Избор на правилния превключващ регулатор за вашето приложение

Захранването е важна част от всеки електронен проект / устройство. Независимо от източника, обикновено е необходимо да се изпълняват задачи за управление на захранването, като трансформация / мащабиране на напрежението и преобразуване (AC-DC / DC-DC), наред с други. Изборът на правилното решение за всяка от тези задачи може да бъде от ключово значение за успеха (или неуспеха) на продукта. Една от най-често срещаните задачи за управление на захранването в почти всички видове устройства е регулирането / мащабирането на напрежението DC-DC. Това включва промяна на стойността на постояннотоковото напрежение на входа на по-висока или по-ниска стойност на изхода. Компонентите / модулите, използвани за постигане на тези задачи, обикновено се наричат ​​регулатори на напрежението. Те обикновено имат способността да подават постоянно изходно напрежение, което е по-високо или по-ниско от входното напрежение и те обикновено се използват за захранване на компоненти в конструкции, където имате секции с различни напрежения. Те се използват и в традиционните захранвания.

Има два основни типа регулатори на напрежение;

1. Линейни регулатори
2. Превключващи регулатори

Линейните регулатори на напрежение обикновено са понижаващи регулатори и те използват импедансно управление, за да създадат линейно намаляване на входното напрежение на изхода. Те обикновено са много евтини, но неефективни, тъй като много енергия се губи за отопление по време на регулирането. Превключващите регулатори, от друга страна, могат да увеличат или понижат напрежението, приложено на входа, в зависимост от архитектурата. Те постигат регулиране на напрежението, използвайки процес на включване / изключване на транзистор, който контролира напрежението, налично на изхода на регулаторите. В сравнение с линейните регулатори, превключващите регулатори обикновено са по-скъпи и далеч по-ефективни.

За днешната статия ще се съсредоточим върху превключването на регулаторите и тъй като заглавието се раздава, ще разгледаме факторите, които да вземем предвид при избора на превключващ регулатор за проект.

Поради сложността на други части на проекта (основните функции, RF и т.н.), изборът на регулатори за захранване обикновено е едно от действията, оставени до края на процеса на проектиране. Днешната статия ще се опита да предостави на дизайнера с ограничено време, съвети за това какво да търси в спецификациите на превключващ регулатор, за да определи дали отговаря на конкретния ви случай на употреба. Ще бъдат предоставени подробности и за интерпретирането на различните начини, по които различните производители представят информация за параметри като температура, товар и т.н.

Видове превключващи регулатори

По същество има три вида превключващи регулатори и факторите, които трябва да се вземат предвид, зависят от това кой от типовете да се използва за вашето приложение. Трите вида са;

1. Бак регулатори
2. Регулатори за усилване
3. Buck Boost регулатори

1. Бак регулатори

Бак регулаторите, наричани още понижаващи регулатори или конверторите, вероятно са най-популярните превключващи регулатори. Те имат способността да намалят напрежението, приложено на входа, до по-малко напрежение на изхода. По този начин тяхното номинално входно напрежение обикновено е по-високо от номиналното им изходно напрежение. Основни схеми за конвертор на долар са показани по-долу.

Изходът на регулатора се дължи на включването и изключването на транзистора и стойността на напрежението обикновено е функция от работния цикъл на транзистора (колко дълго е бил включен транзисторът във всеки пълен цикъл). Изходното напрежение се дава от уравнението по-долу, от което можем да заключим, че работният цикъл никога не може да бъде равен на единица и по този начин изходното напрежение винаги ще бъде по-малко от входното напрежение. Следователно, регулаторите на отклонение се използват, когато се изисква намаляване на захранващото напрежение между единия и другия етап на проекта Можете да научите повече за основите на дизайна и ефективността на регулатора на долар тук, по-нататък да научите как да изградите верига на конвертора Buck.

2. Регулатори за усилване

Регулаторите на усилване или усилващите преобразуватели работят по точно противоположен начин спрямо регулаторите. Те подават напрежение, по-високо от входното напрежение, на техния изход. Подобно на регулиращите регулатори, те използват действието на превключващия транзистор, за да увеличат напрежението на изхода и обикновено се състоят от същите компоненти, използвани в регулаторите, с единствената разлика в подреждането на компонентите. Една проста схема за усилващия регулатор е показана по-долу.

Можете да научите повече за основите на дизайна и ефективността на регулатора за усилване тук, можете да изградите един преобразувател за усилване, като следвате тази схема за преобразуване на усилване.

