Az áram minden elektronikai projekt / eszköz fontos része. A forrástól függetlenül általában szükség van energiagazdálkodási feladatok elvégzésére, például a feszültség átalakítására / méretezésére és átalakítására (AC-DC / DC-DC). E feladatok mindegyikének megfelelő megoldás kiválasztása kulcsfontosságú lehet a termék sikerében (vagy kudarcában). Szinte minden eszközben az egyik leggyakoribb energiagazdálkodási feladat a DC-DC feszültség szabályozása / méretezése. Ez magában foglalja a DC feszültség értékének megváltoztatását a bemeneten egy magasabb vagy alacsonyabb értékre a kimeneten. Az e feladatok elvégzéséhez használt alkatrészeket / modulokat általában feszültségszabályozóknak nevezik. Általában képesek állandó kimeneti feszültséget szolgáltatni, amely magasabb vagy alacsonyabb, mint a bemeneti feszültség, és általában arra használják, hogy áramellátást biztosítsanak olyan alkatrészekhez, ahol különböző feszültségű szakaszok vannak. A hagyományos tápegységekben is használják őket.
A feszültségszabályozóknak két fő típusa van;
- Lineáris szabályozók
- Kapcsoló szabályozók
A lineáris feszültségszabályozók általában lépcsőzetes szabályozók, és impedancia-szabályozással hozzák létre a bemeneti feszültség lineáris csökkentését a kimeneten. Általában nagyon olcsók, de nem hatékonyak, mivel a szabályozás során sok energia veszít a hő hatására. A kapcsolószabályozók viszont az architektúrától függően képesek a bemeneten alkalmazott feszültség növelésére vagy csökkentésére. A feszültségszabályozást egy tranzisztor be- / kikapcsolási folyamatával érik el, amely szabályozza a szabályozók kimenetén elérhető feszültséget. A lineáris szabályozókhoz képest a kapcsolószabályozók általában drágábbak és sokkal hatékonyabbak.
A mai cikkünkben a szabályozók kapcsolására fogunk összpontosítani, és amint a cím elárulta, megvizsgáljuk azokat a tényezőket, amelyeket figyelembe kell venni egy kapcsolási szabályozó kiválasztásakor egy projekthez.
A projekt egyéb részei (az alapvető funkciók, az RF stb.) Összetettsége miatt az áramellátás szabályozóinak megválasztása általában a tervezési folyamat végéig hátralévő műveletek egyike. A mai cikk megpróbálja megadni az időkorlátos tervezőnek tippeket, hogy mire kell figyelni a kapcsolószabályozó specifikációiban, annak megállapítására, hogy megfelel-e az adott felhasználási esetnek. Részleteket adunk arról is, hogy miként értelmezik a különböző gyártók az olyan paramétereket, mint a hőmérséklet, a terhelés stb.
A kapcsolószabályozók típusai
A kapcsolószabályozóknak alapvetően három típusa van, és a figyelembe veendő tényezők attól függnek, hogy mely típusokat kell használni az alkalmazáshoz. A három típus;
- Buck Regulators
- Fokozatszabályozók
- Buck Boost szabályozók
1. Buck Regulators
A Buck szabályozók, más néven lépcsőzetes szabályozók vagy buck átalakítók, vitathatatlanul a legnépszerűbb kapcsoló szabályozók. Képesek lecsökkenteni a bemeneten alkalmazott feszültséget a kimenet kisebb feszültségére. Így névleges bemeneti feszültségük általában magasabb, mint névleges kimeneti feszültségük. Az alábbiakban bemutatjuk a buck konverter alapvázlatait.
A szabályozó kimenete a tranzisztor be- és kikapcsolásának köszönhető, és a feszültség értéke általában a tranzisztor munkaciklusának függvénye (mennyi ideig tartott a tranzisztor minden teljes ciklusban). A kimeneti feszültséget az alábbi egyenlet adja meg, amelyből arra következtethetünk, hogy a munkaciklus soha nem lehet egyenlő egymással, és így a kimeneti feszültség mindig kisebb lesz, mint a bemeneti feszültség. Tehát a szabályozó szabályozókat akkor alkalmazzák, amikor a tápfeszültség csökkentésére van szükség a tervezés egyik szakasza és a másik között. Itt többet megtudhat a buck szabályozó tervezésének alapjairól és hatékonyságáról, valamint megismerheti a Buck konverter áramkörének felépítését.
