محولات DC / DC: زيادة الكفاءة وتجنب الثباتية

محولات DC / DC عبارة عن دوائر يمكنها زيادة أو تقليل جهد الإمداد. إنها مفيدة بشكل خاص عند استخدام البطاريات لتشغيل مجموعة متنوعة من الأجهزة ، لذلك يتم وضع توفير الطاقة في المقام الأول. لهذا السبب ، يجب أن يستفيدوا على أفضل وجه ممكن من الطاقة التي توفرها المراكم ، وفي الواقع ، تتجاوز كفاءتهم بسهولة 96٪. ستسلط هذه المقالة الضوء على الجوانب التي تساهم في هذه المعلمة والمشاكل التي يمكن أن تنشأ عند تصميم هذه الفئة من محولات الطاقة.

تحد مقاومة البطارية الداخلية من الكفاءة

جميع المكونات الإلكترونية في الدائرة تنطوي على معدل معين من التبديد. يؤدي احتكاك الإلكترونات في الموصلات وأشباه الموصلات إلى تحويل جزء من الطاقة إلى حرارة ، والتي تتبدد في البيئة وبالتالي لا يتم استخدامها بشكل مربح. من بين الأسباب التي تقلل من كفاءة دائرة الطاقة المقاومة الداخلية للمولد ، والتي لا يمكن القضاء عليها تمامًا. بالإضافة إلى ذلك ، تكون محولات DC / DC أكثر كفاءة بشكل عام عندما تكون القيمة المطلقة للفرق بين جهد الدخل والجهد الناتج أصغر.

يوضح الشكل 1 مثالًا عامًا لدائرة كهربائية تتكون من مولد جهد وحمل. الدائرة الأولى مثالية ، والمولد لديه مقاومة داخلية تبلغ 0 Ω. يتمتع المحول المثالي بكفاءة تصل إلى 100٪ ويعمل بأي جهد دخل وخرج ، مع أي تيار. الدائرة الثانية حقيقية ، والمولد لديه مقاومة داخلية 0.3 Ω.

كفاءة الدائرة الأولى ، بالطبع ، 100٪ ، حيث يتم استخدام كل طاقة المولد بواسطة الحمل ، وهو مقاوم 10 Ω. كفاءة الدائرة الثانية أقل ، 97٪ ، حيث يتم إهدار 3٪ من الطاقة في الحرارة غير المستخدمة. دعونا نفحص الصيغ البسيطة التي تؤدي إلى النتائج المذكورة أعلاه:

كما هو موضح في الصيغ ، فإن الكفاءة هي دالة لجهد الدخل ، والجهد الناتج والتيار المتدفق على حمل الخرج. يشمل التبديد أيضًا تأثيره على جميع المكونات الإلكترونية الأخرى مثل ، على سبيل المثال ، مقاومة ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، ومقاومة الأسلاك الكهربائية والأسلاك بشكل عام ، ومقاومة المولد ، ومقاومة المحاثات وما إلى ذلك. في بعض الأحيان ، بسبب هذه الأسباب ، يمكن أن يتجاوز الانخفاض في الكفاءة بسهولة 10 ٪ ، عندما يتم إضافة جميع الأسباب الفردية لذلك.

فيما يتعلق بما سبق ، من المفيد ملاحظة الرسم البياني في الشكل 2 ، والذي يوضح أن المقاومة الداخلية للمولد هي واحدة من أسوأ الخصوم لكفاءة الدائرة. يوضح الرسم البياني أنه بغض النظر عن التكوين المعتمد ، تؤدي الزيادة في مقاومة المصدر الكهربائي بلا هوادة إلى انخفاض كفاءة النظام بأكمله. يمكن أن يتسبب أيضًا في تأثيرات أخرى أقل وضوحًا ولكنها إشكالية بنفس القدر على الدائرة.

غالبًا ما يصعب اكتشاف مثل هذا الحدوث ، حيث تعمل الدائرة بسلاسة ، ويتوافق خرج المحول مع قواعد التصميم. من الواضح أن كفاءة النظام هي التي تتأثر بشكل كبير ، ويجب أن يمتلك المصمم معدات قياس ممتازة لاكتشاف مثل هذه المشكلات.

