¿Por qué los conmutadores son más eficientes que los reguladores lineales?

Es bien sabido que los reguladores de conmutación son más eficientes que los reguladores lineales. También sé que el regulador lineal tiene que disipar la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida multiplicado por la corriente como calor.

Pero, ¿por qué esto no se aplica a los reguladores de conmutación con las mismas condiciones: el mismo voltaje de entrada y el mismo voltaje y corriente de salida?

Sé que los conmutadores pueden calentarse; Tengo uno en una tabla que se calienta tanto que apenas puedes tocarlo, pero de nuevo tiene solo 2 1/2 milímetros en cada lado y parece una hormiga en comparación con un orificio pasante 7805 con su disipador de calor.

Los reguladores lineales funcionan colocando efectivamente una resistencia variable controlada entre la fuente y la carga. Toda la corriente para la carga fluye a través de este elemento resistivo. Y el voltaje a través de él es igual a la diferencia entre el voltaje fuente y el voltaje de carga. Entonces el poder disipado es

.$P_{lin} = I_{load}\times{}(V_{src}-V_{load})$

Los reguladores de conmutación funcionan cambiando el ciclo de trabajo del flujo de corriente durante un ciclo de conmutación, y luego promediando la salida utilizando un filtro. Durante parte del ciclo fluye una corriente alta con una baja caída de voltaje. Durante la otra parte del ciclo casi no fluye corriente con una caída de alto voltaje. Ninguna de estas condiciones disipa tanto poder como calor. Idealmente, el poder perdido se convierte en

,$P_{sw}= \mathrm{DC}(I_{on})(0\ \mathrm{V}) + (1-\mathrm{DC})(0\ \mathrm{A})(V_{off})$

que es, por supuesto, 0 W. Normalmente, gran parte de la ineficiencia en el mundo real se debe a la pérdida de energía durante el intervalo de conmutación muy corto entre las partes "activadas" y "desactivadas" del ciclo.

Por lo general, los reguladores de conmutación son más eficientes, pero no siempre.

$V_{IN} - V_{OUT}$$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$, como usted dice. Ese es el caso ideal, en realidad el regulador necesita un poco de corriente para funcionar, y puede haber un componente que depende de la corriente de salida. Algunos reguladores lineales LDO que dependen de elementos de paso PNP laterales pueden tener un consumo muy alto cerca de la caída, tal vez 100 mA desperdiciados por una corriente de salida de 1 A (porque los transistores PNP fabricados con algunos procesos IC tienden a tener una ganancia de corriente bastante mala).

Un regulador de conmutación (buck) ideal se ve así:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Donde el interruptor es un transistor, y D1 puede ser un diodo o puede ser otro transistor. En el caso ideal, no existe un mecanismo de pérdida de energía . El diodo se bloquea perfectamente o conduce perfectamente, el interruptor hace lo mismo, el inductor no tiene resistencia de CC y el condensador no tiene ESR. Entonces, el poder de entrada es igual al poder de salida. Por supuesto, la realidad solo puede acercarse a ese ideal. Habrá pérdidas que son "generales" y pérdidas que aumentan con el aumento de la corriente.

Tenga en cuenta que el inductor es una parte crítica de este circuito: si intenta omitirlo, el voltaje inamovible (a corto plazo) en C1 se enfrentaría al voltaje inamovible en Vin y la corriente se volvería infinita. En un circuito real, SW1 tendría cierta resistencia y se calentaría tanto como el transistor de paso en el regulador lineal (excepto que también produciría toneladas de EMI).

Es bien sabido que los reguladores de conmutación son más eficientes que los reguladores lineales.

A un punto. Poner 3,5 V en un regulador lineal LDO 3,3 V proporciona una eficiencia del 94%. Sería difícil encontrar un regulador de conmutación que pueda hacer eso.

También sé que el regulador lineal tiene que disipar la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida multiplicado por la corriente como calor.

Sí, pero los reguladores lineales deben consumir tanta o un poco más de corriente para una corriente de salida dada, mientras que los reguladores de conmutación intercambian la caída en el voltaje de salida por una disminución en la corriente de entrada y, por lo tanto, generalmente usan menos energía que un regulador lineal configurado de manera similar en general.

Los conmutadores ideales no disipan ninguna potencia. Toman un poco de energía del lado de entrada, la almacenan y luego la liberan en el lado de salida.

