Επιλέγοντας το σωστό ρυθμιστή εναλλαγής για την εφαρμογή σας

Το Power είναι ένα σημαντικό μέρος οποιουδήποτε έργου / συσκευής ηλεκτρονικών. Ανεξάρτητα από την πηγή, συνήθως υπάρχει ανάγκη εκτέλεσης εργασιών διαχείρισης ισχύος, όπως μετασχηματισμός τάσης / κλιμάκωση και μετατροπή (AC-DC / DC-DC) μεταξύ άλλων. Η επιλογή της σωστής λύσης για καθεμία από αυτές τις εργασίες μπορεί να είναι το κλειδί για την επιτυχία (ή την αποτυχία) του προϊόντος. Ένα από τα πιο κοινά καθήκοντα διαχείρισης ισχύος σε σχεδόν όλα τα είδη συσκευών είναι η ρύθμιση / κλιμάκωση τάσης DC-DC. Αυτό συνεπάγεται την αλλαγή της τιμής της τάσης DC στην είσοδο σε υψηλότερη ή χαμηλότερη τιμή στην έξοδο. Τα εξαρτήματα / μονάδες που χρησιμοποιούνται για την επίτευξη αυτών των εργασιών αναφέρονται γενικά ως ρυθμιστές τάσης. Έχουν γενικά τη δυνατότητα παροχής σταθερής τάσης εξόδου που είναι υψηλότερη ή χαμηλότερη από την τάση εισόδου και συνήθως χρησιμοποιούνται για την παροχή ισχύος σε εξαρτήματα σε σχέδια όπου έχετε τμήματα σε διαφορετικές τάσεις. Χρησιμοποιούνται επίσης σε παραδοσιακά τροφοδοτικά.

Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι ρυθμιστών τάσης.

1. Γραμμικοί ρυθμιστές
2. Εναλλαγή ρυθμιστών

Οι ρυθμιστές γραμμικής τάσης είναι συνήθως ρυθμιστές προς τα κάτω και χρησιμοποιούν έλεγχο αντίστασης για να δημιουργήσουν μια γραμμική μείωση της τάσης εισόδου στην έξοδο. Συνήθως είναι πολύ φθηνά, αλλά αναποτελεσματικά καθώς πολλή ενέργεια χάνεται σε θερμότητα κατά τη διάρκεια του κανονισμού. Οι ρυθμιστές εναλλαγής από την άλλη πλευρά μπορούν είτε να ανεβούν είτε να μειώσουν την τάση που εφαρμόζεται στην είσοδο ανάλογα με την αρχιτεκτονική. Επιτυγχάνουν ρύθμιση τάσης χρησιμοποιώντας μια διαδικασία μεταγωγής on / off ενός τρανζίστορ που ελέγχει την τάση που είναι διαθέσιμη στην έξοδο των ρυθμιστών. Σε σύγκριση με τους γραμμικούς ρυθμιστές, οι ρυθμιστές εναλλαγής είναι συνήθως πιο ακριβοί και πολύ πιο αποδοτικοί.

Για το σημερινό άρθρο, θα επικεντρωθούμε στην αλλαγή ρυθμιστών και καθώς ο τίτλος έδωσε, θα εξετάσουμε παράγοντες που πρέπει να λάβουμε υπόψη κατά την επιλογή ενός ρυθμιστή εναλλαγής για ένα έργο.

Λόγω της πολυπλοκότητας άλλων τμημάτων του έργου (οι βασικές λειτουργίες, RF κ.λπ.), η επιλογή ρυθμιστών για τροφοδοσία ρεύματος είναι συνήθως μία από τις ενέργειες που απομένουν μέχρι το τέλος της διαδικασίας σχεδιασμού. Το σημερινό άρθρο θα προσπαθήσει να παρέχει στον σχεδιαστή περιορισμένης χρονικής διάρκειας, συμβουλές για το τι πρέπει να ψάξει στις προδιαγραφές ενός ρυθμιστή εναλλαγής, για να προσδιορίσει εάν ταιριάζει στη συγκεκριμένη περίπτωση χρήσης σας. Λεπτομέρειες θα παρέχονται επίσης για την ερμηνεία των διαφορετικών τρόπων με τους οποίους διάφοροι κατασκευαστές παρουσιάζουν πληροφορίες σχετικά με παραμέτρους όπως θερμοκρασία, φορτίο κ.λπ.

