스위처가 선형 레귤레이터보다 더 효율적인 이유는 무엇입니까?

스위칭 레귤레이터는 선형 레귤레이터보다 더 효율적이라는 것을 잘 알고 있습니다. 또한 선형 레귤레이터는 입력 전압과 출력 전압의 차이를 전류와 열의 차이로 소산시켜야한다는 것을 알고 있습니다.

그러나 왜 동일한 입력 전압 및 출력 전압 및 전류의 조건을 가진 스위칭 조정기에 적용되지 않습니까?

스위처가 뜨거워 질 수 있다는 것을 알고 있습니다. 나는 보드에 하나 더있어 뜨겁게 만질 수는 있지만 다시 양쪽에 2 1/2 밀리미터이며 히트 싱크가있는 관통 구멍 7805와 비교하여 개미처럼 보입니다.

선형 레귤레이터는 소스와로드 사이에 제어 된 가변 저항을 효과적으로 배치함으로써 작동합니다. 부하에 대한 모든 전류는이 저항 소자를 통해 흐릅니다. 그리고 그것을 가로 지르는 전압은 소스 전압과 부하 전압의 차이와 같습니다. 따라서 소비되는 전력은

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

스위칭 레귤레이터는 스위칭 사이클 동안 전류 흐름의 듀티 사이클을 변경 한 다음 필터를 사용하여 출력을 평균화하여 작동합니다. 사이클이 진행되는 동안 낮은 전압 강하로 높은 전류가 흐릅니다. 사이클의 다른 부분에서는 고전압 강하로 전류가 거의 흐르지 않습니다. 이러한 조건 중 어느 것도 열만큼 많은 전력을 소비하지 않습니다. 이상적으로는 전원 손실이

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

실제 세계에서의 비 효율성의 대부분은 사이클의 "온"과 "오프"부분 사이의 매우 짧은 스위칭 인터네셔널 동안 전력 손실로 인한 것이다.

일반적으로 스위칭 레귤레이터가 더 효율적이지만 항상 그런 것은 아닙니다.

$V_{IN} - V_{OUT}$$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$, 당신이 말한대로. 현실적으로 레귤레이터는 작동하기 위해 약간의 전류가 필요하며 출력 전류에 의존하는 구성 요소가있을 수 있습니다. 측면 PNP 패스 소자에 의존하는 일부 LDO 선형 레귤레이터는 1A 출력 전류에 대해 100mA가 낭비 될 수 있습니다. 일부 IC 프로세스로 제작 된 PNP 트랜지스터는 전류가 거의 크지 않기 때문에 드롭 아웃에 가까운 소비량이 매우 높습니다.

이상적인 스위칭 (벅) 레귤레이터는 다음과 같습니다.

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

스위치가 트랜지스터 인 경우, D1은 다이오드이거나 다른 트랜지스터 일 수있다. 이상적인 경우 에너지 손실 메커니즘 이 없습니다 . 다이오드는 완벽하게 차단되거나 완벽하게 작동하고 스위치도 동일하게 작동하며 인덕터에는 DC 저항이 없으며 커패시터에는 ESR이 없습니다. 따라서 전원 출력은 전원 출력과 같습니다. 물론 현실은 그 이상에만 접근 할 수 있습니다. '오버 헤드'손실과 전류 증가에 따라 증가하는 손실이 있습니다.

인덕터는이 회로의 중요한 부분입니다. 회로를 생략하려고하면 C1의 부동 (단기) 전압이 Vin의 부동 전압에 대해 상승하고 전류는 무한대가됩니다. 실제 회로에서 SW1은 약간의 저항을 가지며 선형 레귤레이터의 패스 트랜지스터만큼 뜨거워 질 것입니다 (단, 수많은 EMI를 만드는 것 제외).

스위칭 레귤레이터는 선형 레귤레이터보다 더 효율적이라는 것을 잘 알고 있습니다.

요점. 3.5V를 LDO 3.3V 선형 레귤레이터에 넣으면 94 %의 효율을 제공합니다. 이를 수행 할 수있는 스위칭 레귤레이터를 찾기가 어려울 것입니다.

또한 선형 레귤레이터는 입력 전압과 출력 전압과 전류의 열을 서로 다른 열로 분산시켜야한다는 것을 알고 있습니다.

그렇습니다. 그러나 선형 레귤레이터는 주어진 출력 전류에 대해 더 많은 또는 약간 더 많은 전류를 소비해야하는 반면, 스위칭 레귤레이터는 입력 전류 감소를 위해 출력 전압 강하를 교환하므로 일반적으로 전체적으로 유사하게 구성된 선형 레귤레이터보다 적은 전력을 사용합니다.

