Почему коммутаторы более эффективны, чем линейные регуляторы?

Хорошо известно, что переключающие регуляторы более эффективны, чем линейные регуляторы. Я также знаю, что линейный регулятор должен рассеивать разницу между входным напряжением и выходным напряжением, умноженную на ток в виде тепла.

Но почему это не распространяется на переключающие регуляторы с одинаковыми условиями: одинаковое входное напряжение, выходное напряжение и ток?

Я знаю, что переключатели могут нагреваться; У меня есть один на доске, который становится настолько горячим, что вы едва можете дотронуться до него, но с другой стороны, он составляет всего 2 1/2 миллиметра с каждой стороны и выглядит как муравей по сравнению со сквозным отверстием 7805 с его радиатором.

Линейные регуляторы работают, эффективно помещая управляемый переменный резистор между источником и нагрузкой. Весь ток для нагрузки протекает через этот резистивный элемент. И напряжение на нем равно разнице между напряжением источника и напряжением нагрузки. Таким образом, рассеиваемая мощность

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

Импульсные регуляторы работают, изменяя рабочий цикл тока в течение цикла переключения, а затем усредняют выходной сигнал с использованием фильтра. В течение части цикла большой ток протекает с низким падением напряжения. В течение другой части цикла ток практически не протекает с высоким падением напряжения. Ни одно из этих условий не рассеивает столько энергии, сколько тепла. В идеале теряется сила

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

что, конечно, 0 Вт. Как правило, большая часть неэффективности в реальном мире происходит из-за потери мощности во время очень короткого интервала переключения между «включенной» и «выключенной» частями цикла.

Обычно переключающие регуляторы более эффективны, но не всегда.

$V_{IN} - V_{OUT}$$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$, как ты говоришь. Это идеальный случай, в действительности для работы регулятора требуется небольшой ток, и может существовать компонент, который зависит от выходного тока. Некоторые линейные регуляторы LDO, которые зависят от боковых проходных элементов PNP, могут иметь очень высокое потребление, близкое к выпадению - возможно, 100 мА тратятся на выходной ток 1 А (поскольку транзисторы PNP, изготовленные с помощью некоторых процессов IC, имеют тенденцию иметь довольно дрянное усиление тока).

Идеальный переключающий (понижающий) регулятор выглядит так:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Если коммутатор является транзистором, а D1 может быть диодом или другим транзистором. В идеальном случае нет механизма потери энергии . Диод либо полностью блокирует, либо отлично проводит, переключатель делает то же самое, индуктор не имеет сопротивления постоянному току, а конденсатор не имеет ESR. Таким образом, сила равна силе. Конечно, реальность может приблизиться только к этому идеалу. Будут потери, которые являются «накладными», и потери, которые увеличиваются с увеличением тока.

Обратите внимание, что катушка индуктивности является критической частью этой цепи - если вы попытаетесь ее опустить, неподвижное (в краткосрочной перспективе) напряжение на С1 будет противостоять неподвижному напряжению на Vin, и ток станет бесконечным. В реальной цепи SW1 будет иметь некоторое сопротивление, и он станет таким же горячим, как транзистор в линейном регуляторе (за исключением того, что он также будет производить тонны электромагнитных помех).

Хорошо известно, что переключающие регуляторы более эффективны, чем линейные регуляторы.

В точку. Подвод 3,5 В в линейный регулятор LDO 3,3 В дает эффективность 94%. Вам будет сложно найти регулятор переключения, который сможет это сделать.

Я также знаю, что линейный регулятор должен рассеивать разницу между входным и выходным напряжением, умноженную на ток в виде тепла.

Да, но линейные регуляторы должны потреблять столько же или чуть больше тока для данного выходного тока, в то время как переключающие регуляторы обменивают падение выходного напряжения на уменьшение входного тока и, следовательно, обычно используют меньше мощности, чем аналогично сконфигурированный линейный регулятор в целом.

Идеальные переключатели не рассеивают мощность. Они берут немного энергии со стороны входа, сохраняют ее и затем отпускают со стороны выхода.

