Napájanie je dôležitou súčasťou každého projektu alebo zariadenia s elektronikou. Bez ohľadu na zdroj je zvyčajne potrebné okrem iného vykonávať úlohy správy napájania, ako je transformácia / zmena mierky napätia a konverzia (AC-DC / DC-DC). Výber správneho riešenia pre každú z týchto úloh môže byť kľúčom k úspechu (alebo neúspechu) produktu. Jednou z najbežnejších úloh správy napájania takmer všetkých druhov zariadení je regulácia / zmena mierky napätia DC-DC. To zahŕňa zmenu hodnoty jednosmerného napätia na vstupe na vyššiu alebo nižšiu hodnotu na výstupe. Komponenty / moduly použité na dosiahnutie týchto úloh sa všeobecne označujú ako regulátory napätia. Spravidla majú schopnosť dodávať konštantné výstupné napätie, ktoré je vyššie alebo nižšie ako vstupné napätie, a bežne sa používajú na napájanie komponentov v prevedeniach, kde máte sekcie s rôznym napätím. Používajú sa aj v tradičných zdrojoch napájania.
Existujú dva hlavné typy regulátorov napätia;
- Lineárne regulátory
- Spínacie regulátory
Lineárne regulátory napätia sú zvyčajne krokovými regulátormi a pomocou riadenia impedancie vytvárajú lineárne zníženie vstupného napätia na výstupe. Zvyčajne sú veľmi lacné, ale neúčinné, pretože počas regulácie sa stratí veľa energie na zahriatie. Na druhej strane spínacie regulátory sú schopné buď zvyšovať alebo znižovať napätie privádzané na vstup v závislosti od architektúry. Reguláciu napätia dosahujú pomocou procesu zapínania a vypínania tranzistora, ktorý riadi napätie dostupné na výstupe regulátorov. V porovnaní s lineárnymi regulátormi sú spínacie regulátory zvyčajne nákladnejšie a oveľa efektívnejšie.
V dnešnom článku sa zameriame na spínacie regulátory a ako bolo zrejmé z názvu, budeme sa zaoberať faktormi, ktoré je potrebné zohľadniť pri výbere spínacieho regulátora pre projekt.
Vzhľadom na zložitosť ostatných častí projektu (základné funkcie, RF atď.) Je výber regulátorov napájania zvyčajne jednou z akcií, ktorá zostáva do konca procesu projektovania. Dnešný článok sa pokúsi poskytnúť časovo obmedzenému dizajnérovi tipy, čo hľadať v špecifikáciách spínacieho regulátora, aby zistil, či to vyhovuje vášmu konkrétnemu prípadu použitia. Podrobnosti sa poskytnú aj pri interpretácii rôznych spôsobov, akými rôzni výrobcovia poskytujú informácie o parametroch, ako je teplota, zaťaženie atď.
Typy spínacích regulátorov
V zásade existujú tri typy spínacích regulátorov a faktory, ktoré je potrebné vziať do úvahy, závisia od toho, ktorý z typov sa má pre vašu aplikáciu použiť. Tieto tri typy sú;
- Buck Regulators
- Posilnite regulátory
- Regulátory Buck Boost
1. Buck Regulators
Buck regulátory, tiež nazývané stupňovité regulátory alebo buck prevodníky, sú pravdepodobne najpopulárnejšie spínacie regulátory. Majú schopnosť znižovať napätie privedené na vstupe na menšie napätie na výstupe. Ich menovité vstupné napätie je teda zvyčajne vyššie ako ich menovité výstupné napätie. Základné schémy pre prevodník buck sú uvedené nižšie.
Výstup regulátora je spôsobený zapínaním a vypínaním tranzistora a hodnota napätia je zvyčajne funkciou pracovného cyklu tranzistora (ako dlho bol tranzistor zapnutý v každom úplnom cykle). Výstupné napätie je dané nižšie uvedenou rovnicou, z ktorej môžeme odvodiť, že pracovný cyklus sa nikdy nemôže rovnať jednému, a teda výstupné napätie bude vždy menšie ako vstupné napätie. Buck regulátory sa preto používajú, keď je potrebné zníženie napájacieho napätia medzi jednou fázou návrhu a druhou fázou. Tu sa môžete dozvedieť viac o základoch návrhu a účinnosti regulátora buck, ďalej sa dozviete, ako zostaviť obvod prevodníka Buck.
