Питание - важная часть любого электронного проекта / устройства. Независимо от источника, обычно необходимо выполнять задачи управления питанием, такие как преобразование / масштабирование напряжения и преобразование (AC-DC / DC-DC) среди других. Выбор правильного решения для каждой из этих задач может стать ключом к успеху (или неудаче) продукта. Одной из наиболее распространенных задач управления питанием практически во всех типах устройств является регулирование / масштабирование постоянного и постоянного напряжения.. Это включает в себя изменение значения постоянного напряжения на входе на большее или меньшее значение на выходе. Компоненты / модули, используемые для решения этих задач, обычно называют регуляторами напряжения. Как правило, они имеют возможность обеспечивать постоянное выходное напряжение, которое выше или ниже входного напряжения, и они обычно используются для питания компонентов в конструкциях, где у вас есть секции с разными напряжениями. Они также используются в традиционных источниках питания.
Есть два основных типа регуляторов напряжения;
- Линейные регуляторы
- Регуляторы переключения
Линейные регуляторы напряжения обычно являются понижающими регуляторами, и они используют управление импедансом для создания линейного уменьшения входного напряжения на выходе. Обычно они очень дешевы, но неэффективны, так как при регулировании теряется много энергии на тепло. С другой стороны, импульсные регуляторы способны повышать или понижать напряжение, подаваемое на входе, в зависимости от архитектуры. Они достигают регулирования напряжения, используя процесс включения / выключения транзистора, который регулирует напряжение на выходе регулятора. По сравнению с линейными регуляторами импульсные регуляторы обычно дороже и намного эффективнее.
В сегодняшней статье мы сосредоточимся на импульсных регуляторах, и, судя по названию, мы рассмотрим факторы, которые следует учитывать при выборе импульсного регулятора для проекта.
Из-за сложности других частей проекта (основные функции, RF и т. Д.) Выбор регуляторов для источника питания обычно является одним из действий, оставшихся до конца процесса проектирования. В сегодняшней статье мы попытаемся дать разработчику с ограничениями по времени советы о том, на что обращать внимание в характеристиках импульсного регулятора, чтобы определить, подходит ли он для вашего конкретного случая использования. Также будет предоставлена подробная информация об интерпретации различных способов, которыми разные производители представляют информацию о таких параметрах, как температура, нагрузка и т. Д.
Типы импульсных регуляторов
По сути, существует три типа импульсных регуляторов, и факторы, которые следует учитывать, зависят от того, какой из типов будет использоваться для вашего приложения. Эти три типа:
- Регуляторы Buck
- Регуляторы наддува
- Регуляторы Buck Boost
1. Понижающие регуляторы
Понижающие регуляторы, также называемые понижающими регуляторами или понижающими преобразователями, возможно, являются наиболее популярными импульсными регуляторами. У них есть возможность понижать напряжение, подаваемое на входе, до меньшего напряжения на выходе. Таким образом, их номинальное входное напряжение обычно выше, чем их номинальное выходное напряжение. Базовая схема понижающего преобразователя показана ниже.
Выходной сигнал регулятора связан с включением и выключением транзистора, а значение напряжения обычно является функцией рабочего цикла транзистора (как долго транзистор был включен в каждом полном цикле). Выходное напряжение задается уравнением ниже, из которого мы можем сделать вывод, что рабочий цикл никогда не может быть равен единице, и, следовательно, выходное напряжение всегда будет меньше входного. Поэтому понижающие регуляторы используются, когда требуется снижение напряжения питания между одной стадией проекта и другой. Вы можете узнать больше об основах проектирования и эффективности понижающего регулятора здесь, а также узнать, как построить схему понижающего преобразователя.
2. Регуляторы наддува
Повышающие регуляторы или повышающие преобразователи работают прямо противоположно понижающим регуляторам. На выходе они подают напряжение выше входного. Как и понижающие стабилизаторы, они используют действие переключающего транзистора для увеличения напряжения на выходе и обычно состоят из тех же компонентов, что и понижающие стабилизаторы, с той лишь разницей, что они расположены. Ниже представлена простая схема регулятора наддува.
Вы можете узнать больше об основах конструкции и эффективности повышающего регулятора здесь, можете построить один повышающий преобразователь, следуя этой схеме повышающего преобразователя.
3. Регуляторы Buck-Boost.
