Strøm er en vigtig del af ethvert elektronikprojekt / enhed. Uanset kilde er der normalt behov for at udføre strømstyringsopgaver som spændingstransformation / skalering og konvertering (AC-DC / DC-DC) blandt andre. At vælge den rigtige løsning til hver af disse opgaver kan være nøglen til produktets succes (eller fiasko). En af de mest almindelige strømstyringsopgaver i næsten alle slags enheder er DC-DC spændingsregulering / skalering. Dette indebærer at ændre værdien af jævnspænding ved indgangen til en højere eller lavere værdi ved udgangen. Komponenterne / modulerne, der bruges til at udføre disse opgaver, kaldes generelt spændingsregulatorer. De har generelt evnen til at levere en konstant udgangsspænding, der er højere eller lavere end indgangsspændingen, og de bruges ofte til at levere strøm til komponenter i designs, hvor du har sektioner med forskellige spændinger. De bruges også i traditionelle strømforsyninger.
Der er to hovedtyper af spændingsregulatorer;
- Lineære regulatorer
- Skifte regulatorer
Lineære spændingsregulatorer er normalt nedreguleringsregulatorer, og de bruger impedansstyring til at skabe en lineær reduktion af indgangsspændingen ved udgangen. De er normalt meget billige, men ineffektive, da meget energi går tabt til varmen under reguleringen. Omskifteregulatorer er derimod i stand til enten at træde op eller ned på den spænding, der påføres input, afhængigt af arkitekturen. De opnår spændingsregulering ved hjælp af en tænd / sluk-koblingsproces for en transistor, der styrer den spænding, der er tilgængelig ved regulatorens output. Sammenlignet med lineære regulatorer er switch regulatorer normalt dyrere og langt mere effektive.
I dagens artikel vil vi fokusere på at skifte regulatorer, og da titlen gav væk, vil vi se på faktorer, der skal overvejes, når vi vælger en switch-regulator til et projekt.
På grund af kompleksiteten af andre dele af projektet (kernefunktionaliteterne, RF osv.) Er valget af regulatorer til strømforsyning normalt en af de handlinger, der er tilbage til slutningen af designprocessen. Dagens artikel vil forsøge at give den tidsbegrænsede designer tips til, hvad man skal se efter i specifikationerne for en omskifteregulator for at afgøre, om det passer til jeres særlige brugssag. Detaljer vil også blive givet om fortolkning af de forskellige måder, hvorpå forskellige producenter præsenterer information om parametre som temperatur, belastning osv.
Typer af skiftende regulatorer
Der er i det væsentlige tre typer omskifteregulatorer, og de faktorer, der skal tages i betragtning, afhænger af hvilken af de typer, der skal bruges til din applikation. De tre typer er:
- Buck regulatorer
- Boost regulatorer
- Buck Boost regulatorer
1. Buck-regulatorer
Buck regulators, også kaldet step-down regulators eller buck converters er uden tvivl de mest populære switch regulators. De har evnen til at nedtrappe den spænding, der påføres ved indgangen, til en mindre spænding ved udgangen. Således er deres nominelle indgangsspænding normalt højere end deres nominelle udgangsspænding. Et grundlæggende skema til en buck-konverter er vist nedenfor.
Regulatorens output skyldes, at transistoren tændes og slukkes, og spændingsværdien er normalt en funktion af transistorens driftscyklus (hvor længe transistoren var tændt i hver komplette cyklus). Udgangsspændingen er givet ved nedenstående ligning, hvorfra vi kan udlede, at driftscyklussen aldrig kan være lig med en, og dermed vil udgangsspændingen altid være mindre end indgangsspændingen. Buck-regulatorer bruges derfor, når der kræves en reduktion i forsyningsspænding mellem det ene trin i et design og det andet. Du kan lære mere om design basics og effektiviteten af buck regulator her, yderligere lære at opbygge et Buck converter kredsløb.
2. Boost regulatorer
Boost regulatorer eller boost konvertere fungerer på en direkte modsat måde til buck regulatorerne. De leverer en spænding, der er højere end indgangsspændingen, ved deres udgang. Ligesom bukke-regulatorerne bruger de skifte-transistor-handlingen til at øge spændingen ved udgangen og består normalt af de samme komponenter, der anvendes i sorteper-regulatorer, hvor den eneste forskel er komponenternes arrangement. Et simpelt skema til boostregulatoren er vist nedenfor.
Du kan lære mere om design basics og effektiviteten af Boost regulator her, kan bygge en Boost converter ved at følge dette Boost Converter Circuit.
3. Buck-Boost regulatorer
Sidst men ikke mindst er buck boost regulators. Fra deres navn er det let at udlede, at de leverer både boost og buck-effekten til indgangsspændingen. Den buck-boost-konverter frembringer en omvendt (negativ) udgangsspænding, som kan være større eller mindre end indgangsspændingen baseret på arbejdscyklussen. Det grundlæggende strømforsyningskredsløb til buck-boost-switch er angivet nedenfor.
