Kraft är en viktig del av alla elektronikprojekt / enheter. Oavsett källa finns det vanligtvis ett behov av att utföra energihanteringsuppgifter som spänningsomvandling / skalning och omvandling (AC-DC / DC-DC) bland andra. Att välja rätt lösning för var och en av dessa uppgifter kan vara nyckeln till produktens framgång (eller misslyckande). En av de vanligaste energihanteringsuppgifterna i nästan alla typer av enheter är DC-DC-spänningsreglering / -skalning. Detta innebär att värdet på likspänningen vid ingången ändras till ett högre eller lägre värde vid utgången. Komponenterna / modulerna som används för att uppnå dessa uppgifter kallas vanligtvis spänningsregulatorer. De har i allmänhet förmågan att leverera en konstant utspänning som är högre eller lägre än ingångsspänningen och de används ofta för att leverera ström till komponenter i konstruktioner där du har sektioner med olika spänningar. De används också i traditionella strömförsörjningar.
Det finns två huvudtyper av spänningsregulatorer;
- Linjära regulatorer
- Växlande regulatorer
Linjära spänningsregulatorer är vanligtvis stegregulatorer och de använder impedanskontroll för att skapa en linjär reduktion av ingångsspänningen vid utgången. De är vanligtvis väldigt billiga men ineffektiva eftersom mycket energi går förlorad för värme under regleringen. Omkopplingsregulatorer kan å andra sidan antingen trappa upp eller ner spänningen som appliceras på ingången beroende på arkitektur. De uppnår spänningsreglering med en på / av-kopplingsprocess för en transistor som styr spänningen som är tillgänglig vid regulatorns utgång. Jämfört med linjära regulatorer är växlingsregulatorer vanligtvis dyrare och mycket effektivare.
För dagens artikel kommer vi att fokusera på att byta regulatorer och när titeln gav bort kommer vi att titta på faktorer att tänka på när vi väljer en växlingsregulator för ett projekt.
På grund av komplexiteten i andra delar av projektet (kärnfunktionerna, RF osv.) Är valet av regulatorer för strömförsörjning vanligtvis en av de åtgärder som återstår till slutet av designprocessen. Dagens artikel kommer att försöka ge den tidsbegränsade designern tips om vad man ska leta efter i specifikationerna för en växlingsregulator för att avgöra om den passar just ditt användningsfall. Detaljer kommer också att ges om hur olika tillverkare presenterar information om parametrar som temperatur, belastning etc.
Typer av växlingsregulatorer
Det finns i huvudsak tre typer av omkopplingsregulatorer och de faktorer som ska beaktas beror på vilken typ som ska användas för din applikation. De tre typerna är;
- Buck Regulators
- Öka regulatorer
- Buck Boost-regulatorer
1. Buckregulatorer
Buckregulatorer, även kallade nedstegningsregulatorer eller buck-omvandlare, är utan tvekan de mest populära växlingsregulatorerna. De har förmågan att trappa ner spänningen som appliceras vid ingången till en mindre spänning vid utgången. Således är deras nominella ingångsspänning vanligtvis högre än deras nominella utspänning. Ett grundläggande schema för en buck-omvandlare visas nedan.
Regulatorns utgång beror på att transistorn slås på och av och spänningsvärdet är vanligtvis en funktion av transistorns arbetscykel (hur länge transistorn var på i varje hel cykel). Utspänningen ges av ekvationen nedan från vilken vi kan dra slutsatsen att arbetscykeln aldrig kan vara lika med en och därmed alltid utspänningen kommer att vara lägre än ingångsspänningen. Buckregulatorer används därför när en minskning av matningsspänningen krävs mellan ett steg i en design och det andra. Du kan lära dig mer om designens grunder och effektiviteten hos buckregulator här, lära dig mer hur man bygger en Buck-omvandlare.
2. Öka regulatorer
Boostregulatorer eller boost-omvandlare fungerar på ett direkt motsatt sätt till buckregulatorerna. De levererar en högre spänning än ingångsspänningen vid sin utgång. Liksom buckregulatorerna använder de omkopplingstransistoråtgärden för att öka spänningen vid utgången och består vanligtvis av samma komponenter som används i buckregulatorer, med den enda skillnaden är komponenternas arrangemang. Ett enkelt schema för boostregulatorn visas nedan.
Du kan lära dig mer om grundläggande design och effektivitet för Boost-regulatorn här, kan bygga en Boost-omvandlare genom att följa denna Boost Converter Circuit.
