طراحی و محاسبات مبدل باک-بوست

9 زمان تقریبی مطالعه 6 دقیقه

مبدل باک-بوست (Buck-Boost Converter) نوعی مبدل DC-DC است که قادر است ولتاژ ورودی DC را هم افزایش (Boost) و هم کاهش (Buck) دهد. ویژگی منحصربه‌فرد این مبدل، امکان تولید ولتاژ خروجی با قطبیت معکوس نسبت به ولتاژ ورودی است. به عبارت دیگر، اگر ولتاژ ورودی مثبت باشد، ولتاژ خروجی منفی خواهد بود و بالعکس. این ویژگی، مبدل باک-بوست را در کاربردهایی که نیاز به تغییر سطح ولتاژ با حفظ یا معکوس کردن قطبیت وجود دارد، بسیار مفید می‌سازد.

عملکرد اصلی مبدل باک-بوست بر اساس ذخیره انرژی در یک سلف (Inductor) و سپس انتقال آن به خازن خروجی است. این فرآیند با استفاده از یک کلید الکترونیکی (معمولاً یک MOSFET) و یک دیود کنترل می‌شود. با تغییر نسبت زمان روشن بودن کلید (Duty Cycle)، می‌توان مقدار ولتاژ خروجی را تنظیم کرد.

شرکت در دوره های آموزشی طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ

نحوه عملکرد به زبان ساده:

تصور کنید یک مسیر یک‌طرفه دارید که می‌خواهید گاهی سرعت حرکت در آن را زیاد و گاهی کم کنید، اما جهت حرکت همیشه یکسان باشد. مبدل باک-بوست مانند یک سیستم هوشمند در این مسیر عمل می‌کند.

حالت باک (کاهش ولتاژ): مانند این است که بخشی از مسیر را مسدود کنید تا سرعت کاهش یابد.
حالت بوست (افزایش ولتاژ): مانند این است که یک پمپ در مسیر قرار دهید تا سرعت افزایش یابد.
معکوس کردن قطبیت: مانند این است که جهت فلش‌های نشانگر مسیر را برعکس کنید.

کاربردهای رایج مبدل باک-بوست:

شارژرهای باتری: برای شارژ باتری‌ها با ولتاژهای مختلف از منابع تغذیه با ولتاژ ثابت.
سیستم‌های انرژی خورشیدی: برای تنظیم ولتاژ خروجی پنل‌های خورشیدی و تطبیق آن با ولتاژ مورد نیاز باتری یا شبکه.
درایورهای LED: برای تأمین جریان ثابت برای LEDها با ولتاژهای مختلف.
منابع تغذیه قابل تنظیم: برای تولید ولتاژهای خروجی مختلف از یک منبع تغذیه ثابت.

اصول کار مبدل باک-بوست

مبدل باک-بوست از دو حالت عملکرد اصلی تشکیل شده است که بر اساس وضعیت کلید (معمولاً یک MOSFET) تعیین می‌شوند:

۱) حالت روشن (کلید وصل):

در این حالت، کلید (MOSFET) وصل است و جریان از منبع ولتاژ ورودی (Vin) از طریق سلف (L) به زمین (GND) جریان می‌یابد.
دیود (D) در این حالت خاموش است زیرا ولتاژ آند آن کمتر از ولتاژ کاتد آن است (بایاس معکوس).
انرژی در سلف به صورت میدان مغناطیسی ذخیره می‌شود. جریان سلف به طور خطی افزایش می‌یابد.
خازن خروجی (Cout) در این حالت، بار (Load) را تغذیه می‌کند و انرژی ذخیره شده در خود را به بار می‌دهد. بنابراین، ولتاژ خروجی به تدریج کاهش می‌یابد.

۲) حالت خاموش (کلید قطع):

در این حالت، کلید (MOSFET) قطع است و جریان نمی‌تواند مستقیماً از منبع ولتاژ ورودی به زمین جریان یابد.
به دلیل خاصیت سلف مبنی بر حفظ جریان، میدان مغناطیسی سلف شروع به فروپاشی می‌کند و یک ولتاژ با قطبیت معکوس در دو سر آن القا می‌شود.
این ولتاژ القایی، دیود (D) را روشن (بایاس مستقیم) می‌کند و جریان از سلف، از طریق دیود، به خازن خروجی (Cout) و بار (Load) جریان می‌یابد.
انرژی ذخیره شده در سلف به خازن خروجی منتقل می‌شود و ولتاژ خروجی را افزایش می‌دهد.

