Por que os comutadores são mais eficientes que os reguladores lineares?

É sabido que os reguladores de comutação são mais eficientes que os reguladores lineares. Eu também sei que o regulador linear precisa dissipar a diferença entre a tensão de entrada e a tensão de saída vezes a corrente como calor.

Mas por que isso não se aplica a reguladores de comutação com as mesmas condições: mesma tensão de entrada e tensão e corrente de saída?

Eu sei que os comutadores podem esquentar; Eu tenho uma em uma placa que fica tão quente que você mal consegue tocá-la, mas, novamente, tem apenas 2 1/2 milímetros de cada lado e parece uma formiga em comparação com um 7805 com seu dissipador de calor.

Os reguladores lineares funcionam colocando efetivamente um resistor variável controlado entre a fonte e a carga. Toda a corrente da carga flui através desse elemento resistivo. E a tensão através dele é igual à diferença entre a tensão da fonte e a tensão da carga. Então a energia dissipada é

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

Os reguladores de comutação funcionam alterando o ciclo de trabalho do fluxo de corrente em um ciclo de comutação e calculando a média da saída usando um filtro. Durante parte do ciclo, uma corrente alta flui com uma queda de tensão baixa. Durante a outra parte do ciclo, quase nenhuma corrente flui com uma queda de alta tensão. Nenhuma dessas condições dissipa muita energia como o calor. Idealmente, o poder perdido se torna

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

que é, obviamente, 0 W. Normalmente, grande parte da ineficiência no mundo real é devida à energia perdida durante a mudança muito curta entre as partes "ligado" e "desligado" do ciclo.

Normalmente, os reguladores de comutação são mais eficientes, mas nem sempre.

Um regulador linear ideal tem uma queda de tensão e existe um elemento de passagem linear , como um transistor que age como um resistor, portanto a perda de potência no caso ideal é P = , como você diz. Esse é o caso ideal, na realidade o regulador precisa de um pouco de corrente para funcionar, e pode haver um componente que depende da corrente de saída. Alguns reguladores lineares LDO que dependem de elementos de passagem PNP laterais podem ter um consumo muito alto próximo ao abandono - talvez 100mA desperdiçado para a corrente de saída 1A (porque os transistores PNP feitos com alguns processos de IC tendem a ter um ganho de corrente bastante ruim). I ⋅ ( V I N - V O U T$V_{IN} - V_{OUT}$$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$

Um regulador de comutação (buck) ideal é assim:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Onde o comutador é um transistor e D1 pode ser um diodo ou outro transistor. No caso ideal, não há mecanismo de perda de energia . O diodo bloqueia perfeitamente ou conduz perfeitamente, o interruptor faz o mesmo, o indutor não possui resistência DC e o capacitor não possui ESR. Portanto, o poder in é igual ao poder out. É claro que a realidade só pode se aproximar desse ideal. Haverá perdas que são "indiretas" e perdas que aumentam com o aumento da corrente.

Observe que o indutor é uma parte crítica desse circuito - se você tentar omiti-lo, a tensão imóvel (a curto prazo) em C1 subirá contra a tensão imóvel em Vin e a corrente se tornará infinita. Em um circuito real, o SW1 teria alguma resistência e ficaria tão quente quanto o transistor de passagem no regulador linear (exceto que também estaria produzindo toneladas de EMI).

É sabido que os reguladores de comutação são mais eficientes que os reguladores lineares.

Até certo ponto. Colocar 3,5V em um regulador linear LDO 3.3V fornece uma eficiência de 94%. Você seria pressionado a encontrar um regulador de comutação que possa fazer isso.

Eu também sei que o regulador linear precisa dissipar a diferença entre a tensão de entrada e a tensão de saída vezes a corrente como calor.

Sim, mas os reguladores lineares devem consumir mais ou um pouco mais de corrente para uma determinada corrente de saída, enquanto os reguladores de comutação trocam a queda na tensão de saída por uma diminuição na corrente de entrada e, portanto, geralmente usam menos energia do que um regulador linear configurado de maneira semelhante no geral.