3. Buck-Boost-regulatorer
Sist men inte minst är buck boost regulators. Från deras namn är det enkelt att dra slutsatsen att de ger både boost och buck-effekten till ingångsspänningen. Den buck-boost-omvandlaren alstrar en inverterad (negativa) utspänning som kan vara större eller mindre än ingångsspänningen baserat på arbetscykeln. Den grundläggande strömförsörjningskretsen för buck-boost-omkopplare ges nedan.
Buck-boost-omvandlaren är en variation av boost-omvandlarkretsen där den inverterande omvandlaren endast levererar den energi som lagras av induktorn, L1, i lasten.
Valet av någon av dessa tre omkopplingsregulatortyper beror enbart på vad som krävs av systemet som konstrueras. Oavsett vilken typ av regulator som ska användas är det viktigt att se till att regulatorns specifikationer uppfyller kraven för konstruktionen.
Faktorer att tänka på när man väljer en växlingsregulator
Utformningen av en omkopplingsregulator beror i stor utsträckning på den effekt-IC som används för den, så de flesta faktorer som ska övervägas kommer att vara specifikationerna för den effekt-IC som används. Det är viktigt att förstå specifikationerna för Power IC och vad de betyder för att säkerställa att du väljer rätt för din applikation.
Oavsett din ansökan hjälper du att kontrollera följande faktorer att minska tiden du spenderar på urvalet.
1. Ingångsspänningsområde
Detta refererar till ett acceptabelt intervall för ingångsspänningar som stöds av IC. Det specificeras vanligtvis inom databladet och som designer är det viktigt att se till att ingångsspänningen för din applikation faller inom det ingångsspänningsområde som anges för IC. Medan vissa datablad endast kan specificera för maximal ingångsspänning, är det bättre att kontrollera databladet för att vara säker på att det inte nämns det minsta ingångsområdet innan du antar några antaganden. När spänningar som är högre än den maximala ingångsspänningen appliceras blir IC: n vanligt stekt men den slutar vanligtvis att fungera eller fungerar onormalt när spänningar som är lägre än den minsta ingångsspänningen appliceras, allt beroende på de skyddsåtgärder som finns. En av de skyddsåtgärder som vanligtvis tillämpas för att förhindra skador på IC: er när spänningar utanför räckvidden matas till ingången är UVLO (Under-Voltage Lock Out),att kontrollera om detta är tillgängligt kan också hjälpa dina designbeslut.
2. Utgångsspänningsområde
Växlingsregulatorer har vanligtvis variabla utgångar. Utgångsspänningsområdet representerar det spänningsområde som din önskade utspänning kan ställas in på. I IC: er utan alternativ för variabel utgång är detta vanligtvis ett enda värde. Det är viktigt att se till att din önskade utspänning ligger inom det specificerade intervallet för IC och med en god säkerhetsfaktor som skillnad mellan det maximala utspänningsområdet och den utspänning du behöver. som allmän regel kan minsta utspänning inte ställas in på en lägre spänningsnivå än den interna referensspänningen. Beroende på din applikation (buck eller boost) kan det minsta utgångsområdet antingen vara större än ingångsspänningen (boost) eller långt mindre än ingångsspänningen (buck).
3. Utgångsström
Denna term hänvisar till det nuvarande betyg som IC designades för. Det är i huvudsak en indikation på hur mycket ström IC kan leverera vid sin utgång. För vissa kretsar är endast den maximala utströmmen specificerad som ett säkerhetsmått och för att hjälpa konstruktören att säkerställa att regulatorn kommer att kunna leverera den ström som krävs för applikationen. För andra IC: er anges både lägsta och högsta betyg. Detta kan vara mycket användbart vid planering av teknik för energihantering för din applikation.
När du väljer en regulator baserat på IC: s utgångsström är det viktigt att säkerställa att det finns en säkerhetsmarginal mellan den maximala strömmen som krävs av din applikation och den maximala utströmmen för regulatorn. Det är viktigt att se till att den maximala utströmmen för regulatorn är högre än din önskade utgångsström med minst 10 till 20%, eftersom IC kan generera en hög mängd värme när den arbetar kontinuerligt vid maximala nivåer och kan skadas av värmen. Även IC: s effektivitet minskar vid maximal drift.
4. Driftstemperaturområde
Denna term avser det temperaturintervall inom vilket regulatorn fungerar korrekt. Den definieras i termer av antingen omgivningstemperaturen (Ta) eller korsningstemperaturen (Tj). TJ-temperaturen avser transistorns högsta driftstemperatur, medan omgivningstemperaturen avser temperaturen i omgivningen runt enheten.
