Pourquoi les commutateurs sont-ils plus efficaces que les régulateurs linéaires?

Il est bien connu que les régulateurs à découpage sont plus efficaces que les régulateurs linéaires. Je sais également que le régulateur linéaire doit dissiper la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie multipliée par le courant sous forme de chaleur.

Mais pourquoi cela ne s'applique-t-il pas aux régulateurs à découpage dans les mêmes conditions: même tension d'entrée et même tension et courant de sortie?

Je sais que les commutateurs peuvent devenir chauds; J'en ai une sur une planche qui devient si chaude que vous pouvez à peine la toucher, mais là encore, elle ne fait que 2 1/2 millimètres de chaque côté et ressemble à une fourmi par rapport à un trou traversant 7805 avec son dissipateur de chaleur.

Les régulateurs linéaires fonctionnent en plaçant efficacement une résistance variable contrôlée entre la source et la charge. Tout le courant de la charge traverse cet élément résistif. Et la tension aux bornes est égale à la différence entre la tension source et la tension de charge. Donc, la puissance dissipée est

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

Les régulateurs de commutation fonctionnent en modifiant le rapport cyclique du flux de courant sur un cycle de commutation, puis en faisant la moyenne de la sortie à l'aide d'un filtre. Pendant une partie du cycle, un courant élevé circule avec une faible chute de tension. Pendant l'autre partie du cycle, pratiquement aucun courant ne circule avec une chute de tension élevée. Aucune de ces conditions ne dissipe autant de puissance que de chaleur. Idéalement, la puissance perdue devient

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

ce qui est, bien sûr, 0 W. Typiquement, une grande partie de l'inefficacité dans le monde réel est due à la perte de puissance pendant l'intervalle de commutation très court entre les parties "marche" et "arrêt" du cycle.

Habituellement, la commutation des régulateurs est plus efficace, mais pas toujours.

Un régulateur linéaire idéal a une chute de tension et il y a un élément de passage linéaire tel qu'un transistor qui agit comme une résistance, donc la perte de puissance dans le cas idéal est P = , comme vous dites. C'est le cas idéal, en réalité, le régulateur a besoin d'un peu de courant pour fonctionner, et il peut y avoir un composant qui dépend du courant de sortie. Certains régulateurs linéaires LDO qui dépendent d'éléments de passage PNP latéraux peuvent avoir une consommation très élevée près du décrochage - peut-être 100mA gaspillés pour un courant de sortie de 1A (parce que les transistors PNP fabriqués avec certains processus IC ont tendance à avoir un gain de courant assez merdique). I ⋅ ( V I N - V O U T$V_{IN} - V_{OUT}$$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$

Un régulateur de commutation (buck) idéal ressemble à ceci:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Lorsque le commutateur est un transistor, et D1 peut être une diode ou ce peut être un autre transistor. Dans le cas idéal, il n'y a pas de mécanisme de perte d'énergie . La diode se bloque parfaitement ou conduit parfaitement, le commutateur fait de même, l'inductance n'a pas de résistance CC et le condensateur n'a pas d'ESR. Donc, la puissance d'entrée est égale à la puissance de sortie. Bien sûr, la réalité ne peut que s'approcher de cet idéal. Il y aura des pertes «indirectes» et des pertes qui augmenteront avec l'augmentation du courant.

Notez que l'inductance est une partie critique de ce circuit - si vous essayez de l'omettre, la tension inamovible (à court terme) sur C1 se heurterait à la tension inamovible sur Vin et le courant deviendrait infini. Dans un circuit réel, SW1 aurait une certaine résistance et il deviendrait aussi chaud que le transistor de passage dans le régulateur linéaire (sauf qu'il produirait également des tonnes d'EMI).

Il est bien connu que les régulateurs à découpage sont plus efficaces que les régulateurs linéaires.

Vers un point. Mettre 3,5 V dans un régulateur linéaire LDO 3,3 V donne une efficacité de 94%. Vous auriez du mal à trouver un régulateur de commutation qui puisse le faire.

Je sais également que le régulateur linéaire doit dissiper les différences entre la tension d'entrée et la tension de sortie fois le courant sous forme de chaleur.

Oui, mais les régulateurs linéaires doivent consommer autant ou légèrement plus de courant pour un courant de sortie donné, tandis que les régulateurs de commutation échangent la baisse de tension de sortie contre une diminution du courant d'entrée, et utilisent donc généralement moins de puissance qu'un régulateur linéaire globalement configuré de manière similaire.