Buck-boost-konverteren er en variation af boost-converter-kredsløbet, hvor den inverterende konverter kun leverer den energi, der er lagret af induktoren, L1, ind i belastningen.
Valget af en af disse tre omskifteregulatortyper afhænger udelukkende af, hvad der kræves af det system, der designes. Uanset hvilken type regulator der skal bruges, er det vigtigt at sikre, at regulatorens specifikationer opfylder kravene til designet.
Faktorer, der skal overvejes, når du vælger en switchregulator
Udformningen af en omskifteregulator afhænger i vid udstrækning af den effekt-IC, der bruges til den, og de fleste af de faktorer, der skal overvejes, er således specifikationerne for den anvendte strøm-IC. Det er vigtigt at forstå specifikationerne for Power IC og hvad de betyder for at sikre, at du vælger den rigtige til din applikation.
Uanset din ansøgning vil kørsel af følgende faktorer hjælpe dig med at reducere tiden brugt på udvælgelsen.
1. Indgangsspændingsområde
Dette refererer til et acceptabelt interval af indgangsspændinger understøttet af IC. Det er normalt specificeret i databladet, og som designer er det vigtigt at sikre, at indgangsspændingen til din applikation falder inden for det inputspændingsområde, der er specificeret for IC. Mens visse datablade muligvis kun angiver den maksimale indgangsspænding, er det bedre at kontrollere databladet for at være sikker på, at der ikke er nogen omtale af det mindste inputområde, inden der antages antagelser. Når spændinger, der er højere end den maksimale indgangsspænding, anvendes, bliver IC'erne normalt stegt ud, men det holder normalt op med at fungere eller fungerer unormalt, når spændinger, der er lavere end den minimale indgangsspænding, anvendes, alt afhængigt af de beskyttelsesforanstaltninger, der er på plads. En af de beskyttelsesforanstaltninger, der normalt anvendes til at forhindre beskadigelse af IC'er, når spændinger uden for området leveres ved indgangen, er UVLO (Under-Voltage Lock Out),at kontrollere, om dette er tilgængeligt, kan også hjælpe dine designbeslutninger.
2. Udgangsspændingsområde
Omskifteregulatorer har normalt variable udgange. Udgangsspændingsområdet repræsenterer det spændingsområde, som din krævede udgangsspænding kan indstilles til. I IC'er uden mulighed for variabel output er dette normalt en enkelt værdi. Det er vigtigt at sikre, at din krævede udgangsspænding er inden for det interval, der er angivet for IC og med en god sikkerhedsfaktor som forskel mellem det maksimale udgangsspændingsområde og den udgangsspænding, du har brug for. Som hovedregel kan den minimale udgangsspænding ikke indstilles til et lavere spændingsniveau end den interne referencespænding. Afhængigt af din applikation (bukke eller boost) kan det mindste outputområde enten være større end indgangsspændingen (boost) eller langt mindre end indgangsspændingen (bukke).
3. Udgangsstrøm
Dette udtryk refererer til den aktuelle vurdering, som IC'en blev designet til. Det er i det væsentlige en indikation af, hvor meget strøm IC kan levere ved dets output. For nogle IC'er er kun den maksimale udgangsstrøm specificeret som et sikkerhedsmål og for at hjælpe designeren med at sikre, at regulatoren er i stand til at levere den nødvendige strøm til applikationen. For andre IC'er gives både minimums- og maksimumvurderinger. Dette kan være meget nyttigt ved planlægning af strømstyringsteknikker til din applikation.
Når du vælger en regulator baseret på IC's udgangsstrøm, er det vigtigt at sikre, at der findes en sikkerhedsmargin mellem den maksimale strøm, der kræves af din applikation, og den maksimale udgangsstrøm for regulatoren. Det er vigtigt at sikre, at regulatorens maksimale udgangsstrøm er mindst 10 til 20% højere end din krævede udgangsstrøm, da IC kan generere en høj mængde varme, når den kører kontinuerligt ved maksimale niveauer og kan blive beskadiget af varmen. Også effektiviteten af IC reduceres, når den fungerer maksimalt.
4. Driftstemperaturområde
Dette udtryk henviser til det temperaturområde, inden for hvilket regulatoren fungerer korrekt. Det er defineret i form af enten omgivelsestemperaturen (Ta) eller krydsetemperaturen (Tj). TJ-temperaturen henviser til transistorens højeste driftstemperatur, mens omgivelsestemperaturen henviser til temperaturen i miljøet omkring enheden.