مشكلة الدائرة ثنائية الاستقرار

قد يقود أحد الحلول الطبيعية المصمم إلى تنفيذ أنظمة إمداد الطاقة بمقاومة داخلية أقل. ولكن من الناحية العملية ، يُفضل استخدام طرق أخرى ، نظرًا لأن خفض هذه المقاومة ليس ممكنًا دائمًا ، ومن المؤكد أن تكاليف الحل وتعقيدات الدوائر ستفوق الفوائد المتلقاة.

أحد الحلول العديدة للمشكلات هو اختيار جهد إدخال أعلى للحد من الطلب الحالي للإدخال ، وذلك لتقليل الحاجة إلى مقاومة منخفضة المصدر (R_س). في بعض الأحيان ، يكون أكثر كفاءة مع جهد إمداد أعلى ، ولكن يجب تقييم كل حل بعناية شديدة ، حيث تختلف النتائج من حالة إلى أخرى.

في بعض الأحيان ، في ظل وجود حمولة عالية جدًا ، يمكن أن يصبح إدخال المحول ثابتًا. الثبات هو شرط غير مؤكد ، حيث يمكن للمحول العمل في ظل شرطين مستقرين للإدخال ، لكل منهما كفاءته الخاصة. خرج المحول طبيعي ، لكن كفاءة النظام بأكمله منخفضة جدًا.

يمكن رؤية الوجود المحتمل للثباتية في دائرة عامة في الشكل 3. يجب أن يحترم جهد الدخل حدًا أدنى ، يكون أقله صفرًا عمليًا. يضمن هذا الجهد الفرعي (يسمى VL) إيقاف تشغيل محول DC / DC لجميع الفولتية المدخلة أقل من VL. حقيقة أن المحول لا يسحب تيارًا في ظل هذه الظروف يمنع تيارات الإدخال الكبيرة من أن يتم سحبها أثناء بدء تشغيل الدائرة. عندما يتجاوز الجهد VL ، يرتفع تيار الإدخال نحو أقصى نقطة.

يجب على المصممين تصميم دائرة المحول بطريقة لا تصبح أبدًا ثابتة. يمكن ملاحظة هذه المشكلة بسهولة في الرسوم البيانية I / V ، حيث يتقاطع خط التحميل مع منحنى المحول. في بعض الحالات النادرة ، من الممكن أيضًا حدوث ظروف ثابتة ، اعتمادًا على موضع خط التحميل. عادة ، يجب ألا يلمس خط التحميل طرف منحنى محول DC / DC ، وقبل كل شيء ، يجب ألا يقع تحته.

الحد الأعلى لمقاومة R_س يسمى خط التحميل R_{ثنائي الاستقرار} ويمكن حسابها باستخدام الصيغة التالية:

يقع R_س يجب أن تكون دائمًا أصغر من R._{ثنائي الاستقرار}؛ خلاف ذلك ، فإن تشغيل المحول غير فعال للغاية ، أو قد يتوقف عن العمل. من أصعب المهام التي يواجهها المصمم معرفة هذه النسب بدقة. الحد الأقصى للكفاءة الإجمالية للمحول هو عندما يكون جهد الإمداد قريبًا جدًا من جهد الخرج ، كما ذكرنا سابقًا. يمكن تحقيق أقصى قدر من الكفاءة من خلال تقريب هاتين القيمتين من بعضهما البعض ، ولكن في بعض الأحيان لا يكون من الضروري اتخاذ مثل هذه الاحتياطات ، مما قد يؤدي إلى زيادة التكاليف. من خلال العمل الجاد على منحنيات الحمل ، يمكن تحقيق كفاءة عالية ، حتى مع الحفاظ على انخفاض التكاليف.

جودة محث

يتم تحديد كفاءة محول DC / DC بواسطة كل مكون فردي ، حتى غير المهم نسبيًا. حتى المحرِّض في الدائرة لا يفلت من هذه القاعدة. من المثير للاهتمام اختبار الكفاءات المختلفة باستخدام أي محول DC / DC وتجربة أنواع مختلفة من المحرِّض مع الحفاظ بالطبع على القيمة الاستقرائية للمكون. بالنسبة لهذا النوع من التطبيقات ، فإن معلمة المحرِّض الأكثر أهمية هي المقاومة الطفيلية النسبية. كلما انخفضت قيمة المقاومة الطفيلية ، زادت كفاءة محول DC / DC.

