Kraft er en viktig del av ethvert elektronikkprosjekt / enhet. Uavhengig av kilde er det vanligvis behov for å utføre strømstyringsoppgaver som spenningstransformasjon / skalering og konvertering (AC-DC / DC-DC) blant andre. Å velge riktig løsning for hver av disse oppgavene kan være nøkkelen til produktets suksess (eller fiasko). En av de vanligste strømstyringsoppgavene i nesten alle slags enheter er DC-DC spenningsregulering / skalering. Dette innebærer å endre verdien av likestrøm ved inngangen til en høyere eller lavere verdi på utgangen. Komponentene / modulene som brukes for å oppnå disse oppgavene blir vanligvis referert til som spenningsregulatorer. De har vanligvis muligheten til å levere en konstant utgangsspenning som er høyere eller lavere enn inngangsspenningen, og de brukes ofte til å levere strøm til komponenter i design der du har seksjoner med forskjellige spenninger. De brukes også i tradisjonelle strømforsyninger.
Det er to hovedtyper av spenningsregulatorer;
- Lineære regulatorer
- Bytte regulatorer
Lineære spenningsregulatorer er vanligvis trinnvis regulatorer, og de bruker impedanskontroll for å skape en lineær reduksjon av inngangsspenningen ved utgangen. De er vanligvis veldig billige, men ineffektive, da mye energi går tapt for varmen under reguleringen. Koblingsregulatorer derimot er i stand til å enten trappe opp eller ned spenningen som brukes på inngangen, avhengig av arkitekturen. De oppnår spenningsregulering ved hjelp av en på / av-bryterprosess av en transistor som styrer spenningen som er tilgjengelig ved regulatorens utgang. Sammenlignet med lineære regulatorer er bryteregulatorer vanligvis dyrere og langt mer effektive.
For dagens artikkel vil vi fokusere på å bytte regulatorer, og da tittelen ga bort, vil vi se på faktorer som skal tas i betraktning når vi velger en bytteregulator for et prosjekt.
På grunn av kompleksiteten i andre deler av prosjektet (kjernefunksjonalitetene, RF osv.), Er valget av regulatorer for strømforsyning vanligvis en av handlingene som er igjen til slutten av designprosessen. Dagens artikkel vil prøve å gi den tidsbegrensede designeren tips om hva du skal se etter i spesifikasjonene til en bryteregulator for å avgjøre om den passer til din spesielle brukssak. Detaljer vil også bli gitt om tolking av forskjellige måter forskjellige produsenter presenterer informasjon om parametere som temperatur, belastning etc.
Typer av bytteregulatorer
Det er i hovedsak tre typer bytteregulatorer, og faktorene du må ta hensyn til, avhenger av hvilken av typene som skal brukes til applikasjonen din. De tre typene er;
- Buck Regulators
- Øk regulatorer
- Buck Boost-regulatorer
1. Buck Regulators
Buck regulators, også kalt step-down regulators eller buck converters er uten tvil de mest populære bytteregulatorene. De har muligheten til å trappe ned spenningen som brukes på inngangen til en mindre spenning ved utgangen. Dermed er deres nominelle inngangsspenning vanligvis høyere enn deres nominelle utgangsspenning. En grunnleggende skjema for en buck-omformer er vist nedenfor.
Utgangen fra regulatoren skyldes at transistoren slås på og av, og spenningsverdien er vanligvis en funksjon av transistorens driftssyklus (hvor lenge transistoren var på i hver komplette syklus). Utgangsspenningen er gitt av ligningen nedenfor hvorfra vi kan slutte at driftssyklusen aldri kan være lik en, og dermed vil utgangsspenningen alltid være mindre enn inngangsspenningen. Bukkregulatorer brukes derfor når det kreves en reduksjon i forsyningsspenningen mellom det ene trinnet i designet og det andre. Du kan lære mer om design grunnleggende og effektiviteten til buck regulator her, videre lære hvordan du bygger en Buck converter krets.
2. Øk regulatorer
Boost-regulatorer eller boost-omformere fungerer på en direkte motsatt måte til buck-regulatorene. De leverer en spenning som er høyere enn inngangsspenningen, ved utgangen. I likhet med bukkregulatorene, bruker de svitsjetransistorhandlingen for å øke spenningen ved utgangen og består vanligvis av de samme komponentene som brukes i bukkregulatorer, med den eneste forskjellen som er komponentens arrangement. Et enkelt skjema for boostregulatoren er vist nedenfor.
Du kan lære mer om design grunnleggende og effektiviteten til Boost regulator her, kan bygge en Boost converter ved å følge denne Boost Converter Circuit.
