Moc jest ważną częścią każdego projektu / urządzenia elektronicznego. Niezależnie od źródła zwykle istnieje potrzeba wykonania zadań związanych z zarządzaniem energią, takich jak między innymi transformacja / skalowanie napięcia i konwersja (AC-DC / DC-DC). Wybór odpowiedniego rozwiązania dla każdego z tych zadań może być kluczem do sukcesu (lub porażki) produktu. Jednym z najczęstszych zadań związanych z zarządzaniem energią w prawie wszystkich typach urządzeń jest regulacja / skalowanie napięcia DC-DC. Polega to na zmianie wartości napięcia stałego na wejściu na wyższą lub niższą na wyjściu. Komponenty / moduły używane do realizacji tych zadań są ogólnie nazywane regulatorami napięcia. Zwykle mają zdolność dostarczania stałego napięcia wyjściowego, które jest wyższe lub niższe niż napięcie wejściowe i są powszechnie używane do zasilania komponentów w projektach, w których sekcje mają różne napięcia. Stosowane są również w tradycyjnych zasilaczach.
Istnieją dwa główne typy regulatorów napięcia;
- Regulatory liniowe
- Regulatory przełączające
Liniowe regulatory napięcia są zwykle regulatorami obniżającymi napięcie i wykorzystują kontrolę impedancji w celu uzyskania liniowej redukcji napięcia wejściowego na wyjściu. Zwykle są bardzo tanie, ale nieefektywne, ponieważ podczas regulacji traci się dużo energii na ciepło. Z drugiej strony regulatory przełączające mogą zwiększać lub zmniejszać napięcie przyłożone na wejściu, w zależności od architektury. Osiągają regulację napięcia za pomocą procesu włączania / wyłączania tranzystora, który kontroluje napięcie dostępne na wyjściu regulatora. W porównaniu z regulatorami liniowymi, regulatory przełączające są zwykle droższe i znacznie bardziej wydajne.
W dzisiejszym artykule skupimy się na przełączaniu regulatorów, a ponieważ tytuł się zdradził, przyjrzymy się czynnikom, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze regulatora przełączającego dla projektu.
Ze względu na złożoność innych części projektu (podstawowe funkcje, RF itp.), Wybór regulatorów do zasilania jest zwykle jednym z działań pozostawionych do zakończenia procesu projektowania. W dzisiejszym artykule postaramy się dostarczyć projektantowi ograniczonemu czasowo wskazówki dotyczące tego, czego szukać w specyfikacjach regulatora przełączającego, aby określić, czy pasuje on do konkretnego przypadku użycia. Podane zostaną również szczegóły dotyczące interpretacji różnych sposobów, w jakie różni producenci przedstawiają informacje dotyczące parametrów, takich jak temperatura, obciążenie itp.
Rodzaje regulatorów przełączających
Istnieją zasadniczo trzy typy regulatorów przełączających, a czynniki, które należy wziąć pod uwagę, zależą od tego, który z typów ma być używany w danej aplikacji. Te trzy typy to;
- Regulatory Buck
- Regulatory doładowania
- Regulatory Buck Boost
1. Regulatory Buck
Regulatory buck, zwane również regulatorami obniżającymi lub konwerterami buck, są prawdopodobnie najpopularniejszymi regulatorami przełączania. Mają zdolność obniżania napięcia przyłożonego na wejściu do niższego napięcia na wyjściu. Zatem ich znamionowe napięcie wejściowe jest zwykle wyższe niż znamionowe napięcie wyjściowe. Poniżej przedstawiono podstawowe schematy konwertera buck.
Wyjście regulatora jest spowodowane włączaniem i wyłączaniem tranzystora, a wartość napięcia jest zwykle funkcją cyklu pracy tranzystora (jak długo tranzystor był włączony w każdym pełnym cyklu). Napięcie wyjściowe jest podane za pomocą poniższego równania, z którego możemy wywnioskować, że cykl pracy nigdy nie może być równy jeden, a zatem napięcie wyjściowe zawsze będzie mniejsze niż napięcie wejściowe. Dlatego regulatory Buck są używane, gdy wymagana jest redukcja napięcia zasilania między jednym a drugim etapem projektowania. Możesz dowiedzieć się więcej o podstawach projektowania i wydajności regulatora buck tutaj, dalej dowiedzieć się, jak zbudować obwód konwertera Buck.
