Napajanje je važan dio svakog elektroničkog projekta / uređaja. Bez obzira na izvor, obično postoji potreba za obavljanjem zadataka upravljanja napajanjem poput transformacije / skaliranja napona i pretvorbe (AC-DC / DC-DC) između ostalog. Odabir pravog rješenja za svaki od ovih zadataka može biti ključ uspjeha (ili neuspjeha) proizvoda. Jedan od najčešćih zadataka upravljanja napajanjem u gotovo svim vrstama uređaja je DC / DC regulacija / skaliranje napona. To uključuje promjenu vrijednosti istosmjernog napona na ulazu na veću ili manju vrijednost na izlazu. Komponente / moduli koji se koriste za postizanje ovih zadataka obično se nazivaju regulatorima napona. Oni općenito imaju mogućnost napajanja stalnim izlaznim naponom koji je veći ili niži od ulaznog napona i obično se koriste za napajanje komponenata u izvedbama gdje imate dijelove s različitim naponima. Također se koriste u tradicionalnim izvorima napajanja.
Postoje dvije glavne vrste regulatora napona;
- Linearni regulatori
- Prebacivanje regulatora
Linearni regulatori napona obično su stepenasti regulatori i oni koriste regulaciju impedanse kako bi stvorili linearno smanjenje ulaznog napona na izlazu. Obično su vrlo jeftini, ali neučinkoviti jer se tijekom regulacije gubi puno energije za zagrijavanje. Prekidački regulatori s druge strane mogu povećati ili smanjiti napon primijenjen na ulazu, ovisno o arhitekturi. Regulaciju napona postižu korištenjem procesa uključivanja / isključivanja tranzistora koji kontrolira napon dostupan na izlazu regulatora. U usporedbi s linearnim regulatorima, sklopni regulatori obično su skuplji i daleko učinkovitiji.
Za današnji članak usredotočit ćemo se na prebacivanje regulatora, a kako je naslov odavao, tražit ćemo čimbenike koje ćemo uzeti u obzir pri odabiru preklopnog regulatora za projekt.
Zbog složenosti ostalih dijelova projekta (osnovne funkcije, RF itd.), Izbor regulatora za opskrbu električnom energijom obično je jedna od radnji koja ostaje do kraja postupka projektiranja. Današnji članak pokušat će pružiti vremenski ograničenom dizajneru savjete o tome što potražiti u specifikacijama preklopnog regulatora kako bi utvrdio odgovara li vašem slučaju upotrebe. Također će se dobiti detalji o tumačenju različitih načina na koje različiti proizvođači prezentiraju informacije o parametrima poput temperature, opterećenja itd.
Vrste preklopnih regulatora
U osnovi postoje tri vrste sklopnih regulatora, a čimbenici koje treba uzeti u obzir ovise o tome koja će se od vrsta koristiti za vašu primjenu. Tri su vrste;
- Buck regulatori
- Regulatori pojačanja
- Buck Boost regulatori
1. Buck regulatori
Buck regulatori, koji se nazivaju i step-down regulatori ili buck pretvarači, vjerojatno su najpopularniji preklopni regulatori. Imaju mogućnost smanjenja napona primijenjenog na ulazu do manjeg napona na izlazu. Stoga je njihov nazivni ulazni napon obično veći od nazivnog izlaznog napona. Osnovne sheme za pretvarač dolara prikazane su u nastavku.
Izlaz regulatora je posljedica uključivanja i isključivanja tranzistora, a vrijednost napona je obično funkcija radnog ciklusa tranzistora (koliko je tranzistor bio uključen u svakom kompletnom ciklusu). Izlazni napon dat je donjom jednadžbom iz koje možemo zaključiti da radni ciklus nikada ne može biti jednak jedinici, pa će stoga izlazni napon uvijek biti manji od ulaznog napona. Zbog toga se koriste regulatori sa zatezanjem kad je potrebno smanjenje napona napajanja između jedne i druge faze projekta. Ovdje možete naučiti više o osnovama dizajna i učinkovitosti regulatora buck, dalje naučiti kako izraditi krug Buck pretvarača.
2. Regulatori pojačanja
Regulatori pojačanja ili pretvarači pojačanja djeluju na potpuno suprotan način od regulatora donje struje. Na svom izlazu isporučuju napon veći od ulaznog napona. Kao i povratni regulatori, oni koriste djelovanje komutacijskog tranzistora da povećaju napon na izlazu i obično se sastoje od istih komponenata koje se koriste u donjim regulatorima, s jedinom razlikom u rasporedu komponenata. A jednostavne sheme za regulator pojačanja prikazan je ispod.
Ovdje možete saznati više o osnovama dizajna i učinkovitosti regulatora pojačanja, možete izgraditi jedan pretvarač pojačanja slijedeći ovaj krug pretvarača pojačanja.
