مبدل‌های باک و بوست از مهم‌ترین انواع مبدل‌های DC-DC هستند که به کمک سوییچینگ سریع، ولتاژ DC ورودی را به مقدار دلخواه کاهش یا افزایش می‌دهند. هر دو مبدل از چند قطعه کلیدی مشترک تشکیل شده‌اند: 

یک سوییچ (معمولاً ترانزیستور MOSFET یا BJT) که به صورت سریع روشن و خاموش می‌شود

یک سلف برای ذخیره و انتقال انرژی الکترومغناطیسی

دیودی برای هدایت جریان در زمان‌های مناسب

یک خازن برای تثبیت و صاف کردن ولتاژ خروجی

همچنین یک مدار کنترل با مدولاسیون عرض پالس (PWM) وظیفه تنظیم نسبت زمان روشن بودن سوییچ (duty cycle) را برعهده دارد تا ولتاژ خروجی مطلوب حاصل شود.

در مبدل باک، هدف کاهش ولتاژ است. هنگام روشن بودن سوییچ، جریان وارد سلف شده و انرژی در آن ذخیره می‌شود؛ هنگام خاموشی سوییچ، اندوکتور انرژی تجمع یافته را به بار منتقل می‌کند. نسبت زمان روشن بودن سوییچ تعیین‌کننده میزان کاهش ولتاژ است.

در مبدل بوست، ولتاژ ورودی افزایش می‌یابد. وقتی سوییچ روشن می‌شود، اندوکتور انرژی را جذب می‌کند؛ و با خاموش شدن سوییچ، انرژی ذخیره‌شده به صورت ترکیب با ولتاژ ورودی به بار منتقل می‌شود که نتیجه آن افزایش ولتاژ خروجی است.

بنابراین، هر دو مبدل با استفاده از ذخیره و آزادسازی انرژی در سلف و کلیدزنی کنترل شده، ولتاژ خروجی را در محدوده مورد نظر با کارایی بالا تنظیم می‌کنند، ولی تفاوت اصلی در این است که مبدل باک ولتاژ را کاهش می‌دهد و مبدل بوست آن را افزایش می‌دهد.

هر دو مبدل باک و بوست از اصول کلی ذخیره و آزادکردن انرژی در سلف استفاده می‌کنند و کنترل دقیق زمان روشن و خاموش بودن سوئیچ برای تنظیم ولتاژ خروجی حیاتی است. این تکنیک‌ها باعث می‌شوند که مبدل‌ها با بازده بسیار بالا، انرژی را از ورودی به خروجی منتقل کنند.


1. مبدل باک (Buck Converter)



مبدل باک یکی از پرکاربردترین مبدل‌های DC-DC است که ولتاژ ورودی را به یک مقدار پایین‌تر تبدیل می‌کند. عملکرد اصلی این مبدل بر پایه قطع و وصل سریع جریان در یک سوئیچ (معمولاً یک ترانزیستور) و ذخیره انرژی در یک سلف است. ترانزیستور با توجه به منبع PWM یا در وضعیت مدار باز عمل میکند یا مدار بسته. در ادامه وضعیت مدار را در هر دو حالت بررسی می کنیم:


وقتی ترانزیستور روشن (اشباع) باشد:

  • ترانزیستور یک مسیر کم‌مقاومت بین منبع تغذیه و بار برقرار می‌کند.
  • جریان از منبع به بار و سلف می‌رسد؛ در این حالت انرژی از منبع مستقیماً به بار منتقل می‌شود و همزمان انرژی در سلف ذخیره می‌شود.
  • ولتاژ خروجی به تدریج افزایش می‌یابد تا نزدیک به ولتاژ ورودی شود (با توجه به duty cycle).


وقتی ترانزیستور خاموش (قطع) باشد:

  • مسیر مستقیم منبع به بار قطع می‌شود.
  • سلف به دلیل جریان جاری، انرژی ذخیره شده خود را آزاد می‌کند.
  • دیود هدایت کرده و جریان را از سلف به بار و خازن ادامه می‌دهد تا جریان بار قطع نشود.
  • به این ترتیب، ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی می‌شود چون انرژی به صورت پالس‌های کنترل شده منتقل می‌شود.

