معرفی رگولاتور سوئیچینگ باک

معرفی رگولاتور سوئیچینگ باک:
مبدل باک یک مدار منبع تغذیه سوئیچینگ است که برای کاهش ولتاژ ورودی بدون تغییر پلاریته آن طراحی شده است. به عبارت دیگر، رگولاتور سوئیچینگ باک یک مدار کاهنده ولتاژ است که برای مثال، ولتاژ 12+ ولت را به ولتاژ 5+ ولت تبدیل می کند.

رگولاتور باک یک مبدل DC به DC و یکی از ساده ترین و البته محبوب ترین رگولاتورهای سوئیچینگ است. در مدار این مبدل، مطابق شکل زیر یک ترانزیستور یا ماسفت یا IGBT قدرت وجود دارد.

همان طور که در مدار شکل بالا می بینیم، در مبدل باک ترانزیستور سری TR1 وجود دارد که وظیفه آن کنترل ولتاژ خروجی است. مبدل باک، بسته به اینکه ترانزیستور سوئیچینگ TR1 روشن یا خاموش باشد، دو وضعیت عملکرد دارد.

وقتی ترانزیستور بایاس ON باشد، دیودD1 بایاس معکوس شده و ولتاژ ورودی VIN سبب برقراری جریان در سیم پیچ سلف شده و از طریق آن خازن متصل به بار را شارژ می کند.

وقتی جریان از سلف می گذرد، یک نیروی محرکه الکتریکی معکوس (Back-EMF) تولید می کند که طبق قانون فارادی تا زمانی که به یک حالت ماندگار برسد با عبور جریان مخالف است.

هنگامی که ترانزیستور خاموش می شود، ولتاژ ورودی مدار امیتر برای لحظه ای قطع خواهد شد و سبب می شود میدان مغناطیسی حول سلف با یک ولتاژ معکوس کاهش یابد.

این ولتاژ معکوس باعث می شود دیود بایاس مستقیم شده و انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی سلف سبب ادامه عبور جریان در جهت قبلی خواهد شد. این جریان، بار را تغذیه می کند و از طریق دیود به سلف بر می گردد.

در این حالت، تا زمانی که ترانزیستور به وضعیت هدایت برگردد، سلف، مانند یک منبع، بار را تغذیه می کند.

همزمان، خازن نیز تخلیه می شود و جریان بار را تأمین خواهد کرد. ترکیب سلف و خازن یک فیلتر LC را تشکیل می دهد که ریپل خروجی ایجاد شده توسط سوئیچینگ ترانزیستور را حذف می کند.

بنابراین، وقتی ترانزیستور هدایت کند، جریان از منبع کشیده می شود و هنگامی که هدایت نکند، جریان توسط سلف تأمین خواهد شد. توجه کنید که جریان گذرنده از سلف باید همواره در یک جهت باشد.

از آن جایی که ترانزیستور به طور مداوم خاموش و روشن می شود، مقدار ولتاژ خروجی میانگین آن را می توان با استفاده از پارامتری به نام «سیکل وظیفه» (Duty Cycle) یا سیکل کاری تعیین کرد. سیکل وظیفه برابر است با نسبت زمان هدایت ترانزیستور به مجموع زمان هدایت و قطع آن.

اگر VIN ولتاژ ورودی باشد و مدت زمان روشن و خاموش بودن ترانزیستور به ترتیب، t ON و tOFF باشند، ولتاژ خروجی مبدل باک به صورت زیر قابل بیان است:

با استفاده از تعریف سیکل کاری می توان ولتاژ خروجی را به صورت زیر نوشت:

بنابراین، هرچه سیکل کاری زیاد شود، ولتاژ خروجی DC میانگین منبع تغذیه سوئیچینگ نیز افزایش می یابد.

با توجه به رابطه اخیر می توان دید که ولتاژ خروجی همواره از ولتاژ ورودی کوچک تر است؛ زیرا سیکل کاری همواره در مقداری کوچک تر از یک قرار دارد.

یکی از مزایای مبدل باک این است که ترکیب سلف و خازن آن سبب فیلترسازی مناسب جریان خواهد شد. در حالت ایده آل، مبدل باک باید در مُد سوئیچینگ پیوسته کار کند و جریان سلف هیچ گاه صفر نشود.

اگر عناصر مدار ایده آل باشند، در وضعیت ON سوئیچ افت ولتاژ صفر خواهد بود و بازدهی مبدل باک صد درصد است.