Живлення є важливою частиною будь-якого проекту / пристрою з електроніки. Незалежно від джерела, як правило, існує необхідність виконувати такі завдання управління живленням, як перетворення / масштабування напруги та перетворення (AC-DC / DC-DC) серед інших. Вибір правильного рішення для кожного з цих завдань може бути ключовим для успіху (або невдачі) продукту. Одним із найпоширеніших завдань управління живленням майже всіх типів пристроїв є регулювання / масштабування напруги постійного і постійного струму. Це передбачає зміну значення постійної напруги на вході до більшого або нижчого значення на виході. Компоненти / модулі, що використовуються для досягнення цих завдань, зазвичай називають регуляторами напруги. Як правило, вони мають здатність подавати постійну вихідну напругу, що є більшою або нижчою, ніж вхідна напруга, і вони зазвичай використовуються для живлення компонентів у конструкціях, де у вас є секції з різною напругою. Вони також використовуються в традиційних джерелах живлення.
Існує два основних типи регуляторів напруги;
- Лінійні регулятори
- Комутаційні регулятори
Лінійні регулятори напруги, як правило, є понижуючими регуляторами, і вони використовують регулювання імпедансу для створення лінійного зменшення вхідної напруги на виході. Зазвичай вони дуже дешеві, але неефективні, оскільки багато енергії втрачається для нагрівання під час регулювання. З іншого боку, комутаційні регулятори здатні збільшувати або знижувати напругу, що подається на вході, залежно від архітектури. Вони досягають регулювання напруги за допомогою процесу вмикання / вимикання транзистора, який контролює напругу, доступну на виході регуляторів. У порівнянні з лінійними регуляторами, комутаційні регулятори зазвичай дорожчі та набагато ефективніші.
У сьогоднішній статті ми зосередимося на перемиканні регуляторів, і, коли назва дається, ми розглянемо фактори, які слід враховувати при виборі регулятора перемикання для проекту.
Через складність інших частин проекту (основні функціональні можливості, ВЧ тощо), вибір регуляторів для електропостачання, як правило, є однією з дій, що залишаються до кінця процесу проектування. Сьогоднішня стаття спробує надати дизайнеру з обмеженим часом підказки щодо того, на що слід звернути увагу в технічних характеристиках комутаційного регулятора, щоб визначити, чи відповідає він вашому конкретному випадку використання. Також буде надана інформація щодо інтерпретації різних способів представлення різними виробниками інформації про такі параметри, як температура, навантаження тощо.
Типи регуляторів комутації
Існує, по суті, три типи комутаційних регуляторів, і фактори, які слід враховувати, залежать від того, який із типів використовуватиметься для вашої програми. Три типи:
- Бак-регулятори
- Підсилювальні регулятори
- Регулятори підвищення напруги
1. Бак-регулятори
Бак-регулятори, які також називаються понижуючими регуляторами або конверторами, є, мабуть, найпопулярнішими імпульсними регуляторами. Вони мають можливість зменшити напругу, що подається на вході, до меншої напруги на виході. Таким чином, їх номінальна вхідна напруга зазвичай вище, ніж їх номінальна вихідна напруга. Основні схеми конвертера доларів наведені нижче.
Вихід регулятора обумовлений вмиканням і вимиканням транзистора, а значення напруги, як правило, залежить від робочого циклу транзистора (скільки часу транзистор був включений у кожному повному циклі). Вихідна напруга задається рівнянням нижче, звідки ми можемо зробити висновок, що робочий цикл ніколи не може дорівнювати одиниці, і, отже, вихідна напруга завжди буде меншою за вхідну напругу. Отже, регулятори відстані використовуються тоді, коли потрібно зменшення напруги живлення між однією стадією конструкції та іншою. Ви можете дізнатися більше про основи проектування та ефективність регулятора зниження тут, далі дізнатися, як побудувати схему перетворювача Бака.
2. Регулятори підсилення
Підсилювальні регулятори або підсилювальні перетворювачі працюють прямо протилежно до регулювальних регуляторів. Вони подають напругу вище вихідної напруги на виході. Як і регулятори напруги, вони використовують дію перемикаючого транзистора для збільшення напруги на виході і, як правило, складаються з тих самих компонентів, що використовуються в регуляторах напруги, з тією лише різницею, що це розташування компонентів. А прості схеми для регулятора наддуву показано нижче.
Ви можете дізнатись більше про основи проектування та ефективність регулятора Boost тут, ви можете побудувати один Boost-перетворювач, дотримуючись цієї схеми Boost Converter.