Τύποι ρυθμιστών εναλλαγής

Υπάρχουν ουσιαστικά τρεις τύποι ρυθμιστών εναλλαγής και οι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη εξαρτώνται από το ποιοι τύποι πρόκειται να χρησιμοποιηθούν για την εφαρμογή σας. Οι τρεις τύποι είναι:

1. Ρυθμιστές Buck
2. Ενισχύστε τους ρυθμιστές
3. Ρυθμιστές Buck Boost

1. Ρυθμιστές Buck

Οι ρυθμιστές Buck, που ονομάζονται επίσης ρυθμιστές step-down ή μετατροπείς buck είναι αναμφισβήτητα οι πιο δημοφιλείς ρυθμιστές μεταγωγής. Έχουν τη δυνατότητα να μειώσουν την τάση που εφαρμόζεται στην είσοδο σε μια μικρότερη τάση στην έξοδο. Έτσι, η ονομαστική τάση εισόδου τους είναι συνήθως υψηλότερη από την ονομαστική τάση εξόδου. Ένα βασικό σχήμα για έναν μετατροπέα buck φαίνεται παρακάτω.

Η έξοδος του ρυθμιστή οφείλεται στην ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του τρανζίστορ και η τιμή τάσης είναι συνήθως συνάρτηση του κύκλου λειτουργίας του τρανζίστορ (πόσο καιρό το τρανζίστορ ήταν ενεργοποιημένο σε κάθε πλήρη κύκλο). Η τάση εξόδου δίνεται από την παρακάτω εξίσωση από την οποία μπορούμε να συμπεράνουμε ότι ο κύκλος λειτουργίας δεν μπορεί ποτέ να είναι ίσος με έναν και έτσι η τάση εξόδου θα είναι πάντα μικρότερη από την τάση εισόδου. Επομένως, οι ρυθμιστές Buck χρησιμοποιούνται όταν απαιτείται μείωση της τάσης τροφοδοσίας μεταξύ του ενός σταδίου ενός σχεδίου και του άλλου. Μπορείτε να μάθετε περισσότερα σχετικά με τα βασικά στοιχεία σχεδίασης και την αποτελεσματικότητα του ρυθμιστή buck, για να μάθετε περισσότερα πώς να δημιουργήσετε ένα κύκλωμα μετατροπέα Buck.

2. Ενισχύστε τους ρυθμιστές

Οι ρυθμιστές ώθησης ή οι μετατροπείς ενίσχυσης λειτουργούν με έναν ακριβώς αντίθετο τρόπο με τους ρυθμιστές buck. Παρέχουν τάση υψηλότερη από την τάση εισόδου, στην έξοδο τους. Όπως και οι ρυθμιστές buck, χρησιμοποιούν την ενέργεια τρανζίστορ μεταγωγής για να αυξήσουν την τάση στην έξοδο και συνήθως αποτελούνται από τα ίδια εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται στους ρυθμιστές buck με τη μόνη διαφορά να είναι η διάταξη των εξαρτημάτων. Ένα απλό σχήμα για τον ρυθμιστή ενίσχυσης φαίνεται παρακάτω.

Μπορείτε να μάθετε περισσότερα σχετικά με τα βασικά στοιχεία σχεδίασης και την αποτελεσματικότητα του ρυθμιστή Boost εδώ, μπορείτε να δημιουργήσετε έναν μετατροπέα Boost ακολουθώντας αυτό το κύκλωμα μετατροπέα Boost.

