- Vrste preklopnih regulatorjev
- Dejavniki, ki jih je treba upoštevati pri izbiri preklopnega regulatorja
Napajanje je pomemben del katerega koli elektronskega projekta / naprave. Ne glede na vir je običajno treba med drugim opravljati naloge upravljanja napajanja, kot so pretvorba / skaliranje napetosti in pretvorba (AC-DC / DC-DC). Izbira prave rešitve za vsako od teh nalog je lahko ključnega pomena za uspeh (ali neuspeh) izdelka. Ena najpogostejših nalog upravljanja napajanja v skoraj vseh vrstah naprav je enosmerna in enosmerna regulacija / skaliranje. To vključuje spreminjanje vrednosti enosmerne napetosti na vhodu na višjo ali nižjo vrednost na izhodu. Komponente / moduli, ki se uporabljajo za doseganje teh nalog, se običajno imenujejo regulatorji napetosti. Običajno lahko napajajo konstantno izhodno napetost, ki je višja ali nižja od vhodne napetosti, in se pogosto uporabljajo za napajanje komponent v izvedbah, pri katerih imate odseke z različnimi napetostmi. Uporabljajo se tudi v tradicionalnih napajalnikih.
Obstajata dve glavni vrsti napetostnih regulatorjev;
- Linearni regulatorji
- Preklopni regulatorji
Linearni regulatorji napetosti so običajno odstopni regulatorji, ki uporabljajo regulacijo impedance, da ustvarijo linearno zmanjšanje vhodne napetosti na izhodu. Običajno so zelo poceni, vendar neučinkovite, saj se med regulacijo izgubi veliko energije za ogrevanje. Preklopni regulatorji pa lahko povišajo ali znižajo napetost na vhodu, odvisno od arhitekture. Regulacijo napetosti dosežejo z vklopnim / izklopnim postopkom tranzistorja, ki nadzoruje napetost, ki je na voljo na izhodu regulatorjev. V primerjavi z linearnimi regulatorji so preklopni regulatorji običajno dražji in veliko bolj učinkoviti.
V današnjem članku se bomo osredotočili na preklapljanje regulatorjev in ob odhodu naslova bomo preučili dejavnike, ki jih je treba upoštevati pri izbiri preklopnega regulatorja za projekt.
Zaradi zapletenosti drugih delov projekta (osnovne funkcije, RF itd.) Je izbira regulatorjev za oskrbo z električno energijo običajno eden od ukrepov, ki ostanejo do konca postopka načrtovanja. Današnji članek bo poskušal časovno omejenemu oblikovalcu ponuditi nasvete o tem, kaj je treba iskati v specifikacijah preklopnega regulatorja, da ugotovi, ali ustreza vašemu primeru uporabe. Na voljo bodo tudi podrobnosti o razlagi različnih načinov, na katere različni proizvajalci predstavljajo informacije o parametrih, kot so temperatura, obremenitev itd.
Vrste preklopnih regulatorjev
V bistvu obstajajo trije tipi stikalnih regulatorjev, dejavniki, ki jih je treba upoštevati, pa so odvisni od tega, katero vrsto naj se uporabi za vašo aplikacijo. Tri vrste so;
- Buck regulatorji
- Boost regulatorji
- Buck Boost regulatorji
1. Buck regulatorji
Regulatorji napetosti, imenovani tudi postopni regulatorji ali pretvorniki, so verjetno najbolj priljubljeni stikalni regulatorji. Imajo možnost, da napetost na vhodu znižajo na manjšo napetost na izhodu. Tako je njihova nazivna vhodna napetost običajno višja od nazivne izhodne napetosti. Osnovne sheme za pretvornik dolarjev so prikazane spodaj.
