Nederlands
Menu

Wat is Step-downchopper (buckconverter)?

DC-DC-omvormer die met een schakelaar, een diode (of een tweede schakelaar), een spoel en een condensator een gelijkspanning maakt die lager is dan zijn ingang. De uitgang wordt geregeld met het deel van de tijd dat de schakelaar aan staat (de duty cycle D); de ideale uitgangsspanning in continue geleidingsmodus is D × de ingangsspanning. Het is de meest gebruikte niet-geïsoleerde converter, die de cores van CPU's en SoC's voedt en uit 12 V of 5 V allerlei voedingsspanningen maakt.

Japanse benaming: 降圧チョッパ(バックコンバータ)

“Step-downchopper (buckconverter)” komt voor in 10 oefenvragen uit 2 onderwerpen, bijv. Vermogenselektronische schakelingen, Vermogenshalfgeleiders.

Vakgebied: Vermogenselektronische schakelingen

Werking en omzetverhouding

Zolang de schakelaar aan staat, staat er (Vin − Vout) over de spoel en stijgt haar stroom; zolang hij uit staat, staat er via de diode (de vrijloopdiode) −Vout over en daalt de stroom. In stationaire toestand zijn deze twee producten van spanning en tijd in evenwicht, dus (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D) geeft Vout = D × Vin. Met D = 0,25 wordt bijvoorbeeld 12 V omgezet in 3 V.

De keuze van spoel en condensator

De rimpelstroom van de spoel is ΔI = (Vin − Vout) × D/(L × f), en een vuistregel is L zo te kiezen dat die ongeveer 20 tot 40% van de uitgangsstroom bedraagt. Wanneer de uitgangsstroom onder ΔI/2 komt, daalt de stroom tot 0 en komt de converter in discontinue geleidingsmodus. Met een ideale condensator is de rimpel van de uitgangsspanning ΔI/(8fC); in de praktijk komt daar ΔI × ESR door de ESR bij.

Verliezen en een hoger rendement

De belangrijkste verliezen zijn de geleidingsverliezen van schakelaar en diode, schakelverlies en de wikkel- en kernverliezen van de spoel. Bij lage uitgangsspanningen is de voorwaartse spanning van de diode een groot deel van de uitgang, dus is synchrone gelijkrichting, die de diode vervangt door een MOSFET, standaard. Bij een grote verlaging zoals van 12 V naar 1 V is de duty cycle maar ongeveer 8%, en bij 1 MHz is de aan-tijd maar ongeveer 83 ns, wat hoge eisen stelt aan de regeling en de snelheid van de componenten.

Nu oefenen: vragen over Step-downchopper (buckconverter)

Wat is de uitgangsspanning van een ideale step-downchopper (buck-converter) bij een ingangsspanning van 12 V en een duty cycle van de schakelaar van 0,25?

  1. A3 V
  2. B9 V
  3. C48 V
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. 3 V

De uitgangsspanning van een ideale step-downchopper is “ingangsspanning × duty cycle”, dus 12 V × 0,25 = 3 V. De uitgang wordt geregeld via het aandeel van de aan-tijd van de schakelaar en met een spoel en condensator uitgemiddeld tot een gladde gelijkspanning. Met synchrone gelijkrichting, waarbij een MOSFET de diode vervangt, bedraagt het rendement meer dan 90 %. De lage voedingsspanningen van CPU’s en geheugens worden op het moederbord opgewekt met meerfasige step-downchoppers.

Welke beschrijving van de weg van de spoelstroom in een step-downchopper (buckconverter) terwijl de schakelaar uit staat, is juist?

  1. AHij blijft van de ingangsbron via de schakelaar de spoel in vloeien
  2. BHij loopt vrij via de diode en blijft van de spoel naar de uitgang vloeien
  3. CDe spoelstroom valt op het moment dat de schakelaar uitschakelt naar 0 en vloeit nergens meer
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Hij loopt vrij via de diode en blijft van de spoel naar de uitgang vloeien

In een buckconverter vloeit, zolang de schakelaar aan staat, stroom van de ingang via de spoel naar de uitgang en wordt er energie in de spoel opgeslagen. Wanneer de schakelaar uitschakelt, probeert de spoel haar stroom in stand te houden, dus gaat de diode (vrijloopdiode) geleiden en vloeit er stroom van de massa via de diode en de spoel naar de uitgang. De stroom aan de uitgangszijde wordt daardoor niet onderbroken, wat de rimpel aan de uitgang klein houdt. Deze diode vervangen door een MOSFET is synchrone gelijkrichting.

