Het selecteren van de juiste schakelregelaar voor uw toepassing

Stroom is een belangrijk onderdeel van elk elektronicaproject / apparaat. Ongeacht de bron is het meestal nodig om energiebeheertaken uit te voeren, zoals spanningstransformatie / schaling en conversie (AC-DC / DC-DC). Het kiezen van de juiste oplossing voor elk van deze taken kan de sleutel zijn tot het succes (of falen) van het product. Een van de meest voorkomende energiebeheertaken in bijna alle soorten apparaten is DC-DC spanningsregeling / schaling. Dit houdt in dat de waarde van de DC-spanning aan de ingang naar een hogere of lagere waarde aan de uitgang wordt veranderd. De componenten / modules die worden gebruikt om deze taken uit te voeren, worden meestal spanningsregelaars genoemd. Ze hebben over het algemeen de mogelijkheid om een ​​constante uitgangsspanning te leveren die hoger of lager is dan de ingangsspanning, en ze worden vaak gebruikt om stroom te leveren aan componenten in ontwerpen waar u secties met verschillende spanningen hebt. Ze worden ook gebruikt in traditionele voedingen.

Er zijn twee hoofdtypen spanningsregelaars;

1. Lineaire regelaars
2. Schakelen tussen regelgevers

Lineaire spanningsregelaars zijn meestal step-downregelaars en ze gebruiken impedantiecontrole om een ​​lineaire reductie van de ingangsspanning aan de uitgang te creëren. Ze zijn meestal erg goedkoop, maar inefficiënt omdat er tijdens de regeling veel energie verloren gaat aan warmte. Schakelende regelaars zijn daarentegen in staat om de spanning die aan de ingang wordt aangelegd, te verhogen of te verlagen, afhankelijk van de architectuur. Ze bereiken spanningsregeling met behulp van een aan / uit-schakelproces van een transistor die de beschikbare spanning op de uitgang van de regelaar regelt. In vergelijking met lineaire regelaars zijn schakelende regelaars meestal duurder en veel efficiënter.

Voor het artikel van vandaag zullen we ons concentreren op het wisselen van regelaar en zoals de titel al verraadde, zullen we kijken naar factoren waarmee we rekening moeten houden bij het selecteren van een switch-regelaar voor een project.

Vanwege de complexiteit van andere onderdelen van het project (de kernfunctionaliteiten, RF enz.), Is de keuze van regelaars voor de stroomvoorziening meestal een van de acties die tot het einde van het ontwerpproces overblijven. Het artikel van vandaag zal proberen de ontwerper met beperkte tijd tips te geven over waar hij op moet letten in de specificaties van een schakelende regelaar, om te bepalen of deze past bij uw specifieke gebruikssituatie. Er zullen ook details worden gegeven over de interpretatie van de verschillende manieren waarop verschillende fabrikanten informatie presenteren over parameters zoals temperatuur, belasting enz.

Soorten schakelregelaars

Er zijn in wezen drie soorten schakelregelaars en de factoren waarmee u rekening moet houden, zijn afhankelijk van het type dat voor uw toepassing moet worden gebruikt. De drie soorten zijn;

1. Buck-regelgevers
2. Boostregelaars
3. Buck Boost-regelaars

1. Buck-regulatoren

Buck-regulatoren, ook wel step-down regulators of buck-converters genoemd, zijn misschien wel de meest populaire switchregelaars. Ze hebben de mogelijkheid om de spanning die aan de ingang wordt aangelegd, te verlagen naar een lagere spanning aan de uitgang. Hun nominale ingangsspanning is dus meestal hoger dan hun nominale uitgangsspanning. Een basisschema voor een buck-converter wordt hieronder weergegeven.