3. Ρυθμιστές Buck-Boost

Τελευταίο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό είναι οι ρυθμιστές ενίσχυσης. Από το όνομά τους, είναι εύκολο να συναχθεί ότι παρέχουν τόσο το εφέ ώθησης όσο και το φαινόμενο buck στην τάση εισόδου. Ο μετατροπέας buck-boost παράγει μια ανεστραμμένη (αρνητική) τάση εξόδου που μπορεί να είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από την τάση εισόδου με βάση τον κύκλο λειτουργίας. Το βασικό κύκλωμα τροφοδοσίας λειτουργίας βασικού διακόπτη buck-boost παρατίθεται παρακάτω

Ο μετατροπέας buck-boost είναι μια παραλλαγή του κυκλώματος μετατροπέα ώθησης στο οποίο ο μετατροπέας αντιστροφής μεταφέρει μόνο την ενέργεια που αποθηκεύεται από τον επαγωγέα, L1, στο φορτίο.

Η επιλογή οποιουδήποτε από αυτούς τους τρεις τύπους ρυθμιστή μεταγωγής, εξαρτάται αποκλειστικά από το τι απαιτείται από το σχεδιασμό του συστήματος. Ανεξάρτητα από τον τύπο του ρυθμιστή που θα χρησιμοποιηθεί, είναι σημαντικό να διασφαλιστεί ότι οι προδιαγραφές των ρυθμιστών πληρούν τις απαιτήσεις του σχεδιασμού.

Παράγοντες που πρέπει να λάβετε υπόψη κατά την επιλογή ενός ρυθμιστή εναλλαγής

Ο σχεδιασμός ενός ρυθμιστή εναλλαγής εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το IC ισχύος που χρησιμοποιείται για αυτό, επομένως οι περισσότεροι από τους παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη θα είναι οι προδιαγραφές του IC ισχύος που χρησιμοποιείται. Είναι σημαντικό να κατανοήσετε τις προδιαγραφές του Power IC και τι σημαίνουν για να διασφαλίσετε ότι θα επιλέξετε το σωστό για την εφαρμογή σας.

Ανεξάρτητα από την αίτησή σας, η εκτέλεση ελέγχου σχετικά με τους ακόλουθους παράγοντες θα σας βοηθήσει να μειώσετε το χρόνο που αφιερώνετε στην επιλογή.

1. Εύρος τάσης εισόδου

Αυτό αναφέρεται σε ανεκτό εύρος τάσεων εισόδου που υποστηρίζεται από το IC. Συνήθως καθορίζεται στο φύλλο δεδομένων και ως σχεδιαστής, είναι σημαντικό να διασφαλιστεί ότι η τάση εισόδου για την εφαρμογή σας, εμπίπτει εντός του εύρους τάσης εισόδου που καθορίζεται για το IC. Ενώ ορισμένα φύλλα δεδομένων μπορούν να καθορίσουν μόνο τη μέγιστη τάση εισόδου, είναι καλύτερο να ελέγξετε το φύλλο δεδομένων για να βεβαιωθείτε ότι δεν υπάρχει καμία αναφορά για το ελάχιστο εύρος εισόδου πριν κάνετε οποιεσδήποτε παραδοχές. Όταν εφαρμόζεται τάση υψηλότερη από τη μέγιστη τάση εισόδου, τα IC συνήθως τηγανίζονται, αλλά συνήθως σταματάει να λειτουργεί ή μη λειτουργεί κανονικά όταν εφαρμόζονται τάσεις χαμηλότερες από την ελάχιστη τάση εισόδου, όλα ανάλογα με τα προστατευτικά μέτρα που ισχύουν. Ένα από τα προστατευτικά μέτρα που εφαρμόζονται συνήθως για την αποφυγή ζημιών σε IC όταν παρέχονται τάσεις εκτός εύρους στην είσοδο είναι το Under-Voltage Lock Out (UVLO),Ο έλεγχος εάν αυτό είναι διαθέσιμο μπορεί επίσης να βοηθήσει τις αποφάσεις σχεδιασμού σας.