2. Regulatory doładowania
Regulatory doładowania lub przetwornice doładowania działają w sposób bezpośrednio przeciwny do regulatorów buck. Na swoim wyjściu dostarczają napięcie wyższe niż napięcie wejściowe. Podobnie jak regulatory buck, wykorzystują działanie tranzystora przełączającego w celu zwiększenia napięcia na wyjściu i zwykle składają się z tych samych elementów, które są używane w regulatorach buck, z jedyną różnicą, jaką stanowi rozmieszczenie elementów. Poniżej przedstawiono prosty schemat regulatora doładowania.
Możesz dowiedzieć się więcej o podstawach projektowania i wydajności regulatora doładowania tutaj, możesz zbudować jeden konwerter doładowania, postępując zgodnie z tym obwodem konwertera doładowania.
3. Regulatory Buck-Boost
Ostatnim, ale nie najmniej ważnym są regulatory doładowania złotówki. Z ich nazwy można łatwo wywnioskować, że zapewniają one zarówno efekt wzmocnienia, jak i obniżenia napięcia wejściowego. Przetwornica typu buck-boost wytwarza odwrócone (ujemne) napięcie wyjściowe, które może być większe lub mniejsze niż napięcie wejściowe w oparciu o cykl pracy. Podstawowy obwód zasilacza impulsowego typu buck-boost przedstawiono poniżej.
Przetwornica typu buck-boost jest odmianą obwodu konwertera podwyższającego, w którym konwerter odwracający dostarcza do obciążenia tylko energię zmagazynowaną przez cewkę indukcyjną L1.
Wybór któregokolwiek z tych trzech typów regulatorów impulsowych zależy wyłącznie od wymagań projektowanego systemu. Niezależnie od typu używanego regulatora, ważne jest, aby specyfikacje regulatorów spełniały wymagania projektowe.
Czynniki do rozważenia przy wyborze regulatora przełączającego
Konstrukcja regulatora przełączającego zależy w dużej mierze od zastosowanego w nim układu scalonego mocy, dlatego większość czynników do rozważenia będzie dotyczyła specyfikacji zastosowanego układu scalonego mocy. Ważne jest, aby zrozumieć specyfikacje Power IC i co one oznaczają, aby mieć pewność, że wybierzesz właściwy dla swojej aplikacji.
Niezależnie od Twojej aplikacji sprawdzenie następujących czynników pomoże Ci skrócić czas poświęcony na wybór.
1. Zakres napięcia wejściowego
Odnosi się to do dopuszczalnego zakresu napięć wejściowych obsługiwanych przez układ scalony. Zwykle jest to określone w arkuszu danych i jako projektant ważne jest, aby napięcie wejściowe dla twojej aplikacji mieściło się w zakresie napięcia wejściowego określonym dla układu scalonego. Chociaż niektóre arkusze danych mogą określać tylko maksymalne napięcie wejściowe, lepiej jest sprawdzić arkusz danych, aby upewnić się, że nie ma wzmianki o minimalnym zakresie wejściowym przed podjęciem jakichkolwiek założeń. Kiedy stosowane są napięcia wyższe niż maksymalne napięcie wejściowe, układy scalone zwykle ulegają wysmażeniu, ale zwykle przestają działać lub działają nieprawidłowo, gdy stosowane są napięcia niższe niż minimalne napięcie wejściowe, wszystko w zależności od zastosowanych środków ochronnych. Jednym ze środków ochronnych zwykle stosowanych w celu zapobieżenia uszkodzeniu układów scalonych, gdy na wejściu są napięcia spoza zakresu, jest blokada podnapięciowa (UVLO),sprawdzenie, czy jest to dostępne, może również pomóc w podjęciu decyzji projektowych.