De output van de regelaar is het gevolg van het in- en uitschakelen van de transistor en de spanningswaarde is meestal een functie van de transistor duty-cycle (hoe lang de transistor aan stond in elke volledige cyclus). De uitgangsspanning wordt gegeven door de onderstaande vergelijking, waaruit we kunnen afleiden dat de duty-cycle nooit gelijk kan zijn aan één en dat de uitgangsspanning dus altijd lager zal zijn dan de ingangsspanning. Buck-regelaars worden daarom gebruikt wanneer een vermindering van de voedingsspanning vereist is tussen de ene fase van een ontwerp en de andere. U kunt hier meer leren over de basisprincipes van het ontwerp en de efficiëntie van buck-regulator, en verder leren hoe u een Buck-convertercircuit kunt bouwen.

2. Boostregelgevers

Boostregelaars of boost-converters werken op een tegenovergestelde manier aan de buck-regulatoren. Ze leveren een hogere spanning dan de ingangsspanning aan hun uitgang. Net als de buck-regelaars gebruiken ze de schakeltransistoractie om de spanning aan de uitgang te verhogen en bestaan ​​ze meestal uit dezelfde componenten die worden gebruikt in buck-regelaars, met als enige verschil de opstelling van de componenten. Een eenvoudig schema voor de boostregelaar wordt hieronder weergegeven.

U kunt hier meer te weten komen over de basisprincipes van het ontwerp en de efficiëntie van de Boost-regulator, u kunt er een bouwen Boost-converter door dit Boost Converter-circuit te volgen.

3. Buck-Boost-regelaars

Last but not least zijn de buck boost-regulatoren. Uit hun naam is het gemakkelijk af te leiden dat ze zowel het boost- als het buck-effect aan de ingangsspanning geven. De buck-boost-omzetter produceert een omgekeerde (negatieve) uitgangsspanning die hoger of lager kan zijn dan de ingangsspanning op basis van de duty-cycle. Het basisvoedingscircuit van de buck-boost-schakelmodus wordt hieronder gegeven.

De buck-boost-omzetter is een variatie op het boost-omzettercircuit waarin de inverterende omzetter alleen de energie levert die is opgeslagen door de inductor, L1, aan de belasting.

De keuze van een van deze drie typen schakelende regelaars hangt uitsluitend af van wat nodig is voor het systeem dat wordt ontworpen. Ongeacht het type regelaar dat wordt gebruikt, is het belangrijk ervoor te zorgen dat de specificaties van de regelaars voldoen aan de vereisten van het ontwerp.

Factoren waarmee u rekening moet houden bij het selecteren van een schakelregelaar

Het ontwerp van een schakelende regelaar hangt in grote mate af van de stroom-IC die ervoor wordt gebruikt, dus de meeste factoren waarmee rekening moet worden gehouden, zijn de specificaties van de gebruikte stroom-IC. Het is belangrijk dat u de specificaties van Power IC begrijpt en begrijpt wat ze betekenen, zodat u de juiste kiest voor uw toepassing.

Als u de volgende factoren controleert, ongeacht uw toepassing, kunt u de tijd die aan de selectie wordt besteed, verminderen.

1. Bereik ingangsspanning

Dit verwijst naar een aanvaardbaar bereik van ingangsspanningen ondersteund door de IC. Het wordt meestal gespecificeerd in het gegevensblad en als ontwerper is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de ingangsspanning voor uw toepassing binnen het ingangsspanningsbereik valt dat voor de IC is gespecificeerd. Hoewel bepaalde gegevensbladen mogelijk alleen de maximale ingangsspanning specificeren, is het beter om het gegevensblad te controleren om er zeker van te zijn dat er geen melding wordt gemaakt van het minimale ingangsbereik voordat u aannames doet. Wanneer spanningen hoger dan de maximale ingangsspanning worden aangelegd, raken de IC's meestal leeg, maar deze stopt meestal met werken of werkt abnormaal wanneer spanningen lager dan de minimale ingangsspanning worden toegepast, dit alles afhankelijk van de getroffen beschermende maatregelen. Een van de beschermende maatregelen die gewoonlijk worden toegepast om schade aan IC's te voorkomen wanneer aan de ingang spanningen buiten het bereik worden geleverd, is de Under-Voltage Lock Out (UVLO),controleren of dit beschikbaar is, kan ook helpen bij uw ontwerpbeslissingen.

