Selectarea regulatorului de comutare potrivit pentru aplicația dvs.

Puterea este o parte importantă a oricărui proiect / dispozitiv electronic. Indiferent de sursă, este de obicei nevoie să efectuați sarcini de gestionare a energiei, cum ar fi transformarea / scalarea tensiunii și conversia (AC-DC / DC-DC), printre altele. Alegerea soluției potrivite pentru fiecare dintre aceste sarcini poate fi cheia succesului (sau eșecului) produsului. Una dintre cele mai frecvente sarcini de gestionare a energiei în aproape toate tipurile de dispozitive este reglarea / scalarea tensiunii DC-DC. Aceasta implică schimbarea valorii tensiunii continue la intrare la o valoare mai mare sau mai mică la ieșire. Componentele / modulele utilizate pentru realizarea acestor sarcini sunt denumite în general regulatoare de tensiune. În general, au capacitatea de a furniza o tensiune de ieșire constantă, care este mai mare sau mai mică decât tensiunea de intrare și sunt utilizate în mod obișnuit pentru a furniza energie componentelor din proiectele în care aveți secțiuni la tensiuni diferite. Sunt folosite și în sursele de alimentare tradiționale.

Există două tipuri majore de regulatoare de tensiune;

1. Regulatoare liniare
2. Regulatoare de comutare

Regulatoarele de tensiune liniară sunt de regulă regulatoare de coborâre și folosesc controlul impedanței pentru a crea o reducere liniară a tensiunii de intrare la ieșire. De obicei, acestea sunt foarte ieftine, dar ineficiente, deoarece se pierde multă energie pentru căldură în timpul reglementării. Pe de altă parte, regulatoarele de comutare sunt capabile fie de a crește, fie de a reduce tensiunea aplicată la intrare, în funcție de arhitectură. Aceștia realizează reglarea tensiunii utilizând un proces de comutare pornit / oprit al unui tranzistor care controlează tensiunea disponibilă la ieșirea regulatoarelor. În comparație cu regulatoarele liniare, regulatoarele de comutare sunt de obicei mai scumpe și mult mai eficiente.

Pentru articolul de astăzi, ne vom concentra asupra regulatoarelor de comutare și, după cum a dat titlul, vom analiza factorii de luat în considerare atunci când selectăm un regulator de comutare pentru un proiect.

Datorită complexității altor părți ale proiectului (funcționalitățile de bază, RF etc.), alegerea regulatoarelor pentru alimentarea cu energie electrică este de obicei una dintre acțiunile rămase până la sfârșitul procesului de proiectare. Articolul de astăzi va încerca să ofere proiectantului restricționat în timp, sfaturi despre ce trebuie să căutați în specificațiile unui regulator de comutare, pentru a determina dacă se potrivește cazului dvs. de utilizare. De asemenea, vor fi furnizate detalii privind interpretarea diferitelor moduri în care diferiți producători prezintă informații despre parametri precum temperatura, sarcina etc.

Tipuri de regulatoare de comutare

În esență, există trei tipuri de regulatoare de comutare și factorii care trebuie luați în considerare depind de care dintre tipuri trebuie utilizat pentru aplicația dvs. Cele trei tipuri sunt;

1. Regulatori Buck
2. Reglează regulatoarele
3. Regulatoare Buck Boost

1. Regulatoare Buck

Regulatoarele Buck, denumite și regulatoare step-down sau convertizoarele Buck sunt, fără îndoială, cele mai populare regulatoare de comutare. Au capacitatea de a reduce tensiunea aplicată la intrare la o tensiune mai mică la ieșire. Astfel, tensiunea lor nominală de intrare este de obicei mai mare decât tensiunea nominală de ieșire. O schemă de bază pentru un convertor Buck este prezentată mai jos.