Hvis driftstemperaturområdet er defineret i forhold til den omgivende temperatur, betyder det ikke nødvendigvis, at regulatoren kan bruges over hele temperaturområdet. Det er vigtigt at indregne sikkerhedsfaktoren og også indregne den planlagte belastningsstrøm og den ledsagende varme, da kombinationen af denne og den omgivende temperatur er det, der udgør forbindelsestemperaturen, som heller ikke bør overskrides. At forblive inden for driftstemperaturområdet er afgørende for korrekt, kontinuerlig drift af regulatoren, da overdreven varme kan føre til unormal drift og katastrofalt svigt i regulatoren.Det er derfor vigtigt at være opmærksom på den omgivende varme i det miljø, som enheden skal bruges, og også bestemme den mulige mængde varme, der vil genereres af enheden som et resultat af belastningsstrømmen, før man bestemmer, om det specificerede driftstemperaturområde af regulatoren fungerer for dig. Det er vigtigt at bemærke, at visse regulatorer også kan mislykkes under ekstremt kolde forhold, og det er værd at være opmærksom på minimumstemperaturværdierne, hvis applikationen vil blive anvendt i kolde omgivelser.
5. Skiftfrekvens
Omskifterfrekvens refererer til den hastighed, hvormed kontroltransistoren tændes og slukkes i en omskifteregulator. I pulsbreddemodulationsbaserede regulatorer er frekvensen normalt fast i Pulse Frequency Modulation.
Skiftefrekvensen påvirker regulatorens parametre som krusning, udgangsstrøm, maksimal effektivitet og reaktionshastighed. Designet til skiftefrekvensen involverer altid brugen af matchende induktansværdier, således at ydeevnen for to lignende regulatorer med forskellig skiftefrekvens vil være forskellig. Hvis to lignende regulatorer ved forskellige frekvenser overvejes, vil det blive opdaget, at den maksimale strøm for eksempel vil være lav for regulatoren, der fungerer ved en lavere frekvens sammenlignet med den for regulatoren ved høj frekvens. Også parametre som krusning vil være høje, og regulatorens reaktionshastighed vil være lav ved lav frekvens, mens krusningen vil være lav og reaktionshastighed, høj ved høj frekvens.
6. Støj
Koblingshandlingen forbundet med koblingsregulatorer genererer støj og relaterede harmoniske, som kan påvirke ydeevnen for det samlede system, især i systemer med RF-komponenter og lydsignaler. Mens støj kan reduceres ved hjælp af et filter osv., Kan det virkelig reducere signal / støjforholdet (SNR) i kredsløb, der er følsomme over for støj. Det er derfor vigtigt at være sikker på, at mængden af støj genereret af regulatoren ikke påvirker systemets samlede ydeevne.
7. Effektivitet
Effektivitet er en vigtig faktor, der skal overvejes i designet af enhver strømløsning i dag. Det er i det væsentlige forholdet mellem udgangsspændingen og indgangsspændingen. Teoretisk er effektiviteten af en omskifteregulator hundrede procent, men dette er normalt ikke tilfældet i praksis, da modstanden af FET-switch, diodespændingsfald og ESR for både induktor og udgangskondensator reducerer den samlede effektivitet af regulatoren. Mens de fleste moderne regulatorer tilbyder stabilitet på tværs af bredt driftsområde, varierer effektiviteten med brugen og for eksempel reduceres kraftigt, når strømmen trukket fra output stiger.
8. Lastregulering
Belastningsregulering er et mål for en spændingsregulators evne til at opretholde en konstant spænding ved udgangen uanset ændringer i belastningskravet.
9. Emballage og størrelse
Et af de sædvanlige mål under designet af enhver hardwareløsning i disse dage er at reducere størrelsen så meget som muligt. Dette inkluderer i det væsentlige at reducere størrelsen på elektronikkomponenten og altid reducere antallet af komponenter, der udgør hver sektion af enheden. Et strømforsyningssystem med lille størrelse hjælper ikke kun med at reducere projektets samlede størrelse, men det hjælper også med at skabe plads, som ekstra produktfunktioner kan trænges ind i. Afhængigt af målene for dit projekt skal du sikre den formfaktor / pakke størrelse, du går med passer ind i dit pladsbudget. Mens der foretages valg baseret på denne faktor, er det også vigtigt at faktorere størrelsen på de perifere komponenter, som regulatoren kræver for at fungere. For eksempel tillader brugen af højfrekvente IC'er brugen af udgangskondensatorer med lav kapacitans og induktorer, hvilket resulterer i en reduceret komponentstørrelse og omvendt.
At identificere alt dette og sammenligne med dine designkrav hjælper dig hurtigt med at bestemme, hvilken regulator der skal krydses over, og hvilken der skal findes i dit design.
Del hvilken faktor du tror, jeg har gået glip af, og andre kommentarer via kommentarsektionen.
Indtil næste gang.