2. Uitgangsspanningsbereik

Schakelende regelaars hebben meestal variabele uitgangen. Het uitgangsspanningsbereik vertegenwoordigt het bereik van spanningen waarop uw vereiste uitgangsspanning kan worden ingesteld. In IC's zonder variabele uitvoeroptie is dit meestal een enkele waarde. Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat uw vereiste uitgangsspanning binnen het bereik valt dat is gespecificeerd voor de IC en met een goede veiligheidsfactor als verschil tussen het maximale uitgangsspanningsbereik en de uitgangsspanning die u nodig heeft. als algemene regel kan de minimale uitgangsspanning niet worden ingesteld op een spanningsniveau dat lager is dan de interne referentiespanning. Afhankelijk van uw toepassing (buck of boost), kan het minimale uitgangsbereik groter zijn dan de ingangsspanning (boost) of veel lager dan de ingangsspanning (buck).

3. Uitgangsstroom

Deze term verwijst naar de huidige classificatie waarvoor de IC is ontworpen. Het is in wezen een indicatie van hoeveel stroom de IC aan zijn uitgang kan leveren. Voor sommige IC's wordt alleen de maximale uitgangsstroom gespecificeerd als een veiligheidsmaatregel en om de ontwerper te helpen ervoor te zorgen dat de regelaar de stroom kan leveren die nodig is voor de toepassing. Voor andere IC's worden zowel de minimale als de maximale beoordelingen gegeven. Dit kan erg handig zijn bij het plannen van energiebeheertechnieken voor uw toepassing.

Bij het selecteren van een regelaar op basis van de uitgangsstroom van de IC, is het belangrijk ervoor te zorgen dat er een veiligheidsmarge bestaat tussen de maximale stroom vereist door uw toepassing en de maximale uitgangsstroom van de regelaar. Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de maximale uitgangsstroom van de regelaar minstens 10 tot 20% hoger is dan uw vereiste uitgangsstroom, aangezien de IC een grote hoeveelheid warmte kan genereren wanneer deze continu op maximale niveaus werkt en door de hitte kan worden beschadigd. Ook de efficiëntie van de IC neemt af bij maximale werking.

4. Bedrijfstemperatuurbereik

Deze term verwijst naar het temperatuurbereik waarbinnen de regelaar naar behoren functioneert. Het wordt gedefinieerd in termen van de omgevingstemperatuur (Ta) of de junctietemperatuur (Tj). De TJ-temperatuur verwijst naar de hoogste bedrijfstemperatuur van de transistor, terwijl de omgevingstemperatuur verwijst naar de temperatuur van de omgeving rond het apparaat.

Als het bedrijfstemperatuurbereik wordt gedefinieerd in termen van de omgevingstemperatuur, betekent dit niet noodzakelijk dat de regelaar kan worden gebruikt over het volledige temperatuurbereik. Het is belangrijk om rekening te houden met de veiligheidsfactor en ook met de geplande belastingsstroom en de bijbehorende warmte, aangezien de combinatie hiervan en de omgevingstemperatuur de junctietemperatuur vormt die ook niet mag worden overschreden. Binnen het bedrijfstemperatuurbereik blijven is van cruciaal belang voor de juiste, continue werking van de regelaar, aangezien overmatige hitte kan leiden tot een abnormale werking en een catastrofale storing van de regelaar.Het is dus belangrijk om aandacht te besteden aan de omgevingswarmte in de omgeving waarin het apparaat zal worden gebruikt en ook de mogelijke hoeveelheid warmte te bepalen die door het apparaat zal worden gegenereerd als gevolg van de belastingsstroom alvorens te bepalen of het gespecificeerde bedrijfstemperatuurbereik van de regulator werkt voor u. Het is belangrijk op te merken dat bepaalde regelaars ook kunnen falen in extreem koude omstandigheden en het is de moeite waard om aandacht te besteden aan de minimale temperatuurwaarden als de toepassing in een koude omgeving wordt gebruikt.

5. Schakelfrequentie

Schakelfrequentie verwijst naar de snelheid waarmee de besturingstransistor wordt in- en uitgeschakeld in een schakelregelaar. In op pulsbreedtemodulatie gebaseerde regelaars ligt de frequentie gewoonlijk vast in pulsfrequentiemodulatie.

