Por que os reguladores de comutação buck (step-down) exigem um indutor e diodo?

Então, eu entendo, pelo menos em um nível básico, o método de operação dos conversores de comutação, ambos buck e boost. O que me intriga, porém, é o motivo pelo qual os conversores buck em particular não são mais simples.

Por que não construir um conversor buck como um comutador que carrega um capacitor, com o comutador controlado por um comparador comparando a tensão de saída com uma referência? Isso não seria muito mais simples, permitiria que você usasse um capacitor mais fácil e barato no lugar do indutor e pule completamente o diodo?

Os conversores Buck são tão simples quanto os conversores boost. De fato, eles são exatamente o mesmo circuito, apenas visto ao contrário, se tivermos a liberdade de escolher qual comutador (dentre os dois) funcionará como comutador controlado (ou ambos, se for um conversor síncrono).

Em relação ao seu segundo parágrafo, se você fizer isso, sofrerá perdas. Mais do que com um regulador comutado baseado em indutor e muito mais do que com um regulador linear. Toda vez que você conecta uma fonte de tensão a um capacitor cuja tensão inicial não é igual à da fonte de tensão, você inevitavelmente desperdiça energia. Mesmo que você não veja um resistor explícito, na vida real ele existe e (curiosamente) por menor que seja, ele desperdiçará a mesma quantidade de energia. Veja aqui .

As bombas de carga funcionam como você diz, mas são menos eficientes do que os reguladores comutados baseados em indutores.

Portanto, essa é a justificativa para a complexidade - aparentemente desnecessária - dos reguladores comutados baseados em indutores.

Mais : para tentar dar a você a intuição de por que existem conversores buck e boost, consulte esta figura.

Se você tentar mover energia entre duas fontes de tensão que não são iguais ou entre duas fontes de corrente que não são iguais, você terá perdas inevitáveis. Por outro lado, você pode mover a energia (e mesmo fazendo alguma tensão ou de dimensionamento atual no caminho) sem qualquer perda, se você conectar uma fonte de tensão de uma fonte de corrente. O elemento físico passivo que mais se assemelha a uma fonte atual é um indutor. É por isso que existem reguladores comutados baseados em indutores.

As bombas de carga estariam na coluna da esquerda. Sua eficiência máxima teórica é inferior a 100% (a eficiência real depende da diferença de tensões e capacitâncias). Reguladores comutados baseados em indutor estão na coluna da direita. Sua eficiência máxima teórica é de 100% (!).

O problema com o que você está descrevendo é atual. Em um conversor buck, você pode obter uma média de 10A com apenas 5A de entrada, porque os outros 5A atingem a saída através do diodo. E o diodo é apenas inclinado para a frente por causa do chute indutivo. Sem o indutor e o diodo, existe apenas um caminho para a corrente fluir para a saída, e isso é direto da entrada. Com essa topologia, se sua corrente média de saída for 10A, sua corrente média de entrada também deverá ser 10A. E se você está perdendo tensão da entrada para a saída, enquanto a corrente permanece a mesma, a energia perdida é dissipada como calor. Isso anula o propósito de usar um regulador de comutação em vez de um regulador linear em primeiro lugar.

Além disso, se você usar duas tampas em tensões diferentes e simplesmente fechar um interruptor entre elas, a corrente instantânea será muito, muito grande. Modele cada tampa como uma fonte de Thevenin, uma fonte de tensão perfeita com resistência em série. A resistência do caminho entre as duas fontes perfeitas será a resistência no estado do dispositivo de comutação, mais a VHS de ambas as tampas. A ESR das tampas provavelmente será da ordem de 1 mOhm, se não muito menos. A resistência no estado de um transistor pode variar, mas provavelmente não excede 100 mOhm. Portanto, se você tiver uma diferença de 10V entre entrada e saída, sua corrente instantânea de entrada / chave ao ligar a chave será de pelo menos 100A e possivelmente tão alta quanto milhares de ampères.