2. Εύρος τάσης εξόδου

Οι ρυθμιστές εναλλαγής έχουν συνήθως μεταβλητές εξόδους. Το εύρος τάσης εξόδου αντιπροσωπεύει το εύρος των τάσεων στις οποίες μπορεί να ρυθμιστεί η απαιτούμενη τάση εξόδου. Σε IC χωρίς επιλογή μεταβλητής εξόδου, αυτή είναι συνήθως μία μόνο τιμή. Είναι σημαντικό να διασφαλίσετε ότι η απαιτούμενη τάση εξόδου βρίσκεται εντός του εύρους που καθορίζεται για το IC και με έναν καλό παράγοντα ασφάλειας ως διαφορά μεταξύ της μέγιστης περιοχής τάσης εξόδου και της τάσης εξόδου που χρειάζεστε. Κατά κανόνα, η ελάχιστη τάση εξόδου δεν μπορεί να ρυθμιστεί σε επίπεδο τάσης χαμηλότερη από την εσωτερική τάση αναφοράς. Ανάλογα με την εφαρμογή σας (buck ή boost), το ελάχιστο εύρος εξόδου μπορεί να είναι μεγαλύτερο από την τάση εισόδου (boost) ή πολύ χαμηλότερο από την τάση εισόδου (buck).

3. Ρεύμα εξόδου

Αυτός ο όρος αναφέρεται στην τρέχουσα βαθμολογία για την οποία σχεδιάστηκε το IC. Είναι ουσιαστικά μια ένδειξη του πόσο ρεύμα μπορεί να παρέχει το IC στην έξοδο του. Για ορισμένα IC, μόνο το μέγιστο ρεύμα εξόδου καθορίζεται ως μέτρο ασφάλειας και για να βοηθήσει τον σχεδιαστή να διασφαλίσει ότι ο ρυθμιστής θα είναι σε θέση να παραδώσει το απαιτούμενο ρεύμα για την εφαρμογή. Για άλλα IC, παρέχονται τόσο η ελάχιστη όσο και η μέγιστη βαθμολογία. Αυτό θα μπορούσε να είναι πολύ χρήσιμο στο σχεδιασμό τεχνικών διαχείρισης ισχύος για την εφαρμογή σας.

Κατά την επιλογή ενός ρυθμιστή με βάση το ρεύμα εξόδου του IC, είναι σημαντικό να διασφαλιστεί ότι υπάρχει ένα περιθώριο ασφάλειας μεταξύ του μέγιστου ρεύματος που απαιτείται από την εφαρμογή σας και του μέγιστου ρεύματος εξόδου του ρυθμιστή. Είναι σημαντικό να διασφαλιστεί ότι το μέγιστο ρεύμα εξόδου του ρυθμιστή είναι υψηλότερο από το απαιτούμενο ρεύμα εξόδου κατά τουλάχιστον 10 έως 20%, καθώς το IC μπορεί να παράγει υψηλή ποσότητα θερμότητας όταν λειτουργεί συνεχώς σε μέγιστα επίπεδα και μπορεί να υποστεί ζημιά από τη θερμότητα. Επίσης, η απόδοση του IC μειώνεται κατά τη μέγιστη λειτουργία.

4. Εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας

Αυτός ο όρος αναφέρεται στο εύρος θερμοκρασίας εντός του οποίου ο ρυθμιστής λειτουργεί σωστά. Ορίζεται ως προς τη θερμοκρασία περιβάλλοντος (Ta) ή τη θερμοκρασία διασταύρωσης (Tj). Η θερμοκρασία TJ αναφέρεται στην υψηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας του τρανζίστορ, ενώ η θερμοκρασία περιβάλλοντος αναφέρεται στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος γύρω από τη συσκευή.

