທີ່ຕ່ໍາກວ່າແລະຫມັ້ນຄົງ. ໂດຍການຖ່າຍທອດພະລັງງານຜ່ານ inductor ແທນທີ່ຈະລະບາຍแรงดันເພີ່ມເຕີມເປັນຄວາມຮ້ອນ, ມັນບັນລຸປະສິດທິພາບສູງ, ຂະຫນາດນ້ອຍ ແລະ ປະສິດທິພາບທີ່ໄວ້ວາງໃຈໄດ້ສໍາລັບການນໍາໃຊ້ພະລັງງານຫຼາຍຢ່າງ.

ຜົນປະໂຫຍດຂອງ Buck Converter

• ມີປະສິດທິພາບສູງພ້ອມກັບການສູນເສຍພະລັງງານຫນ້ອຍທີ່ສຸດ

• ການ ສ້າງ ຄວາມ ຮ້ອນ ຕ່ໍາ ກວ່າ ເຄື່ອງ ຄວບ ຄຸມ ເສັ້ນ

• ສະຫນັບສະຫນູນກະແສໄຟຟ້າສູງໃນພື້ນທີ່ນ້ອຍໆ

• ເຮັດວຽກໃນຂອບເຂດທີ່ກວ້າງຂວາງ

• ດີທີ່ສຸດສໍາລັບລະບົບຂະຫນາດນ້ອຍ ແລະ ໃຊ້ໄຟຟ້າ

ສ່ວນປະກອບຂອງ Buck Converter

Buck Converter ON ແລະ OFF States

ON State (ປິດ Switch)

• MOSFET ເປີດ.

• voltage input ໄຫຼເຂົ້າໄປໃນ inductor.

• ກະ ແສ inductor ສູງ ຂຶ້ນ.

• ພະລັງງານເພີ່ມຂຶ້ນໃນທົ່ງແມ່ເຫຼັກຂອງ inductor.

ສະຖານະປິດ (ເປີດสวิตช์)

• MOSFET ປິດ.

• inductor ຮັກສາກະແສໃຫ້ໄຫຼ ເນື່ອງຈາກກະແສຂອງມັນບໍ່ສາມາດປ່ຽນແປງໄດ້ທັນທີ.

• ພະລັງງານທີ່ເກັບໄວ້ເຄື່ອນຍ້າຍໄປສູ່ພາລະຫນັກຜ່ານ diode ຫຼື synchronous MOSFET.

• capacitor output ຮັກສາแรงดันໃຫ້ຫມັ້ນຄົງ.

Inductor Current Ripple ໃນ Buck Converter

ກະ ແສ inductor ໃນ buck converter ຈະ ຂຶ້ນ ແລະ ລົງ ໃນ ຮູບ ສາມ ຫລ່ຽມ ຊ້ໍາ ແລ້ວ ຊ້ໍາ ອີກ ເມື່ອ switch ເປີດ ແລະ ປິດ. ໃນລະຫວ່າງເວລາ, ກະແສໄຟຟ້າຈະເພີ່ມຂຶ້ນເມື່ອພະລັງງານເພີ່ມຂຶ້ນໃນ inductor, ແລະ ໃນໄລຍະທີ່ປິດ, ກະແສຈະຫລຸດລົງເມື່ອພະລັງງານຖືກປ່ອຍອອກໄປສູ່ພາລະຫນັກ. ສິ່ງ ນີ້ ຈະ ສ້າງ ຄື້ນ ທີ່ ຫມັ້ນຄົງ ຢູ່ ອ້ອມ ຮອບ ຄຸນຄ່າ ສະເລ່ຍ.