Om driftstemperaturområdet definieras i termer av omgivningstemperaturen betyder det inte nödvändigtvis att regulatorn kan användas över hela temperaturområdet. Det är viktigt att ta hänsyn till säkerhetsfaktorn och även ta hänsyn till den planerade belastningsströmmen och den medföljande värmen, eftersom kombinationen av denna och omgivningstemperaturen utgör den förbindelsestemperatur som inte heller bör överskridas. Att hålla sig inom driftstemperaturområdet är avgörande för korrekt, kontinuerlig drift av regulatorn, eftersom överdriven värme kan leda till onormal drift och katastrofalt fel hos regulatorn.Det är därför viktigt att vara uppmärksam på den omgivande värmen i den miljö som anordningen kommer att användas och även bestämma den möjliga mängden värme som kommer att genereras av anordningen som ett resultat av belastningsströmmen innan man bestämmer om det angivna driftstemperaturområdet av regulatorn fungerar för dig. Det är viktigt att notera att vissa regulatorer också kan misslyckas under extremt kalla förhållanden och det är värt att uppmärksamma minimitemperaturvärdena om applikationen kommer att användas i kall miljö.
5. Växelfrekvens
Kopplingsfrekvens avser den hastighet med vilken styrtransistorn slås på och av i en omkopplingsregulator. I pulsbreddsmoduleringsbaserade regulatorer är frekvensen vanligtvis fixerad medan den är i pulsfrekvensmodulering.
Växelfrekvensen påverkar regulatorns parametrar som krusning, utström, maximal effektivitet och svarshastighet. Utformningen för omkopplingsfrekvensen innefattar alltid användning av matchande induktansvärden, så att prestanda för två liknande regulatorer med olika omkopplingsfrekvens kommer att vara annorlunda. Om två liknande regulatorer vid olika frekvenser beaktas, kommer det att upptäckas att den maximala strömmen till exempel kommer att vara låg för regulatorn som arbetar med en lägre frekvens jämfört med den för regulatorn vid hög frekvens. Parametrar som krusning kommer också att vara höga och regulatorns svarshastighet kommer att vara låg vid låg frekvens, medan krusningen blir låg och svarshastigheten hög vid hög frekvens.
6. Buller
Omkopplingsåtgärden associerad med omkopplingsregulatorer genererar brus och relaterade övertoner som kan påverka prestandan hos det totala systemet, särskilt i system med RF-komponenter och ljudsignaler. Medan bruset kan reduceras med hjälp av ett filter etc. kan det verkligen minska signal / brusförhållandet (SNR) i kretsar som är känsliga för brus. Det är därför viktigt att vara säker på att mängden buller som genereras av regulatorn inte påverkar systemets totala prestanda.
7. Effektivitet
Effektivitet är en viktig faktor att tänka på vid utformningen av vilken kraftlösning som helst idag. Det är i huvudsak förhållandet mellan utspänningen och ingångsspänningen. Teoretiskt är effektiviteten hos en omkopplingsregulator hundra procent, men detta är vanligtvis inte sant i praktiken, eftersom motståndet hos FET-omkopplare, diodspänningsfall och ESR för både induktor och utgångskondensator minskar regulatorns totala effektivitet. Medan de flesta moderna regulatorer erbjuder stabilitet över ett brett arbetsområde, varierar effektiviteten med användning och minskas till exempel kraftigt när strömmen från utgången ökar.
8. Lastförordning
Lastreglering är ett mått på en spänningsregulatorns förmåga att bibehålla en konstant spänning vid utgången oavsett förändringar i belastningskravet.
9. Förpackning och storlek
Ett av de vanliga målen vid utformningen av vilken hårdvarulösning som helst idag är att minska storleken så mycket som möjligt. Detta inkluderar i huvudsak att minska storleken på elektronikkomponenten och alltid minska antalet komponenter som utgör varje sektion av enheten. Ett kraftsystem med liten storlek hjälper inte bara till att minska projektets totala storlek, utan det hjälper också till att skapa utrymme för vilka extra produktfunktioner kan trängas in. Beroende på målen för ditt projekt, se till att du har formfaktor / paketstorlek passar in i din rymdbudget. Samtidigt som val baseras på denna faktor är det också viktigt att ta hänsyn till storleken på de perifera komponenter som krävs av regulatorn för att fungera. Till exempel tillåter användningen av högfrekventa IC: er användning av utgångskondensatorer med låg kapacitans och induktorer, vilket resulterar i en minskad komponentstorlek och vice versa.
Att identifiera allt detta och jämföra med dina designkrav hjälper dig snabbt att avgöra vilken regulator som ska passeras över och vilken som ska finnas i din design.
Dela vilken faktor du tror att jag har missat och andra kommentarer via kommentarsektionen.
Tills nästa gång.