Энергия накапливается либо в магнитном поле внутри индуктора, либо в электрическом поле в конденсаторе.

Из-за неидеальности реальных компонентов, таких как ESR в катушках индуктивности, они рассеивают немного энергии. Они также теряют некоторую мощность при переключении транзисторов. Некоторая энергия также теряется в контроллере.

Но почему это не относится к переключению регуляторов с одинаковыми условиями

Для последовательного линейного регулятора источник выдает энергию в 100% случаев, и часть этой мощности должна быть потрачена впустую, поскольку (1) напряжение источника (величина) больше нагрузки и (2) ток источника должен быть несколько больше, чем ток нагрузки.

Однако для регулятора переключения источник выдает энергию только в течение некоторой доли периода переключения. В течение этого времени часть энергии, поступающей от источника, поступает на нагрузку, а остальная часть подается на элементы схемы накопления энергии - очень мало тратится впустую.

Затем в течение времени отключения элементы схемы накопления энергии подают питание на нагрузку.

Это принципиальное различие - от источника во время работы потребляется только достаточно энергии для непрерывного питания нагрузки.

Например, если нагрузке требуется непрерывная мощность 5 Вт, источник может выдавать 10 Вт в 50% случаев и 0 Вт в оставшиеся 50% при средней мощности 5 Вт. Элементы схемы накопления энергии «сглаживают» поток энергии - поглощают избыточную мощность во время работы и затем подают ее во время работы.

Идеальный импульсный импульсный стабилизатор может быть смоделирован как пара колпачков, подключенных непосредственно к входу и выходу, катушка и некоторая схема маршрутизации, которая может переключаться между тремя конфигурациями (схема только с усилением, только с усилением или инвертирующая схема). нужно только два).

1. Вход подключается к выходу через катушку
2. Катушка подключена прямо через вход
3. Катушка подключена непосредственно через выход

Предположим, что компоненты ведут себя идеальным образом (без потерь сопротивления или коммутации и т. Д.), Когда ограничения на напряжение источника питания составляют 10 В, выходной сигнал равен 1 А, коммутатор тратит половину своего времени в первой конфигурации, половину в третьей и выполняет циклы достаточно быстро, чтобы Напряжение крышки и ток катушки не имеют шансов сильно измениться в течение каждого цикла.

В «устойчивом» состоянии, при условии соблюдения вышеуказанных условий, катушка будет постоянно проходить через нее по одному усилителю (поскольку она всегда будет последовательно подключена к нагрузке, потребляющей 1 ампер). Если выходная крышка находится на уровне пяти вольт, то половину времени на катушке будет +5 В, а половину - на -5 В, поэтому в среднем ее ток останется на уровне 1 А. Половину времени в крышке источника будет извлекаться один усилитель (когда он подключен к катушке), а в половине случаев его нет, так что источник будет видеть половину тока потребления тока.

Самый простой способ увидеть, как коммутатор может потреблять меньше тока от источника, чем нагрузка от него, - это посмотреть, куда движутся электроны: половина электронов, проходящих через нагрузку, будет поступать от источника, а половина будет переключился на обход источника. Таким образом, нагрузка будет иметь в два раза больше тока, протекающего через нее, чем источник.

Чтобы утомить каждого старой доброй аналогией с потоком воды, я добавлю следующее: предположим, у нас есть три уровня высоты H ₁ , H _½ , H ₀ ; запас воды поступает из H ₁ , затем течет в H _½ немного к месту назначения, мельнице или чему-то еще, а затем возвращается обратно в H ₀ . Регулятор находится при переходе от H ₁ к H _½ .

• Линейный регулятор - это водопад: электроны просто гремят вниз и высвобождают свой потенциал в виде тепловой энергии в окружающую среду. Ток на H _½ будет таким же, как на H ₁ .

• Переключатель не только позволяет воде стечь, но и опускает ее порционно в ведра. Каждое ведро, которое идет от H _1, нуждается в противовесе, естественная вещь, которую нужно использовать - это другое ведро воды , от H ₀ !