3. Buck-Boost regulatori
Posljednje, ali ne najmanje važno, su regulatori poticanja novca. Iz njihova imena lako je zaključiti da oni pružaju i pojačanje i povratni efekt ulaznog napona. Silazno-uzlaznog pretvarača proizvodi obrnuti (negativno) izlazni napon koji može biti veći ili manji od ulaznog napona na temelju radnog ciklusa. Osnovni krug napajanja s preklopnim pojačanjem je dolje naveden.
Buck-boost pretvarač je varijacija kruga pretvarača pojačanja u kojem invertirajući pretvarač samo isporučuje energiju pohranjenu induktorom L1 u opterećenje.
Odabir bilo koje od ove tri vrste sklopnih regulatora ovisi isključivo o onome što zahtijeva dizajnirani sustav. Bez obzira na vrstu regulatora koji će se koristiti, važno je osigurati da specifikacije regulatora zadovoljavaju zahtjeve dizajna.
Čimbenici koje treba uzeti u obzir pri odabiru sklopnog regulatora
Dizajn sklopnog regulatora u velikoj mjeri ovisi o IC napajanju koji se koristi za njega, pa će većina faktora koje treba uzeti u obzir biti specifikacije korištenog IC napajanja. Važno je razumjeti specifikacije Power IC-a i njihovo značenje kako biste osigurali odabir pravog za svoju aplikaciju.
Bez obzira na vašu prijavu, provođenje provjere sljedećih čimbenika pomoći će vam da smanjite vrijeme provedeno na odabiru.
1. Raspon ulaznog napona
To se odnosi na podnošljivi raspon ulaznih napona koje podržava IC. Obično se navodi u tehničkom listu i kao dizajneru je važno osigurati da ulazni napon za vašu aplikaciju spada u raspon ulaznog napona naveden za IC. Iako određeni listovi podataka mogu specificirati samo maksimalni ulazni napon, bolje je provjeriti tehnički list kako biste bili sigurni da se ne spominje minimalni ulazni raspon prije nego što napravite bilo kakve pretpostavke. Kada se primijene naponi veći od maksimalnog ulaznog napona, IC se obično sprži, ali obično prestaje raditi ili radi nenormalno kada se primijene naponi niži od minimalnog ulaznog napona, a sve ovisno o postojećim zaštitnim mjerama. Jedna od zaštitnih mjera koja se obično primjenjuje za sprječavanje oštećenja IC-a kada se na ulaz dovode naponi izvan dosega je Podnaponska blokada (UVLO),provjera je li ovo dostupno može vam pomoći i u dizajnerskim odlukama.
2. Raspon izlaznog napona
Preklopni regulatori obično imaju promjenjive izlaze. Raspon izlaznog napona predstavlja raspon napona na koji se može postaviti vaš potrebni izlazni napon. U IC-ima bez varijabilne izlazne mogućnosti to je obično jedna vrijednost. Važno je osigurati da je vaš potrebni izlazni napon unutar raspona navedenog za IC i s dobrim faktorom sigurnosti kao razlika između maksimalnog raspona izlaznog napona i izlaznog napona koji vam je potreban. općenito se minimalni izlazni napon ne može postaviti na razinu napona nižu od unutarnjeg referentnog napona. Ovisno o vašoj primjeni (buck ili boost), minimalni izlazni raspon može biti ili veći od ulaznog napona (boost) ili puno manji od ulaznog napona (buck).
3. Izlazna struja
Ovaj se izraz odnosi na trenutnu ocjenu za koju je IC dizajniran. To je u osnovi pokazatelj koliko struje IC može isporučiti na svom izlazu. Za neke IC-ove samo je maksimalna izlazna struja navedena kao mjera sigurnosti i kao pomoć projektantu da osigura da regulator može isporučiti struju potrebnu za primjenu. Za ostale IC-ove pružaju se i minimalna i maksimalna ocjena. Ovo bi moglo biti vrlo korisno u planiranju tehnika upravljanja napajanjem za vašu aplikaciju.
Pri odabiru regulatora na temelju izlazne struje IC-a, važno je osigurati postojanje sigurnosne granice između maksimalne struje koju zahtijeva vaša aplikacija i maksimalne izlazne struje regulatora. Važno je osigurati da je maksimalna izlazna struja regulatora veća od vaše potrebne izlazne struje za najmanje 10 do 20%, jer IC može generirati veliku količinu topline kada neprekidno radi na maksimalnim razinama i može biti oštećena toplinom. Također se učinkovitost IC smanjuje pri maksimalnom radu.
4. Raspon radne temperature
Ovaj se izraz odnosi na temperaturno područje unutar kojeg regulator pravilno funkcionira. Definira se u smislu temperature okoline (Ta) ili temperature spoja (Tj). TJ temperatura odnosi se na najvišu radnu temperaturu tranzistora, dok se temperatura okoline odnosi na temperaturu okoline oko uređaja.