Izhod regulatorja je posledica vklopa in izklopa tranzistorja, vrednost napetosti pa je ponavadi funkcija delovnega cikla tranzistorja (kako dolgo je bil tranzistor vklopljen v vsakem celotnem ciklu). Izhodna napetost je podana s spodnjo enačbo, iz katere lahko sklepamo, da delovni cikel nikoli ne more biti enak enoti, zato bo izhodna napetost vedno manjša od vhodne napetosti. Regulatorji napetosti se zato uporabljajo, kadar je potrebno zmanjšanje napajalne napetosti med eno in drugo stopnjo zasnove. Tukaj lahko izveste več o osnovah zasnove in učinkovitosti regulatorja napetosti, nadalje se naučite, kako zgraditi vezje pretvornika Buck.
2. Boost regulatorji
Povišani regulatorji ali pretvorniki povišanja delujejo v nasprotni smeri glede na dovodne regulatorje. Na svojem izhodu oddajajo napetost, višjo od vhodne napetosti. Tako kot regulatorji dolžine tudi oni uporabljajo preklopni tranzistorski učinek za povečanje napetosti na izhodu in so običajno sestavljeni iz istih komponent, ki se uporabljajo v regulatorjih napetosti, z edino razliko v razporeditvi komponent. A preproste Sheme za regulator boost je prikazano spodaj.
Tukaj lahko izveste več o osnovah zasnove in učinkovitosti regulatorja Boost, lahko sestavite en pretvornik Boost, tako da sledite temu vezju pretvornika Boost.
3. Buck-Boost regulatorji
Nenazadnje so regulatorji za povečanje dolarjev. Iz njihovega imena je enostavno sklepati, da vhodni napetosti zagotavljata tako povečevalni kot tudi donosni učinek. Buck-boost pretvornik proizvaja obrnjeno (negativno) izhodno napetost, ki je lahko večja ali manjša od vhodne napetosti, ki temelji na ciklus. Osnovno napajalno vezje s stikalom Buck-Boost je spodaj.
Pretvornik za povečanje napetosti je različica vezja pretvornika za povečanje, pri katerem pretvornik pretvarja samo energijo, ki jo shrani induktor L1, v obremenitev.
Izbira katerega koli od teh treh tipov stikalnih regulatorjev je odvisna samo od tega, kaj zahteva sistem, ki je zasnovan. Ne glede na vrsto regulatorja, ki ga bomo uporabili, je pomembno zagotoviti, da specifikacije regulatorjev ustrezajo zahtevam zasnove.
Dejavniki, ki jih je treba upoštevati pri izbiri preklopnega regulatorja
Zasnova stikalnega regulatorja je v veliki meri odvisna od moči IC, ki se zanj uporablja, zato bo večina dejavnikov, ki jih je treba upoštevati, specifikacije uporabljene moči IC. Pomembno je razumeti specifikacije Power IC in kaj pomenijo, da boste lahko izbrali pravega za svojo aplikacijo.
Ne glede na vašo prijavo vam bo preverjanje naslednjih dejavnikov pomagalo zmanjšati čas, porabljen za izbiro.
1. Območje vhodne napetosti
To se nanaša na sprejemljiv obseg vhodnih napetosti, ki jih podpira IC. Običajno je navedeno v podatkovnem listu in kot oblikovalec je pomembno zagotoviti, da vhodna napetost za vašo aplikacijo spada v območje vhodne napetosti, določeno za IC. Nekateri podatkovni listi lahko določajo samo največjo vhodno napetost, vendar je bolje, da pred kakršnimi koli predpostavkami preverite podatkovni list in se prepričate, da ni omenjen najmanjši vhodni obseg. Ko se uporabi napetost, višja od najvišje vhodne napetosti, se IC običajno prepraži, vendar običajno preneha delovati ali deluje neobičajno, ko se uporabijo napetosti, nižje od najnižje vhodne napetosti, vse odvisno od veljavnih zaščitnih ukrepov. Eden od zaščitnih ukrepov, ki se običajno uporabljajo za preprečevanje poškodb integriranih vezij, ko se na vhodu napajajo napetosti zunaj dosega, je podnapetostno zaklepanje (UVLO),preverjanje, ali je to na voljo, vam lahko pomaga tudi pri oblikovalskih odločitvah.
