Napájení je důležitou součástí každého elektronického projektu / zařízení. Bez ohledu na zdroj obvykle existuje potřeba provádět mimo jiné úkoly správy napájení, jako je transformace / změna měřítka napětí a převod (AC-DC / DC-DC). Výběr správného řešení pro každou z těchto úloh může být klíčem k úspěchu (nebo neúspěchu) produktu. Jedním z nejběžnějších úkolů správy napájení u téměř všech druhů zařízení je regulace / změna stejnosměrného napětí. To zahrnuje změnu hodnoty stejnosměrného napětí na vstupu na vyšší nebo nižší hodnotu na výstupu. Komponenty / moduly používané k dosažení těchto úkolů se obecně označují jako regulátory napětí. Obecně mají schopnost dodávat konstantní výstupní napětí, které je vyšší nebo nižší než vstupní napětí, a běžně se používají k napájení komponent v konstrukcích, kde máte sekce s různým napětím. Používají se také v tradičních napájecích zdrojích.
Existují dva hlavní typy regulátorů napětí;
- Lineární regulátory
- Spínací regulátory
Lineární regulátory napětí jsou obvykle sestupné regulátory a pomocí řízení impedance vytvářejí lineární snížení vstupního napětí na výstupu. Obvykle jsou velmi levné, ale neúčinné, protože během regulace dochází ke ztrátě energie. Přepínací regulátory na druhé straně jsou schopné buď zvýšit nebo snížit napětí aplikované na vstupu v závislosti na architektuře. Dosahují regulaci napětí pomocí procesu zapínání / vypínání tranzistoru, který řídí napětí dostupné na výstupu regulátorů. Ve srovnání s lineárními regulátory jsou spínací regulátory obvykle dražší a mnohem efektivnější.
V dnešním článku se budeme zaměřovat na spínací regulátory a jak název prozradil, budeme se zabývat faktory, které je třeba vzít v úvahu při výběru spínacího regulátoru pro projekt.
Vzhledem ke složitosti dalších částí projektu (základní funkce, RF atd.) Je výběr regulátorů pro napájení obvykle jednou z akcí, které zbývají do konce procesu návrhu. Dnešní článek se pokusí poskytnout časově omezenému designérovi tipy, co hledat ve specifikacích spínacího regulátoru, aby zjistil, zda se hodí pro váš konkrétní případ použití. Podrobnosti budou poskytnuty také při interpretaci různých způsobů, kterými různí výrobci prezentují informace o parametrech, jako je teplota, zatížení atd.
Typy spínacích regulátorů
V zásadě existují tři typy spínacích regulátorů a faktory, které je třeba vzít v úvahu, závisí na tom, který z typů se má pro vaši aplikaci použít. Tyto tři typy jsou;
- Buck Regulators
- Posílení regulátorů
- Regulátory Buck Boost
1. Buck Regulators
Buck regulátory, nazývané také krokové regulátory nebo buck převodníky, jsou pravděpodobně nejpopulárnější spínací regulátory. Mají schopnost snižovat napětí aplikované na vstupu na menší napětí na výstupu. Jejich jmenovité vstupní napětí je tedy obvykle vyšší než jejich jmenovité výstupní napětí. Níže je uvedeno základní schéma převaděče buck.
Výstup regulátoru je způsoben zapínáním a vypínáním tranzistoru a hodnota napětí je obvykle funkcí pracovního cyklu tranzistoru (jak dlouho byl tranzistor zapnutý v každém úplném cyklu). Výstupní napětí je dáno níže uvedenou rovnicí, ze které můžeme odvodit, že pracovní cyklus se nikdy nemůže rovnat jedné, a proto bude výstupní napětí vždy menší než vstupní napětí. Buck regulátory se proto používají, když je požadováno snížení napájecího napětí mezi jednou fází návrhu a druhou fází. Zde se můžete dozvědět více o Základy designu a účinnosti regulátoru buck, dále se dozvíte, jak vytvořit obvod převaděče Buck.
2. Posílení regulátorů
Regulátory zesílení nebo zesilovače konverze pracují přímo opačným způsobem než regulátory buck. Na svém výstupu dodávají napětí vyšší než vstupní napětí. Stejně jako buckové regulátory používají spínací tranzistorovou akci ke zvýšení napětí na výstupu a jsou obvykle tvořeny stejnými komponentami, jaké se používají v buckových regulátorech, přičemž jediným rozdílem je uspořádání komponent. Níže je uvedeno jednoduché schéma regulátoru zesílení.
Zde se můžete dozvědět více o Základy designu a účinnosti regulátoru Boost, můžete vytvořit jeden převodník Boost podle tohoto obvodu převaděče Boost.