ເມື່ອເລີ່ມຕົ້ນ, ກະແສຈະຄ່ອຍໆປີນຂຶ້ນຈົນຮອດລະດັບທີ່ຫມັ້ນຄົງ, ສະແດງໃຫ້ເຫັນໂດຍໂຄ້ງທີ່ລຽບງ່າຍເມື່ອເວລາຜ່ານໄປ. ເມື່ອ converter ໄປ ເຖິງ ສະພາບ ທີ່ ຫມັ້ນຄົງ, ຄື້ນ ຈະ ສັ່ນ ສະ ເທືອນ ເທົ່າ ທຽມ ກັນ ຢູ່ ເທິງ ແລະ ຕ່ໍາ ກວ່າ ລະດັບ ກະແສ ສະເລ່ຍ. ວົງຈອນຫນ້າທີ່ກໍານົດສະເລ່ຍນີ້ ແລະໃນກໍລະນີນີ້, ມັນຈະຕົກລົງປະມານ 68%, ຫມາຍຄວາມວ່າ switch ຈະເປີດຢູ່ປະມານສອງສ່ວນສາມຂອງແຕ່ລະວົງຈອນ. ຄວາມສູງຂອງຄື້ນສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າກະແສ inductor ແກວ່ງຫຼາຍສໍ່າໃດໃນແຕ່ລະໄລຍະການປ່ຽນແປງ, ຊຶ່ງມີຜົນກະທົບຕໍ່ຄວາມຫມັ້ນຄົງແລະປະສິດທິພາບຂອງຜົນຜະລິດ.

ບົດບາດ Inductor ແລະ Diode ໃນການດໍາເນີນງານ Buck Converter

ເມື່ອເປີດ, ກະແສຈະໄຫຼໂດຍກົງຈາກແຫຼ່ງຂໍ້ມູນຜ່ານ inductor ໄປຫາ capacitor ແລະ output. inductor ເກັບພະລັງງານໃນໄລຍະນີ້ ແລະ diode ຈະກາຍເປັນ reverse-biased, ກີດກັນກະແສບໍ່ໃຫ້ໄຫຼກັບຄືນ. ສະພາວະນີ້ເຮັດໃຫ້ກະແສ inductor ສູງຂຶ້ນເມື່ອພະລັງງານເພີ່ມຂຶ້ນ.

ເມື່ອປິດ, inductor ຈະປ່ອຍພະລັງງານທີ່ເກັບໄວ້ເພື່ອໃຫ້ກະແສເຄື່ອນເຫນັງໄປຫາຜົນອອກ. diode ຈະມີຄວາມລໍາອຽງໄປຫນ້າແລະຈັດໃຫ້ມີເສັ້ນທາງສໍາລັບກະແສ inductor ເພື່ອປ້ອງກັນການຫລຸດລົງຢ່າງກະທັນຫັນ. ໃນລະຫວ່າງສະພາບນີ້, ກະແສ inductor ຈະຫລຸດລົງເມື່ອພະລັງງານທີ່ເກັບໄວ້ຖືກສົ່ງໄປໃຫ້ capacitor ແລະ load. 

Conduction Modes ໃນ Buck Converter

Continuous Conduction Mode (CCM)

ໃນ mode ນີ້, ກະ ແສ inductor ຈະ ບໍ່ ຫລຸດ ລົງ ເຖິງ 0 ໃນ ລະ ຫວ່າງ ການ ດໍາ ເນີນ ງານ. ມັນຢູ່ເຫນືອຄ່າຕ່ໍາສຸດຕະຫຼອດທຸກວົງຈອນການປ່ຽນແປງ. ສິ່ງ ນີ້ ຈະ ນໍາ ໄປ ສູ່ ຄື້ນ ທີ່ ຕ່ໍາ ກວ່າ ແລະ ພຶດຕິ ກໍາ ທີ່ ຫມັ້ນຄົງ ແລະ ຄາດ ການ ໄດ້. ເພາະກະແສໄຟຟ້າໄຫຼຕະຫຼອດເວລາ ຕາມປົກກະຕິແລ້ວຈໍາເປັນຕ້ອງມີ inductor ທີ່ໃຫຍ່ກວ່າເພື່ອຮັກສາສະພາບທີ່ຫມັ້ນຄົງນີ້.

ແບບ Discontinuous Conduction Mode (DCM)

ໃນ mode ນີ້, ກະ ແສ inductor ຈະ ຕົກ ເປັນ 0 ກ່ອນ ວົງ ຈອນ ການ ປ່ຽນ ແປງ ຕໍ່ ໄປ ຈະ ເລີ່ມ ຕົ້ນ. ມັນມັກຈະປາກົດຂຶ້ນເມື່ອພາລະຫນັກຕໍ່າຫຼາຍ. DCM ສາມາດເພີ່ມປະສິດທິພາບໃນລະດັບພະລັງງານທີ່ເບົາບາງ ແລະອະນຸຍາດໃຫ້ໃຊ້ inductor ທີ່ນ້ອຍກວ່າ. ການຕອບສະຫນອງຂອງການຄວບຄຸມຈະສະຫຼັບຊັບຊ້ອນຫຼາຍຂຶ້ນເພາະກະແສຢຸດຢ່າງເຕັມທີລະຫວ່າງວົງຈອນ.