2. Območje izhodne napetosti
Preklopni regulatorji imajo običajno spremenljive izhode. Območje izhodne napetosti predstavlja obseg napetosti, na katerega lahko nastavite želeno izhodno napetost. V IC brez možnosti spremenljivega izhoda je to običajno ena vrednost. Pomembno je zagotoviti, da je potrebna izhodna napetost v območju, določenem za IC, in z dobrim faktorjem varnosti, saj je razlika med največjim obsegom izhodne napetosti in izhodno napetostjo, ki jo potrebujete. praviloma najnižje izhodne napetosti ni mogoče nastaviti na raven napetosti, nižjo od notranje referenčne napetosti. Glede na vašo aplikacijo (buck ali boost) je lahko najmanjše izhodno območje večje od vhodne napetosti (boost) ali pa manjše od vhodne napetosti (buck).
3. Izhodni tok
Ta izraz se nanaša na trenutno oceno, za katero je bila IC zasnovana. To je v bistvu pokazatelj, koliko toka lahko dobavi IC na svojem izhodu. Za nekatere IC je kot največji varnostni ukrep določen le največji izhodni tok, ki projektantu pomaga zagotoviti, da bo regulator lahko oddajal tok, potreben za uporabo. Za druge IC so na voljo tako najmanjša kot najvišja ocena. To bi lahko bilo zelo koristno pri načrtovanju tehnik upravljanja porabe energije za vašo aplikacijo.
Pri izbiri regulatorja, ki temelji na izhodnem toku IC, je pomembno zagotoviti varnostno mejo med največjim tokom, ki ga zahteva vaša aplikacija, in največjim izhodnim tokom regulatorja. Pomembno je zagotoviti, da je največji izhodni tok regulatorja za vsaj 10 do 20% višji od zahtevanega izhodnega toka, saj lahko IC pri neprekinjenem delovanju na najvišjih ravneh ustvarja veliko toplote in ga lahko toplota poškoduje. Tudi učinkovitost IC se zmanjša, če deluje maksimalno.
4. Območje delovne temperature
Ta izraz se nanaša na temperaturno območje, v katerem regulator deluje pravilno. Opredeljena je bodisi glede na temperaturo okolice (Ta) ali temperaturo stičišča (Tj). Temperatura TJ se nanaša na najvišjo delovno temperaturo tranzistorja, temperatura okolice pa na temperaturo okolice okoli naprave.
Če je območje delovne temperature določeno glede na temperaturo okolice, to ne pomeni nujno, da je regulator mogoče uporabiti v celotnem temperaturnem območju. Pomembno je upoštevati faktor varnosti in tudi načrtovani obremenitveni tok in spremljajočo toploto, saj kombinacija le-te in temperature okolja tvori temperaturo spoja, ki je prav tako ne smemo preseči. Zadrževanje znotraj delovnega temperaturnega območja je ključnega pomena za pravilno, neprekinjeno delovanje regulatorja, saj lahko prekomerna toplota povzroči nenavadno delovanje in katastrofalno okvaro regulatorja.Zato je pomembno, da bodite pozorni na toploto okolice v okolju, v katerem se bo naprava uporabljala, in določite tudi možno količino toplote, ki jo bo naprava ustvarila zaradi toka obremenitve, preden ugotovite, ali je določeno območje delovne temperature regulatorja deluje za vas. Pomembno je omeniti, da lahko nekateri regulatorji tudi v izredno hladnih razmerah odpovedo in je vredno biti pozoren na najnižje temperaturne vrednosti, če bo aplikacija nameščena v hladnem okolju.
5. Frekvenca preklapljanja
Preklopna frekvenca se nanaša na hitrost, s katero se krmilni tranzistor vklopi in izklopi v preklopnem regulatorju. Pri regulatorjih, ki temeljijo na impulzni širini, je frekvenca običajno fiksna, medtem ko je pri pulzno frekvenčni modulaciji.