3. Regulátory Buck-Boost
V neposlední řadě jsou regulátory buck boost. Z jejich názvu lze snadno odvodit, že poskytují vstupní i zesilovací účinek i buck efekt. Buck-boost převodník produkuje obrácený (negativní), výstupní napětí, které může být větší nebo menší, než je vstupní napětí na základě pracovního cyklu. Níže je uveden základní obvod napájecího zdroje s přepínacím režimem buck-boost.
Převodník buck-boost je variace obvodu zesilovače, ve kterém invertující převodník dodává pouze energii uloženou induktorem L1 do zátěže.
Výběr kteréhokoli z těchto tří typů spínacích regulátorů závisí výhradně na tom, co vyžaduje navrhovaný systém. Bez ohledu na typ použitého regulátoru je důležité zajistit, aby specifikace regulátorů splňovaly konstrukční požadavky.
Faktory, které je třeba vzít v úvahu při výběru spínacího regulátoru
Konstrukce spínacího regulátoru závisí do značné míry na použitém výkonovém integrovaném obvodu, takže většina faktorů, které je třeba vzít v úvahu, bude specifikace použitého výkonového integrovaného obvodu. Je důležité porozumět specifikacím Power IC a tomu, co znamenají, aby bylo zajištěno, že vyberete ten správný pro vaši aplikaci.
Bez ohledu na vaši aplikaci vám spuštění kontroly následujících faktorů pomůže zkrátit čas strávený výběrem.
1. Rozsah vstupního napětí
To se týká tolerovatelného rozsahu vstupního napětí podporovaného IC. Obvykle je uvedeno v datovém listu a jako návrhář je důležité zajistit, aby vstupní napětí pro vaši aplikaci spadalo do rozsahu vstupního napětí uvedeného pro IC. Zatímco určité datové listy mohou specifikovat pouze maximální vstupní napětí, je lepší zkontrolovat datový list, abyste se ujistili, že před provedením jakýchkoli předpokladů není zmínka o minimálním vstupním rozsahu. Když je použito napětí vyšší než maximální vstupní napětí, IC se obvykle vypaří, ale obvykle přestane fungovat nebo bude pracovat neobvykle, když je použito napětí nižší než minimální vstupní napětí, vše v závislosti na zavedených ochranných opatřeních. Jedním z ochranných opatření, která se obvykle používají k zabránění poškození integrovaných obvodů, jsou-li na vstupu napájena napětí mimo rozsah, je ochrana proti podpětí (UVLO),kontrola, zda je k dispozici, může také pomoci při rozhodování o návrhu.
2. Rozsah výstupního napětí
Spínací regulátory mají obvykle proměnné výstupy. Rozsah výstupního napětí představuje rozsah napětí, na které lze nastavit požadované výstupní napětí. U integrovaných obvodů bez možnosti variabilního výstupu je to obvykle jedna hodnota. Je důležité zajistit, aby vaše požadované výstupní napětí bylo v rozsahu stanoveném pro IC as dobrým faktorem bezpečnosti jako rozdíl mezi maximálním rozsahem výstupního napětí a požadovaným výstupním napětím. zpravidla nelze minimální výstupní napětí nastavit na úroveň napětí nižší než interní referenční napětí. V závislosti na vaší aplikaci (buck nebo boost) může být minimální výstupní rozsah buď větší než vstupní napětí (boost), nebo mnohem menší než vstupní napětí (buck).
3. Výstupní proud
Tento termín označuje aktuální hodnocení, pro které byl IC navržen. Je to v podstatě údaj o tom, kolik proudu může IC dodávat na svém výstupu. U některých integrovaných obvodů je jako míra bezpečnosti specifikován pouze maximální výstupní proud, který pomáhá konstruktérovi zajistit, aby regulátor mohl dodávat proud požadovaný pro aplikaci. U ostatních integrovaných obvodů jsou uvedeny minimální i maximální hodnocení. To by mohlo být velmi užitečné při plánování technik správy napájení pro vaši aplikaci.
Při výběru regulátoru na základě výstupního proudu IC je důležité zajistit jistotu mezi maximálním proudem požadovaným vaší aplikací a maximálním výstupním proudem regulátoru. Je důležité zajistit, aby maximální výstupní proud regulátoru byl vyšší než požadovaný výstupní proud alespoň o 10 až 20%, protože IC může generovat vysoké množství tepla při nepřetržitém provozu na maximálních úrovních a mohlo by se teplem poškodit. Při maximálním provozu se také snižuje účinnost IC.
4. Rozsah provozních teplot
Tento termín označuje teplotní rozsah, ve kterém regulátor funguje správně. Je definována z hlediska teploty okolí (Ta) nebo teploty spojení (Tj). Teplota TJ odpovídá nejvyšší provozní teplotě tranzistoru, zatímco okolní teplota odpovídá teplotě prostředí kolem zařízení.