ວົງຈອນຫນ້າທີ່ແລະแรงดันອອກໃນ Buck Converter

ສາຍສໍາພັນຫຼັກ

แรงดันອອກຂອງ buck converter ຕິດຕາມສົມມຸດງ່າຍໆ:

Vout = D × Vin

ວົງຈອນຫນ້າທີ່ສູງກວ່າເຮັດໃຫ້แรงดันຜະລິດສູງຂຶ້ນ, ໃນຂະນະທີ່ວົງຈອນຫນ້າທີ່ຕ່ໍາກວ່າເຮັດໃຫ້แรงดันຜະລິດຕ່ໍາລົງ. ຫມວດ ຄວບ ຄຸມ ຈະ ປັບ ວົງ ຈອນ ຂອງ ຫນ້າ ທີ່ ເມື່ອ ນ້ໍາ ຫນັກ ປ່ຽນ ແປງ ເພື່ອ ວ່າ ຜົນ ປະ ໂຫຍດ ຈະ ຄົງ ຢູ່ ຢ່າງ ຫມັ້ນ ຄົງ.

ຂະບວນການອອກແບບພື້ນຖານສໍາລັບ Buck Converter

ຂະບວນການອອກແບບພື້ນຖານສໍາລັບ Buck Converter

ຂັ້ນຕອນທີ 1: ກໍານົດຄວາມຕ້ອງການ input ແລະ output

ກໍານົດຂອບເຂດ voltage input , voltage output ທີ່ຕ້ອງການ ແລະ ກະແສສູງສຸດທີ່ converter ຕ້ອງສະຫນອງ.

ຂັ້ນຕອນທີ 2: ເລືອກຄວາມໄວຂອງການປ່ຽນແປງ

ເລືອກຄວາມໄວຂອງການປ່ຽນແປງທີ່ສົມດຸນກັບຂະຫນາດຂອງສ່ວນປະກອບ, ປະສິດທິພາບ ແລະ ປະສິດທິພາບ.

ຂັ້ນຕອນທີ 3: ຄິດໄລ່ຄ່າ inductor

ເລືອກ inductor ທີ່ຮັກສາກະແສຄື້ນໃຫ້ຢູ່ໃນຂອບເຂດທີ່ເຫມາະສົມ, ຕາມປົກກະຕິແລ້ວປະມານ 20-40% ຂອງກະແສນ້ໍາຫນັກ.

ຂັ້ນຕອນທີ 4: ເລືອກ capacitor output

ເລືອກ capacitor ໂດຍອີງໃສ່ຄື້ນຂອງแรงดัน ແລະ ESR ທີ່ຕ້ອງການ. ESR ທີ່ຕ່ໍາກວ່າຊ່ວຍຮັກສາຜົນຜະລິດທີ່ສະດວກກວ່າ.

ຂັ້ນຕອນທີ 5: ເລືອກ MOSFETs ແລະ Diodes

ເລືອກສ່ວນປະກອບໂດຍຄໍານຶງເຖິງການສູນເສຍການນໍາພາ, ພຶດຕິກໍາການປ່ຽນແປງ ແລະ ຄຸນລັກສະນະຂອງປະຕູ.

ຂັ້ນຕອນທີ 6: ອອກແບບເຄືອຂ່າຍຄໍາຕອບ

ຕັ້ງ voltage output ແລະ ໃຫ້ ແນ່ ໃຈ ວ່າ ການ ຄວບ ຄຸມ ທີ່ ຫມັ້ນຄົງ ເມື່ອ ສະພາບ ການ ປ່ຽນ ແປງ.

ຂັ້ນຕອນທີ 7: ເພີ່ມສ່ວນປະກອບການຊົດເຊີຍ

ປັບປຸງສ່ວນຕອບແທນເພື່ອປັບປຸງຄວາມຫມັ້ນຄົງແລະການຕອບສະຫນອງຂອງວົງຈອນການຄວບຄຸມ.

ຂັ້ນຕອນທີ 8: จําลองແລະສ້າງຕົ້ນແບບ

ທົດ ສອບ ປະສິດທິພາບ, ລະດັບ ຄວາມ ຮ້ອນ ແລະ ຄື້ນ ກ່ອນ ຈະ ສໍາເລັດ ການ ອອກ ແບບ.