3. Регулатори Buck-Boost

Не на последно място са регулаторите на тласък. От името им е лесно да се направи заключението, че те осигуряват както тласък, така и ефект на връщане към входното напрежение. В конвертор долар-тласък произвежда обърната (отрицателно) на изходното напрежение, което може да бъде по-голямо или по-малко от напрежението на входа на базата на работен цикъл. Основната верига за захранване с режим на превключване е дадена по-долу.

Преобразувателят с усилващо напрежение е вариант на веригата на усилващия преобразувател, при който преобразуващият преобразувател доставя само енергията, съхранявана от индуктора, L1, в товара.

Изборът на всеки от тези три типа превключващи регулатори зависи единствено от това, което се изисква от проектираната система. Независимо от вида на регулатора, който ще се използва, важно е да се гарантира, че спецификациите на регулаторите отговарят на изискванията на дизайна.

Фактори, които трябва да се имат предвид при избора на регулатор на превключване

Дизайнът на превключващ регулатор зависи до голяма степен от използваната за него мощност, така че повечето от факторите, които трябва да се вземат предвид, ще бъдат спецификациите на използваната мощност IC. Важно е да разберете спецификациите на Power IC и какво означават те, за да сте сигурни, че сте избрали правилния за вашето приложение.

Независимо от вашето приложение, проверяването на следните фактори ще ви помогне да намалите времето, прекарано в избора.

1. Диапазон на входното напрежение

Това се отнася до допустимия диапазон на входните напрежения, поддържани от IC. Обикновено се посочва в информационния лист и като дизайнер е важно да се гарантира, че входното напрежение за вашето приложение попада в диапазона на входното напрежение, посочен за IC. Въпреки че някои информационни листове могат да посочват само максималното входно напрежение, по-добре е да проверите информационния лист, за да сте сигурни, че няма споменаване на минималния входен обхват, преди да направите каквито и да е предположения. Когато се прилагат напрежения, по-високи от максималното входно напрежение, интегралните схеми обикновено се изпръскват, но обикновено спират да работят или работят необичайно, когато се прилагат напрежения, по-ниски от минималното входно напрежение, всичко в зависимост от съществуващите защитни мерки. Една от защитните мерки, които обикновено се прилагат за предотвратяване на повреди на интегрални схеми, когато на входа се подават напрежения извън обхвата, е заключването под напрежение (UVLO),проверката дали това е налично може също да помогне на вашите дизайнерски решения.

2. Диапазон на изходното напрежение

Превключващите регулатори обикновено имат променливи изходи. Диапазонът на изходното напрежение представлява диапазона на напреженията, към който може да се настрои вашето изходно напрежение. В интегралните схеми без опция за променлив изход това обикновено е единична стойност. Важно е да се уверите, че вашето изходно напрежение е в диапазона, посочен за интегралната схема, и с добър коефициент на безопасност като разлика между максималния диапазон на изходното напрежение и изходното напрежение, което ви е необходимо. като общо правило минималното изходно напрежение не може да бъде настроено на ниво на напрежение по-ниско от вътрешното референтно напрежение. В зависимост от вашето приложение (buck или boost), минималният обхват на изхода може да бъде или по-голям от входното напрежение (boost) или по-малък от входното напрежение (buck).

3. Изходен ток

Този термин се отнася до настоящия рейтинг, за който е проектирана IC. Това по същество е индикация за това колко ток може да достави IC на изхода си. За някои интегрални схеми само максималният изходен ток е посочен като мярка за безопасност и за да помогне на дизайнера да гарантира, че регулаторът ще може да достави тока, необходим за приложението. За други интегрални схеми се предоставят както минималната, така и максималната оценка. Това може да бъде много полезно при планирането на техники за управление на захранването за вашето приложение.

При избора на регулатор, базиран на изходния ток на интегралната схема, е важно да се гарантира, че съществува граница на сигурност между максималния ток, изискван от вашето приложение, и максималния изходен ток на регулатора. Важно е да се гарантира, че максималният изходен ток на регулатора е по-висок от необходимия изходен ток с поне 10 до 20%, тъй като интегралната схема може да генерира голямо количество топлина при работа на максимални нива непрекъснато и може да бъде повредена от топлината. Също така ефективността на IC намалява, когато работи максимално.

4. Диапазон на работната температура

Този термин се отнася до температурния диапазон, в който регулаторът функционира правилно. Той се определя по отношение на температурата на околната среда (Ta) или температурата на свързване (Tj). Температурата на TJ се отнася до най-високата работна температура на транзистора, докато околната температура се отнася до температурата на околната среда около устройството.

