ماژول افزاینده/کاهنده چیست؟

مبدل‌های افزاینده/کاهنده (Buck-Boost) یک نوع مبدل DC-DC هستند که اندازه ولتاژ خروجی معمولاً بزرگ‌تر یا کوچک‌تر از ولتاژ ورودی است. این مبدل ترکیبی از مبدل‌های Buck و Boost است. مبدل Buck همان مبدل کاهنده و مبدل Boost همان مبدل افزاینده است که کارکرد این دو در کنار هم باعث می‌شود ولتاژ خروجی بزرگ‌تر یا کوچک‌تر از ولتاژ ورودی شود. یکی از بارزترین ویژگی‌های این مبدل این است که در آن همانند مبدل های فلای بک از یک سلف به‌جای ترانسفورماتور استفاده شده است.

ابتدا بگذارید به بررسی کلی این دو مبدل بپردازیم:

ماژول افزاینده/کاهنده چطور کار می‌کند؟

نحوه کارکرد این مبدل بدین صورت است که بر اساس چرخه وظیفه دیوید موجود در آن، می‌تواند به‌عنوان یک مبدل افزاینده یا کاهنده کار کند. مطابق شکل 1 منبع ولتاژ ورودی به یک کلید حالت جامد وصل شده است. کلید دوم یک دیود است. دیود به‌صورت معکوس در جهت عبور توان از منبع به خازن و در نتیجه بار قرار گرفته است. همان‌طور که می‌بینیم، بار و خازن نیز با یکدیگر موازی هستند. کلیدِ کنترل شده با استفاده از مدولاسیون PWM روشن و خاموش می‌شود.در واقع این مبدل یک مبدل از نوع سوییچینگ می باشد.

مدولاسیون پهنای پالس می‌تواند مبتنی بر زمان یا فرکانس باشد. درواقع اگر زمان وصل بودن کلید را TON و زمان قطع بودن آن را TOFF در نظر می‌گیریم. دوره زمانی را T تعریف می‌کنیم که برابر با T= TON+TOFF است و فرکانس سوئیچینگ برابر fswitching=1T خواهد بود. در این صورت چرخه وظیفه آن (Duty Cycle) برابر D =TONT  خواهد بود. مدولاسیون مبتنی بر فرکانس معایبی از جمله محدوده گسترده فرکانس‌ها برای دستیابی به کنترل کلید برای رسیدن به ولتاژ خروجی مطلوب دارد. در مبدل‌های DC/DC اغلب از مدولاسیون مبتنی بر زمان استفاده می‌شود.

در واقع این مبدل‌ها در دو مد کار می‌کنند:

1. مد اول(مد روشن): زمانی که کلید وصل باشد و دیود قطع باشد.

در این مد، کلید وصل بوده و به همین دلیل، همه جریان از آن عبور کرده و به سلف وارد می‌شود و پس از آن به منبع DC باز می‌گردد. در زمان وصل بودن سوئیچ، سلف انرژی ذخیره می‌کند و وقتی کلید قطع می‌شود، پلاریته آن معکوس شده و جریان این بار به بار منتقل شده و از طریق دیود به سلف بر می‌گردد؛ بنابراین، جهت جریان سلف تغییری نمی‌کند.

شکل (2): مدار مبدل در مد اول

مبدل باک بوست را در حالت مانا برای این مد با استفاده از KVL تحلیل می‌کنیم. در این صورت، معادلات زیر را خواهیم داشت:

Vin=VL

VL=LdiLdt= Vin

diLdt=∆iL∆t=∆iLDT=VinL

از آن جایی که کلید به مدت TON=DT وصل است، می توان گفت که ∆t=DT و داریم:

(∆iL)closed=VinLDT

هنگام تحلیل مبدل باک بوست باید به نکات زیر توجه کنیم: 

1. جریان سلف پیوسته است و این موضوع را می‌توان با انتخاب مقدار صحیح L تحقق بخشید.
2. جریان سلف در حالت مانا از یک مقدار با شیب مثبت شروع به افزایش می‌کند و به یک مقدار بیشینه در حالت وصل می‌رسد، سپس با یک شیب منفی به مقدار اولیه کاهش می‌یابد. بنابراین، تغییرات خالص جریان سلف در هر دوره کامل صفر است.