Εάν το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας καθορίζεται με βάση τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι ο ρυθμιστής μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλο το εύρος θερμοκρασίας. Είναι σημαντικό να ληφθεί υπόψη ο συντελεστής ασφάλειας και επίσης το προγραμματισμένο ρεύμα φορτίου και η συνοδευόμενη θερμότητα, καθώς ο συνδυασμός αυτού και της θερμοκρασίας περιβάλλοντος είναι αυτό που αποτελεί τη θερμοκρασία διασταύρωσης, η οποία δεν πρέπει επίσης να ξεπεραστεί. Η παραμονή εντός του εύρους θερμοκρασίας λειτουργίας είναι κρίσιμη για τη σωστή, συνεχή λειτουργία του ρυθμιστή, καθώς η υπερβολική θερμότητα θα μπορούσε να οδηγήσει σε ανώμαλη λειτουργία και καταστροφική βλάβη του ρυθμιστή.Είναι επομένως σημαντικό να δοθεί προσοχή στη θερμότητα του περιβάλλοντος στο περιβάλλον που θα χρησιμοποιηθεί η συσκευή και επίσης να προσδιοριστεί η πιθανή ποσότητα θερμότητας που θα δημιουργηθεί από τη συσκευή ως αποτέλεσμα του ρεύματος φορτίου πριν προσδιοριστεί εάν το καθορισμένο εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας του ρυθμιστή λειτουργεί για εσάς. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ορισμένοι ρυθμιστές θα μπορούσαν επίσης να αποτύχουν σε εξαιρετικά κρύες συνθήκες και αξίζει να δοθεί προσοχή στις ελάχιστες τιμές θερμοκρασίας εάν η εφαρμογή θα αναπτυχθεί σε κρύο περιβάλλον.

5. Συχνότητα μεταγωγής

Η συχνότητα μεταγωγής αναφέρεται στον ρυθμό με τον οποίο το τρανζίστορ ελέγχου ενεργοποιείται και απενεργοποιείται σε έναν ρυθμιστή μεταγωγής. Σε ρυθμιστές που βασίζονται στη διαμόρφωση παλμού, η συχνότητα είναι συνήθως σταθερή ενώ σε Διαμόρφωση παλμού

Η συχνότητα μεταγωγής επηρεάζει τις παραμέτρους του ρυθμιστή, όπως ο κυματισμός, το ρεύμα εξόδου, η μέγιστη απόδοση και η ταχύτητα απόκρισης. Ο σχεδιασμός για τη συχνότητα μεταγωγής συνεπάγεται πάντοτε τη χρήση αντίστοιχων τιμών επαγωγιμότητας, έτσι ώστε η απόδοση δύο παρόμοιων ρυθμιστών με διαφορετική συχνότητα μεταγωγής να είναι διαφορετική. Εάν ληφθούν υπόψη δύο παρόμοιοι ρυθμιστές σε διαφορετικές συχνότητες, θα ανακαλυφθεί ότι, για παράδειγμα, το μέγιστο ρεύμα θα είναι χαμηλό για τον ρυθμιστή που λειτουργεί σε χαμηλότερη συχνότητα σε σύγκριση με εκείνο του ρυθμιστή σε υψηλή συχνότητα. Επίσης, παράμετροι όπως ο κυματισμός θα είναι υψηλοί και η ταχύτητα απόκρισης του ρυθμιστή θα είναι χαμηλή σε χαμηλή συχνότητα, ενώ η κυματισμός θα είναι χαμηλή και ταχύτητα απόκρισης, υψηλή σε υψηλή συχνότητα.

6. Θόρυβος

Η δράση μεταγωγής που σχετίζεται με ρυθμιστές μεταγωγής δημιουργεί θόρυβο και συναφείς αρμονικές που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την απόδοση του συνολικού συστήματος, ειδικά σε συστήματα με εξαρτήματα RF και σήματα ήχου. Ενώ ο θόρυβος μπορεί να μειωθεί μέσω φίλτρου κ.λπ., μπορεί πραγματικά να μειώσει την αναλογία σήματος προς θόρυβο (SNR) σε κυκλώματα ευαίσθητα στον θόρυβο. Είναι επομένως σημαντικό να είστε βέβαιοι ότι η ποσότητα θορύβου που παράγεται από τον ρυθμιστή δεν θα επηρεάσει τη συνολική απόδοση του συστήματος.