ຂັ້ນຕອນທີ 9: ປັບປຸງຮູບແບບ PCB

ໃຫ້ວົງຈອນສັ້ນ, ຂະຫຍາຍເສັ້ນທາງທີ່ມີກະແສສູງ ແລະ ເພີ່ມຄວາມເຂັ້ມແຂງໃຫ້ແກ່ພື້ນດິນເພື່ອຫລຸດຜ່ອນສຽງດັງ.

ຂັ້ນຕອນທີ 10: ເຮັດການວິເຄາະຄວາມຮ້ອນ

ໃຫ້ກວດເບິ່ງພຶດຕິກໍາຂອງອຸນຫະພູມພາຍໃຕ້ພາລະຫນັກທີ່ຄາດຫມາຍເພື່ອຢືນຢັນການດໍາເນີນງານທີ່ປອດໄພ.

ຂັ້ນຕອນທີ 11: ດໍາເນີນການທົດສອບຂັ້ນສຸດທ້າຍ

ກວດສອບປະສິດທິພາບການເລີ່ມຕົ້ນ, ການຕອບສະຫນອງຂອງພາລະຫນັກ, ຄວາມຖືກຕ້ອງຂອງแรงดัน ແລະ ຄວາມໄວ້ວາງໃຈ.

ວິທີການຄວບຄຸມທີ່ໃຊ້ໃນ Buck Converter

ການນໍາໃຊ້ທີ່ແຕກຕ່າງກັນຂອງ Buck Converter

ອຸປະກອນໄຟຟ້າສໍາລັບເຄື່ອງເອເລັກໂຕຣນິກນ້ອຍໆ

ສ້າງຮາວໄຟຟ້າຕ່ໍາໃນອຸປະກອນການເຄື່ອນໄຫວ.

Motherboard ແລະ CPU ຂອງຄອມພິວເຕີ

ຈັດໃຫ້ມີแรงดันທີ່ແນ່ນອນສໍາລັບໂປຣແກຣມແລະໂມນຄວາມຊົງຈໍາ.

ອຸປະກອນທີ່ໃຊ້ໄຟຟ້າ

ສ້າງຜົນຜະລິດທີ່ຫມັ້ນຄົງເຖິງແມ່ນວ່າแรงดันຂອງຫມໍ້ລົດລົງ.

ເຄື່ອງເອເລັກໂຕຣນິກລົດ

ລົງລະດັບ 12 V ຫຼື 24 V ເພື່ອຫລຸດแรงดันຄວບຄຸມສໍາລັບ sensor ແລະ ລະບົບຄວາມບັນເທີງ.

ອຸປະກອນໂທລະຄົມມະນາຄົມ

ໃຫ້ພະລັງງານ DC ທີ່ຫມັ້ນຄົງສໍາລັບເຄືອຂ່າຍແລະການສື່ສານ.

ລະບົບອັດຕະໂນມັດທາງອຸດສະຫະກໍາ

ເຄື່ອງ sensor ພະລັງ, ເຄື່ອງ ຄວບ ຄຸມ ແລະ ຫນ່ວຍ interface ຕ້ອງ ມີ volt ທີ່ ຫມັ້ນຄົງ.

ລະບົບໄຟຟ້າ LED

ໃຫ້ການຄວບຄຸມแรงดันສໍາລັບຜູ້ຂັບລົດ LED ແລະ module ແສງສະຫວ່າງ.

ການສະຫລຸບ 

Buck converter ທໍາ ງານ ໂດຍ ການ ເກັບ ກໍາ ແລະ ປ່ອຍ ພະ ລັງ ຜ່ານ inductor ໃນ ຂະນະ ທີ່ switch ເປີດ ແລະ ປິດ, ຮັກສາ output ໃຫ້ ຫມັ້ນຄົງ. ປະສິດທິພາບຂອງມັນຂຶ້ນຢູ່ກັບລະດັບຄື້ນ, mode conduction, ວົງຈອນຫນ້າທີ່, ແລະ ການເລືອກສ່ວນປະກອບຢ່າງລະມັດລະວັງ. ດ້ວຍຂັ້ນຕອນການອອກແບບ, ວິທີການຄວບຄຸມ ແລະ ແບບແຜນທີ່ຖືກຕ້ອງ, ເຄື່ອງປ່ຽນສາມາດຮັກສາການດໍາເນີນງານທີ່ປອດໄພ, ຫມັ້ນຄົງ ແລະ ມີປະສິດທິພາບໃນຫຼາຍສະພາບການ.