2. Boost Regulators
A boost szabályozók vagy a boost konverterek közvetlenül ellentétesen működnek, mint a buck szabályozók. A kimeneten a bemeneti feszültségnél magasabb feszültséget szolgáltatnak. A buck szabályozókhoz hasonlóan a kapcsoló tranzisztoros műveletet használják a kimenet feszültségének növelésére, és általában ugyanazokból a komponensekből állnak, amelyeket a buck szabályozóknál használnak, az egyetlen különbség az alkatrészek elrendezése. Az alábbiakban bemutatjuk a töltésszabályozó egyszerű vázlatát.
Itt többet megtudhat a Boost szabályozó tervezésének alapjairól és hatékonyságáról, ezen Boost Converter áramkör követésével felépíthet egy Boost átalakítót.
3. Buck-Boost szabályozók
Végül, de nem utolsósorban a buck boost szabályozók. Nevükből könnyen arra lehet következtetni, hogy mind a boost, mind a buck hatást biztosítják a bemeneti feszültséghez. A Buck-Boost átalakító invertált (negatív) kimeneti feszültséget eredményez, amely nagyobb vagy kisebb lehet, mint az üzemi ciklus alapján a bemeneti feszültség. Az alábbiakban bemutatjuk az alapfokú kapcsoló üzemmódú áramellátási áramkört.
A buck-boost konverter a boost konverter áramkör egyik változata, amelyben az invertáló konverter csak az L1 induktivitás által tárolt energiát juttatja a terhelésbe.
E három kapcsolószabályozó típus bármelyikének kiválasztása kizárólag attól függ, hogy mit igényel a tervezett rendszer. Az alkalmazandó szabályozó típusától függetlenül fontos, hogy a szabályozók specifikációi megfeleljenek a tervezés követelményeinek.
A kapcsolószabályozó kiválasztásakor figyelembe veendő tényezők
A kapcsolószabályozó kialakítása nagymértékben függ a hozzá használt teljesítmény IC-től, így a legtöbb figyelembe veendő tényező a használt teljesítmény-IC specifikációi lesz. Fontos megérteni a Power IC specifikációit és azok jelentését annak biztosítása érdekében, hogy a megfelelőt válassza ki az alkalmazásához.
Alkalmazásától függetlenül az alábbi tényezők ellenőrzése segít csökkenteni a kiválasztásra fordított időt.
1. Bemeneti feszültségtartomány
Ez az IC által támogatott bemeneti feszültségek tolerálható tartományára vonatkozik. Általában az adatlapon és tervezőként van megadva, fontos annak biztosítása, hogy az alkalmazás bemeneti feszültsége az IC-hez megadott bemeneti feszültség tartományba essen. Míg egyes adatlapok csak a maximális bemeneti feszültséget adhatják meg, célszerűbb ellenőrizni az adatlapot, hogy feltételezések előtt meggyőződjünk arról, hogy nincs-e említve a minimális bemeneti tartomány. Ha a maximális bemeneti feszültségnél nagyobb feszültséget alkalmaznak, az IC-k általában megsülnek, de általában a minimális bemeneti feszültségnél alacsonyabb feszültségek alkalmazása esetén leáll vagy rendellenesen működik, mindez a meglévő védelmi intézkedésektől függ. Az IC-k károsodásának megakadályozására általában alkalmazott egyik védőintézkedés, ha a bemeneten tartományon kívüli feszültséget táplálnak, az Under Voltage Lock Out (UVLO),annak ellenőrzése, hogy ez rendelkezésre áll-e, szintén segíthet a tervezési döntésekben.