2. Posilnenie regulátorov
Regulátory zosilnenia alebo zosilňovače konverzie pracujú priamo opačným spôsobom ako regulátory buck. Na svojom výstupe dodávajú napätie vyššie ako vstupné napätie. Rovnako ako buck regulátory používajú spínací tranzistor na zvýšenie napätia na výstupe a sú zvyčajne tvorené rovnakými komponentmi, ktoré sa používajú v buck regulátoroch, s jediným rozdielom v usporiadaní komponentov. A jednoduchá schéma pre regulátora boost je uvedený nižšie.
Tu sa dozviete viac o základoch návrhu a efektivite regulátora Boost, môžete vytvoriť jeden konvertor Boost podľa tohto obvodu prevodníka Boost.
3. Regulátory Buck-Boost
V neposlednom rade sú to regulátory podpory buck. Z ich názvu možno ľahko odvodiť, že poskytujú zosilnenie aj zosilnenie vstupného napätia. Buck-boost prevodník produkuje obrátený (negatívny), výstupné napätie, ktoré môže byť väčšia alebo menšia, než je vstupné napätie na základe pracovného cyklu. Nižšie je uvedený základný napájací obvod režimu prepínania zosilňovača zosilnenia.
Prevodník buck-boost je variáciou obvodu zosilňovača, v ktorom invertujúci prevodník dodáva iba energiu uloženú induktorom L1 do záťaže.
Výber ktoréhokoľvek z týchto troch typov spínacích regulátorov závisí výlučne od toho, čo požaduje navrhovaný systém. Bez ohľadu na typ použitého regulátora je dôležité zabezpečiť, aby technické parametre regulátorov zodpovedali požiadavkám návrhu.
Faktory, ktoré treba brať do úvahy pri výbere spínacieho regulátora
Konštrukcia spínacieho regulátora závisí vo veľkej miere od použitého výkonového IC, takže väčšina faktorov, ktoré sa budú brať do úvahy, budú špecifikácie použitého výkonového IC. Je dôležité porozumieť špecifikáciám Power IC a tým, čo znamenajú, aby ste sa uistili, že pre svoju aplikáciu vyberiete ten pravý.
Bez ohľadu na vašu aplikáciu vám kontrola nasledujúcich faktorov pomôže znížiť čas strávený výberom.
1. Rozsah vstupného napätia
Toto sa týka tolerovateľného rozsahu vstupných napätí podporovaných IC. Zvyčajne je to uvedené v údajovom liste a ako dizajnér je dôležité zabezpečiť, aby vstupné napätie pre vašu aplikáciu spadalo do rozsahu vstupného napätia špecifikovaného pre IC. Aj keď určité údajové listy môžu uvádzať iba maximálne vstupné napätie, je lepšie skontrolovať údajový list a uistiť sa, že nie je zmienka o minimálnom vstupnom rozsahu pred vykonaním akýchkoľvek predpokladov. Keď sa použije napätie vyššie ako maximálne vstupné napätie, IC sa zvyčajne vypráža, ale zvyčajne prestane pracovať alebo bude pracovať abnormálne, keď sa použije napätie nižšie ako minimálne vstupné napätie, to všetko závisí od zavedených ochranných opatrení. Jedným z ochranných opatrení, ktoré sa zvyčajne používajú na zabránenie poškodeniu integrovaných obvodov, keď sú na vstup napájané napätia mimo rozsah, je podpäťové blokovanie (UVLO),kontrola, či je táto možnosť k dispozícii, vám môže pomôcť aj pri rozhodovaní o dizajne.