Ieșirea regulatorului se datorează pornirii și opririi tranzistorului, iar valoarea tensiunii este de obicei o funcție a ciclului de funcționare a tranzistorului (cât timp a fost pornit tranzistorul în fiecare ciclu complet). Tensiunea de ieșire este dată de ecuația de mai jos, din care putem deduce că ciclul de lucru nu poate fi niciodată egal cu unul și, astfel, tensiunea de ieșire va fi întotdeauna mai mică decât tensiunea de intrare. Prin urmare, regulatoarele Buck sunt utilizate atunci când este necesară o reducere a tensiunii de alimentare între o etapă a proiectului și cealaltă. Puteți afla mai multe despre elementele de bază ale proiectării și eficiența regulatorului Buck aici, aflați în continuare cum să construiți un circuit convertor Buck.

2. Boost Regulatori

Regulatoarele de amplificare sau convertoarele de amplificare funcționează într-un mod direct opus regulatoarelor buck. Acestea livrează o tensiune mai mare decât tensiunea de intrare, la ieșirea lor. La fel ca regulatoarele Buck, ele folosesc acțiunea tranzistorului de comutare pentru a crește tensiunea la ieșire și sunt formate de obicei din aceleași componente utilizate în regulatoarele Buck, singura diferență fiind aranjarea componentelor. O schemă simplă pentru regulatorul de impuls este prezentată mai jos.

Puteți afla mai multe despre elementele de bază ale proiectării și eficiența regulatorului Boost aici, puteți construi un convertor Boost urmând acest circuit de convertor Boost.

3. Regulatoare Buck-Boost

Nu în ultimul rând sunt regulatoarele Buck Boost. Din numele lor, este ușor să se deducă că oferă atât tensiunea de intrare, cât și efectul de impuls. Convertor Buck-boost produce o tensiune (negativă) de ieșire inversată, care poate fi mai mare sau mai mică decât tensiunea de intrare în funcție de ciclul de lucru. Circuitul de bază al alimentării cu energie a modului de comutare a impulsului este prezentat mai jos.

Convertorul Buck-Boost este o variantă a circuitului convertorului de boost în care convertorul inversor livrează doar energia stocată de inductor, L1, în sarcină.

Selectarea oricăruia dintre aceste trei tipuri de regulatoare de comutare depinde exclusiv de ceea ce este cerut de sistemul proiectat. Indiferent de tipul regulatorului care trebuie utilizat, este important să vă asigurați că specificațiile regulatoarelor îndeplinesc cerințele proiectului.

Factori de luat în considerare la selectarea unui regulator de comutare

Proiectarea unui regulator de comutare depinde în mare măsură de puterea IC utilizată pentru acesta, astfel majoritatea factorilor care trebuie luați în considerare vor fi specificațiile IC-ului de putere utilizat. Este important să înțelegeți specificațiile Power IC și ceea ce semnifică acestea, astfel încât să vă asigurați că îl selectați pe cel potrivit pentru aplicația dvs.

Indiferent de aplicație, verificarea următorilor factori vă va ajuta să reduceți timpul petrecut la selecție.

1. Gama de tensiune de intrare

Aceasta se referă la intervalul tolerabil de tensiuni de intrare acceptate de IC. De obicei, este specificat în foaia de date și, ca proiectant, este important să se asigure că tensiunea de intrare pentru aplicația dvs. se încadrează în intervalul de tensiune de intrare specificat pentru IC. În timp ce anumite foi de date pot specifica doar tensiunea maximă de intrare, este mai bine să verificați fișa de date pentru a vă asigura că nu se menționează intervalul minim de intrare înainte de a face presupuneri. Când se aplică tensiuni mai mari decât tensiunea maximă de intrare, IC-urile se prăjesc de obicei, dar de obicei încetează să funcționeze sau funcționează anormal atunci când se aplică tensiuni mai mici decât tensiunea minimă de intrare, totul în funcție de măsurile de protecție în vigoare. Una dintre măsurile de protecție aplicate în mod obișnuit pentru a preveni deteriorarea CI-urilor atunci când la intrare sunt furnizate tensiuni în afara intervalului este blocarea sub tensiune (UVLO),verificarea dacă acest lucru este disponibil vă poate ajuta și la luarea deciziilor de proiectare.

