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SMPS: differenze tra buck, boost e flyback

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] SMPS: differenze tra buck, boost e flyback

Messaggioda Foto UtenteDaniloI » 24 feb 2015, 12:11

Spesso sento parlare di queste tre tipologie ma, da non esperto, non riesco a comprendere le fondamentali differenze. Il flyback usa un trasformatore che non usano le altre due e assicura potenze maggiori ma le mie conoscenze si fermano qui.
Qualcuno ha mai affrontato il problema? si é mai posto l´interrogativo "quale tipologia meglio si addice per una determinato scopo" ?

Grazie in anticipo per eventuali contributi.
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[2] Re: SMPS: differenze tra buck, boost e flyback

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 24 feb 2015, 13:05

Topologie base non isolate

1) Buck: cavallo da tiro, tensione di uscita minore di quella di ingresso. Topologia usata dai milliwatt ai megawatt

2) Boost: permaloso in modo continuo (alte potenze): tensione di uscita maggiore di quella di ingresso. Usato nei power factor corrector

3) Buck Boost: figlio di boost e quindi permaloso anche lui alle alte potenze. Tensione di uscita di segno opposto di quella di ingresso, puo` essere in modulo sia maggiore che minore di quella di ingresso

3a) Buck Boost non invertente: stesse proprieta` del buck boost normale ma tensione di uscita dello stesso segno di quella di ingresso, piu` costoso del buck boost.

4) 5) 5)... tante altre topologie meno usate, cuk, sepic e relativo inverso...

Topologie isolate. Sono figlie delle topologie non isolate

1) Buck-derivati: tutti con almeno due componenti magnetici, un trasformatore e un induttore

1a) Forward (da rete potenze fino a 200W)
1b) Push-pull: adatto per basse tensioni di ingresso, potenze fino a parecchie centinaia di watt, ma si puo` salire anche a qualche kilowatt
1c) Mezzo ponte: adatto per alta tensione di ingresso, potenze fino a 500W-1kW. Praticamente tutti gli alimentatori per desktop sono di questo tipo
1d) Ponte intero: alta tensione e alta corrente. Il limite di potenza e` il cielo :)
1e) altre topologie come in forward a 2 transistori... poco usate

2) Boost derivato. Non usato in pratica, si chiama current fed, ma e` un dolore nel collo.

3) Buck boost derivato: Flyback, dovendo lavorare in modo discontinuo e` limitato a potenze piccole (centinaio di watt al massimo), ma e` il piu` diffuso al mondo dato che costa poco perche' usa un solo magnetico. Gli AC adapters dei portatili sono quasi tutti flyback, come pure i caricabatteria, gli alimentatori dei piccoli elettrodomestici....
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[3] Re: SMPS: differenze tra buck, boost e flyback

Messaggioda Foto UtenteDaniloI » 25 feb 2015, 12:18

grazie IsidoroKZ.
Stavo cominciando ad approfondire la topologia buck partendo dalla configurazione base, quella che si insegna alle elementari per intenderci.


Considerando che sul diodo si hanno 0.6...0.7V di caduta, non ci sono soluzioni alternative per gestire meglio il problema della potenta da dissipare ?
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[4] Re: SMPS: differenze tra buck, boost e flyback

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 25 feb 2015, 13:52

Che su un diodo di potenza cadano 0.6V - 0.7V non e` in generale vero. Su un diodo Schottky di solito la tensione e` attorno al mezzo volt, su un diodo PN rapido cade tipicamente 1V o piu`, su un carburo di silicio, che e` anche lui uno Schottky, cadono 2V circa.

Per ridurre le perdite associate al diodo di freewheeling del buck, perdite che si fanno sentire specie quando la tensione di uscita e` bassa, si usa un altro MOS al posto del diodo, cosi`



Questo si chiama Buck sincrono (o a raddrizzamento sincrono, oppure synchronous rectifier), e la caduta di tensione e` quella del MOS nel terzo quadrante.

Bisogna pilotare i due MOS in controfase, uno e` high side, l'altro low side, e lasciare un po' di tempo morto per evitare di accenderli entrambi contemporaneamente. Se quando si spegne il MOS M1 non si accende subito il MOS M2 non ci sono problemi perche' i MOS hanno comunque un diodo di substrato che qui funziona per il ricircolo. Poi pero` bisogna accendere M2 altrimenti le cadute di tensione sono elevate.

Un convertitore sincrono non puo` andare in modo discontinuo, che e` un vantaggio dal punto di vista del controllo, ma e` uno svantaggio dal punto di vista energetico, perche' quando la corrente di uscita e` bassa, si palleggia avanti e indietro energia, a discapito del rendimento.