И последнее, но не менее важное - это регуляторы понижающего наддува. По их названию легко сделать вывод, что они обеспечивают как повышение, так и понижающий эффект входного напряжения. Понижающий преобразователь-импульс производит инвертированный (отрицательный) выходное напряжение, которое может быть больше или меньше, чем входное напряжение на основе рабочего цикла. Базовая схема импульсного источника питания повышающего и понижающего режимов приведена ниже.
Понижающий-повышающий преобразователь представляет собой разновидность схемы повышающего преобразователя, в которой инвертирующий преобразователь передает в нагрузку только энергию, накопленную катушкой индуктивности L1.
Выбор любого из этих трех типов импульсного регулятора зависит исключительно от того, что требуется для проектируемой системы. Независимо от типа используемого регулятора важно обеспечить соответствие технических характеристик регуляторов требованиям проекта.
Факторы, которые следует учитывать при выборе импульсного регулятора
Конструкция импульсного регулятора в значительной степени зависит от используемой для него ИС питания, поэтому большинство факторов, которые следует учитывать, будут спецификациями используемой ИС питания. Важно понимать спецификации Power IC и их значение, чтобы быть уверенным, что вы выберете правильный вариант для своего приложения.
Независимо от вашего приложения, проверка следующих факторов поможет вам сократить время, затрачиваемое на выбор.
1. Диапазон входного напряжения
Это относится к допустимому диапазону входных напряжений, поддерживаемых микросхемой.. Обычно это указывается в технических характеристиках, и как разработчику важно убедиться, что входное напряжение для вашего приложения находится в пределах диапазона входного напряжения, указанного для ИС. Хотя в некоторых таблицах данных может указываться только максимальное входное напряжение, перед принятием каких-либо предположений лучше проверить лист данных, чтобы убедиться, что в нем нет упоминания о минимальном диапазоне входного напряжения. Когда прикладывается напряжение, превышающее максимальное входное напряжение, ИС обычно перегорает, но обычно перестает работать или работает ненормально, когда применяется напряжение ниже минимального входного напряжения, и все это зависит от принимаемых защитных мер. Одной из защитных мер, обычно применяемых для предотвращения повреждения микросхем при подаче на вход напряжения вне диапазона, является блокировка при пониженном напряжении (UVLO),проверка того, доступен ли он, также может помочь в принятии дизайнерских решений.
2. Диапазон выходного напряжения
Регуляторы переключения обычно имеют переменные выходы. Диапазон выходного напряжения представляет собой диапазон напряжений, на которые можно установить требуемое выходное напряжение. В микросхемах без опции переменного вывода это обычно одно значение. Важно убедиться, что требуемое выходное напряжение находится в пределах диапазона, указанного для ИС, и с хорошим запасом прочности как разность между максимальным диапазоном выходного напряжения и требуемым выходным напряжением. как общее правило, минимальное выходное напряжение не может быть установлен на уровне напряжения ниже внутреннего опорного напряжения. В зависимости от вашего приложения (понижающего или повышающего) минимальный выходной диапазон может быть либо больше, чем входное напряжение (повышение), либо намного меньше, чем входное напряжение (понижающее напряжение).
3. Выходной ток
Этот термин относится к текущему рейтингу, для которого была разработана ИС. По сути, это показатель того, какой ток IC может подавать на своем выходе. Для некоторых ИС в качестве меры безопасности указывается только максимальный выходной ток, который помогает разработчику гарантировать, что регулятор сможет обеспечить ток, необходимый для приложения. Для других микросхем указаны как минимальные, так и максимальные рейтинги. Это может быть очень полезно при планировании методов управления питанием для вашего приложения.
При выборе регулятора на основе выходного тока ИС важно обеспечить запас прочности между максимальным током, требуемым вашим приложением, и максимальным выходным током регулятора. Важно обеспечить, чтобы максимальный выходной ток регулятора был выше, чем требуемый выходной ток, по крайней мере, на 10-20%, поскольку ИС может выделять большое количество тепла при непрерывной работе на максимальных уровнях и может быть повреждена из-за тепла.. Также эффективность IC снижается при работе на максимуме.
4. Диапазон рабочих температур
Этот термин относится к температурному диапазону, в котором регулятор работает должным образом. Он определяется либо температурой окружающей среды (Ta), либо температурой перехода (Tj). Температура TJ относится к максимальной рабочей температуре транзистора, а температура окружающей среды относится к температуре окружающей среды вокруг устройства.