2. Kimeneti feszültségtartomány
A kapcsolószabályozók általában változó kimenettel rendelkeznek. A kimeneti feszültségtartomány azt a feszültségtartományt jelöli , amelyre a kívánt kimeneti feszültség beállítható. A változó kimeneti opció nélküli IC-kben ez általában egyetlen érték. Fontos annak biztosítása, hogy a szükséges kimeneti feszültség az IC-hez megadott tartományon belül legyen, és jó biztonsági tényezővel legyen különbség a maximális kimeneti feszültségtartomány és az Ön által igényelt kimeneti feszültség között. Általános szabály, hogy a minimális kimeneti feszültség nem állítható alacsonyabb feszültségszintre, mint a belső referenciafeszültség. Az alkalmazástól (buck vagy boost) függően a minimális kimeneti tartomány vagy nagyobb lehet, mint a bemeneti feszültség (boost), vagy kisebb, mint a bemeneti feszültség (buck).
3. Kimeneti áram
Ez a kifejezés arra a jelenlegi minősítésre utal, amelyre az IC-t tervezték. Lényegében azt jelzi, hogy az IC mennyi áramot tud kimenetén szolgáltatni. Egyes IC-k esetében csak a maximális kimeneti áram van megadva a biztonság mércéjeként, és segít a tervezőnek abban, hogy a szabályozó képes legyen az alkalmazáshoz szükséges áram leadására. Más IC-k esetében mind a minimális, mind a maximális minősítést megadják. Ez nagyon hasznos lehet az alkalmazás energiagazdálkodási technikáinak tervezésében.
A szabályozónak az IC kimeneti árama alapján történő kiválasztásakor fontos biztosítani, hogy az alkalmazás által megkövetelt maximális áram és a szabályozó maximális kimeneti árama között legyen biztonsági sáv. Fontos, hogy a szabályozó maximális kimeneti árama legalább 10-20% -kal magasabb legyen a szükséges kimeneti áramerősségnél, mivel az IC nagy hőmennyiséget termelhet, ha folyamatosan a maximális szinteken működik, és a hő megsértheti. Az IC hatékonysága szintén csökken, ha maximálisan működik.
4. Üzemi hőmérséklet tartomány
Ez a kifejezés arra a hőmérsékleti tartományra utal, amelyen belül a szabályozó megfelelően működik. Vagy a környezeti hőmérséklet (Ta), vagy a csomópont hőmérséklete (Tj) alapján határozható meg . A TJ hőmérséklet a tranzisztor legmagasabb üzemi hőmérsékletére, míg a környezeti hőmérséklet a készülék körüli környezet hőmérsékletére vonatkozik.
Ha az üzemi hőmérséklet-tartományt a környezeti hőmérséklet alapján határozzák meg, ez nem feltétlenül jelenti azt, hogy a szabályozót a teljes hőmérséklet-tartományban lehet használni. Fontos figyelembe venni a biztonsági tényezőt, valamint a tervezett terhelési áramot és az azt kísérő hőt is, mivel ennek és a környezeti hőmérsékletnek a kombinációja képezi az elágazás hőmérsékletét, amelyet szintén nem szabad túllépni. Az üzemi hőmérséklet-tartományon belül tartás kritikus a szabályozó megfelelő, folyamatos működése szempontjából, mivel a túlzott hő rendellenes működéshez és katasztrofális meghibásodáshoz vezethet.Ezért fontos figyelni az eszköz által használt környezeti hőre, és meg kell határozni azt a hőmennyiséget is, amelyet a készülék a terhelési áram eredményeként generál, mielőtt meghatároznánk, hogy a megadott üzemi hőmérséklet-tartomány A szabályozó az Ön számára működik. Fontos megjegyezni, hogy egyes szabályozók rendkívül hideg körülmények között is meghibásodhatnak, és érdemes figyelni a minimális hőmérsékleti értékekre, ha az alkalmazást hideg környezetben telepítik.