Os comutadores ideais não dissipam energia. Eles consomem um pouco de energia do lado de entrada, armazenam e liberam no lado de saída.

A energia é armazenada em um campo magnético dentro de um indutor ou em um campo elétrico em um capacitor.

Devido às não idealidades de componentes reais, como a ESR em indutores, eles dissipam um pouco de energia. Eles também perdem energia durante a comutação do transistor. Alguma energia também é perdida no controlador.

Mas por que isso não se aplica a comutadores de reguladores com as mesmas condições

Para um regulador linear em série, a fonte fornece energia 100% do tempo e parte dessa energia deve ser desperdiçada, pois (1) a tensão (magnitude) da fonte é maior que a carga e (2) a corrente da fonte deve ser um pouco maior que a corrente de carga.

No entanto, para um regulador de comutação, a fonte fornece energia apenas durante uma fração do período de comutação. Durante esse período, parte da energia fornecida pela fonte é entregue à carga e o restante é entregue aos elementos do circuito de armazenamento de energia - muito pouco é desperdiçado.

Então, durante o tempo de folga, os elementos do circuito de armazenamento de energia fornecem energia à carga.

Essa é a diferença crucial - apenas energia suficiente é extraída da fonte durante o tempo ligado para alimentar a carga continuamente.

Por exemplo, se a carga exigir 5W contínuos, a fonte poderá fornecer 10W 50% do tempo e 0W os 50% restantes para uma potência média de 5W. Os elementos do circuito de armazenamento de energia 'suavizam' o fluxo de energia - absorvendo excesso de energia durante o tempo ligado e, em seguida, fornecendo-o durante o tempo desligado.

Um regulador de comutação de reforço de buck ideal pode ser modelado como um par de tampas conectado diretamente à entrada e saída, uma bobina e alguns circuitos de roteamento que podem alternar entre três configurações (um circuito de buck-only, boost-only ou inversor seria só precisa de dois).

1. A entrada se conecta à saída através da bobina
2. A bobina é conectada diretamente através da entrada
3. A bobina é conectada diretamente através da saída

Suponha que os componentes se comportem da maneira ideal (sem perdas resistivas ou de comutação, etc.), os limites de fonte ficam em 10V, a saída atrai 1A, o comutador passa metade do tempo na primeira configuração, metade na terceira e faz um ciclo rápido o suficiente para que a fonte as tensões da tampa e a corrente da bobina não têm chance de mudar muito durante cada ciclo.

No estado "estacionário", sujeito às condições acima, a bobina terá um amplificador fluindo o tempo todo (uma vez que estará sempre em série com uma carga de 1 amp). Se a tampa de saída estiver em cinco volts, então metade do tempo a bobina terá + 5V através dela e metade do tempo terá -5V, portanto, em média, sua corrente permanecerá em 1 amp. Metade do tempo que o limite da fonte terá um amplificador extraído (quando estiver conectado à bobina) e metade do tempo não terá nenhum, portanto a fonte verá meio amplificador de consumo de corrente.

A maneira mais simples de ver como um comutador pode extrair menos corrente da fonte do que a carga extraída é olhar para onde os elétrons estão fluindo: metade dos elétrons que passam pela carga virá da fonte e metade será comutado para ignorar a fonte. Assim, a carga terá duas vezes mais corrente fluindo através dela do que a fonte.

Para aborrecer todos com a boa e velha analogia do fluxo de água, acrescentarei: suponha que temos três níveis de altura H ₁ , H _½ , H ₀ ; um suprimento de água vem de H ₁ , depois flui um pouco em H _½ para o seu destino, um moinho ou algo assim, e depois volta para H ₀ . O regulador está na transição de H ₁ para H _½ .

• Um regulador linear é uma cascata: os elétrons simplesmente caem e liberam seu potencial como energia térmica para o meio ambiente. A corrente em H _½ será a mesma que em H ₁ .

• Um comutador não apenas deixa a água fluir, mas a abaixa de maneira controlada em baldes. Cada balde que desce de H ₁ precisa de um contrapeso; o mais natural é usar outro balde de água , de H ₀ !