2. Gama de tensiune de ieșire

Regulatoarele de comutare au de obicei ieșiri variabile. Gama de tensiune de ieșire reprezintă gama de tensiuni la care poate fi setată tensiunea de ieșire necesară. În circuite integrate fără opțiune de ieșire variabilă, aceasta este de obicei o singură valoare. Este important să vă asigurați că tensiunea de ieșire necesară se încadrează în domeniul specificat pentru IC și cu un factor bun de siguranță ca diferență între intervalul maxim de tensiune de ieșire și tensiunea de ieșire de care aveți nevoie. ca regulă generală, tensiunea minimă de ieșire nu poate fi setată la un nivel de tensiune mai mic decât tensiunea de referință internă. În funcție de aplicația dvs. (buck sau boost), intervalul minim de ieșire poate fi mai mare decât tensiunea de intrare (boost) sau mult mai mică decât tensiunea de intrare (buck).

3. Curent de ieșire

Acest termen se referă la ratingul curent pentru care a fost conceput IC. Este în esență o indicație a cât de mult curent poate furniza IC la ieșirea sa. Pentru unele circuite integrate, numai curentul maxim de ieșire este specificat ca o măsură de siguranță și pentru a ajuta proiectantul să se asigure că regulatorul va putea livra curentul necesar pentru aplicație. Pentru alte circuite integrate, sunt furnizate atât ratingurile minime, cât și cele maxime. Acest lucru ar putea fi foarte util în planificarea tehnicilor de gestionare a energiei pentru aplicația dvs.

La selectarea unui regulator pe baza curentului de ieșire al CI, este important să vă asigurați că există o marjă de siguranță între curentul maxim cerut de aplicația dvs. și curentul maxim de ieșire al regulatorului. Este important să vă asigurați că curentul maxim de ieșire al regulatorului este mai mare decât curentul de ieșire necesar cu cel puțin 10 până la 20%, deoarece IC-ul poate genera o cantitate mare de căldură atunci când funcționează continuu la niveluri maxime și ar putea fi deteriorat de căldură. De asemenea, eficiența CI reduce atunci când funcționează la maxim.

4. Gama de temperatură de funcționare

Acest termen se referă la intervalul de temperatură în care regulatorul funcționează corect. Este definit în termeni de temperatură ambiantă (Ta) sau temperatura de joncțiune (Tj). Temperatura TJ se referă la cea mai mare temperatură de funcționare a tranzistorului, în timp ce temperatura ambiantă se referă la temperatura mediului din jurul dispozitivului.

Dacă intervalul de temperatură de funcționare este definit în termeni de temperatură ambientală, nu înseamnă neapărat că regulatorul poate fi utilizat pe întreaga gamă de temperatură. Este important să luați în considerare factorul de siguranță și factorul în curentul de sarcină planificat și căldura însoțitoare, deoarece combinația dintre aceasta și temperatura ambiantă este cea care alcătuiește temperatura de joncțiune care nu ar trebui să fie depășită. Rămânerea în intervalul de temperatură de funcționare este esențială pentru funcționarea corectă și continuă a regulatorului, deoarece căldura excesivă ar putea duce la funcționarea anormală și la defectarea catastrofală a regulatorului.Prin urmare, este important să acordați atenție căldurii ambiante din mediul în care va fi utilizat dispozitivul și, de asemenea, să determinați cantitatea posibilă de căldură care va fi generată de dispozitiv ca urmare a curentului de încărcare înainte de a determina dacă intervalul de temperatură de funcționare specificat regulatorului funcționează pentru dvs. Este important să rețineți că anumiți regulatori ar putea eșua și în condiții extrem de reci și merită să acordați atenție valorilor minime ale temperaturii dacă aplicația va fi desfășurată în mediu rece.