3. Buck-Boost regulatorer
Sist men ikke minst er buck boost regulators. Fra navnet deres er det lett å utlede at de gir både boost og buck-effekten til inngangsspenningen. Den buck-boost-omformer frembringer et invertert (negativ) utgangsspenning som kan være større eller mindre enn inngangsspenningen basert på nevnte driftssyklus. Den grunnleggende strømforsyningskretsen for buck-boost-bryter er gitt nedenfor.
Buck-boost-omformeren er en variant av boost-omformerkretsen der den inverterende omformeren bare leverer energien som er lagret av induktoren, L1, i lasten.
Valget av en av disse tre bryterregulator-typene, avhenger utelukkende av hva som kreves av systemet som utformes. Uavhengig av hvilken type regulator som skal brukes, er det viktig å sikre at spesifikasjonene til regulatorene oppfyller kravene til designet.
Faktorer du bør vurdere når du velger en bytteregulator
Utformingen av en svitsjeregulator avhenger i stor grad av kraft-IC-en som brukes til den, og de fleste faktorene som skal tas i betraktning vil være spesifikasjonene til strøm-IC-en som brukes. Det er viktig å forstå spesifikasjonene til Power IC og hva de betyr for å sikre at du velger den rette for applikasjonen din.
Uavhengig av søknad, hjelper du å sjekke følgende faktorer for å redusere tiden du bruker på utvalget.
1. Inngangsspenningsområde
Dette refererer til tolerabelt utvalg av inngangsspenninger støttet av IC. Det er vanligvis spesifisert i databladet, og som designer er det viktig å sikre at inngangsspenningen for applikasjonen din faller innenfor inngangsspenningsområdet som er spesifisert for IC. Mens visse datablad bare kan spesifisere for maksimal inngangsspenning, er det bedre å sjekke databladet for å være sikker på at det ikke er nevnt noe om minimum inngangsområde før du tar noen antakelser. Når spenninger som er høyere enn maks inngangsspenning påføres, blir IC vanligvis stekt ut, men det slutter vanligvis å fungere eller fungerer unormalt når spenninger lavere enn minimum inngangsspenning påføres, alt avhengig av beskyttelsestiltakene på plass. En av de beskyttende tiltakene som vanligvis brukes for å forhindre skade på IC-er når spenninger utenfor rekkevidde leveres på inngangen, er UVLO (Under-Voltage Lock Out),å sjekke om dette er tilgjengelig kan også hjelpe designbeslutningene dine.
2. Utgangsspenningsområde
Bryterregulatorer har vanligvis variable utganger. Utgangsspenningsområdet representerer spenningsområdet som ønsket utgangsspenning kan stilles til. I IC-er uten alternativ for variabel utgang er dette vanligvis en enkelt verdi. Det er viktig å sørge for at ønsket utgangsspenning ligger innenfor området spesifisert for IC og med en god sikkerhetsfaktor som forskjell mellom maksimalt utgangsspenningsområde og utgangsspenningen du trenger. som hovedregel kan ikke minimum utgangsspenning settes til et lavere spenningsnivå enn den interne referansespenningen. Avhengig av applikasjonen din (bukk eller boost), kan minimumsutgangsområdet enten være større enn inngangsspenningen (boost) eller langt mindre enn inngangsspenningen (buck).
3. Utgangsstrøm
Dette begrepet refererer til gjeldende vurdering som IC ble designet for. Det er egentlig en indikasjon på hvor mye strøm IC kan levere ved utgangen. For noen IC-er er bare den maksimale utgangsstrømmen spesifisert som et sikkerhetsmål og for å hjelpe designeren med å sikre at regulatoren vil være i stand til å levere strømmen som kreves for applikasjonen. For andre IC-er oppgis både minimums- og maksimumsklassifiseringer. Dette kan være veldig nyttig når du planlegger teknikker for strømstyring for applikasjonen din.
Når du velger en regulator basert på IC-utgangsstrømmen, er det viktig å sikre at det eksisterer en sikkerhetsmargin mellom den maksimale strømmen som kreves av applikasjonen din og den maksimale utgangsstrømmen til regulatoren. Det er viktig å sikre at den maksimale utgangsstrømmen til regulatoren er høyere enn den nødvendige utgangsstrømmen med minst 10 til 20%, da IC kan generere en høy mengde varme når du arbeider på maksimale nivåer kontinuerlig og kan bli skadet av varmen. Også effektiviteten til IC reduseres ved maksimal drift.
4. Driftstemperaturområde
Dette begrepet refererer til temperaturområdet der regulatoren fungerer som den skal. Det er definert i form av enten omgivelsestemperaturen (Ta) eller krysningstemperaturen (Tj). TJ-temperaturen refererer til den høyeste driftstemperaturen til transistoren, mens omgivelsestemperaturen refererer til temperaturen i omgivelsene rundt enheten.