3. Регулятори Buck-Boost
Останнім, але не менш важливим є регулятори підвищення ціни. З їх назви легко зробити висновок, що вони забезпечують як підсилення, так і ефект зниження вхідної напруги. Понижуючий перетворювач-імпульс виробляє інвертований (негативний) вихідна напруга, яке може бути більше або менше, ніж вхідна напруга на основі робочого циклу. Основна схема живлення з перемикачем режиму підвищення напруги наведена нижче.
Перетворювач підсилення - це різновид схеми перетворювача підсилення, в якому перетворюючий перетворювач подає лише енергію, накопичену індуктором L1, у навантаження.
Вибір будь-якого з цих трьох типів імпульсних регуляторів залежить виключно від того, що вимагається проектованою системою. Незалежно від типу регулятора, який буде використовуватися, важливо забезпечити відповідність специфікацій регуляторів вимогам конструкції.
Фактори, які слід враховувати при виборі регулятора комутації
Конструкція імпульсного регулятора значною мірою залежить від використовуваної для нього потужності, тому більшість факторів, які слід враховувати, будуть специфікації використовуваної ІС потужності. Важливо розуміти технічні характеристики Power IC та те, що вони означають, щоб переконатися, що ви вибрали правильний варіант для своєї програми.
Незалежно від вашої заявки, перевірка на такі фактори допоможе вам скоротити час, витрачений на вибір.
1. Діапазон вхідної напруги
Це стосується допустимого діапазону вхідних напруг, підтримуваних ІС. Зазвичай це вказується в технічному паспорті та як конструктор, важливо забезпечити, щоб вхідна напруга для вашого додатка потрапляла в діапазон вхідної напруги, вказаний для мікросхеми. Хоча певні таблиці даних можуть вказувати лише максимальну вхідну напругу, краще перевірити таблицю даних, щоб переконатися, що немає згадки про мінімальний діапазон вводу, перш ніж робити які-небудь припущення. Коли подається напруга, що перевищує максимальну вхідну напругу, мікросхема, як правило, розжарюється, але вона, як правило, припиняє свою роботу або працює ненормально, коли подається напруга нижче мінімальної вхідної напруги, все залежно від захисних заходів. Одним із захисних заходів, який зазвичай застосовується для запобігання пошкодженню ІМС, коли на вхід подається напруга, що виходить за межі діапазону, є Блокування під напругою (UVLO),перевірка наявності такої інформації також може допомогти вашим дизайнерським рішенням.
2. Діапазон вихідної напруги
Комутаційні регулятори зазвичай мають змінні виходи. Діапазон вихідної напруги представляє діапазон напруг, на який можна встановити необхідну вихідну напругу. В ІС без опції змінного виводу це, як правило, одне значення. Важливо переконатись, що ваша необхідна вихідна напруга знаходиться в межах, визначених для ІС, і з хорошим коефіцієнтом безпеки, як різниця між максимальним діапазоном вихідної напруги та вихідною напругою, яку вам потрібно. як правило, мінімальна вихідна напруга не може бути встановлена на рівень напруги нижче внутрішньої опорної напруги. Залежно від вашої програми (зниження або підсилення), мінімальний діапазон вихідного сигналу може бути або більшим, ніж вхідна напруга (підсилення), або набагато меншим, ніж вхідна напруга (долар).
3. Вихідний струм
Цей термін стосується поточного рейтингу, для якого розроблена СК. Це, по суті, вказівка на те, скільки струму може подавати ІС на своєму виході. Для деяких мікросхем лише максимальний вихідний струм вказується як міра безпеки та допомагає розробнику забезпечити, щоб регулятор міг подавати струм, необхідний для застосування. Для інших ІС передбачено як мінімальний, так і максимальний рейтинг. Це може бути дуже корисним при плануванні методів управління живленням для вашої програми.
Вибираючи регулятор на основі вихідного струму мікросхеми, важливо переконатися, що існує межа безпеки між максимальним струмом, необхідним для вашого додатка, і максимальним вихідним струмом регулятора. Важливо переконатися, що максимальний вихідний струм регулятора перевищує необхідний вихідний струм щонайменше на 10-20%, оскільки ІС може генерувати велику кількість тепла при роботі на максимальних рівнях безперервно і може бути пошкоджений теплом. Також ефективність ІС знижується при максимальній роботі.
4. Діапазон робочих температур
Цей термін стосується діапазону температур, в межах якого регулятор функціонує належним чином. Він визначається через температуру навколишнього середовища (Ta) або температуру з'єднання (Tj). Температура TJ відноситься до найвищої робочої температури транзистора, тоді як температура навколишнього середовища відноситься до температури навколишнього середовища навколо пристрою.