Veelgestelde vragen

Waarom kan de uitgang van een buckconverter niet hoger worden dan zijn ingang?

De duty cycle D ligt tussen 0 en 1, dus de ideale uitgang D × Vin komt nooit boven de ingangsspanning uit. De uitgang kan worden gezien als het gemiddelde van de in stukken gehakte ingangsspanning. Is een hogere spanning dan de ingang nodig, dan gebruikt men een boostconverter of een buck-boostconverter.

Waarom stijgt de uitgangsspanning bij lichte belasting bij dezelfde duty cycle?

Een buckconverter met vrijloop via een diode komt bij lichte belasting in discontinue geleidingsmodus. Zolang de spoelstroom 0 is, ligt het schakelknooppunt op de uitgangsspanning, wat het gemiddelde ervan verhoogt, zodat de uitgang boven D × Vin uitkomt. Echte voedingen houden de uitgang constant door de duty cycle met terugkoppelregeling te verlagen.

“Step-downchopper (buckconverter)” in de toelichting

Vragen met “Step-downchopper (buckconverter)” (10)

  1. Wat is de uitgangsspanning van een ideale step-downchopper (buck-converter) bij een ingangsspanning van 12 V en een duty cycle van de schakelaar van 0,25?
  2. Welke beschrijving van de weg van de spoelstroom in een step-downchopper (buckconverter) terwijl de schakelaar uit staat, is juist?
  3. Wat is de juiste grondslag voor het afleiden van de ideale uitgangsspanning Vout = D × Vin van een buckconverter?
  4. Wat is bij een ideale buckconverter met een ingangsspanning van 12 V, een uitgangsspanning van 3 V, een inductantie van 15 µH en een schakelfrequentie van 300 kHz de rimpel van de spoelstroom (top-tot-top) in continue geleidingsmodus?
  5. In een ideale buckconverter (met vrijloop via een diode) met een ingangsspanning van 12 V, een uitgangsspanning van 3 V, een inductantie van 15 µH en een schakelfrequentie van 300 kHz wordt de belastingsstroom geleidelijk verlaagd. Wat is de kleinste uitgangsstroom waarbij de continue geleidingsmodus behouden blijft (de grens met de discontinue geleidingsmodus)?
  6. Neem aan dat de volledige wisselstroomcomponent van de rimpelstroom van de spoel (0,6 A top-tot-top) in de uitgangscondensator van een buckconverter vloeit. Wat is bij een schakelfrequentie van 300 kHz en een uitgangscondensator van 25 µF (verwaarloos de ESR) de rimpel van de uitgangsspanning (top-tot-top)?
  7. Welke beschrijving van de weg van de spoelstroom in een buckconverter met synchrone gelijkrichting tijdens de dode tijd, waarin zowel de bovenste als de onderste MOSFET uit staat, is juist?
  8. Wat is bij een ideale step-upchopper (boostconverter) met een ingangsspanning van 5 V en een duty cycle van de schakelaar van 0,6 de uitgangsspanning in continue geleidingsmodus?
  9. Welke beschrijving van de continue geleidingsmodus (CCM) van een DC-DC-omvormer is juist?
  10. Welke verklaring waarom een forwardconverter een resetwikkeling op de transformator (of een klemschakeling) nodig heeft, is juist?

Vergelijkingen met deze term

Verwante termen

Duty cycle Synchrone gelijkrichting Continue geleidingsmodus Step-upchopper (boostconverter) Buck-boostconverter Dode tijd (dead time) Bodydiode Doorschietstroom (shoot-through-stroom) Schottky-barrièrediode DC-DC-omvormer

Naar de woordenlijst