Mengapa pompa pengisian daya hanya digunakan untuk aplikasi saat ini yang rendah?

11

Biasanya elemen yang paling mahal (dan sulit didapat) dalam SMPS adalah induktor. Jadi saya bertanya-tanya apakah mungkin untuk menggunakan catu daya mode alih-daya yang beralih-induktor (yaitu pompa pengisian daya) untuk kasus penggunaan umum, misalnya catu daya bangku-atas, konverter DC-DC berdaya tinggi tetap (beberapa ampere dan beberapa ratus watt daya) ), dll.

Semua desain pompa pengisian yang bisa saya temukan adalah untuk aplikasi berdaya rendah. Apa yang mencegah seseorang merancang catu daya induktor-daya tinggi? Apakah ada beberapa batasan fisik yang melekat?

— Ali Alavi
sumber

3

Saya menduga bahwa induktor dapat menyimpan lebih banyak energi per satuan volume / biaya daripada kapasitor - coba kalkulasi back-of-an-envelope untuk ukuran kapasitor yang Anda perlukan untuk pompa muatan hipotetis.

— pjc50

3

Sudahkah Anda memasukkan beberapa ESR (resistansi seri) realistis untuk kapasitor tersebut? Simulator seperti kertas: Anda dapat membuat apa saja bekerja / tidak bekerja pada mereka ;-)

— Bimpelrekkie

1

Catu daya switching yang dibangun dengan benar membutuhkan PCB dan itu adalah PCB yang cenderung menjadi yang paling mahal dan sulit didapat karena Anda harus mendesainnya!

— Andy alias

2

@Andyaka PCB bukan yang paling mahal atau paling sulit untuk mendapatkan item.

— Ali Alavi

5

Kapasitor 10uF yang memasok 10A akan turun satu volt per mikrodetik. Pada frekuensi switching 50 KHz, Anda akan melihat riak 100%.

— supercat

20

Ada dua masalah dengan ide Anda. Satu praktis, dan satu fundamental.

Masalah praktisnya adalah bahwa per jumlah kapasitor energi yang disimpan lebih mahal daripada induktor, dan di atas itu usia kapasitor (elektrolitik) benar-benar berkapasitas tinggi.

Masalah mendasar adalah bahwa pengisian kapasitor dari sumber tegangan pada dasarnya rugi (Anda menghilangkan panas). Ini mungkin tampak kontra-intuisi, tetapi tetap benar. (Ada pertanyaan tentang ini beberapa waktu lalu.) Oleh karena itu konverter tegangan terbang-kapasitor, bahkan yang ideal, pada dasarnya tidak efisien. (Konverter tegangan berbasis induktor ideal 100% efisien.)

Anda mungkin berpikir aneh bahwa dunia tidak adil untuk kapasitor, tetapi itu adalah kesalahan manusia kita: kita memasok daya sebagian besar dari sumber tegangan. Untuk sumber arus, kebalikannya adalah benar: konverter arus ideal dari kapasitor terbang dapat 100% efisien, sedangkan yang dari induktor harus pasti lossy.

— Wouter van Ooijen
sumber

Terima kasih. Saya tidak bisa memahami fakta bahwa kapasitor lebih mahal daripada induktor (dalam pengaturan SMPS). Pengalaman saya adalah bahwa, setidaknya untuk jumlah rendah, saya perlu melakukan beberapa perhitungan, membeli inti dan kabel tertentu dan memutar sendiri kawat di sekitar inti. Ini sangat memakan waktu. Sementara dengan kapasitor, saya hanya membeli yang sudah jadi. Di sisi lain, saya pemula di domain SMPS, jadi mungkin ada cara yang lebih baik.

— Ali Alavi

1

Anda pasti dapat membeli induktor yang sudah jadi! Tapi perhatikan poin kedua saya: konverter tegangan berbasis kapasitor secara inheren lossy. Tidak ada jalan lain.

— Wouter van Ooijen

Sepertinya saya mengatakan pada dasarnya hal yang sama .. nanti. oops.

— Spehro Pefhany

3

Hah, bagus (+1 ada di mana-mana.) Apakah ini pertanyaan sebelumnya? electronics.stackexchange.com/questions/54992/… . Saya tahu tentang sumber tegangan dan tegangan ... tetapi tidak pernah benar-benar memikirkannya!

— George Herold

1

@ Agent_L Oh, saya bermaksud referensi untuk detail lebih lanjut tentang bagaimana menyesuaikan induktor kustom dengan tangan, bukan referensi untuk mendukung klaim Anda :)

— Ali Alavi

4

Kapasitor akan lebih baik jika sumber dan output adalah arus konstan. Anda dapat mengisi daya kapasitor hingga tegangan naik ke tingkat tertentu, kemudian melepaskan kapasitor ke impedansi beban untuk mempertahankan arus keluaran yang konstan. Anda akan menggunakan induktor besar sebagai filter keluaran untuk menjaga arus keluaran konstan.

Karena sumber kami adalah tegangan konstan dan kami biasanya menginginkan tegangan output konstan, menggunakan induktor untuk menyimpan energi dan kapasitor untuk menyaringnya menjadi lebih masuk akal.

