آموزش طراحی و شبیه سازی مبدل باک

مبدل باک مبدل های جریان مستقیم به جریان مستقیم (DC-DC) مدارهای الکترونیک قدرت هستند که ورودی ولتاژ جریان مستقیم (DC) را از یک سطح به سطح دیگر تبدیل میکنند. مبدل های DC-DC به عنوان مبدل سوئیچینگ، منبع تغذیه سوئیچینگ یا سوئیچ نیز نامیده می شوند. مبدل های DC-DC در دستگاه های قابل حمل مانند تلفن های همراه و لپ تاپ ها مهم هستند.

چرا مبدل باک یا DC-DC مورد نیاز است؟

فقط تصور کنید که وقتی میخواهید از دستگاهی با سطح ولتاژ پایین استفاده کنید، اگر دستگاهی مانند لپتاپ یا شارژر را مستقیما به برقی که از پریز در خانه تامین میشود وصل کنید، ممکن است دستگاه به درستی کار نکند یا به دلیل جریان اضافه یا اضافه ولتاژ خراب شود. . سطح ولتاژ باید به سطح ولتاژ مناسب تبدیل شود تا تجهیزات به درستی کار کنند. در این پروژه، پیکربندی مبدل DC-DC انتخاب شده برای مطالعه، پیکربندی باک بود. مبدل باک ولتاژ تغذیه DC را به سطح ولتاژ خروجی DC کمتر تبدیل می کند.

مبدل از جمله مهمترین مبدل های سوئیچینگ است که علاوه بر کاربرد های فراوانی که دارد به عنوان بخشی از سیستم های سوئیچینگ دیگر نیز مورد استفاده قرار می گیرد. مبدل باک از نوع مبدل های کاهنده است یعنی سطح ولتاژ خروجی از ورودی کمتر خواهد بود.

در اینجا سوال پیش می آید که چرا باید بخواهیم سطح ولتاژ DC شده را کاهش دهیم ؟ساده ترین پاسخ این است که ما به سطوح مختلف از ولتاژ نیاز داریم و ولتاژ ثابتی وجود ندارد که تمام قطعات از آن پیروی کنند بعضی با 3.3 ولت بعضی با 5 و بعضی دیگر با 9 یا 12 ولت کار می کنند و حتی ماژول هایی وجود دارد که ولتاژ 4.2 ولت برای فعال سازی و اجرا نیاز دارند و اما پاسخ اصلی این است که مبدل باک آسان ترین روش سو ئیچ ینگ برای کنترل سطح ولتاژ خروجی است .

مبدل باک از نوع مبدل های غیر ایزوله است

به این معنی است که ورودی و خروجی از هم مجزا نیستند و روی هم اثر می گذارند. مبدل Buck از ی ک ترانزیستور و دیود تشکیل شده است که ولتاژ تغذیه را روی یک مدار خازن سلف، LC ، اعمال می کند. ولتاژ خروجی ولتاژ دو طرف خازن است. ولتاژ ورودی u در مدار LC توسط مدولاسیون عرض پالس، PWM کنترل می شود. یعنی در بخشی از س یکل زمانی ، ولتاژ اعمال شده در مدار LC ، Vg است و بقیه سیکل زما نی ولتاژ ورودی صفر است.

محدوده چرخه کار(duty cycle که از این به بعد با D.C. نمایش می دهیم)، [d= [0 , 1، نسبت زمانی ، سیکل زمانی است که ولتاژ تغذ یه به مدار متصل می شود، یعنی ورودی Vg است. D.C. d سیگنال کنترل به مبدل Buck است. ی ک نمودار مدار در شکل 1 قابل مشاهده است.

شکل 1 مدار کلی سیستم

حالت های سوئیچینگ سیستم مبدل باک و معادلات

سیستم مبدل باک یک سیستم سوئیچینگ است که شامل دو حالت سوئیچینگ است: اولا ، هنگامی که سوئیچ به گره 1 متصل است، وضعیت شارژ. ثانیا ، هنگامی که سوئیچ به گره 2 متصل است، وضعیت تخلیه. PWM روش انتخابی برای کنترل مدارهای الکترونیک قدرت مدرن است. ایده اصلی این است که D.C. یک کلید را طور ی کنترل کنیم که بار یک ولتاژ متوسط قابل کنترل را
ببیند. برای رسیدن به این هدف، فرکانس سوئیچینگ (فرکانس تکرار برای سیگنال PWM) به اندازه ای بالا انتخاب می شود که فیلتر LC نتواند رویدادهای سوئیچینگ تکی را دنبال کند.