خلاصه:

  • حالت روشن ترانزیستور (On): انرژی وارد سلف و بار می‌شود.
  • حالت خاموش ترانزیستور (Off): انرژی ذخیره شده در سلف به بار منتقل می‌شود و جریان حفظ می‌شود.
  • با تغییر نسبت زمان روشن بودن ترانزیستور (duty cycle)، ولتاژ خروجی در بازه‌ای کمتر از ولتاژ ورودی کنترل و تنظیم می‌شود.



2. مبدل بوست (Boost Converter)



مبدل بوست برخلاف مبدل باک، ولتاژ ورودی را به ولتاژ بالاتری تبدیل می‌کند. این مبدل نیز از سوییچ، اندوکتور، دیود و خازن تشکیل شده است اما نحوه عملکرد آن کمی متفاوت است. ترانزیستور با توجه به منبع PWM یا در وضعیت مدار باز عمل میکند یا مدار بسته. در ادامه وضعیت مدار را در هر دو حالت بررسی می کنیم:

وقتی ترانزیستور روشن (اشباع) باشد:

  • ترانزیستور یک مسیر کم‌مقاومت بین منبع تغذیه و زمین ایجاد می‌کند.
  • جریان از منبع تغذیه به اندوکتور جاری می‌شود و انرژی به صورت میدان مغناطیسی در اندوکتور ذخیره می‌شود.
  • در این حالت، دیود به سمت معکوس بوده و جلوی جریان از اندوکتور به بار یا خازن را می‌گیرد.
  • خروجی تغذیه می‌شود از خازن و بار که تا زمانی که ترانزیستور روشن است، انرژی قبلی‌شان را تامین می‌کنند.


وقتی ترانزیستور خاموش (قطع) باشد:

  • مسیر مستقیم جریان قطع می‌شود، بنابراین جریان نمی‌تواند از منبع به زمین برسد.
  • انرژی ذخیره شده در سلف به دلیل کاهش ناگهانی جریان، باعث ایجاد یک ولتاژ القایی بالا می‌شود.
  • این ولتاژ القایی باعث می‌شود دیود حالت رسانا پیدا کند و انرژی اندوکتور به بار و خازن خروجی منتقل شود.
  • ولتاژ خروجی برابر مجموع ولتاژ ورودی و ولتاژ القایی اندوکتور است، بنابراین ولتاژ خروجی افزایش می‌یابد.



برای درک بهتر نحوه عملکرد مدار میتوانید انیمیشن زیر را تماشا کنید




مزایا و معایب مبدل‌های باک و بوست


مبدل باک (Buck Converter)

مزایا:

  • بازده بالا: مبدل باک به دلیل استفاده از سوئیچینگ با تعویض سریع و قطعات نیمه‌هادی کارآمد، بازده بالایی (تا حدود 90٪ و بیشتر) دارد که منجر به کاهش اتلاف انرژی می‌شود.
  • سادگی طراحی: ساختار ساده و تعداد قطعات نسبتاً کم، طراحی و پیاده‌سازی آن را آسان می‌کند.
  • تولید گرمای کمتر: عملکرد با بازده بالا باعث کاهش تولید گرما و نیاز کمتر به سیستم‌های خنک‌کننده می‌شود.
  • قدرت کنترل قابل تنظیم: امکان تغییر دقیق ولتاژ خروجی با تنظیم دوره روشن بودن سوئیچ (duty cycle).
  • هزینه پایین: هزینه تولید نسبتاً مناسب به خصوص برای کاربردهای کم و متوسط.