Perhatikan bahwa semua perlengkapan beralih efisien memiliki kedua kapasitor dan induktor.

Ya, pompa pengisian daya (kapasitor terbang) dapat mengambil tegangan dan memindahkannya, membalikkannya, bahkan mengalikannya dengan bilangan bulat dan sejenisnya, tetapi setiap kali Anda mengisi atau mengeluarkan kapasitor melalui sakelar resistif Anda kehilangan sebagian dari perubahan energi kapasitor di saklar itu sendiri - perubahan tegangan yang lebih besar berarti lebih banyak kerugian. Saklar resistansi yang lebih rendah hanya berarti bahwa energi yang hilang untuk perubahan tegangan yang diberikan dikompresi menjadi irisan waktu yang lebih kecil, totalnya tetap konstan.

— Spehro Pefhany
sumber

"Setiap kali Anda mengisi atau melepaskan kapasitor melalui sakelar resistif, Anda kehilangan separuh perubahan energi kapasitor dalam sakelar itu sendiri." itu benar jika Anda mengisi penuh dan melepaskan kapasitor setiap kali. Jika Anda hanya menjalankannya sebagian, Anda bisa melakukan yang lebih baik.

— Peter Green

@PeterGreen "perubahan energi" bukan energi total.

— Spehro Pefhany

Katakanlah kapasitor 1 farad dimulai pada 5V dan dibebankan ke 6V melalui resistor dari sumber 6V. Energi dalam kapasitor sebelum = 0,5 * 1 * 5 * 5 = 12,5. Energi dalam kapasitor setelah = 0,5 * 1 * 6 * 6 = 18. Energi ditambahkan ke kapasitor = 18-12.5 = 5.5. Energi yang diambil dari persediaan = (6-5) * 1 * 6 = 6. Hanya 0,5 joule energi yang hilang untuk menambah 5,5 joule energi ke kapasitor.

— Peter Green

Saat mengisi kapasitor dari nol ke penuh melalui resistor Anda memang kehilangan setengah energi tetapi rasio energi yang ditambahkan ayat energi yang hilang tidak konstan. Tahap awal biaya sangat rugi, tahap akhir sangat efisien.

— Peter Green

1

"Anda dapat mengisi kapasitor hingga tegangan naik ke tingkat tertentu, kemudian melepaskan kapasitor ke impedansi beban untuk mempertahankan arus keluaran konstan." - ternyata, ini hanya konverter uang dengan kapasitor tambahan pada input .

— user253751

2

Jika dua kapasitor atau rangkaian seri kapasitor dengan voltase berbeda dihubungkan bersama, muatannya akan rata-rata dengan cara yang mengurangi jumlah energi yang tersimpan di dalamnya. Jika mereka terhubung menggunakan induktor, energi berlebih akan ditransfer ke induktor itu dan selanjutnya dapat digunakan untuk tujuan yang bermanfaat. Jika koneksi itu murni resistif, energi akan 100% dikonversi menjadi panas. Meminimalkan resistensi tidak akan mengurangi kehilangan energi; itu hanya akan mengurangi jumlah waktu yang dibutuhkan untuk itu terjadi.

Konsekuensinya, agar pompa pengisian menjadi efisien, kapasitor harus cukup besar sehingga voltase yang melintasi mereka tidak pernah sangat bervariasi. Dalam kasus di mana pompa pengisian tidak perlu membawa banyak energi, orang dapat menggunakan regulator linier pada output dan cukup meningkatkan tegangan sehingga dalam kondisi riak terburuk tegangan output masih akan cukup tinggi untuk mempertahankan regulasi, tetapi efisiensi akan dibatasi oleh rasio tegangan beban dikalikan rasio kenaikan terhadap tegangan sumber.

— supercat
sumber

0

Ada beberapa masalah dengan pompa pengisian daya.

mereka tidak dapat menawarkan pengaturan tegangan dan efisiensi secara bersamaan. Satu-satunya cara untuk mengatur tegangan output sehingga tetap konstan selama variasi tegangan input dan variasi beban adalah dengan memperkenalkan inefisiensi yang disengaja.
Arus harus melewati dua elemen switching (dioda atau transistor) selama pengisian dan pelepasan bagian dari siklus (sedangkan dengan buck atau boost converter hanya perlu melewati satu elemen switching pada suatu waktu).
Efisiensi sangat tergantung pada rasio tegangan input ke output yang diinginkan. Jika Anda ingin mengatakan konverter tegangan 1,5x maka Anda harus menggunakan pengaturan multi-tahap yang kompleks atau membuat konverter 2x dan menjalankannya dalam mode yang sengaja tidak efisien.

— Peter Green
sumber

1

Poin 3, setiap rasio integer dimungkinkan secara efisien tanpa banyak kompleksitas tambahan. Untuk 1,5x, isi daya penutup dalam koneksi 2-seri (sehingga masing-masing melihat 0,5x tegangan suplai), dan lepaskan dalam 3-seri.

— Nate S.