Ako je raspon radne temperature definiran u smislu temperature okoline, to ne znači nužno da se regulator može koristiti u cijelom temperaturnom rasponu. Važno je uzeti u obzir faktor sigurnosti, a također i planiranu struju opterećenja i pripadajuću toplinu, jer kombinacija ove temperature i temperature okoline čini temperaturu spoja koja također ne smije biti prekoračena. Zadržavanje unutar raspona radnih temperatura presudno je za pravilan, kontinuiran rad regulatora, jer prekomjerna toplina može dovesti do abnormalnog rada i katastrofalnog kvara regulatora.Stoga je važno obratiti pažnju na okolišnu toplinu u okolišu u kojoj će se uređaj koristiti i utvrditi moguću količinu topline koju će uređaj generirati kao rezultat struje opterećenja prije utvrđivanja da li je navedeni raspon radne temperature regulatora radi za vas. Važno je napomenuti da bi i određeni regulatori mogli otkazati u ekstremno hladnim uvjetima te vrijedi obratiti pažnju na minimalne vrijednosti temperature ako će se aplikacija primijeniti u hladnom okruženju.
5. Frekvencija prebacivanja
Uklopna frekvencija odnosi se na brzinu kojom se upravljački tranzistor uključuje i isključuje u sklopnom regulatoru. U regulatorima temeljenim na modulaciji širine impulsa, frekvencija je obično fiksna dok je u modulu frekvencije impulsa.
Frekvencija prebacivanja utječe na parametre regulatora poput mreškanja, izlazne struje, maksimalne učinkovitosti i brzine odziva. Dizajn preklopne frekvencije uvijek uključuje uporabu odgovarajućih vrijednosti induktiviteta, tako da će performanse dva slična regulatora s različitom preklopnom frekvencijom biti različite. Ako se uzmu u obzir dva slična regulatora na različitim frekvencijama, otkrit će se da će, na primjer, maksimalna struja biti mala za regulator koji radi na nižoj frekvenciji u odnosu na regulator visoke frekvencije. Također, parametri poput mreškanja bit će visoki, a brzina odziva regulatora bit će niska pri niskim frekvencijama, dok će mreškanje biti niska, a brzina odziva visoka pri visokoj frekvenciji.
6. Buka
Preklopno djelovanje povezano s preklopnim regulatorima stvara buku i srodne harmonike koji mogu utjecati na performanse cjelokupnog sustava, posebno u sustavima s RF komponentama i audio signalima. Iako se buka može smanjiti pomoću filtra itd., Ona stvarno može smanjiti omjer signala i šuma (SNR) u krugovima osjetljivim na buku. Stoga je važno biti siguran da količina buke koju stvara regulator neće utjecati na ukupne performanse sustava.
7. Učinkovitost
Učinkovitost je važan čimbenik koji treba uzeti u obzir pri dizajniranju bilo kojeg energetskog rješenja danas. To je u osnovi odnos izlaznog napona i ulaznog napona. Teoretski, učinkovitost sklopnog regulatora iznosi sto posto, ali to obično nije točno u praksi jer otpor FET prekidača, pad napona diode i ESR induktora i izlaznog kondenzatora smanjuju ukupnu učinkovitost regulatora. Iako većina modernih regulatora nudi stabilnost u širokom rasponu rada, učinkovitost se razlikuje s primjenom, a na primjer je uvelike smanjena kako se povećava struja koja se izvodi iz izlaza.
8. Regulacija opterećenja
Regulacija opterećenja mjera je sposobnosti regulatora napona da održava konstantan napon na izlazu, bez obzira na promjene u zahtjevima opterećenja.
9. Pakiranje i veličina
Jedan od uobičajenih ciljeva tijekom dizajniranja bilo kojeg hardverskog rješenja danas je smanjiti veličinu što je više moguće. To u osnovi uključuje smanjenje veličine elektroničke komponente i nepromjenjivo smanjenje broja komponenata koje čine svaki odjeljak uređaja. Sustav napajanja male veličine ne samo da pomaže smanjiti ukupnu veličinu projekta, već također pomaže stvoriti prostor u koji se mogu ugurati dodatne značajke proizvoda. Ovisno o ciljevima vašeg projekta, osigurajte faktor oblika / veličinu paketa uz koji želite uklopit će se u vaš svemirski proračun. Dok odabirete na temelju ovog čimbenika, također je važno uzeti u obzir veličinu perifernih komponenata potrebnih regulatoru za funkcioniranje. Na primjer, uporaba visokofrekventnih IC-a omogućuje upotrebu izlaznih kondenzatora s malim kapacitetom i prigušnicama, što rezultira smanjenom veličinom komponente i obrnuto.
Identificiranje svega ovoga i usporedba sa zahtjevima vašeg dizajna brzo će vam pomoći odrediti koji regulator treba preći i koji bi trebao biti ugrađen u vaš dizajn.
Podijelite koji faktor smatrate da sam propustio i bilo koje druge komentare putem odjeljka za komentare.
Do sljedećeg puta.