واحدة من أهم المعلمات هي مقاومة التيار المستمر (DCR) ، وهي مقدار المقاومة التي يقدمها المحرِّض للإشارات ذات الترددات عند 0 هرتز أو بالقرب منها. تتمتع المحرِّضات بمقاومة منخفضة جدًا لإشارات التردد المنخفض ، بينما تُظهر مقاومة عالية جدًا للإشارات عالية التردد. يكون معدل DCR للمحث منخفضًا جدًا ، عادةً بين 0.01 Ω و 4 Ω. المحاثات الأكبر ، بالطبع ، لها قيمة DCR أعلى بسبب طول السلك الأطول. هنا مرة أخرى ، يجب أن يكون المصمم حكيمًا في تنفيذ محاثة منخفضة نوعًا ما ، مما يحد من تأثيرات DCR قدر الإمكان.

يوضح الشكل 4 محول DC / DC بسيط من 5 فولت إلى 3.3 فولت يعمل بمكونات تفاعلية غير مثالية. لذلك ، فإن النتائج قريبة جدًا من الشيء الحقيقي. من المثير للاهتمام الآن تجربة أنواع مختلفة من المحرِّضات ، جميعها بقيمة 47 µH ولكن قيم مقاومة مختلفة ، لمعرفة مدى كفاءة استجابة الدائرة.

يوفر السوق العديد من المحاثات للمصممين بمعدلات DCR مختلفة لنفس الحث. النماذج ذات DCR المنخفضة تكلف أكثر بالطبع. المحاثة الأعلى تتوافق مع DCR الأعلى ، والعكس صحيح. هذه المعلمة ، على أي حال ، مفيدة لتحديد الخسائر الناتجة عن تسخين السلك. لذلك يجب على المصمم اختيار DCR منخفض قدر الإمكان. فقط من خلال تحسين هذه المعلمة ستزداد كفاءة المحول بشكل كبير ، كما هو موضح في الجدول التالي. تضمنت المحاكاة استخدام نفس المكونات الإلكترونية. كان الاختلاف الوحيد بين الاختبارات المختلفة هو تغيير قيمة DCR للمحث L1 فقط ، باستخدام 16 مثالًا من محاثات 47-µH ، مع مقاومة داخلية تتراوح بين 30 متر مكعب و 480 متر مكعب. النتائج تتحدث عن نفسها: تؤدي قيمة DCR المنخفضة إلى قيمة كفاءة أعلى وتسخين أقل للمحول.

لا تقتصر مهمة المصمم على تصميم المحول فحسب ، بل تتمثل أيضًا في اختيار أفضل المكونات الإلكترونية في السوق ، على سبيل المثال ، المحاثات ، حتى لو كانت باهظة الثمن. لذلك ، يجب على المرء أن يكون حذرًا من الأجهزة التي تُباع بأسعار منخفضة جدًا ، حيث من شبه المؤكد أنها لا تمتثل تمامًا لجميع لوائح الكفاءة والسلامة. تعني الكفاءة العالية أن الطاقة الأقل تبدد بشكل غير ضروري في شكل حرارة ، كما أن الإدارة الحرارية للمحول تصبح أقل إشكالية وأبسط.

خاتمة

تصميم محول DC / DC ليس بسيطًا. للحصول على أقصى أداء حقًا منه ، يجب حساب العديد من المعلمات ، وتختلف كل حالة استخدام وكل حالة تشغيل. لسوء الحظ ، لا يمكن تعميم المعادلات ، ويجب حساب قيم الكفاءة لكل تطبيق للعثور على أفضل نقطة تشغيل ، اعتمادًا على المصدر ومقاومة الحمل.

لطالما كان جيوفاني مولعًا بالإلكترونيات والرياضيات والأعمال اليدوية. وهو مبرمج كمبيوتر ومدرس لعلوم الكمبيوتر والرياضيات. إنه يحب الشخصيات ويبحث دائمًا عن أرقام رئيسية كبيرة. كما كتب كتابًا عن برمجة PIC Microcontroller 16F84 باستخدام mikroBasic. هو صاحب شركة Elektrosoft ، وهي شركة تتعامل مع الإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات. إنه مدرب ومعلم بدوام كامل.