Se guardi il blog di Foto UtenteSte75 trovi tanta roba interessante sugli switching.
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[5] Re: SMPS: differenze tra buck, boost e flyback

Messaggioda Foto UtenteDaniloI » 26 feb 2015, 8:44

come al solito grazie IsidoroKZ.
A questo punto spulceró nel blog segnalato e tenteró di capire le differenze/vantaggi delle topologie isolate e non.

Andando forse un po OT, sarebbe bello leggere una cronistoria dell´evoluzione dei switching: chi ha pensato le topologie base e come, eventuali primi prototipi e cosí via. Magari al giorno d´oggi basta semplicemente leggersi un po di datasheet e si trova l´integrato che piú si addice alle proprie eseigenze ma il modo in cui i primi pionieri dello switching mode si rimpallavano l´energia , le soluzioni via via trovate per migliorare la tecnologia é per me segno di civiltá e progresso piú di tante altre cose a cui l´essere umano, purtroppo, dá maggior valore.
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[6] Re: SMPS: differenze tra buck, boost e flyback

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 26 feb 2015, 9:04

Le differenze fra topologie isolate e quelle non isolate e` facile: le prime sono isolate le seconde no :-).

L'isolamento galvanico e` una proprieta` molto utile, in tutti gli alimentatori connessi alla rete, altrimenti prenderemmo scossoni di continuo.

Altri vantaggi sono che si possono avere uscite multiple, i derivati da una topologia non hanno le limitazioni di tensione di uscita del progenitore. In un buck si ha Vo/Vin<1, e` uno step down. Ma in un buck derivato Vo/Vin puo` avere qualunque valore, anche maggiore di uno. L'isolamento poi fa si` che non abbia piu` significato dire che l'uscita ha la stessa polarita` oppure polarita` opposta rispetto all'ingresso, sono due mondi diversi.

Il grado di liberta` in piu` che si ha con il rapporto spire puo` servire per poter scegliere un duty cycle che sfrutta meglio i dispositivi, possiamo spostare gli stress di tensione e di corrente...

Svantaggi sono che spesso c'e` un componente in piu`, costoso grande e pesante, la crossregolazione fra le varie uscite potrebbe lasciare a desiderare, la presenza di induttanze di dispersione del trasformatore limita la massima frequenza di commutazione...
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[7] Re: SMPS: differenze tra buck, boost e flyback

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 26 feb 2015, 11:36

Ho dimenticato di indicare la nomenclatura.

Il buck si chiama anche step-down, per ovvie ragioni. Nel mondo degli azionamenti elettrici e` chiamato chopper.

Il boost si chiama anche step-up, anche questo per ovvie ragioni.

Il buck-boost si chiama anche inverting perche' la tensione di uscita ha segno opposto rispetto all'ingresso. Molti anni fa il buck-boost era chiamato flyback. Poi negli anni 60-70 mi pare Cuk ha capito che quello che veniva chiamato flyback, che si credeva essere una topologia a se stante, era in realta` il derivato di una fusione di un buck piu` un boost, e il nome e` cambiato in buck-boost. Ora flyback e` usato solo per la versione isolata.

Dopo aver capito questo, Cuk si e` chiesto che cosa sarebbe capitato fondendo insieme un boost piu` un buck, e ha inventato il boost-buck, che pero` si chiama Cuk.

A parte quest'ultimo, gli inventori delle topologie non sono molto note. Il SEPIC era un brevetto della IBM, ora scaduto. Il flyback e` antico, era fatto con interruttori meccanici, e si chiama bobina dell'automobile e puntine platinate :).

Il boost esiste anche in versione idraulica, come ram pump, la pompa a colpo d'ariete.
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[8] Re: SMPS: differenze tra buck, boost e flyback

Messaggioda Foto UtenteDaniloI » 27 feb 2015, 8:26

quindi generalizzando e magari semplificando, si puó affermare che il flyback viene preferito al boost quando si lavora con alte tensioni (230V) ma a basse tensioni (intendo non pericolose per la vita umana) la topologia boost é generalmente migliore ?
Si potrebbe fare una classifica per efficienza, costi/dimensioni e qualitá del segnale in uscita?
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[9] Re: SMPS: differenze tra buck, boost e flyback

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 27 feb 2015, 10:00

Devi definire prima le specifiche, tensioni, potenze... confrontare così dire topologie non ha senso.

La classifica che chiedi non mi pare si possa fare, dipende dalle specifiche richieste.
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