Les commutateurs idéaux ne dissipent aucune puissance. Ils prennent un peu de puissance du côté entrée, le stockent puis le libèrent du côté sortie.

L'énergie est stockée soit dans un champ magnétique à l'intérieur d'une inductance, soit dans un champ électrique dans un condensateur.

En raison des non-idéalités des composants réels, comme l'ESR dans les inductances, ils dissipent un peu de puissance. Ils perdent également de la puissance lors de la commutation des transistors. De l'énergie est également perdue dans le contrôleur.

Mais pourquoi cela ne s'applique-t-il pas aux commutateurs de régulation avec les mêmes conditions

Pour un régulateur linéaire en série, la source fournit une puissance 100% du temps et une partie de cette puissance doit être gaspillée car (1) la tension (amplitude) de la source est supérieure à la charge et (2) le courant de la source doit être quelque peu supérieur à le courant de charge.

Cependant, pour un régulateur à découpage, la source ne fournit de l'énergie que sur une fraction d'une période de commutation. Pendant ce temps, une partie de la puissance fournie par la source est fournie à la charge et le reste est fourni aux éléments du circuit de stockage d'énergie - très peu est gaspillé.

Ensuite, pendant le temps d'arrêt, les éléments du circuit de stockage d'énergie fournissent de l'énergie à la charge.

C'est la différence cruciale - seule une puissance suffisante est tirée de la source pendant le temps de marche pour alimenter la charge en continu.

Par exemple, si la charge nécessite 5W continus, la source peut fournir 10W 50% du temps et 0W les 50% restants pour une puissance moyenne de 5W. Les éléments du circuit de stockage d'énergie «lissent» le flux d'énergie - absorbant la puissance excédentaire pendant le temps de marche, puis la délivrant pendant le temps d'arrêt.

Un régulateur de commutation buck-boost idéal peut être modélisé comme une paire de capuchons connectés directement à l'entrée et à la sortie, une bobine et certains circuits de routage qui peuvent basculer entre trois configurations (un circuit buck-only, boost-only ou inverser serait seulement besoin de deux).

1. L'entrée se connecte à la sortie via la bobine
2. La bobine est connectée directement sur l'entrée
3. La bobine est connectée directement sur la sortie

Supposons que les composants se comportent de manière idéale (pas de pertes résistives ou de commutation, etc.), les bouchons de source sont à 10 V, la sortie consomme 1 A, le commutateur passe la moitié de son temps dans la première configuration, la moitié dans la troisième et passe suffisamment vite pour que le les tensions de capuchon et le courant de bobine n'ont pas de chance de changer beaucoup au cours de chaque cycle.

Dans un état "stable", sous réserve des conditions ci-dessus, la bobine aura un ampère qui la traversera tout le temps (car elle sera toujours en série avec une charge de 1 ampère). Si le capuchon de sortie est assis à cinq volts, la moitié du temps, la bobine aura + 5V à travers, et la moitié du temps, elle aura -5V, donc en moyenne son courant restera à 1 ampère. La moitié du temps, le plafond de la source aura un ampli retiré (lorsqu'il est connecté à la bobine) et la moitié du temps, il n'en aura pas, de sorte que la source verra un demi-ampère de courant.

La façon la plus simple de voir comment un commutateur peut tirer moins de courant de la source que la charge n'en tire est de regarder où les électrons circulent: la moitié des électrons qui traversent la charge proviendra de la source, et la moitié sera commuté pour contourner la source. Ainsi, la charge aura deux fois plus de courant qui la traversera que la source.

Pour ennuyer tout le monde avec la bonne vieille analogie du débit d'eau, j'ajouterai ceci: supposons que nous avons trois niveaux de hauteur H ₁ , H _½ , H ₀ ; un approvisionnement en eau vient de H ₁ , puis coule à H _½ un peu vers sa destination, un moulin ou quelque chose, puis revient complètement sur H ₀ . Le régulateur est à la transition de H ₁ à H _½ .

• Un régulateur linéaire est une cascade: les électrons viennent de tonner et libèrent leur potentiel d'énergie thermique dans l'environnement. Le courant sur H _½ sera le même que sur H ₁ .

• Un mélangeur ne laisse pas seulement couler l'eau, mais l'abaisse de manière contrôlée par portions dans des seaux. Chaque seau qui descend de H _{1 a} besoin d'un contrepoids, la chose naturelle à utiliser est un autre seau d'eau , de H ₀ !