نکات مهم:

قطبیت ولتاژ خروجی در مبدل باک-بوست نسبت به ولتاژ ورودی معکوس است.
با تغییر نسبت زمان روشن بودن کلید (Duty Cycle)، می‌توان مقدار ولتاژ خروجی را کنترل کرد.
اگر Duty Cycle کمتر از ۵/۰ باشد، مبدل به عنوان کاهنده (Buck) عمل می‌کند و ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی خواهد بود.
اگر Duty Cycle بیشتر از ۵/۰ باشد، مبدل به عنوان افزاینده (Boost) عمل می‌کند و ولتاژ خروجی بیشتر از ولتاژ ورودی خواهد بود.
در Duty Cycle برابر با ۵/۰، از نظر تئوری ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ ورودی خواهد بود اما در عمل به دلیل تلفات قطعات کمی بیشتر خواهد بود.

محاسبات کلیدی مبدل باک-بوست

در این بخش به بررسی محاسبات مهم و کلیدی در طراحی مبدل باک-بوست می‌پردازیم. این محاسبات به شما در تعیین مقادیر مناسب قطعات و پیش‌بینی عملکرد مبدل کمک می‌کنند.

محاسبه ولتاژ خروجی

مهم‌ترین فرمول در مبدل باک-بوست، فرمول محاسبه ولتاژ خروجی (Vout) بر حسب ولتاژ ورودی (Vin) و چرخه کاری(D) است:

Vout = -Vin * (D / (1 – D))

در این فرمول:

Vout: ولتاژ خروجی
Vin: ولتاژ ورودی
D: چرخه کاری (نسبت زمان روشن بودن کلید به دوره تناوب کلیدزنی)

مثال محاسبه:

فرض کنید ولتاژ ورودی Vin برابر با ۱۲ ولت و چرخه کاری D برابر با ۶/۰ باشد. ولتاژ خروجی به صورت زیر محاسبه می‌شود:

Vout = -12 * (0.6 / (1 – 0.6))

Vout = -12 * (0.6 / 0.4)

Vout = -12 * 1.5Vout = -18 V

همانطور که مشاهده می‌کنید، ولتاژ خروجی ۱۸- ولت است که نشان دهنده افزایش ولتاژ و معکوس شدن قطبیت آن است.

محاسبه جریان سلف

محاسبه جریان سلف برای اطمینان از عملکرد صحیح مبدل و جلوگیری از اشباع سلف ضروری است.

جریان متوسط سلف (IL_avg):

IL_avg = Iout / (1 – D)

که در آن Iout جریان خروجی است.

ریپل جریان سلف (ΔIL):

ΔIL = (Vin * D * T) / L

که در آن:

T دوره تناوب کلیدزنی (T = 1/f، که f فرکانس کلیدزنی است)
L اندوکتانس سلف
جریان پیک سلف (IL_peak):

IL_peak = IL_avg + (ΔIL / 2)

انتخاب سلف و خازن

انتخاب مناسب سلف و خازن تأثیر زیادی بر عملکرد مبدل دارد.

انتخاب سلف (L):

مقدار سلف باید به گونه‌ای انتخاب شود که ریپل جریان سلف در محدوده قابل قبول باشد. معمولاً ریپل جریان سلف بین ۲۰ تا ۴۰ درصد جریان متوسط سلف انتخاب می‌شود. با استفاده از فرمول ریپل جریان سلف و با تعیین مقدار ΔIL، می‌توان مقدار L را محاسبه کرد:

L = (Vin * D * T) / ΔIL

همچنین باید به جریان اشباع سلف توجه داشت. جریان پیک سلف نباید از جریان اشباع سلف بیشتر شود.

انتخاب خازن (Cout):

مقدار خازن خروجی بر اساس میزان ریپل ولتاژ خروجی مورد نظر تعیین می‌شود. فرمول محاسبه خازن به صورت زیر است:

Cout = (Iout * D) / (f * ΔVout)

که در آن ΔVout ریپل ولتاژ خروجی است.

محاسبه ریپل ولتاژ و جریان

ریپل ولتاژ و جریان نشان دهنده تغییرات ولتاژ و جریان در خروجی و سلف هستند. این مقادیر باید در محدوده قابل قبول باشند تا عملکرد مطلوب مبدل تضمین شود.

