مبدل بوست در الکترونیک قدرت
تا حالا اسم مبدل بوست به گوشتون خورده؟!
مبدل بوست ولتاژ خروجی بالاتری نسبت به ولتاژ ورودی تولید می‌کنه. مثال‌هایی از مبدل بوست عبارتند از تولید پورت‌های شارژ ۵ ولت در یک باتری لیتیومی، تولید ریل‌های تغذیه در یک تلفن هوشمند، راه‌اندازی LEDها به صورت سری در یک فانوس LED یا چراغ قوه، تنظیم‌کننده ولتاژ در پروژه مبتنی بر آردوینو، ایجاد ولتاژ بالا برای اجرای موتور از یک باتری لیتیومی سلول تکی و ….
در این مقاله قصد داریم موارد زیر رو بررسی کنیم:
- مقدمه
- استراتژی کلی حفاظتی
- حفاظت با استفاده از یک MOSFET
- حفاظت با استفاده از یک سوئیچ بار
- کنترل‌کننده‌های مبدل بوست با حفاظت یکپارچه
- حفاظت با استفاده از فیوز
- نتیجه گیری
می توانید مقالات دیگر را نیز در سایت کارجویا در ارتباط با مهندسی برق مشاهده بفرمایید.
—————————
مقدمه
شکل ۱ نمایی ساده از بوست کانورتر است. این یک مدار ساده است که از خازن‌ها، انداکتور، MOSFET و دیود ساخته شده است. خروجی به وسیله یک حلقه بازخورد بسته کنترل می‌شود (به‌خاطر سادگی نشان داده نشده) با کنترل دوره کار، یعنی درصد زمانی که MOSFET روشن است. تابع انتقال یا نسبت بین ولتاژ خروجی و ولتاژ ورودی برابر است با که در آن Vout ولتاژ خروجی، Vin ولتاژ ورودی و D دوره کار است. یک مبدل بوست واقعی دارای یک تراشه کنترل‌کننده PWM است که در شکل ۱ نشان داده نشده است.
توجه کنید که اگر سرریز خروجی مبدل بوست به زمین متصل شود، آنگاه ولتاژ ورودی از طریق انداکتور و دیود به زمین کوتاه می‌شود. هیچ چیزی مانع جریانی که جریان خواهد داشت، به جز مقاومت سیم و محدودیت جریان منبع تغذیه متصل به ولتاژ ورودی نیست. اگر اقداماتی برای حفاظت از مبدل بوست انجام نشود، مبدل بوست با دیود، انداکتور یا ردیابها به آتش می‌کشد، ذوب می‌شود یا با یک شکست فاجعه‌بار دیگری روبرو می‌شود.
استراتژی کلی حفاظتی
استراتژی کلی، معرفی یک سوئیچ بین منبع تغذیه و مبدل بوست است که برای قطع اتصال مبدل بوست از منبع تغذیه در صورت بار کوتاه معرفی شده است. این سوئیچ می‌تواند به صورت یک MOSFET، یک سوئیچ بار، یک مدار تراشه مبدل بوست با یک سوئیچ حفاظتی داخلی یا یک فیوز تحقق یابد.
حفاظت با استفاده از یک MOSFET
اضافه کردن یک MOSFET به ابتدای این مبدل می‌تواند برای قطع اتصال منبع تغذیه از مبدل استفاده شود. عکسهای ۲ و ۳ را برای مدار ساده ببینید. MOSFET ممکن است نیاز به مدارهای اضافی برای بایاس کردن دروازه داشته باشد. یک MOSFET کانال n نیاز دارد تا ولتاژ دروازه‌اش بالاتر از سرریز آن باشد. این ممکن است نیاز به یک مدار درایور دروازه یا یک پمپ شارژ داشته باشد.
یک MOSFET کانال p نیاز دارد تا دروازه به زیر سرریز آن کشیده شود. اگر ولتاژ ورودی به اندازه کافی بالا باشد، می‌توان دروازه یک MOSFET کانال p را به زمین کشید تا MOSFET روشن شود. به همین دلیل، استفاده از یک MOSFET کانال p ممکن است ساده‌ترین و آسان‌ترین انتخاب باشد. توجه کنید که در هر دو نمودار، دیود بدنی MOSFET از مبدل بوست به منبع تغذیه جهت مسدود کردن جریان نشان می‌دهد، مگر اینکه MOSFET روشن شود.