2. Zakres napięcia wyjściowego
Regulatory przełączające mają zwykle zmienne wyjścia. Zakres napięcia wyjściowego reprezentuje zakres napięć, na które można ustawić wymagane napięcie wyjściowe. W układach scalonych bez opcji zmiennej wyjścia jest to zwykle pojedyncza wartość. Ważne jest, aby upewnić się, że wymagane napięcie wyjściowe mieści się w zakresie określonym dla układu scalonego i zapewnia dobry współczynnik bezpieczeństwa, taki jak różnica między maksymalnym zakresem napięcia wyjściowego a wymaganym napięciem wyjściowym. co do zasady minimalne napięcie wyjściowe nie może być ustawione na poziom niższy niż wewnętrzne napięcie odniesienia. W zależności od aplikacji (buck lub boost), minimalny zakres wyjściowy może być większy niż napięcie wejściowe (boost) lub znacznie mniejszy niż napięcie wejściowe (buck).
3. Prąd wyjściowy
Termin ten odnosi się do aktualnej oceny, dla której zaprojektowano układ scalony. Zasadniczo jest to wskazanie, ile prądu może dostarczyć układ scalony na swoim wyjściu. W przypadku niektórych układów scalonych tylko maksymalny prąd wyjściowy jest określany jako miara bezpieczeństwa i aby pomóc projektantowi upewnić się, że regulator będzie w stanie dostarczyć prąd wymagany dla aplikacji. W przypadku innych układów scalonych podano zarówno minimalne, jak i maksymalne oceny. Może to być bardzo przydatne w planowaniu technik zarządzania energią dla Twojej aplikacji.
Przy wyborze regulatora na podstawie prądu wyjściowego układu scalonego ważne jest, aby zapewnić margines bezpieczeństwa między maksymalnym prądem wymaganym przez aplikację a maksymalnym prądem wyjściowym regulatora. Ważne jest, aby zapewnić, że maksymalny prąd wyjściowy regulatora jest wyższy niż wymagany prąd wyjściowy o co najmniej 10 do 20%, ponieważ układ scalony może generować dużą ilość ciepła podczas ciągłej pracy na maksymalnych poziomach i może zostać uszkodzony przez ciepło. Również wydajność układu scalonego zmniejsza się podczas pracy na maksimum.
4. Zakres temperatur pracy
Termin ten odnosi się do zakresu temperatur, w którym regulator funkcjonuje prawidłowo. Jest definiowana w kategoriach temperatury otoczenia (Ta) lub temperatury złącza (Tj). Temperatura TJ odnosi się do najwyższej temperatury pracy tranzystora, a temperatura otoczenia do temperatury otoczenia wokół urządzenia.
Jeżeli zakres temperatury roboczej jest określony w oparciu o temperaturę otoczenia, nie oznacza to koniecznie, że regulator może pracować w całym zakresie temperatur. Ważne jest, aby wziąć pod uwagę współczynnik bezpieczeństwa, a także uwzględnić planowany prąd obciążenia i towarzyszące mu ciepło, ponieważ połączenie tego i temperatury otoczenia jest tym, co składa się na temperaturę złącza, której również nie należy przekraczać. Pozostawanie w zakresie temperatur pracy jest krytyczne dla prawidłowej, ciągłej pracy regulatora, gdyż nadmierne ciepło może doprowadzić do nieprawidłowej pracy i katastrofalnej awarii regulatora.Dlatego ważne jest zwrócenie uwagi na ciepło otoczenia w otoczeniu, w którym urządzenie będzie używane, a także określenie możliwej ilości ciepła, które będzie generowane przez urządzenie w wyniku prądu obciążenia przed określeniem, czy określony zakres temperatur pracy regulatora działa dla Ciebie. Należy zauważyć, że niektóre regulatory mogą również zawieść w ekstremalnie niskich temperaturach i warto zwrócić uwagę na minimalne wartości temperatury, jeśli aplikacja zostanie wdrożona w zimnym środowisku.