Pokud je rozsah provozní teploty definován z hlediska okolní teploty, nemusí to nutně znamenat, že lze regulátor používat v celém teplotním rozsahu. Je důležité zohlednit faktor bezpečnosti a také faktor plánovaného zatěžovacího proudu a doprovodného tepla, protože kombinace této a okolní teploty je to, co tvoří teplotu spojení, která by rovněž neměla být překročena. Zůstat v rozmezí provozních teplot je zásadní pro správný a nepřetržitý provoz regulátoru, protože nadměrné teplo by mohlo vést k abnormálnímu provozu a katastrofické poruše regulátoru.Je tedy důležité věnovat pozornost okolnímu teplu v prostředí, ve kterém bude zařízení používáno, a také určit možné množství tepla, které bude generováno zařízením v důsledku proudu zátěže, před určením, zda je stanovený rozsah provozních teplot regulátor pracuje pro vás. Je důležité si uvědomit, že některé regulátory mohou také selhat v extrémně chladných podmínkách a stojí za to věnovat pozornost minimálním hodnotám teploty, pokud bude aplikace nasazena v chladném prostředí.
5. Spínací frekvence
Spínací frekvence se vztahuje k rychlosti, s jakou se řídicí tranzistor zapíná a vypíná ve spínacím regulátoru. U regulátorů založených na pulzní šířkové modulaci je frekvence obvykle pevná, zatímco v pulzní frekvenční modulaci.
Spínací frekvence ovlivňuje parametry regulátoru, jako je zvlnění, výstupní proud, maximální účinnost a rychlost odezvy. Návrh spínací frekvence vždy zahrnuje použití odpovídajících hodnot indukčnosti, takže výkon dvou podobných regulátorů s odlišnou spínací frekvencí bude odlišný. Pokud vezmeme v úvahu dva podobné regulátory na různých frekvencích, bude zjištěno, že maximální proud bude například nízký pro regulátor pracující při nižší frekvenci ve srovnání s regulátorem při vysoké frekvenci. Také parametry jako zvlnění budou vysoké a rychlost odezvy regulátoru bude nízká při nízké frekvenci, zatímco zvlnění bude nízká a rychlost odezvy vysoká při vysoké frekvenci.
6. Hluk
Spínací akce spojená se spínacími regulátory generuje šum a související harmonické, které by mohly ovlivnit výkon celého systému, zejména v systémech s vysokofrekvenčními součástmi a zvukovými signály. Zatímco šum lze snížit pomocí filtru atd., Může skutečně snížit poměr signálu k šumu (SNR) v obvodech, které jsou na hluk citlivé. Je proto důležité mít jistotu, že množství šumu generovaného regulátorem neovlivní celkový výkon systému.
7. Účinnost
Efektivita je dnes důležitým faktorem, který je třeba vzít v úvahu při návrhu jakéhokoli energetického řešení. Je to v podstatě poměr výstupního napětí ke vstupnímu napětí. Teoreticky je účinnost spínacího regulátoru stoprocentní, ale v praxi to obvykle neplatí, protože odpor FET spínače, pokles napětí diody a ESR induktoru i výstupního kondenzátoru snižuje celkovou účinnost regulátoru. Zatímco většina moderních regulátorů nabízí stabilitu v širokém provozním rozsahu, účinnost se liší podle použití a je například výrazně snížena, jak se zvyšuje proud odebíraný z výstupu.
8. Regulace zatížení
Regulace zátěže je měřítkem schopnosti regulátoru napětí udržovat konstantní napětí na výstupu bez ohledu na změny v požadavku na zátěž.
9. Balení a velikost
Jedním z obvyklých cílů při návrhu jakéhokoli hardwarového řešení v těchto dnech je co největší zmenšení velikosti. To v zásadě zahrnuje zmenšení velikosti elektronické komponenty a trvalé snížení počtu komponent, které tvoří každou část zařízení. Energetický systém malé velikosti nejen pomáhá snížit celkovou velikost projektu, ale také pomáhá vytvořit prostor, ve kterém mohou být stísněny další funkce produktu. V závislosti na cílech vašeho projektu zajistěte, s jakou velikostí / velikostí balení budete pracovat se vejde do vašeho vesmírného rozpočtu. Při výběru založeném na tomto faktoru je také důležité zohlednit velikost periferních komponent požadovaných funkcí regulátoru. Například použití vysokofrekvenčních integrovaných obvodů umožňuje použití výstupních kondenzátorů s nízkou kapacitou a induktorů, což má za následek zmenšení velikosti komponent a naopak.
Identifikace tohoto všeho a porovnání s vašimi konstrukčními požadavky vám rychle pomůže určit, kterému regulačnímu orgánu by měl být překročen a který by měl být součástí vašeho návrhu.
Podělte se o to, o který faktor si myslíte, že jsem přišel, a další komentáře prostřednictvím sekce komentářů.
Do příště.