خازن و القاگر در خروجی منبع تغذیه باک ممکن است یک فیلتر پایین گذر در نظر گرفته شود و آن معمولاً برای محاسبات جبران حلقه و عملکرد انتقال به این شکل در نظر گرفته میشود.
اگرچه نشان داده ایم که عملیات در حالت ناپیوسته لزوما مسأله مهمی در منبع تغذیه باک نیست، در برخی جاها به مسأله مهمی تبدیل می شود، به ویژه در توپولوژیهای از نوع بوست. طراح این گزینه را دارد که القاگری طراحی کند که برای یک محدوده کامل مورد انتظار جریانهای بار را در حالت پیوسته حفظ می کند (اما محدود) که در ادامه در این مورد توضیح داده خواهد شد.
در این مثال القاگر طوری انتخاب میشود که در منبع تغذیه باک اگر جریان خروجی DC بالاتر از یک مقدار مینیمم معین باشد، جریان پیوسته باقی می ماند. (معمولا این مقدار در حدود ۱۰% جریان بار یا یکدهم Ion انتخاب میشود، جایی که Ion به عنوان جریان خروجی اسمی تعریف میشود).
رمپ جریان القاگر (dI=(I2-I1 است که در شکل ۱٫۴d نشان داده شده است. از آنجایی که شروع حالت پیوسته در جریان DC و در نصف این دامنه اتفاق می افتد، در نتیجه:
همچنین
جایی که V1 ولتاژ در ورودی Q1 بوده و بسیار به Vdc نزدیک است، در نتیجه
جایی که Ton=VoT/Vdc و Ion و Vdcn
بنابراین L از معادله ۱-۸ انتخاب میشود، در نتیجه
جایی که Ion مرکز رمپ جریان القاگر در جریان خروجی DC است.
از آنجایی که جریان القاگر %۱۰±حول مقدار مرکزی Ion نوسان دارد، القاگر باید طوری طراحی شود که در جریان حداقلی ۱٫۱Ion به حالت اشباع نرسد.
طراحی القاگر (چوک) در منبع تغذیه باک
در مثال قبلی، عملیات حالت پیوسته مورد نیاز بود، به طوری که جریان نباید برای محدوده کامل جریانهای بار به صفر برسد. بنابراین القاگر باید از اجزای جریان DC پشتیبانی کرده و باید به عنوان چوک طراحی شود.
چوک هایی که به خوبی طراحی شده اند دارای اندوکتانس پایین و نسبتا ثابت تحت ولتاژ AC و بایاس DC هستند. به طور معمول چوک ها از هسته های فریت دارای فاصله هوایی و یا هسته های کامپوزیتی انواع آلیاژهای فرومغناطیسی استفاده می کنند که شامل پودر آهن یا پرمالوی هستند. پرمالوی یک آلیاژ مغناطیسی از نیکل و آهن است. هسته های پودری دارای خلأ-هوایی توزیع یافته ای هستند زیرا از ذرات فرومغناطیس پودری معلق تشکیل شده اند که در حامل غیرمغناطیس جای گرفته اند که خلأ-هوایی توزیع یافته یکنواختی ایجاد می کند. مقدار القاگر که در معادله ۱٫۸ محاسبه می شود باید طوری طراحی شود که در جریان پیک معین به حد اشباع نرسد ( Ion 110%)
محدوده ماکسیمم جریان در منبع تغذیه باک با طراحی چوک ، نرخ قطعات توان و تلفات DC و AC در معادله ۱٫۶ تعیین میشود. برای ماندن در هدایت پیوسته، مینیمم جریان نباید زیر ۱۰% مقدار Ion برود. در زیر این مقدار تنظیم کنندگی بار اندکی کاهش مییابد.
این محدوده بار دینامیکی استاندارد صنعتی (۹۰%) به چوک نسبتا بزرگی می انجامد که ممکن است در مورد قبول نباشد. اگر یک چوک کوچکتر انتخاب شود (نصف مقدار تعیین شده در معادله ۱٫۸)، به جای یکدهم جریان خروجی DC در یک پنجم آن به حالت ناپیوسته خواهد رفت. این مسأله کمی رگولاسیون بار را کم می کند که در جریان مینیمم بالاتر شروع می شود. اما از آنجایی که اندوکتانس کمتری دارد، منبع تغذیه باک نسبت به تغییرات بار دینامیک واکنش سریعتری دارد.