Preklopna frekvenca vpliva na parametre regulatorja, kot so valovanje, izhodni tok, največja učinkovitost in odzivna hitrost. Zasnova preklopne frekvence vedno vključuje uporabo ujemajočih se vrednosti induktivnosti, tako da bosta zmogljivosti dveh podobnih regulatorjev z različno preklopno frekvenco različni. Če upoštevamo dva podobna regulatorja na različnih frekvencah, bomo ugotovili, da bo na primer največji tok nizek za regulator, ki deluje na nižji frekvenci kot regulator visoke frekvence. Tudi parametri, kot je valovanje, bodo visoki, odzivna hitrost regulatorja pa nizka pri nizki frekvenci, medtem ko bo valovanje nizko, odzivna hitrost pa visoka pri visoki frekvenci.
6. Hrup
Preklopno delovanje, povezano s preklopnimi regulatorji, ustvarja šum in s tem povezane harmonike, ki bi lahko vplivali na delovanje celotnega sistema, zlasti v sistemih z RF komponentami in zvočnimi signali. Čeprav je hrup mogoče zmanjšati s pomočjo filtra itd., Lahko resnično zmanjša razmerje med signalom in šumom (SNR) v vezjih, ki so občutljiva na hrup. Zato je pomembno zagotoviti, da količina hrupa, ki ga ustvarja regulator, ne bo vplivala na splošno delovanje sistema.
7. Učinkovitost
Učinkovitost je pomemben dejavnik, ki ga je treba upoštevati pri načrtovanju katere koli energetske rešitve danes. V bistvu gre za razmerje med izhodno napetostjo in vhodno napetostjo. Teoretično je učinkovitost preklopnega regulatorja stoodstotna, vendar to v praksi ponavadi ne drži, saj upor stikala FET, padec napetosti diode in ESR induktorja in izhodnega kondenzatorja zmanjšata splošno učinkovitost regulatorja. Medtem ko večina sodobnih regulatorjev nudi stabilnost v širokem območju delovanja, se učinkovitost razlikuje glede na uporabo in je na primer močno zmanjšana, ko se poveča tok, ki se črpa iz izhodne moči.
8. Regulacija obremenitve
Regulacija obremenitve je merilo sposobnosti regulatorja napetosti, da vzdržuje konstantno napetost na izhodu, ne glede na spremembe zahteve glede obremenitve.
9. Embalaža in velikost
Eden od običajnih ciljev pri načrtovanju katere koli strojne rešitve danes je čim večje zmanjšanje velikosti. To v bistvu vključuje zmanjšanje velikosti elektronske komponente in vedno zmanjšanje števila komponent, ki sestavljajo posamezne dele naprave. Majhen napajalni sistem ne pomaga le zmanjšati celotne velikosti projekta, ampak tudi pomaga ustvariti prostor, v katerega se lahko ujamejo dodatne funkcije izdelka. Odvisno od ciljev vašega projekta zagotovite, da sta v obliki faktorja / velikosti paketa ustrezna bo ustrezal vašemu vesoljskemu proračunu. Pri izbiri, ki temelji na tem faktorju, je pomembno tudi, da upoštevamo velikost zunanjih komponent, ki jih regulator zahteva za delovanje. Na primer, uporaba visokofrekvenčnih integriranih vezij omogoča uporabo izhodnih kondenzatorjev z nizko kapacitivnostjo in induktorji, kar ima za posledico manjšo velikost komponent in obratno.
Ugotovitev vsega tega in primerjava z vašimi konstrukcijskimi zahtevami vam bo hitro pomagala določiti, kateri regulator je treba prečkati in kateri naj bo v vaši zasnovi.
V razdelku za komentarje delite, kateri dejavnik menite, da sem zamudil, in druge komentarje.
Do naslednjič.