Ако диапазонът на работната температура е дефиниран по отношение на температурата на околната среда, това не означава непременно, че регулаторът може да се използва в целия температурен диапазон. Важно е да се вземе предвид коефициентът на безопасност, както и факторът на планирания ток на натоварване и придружаващата го топлина, тъй като комбинацията от това и околната температура е това, което съставлява температурата на кръстовището, която също не трябва да се надвишава. Оставането в границите на работната температура е от решаващо значение за правилната, непрекъсната работа на регулатора, тъй като прекомерната топлина може да доведе до ненормална работа и катастрофална повреда на регулатора.Поради това е важно да се обърне внимание на околната топлина в околната среда, в която ще се използва устройството, и също така да се определи възможното количество топлина, която ще се генерира от устройството в резултат на тока на натоварване, преди да се определи дали посоченият диапазон на работната температура на регулатора работи за вас. Важно е да се отбележи, че някои регулатори също могат да се провалят при изключително студени условия и си струва да се обърне внимание на минималните температурни стойности, ако приложението ще бъде внедрено в студена среда.

5. Честота на превключване

Честотата на превключване се отнася до скоростта, с която се включва и изключва управляващият транзистор в превключващ регулатор. В регулаторите, базирани на модулация с широчина на импулса, честотата обикновено е фиксирана, докато е в импулсно-честотна модулация.

Честотата на превключване влияе на параметрите на регулатора като пулсации, изходния ток, максималната ефективност и скоростта на реакция. Проектирането на честотата на превключване винаги включва използването на съответстващи стойности на индуктивността, така че производителността на два подобни регулатора с различна честота на превключване ще бъде различна. Ако се разгледат два подобни регулатора на различни честоти, ще се установи, че максималният ток например ще бъде нисък за регулатора, работещ с по-ниска честота в сравнение с този на регулатора с висока честота. Също така параметри като пулсации ще бъдат високи и скоростта на реакция на регулатора ще бъде ниска при ниска честота, докато пулсацията ще бъде ниска, а скоростта на реакция висока при висока честота.

6. Шум

Превключващото действие, свързано с превключващите регулатори, генерира шум и свързани хармоници, които могат да повлияят на работата на цялостната система, особено в системи с RF компоненти и аудио сигнали. Въпреки че шумът може да бъде намален с помощта на филтър и т.н., той наистина може да намали съотношението сигнал / шум (SNR) във вериги, които са чувствителни към шума. Поради това е важно да сте сигурни, че количеството шум, генерирано от регулатора, няма да повлияе на цялостната производителност на системата.

7. Ефективност

Ефективността е важен фактор, който трябва да се има предвид при проектирането на всяко енергийно решение днес. По същество това е съотношението на изходното напрежение към входното напрежение. Теоретично ефективността на превключващ регулатор е сто процента, но това на практика не е вярно на практика, тъй като съпротивлението на FET превключвателя, спада на напрежението на диода и ESR както на индуктор, така и на изходен кондензатор намалява общата ефективност на регулатора. Докато повечето съвременни регулатори предлагат стабилност в широк работен диапазон, ефективността варира в зависимост от употребата и например значително намалява, тъй като токът, извлечен от изхода, се увеличава.

8. Регулиране на натоварването

Регулирането на натоварването е мярка за способността на регулатора на напрежение да поддържа постоянно напрежение на изхода, независимо от промените в изискванията за натоварване.

9. Опаковка и размер

Една от обичайните цели по време на проектирането на всяко хардуерно решение в наши дни е да се намали максимално размерът. Това по същество включва намаляване на размера на електронния компонент и неизменно намаляване на броя на компонентите, които съставляват всяка секция на устройството. Малка система за захранване не само помага да се намали общият размер на проекта, но също така помага да се създаде място, в което да бъдат ограничени допълнителни функции на продукта. В зависимост от целите на вашия проект, осигурете формата на фактора / размера на пакета, с който се справяте ще се побере във вашия космически бюджет. Докато правите селекции въз основа на този фактор, също е важно да се вземе предвид размерът на периферните компоненти, необходими на регулатора, за да функционира. Например използването на високочестотни интегрални схеми позволява използването на изходни кондензатори с нисък капацитет и индуктори, което води до намален размер на компонентите и обратно.

Идентифицирането на всичко това и сравняването с вашите изисквания за дизайн бързо ще ви помогне да определите кой регулатор трябва да бъде пресечен и кой да бъде включен във вашия дизайн.

Споделете кой фактор смятате, че съм пропуснал и други коментари чрез раздела за коментари.

До следващия път.