La energía se almacena en un campo magnético dentro de un inductor o en un campo eléctrico en un condensador.

Debido a las no idealidades de los componentes reales, como ESR en inductores, disipan un poco de potencia. También pierden algo de energía durante la conmutación del transistor. También se pierde algo de energía en el controlador.

Pero, ¿por qué esto no se aplica a los reguladores de conmutación con las mismas condiciones?

Para un regulador lineal en serie, la fuente suministra energía el 100% del tiempo y parte de esta energía debe desperdiciarse ya que (1) el voltaje (magnitud) de la fuente es mayor que la carga y (2) la corriente de la fuente debe ser algo mayor que La corriente de carga.

Sin embargo, para un regulador de conmutación, la fuente entrega energía solo durante una fracción de un período de conmutación. Durante este tiempo, parte de la energía entregada por la fuente se entrega a la carga y el resto se entrega a los elementos del circuito de almacenamiento de energía: se desperdicia muy poco.

Luego, durante el tiempo de inactividad, los elementos del circuito de almacenamiento de energía suministran energía a la carga.

Esta es la diferencia crucial: solo se obtiene suficiente energía de la fuente durante el tiempo de encendido para alimentar la carga continuamente.

Por ejemplo, si la carga requiere 5W continuos, la fuente puede entregar 10W el 50% del tiempo y 0W el 50% restante para una potencia promedio de 5W. Los elementos del circuito de almacenamiento de energía 'suavizan' el flujo de energía, absorbiendo el exceso de energía durante el tiempo de encendido y luego entregándolo durante el tiempo de apagado.

Un regulador de conmutación buck-boost ideal puede modelarse como un par de tapas conectadas directamente a la entrada y salida, una bobina y algunos circuitos de enrutamiento que pueden cambiar entre tres configuraciones (un circuito de solo buck, solo de refuerzo o inversor solo necesito dos).

1. La entrada se conecta a la salida a través de la bobina.
2. La bobina está conectada directamente a través de la entrada.
3. La bobina está conectada directamente a través de la salida.

Suponga que los componentes se comportan de manera ideal (sin pérdidas resistivas o de conmutación, etc.), las tapas de las fuentes se encuentran a 10 V, la salida consume 1 A, el conmutador pasa la mitad de su tiempo en la primera configuración, la mitad en la tercera y realiza ciclos lo suficientemente rápido como para que los voltajes de la tapa y la corriente de la bobina no tienen la posibilidad de cambiar mucho durante cada ciclo.

En estado "estable", sujeto a las condiciones anteriores, la bobina tendrá un amperio fluyendo a través de ella todo el tiempo (ya que siempre estará en serie con una carga de 1 amperio). Si el límite de salida está a cinco voltios, entonces la mitad del tiempo la bobina tendrá + 5V a través de ella, y la mitad del tiempo tendrá -5V, por lo que su corriente promedio será de 1 amp. La mitad del tiempo la tapa de la fuente tendrá un amplificador extraído (cuando está conectado a la bobina), y la mitad del tiempo no tendrá ninguno, por lo que la fuente verá la mitad de un amplificador de consumo de corriente.

La forma más sencilla de ver cómo un conmutador puede extraer menos corriente de la fuente de lo que la carga extrae es mirar hacia dónde fluyen los electrones: la mitad de los electrones que atraviesan la carga provendrán de la fuente, y la mitad será cambiado para omitir la fuente. Por lo tanto, la carga tendrá el doble de corriente que fluye a través de ella que la fuente.

Para aburrir a todos con la buena y antigua analogía del flujo de agua, agregaré esto: supongamos que tenemos tres niveles de altura H ₁ , H _½ , H ₀ ; un suministro de agua proviene de H ₁ , luego fluye a H _½ un poco hacia su destino, un molino o algo así, y luego regresa a H ₀ . El regulador está en la transición de H ₁ a H _½ .

• Un regulador lineal es una cascada: los electrones simplemente descienden y liberan su potencial como energía térmica al medio ambiente. La corriente en H _½ será la misma que en H ₁ .

• Un conmutador no solo deja que el agua fluya hacia abajo, sino que la baja de manera controlada en porciones en cubos. Cada cubo que desciende de H ₁ necesita un contrapeso, lo natural es usar otro cubo de agua , ¡de H ₀ !