5. Kapcsolási frekvencia
A kapcsolási frekvencia azt a sebességet jelenti, amellyel a vezérlő tranzisztor be- és kikapcsolható egy kapcsolószabályozóban. Az impulzusszélesség moduláción alapuló szabályozóknál a frekvencia általában rögzített, míg a pulzusfrekvencia modulációban.
A kapcsolási frekvencia befolyásolja a szabályozó paramétereit, például a hullámzást, a kimeneti áramot, a maximális hatékonyságot és a válasz sebességét. A kapcsolási frekvencia kialakítása mindig egyező induktivitási értékek használatát jelenti, így két hasonló, különböző kapcsolási frekvenciájú szabályozó teljesítménye eltérő lesz. Ha két hasonló, különböző frekvenciájú szabályozót veszünk figyelembe, kiderül, hogy például a maximális áram alacsony lesz a szabályozó számára, amely alacsonyabb frekvencián működik, mint a nagy frekvenciájú szabályozóé. Emellett olyan paraméterek, mint a hullámzás, magasak lesznek, és a szabályozó reakciósebessége alacsony, alacsony frekvencián alacsony, míg a hullámzás alacsony, és a válaszsebesség magas, magas frekvencián magas.
6. Zaj
A kapcsolószabályozókkal kapcsolatos kapcsolási műveletek zajt és kapcsolódó harmonikusokat generálnak, amelyek befolyásolhatják a teljes rendszer teljesítményét, különösen az RF-alkatrészekkel és audiojelekkel rendelkező rendszerekben. Míg a zaj szűrővel stb. Csökkenthető, valóban csökkentheti a zajra érzékeny áramkörökben a jel / zaj arányt (SNR). Ezért fontos megbizonyosodni arról, hogy a szabályozó által keltett zaj mennyisége nem befolyásolja-e a rendszer teljes teljesítményét.
7. Hatékonyság
A hatékonyság fontos tényező, amelyet figyelembe kell venni a mai energiahatékonysági megoldások tervezésénél. Ez lényegében a kimeneti feszültség és a bemeneti feszültség aránya. Elméletileg egy kapcsolószabályozó hatékonysága száz százalék, de ez a gyakorlatban általában nem igaz, mivel a FET kapcsoló, a dióda feszültségesésének és az induktivitás és a kimeneti kondenzátor ESR-jének ellenállása csökkenti a szabályozó általános hatékonyságát. Míg a legtöbb modern szabályozó a széles működési tartományban stabilitást kínál, a hatékonyság a felhasználástól függően változik, és például nagymértékben csökken, mivel a kimenetből áram növekszik.
8. Terhelésszabályozás
A terhelésszabályozás annak mérése, hogy a feszültségszabályozó képes-e állandó feszültséget fenntartani a kimeneten, függetlenül a terhelésigény változásától.
9. Csomagolás és méret
A hardveres megoldások tervezésénél manapság az egyik szokásos cél a méret lehető legnagyobb csökkentése. Ez lényegében magában foglalja az elektronikai alkatrész méretének csökkentését és változatlanul az eszköz egyes szakaszait alkotó alkatrészek számának csökkentését. A kisméretű áramellátó rendszer nemcsak a projekt teljes méretének csökkentésében segít, hanem teret is teremt, amelybe további termékjellemzők tehetők be. A projekt céljaitól függően biztosítsa, hogy milyen formai tényezőt / csomagméretet használ belefér az űrköltségvetésbe. E tényező alapján történő kiválasztás során fontos figyelembe venni a perifériás elemek méretét is, amelyekre a szabályozó működéséhez szükség van. Például a nagyfrekvenciás IC-k lehetővé teszik az alacsony kapacitású kimeneti kondenzátorok és az induktorok használatát, ami alacsonyabb alkatrészméretet eredményez, és fordítva.
Mindezek azonosítása és összehasonlítása a tervezési követelményekkel gyorsan segít meghatározni, melyik szabályozót kell keresztezni és melyiknek kell szerepelnie a tervezésben.
Ossza meg, melyik tényezőt gondolja, hogy kimaradtam, és egyéb megjegyzéseket a megjegyzés részben.
A következő alkalomig.