ຄໍາຖາມທີ່ຖາມເລື້ອຍໆ [FAQ]

Q1. ມີ ຫຍັງ ອີກ ທີ່ ມີ ຜົນ ກະທົບ ຕໍ່ ການ ປ່ຽນ ແປງ ຂອງ buck converter?

ຄວາມໄວຂອງການປ່ຽນແປງຍັງໄດ້ຮັບຜົນກະທົບຈາກການສູນເສຍການປ່ຽນແປງ, ການສ້າງຄວາມຮ້ອນ, ຂໍ້ຈໍາກັດ EMI ແລະຄວາມໄວຂອງ converter ຕ້ອງຕອບສະຫນອງຕໍ່ການປ່ຽນແປງຂອງພາລະຫນັກ.

Q2. ເປັນຫຍັງບາງຄັ້ງຈຶ່ງຈໍາເປັນຕ້ອງມີການກວດສອບຂໍ້ມູນເພີ່ມເຕີມ?

ການຕອງເພີ່ມເຕີມຖືກໃຊ້ເມື່ອເຄື່ອງປ່ຽນແປງສ້າງສຽງທີ່ອາດລົບກວນຫມວດອື່ນໆ. ເຄື່ອງຕອງ LC ເພີ່ມເຕີມຊ່ວຍຫລຸດຜ່ອນການຄື້ນແລະສຽງດັງທີ່ນໍາພາ.

Q3. ການຕອບສະຫນອງຊົ່ວຄາວຂອງພາລະຫນັກໃນ buck converter ແມ່ນຫຍັງ?

ມັນເປັນວິທີທີ່ converter ຕອບສະຫນອງເມື່ອພາລະຫນັກເພີ່ມຂຶ້ນຫຼືຫລຸດລົງຢ່າງກະທັນຫັນ. ການຕອບສະຫນອງທີ່ດີຈະຮັກສາแรงดันອອກບໍ່ໃຫ້ຫລຸດລົງຫຼືເກີນໄປ.

Q4. ຮູບແບບ PCB ມີຜົນກະທົບແນວໃດຕໍ່ປະສິດທິພາບຂອງ buck converter?

ແບບແຜນທີ່ເຫມາະສົມຈະຫລຸດຜ່ອນສຽງດັງ, ຫລຸດຜ່ອນຄວາມສູງຂອງแรงดัน, ປັບປຸງປະສິດທິພາບ ແລະ ຮັກສາ converter ໃຫ້ຫມັ້ນຄົງ. ຈໍາ ເປັນ ຕ້ອງ ມີ ວົງ ຈອນ ທີ່ ສັ້ນໆ ແລະ ແຫນ້ນ.

Q5. ເປັນຫຍັງ buck converters ຈຶ່ງຈໍາເປັນຕ້ອງມີຫມວດປ້ອງກັນ?

ຫມວດປ້ອງກັນປ້ອງກັນຄວາມເສຍຫາຍຈາກຄວາມຜິດພາດເຊັ່ນ ສາຍສັ້ນ, ຄວາມຮ້ອນເກີນໄປ ຫຼື voltage input ທີ່ບໍ່ຖືກຕ້ອງ. ມັນ ຊ່ວຍ ໃຫ້ ເຄື່ອງ ປ່ຽນ ແປງ ດໍາ ເນີນ ງານ ຢ່າງ ປອດ ໄພ.

Q6. ອຸນຫະພູມມີຜົນກະທົບແນວໃດຕໍ່ buck converter?

ອຸນຫະພູມສູງຈະເພີ່ມການສູນເສຍ, ລົດປະສິດທິພາບຂອງສ່ວນປະກອບ ແລະ ອາດເຮັດໃຫ້ເກີດຄວາມບໍ່ຫມັ້ນຄົງ. ຄວາມເຢັນທີ່ດີແລະຄະແນນສ່ວນປະກອບທີ່ເຫມາະສົມຊ່ວຍຮັກສາການດໍາເນີນງານທີ່ຫມັ້ນຄົງ.