5. Frecvența de comutare

Frecvența de comutare se referă la rata la care tranzistorul de control este pornit și oprit într-un regulator de comutare. În regulatoarele bazate pe modularea lățimii impulsurilor, frecvența este de obicei fixată în modulul de frecvență a impulsurilor.

Frecvența de comutare afectează parametrii regulatorului, cum ar fi ondulația, curentul de ieșire, eficiența maximă și viteza de răspuns. Proiectarea frecvenței de comutare implică întotdeauna utilizarea unor valori de inductanță potrivite, astfel încât performanța a două regulatoare similare cu frecvență de comutare diferită să fie diferită. Dacă sunt luate în considerare două regulatoare similare la frecvențe diferite, se va descoperi că, de exemplu, curentul maxim va fi scăzut pentru regulatorul care funcționează la o frecvență mai mică comparativ cu cel al regulatorului la frecvență înaltă. De asemenea, parametrii precum ondularea vor fi mari și viteza de răspuns a regulatorului va fi scăzută la frecvență joasă, în timp ce ondularea va fi mică și viteza de răspuns, mare la frecvență înaltă.

6. Zgomot

Acțiunea de comutare asociată cu regulatoarele de comutare generează zgomot și armonici conexe care ar putea afecta performanța sistemului general, în special în sistemele cu componente RF și semnale audio. În timp ce zgomotul poate fi redus prin intermediul unui filtru etc., poate reduce cu adevărat raportul semnal / zgomot (SNR) în circuitele sensibile la zgomot. Prin urmare, este important să vă asigurați că cantitatea de zgomot generată de regulator nu va afecta performanța generală a sistemului.

7. Eficiență

Eficiența este un factor important de luat în considerare în proiectarea oricărei soluții de alimentare de astăzi. Este în esență raportul dintre tensiunea de ieșire și tensiunea de intrare. Teoretic, eficiența unui regulator de comutare este sută la sută, dar acest lucru nu este de obicei adevărat în practică, deoarece rezistența comutatorului FET, căderea de tensiune a diodei și ESR atât a inductorului, cât și a condensatorului de ieșire reduce eficiența generală a regulatorului. În timp ce majoritatea regulatoarelor moderne oferă stabilitate pe o gamă largă de funcționare, eficiența variază în funcție de utilizare și, de exemplu, este mult redusă pe măsură ce crește curentul din ieșire.

8. Reglarea încărcării

Reglarea sarcinii este o măsură a capacității unui regulator de tensiune de a menține o tensiune constantă la ieșire, indiferent de modificările cerinței de sarcină.

9. Ambalare și dimensiune

Unul dintre obiectivele obișnuite în timpul proiectării oricărei soluții hardware în zilele noastre este reducerea dimensiunii cât mai mult posibil. Aceasta include în esență reducerea dimensiunii componentei electronice și reducerea invariabilă a numărului de componente care alcătuiesc fiecare secțiune a dispozitivului. Un sistem de alimentare de dimensiuni mici nu numai că ajută la reducerea dimensiunii generale a proiectului, dar ajută și la crearea spațiului în care pot fi înghesuite caracteristici suplimentare ale produsului. În funcție de obiectivele proiectului dvs., asigurați-vă factorul de formă / dimensiunea pachetului cu care mergeți se va încadra în bugetul dvs. de spațiu. În timp ce faceți selecții pe baza acestui factor, este de asemenea important să luați în considerare dimensiunea componentelor periferice cerute de regulator pentru a funcționa. De exemplu, utilizarea circuitelor IC de înaltă frecvență permite utilizarea condensatoarelor de ieșire cu capacitate scăzută și inductoare, rezultând o dimensiune redusă a componentelor și invers.

Identificarea tuturor acestora și compararea cu cerințele dvs. de proiectare vă vor ajuta rapid să determinați care regulator ar trebui să fie traversat și care ar trebui să apară în proiectarea dvs.

Împărtășiți ce factor credeți că am ratat și orice alte comentarii prin intermediul secțiunii de comentarii.

Până la data viitoare.