خازن خروجی
خازن خروجی C0 که در شکل ۱٫۴ نشان داده شده طوری انتخاب میشود که چندین نیاز را بر آورده می کند. همانطور که در شکل ۱٫۸ نشان داده شده، C0 یک خازن ایده آل نیست و دارای مقاومت نشتی R0 و اندوکتانس L0 است که به صورت سری با ظرفیت خازن خالص ایده آال C0 مانند شکل قرار گرفته است. این عناصر به عنوان مقاومت سری معادل (ESR) و اندوکتانس سری معادل (ESL) در نظر گرفته میشود. به طور کل اگر مقدار جریان ریپل در چوک سری شده با خازن را Lf در نظر بگیریم، انتظار داریم که اکثر این جریان ریپل در خازن خروجی C0 جریان پیدا کند. مقاومت سری معادل R0 با (ESR) و القای سری معادل L0 با (ESL) تعیین می شود.
برای جریان ریپل فرکانس پایین، L0 را میتوان نادیده گرفت و مقدار ریپل خروجی توسط R0 و C0 تعیین میشود.
نکته: فرکانس گذرای واقعی به طراحی خازن بستگی داشته و سازندگان به طور پیوسته در حال بهبود آن هستند.
بنابراین زیر فرکانس ۵۰۰ کیلوهرتز، L0 را به طور معمول می توان نادیده گرفت. به طور معمول C0 یک الکترولیت نسبتا بزرگ است، بنابراین در فرکانس سوییچ، مقدار ریپل ولتاژی که به C0 مربوط هستش در مقایسه با مقدار مربوطه به R0 کوچکتر است.
شکل ۱٫۸ خازن خروجی C0 به همراه اجزای نشتی را نشان میدهد.
به طور دقیقتر دو مؤلفه ریپل مربوط به C0 و R0 وجود دارد که در یک فاز نیستند زیرا مقدار تولید شده توسط R0 با I2-I1 متناسب است (جریان رمپ پیک به پیک چوک در شکل f1.4) و مقدار مربوط به C0 به انتگرال جریان مربوط است. با این حال در بدترین حالت مقایسه میتوانیم فرض کنیم که در یک فاز هستند.
برای به دست آوردن این مؤلفه ریپل ولتاژی و برای انتخاب خازن، لازم است که مقادیر مقاومت ESR را بشناسیم که به ندرت توسط سازندگان خازن داده میشوند. بررسی تعدادی از کاتالوگهای سازندگان نشان می دهد که انواع قدیمیتر خازنها (الکترولیت آلومینیوم) برای محدوده بزرگی از مقادیر ولتاژی و خازنی، مقدار R0C0 تمایل دارد که ثابت باشد و در محدود ۵۰ تا ۸۰ میکرو اهم فاراد قرار دارد.
مثالی از طراحی
فرض کنید میخواهیم یک تنظیمکننده باک ۲۵Khz با افت از ۲۰ ولت به ۵ ولت با جریان بار Ion=5A طراحی کنیم. فرض کنید به ولتاژ ریپل پایینتر از ۵۰ میلی ولت و کار در حالت پیوسته در شرایط کمتر از بار ۱۰% نیاز داریم. فرض کنید بار مینیمم ۱۰% باشد، در نتیجه Io(min)=0.1xIon=0.5 A و مقدار L را از معادله ۱٫۸ محاسبه خواهیم کرد:
حالا فرض کنید dI (دامنه پیک به پیک رمپ) برابر مقدار روبرو می باشد I2-I1=0.2Ion=1A .
اگر فرض کنیم که حداکثر ولتاژ ریپل خروجی که توسط ESR) R0) تولید می شود را بتوانیم به سادگی از مقدار خازن انتخاب کنیم به طوری که ESR خازن ولتاژ ریپل را به صورت زیر برآورده کند :
ریپل مقاومتی پیک به پیک (Vrr=0.05) در نظر گرفته شده و مقدار مقاومت نشتی مورد نیاز از طریق رابطه زیر بدست می آید .
(ESR(R0)=Vrr / dI = 0.05 / (I2-I1 که مقدار نهایی آن برابر R0=0.05 ohm خواهد بود.
با استفاده از رابطه خازن/ ESR روبرو R0C0=50×10-6
C0=50×10-6/0.05=1000 uF
پس با مقدار خازن ۱۰۰۰ میکروفاراد میتوان به میزان ریپل ۵۰میلی ولت رسید.