5. Częstotliwość przełączania
Częstotliwość przełączania odnosi się do szybkości, z jaką tranzystor sterujący jest włączany i wyłączany w regulatorze przełączającym. W regulatorach opartych na modulacji szerokości impulsu częstotliwość jest zwykle stała w trybie modulacji częstotliwości impulsu.
Częstotliwość przełączania wpływa na parametry regulatora, takie jak tętnienie, prąd wyjściowy, maksymalna wydajność i szybkość reakcji. Projekt częstotliwości kluczowania zawsze obejmuje zastosowanie dopasowanych wartości indukcyjności, tak aby działanie dwóch podobnych regulatorów o różnej częstotliwości przełączania było różne. Jeśli rozważymy dwa podobne regulatory o różnych częstotliwościach, okaże się, że na przykład maksymalny prąd będzie niski dla regulatora pracującego z niższą częstotliwością w porównaniu z regulatorem przy wysokiej częstotliwości. Ponadto parametry takie jak tętnienie będą wysokie, a szybkość odpowiedzi regulatora będzie niska przy niskiej częstotliwości, podczas gdy tętnienie będzie niskie, a szybkość odpowiedzi wysoka przy wysokiej częstotliwości.
6. Hałas
Przełączanie związane z przełączaniem regulatorów generuje szum i powiązane harmoniczne, które mogą wpływać na działanie całego systemu, szczególnie w systemach z komponentami RF i sygnałami audio. Chociaż szum można zredukować za pomocą filtra itp., Może to naprawdę zmniejszyć stosunek sygnału do szumu (SNR) w obwodach wrażliwych na szum. Dlatego ważne jest, aby mieć pewność, że hałas generowany przez regulator nie wpłynie na ogólną wydajność systemu.
7. Wydajność
Sprawność jest obecnie ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu każdego rozwiązania zasilania. Zasadniczo jest to stosunek napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego. Teoretycznie sprawność regulatora przełączającego wynosi sto procent, ale w praktyce zwykle nie jest to prawdą, ponieważ rezystancja przełącznika FET, spadek napięcia diody i ESR zarówno cewki indukcyjnej, jak i kondensatora wyjściowego, zmniejszają ogólną sprawność regulatora. Podczas gdy większość nowoczesnych regulatorów zapewnia stabilność w szerokim zakresie pracy, sprawność zmienia się w zależności od użytkowania i na przykład jest znacznie zmniejszona, gdy prąd pobierany z wyjścia wzrasta.
8. Regulacja obciążenia
Regulacja obciążenia jest miarą zdolności regulatora napięcia do utrzymania stałego napięcia na wyjściu niezależnie od zmian zapotrzebowania na obciążenie.
9. Opakowanie i rozmiar
Jednym ze zwykłych celów podczas projektowania dowolnego rozwiązania sprzętowego w dzisiejszych czasach jest maksymalne zmniejszenie rozmiaru. Zasadniczo obejmuje to zmniejszenie rozmiaru elementu elektronicznego i niezmiennie zmniejszenie liczby elementów składowych, które tworzą każdą sekcję urządzenia. System zasilania o małych rozmiarach nie tylko pomaga zmniejszyć całkowity rozmiar projektu, ale także pomaga stworzyć pomieszczenie, w którym można zmieścić dodatkowe funkcje produktu. W zależności od celów projektu, upewnij się, że rozmiar obudowy / opakowania jest odpowiedni. zmieści się w Twoim budżecie przestrzennym. Dokonując doboru w oparciu o ten czynnik, ważne jest również uwzględnienie wielkości elementów peryferyjnych wymaganych przez regulator do działania. Na przykład zastosowanie układów scalonych o wysokiej częstotliwości pozwala na użycie kondensatorów wyjściowych o małej pojemności i cewek indukcyjnych, co skutkuje zmniejszeniem rozmiaru elementów i odwrotnie.
Zidentyfikowanie tego wszystkiego i porównanie z wymaganiami projektowymi pomoże szybko określić, z którym regulatorem należy przekroczyć, a który powinien znaleźć się w projekcie.
Udostępnij, o którym myślisz, że przegapiłem i wszelkie inne komentarze w sekcji komentarzy.
Do następnego razu.