ریپل ولتاژ خروجی (ΔVout):

همانطور که در بخش انتخاب خازن ذکر شد، با استفاده از فرمول زیر می‌توان ریپل ولتاژ خروجی را محاسبه کرد:

ΔVout = (Iout * D) / (f * Cout)

ریپل جریان سلف (ΔIL):

این مقدار نیز قبلاً در بخش محاسبه جریان سلف محاسبه شد:

ΔIL = (Vin * D * T) / L

حالات هدایت پیوسته و ناپیوسته (CCM و DCM) در مبدل باک-بوست

در عملکرد مبدل باک-بوست، جریان سلف (IL) نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند. بر اساس اینکه جریان سلف در طول یک دوره کلیدزنی به صفر برسد یا نه، دو حالت عملکرد اصلی تعریف می‌شود: حالت هدایت پیوسته (CCM) و حالت هدایت ناپیوسته (DCM).

۱) حالت هدایت پیوسته (CCM – Continuous Conduction Mode):

در این حالت، جریان سلف هرگز به صفر نمی‌رسد و همواره مقداری غیر صفر دارد. به عبارت دیگر، جریان سلف به طور پیوسته از منبع به خروجی جریان می‌یابد.
این حالت معمولاً در بارهای سنگین‌تر و زمانی که اندوکتانس سلف به اندازه کافی بزرگ باشد، رخ می‌دهد.
تحلیل و محاسبات در حالت CCM معمولاً ساده‌تر است.

۲) حالت هدایت ناپیوسته (DCM – Discontinuous Conduction Mode):

در این حالت، جریان سلف در بخشی از دوره کلیدزنی به صفر می‌رسد و برای مدتی صفر باقی می‌ماند.
این حالت معمولاً در بارهای سبک‌تر و زمانی که اندوکتانس سلف کوچک باشد یا فرکانس کلیدزنی بالا باشد، رخ می‌دهد.
تحلیل و محاسبات در حالت DCM پیچیده‌تر از CCM است.

پیامدهای طراحی:

انتخاب سلف: در حالت CCM، برای جلوگیری از ورود به حالت DCM، باید سلف با اندوکتانس بزرگتری انتخاب شود. در حالت DCM، می‌توان از سلف کوچکتری استفاده کرد که منجر به کاهش اندازه و وزن مدار می‌شود.
کنترل: کنترل ولتاژ خروجی در حالت CCM ساده‌تر است زیرا رابطه خطی‌تری بین چرخه کاری و ولتاژ خروجی وجود دارد. در حالت DCM، این رابطه غیرخطی است و کنترل پیچیده‌تر می‌شود.
تلفات: تلفات کلیدزنی در MOSFET در حالت CCM در لحظه روشن شدن بیشتر است، زیرا جریان بالایی باید به سرعت قطع شود. در حالت DCM، تلفات در لحظه خاموش شدن بیشتر است، زیرا ولتاژ بالایی در دو سر MOSFET در لحظه خاموش شدن وجود دارد.
EMI (تداخل الکترومغناطیسی): ریپل جریان بیشتر در حالت DCM می‌تواند باعث افزایش EMI شود.

تشخیص حالت عملکرد:

برای تشخیص اینکه مبدل در حالت CCM یا DCM کار می‌کند، می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد:

K = (2 * L * f) / R

که در آن:

K یک ثابت است.
L اندوکتانس سلف است.
f فرکانس کلیدزنی است.
R مقاومت بار است.
اگر K > (1 – D)، مبدل در حالت CCM کار می‌کند.
اگر K < (1 – D)، مبدل در حالت DCM کار می‌کند.

نتیجه گیری

به طور کلی، مبدل باک-بوست یک ابزار قدرتمند در الکترونیک قدرت است که با درک صحیح اصول کار و محاسبات آن، می‌توان از آن در کاربردهای مختلف به نحو احسن استفاده کرد. با این حال، باید به محدودیت‌های آن از جمله راندمان پایین‌تر نسبت به برخی توپولوژی‌های دیگر و پیچیدگی‌های کنترلی در حالت DCM نیز توجه داشت. برای آشنایی بیشتر با الکترونیک و سخت‌افزار می‌توانید وبلاگ نیراسیستم را دنبال نمایید. همچنین جهت تهیه پکیج‌های آموزشی سخت‌افزار می‌توانید به فروشگاه نیراشاپ مراجعه نمایید.