Mengapa switchers lebih efisien daripada regulator linier?

Sudah diketahui bahwa switching regulator lebih efisien daripada regulator linier. Saya juga tahu bahwa regulator linier harus menghilangkan perbedaan antara tegangan input dan tegangan keluaran kali arus sebagai panas.

Tetapi mengapa ini tidak berlaku untuk switching regulator dengan kondisi yang sama: tegangan input dan tegangan output dan arus yang sama?

Saya tahu switchers bisa menjadi panas; Saya punya satu di papan yang menjadi sangat panas sehingga Anda hampir tidak bisa menyentuhnya, tetapi sekali lagi hanya 2 1/2 milimeter di setiap sisi dan terlihat seperti semut dibandingkan dengan lubang melalui 7.805 dengan pendinginnya.

Regulator linier bekerja dengan secara efektif menempatkan resistor variabel terkontrol antara sumber dan beban. Semua arus untuk beban mengalir melalui elemen resistif ini. Dan tegangan yang melintasi itu sama dengan perbedaan antara tegangan sumber dan tegangan beban. Jadi kekuatannya hilang

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

Switching regulator berfungsi dengan mengubah siklus kerja dari aliran saat ini di atas siklus switching, kemudian rata-rata output menggunakan filter. Selama bagian dari siklus, arus yang tinggi mengalir dengan drop tegangan rendah. Selama bagian lain dari siklus hampir tidak ada arus yang mengalir dengan drop tegangan tinggi. Tak satu pun dari kondisi ini menghabiskan daya sebanyak panas. Idealnya daya yang hilang menjadi

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

yang, tentu saja, 0 W. Biasanya banyak inefisiensi di dunia nyata adalah karena daya yang hilang selama hubungan switching yang sangat singkat antara bagian "aktif" dan "mati" dari siklus.

Biasanya regulator switching lebih efisien, tetapi tidak selalu.

Regulator linier yang ideal memiliki drop tegangan dan ada elemen lulus linier seperti transistor yang bertindak seperti resistor, sehingga kehilangan daya dalam kasus ideal adalah P = , seperti yang Anda katakan. Itu adalah kasus yang ideal, pada kenyataannya regulator membutuhkan sedikit arus untuk bekerja, dan mungkin ada komponen yang tergantung pada arus keluaran. Beberapa pengatur linier LDO yang bergantung pada elemen-elemen PNP pass lateral dapat memiliki konsumsi yang sangat tinggi mendekati drop-out - mungkin 100mA terbuang untuk arus keluaran 1A (karena transistor PNP yang dibuat dengan beberapa proses IC cenderung memiliki kenaikan arus yang sangat jelek). I ⋅ ( V I N - V O U T$V_{IN} - V_{OUT}$$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$

Regulator switching (buck) yang ideal terlihat seperti ini:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Di mana saklar adalah transistor, dan D1 mungkin dioda atau mungkin transistor lain. Dalam kasus ideal, tidak ada mekanisme kehilangan energi . Dioda baik blok sempurna atau melakukan dengan sempurna, saklar melakukan hal yang sama, induktor tidak memiliki resistansi DC, dan kapasitor tidak memiliki ESR. Jadi kekuatan in sama dengan power out. Tentu saja kenyataan hanya bisa mendekati ideal itu. Akan ada kerugian yang merupakan 'overhead' dan kerugian yang meningkat dengan meningkatnya arus.

Perhatikan bahwa induktor adalah bagian penting dari rangkaian ini - jika Anda mencoba menghilangkannya, tegangan tidak bergerak (dalam jangka pendek) pada C1 akan naik terhadap tegangan tidak bergerak pada Vin dan arus akan menjadi tak terbatas. Dalam rangkaian nyata, SW1 akan memiliki beberapa perlawanan dan itu akan menjadi panas seperti transistor lulus dalam pengatur linier (kecuali itu juga akan membuat ton EMI).

Sudah diketahui bahwa switching regulator lebih efisien daripada regulator linier.

Sampai titik tertentu. Menempatkan 3.5V ke dalam pengatur linear LDO 3.3V memberikan efisiensi 94%. Anda akan kesulitan menemukan regulator switching yang bisa melakukan itu.

Saya juga tahu bahwa regulator linier harus menghilangkan perbedaan antara tegangan input dan tegangan keluaran kali arus sebagai panas.

Ya, tetapi regulator linier harus menarik arus yang sama atau sedikit lebih banyak untuk arus output yang diberikan, sedangkan regulator switching memperdagangkan penurunan tegangan output untuk penurunan arus input, dan karenanya biasanya menggunakan daya yang lebih kecil daripada regulator linier yang dikonfigurasi secara keseluruhan yang sama.