7. Αποδοτικότητα

Η αποδοτικότητα είναι ένας σημαντικός παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη στο σχεδιασμό οποιασδήποτε λύσης ισχύος σήμερα. Είναι ουσιαστικά ο λόγος της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου. Θεωρητικά, η απόδοση ενός ρυθμιστή μεταγωγής είναι εκατό τοις εκατό, αλλά αυτό δεν ισχύει συνήθως στην πράξη, καθώς η αντίσταση του διακόπτη FET, η πτώση τάσης διόδου και το ESR τόσο του πυκνωτή επαγωγής όσο και του εξόδου μειώνει τη συνολική απόδοση του ρυθμιστή. Ενώ οι περισσότεροι σύγχρονοι ρυθμιστές προσφέρουν σταθερότητα σε όλο το εύρος λειτουργίας, η απόδοση ποικίλλει ανάλογα με τη χρήση και για παράδειγμα μειώνεται σημαντικά καθώς αυξάνεται το ρεύμα που προκύπτει από την έξοδο.

8. Κανονισμός φόρτωσης

Η ρύθμιση φορτίου είναι ένα μέτρο της ικανότητας ενός ρυθμιστή τάσης να διατηρεί σταθερή τάση στην έξοδο ανεξάρτητα από τις αλλαγές στην απαίτηση φορτίου.

9. Συσκευασία και μέγεθος

Ένας από τους συνηθισμένους στόχους κατά τη σχεδίαση οποιασδήποτε λύσης υλικού στις μέρες μας είναι η μείωση του μεγέθους όσο το δυνατόν περισσότερο. Αυτό περιλαμβάνει ουσιαστικά τη μείωση του μεγέθους της ηλεκτρονικής συνιστώσας και πάντοτε τη μείωση του αριθμού των εξαρτημάτων που απαρτίζουν κάθε τμήμα της συσκευής. Ένα σύστημα ισχύος μικρού μεγέθους όχι μόνο συμβάλλει στη μείωση του συνολικού μεγέθους του έργου, αλλά βοηθά επίσης στη δημιουργία χώρου στο οποίο μπορούν να περιοριστούν οι πρόσθετες δυνατότητες του προϊόντος. Ανάλογα με τους στόχους του έργου σας, βεβαιωθείτε ότι ο συντελεστής φόρμας / το μέγεθος του πακέτου συνοδεύετε θα ταιριάζει στον προϋπολογισμό του χώρου σας. Ενώ πραγματοποιείτε επιλογές βάσει αυτού του παράγοντα, είναι επίσης σημαντικό να λαμβάνετε υπόψη το μέγεθος των περιφερειακών εξαρτημάτων που απαιτείται από τον ρυθμιστή για να λειτουργήσει. Για παράδειγμα, η χρήση IC υψηλής συχνότητας επιτρέπει τη χρήση πυκνωτών εξόδου με χαμηλή χωρητικότητα και επαγωγείς, με αποτέλεσμα μειωμένο μέγεθος εξαρτήματος και αντιστρόφως.

Η αναγνώριση όλων αυτών και η σύγκριση με τις απαιτήσεις σχεδιασμού σας θα σας βοηθήσουν γρήγορα να προσδιορίσετε ποιος ρυθμιστής πρέπει να διασχίσετε και ποιος πρέπει να εμφανίζεται στο σχέδιό σας.

Μοιραστείτε ποιον παράγοντα νομίζετε ότι έχω χάσει και άλλα σχόλια μέσω της ενότητας σχολίων.

Μέχρι την επόμενη φορά.