2. مد دوم(مد خاموش): زمانی که کلید قطع باشد و دیود وصل باشد.

در این مد، پلاریته سلف معکوس شده و انرژی ذخیره شده در آن، در مقاومت بار تخلیه شده و این موضوع به برقراری جریان در یک‌جهت در بار و همچنین افزایش ولتاژ خروجی کمک می‌کند. دلیل این امر آن است که اکنون سلف مانند یک منبع عمل می‌کند.

شکل (3): مدار مبدل در مد دوم

حال مبدل باک بوست را در مد دوم با استفاده از KVL تحلیل می‌کنیم:

Vo=VL

VL=LdiLdt= Vo

diLdt=∆iL∆t=∆iL(1-D)T=VoL

از آنجایی که در زمان TOFF=T- TON=T-DT=1-DT قطع است.خواهیم داشت:

∆t=(1-D)T

قبلاً گفتیم که تغییرات خالص جریان سلف در هر دوره برابر با صفر است:

∆iLclosed+∆iLopen=0

VoL1-DT+VinLDT=0

VoVin=-D1-D

می دانیم که D بین 0 و 1 تغییر می کند.اگر D>0.5 باشد، آن گاه ولتاژ خروجی بزرگ تر از ولتاژ ورودی خواهد بود و وقتی D<0.5 باشد، خروجی کوچک تر از ورودی است.اما اگر D=0.5 باشد، ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ ورودی است.

مدار یک مبدل باک بوست همراه با مقادیر عناصر آن در شکل 4 نشان داده شده است.

همان‌طور که می‌بینیم، اندازه اندوکتانس برابر با ۵۰ میلی‌هانری، خازن ۱۰۰ میکروفاراد و مقاومت بار ۵۰ اهم است. فرکانس سوئیچینگ نیز برابر با ۱ کیلو هرتز در نظر گرفته شده است. ولتاژ‌ ورودی ۱۰۰ ولت و چرخه وظیفه نیز برابر با ۰٫۵ در نظر گرفته شده‌اند.

اگر به شکل 4 دقت کنید، می‌بینید که آن بخش از مدار که فعال است و با رنگ قرمز نشان‌داده‌شده است در هر مد متفاوت است. در مد اول، خاموش بودن دیود باعث مستقل کارکردن بار از منبع می‌شود؛ بنابراین فقط حلقه‌های کنار فعال‌اند و در مد دوم، با باز شدن کلید، ارتباط منبع ورودی با مدار قطع می‌شود و آن قسمت‌هایی از مدار که با منبع سری نیستند به کار خود ادامه می‌دهند و دیود در این حالت نقش سیم را ایفا می‌کند.

مقایسه مبدل باک و مبدل بوست با مشخصات مبدل باک-بوست

1. در این مدار باک-بوست پلاریته خروجی معکوس پلاریته ورودی می‌باشد.
2. در یک مبدل باک بوست ایده‌آل دامنه تغییرات (تبدیل) ولتاژ خروجی می‌تواند بسیار گسترده باشد به گونه ای که از ۰ ولت تا ∞، در یک مبدل ایده‌آل باک بوست می‌توانیم خروجی داشته باشیم این در حالی است که در مبدل باک یا مبدل بوست با ورودی V تنها می‌توانیم در محدوده V تا ∞ خروجی داشته باشیم.

دسته‌بندی ماژول‌های افزاینده و کاهنده

این مبدل های باک بوست بر اساس تفاوت داشتن پلاریته ولتاژ ورودی و خروجی دارای دو نوع مختلف هستند:

1. Inverting (معکوس کننده) :

در این حالت پلاریته ولتاژ خروجی با ولتاژ ورودی متفاوت است.

2. Non-Inverting (غیر معکوس کننده) :

در این حالت پلاریته ولتاژ خروجی با ولتاژ ورودی یکسان است.