Switcher yang ideal tidak menghilangkan daya apa pun. Mereka mengambil sedikit daya dari sisi input, menyimpannya dan kemudian melepaskannya di sisi output.

Energi disimpan baik dalam medan magnet di dalam induktor atau medan listrik di kapasitor.

Karena tidak idealitas komponen nyata, seperti ESR dalam induktor, mereka menghilangkan sedikit daya. Mereka juga kehilangan daya selama switching transistor. Beberapa energi juga hilang di controller.

Tetapi mengapa ini tidak berlaku untuk switching regulator dengan kondisi yang sama

Untuk regulator linier seri, sumber memberikan daya 100% dari waktu dan sebagian daya ini harus terbuang karena (1) tegangan sumber (besarnya) lebih besar dari beban dan (2) arus sumber harus agak lebih besar daripada arus beban.

Namun, untuk regulator switching, sumber hanya memberikan daya selama sebagian kecil dari periode switching. Selama waktu ini, sebagian daya yang dikirim oleh sumber dikirim ke beban dan sisanya dikirim ke elemen sirkuit penyimpanan energi - sangat sedikit yang terbuang.

Kemudian, selama waktu tidak aktif, elemen sirkuit penyimpanan energi menghantarkan daya ke beban.

Ini adalah perbedaan krusial - hanya daya yang cukup diambil dari sumber selama waktu untuk menyalakan beban terus menerus.

Misalnya, jika beban membutuhkan 5W kontinu, sumber mungkin memberikan 10W 50% dari waktu dan 0W 50% sisanya untuk daya rata - rata 5W. Elemen sirkuit penyimpanan energi 'memperlancar' aliran energi - menyerap kelebihan daya selama waktu aktif dan kemudian mengirimkannya pada waktu tidak aktif.

Regulator switching buck-boost yang ideal dapat dimodelkan sebagai sepasang topi yang terhubung langsung ke input dan output, kumparan, dan beberapa sirkuit perutean yang dapat beralih di antara tiga konfigurasi (sirkuit hanya buck, hanya boost, saja, atau inverting akan hanya butuh dua).

1. Input terhubung ke output melalui koil
2. Koil terhubung langsung di input
3. Koil terhubung langsung di output

Asumsikan komponen berperilaku dengan cara yang ideal (tanpa kerugian resistif atau switching, dll.) Tutup sumber pada 10V, output menarik 1A, switcher menghabiskan separuh waktunya dalam konfigurasi pertama, setengah di ketiga, dan siklus cukup cepat sehingga tegangan tutup dan arus kumparan tidak memiliki kesempatan untuk berubah banyak selama setiap siklus.

Dalam keadaan "stabil", tergantung pada kondisi di atas, koil akan memiliki satu amp yang mengalir sepanjang waktu (karena selalu akan seri dengan beban gambar 1 amp). Jika tutup output berada pada lima volt, maka separuh waktu kumparan akan memiliki +5V melewatinya, dan separuh waktu akan memiliki -5V, sehingga rata-rata arusnya akan tetap pada 1 amp. Setengah waktu tutup sumber akan memiliki satu amp diambil dari itu (ketika itu terhubung ke koil), dan separuh waktu itu tidak memiliki apa-apa, sehingga sumber akan melihat setengah amp penarikan saat ini.

Cara paling sederhana untuk melihat bagaimana switcher dapat menarik lebih sedikit arus dari sumber daripada beban menarik dari itu adalah untuk melihat di mana elektron mengalir: setengah dari elektron yang melewati beban akan berasal dari sumber, dan setengahnya akan menjadi beralih untuk memotong sumber. Dengan demikian, beban akan memiliki dua kali lebih banyak arus yang mengalir melaluinya sebagai sumber.

Untuk membuat semua orang bosan dengan analogi aliran air kuno yang baik, saya akan menambahkan ini: anggap kita memiliki tiga level ketinggian H ₁ , H _½ , H ₀ ; pasokan air berasal dari H ₁ , kemudian mengalir pada H _½ sedikit ke tujuannya, sebuah penggilingan atau sesuatu, dan kemudian kembali sepenuhnya pada H ₀ . Regulator berada pada transisi dari H ₁ ke H _½ .

• Regulator linier adalah air terjun: elektron hanya datang bergemuruh dan melepaskan potensinya sebagai energi termal ke lingkungan. Arus pada H _½ akan sama dengan pada H ₁ .

• Switcher tidak hanya membiarkan air mengalir ke bawah, tetapi menurunkannya secara terkontrol dalam ember. Setiap ember yang turun dari H ₁ membutuhkan penyeimbang, hal alami yang digunakan adalah ember air yang lain , dari H ₀ !