Qual tem melhor eficiência: regulador de tensão de comutação step-up ou step-down?

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Eu tenho um circuito de bateria de lítio que converte 4.2V (duas células de 4.2V em paralelo) em 5V. Outra opção é usar um conversor abaixador de 8,4V (duas células de 4,2V em série) para 5V. Considerando que os dois circuitos citados estão bem implementados, qual opção seria mais eficiente em termos de dissipação de energia?

Estou procurando por alguma regra geral, pois "a redução é sempre preferível a uma redução" ou "a diferença absoluta de tensão é importante" etc.

voltage-regulator switching-losses viyps
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Relacionado, mas não sobre eficiência: Aumente a tensão ou diminua a tensão ao usar baterias?
viyps 30/09
Ambos são teoricamente semelhantes quando alimentados a partir de fontes de tensão ideais, mas você está usando baterias e isso faz a diferença. Você pode achar que as baterias da série em 8.4v são melhores que as paralelas em 4.2v.
Andy aka

Respostas:

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Os conversores de impulso são normalmente menos eficientes do que os conversores Buck, mas não muito. A razão fundamental tem a ver com a corrente do indutor fluindo diretamente para o solo durante o horário de funcionamento, em vez de através da carga, como ocorre nos conversores Buck. Há um artigo do EE-Times que menciona o seguinte: Desembaralhar as perdas de energia ao trocar conversores de impulso

Geralmente, no entanto, como a corrente do indutor flui para o terra durante o tempo ligado, apenas uma fração (razão entre o tempo desligado e o período) flui para a saída, conforme ilustrado pelas correntes pulsantes da Figura 2 (essa é a razão pela qual os conversores de impulso geralmente são menos eficiência energética do que os conversores buck)

Figura 2. Composição atual e distribuição através de um conversor de impulso

Como as diferenças de eficiência não são significativas, é melhor você provavelmente decidir sobre critérios adicionais em vez da eficiência do regulador, incluindo:

  • Complexidade do carregador (célula única é mais simples).
  • Custo
  • Tamanho
  • As células em série serão limitadas pela sua célula mais fraca.
  • As células em paralelo tendem a se carregar, e há um impacto na eficiência devido ao processo químico.
  • Perdas devido a corrente de entrada mais alta com tensões mais baixas (células paralelas).
apalopohapa
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As baterias geralmente não gostam muito de ser conectadas diretamente em paralelo, pois qualquer incompatibilidade na tensão de circuito aberto resultará em uma corrente de alimentação de bateria de alta tensão na mais fraca. Se alguém estiver usando baterias recarregáveis ​​e os estados de carga estiverem suficientemente próximos, isso pode simplesmente resultar nas baterias tentando se igualar. Ao usar baterias de célula primária, no entanto, ou se os estados de carga não estiverem particularmente próximos, esse fluxo de corrente pode ser prejudicial para as duas baterias.

A fiação das baterias em série costuma ser mais segura, desde que a corrente seja desligada antes que a tensão de qualquer bateria caia abaixo de seu nível mínimo de segurança. Para baterias de célula primária, o nível mínimo de segurança é de aproximadamente zero volts (a preocupação não é "danificar" uma bateria descarregada e inútil, mas a possibilidade de que uma bateria de célula primária com acionamento reverso possa despejar produtos químicos nocivos em circuitos próximos). Para baterias recarregáveis, a voltagem mínima segura é muito maior (o esgotamento das baterias abaixo desse ponto pode acelerar muito o desgaste).

Quaisquer diferenças nas eficiências da conversão step-up versus step-down tendem a ser menores em comparação com problemas resultantes de conexões em série ou paralelas da bateria.

supercat
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Comentário antigo, mas a premissa parece um pouco instável. Se você conectar as baterias em paralelo, sempre o fará para que elas coincidam no momento da conexão. Então, eles permanecerão correspondentes porque estão em paralelo. Grandes cargas sustentadas podem incompatibilizá-las se forem IR muito diferentes, mas é improvável que seja significativo. Enquanto isso, as baterias em série precisam ser muito semelhantes para permanecerem emparelhadas sem circuitos de balança. Isso torna as conexões em série, de muitas maneiras, as mais difíceis. NiMH é um animal diferente, por razões que não conheço. Talvez você estivesse pensando neles, mas eles são a exceção.
Tomek