Obviamente, você terá esses picos de vez em quando, dependendo da carga de saída e da rigidez do seu loop de comparação. O resto do tempo, sua corrente de entrada / comutação é zero. Portanto, você pode obter uma média de 1 A, mas o que a entrada vê são picos de 1000 A em um ciclo de trabalho de 0,1%. Grandes picos de corrente regulares como esse tornarão um problema de fusão adequado; a corrente RMS desse tipo de onda acaba sendo algo como 18x a corrente média! Eles também exigem um interruptor mais robusto, que não sature com correntes instantâneas tão altas. Para não falar do ruído eletromagnético que esse arranjo adiaria!

É melhor deixar o transistor no modo analógico e apenas ajustar a tensão da porta para que a resistência da fonte de drenagem mantenha a tampa de saída na tensão desejada. E aí você tem um regulador linear.

Nick - deixarei em grande parte a discussão do conversor do indutor para outras pessoas e abordarei:

Por que não construir um conversor buck como um comutador que carrega um capacitor, com o comutador controlado por um comparador comparando a tensão de saída com uma referência? Isso não seria muito mais simples, permitiria que você usasse um capacitor mais fácil e barato no lugar do indutor e pule completamente o diodo?

Usando métodos MUITO especiais, é possível fabricar conversores de capacitores que transformam energia de maneira eficiente de um nível de tensão para outro. MAS métodos simplistas falham mal. Um conversor de capacitor de estágio único que reduz pela metade a tensão ao descarregar a carga de um capacitor para outro de igual capacitância tem uma eficiência TEÓRICA de 50% e uma prática que não é mais do que a teórica e provavelmente menor. Isto é devido à simples aplicação das 'leis da física'. A triste realidade é que os requisitos para obter uma boa eficiência são muito mais facilmente atendidos com um conversor de base de indutor do que com um conversor baseado em capacitor.

Experimente este experimento simples.
Pegue dois capacitores C1 e C2 de igual capacitância.
Carregue C1 para dizer 10V.
Uma fórmula básica que relaciona carga e capacitância é V = kQ / C, em
que V é a tensão do capacitor, k é uma constante, Q é a carga e C = capacitância. Agora conecte C2 a C1.
A cobrança em C1 agora será compartilhada igualmente entre C1 e C2.
Portanto, a tensão em cada capacitor é de 5V - ou seja, porque a carga em cada um é metade do original ou porque a capacitância dobrou - duas maneiras de ver a mesma coisa.

Por enquanto, tudo bem.

MAS a energia em um capacitor é de 0,5 x C x V ^ 2.

Inicialmente acima E = 0,5 x C x 10 ^ 2 = 50C unidades de energia.
Após combinar os dois capacitores, energia por cap = 0,5 x C x 5 ^ 2 ou, para dois caps,
energia = 2 x 0,5 x C x 5 ^ 2 = 25C ​​unidades de energia.
Oh céus ! :-(.
Apenas combinando os dois capacitores e fazendo com que eles compartilhem a carga, conseguimos a energia presente!
Metade da energia foi perdida no processo!
Esse fato aparentemente bizarro e inexplicável se deve a perdas de energia resistivas durante a transferência. É MELHOR perdermos metade da energia se a tensão cair pela metade dessa maneira.O resultado mínimo de energia perdida é o mesmo, se usamos um grande valor de resistência para transferir energia ou um valor muito baixo como um pedaço de fio - uma pequena fração da um ohm.No último caso, temos correntes extremamente altas.