Если диапазон рабочих температур определяется исходя из температуры окружающей среды, это не обязательно означает, что регулятор можно использовать во всем диапазоне температур. Важно учитывать запас прочности, а также планируемый ток нагрузки и сопутствующее тепло, так как сочетание этого и температуры окружающей среды составляет температуру перехода, которую также нельзя превышать. Пребывание в рабочем диапазоне температур имеет решающее значение для правильной непрерывной работы регулятора, поскольку чрезмерный нагрев может привести к ненормальной работе и катастрофическому отказу регулятора.Таким образом, важно обратить внимание на тепло окружающей среды, в которой будет использоваться устройство, а также определить возможное количество тепла, которое будет выделяться устройством в результате тока нагрузки, прежде чем определять, соответствует ли указанный диапазон рабочих температур регулятора работает на вас. Важно отметить, что некоторые регуляторы также могут выйти из строя в очень холодных условиях, и стоит обратить внимание на минимальные значения температуры, если приложение будет развернуто в холодной среде.
5. Частота переключения
Частота переключения относится к скорости, с которой управляющий транзистор включается и выключается в импульсном стабилизаторе. В регуляторах на основе широтно-импульсной модуляции частота обычно фиксирована, в то время как в режиме частотно-импульсной модуляции.
Частота переключения влияет на параметры регулятора, такие как пульсации, выходной ток, максимальный КПД и скорость отклика. При проектировании частоты переключения всегда используются совпадающие значения индуктивности, поэтому характеристики двух одинаковых регуляторов с разной частотой переключения будут разными. Если рассматривать два одинаковых регулятора на разных частотах, будет обнаружено, что максимальный ток, например, будет низким для регулятора, работающего на более низкой частоте, по сравнению с регулятором на высокой частоте. Кроме того, такие параметры, как пульсация, будут высокими, а скорость отклика регулятора будет низкой на низкой частоте, тогда как пульсация будет низкой, а скорость отклика - высокой на высокой частоте.
6. Шум
Действие переключения, связанное с импульсными регуляторами, генерирует шум и связанные с ним гармоники, которые могут повлиять на работу всей системы, особенно в системах с радиочастотными компонентами и аудиосигналами. Хотя шум можно уменьшить с помощью фильтра и т. Д., Он действительно может снизить отношение сигнал / шум (SNR) в схемах, чувствительных к шуму. Таким образом, важно быть уверенным, что уровень шума, создаваемый регулятором, не повлияет на общую производительность системы.
7. Эффективность
Сегодня эффективность - важный фактор, который необходимо учитывать при проектировании любого энергетического решения. По сути, это отношение выходного напряжения к входному. Теоретически эффективность импульсного регулятора составляет сто процентов, но на практике это обычно не так, поскольку сопротивление переключателя полевого транзистора, падение напряжения на диоде и ESR как катушки индуктивности, так и выходного конденсатора снижают общую эффективность регулятора. Хотя большинство современных регуляторов обеспечивают стабильность в широком рабочем диапазоне, эффективность варьируется в зависимости от использования и, например, значительно снижается по мере увеличения тока, потребляемого на выходе.
8. Регулировка нагрузки
Регулировка нагрузки - это мера способности регулятора напряжения поддерживать постоянное напряжение на выходе независимо от изменений требований к нагрузке.
9. Упаковка и размер.
Одна из обычных целей при разработке любого аппаратного решения в наши дни - максимально уменьшить размер.. По сути, это включает в себя уменьшение размера электронного компонента и неизменно уменьшение количества компонентов, составляющих каждую секцию устройства. Система питания небольшого размера не только помогает уменьшить общий размер проекта, но также помогает создать пространство, в котором могут быть ограничены дополнительные функции продукта. В зависимости от целей вашего проекта убедитесь, что форм-фактор / размер пакета, который вы используете впишется в ваш космический бюджет. Делая выбор на основе этого фактора, также важно учитывать размер периферийных компонентов, необходимых для работы регулятора. Например, использование высокочастотных ИС позволяет использовать выходные конденсаторы с низкой емкостью и катушки индуктивности, что приводит к уменьшению размера компонентов и наоборот.
Выявление всего этого и сравнение с вашими проектными требованиями быстро поможет вам определить, какой регулятор следует исключить, а какой следует включить в ваш проект.
Сообщите, какой фактор, по вашему мнению, я пропустил, и любые другие комментарии в разделе комментариев.
До следующего раза.