이상적인 스위처는 전원을 소비하지 않습니다. 입력 측에서 약간의 전력을 소비하여 저장 한 다음 출력 측에서 해제합니다.

에너지는 인덕터 내부의 자기장 또는 커패시터의 전기장에 저장됩니다.

인덕터의 ESR과 같은 실제 부품의 비 이상적 특성으로 인해 약간의 전력이 소비됩니다. 또한 트랜지스터를 전환하는 동안 일부 전력이 손실됩니다. 컨트롤러에서 일부 에너지도 손실됩니다.

그러나 왜 동일한 조건의 스위칭 조정기에 적용되지 않습니까?

직렬 선형 레귤레이터의 경우, 소스는 100 %의 시간 동안 전력을 공급하며이 전력 중 일부는 (1) 소스 전압 (크기)이 부하보다 크고 (2) 소스 전류가 부하 전류.

그러나 스위칭 레귤레이터의 경우 소스는 스위칭 기간의 일부에 대해서만 전력을 공급합니다. 이 시간 동안, 소스에 의해 전달 된 일부 전력은 부하로 전달되고 나머지는 에너지 저장 회로 요소로 전달되며 낭비는 거의 없습니다.

그리고, 오프 타임 동안, 에너지 저장 회로 요소는 전력을 부하로 전달한다.

이것은 중요한 차이입니다. 켜짐 시간 동안 부하에서 지속적으로 전원을 공급하기에 충분한 전원 만 소스에서 공급됩니다.

예를 들어, 부하에 연속 5W가 필요한 경우 소스는 시간의 10W 50 %를, 평균 5W의 경우 나머지 50 %를 0W로 전달할 수 있습니다 . 에너지 저장 회로 요소는 에너지 흐름을 '부드럽게'-켜짐 시간 동안 초과 전력을 흡수 한 다음 꺼짐 시간 동안이를 전달합니다.

이상적인 벅 부스트 스위칭 레귤레이터는 입력 및 출력에 직접 연결된 한 쌍의 캡, 코일 및 3 가지 구성 (벅 전용, 부스트 전용 또는 반전 회로 사이에서 전환 할 수있는 라우팅 회로)으로 모델링 할 수 있습니다. 두 개만 필요합니다.

1. 입력은 코일을 통해 출력에 연결
2. 코일은 입력을 통해 직접 연결됩니다
3. 코일은 출력을 통해 직접 연결됩니다

컴포넌트가 이상적인 방식 (저항성 또는 스위칭 손실 등 없음)으로 동작한다고 가정하면 소스 캡은 10V, 출력은 1A, 스위처는 첫 번째 구성에서 절반의 시간을, 세 번째 구성의 절반에서 3 분의 1의 시간을 소비하며 캡 전압과 코일 전류는 각 사이클 동안 크게 변할 기회가 없습니다.

"안정된"상태에서, 상기 조건에 따라, 코일은 항상 하나의 암페어를 통해 흐를 것이다 (왜냐하면 항상 1A의 부하 인출과 직렬이기 때문에). 출력 캡이 5 볼트 인 경우 코일이 코일을 가로 지르는 + 5V 시간의 절반, -5V가 될 시간의 절반 인 평균 전류는 1A로 유지됩니다. 소스 캡의 절반은 코일에서 1 암페어를 꺼낼 것이고 (코일에 연결될 때), 절반은 없을 것이므로 소스는 전류의 절반 암페어를 보게됩니다.

스위처가 부하에서 발생하는 것보다 소스에서 적은 전류를 소비하는 방법을 확인하는 가장 간단한 방법은 전자가 흐르는 위치를 보는 것입니다. 부하를 통과하는 전자의 절반은 소스에서 나오고 절반은 소스를 우회하도록 전환했습니다. 따라서 부하는 소스보다 2 배 많은 전류가 흐릅니다.

좋은 오래된 물 흐름 유추를 가진 모든 사람을 낳기 위해 이것을 추가하겠습니다. 우리는 세 가지 높이 레벨 H ₁ , H _½ , H ₀ ; 물의 공급은 H ₁ 로부터 나온 다음 H _½ 에서 목적지, 밀 또는 다른 곳으로 조금 흐른 다음 H ₀ 으로 되돌아갑니다 . 조정기는의 전환에있다 H ₁ 로 H _½ .

• 선형 레귤레이터는 폭포입니다. 전자가 천둥처럼 내려 와서 열 에너지로서의 잠재력을 환경에 방출합니다. 현재의 H _½은 에서와 동일하다 H ₁ .

• 스위처는 물을 흐르게 할뿐만 아니라 버킷에서 물을 조금씩 줄입니다. H ₁ 에서 내려 오는 각 버켓 은 카운터 웨이트가 필요합니다. 자연적으로 사용하는 것은 H ₀ 에서 또 다른 버켓입니다 !