Uma solução "óbvia" é "colocar os capacitores uns sobre os outros" para carregá-los e colocá-los em paralelo para descarregá-los. Isso funciona! Por um ciclo. Eficiência teórica = 100%. Ao fazer isso na prática, neste caso, são necessários pelo menos 2 x comutadores com complexidade e perdas e funciona apenas na proporção 2: 1. Pior, se reduzirmos a tensão da tampa com a carga para que ela precise ser recarregada para o próximo ciclo, descobrimos que a recarga tem as mesmas perdas resistivas de antes. Só obtemos 100% de eficiência teórica se não consumirmos energia :-(.
Uma solução é fazer com que a tensão do capacitor diminua apenas uma quantidade muito pequena e recarregue apenas uma pequena quantidade. Se fizermos isso, a eficiência poderá ser próxima de 100%, mas precisaremos de grandes tampas por corrente de carga (como a maior parte da capacidade é usada apenas para manter a tensão estável) e ainda temos apenas uma taxa de conversão de 2: 1. Outros índices podem ser alcançados, mas é irritante, complexo e caro, e tem poucas ou nenhuma vantagem sobre o uso de indutores na maioria dos casos. Alguns conversores muito especializados funcionam dessa maneira, mas são raros. E você pode comprar ICs de conversão para cima ou para baixo com algumas taxas fixas, como 2: 1, 3: 1, 4: 1, mas geralmente são de baixa potência, Vout cai com carga (Zout mais alto do que o legal) e geralmente são inferiores de várias maneiras para um conversor baseado em indutor.

É por isso que você geralmente vê um conversor de buck fácil, simples e barato, bom em uso para redução de tensão. O conversor atual usa 1 x L, 1 x D, 1 x comutador (MOSFET ou o que seja) e o resto é "cola" ou melhorias. O controlador também pode ser muito simples.

Seria impossível manter a tensão do capacitor constante. Cada vez que você fecha o comutador, você descarrega uma voltagem (qual voltagem?) E a voltagem aumenta devido a um pico de corrente alto. O capacitor também não gostaria. E você perderá muita energia na troca.

Em um comutador, a bobina faz com que a corrente que carrega o capacitor aumente suavemente e que, em média, segue a corrente de carga. O diodo é necessário para quando o comutador abrir. Nesse momento, a bobina construiu um campo magnético cuja energia tem que ir a algum lugar. O diodo fecha o circuito que permite que a corrente da bobina permaneça fluindo.

Graças aos dispositivos de comutação mais avançados, os conversores buck são muito mais simples de construir hoje em dia do que a teoria da operação sugere. E eles podem alcançar até 95% de eficiência, o que apenas ligar e desligar um capacitor nunca pode fazer.

A maneira mais simples de entender a necessidade do diodo é pensar em quantas vezes os elétrons podem passar pela carga a cada vez que passam pelo suprimento. Se não houver diodo, todos os elétrons que passam pela carga devem retornar novamente ao suprimento antes que possam revisar a carga. A adição do diodo permite que alguns elétrons visitem a carga, passem pelo diodo e visitem a carga novamente sem precisar voltar ao suprimento. A bobina é necessária porque, sem ela, os elétrons que passam pela carga e atingem o diodo não terão energia suficiente para passar pelo diodo e visitar a carga novamente. A bobina absorve o excesso de energia dos elétrons que estão saindo frescos do suprimento e depois os alimenta com os elétrons recirculados.

Você pode reduzir a tensão CC com uma relação de resistores, uma em série, Rs e o resistor, RL e carga em derivação para comum, mas você sabe que não é eficiente com perda de potência = V * I na série Rs.

Você pode renunciar com uma relação de resistor comutada (como você sugeriu) e, em seguida, a resistência em série é uma função do ciclo de trabalho e alternar a resistência efetiva em série (ESR),

portanto Rs = ESR / T {onde T está ligado tempo / tempo de ciclo para T = 0 a 1}

Agora sua carga precisa de capacitância para estabilizar a tensão e talvez um zener ativo e ainda haverá perda no resistor em série. Considere a proporção 10: 1, a corrente é 10x mais alta, mas em 1/10 do tempo, então P = V * I * T, a perda de energia é a mesma que um regulador linear. Faz sentido?

O indutor fornece a corrente constante enquanto diminui a tensão. Como a corrente é amplamente reativa e fora de fase para o sinal CA comutado por relógio como um dispositivo de redução, é muito mais eficiente. Faz sentido? Ao fazer a impedância reativa muito menor que a carga, você pode se tornar ainda mais eficiente. Isso significa aumentar a taxa de comutação e o valor da indutância. Porém, a saturação de ferrita atinge um limite prático de corrente e é essencial usar ferrite com folga de ar para correntes muito maiores.