2. Rozsah výstupného napätia
Spínacie regulátory majú zvyčajne premenlivé výstupy. Rozsah výstupného napätia predstavuje rozsah napätí, na ktoré je možné nastaviť požadované výstupné napätie. V integrovaných obvodoch bez možnosti variabilného výstupu je to obvykle jedna hodnota. Je dôležité zabezpečiť, aby vaše požadované výstupné napätie bolo v rozmedzí špecifikovanom pre IC a s dobrým faktorom bezpečnosti ako rozdielom medzi maximálnym rozsahom výstupného napätia a výstupným napätím, ktoré požadujete. spravidla nie je možné nastaviť minimálne výstupné napätie na úroveň napätia nižšiu ako je interné referenčné napätie. V závislosti od vašej aplikácie (buck alebo boost) môže byť minimálny výstupný rozsah buď väčší ako vstupné napätie (boost), alebo oveľa menší ako vstupné napätie (buck).
3. Výstupný prúd
Tento výraz označuje súčasné hodnotenie, pre ktoré bol IC navrhnutý. Je to v podstate údaj o tom, koľko prúdu môže IC dodávať na výstupe. U niektorých integrovaných obvodov je ako mierka bezpečnosti uvedený iba maximálny výstupný prúd. Pomáha projektantovi zabezpečiť, aby regulátor bol schopný dodávať prúd požadovaný pre danú aplikáciu. Pre ostatné integrované obvody sú poskytované minimálne aj maximálne hodnotenia. To by mohlo byť veľmi užitočné pri plánovaní techník riadenia napájania vašej aplikácie.
Pri výbere regulátora na základe výstupného prúdu IC je dôležité zabezpečiť mieru bezpečnosti medzi maximálnym prúdom požadovaným vašou aplikáciou a maximálnym výstupným prúdom regulátora. Je dôležité zabezpečiť, aby maximálny výstupný prúd regulátora bol vyšší ako požadovaný výstupný prúd minimálne o 10 až 20%, pretože integrovaný obvod môže pri nepretržitej prevádzke na maximálnych úrovniach generovať vysoké množstvo tepla a teplom by sa mohol poškodiť.. Pri maximálnej prevádzke sa tiež znižuje účinnosť integrovaného obvodu.
4. Rozsah prevádzkových teplôt
Tento výraz označuje teplotný rozsah, v ktorom regulátor správne funguje. Je definovaná buď z hľadiska teploty okolia (Ta), alebo spojovacej teploty (Tj). Teplota TJ sa vzťahuje na najvyššiu prevádzkovú teplotu tranzistora, zatiaľ čo okolitá teplota sa vzťahuje na teplotu prostredia v okolí zariadenia.
Ak je rozsah prevádzkovej teploty definovaný z hľadiska teploty okolia, nemusí to nutne znamenať, že regulátor je možné používať v celom rozsahu teplôt. Je dôležité zohľadniť faktor bezpečnosti a tiež faktor plánovaného prúdu záťaže a súvisiaceho tepla, pretože kombinácia tejto teploty a teploty okolia tvorí teplotu spoja, ktorá by sa tiež nemala prekročiť. Udržiavanie rozsahu prevádzkových teplôt je rozhodujúce pre správnu a nepretržitú prevádzku regulátora, pretože nadmerné teplo by mohlo viesť k jeho abnormálnej činnosti a katastrofickej poruche regulátora.Je preto dôležité venovať pozornosť okolitému teplu v prostredí, v ktorom bude zariadenie používané, a tiež určiť možné množstvo tepla, ktoré bude prístrojom generované v dôsledku zaťažovacieho prúdu, pred určením, či je stanovený rozsah prevádzkovej teploty regulátor pracuje pre vás. Je dôležité poznamenať, že určité regulátory môžu zlyhať aj v extrémne chladných podmienkach a stojí za to venovať pozornosť minimálnym teplotným hodnotám, ak bude aplikácia nasadená v chladnom prostredí.
5. Spínacia frekvencia
Spínacia frekvencia sa týka rýchlosti, ktorou sa riadiaci tranzistor zapína a vypína v spínacom regulátore. V regulátoroch založených na pulznej šírkovej modulácii je frekvencia zvyčajne pevná, zatiaľ čo v pulznej frekvenčnej modulácii.