اغلب از نوع اول (معکوس کننده) استفاده می شود. البته در بعضی جاها به اشتباه این مبدل را به دو نوع مبدل باک و مبدل بوست دسته بندی می کنند. اما این مبدل ترکیبی از این دو مبدل است و انواع مختلف آن نیست.

کاربردهای ماژول افزاینده/کاهنده

به طور کلی از این مبدل ها در شارژر ها استفاده می شود. یکی از انواع این شارژر ها، شارژر های خورشیدی است. یکی دیگر از کاربرد های آن در سیستم های متصل به باتری است که باتری به عنوان ولتاژ ورودی ابتدا در شارژ کامل قرار دارد و ولتاژ خروجی با مبدل باک کمتر از ولتاژ باتری است و با کاهش یافتن ولتاژ باتری به مرور زمان، سپس مبدل باک وارد می شود و ولتاژ خروجی بیشتر از ولتاژ باتری می شود. بدین صورت ولتاژ باتری در مدت زمان زیادی در یک بازه مناسب تنظیم شده باقی خواهد ماند.

معرفی چند مدل از بهترین ماژول‌های افزاینده/کاهنده

ماژول رگولاتور اتوماتیک DC به DC کاهنده – افزاینده LTC3780

ماژول مبدل DC-DC کاهنده و افزاینده LM2596-LM2577 با امکان کنترل جریان خروجی

این ماژول ترکیبی از رگولاتور افزاینده LM2577 و رگولاتور کاهنده LM2596 با امکان کنترل جریان خروجی بوده و هم در مد کاهنده و هم افزاینده عمل میکند. به این ماژول می‌توان ولتاژ 4 الی 35 ولت اعمال کرده و ولتاژی متغیر بین 1.5 تا 25 ولت دریافت نمود. برای تنظیم ولتاژ و جریان خروجی از مولتی‌ترن‌های تعبیه شده بر روی ماژول استفاده می‌شود.

ماژول مبدل DC-DC باک بوست ZK-4KX افزاینده کاهنده ولتاژ

 با ولتاژ ورودی 5-30 ولت و ولتاژ خروجی 0.5 – 30 ولت با جریان حداکثر 4 آمپر مناسب برای شارژ باتری های خورشیدی:

مهمترین ویژگی ماژول تنظیم جریان ثابت است که مطمئناً در بسیاری از قطعات و دستگاه های الکترونیکی صرفه جویی می کند. مزیت دیگر این است که به جای پتانسیومترهای استاندارد از یک انکودر روتاری استفاده می شود که از نظر فیزیکی دوام بسیار بیشتری دارد و همچنین مقدار مورد نیاز به صورت مرحله ای تغییر می کند و می توان آن را بسیار دقیق تنظیم کرد. این یک مبدل DC-DC باک بوست است که به این معنی است که در ورودی می توانیم هر ولتاژی را در محدوده 5 ولت به 30 ولت بیاوریم و در خروجی ولتاژهایی از 0.5 ولت تا 30 ولت دریافت می کنیم. برای توضیحات بیشتر، نحوه کارکرد آن را در بخش محصول مطالعه بفرمایید.

جمع‌بندی

مبدل های باک بوست بسیار متنوع هستند و برای انجام عملکرد های واحد کنترل خروجی می توانند استفاده شوند.از این مبدل ها در مدار های مجتمع با توان کم و راندمان بالا می توان استفاده کرد.همچنین می توانند برای جلوگیری از پرش پالس در شارژ شدن استفاده شوند که از جریان و ولتاژ محافظت گنند.هر چند این مبدل ها راه حل بی نقصی نیستند. برا مثال این مبدل ها نمی توانند به بهره های بالایی برسند، زیرا در این حالت کارایی شان به شدت کاهش می یابد. اگر علاقه مند به اطلاعات بیشتر هستید، مقاله ی دیگری درباره ماژول کاهنده قابل تنظیم XL4015 در سایت موجود است و می توانید آن را مطالعه بفرمایید.