معایب:

  • تنها کاهش‌دهنده ولتاژ: مبدل باک فقط قادر است ولتاژ را کاهش دهد و برای افزایش ولتاژ نمی‌توان از آن استفاده کرد.
  • نیاز به اندوکتور بزرگ: برای کاهش نویز و هموار کردن جریان، اندوکتور با سایز مشخص لازم است که باعث افزایش حجم مدار می‌شود.
  • تداخل الکترومغناطیسی (EMI): سوئیچینگ سریع می‌تواند باعث ایجاد نویز و تداخل الکترومغناطیسی شود که نیازمند فیلتر و طراحی دقیق است.

مبدل بوست (Boost Converter)


مزایا:

  • افزایش ولتاژ موثر: توانایی افزایش ولتاژ ورودی تا مقادیر بالاتر، کاربرد در سیستم‌هایی که ولتاژ بیشتری لازم دارند.
  • بازده نسبتا بالا: اگرچه معمولاً بازدهی کمی کمتر از باک دارد، اما در محدوده قابل قبول و عملیاتی است.
  • اندازه کوچک‌تر نسبت به برخی مبدل‌های ولتاژ بالا: به خصوص در مقایسه با مبدل‌های خطی که می‌توانند خیلی ناکارآمد باشند.
  • تنظیم دقیق ولتاژ خروجی: امکان کنترل ولتاژ خروجی با تغییر duty cycle سوئیچ.

معایب:

  • پیچیدگی بیشتر مدار: به دلیل نیاز به طراحی دقیق‌تر برای پایداری و جلوگیری از نوسان‌های ولتاژ بالا.
  • نیاز به دیود با سرعت بالا: انتخاب دیود مناسب اهمیت زیادی دارد، چون دیود کند باعث افت ولتاژ و کاهش بازده می‌شود.
  • امکان بروز نوسانات: اگر کنترل نباشد، ممکن است ولتاژ خروجی به‌صورت ناپایدار تغییر کند.
  • نیاز به قطعات دقیق‌تر برای کنترل حرارت: افزایش ولتاژ اغلب با تولید گرمای بیشتر همراه است که باید مدیریت شود.


جمع‌بندی

مبدل‌های باک و بوست از پراستفاده‌ترین مبدل‌های DC-DC هستند که هر کدام نقش مهمی در تنظیم ولتاژ در سیستم‌های الکترونیکی دارند. 

امروزه مبدل‌های باک و بوست کاربرد بسیار گسترده‌ای در صنایع مختلف پیدا کرده‌اند و به دلیل اهمیت بالا، ماژول‌های آماده آن‌ها به وفور در بازار موجود است.فروشگاه ما نیز این ماژول‌های کارآمد و با کیفیت را برای شما عزیزان موجود کرده تا نیازهای پروژه‌ها و سیستم‌های شما را به بهترین شکل تامین کنیم.

ماژول های مبدل DC-DC و مبدل های Buck , Boost

مبدل باک با کاهش ولتاژ ورودی و مبدل بوست با افزایش آن، توانایی تامین ولتاژ مطلوب و پایدار را با بازده بالا فراهم می‌کنند. اساس عملکرد هر دو بر پایه ذخیره و آزادسازی انرژی در اندوکتور و کلیدزنی سریع سوئیچ است.

هر کدام از این مبدل‌ها قطعات کلیدی مشترکی مانند سوییچ، اندوکتور، دیود و خازن دارند اما نحوه عملکرد آنها متفاوت است و این تفاوت‌ها بر اساس جهت تغییر ولتاژ ورودی (کاهش یا افزایش) است.

با وجود مزایای قابل توجه مانند بازده بالا، کنترل دقیق ولتاژ و اندازه نسبتاً کوچک، هر مبدل محدودیت‌های خاص خود را نیز دارد که باید در طراحی و انتخاب مناسب آن‌ها لحاظ شود.

در نهایت، شناخت دقیق اصول کار، قطعات و مزایا و معایب هر مبدل، انتخاب بهینه را برای کاربردهای مختلف آسان‌تر می‌کند و تضمین می‌کند که دستگاه‌ها با بهترین کارایی و عملکرد مناسب کار کنند.