De schakelfrequentie heeft invloed op de parameters van de regelaar, zoals de rimpel, de uitgangsstroom, het maximale rendement en de reactiesnelheid. Het ontwerp voor de schakelfrequentie omvat altijd het gebruik van bijpassende inductantiewaarden, zodat de prestatie van twee gelijkaardige regelaars met verschillende schakelfrequenties verschillend zal zijn. Als twee soortgelijke regelaars op verschillende frequenties worden overwogen, zal worden ontdekt dat de maximale stroom bijvoorbeeld laag zal zijn voor de regelaar die op een lagere frequentie werkt in vergelijking met die van de regelaar met een hoge frequentie. Ook zullen parameters zoals rimpel hoog zijn en zal de reactiesnelheid van de regelaar laag zijn bij lage frequentie, terwijl de rimpel laag zal zijn en de reactiesnelheid hoog bij hoge frequentie.

6. Lawaai

De schakelactie geassocieerd met schakelende regelaars genereert ruis en gerelateerde harmonischen die de prestaties van het algehele systeem kunnen beïnvloeden, vooral in systemen met RF-componenten en audiosignalen. Hoewel de ruis kan worden verminderd door middel van een filter enz., Kan het de signaal-ruisverhouding (SNR) aanzienlijk verminderen in circuits die gevoelig zijn voor ruis. Het is dus belangrijk om er zeker van te zijn dat de hoeveelheid ruis die door de regelaar wordt gegenereerd geen invloed heeft op de algehele prestaties van het systeem.

7. Efficiëntie

Efficiëntie is een belangrijke factor waarmee u rekening moet houden bij het ontwerp van elke stroomoplossing. Het is in wezen de verhouding tussen de uitgangsspanning en de ingangsspanning. Theoretisch is de efficiëntie van een schakelende regelaar honderd procent, maar dit is in de praktijk meestal niet waar, aangezien de weerstand van de FET-schakelaar, diodespanningsval en ESR van zowel de inductor als de uitgangscondensator de algehele efficiëntie van de regelaar vermindert. Hoewel de meeste moderne regelaars stabiliteit bieden over een breed werkingsbereik, varieert de efficiëntie met het gebruik en wordt deze bijvoorbeeld sterk verminderd naarmate de stroom die uit de output wordt gehaald toeneemt.

8. Belastingregeling

Belastingregeling is een maatstaf voor het vermogen van een spanningsregelaar om een ​​constante spanning aan de uitgang te behouden, ongeacht de veranderingen in de belastingvereiste.

9. Verpakking en grootte

Een van de gebruikelijke doelen bij het ontwerpen van een hardware-oplossing is tegenwoordig om de omvang zo veel mogelijk te verkleinen. Dit omvat in wezen het verkleinen van de elektronische component en steevast het verminderen van het aantal componenten waaruit elke sectie van het apparaat bestaat. Een voedingssysteem van kleine afmetingen helpt niet alleen om de totale omvang van het project te verkleinen, maar het helpt ook om ruimte te creëren waarin extra productkenmerken kunnen worden ingeperkt. Zorg, afhankelijk van de doelstellingen van uw project, voor de vormfactor / pakketgrootte die u kiest past in uw ruimtebudget. Bij het maken van selecties op basis van deze factor, is het ook belangrijk om rekening te houden met de grootte van de randcomponenten die de regelaar nodig heeft om te functioneren. Het gebruik van hoogfrequente IC's maakt bijvoorbeeld het gebruik mogelijk van uitgangscondensatoren met een lage capaciteit en inductoren, wat resulteert in een kleinere componentgrootte en vice versa.

Door dit allemaal te identificeren en te vergelijken met uw ontwerpvereisten, kunt u snel bepalen welke regulator moet worden overschreden en welke in uw ontwerp moet voorkomen.

Deel welke factor je denkt dat ik heb gemist en eventuele andere opmerkingen via het commentaargedeelte.

Tot de volgende keer.