با کنترل PWM ، تنظیم ولتاژ خروجی با تغییر D.C. سوئیچ و ثابت نگه داشتن فرکانس عملیات به دست می آی د D.C. به نسبت دوره ای که سوئیچ در وضعیت 1(منبع
ولتاژ در مدار است) قرار دارد به مجموع وضعیت 1 و 2 (تمام زمان در یک دوره تناوب) اشاره دارد. D.C. برابر است با :

معادله 1

با توجه به این که مبدل باک مبدلی کاهنده است پس همواره Vi>Vo است و چیزی که این نامساوی را به تساوی تبدیل میکند D.C. است. بنابراین داریم :

معادله 2

برای محاسبه مقدار سلف از معادله زیر استفاده میکنیم:

معادله 3

ضریب ثابت 5 در این معادله ضریب اطمینان است و می تواند در بعضی مواقع بالاتر در نظر گرفته شود.ضریب اطمینان مد کاری مبدل باک را تعیین می کند .مبدل باک 2 مد کاری CCM و DCM دارد که با توجه به نیاز های طراحی انتخاب می شوند. حالت رسانش پیوسته (CCM) به این معنی است که جریان در سلف یا ترانسفورماتور انتقال انرژی هرگز بین سیکل های سوئیچینگ به صفر نمی رسد. در حالت هدایت ناپیوسته (DCM) جریان در بخشی از چرخه سوئیچینگ به صفر می رسد. 𝑽𝒐 ولتاژ خروجی ، 𝑽𝒊 ولتاژ ورودی ، 𝑰𝒐 جریان خروجی ، 𝒇 فرکانس سوئیچینگ و 𝑳 اندوکتانس سلف است. و برای محاسبه خازن خروجی از معادله زیر استفاده میکنیم:

معادله 4

𝑰𝒐 جریان خروجی، 𝒇 فرکانس سوئیچینگ، 𝑽𝒓𝒑𝒑 ریپل ولتاژ نهایی و 𝑪𝐨𝐮𝐭 مقدار خازن خروجی است. مداری که برای این آموزش در نظر گرفته شده است از آی سی lm2596-5.0 بهره گرفته شده است که خروجی آن 5 ولت می باشد و سوئیچ داخلی دارد.

شکل 2 – شماتیک داخلی آی سی lm2596-5.0

فرکانس کاری این آی سی 150kHz است و بیشینه جریان خروجی 3 آمپر دارد. برای فعال سازی آن باید پایه شماره 5 را به زمین مدار متصل کرد در غیر این صورت غیر فعال می شود. برای پایه ورودی (شماره 1) ،ولتاژ 7 تا 40 ولت DC نیاز دارد. شماتیک کلی مدار به صورت زیر است:

شکل 3 – مدار نهایی

اندوکتانس سلف با استفاده از معادله 3 و در نظر گرفتن ولتاژ ورودی 12 ولت بدست می آید :

به همین صورت مقدار خازن خروجی از معادله 4 و با در نظر گرفتن ریپل 100 میلی ولتی بدست می آید :

حالا نوبت انتخاب دیود D1 است .برای انتخاب این دیود باید در نظر داشت که عملیات سوئیچینگ بسیار سریع است و دیود های معمولی توانایی بازخورد سریع ندارند در نتیجه
باید از دیود های شاتکی یا فوق سریع استفاده کنیم .جریان دیود بهتر است یک و نیم برابر جریان خروجی در نظر بگیریم تا از جریان های هجومی در امان باشد .برای انتخاب ولتاژ دیود بهتر در این محدوده بین 20 تا 30 واحد بالاتر از ولتاژ خروجی در نظر بگیریم تا از نویز و اسپایک در امان باشد. در نهایت دیود MBR540 که جریان 5 آمپر و ولتاژ 40 ولت دارد استفاده می کنیم.

پایه شماره 2 آی سی با نام خروجی همان خروجی سوئیچ مدار کلی ما است که به مدار سلفی خازنی ما متصل می شود.در آخر پایه فیدبک ،پایه شماره 4 که مستقیما به خروجی متصل می شود .همانطور که در شکل 2 مشاهده می کنید فیدبک که اعمال می شود ابتدا با یک تقسیم مقاومتی کاهش می یابد سپس با ولتاژ 1.235 ولت مقایسه می شود در صورت بیشتر بودن اسیلاتور داخلی D.C. کاهش می دهد و در صورت کم بودن ولتاژ عکس حالت قبل عمل می کند.

توجه داشته باشید که در نسخه های Adj این آی سی تقسیم مقاومت داخلی ندارد و شما باید برای برای ولتاژ دلخواه خود تقسیم مقاومتی 1.235 ولتی را ایجاد کنید سپس ولتاژ را به پایه فیدبک جهت مقایسه اعمال کنید. برای انتخاب خازن خروجی هم خازنی با ظرفیت 100 میکرو فاراد کافی می باشد .نکته که میتوان در انتخاب خازن ها در نظر گرفت و رعایت آن در بهبود کیفیت مدار حائز اهمیت است ESR و ESL خازن ها می باشد که می توان با انتخاب خازن های مرغوب یاموازی کردن خازن ها است مثلا دو خازن 500 میکرو فاراد به جای یک خازن 1000 میکرو فارادی.

حالا می توانیم به شبیه سازی مدار در برنامه مولتی سیم بپردازیم.

شکل 4 – شبیه سازی مدار در مولتی سیم (بار کامل)

شکل 5 – شبیه سازی مدار در مولتی سیم (بار انتخابی)

شکل 6 – شبیه سازی مدار در مولتی سیم (بی باری)

همانطور که در شکل های بالا مشاهده می کنید شبیه سازی را در حالت (بار) مختلف انجام دادیم و نتیجه کاملا راضی کننده حاصل شد.