Spínacia frekvencia ovplyvňuje parametre regulátora, ako je zvlnenie, výstupný prúd, maximálna účinnosť a rýchlosť odozvy. Návrh spínacej frekvencie vždy zahŕňa použitie zodpovedajúcich hodnôt indukčnosti, takže výkon dvoch podobných regulátorov s rôznou spínacou frekvenciou bude odlišný. Ak sa vezmú do úvahy dva podobné regulátory s rôznymi frekvenciami, zistí sa, že napríklad maximálny prúd bude nízky pre regulátor pracujúci s nižšou frekvenciou v porovnaní s maximom súčasného regulátora s vysokou frekvenciou. Tiež parametre ako zvlnenie budú vysoké a rýchlosť odozvy regulátora bude nízka pri nízkej frekvencii, zatiaľ čo zvlnenie bude nízke a rýchlosť odozvy vysoká pri vysokej frekvencii.
6. Hluk
Spínacia činnosť spojená so spínacími regulátormi generuje šum a súvisiace harmonické, ktoré by mohli ovplyvniť výkonnosť celého systému, najmä v systémoch s vysokofrekvenčnými komponentmi a zvukovými signálmi. Zatiaľ čo šum je možné znížiť pomocou filtra atď., V obvodoch citlivých na šum môže skutočne znížiť pomer signálu k šumu (SNR). Je preto dôležité ubezpečiť sa, že množstvo šumu generovaného regulátorom neovplyvní celkový výkon systému.
7. Efektívnosť
Účinnosť je dnes dôležitým faktorom, ktorý je potrebné zohľadniť pri návrhu každého energetického riešenia. Je to v podstate pomer výstupného napätia k vstupnému napätiu. Teoreticky je účinnosť spínacieho regulátora stopercentná, v praxi to však obvykle neplatí, pretože odpor prepínača FET, poklesu napätia diódy a ESR induktora aj výstupného kondenzátora znižuje celkovú účinnosť regulátora. Zatiaľ čo väčšina moderných regulátorov ponúka stabilitu v širokom prevádzkovom rozsahu, účinnosť sa líši podľa použitia a napríklad sa výrazne znižuje pri zvyšovaní prúdu odoberaného z výstupu.
8. Regulácia zaťaženia
Regulácia záťaže je miera schopnosti regulátora napätia udržiavať na výstupe konštantné napätie bez ohľadu na zmeny v požiadavke na záťaž.
9. Balenie a veľkosť
Jedným z obvyklých cieľov pri navrhovaní ľubovoľného hardvérového riešenia v dnešnej dobe je čo najviac zmenšiť veľkosť. To v podstate zahŕňa zmenšenie veľkosti elektronického komponentu a neustále zníženie počtu komponentov, ktoré tvoria každú časť zariadenia. Energetický systém malých rozmerov nielen pomáha znižovať celkovú veľkosť projektu, ale tiež pomáha vytvárať priestor, v ktorom môžu byť stiesnené ďalšie funkcie produktu. V závislosti na cieľoch vášho projektu sa uistite, či máte požadovaný tvar / veľkosť balenia. sa zmestí do vášho vesmírneho rozpočtu. Pri výbere na základe tohto faktora je tiež dôležité brať do úvahy veľkosť periférnych komponentov požadovaných funkciou regulátora. Napríklad použitie vysokofrekvenčných integrovaných obvodov umožňuje použitie výstupných kondenzátorov s nízkou kapacitou a tlmiviek, čo má za následok zmenšenie veľkosti súčiastok a naopak.
Identifikácia tohto všetkého a porovnanie s požiadavkami na dizajn vám rýchlo pomôže určiť, ktorý regulátor by mal byť prekročený a ktorý by sa mal vo vašom dizajne vyskytnúť.
Podeľte sa o to, o ktorý faktor si myslíte, že som prišiel, a ďalšie komentáre prostredníctvom sekcie komentárov.
Až nabudúce.