Hvis driftstemperaturområdet er definert i forhold til omgivelsestemperaturen, betyr det ikke nødvendigvis at regulatoren kan brukes over hele temperaturområdet. Det er viktig å faktorisere sikkerhetsfaktoren og også faktorene i den planlagte laststrømmen og den medfølgende varmen, da kombinasjonen av denne og omgivelsestemperaturen er det som utgjør koblingstemperaturen som heller ikke skal overskrides. Å holde seg innenfor driftstemperaturområdet er avgjørende for riktig, kontinuerlig drift av regulatoren, da overdreven varme kan føre til unormal drift og katastrofal svikt i regulatoren.Det er derfor viktig å være oppmerksom på den omgivende varmen i miljøet som enheten skal brukes, og også bestemme den mulige mengden varme som vil genereres av enheten som et resultat av laststrømmen før man bestemmer om det angitte driftstemperaturområdet av regulatoren fungerer for deg. Det er viktig å merke seg at visse regulatorer også kan mislykkes under ekstremt kalde forhold, og det er verdt å ta hensyn til minimumstemperaturverdiene hvis applikasjonen vil bli distribuert i kalde omgivelser.
5. Byttefrekvens
Koblingsfrekvens refererer til hastigheten som styretransistoren slås på og av i en svitsjeregulator. I pulsbreddemodulasjonsbaserte regulatorer er frekvensen vanligvis fast mens den er i pulsfrekvensmodulering.
Byttefrekvensen påvirker parametrene til regulatoren som krusning, utgangsstrøm, maksimal effektivitet og responshastighet. Utformingen for svitsjefrekvensen innebærer alltid bruk av matchende induktansverdier, slik at ytelsen til to lignende regulatorer med ulik svitsjefrekvens vil være forskjellig. Hvis to lignende regulatorer ved forskjellige frekvenser vurderes, vil det bli oppdaget at den maksimale strømmen for eksempel vil være lav for regulatoren som opererer med en lavere frekvens sammenlignet med regulatoren ved høy frekvens. Også parametere som krusning vil være høye og responshastigheten til regulatoren vil være lav ved lav frekvens, mens krusningen vil være lav og responshastigheten, høy ved høy frekvens.
6. Støy
Koblingshandlingen forbundet med bytteregulatorer genererer støy og tilhørende harmoniske effekter som kan påvirke ytelsen til det samlede systemet, spesielt i systemer med RF-komponenter og lydsignaler. Mens støyen kan reduseres ved hjelp av et filter osv., Kan det virkelig redusere signal til støyforhold (SNR) i kretser som er følsomme for støy. Det er derfor viktig å være sikker på at støymengden som genereres av regulatoren ikke vil påvirke systemets totale ytelse.
7. Effektivitet
Effektivitet er en viktig faktor å ta hensyn til i utformingen av enhver kraftløsning i dag. Det er egentlig forholdet mellom utgangsspenningen og inngangsspenningen. Teoretisk er effektiviteten til en svitsjeregulator hundre prosent, men dette er vanligvis ikke sant i praksis, da motstanden til FET-svitsj, diodespenningsfall og ESR for både induktor og utgangskondensator reduserer den totale effektiviteten til regulatoren. Mens de fleste moderne regulatorer tilbyr stabilitet over bredt bruksområde, varierer effektiviteten med bruk og blir for eksempel kraftig redusert når strømmen hentet fra utgangen øker.
8. Lastregulering
Lastregulering er et mål på en spenningsregulators evne til å opprettholde en konstant spenning ved utgangen uavhengig av endringene i lastkravet.
9. Emballasje og størrelse
Et av de vanlige målene under utformingen av en hvilken som helst maskinvareløsning i disse dager er å redusere størrelsen så mye som mulig. Dette inkluderer i hovedsak å redusere størrelsen på elektronikkomponenten og alltid redusere antall komponenter som utgjør hver del av enheten. Et kraftsystem med liten størrelse hjelper ikke bare med å redusere den totale størrelsen på prosjektet, men det hjelper også til å skape rom for hvilke ekstra produktfunksjoner som kan bli trangt. Avhengig av målene for prosjektet, sørg for formfaktor / pakkestørrelse du går med vil passe inn i rombudsjettet ditt. Mens du foretar valg basert på denne faktoren, er det også viktig å ta hensyn til størrelsen på de perifere komponentene som regulatoren krever for å fungere. For eksempel tillater bruk av høyfrekvente IC-er bruken av utgangskondensatorer med lav kapasitans og induktorer, noe som resulterer i redusert komponentstørrelse og omvendt.
Å identifisere alt dette og sammenligne med designkravene dine vil raskt hjelpe deg med å bestemme hvilken regulator som skal krysses av og hvilken som skal være med i designet.
Del hvilken faktor du tror jeg savnet og andre kommentarer via kommentarseksjonen.
Til neste gang.