Якщо діапазон робочих температур визначається з точки зору температури навколишнього середовища, це не обов'язково означає, що регулятор можна використовувати в повному діапазоні температур. Важливо врахувати коефіцієнт безпеки, а також плановий струм навантаження та супутнє тепло, оскільки поєднання цього та температури навколишнього середовища складає температуру переходу, яку також не слід перевищувати. Дотримання діапазону робочих температур є критичним для правильної, безперервної роботи регулятора, оскільки надмірне нагрівання може призвести до ненормальної роботи та катастрофічної несправності регулятора.Тому важливо звернути увагу на тепло навколишнього середовища, в якому буде використовуватися пристрій, а також визначити можливу кількість тепла, яке буде вироблятися приладом в результаті струму навантаження, перш ніж визначати, чи вказаний діапазон робочих температур регулятора працює для вас. Важливо зазначити, що деякі регулятори також можуть вийти з ладу в надзвичайно холодних умовах, і варто звернути увагу на мінімальні значення температури, якщо програма буде розміщена в холодному середовищі.
5. Частота комутації
Частота комутації відноситься до швидкості, з якою управляючий транзистор вмикається і вимикається в комутаційному регуляторі. У регуляторах, що базуються на модуляції ширини імпульсу, частота, як правило, є фіксованою, тоді як у модуляції частоти імпульсів.
Частота комутації впливає на такі параметри регулятора, як пульсації, вихідний струм, максимальна ефективність та швидкість відгуку. Конструкція частоти комутації завжди передбачає використання відповідних значень індуктивності, так що продуктивність двох подібних регуляторів з різною частотою комутації буде різною. Якщо розглянути два подібні регулятори на різних частотах, буде виявлено, що, наприклад, максимальний струм буде низьким для регулятора, що працює на нижчій частоті порівняно з регулятором на високій частоті. Крім того, такі параметри, як пульсації, будуть високими, а швидкість відгуку регулятора буде низькою на низькій частоті, тоді як пульсації будуть низькими, а швидкість відгуку - високою на високій частоті.
6. Шум
Комутаційна дія, пов'язана з перемиканням регуляторів, генерує шуми та пов'язані з ними гармоніки, які можуть впливати на роботу загальної системи, особливо в системах з радіочастотними компонентами та звуковими сигналами. Хоча шум можна зменшити за допомогою фільтра тощо, це дійсно може зменшити відношення сигнал / шум (SNR) в схемах, чутливих до шуму. Таким чином, важливо бути впевненим, що кількість шуму, що генерується регулятором, не вплине на загальну продуктивність системи.
7. Ефективність
Ефективність є важливим фактором, який слід враховувати при розробці будь-якого енергетичного рішення сьогодні. По суті, це відношення вихідної напруги до вхідної напруги. Теоретично ефективність імпульсного регулятора становить сто відсотків, але це, як правило, не відповідає дійсності, оскільки опір перемикача транзисторів, падіння напруги діода та коефіцієнт ESR як індуктивності, так і вихідного конденсатора знижує загальну ефективність регулятора. Хоча більшість сучасних регуляторів забезпечують стабільність у широкому діапазоні функціонування, ефективність змінюється залежно від використання, і, наприклад, значно зменшується, оскільки струм, що отримується від вихідної потужності, збільшується.
8. Регулювання навантаження
Регулювання навантаження - це міра здатності регулятора напруги підтримувати постійну напругу на виході незалежно від зміни вимог до навантаження.
9. Упаковка та розмір
Однією із звичайних цілей під час проектування будь-якого апаратного рішення сьогодні є максимально зменшити розмір. По суті, це включає зменшення розміру електронного компонента та незмінно зменшення кількості компонентів, що складають кожну секцію пристрою. Малий розмір енергосистеми не тільки допомагає зменшити загальний розмір проекту, але також допомагає створити приміщення, до якого можуть бути обмежені додаткові характеристики продукту. Залежно від цілей вашого проекту, переконайтеся, що ви відповідаєте формам фактора / розміру упаковки. впишеться у ваш космічний бюджет. Роблячи вибір на основі цього фактора, також важливо враховувати розмір периферійних компонентів, необхідних регулятору для функціонування. Наприклад, використання високочастотних мікросхем дозволяє використовувати вихідні конденсатори з низькою ємністю та котушки індуктивності, що призводить до зменшення розміру компонента і навпаки.
Визначення всього цього та порівняння з вашими дизайнерськими вимогами швидко допоможуть вам визначити, який регулятор слід переходити, а який - у вашому дизайні.
Поділіться, який фактор, на вашу думку, я пропустив, та будь-які інші коментарі через розділ коментарів.
До наступного разу.