در انتخاب یک MOSFET برای این برنامه، مقدار ولتاژ درین-سورس، RDS(ON) و آستانه ولتاژ دروازه مهم هستند. ولتاژ درین-سورس باید چند ولتاژی بالاتر از حداکثر ولتاژ ورودی باشد. مقاومت در حالت روشن باید کم باشد تا تلفات ( P=I۲R ) کمتری ایجاد شود. آستانه ولتاژ گیت باید به اندازه کافی پایین باشد تا MOSFET بتواند به راحتی روشن و خاموش شود.
حفاظت با استفاده از یک سوئیچ بار
یک سوئیچ بار یک MOSFET قدرت با مدارهای اضافی یکپارچه است. ویژگی‌های اضافی ممکن است شامل یک پمپ شارژ و یک تغییردهنده سطح برای بایاس دروازه MOSFET و همچنین ویژگی‌های حفاظت برای جریان‌های بیش از حد باشد که در صورت بیش‌اندازه شدن جریان، سوئیچ را خاموش می‌کند. استفاده از سوئیچ بار دارای مزایای زیر نسبت به استفاده از یک MOSFET است:
- کاهش تعداد مواد اولیه در لیست مواد (BOM)
- کاهش فضای مدارچاپی (PCB)
- کاهش پیچیدگی طراحی، زیرا نیازی به اضافه کردن مدار کنترلی اضافی ندارید.
کنترل‌کننده‌های مبدل بوست با حفاظت یکپارچه
مبدل بوستهای عملی توسط یک مدار یکپارچه کنترل می‌شوند که تبدیل توان را تنظیم می‌کند. برخی از این مدارهای کنترل کننده مبدل بوست دارای مکانیزم‌های حفاظتی مانند سوئیچ‌های بار هستند. استفاده از یک کنترل‌کننده با حفاظت یکپارچه، طراحی را ساده‌تر می‌کند، تعداد مواد اولیه در لیست مواد (BOM) را کاهش می‌دهد و فضای مدارچاپی (PCB) را کاهش می‌دهد. نمونه‌هایی از مدارهای یکپارچه مبدل بوست که دارای ویژگی‌های حفاظتی هستند، مدارهای LM4510 و TPS61080 شرکت Texas Instruments می‌باشند.
حفاظت با استفاده از فیوز
فیوز می‌تواند در ورودی یا خروجی یک این مبدل قرار داده شود تا در برابر شرایط بار کوتاه محافظت کند. به عنوان مثال، در عکس۶ نحوه انجام این کار نشان داده شده است. توصیه می شود از روش‌های دیگری که بررسی شده است استفاده شود، زیرا طراحی با فیوز مشکل‌سازتر است. در صورت بروز شرایط کوتاه مدت، فیوز منفجر شده و باید تعویض شود.
در مدارهای ساخته شده با MOSFET های حفاظت اضافی، سوئیچ‌های بار و یا حفاظت یکپارچه، در صورت کار صحیح مبدلها، هیچ قطعه‌ای نباید تعویض شود. علاوه بر این، فیوزها به سرعتی که در دیتاشیت نوشته شده نمیرسند و این می‌تواند منجر به سوختن قطعات و ردیابها قبل از انفجار فیوز شود. طراحی‌هایی که از MOSFET، سوئیچ بار و IC با حفاظت یکپارچه استفاده می‌کنند، می‌توانند در میکروثانیه‌ها یا حتی سریع‌تر از بارها جدا شوند و ایمنی و پایداری بیشتری به مدار بدهند. با این حال، راه حل فیوز ممکن است ساده‌ترین و ارزان‌ترین روش برای پیاده‌سازی باشد.
نتیجه‌گیری
این مبدل در همه جا استفاده می‌شود اما به آسیب‌پذیری در برابر بارهای کوتاه می‌افتد. در این مقاله، چندین رویکرد برای مقابله با این آسیب‌پذیری شامل استفاده از MOSFET، سوئیچ‌های بار، IC با حفاظت یکپارچه و فیوزها برای قطع ارتباط کنورتر توان در صورت بروز شرایط کوتاه بررسی شده است و ما توی این مقاله سعی کردیم درباره راه های حفاظت از مبدل بوست براتون بگیم، امیدواریم که واستون مفید واقع شده باشه.
منبع: allaboutcircuits
