Virta on tärkeä osa elektroniikkaprojekteja / -laitteita. Lähteestä riippumatta on yleensä tarve suorittaa virranhallintatehtäviä, kuten jännitteen muunnos / skaalaus ja muunnos (AC-DC / DC-DC). Oikean ratkaisun valinta kullekin näistä tehtävistä voi olla avain tuotteen menestykseen (tai epäonnistumiseen). Yksi yleisimmistä virranhallintatehtävistä melkein kaikenlaisissa laitteissa on DC-DC-jännitteen säätö / skaalaus. Tähän sisältyy syöttöjännitteen arvon muuttaminen suuremmaksi tai pienemmäksi ulostulon arvoksi. Näiden tehtävien suorittamiseen käytettyjä komponentteja / moduuleja kutsutaan yleensä jännitteen säätimiksi. Niillä on yleensä kyky syöttää vakiolähtöjännite, joka on suurempi tai pienempi kuin tulojännite, ja niitä käytetään yleisesti virran syöttämiseen komponentteihin malleissa, joissa sinulla on eri jännitteiset osiot. Niitä käytetään myös perinteisissä virtalähteissä.
Jännitesäätimiä on kahta päätyyppiä;
- Lineaariset säätimet
- Säätimien kytkentä
Lineaariset jännitteen säätimet ovat yleensä alaspäin suuntautuvia säätimiä, ja ne käyttävät impedanssin ohjausta tulojännitteen lineaarisen pienenemisen aikaansaamiseksi lähdössä. Ne ovat yleensä erittäin halpoja, mutta tehottomia, koska paljon energiaa menetetään lämpöön asetuksen aikana. Kytkentäsäätimet toisaalta pystyvät joko lisäämään tai laskemaan tuloon syötettyä jännitettä arkkitehtuurista riippuen. Ne saavuttavat jännitteen säätämisen käyttämällä transistorin on / off-kytkentäprosessia, joka ohjaa säätimen lähdössä käytettävissä olevaa jännitettä. Lineaarisiin säätimiin verrattuna kytkentäsäätimet ovat yleensä kalliimpia ja paljon tehokkaampia.
Tämänpäiväisessä artikkelissa keskitymme säätimien vaihtamiseen, ja kun otsikko luovutti, etsimme tekijöitä, jotka on otettava huomioon valittaessa kytkentäsäädin projektille.
Projektin muiden osien (ydintoiminnot, radiotaajuus jne.) Monimutkaisuuden vuoksi virtalähteen säätimien valinta on yleensä yksi suunnitteluprosessin loppuun asti jääneistä toimista. Tämän päivän artikkeli yrittää antaa aikarajoitetulle suunnittelijalle vinkkejä siitä, mitä on syytä etsiä kytkentäsäätimen teknisistä tiedoista sen selvittämiseksi, soveltuuko se käyttötarkoitukseesi. Yksityiskohtaisia tietoja siitä, miten eri valmistajat esittävät tietoja eri parametreista, kuten lämpötilasta, kuormasta jne.
Kytkentäsäätimien tyypit
Kytkentäsäätimiä on periaatteessa kolme tyyppiä, ja huomioon otettavat tekijät riippuvat siitä, mitä tyyppejä käytetään sovelluksessasi. Kolme tyyppiä ovat;
- Buck Regulators
- Tehostinsäätimet
- Buck Boost -säätimet
1. Buck Regulators
Buck-säätimet, joita kutsutaan myös alaspäin suuntautuviksi säätimiksi tai buck-muuntimiksi, ovat epäilemättä suosituimpia kytkinsäätimiä. Heillä on kyky pienentää sisääntulossa käytettyä jännitettä pienempään lähtöjännitteeseen. Siten heidän nimellistulojännite on yleensä suurempi kuin nimellislähtöjännite. Buck-muuntimen peruskaaviot on esitetty alla.
Säätimen lähtö johtuu transistorin kytkemisestä päälle ja pois päältä ja jännitteen arvo on yleensä transistorin toimintajakson funktio (kuinka kauan transistori oli päällä jokaisessa täydellisessä jaksossa). Lähtöjännitteen antaa alla oleva yhtälö, josta voimme päätellä, että työjakso ei voi koskaan olla yhtä suuri ja siten lähtöjännite on aina pienempi kuin tulojännite. Buck-säätimiä käytetään siksi, kun syöttöjännitettä on vähennettävä suunnittelun yhden vaiheen ja toisen välillä. Voit oppia lisää buck-säätimen suunnittelun perusteista ja tehokkuudesta täältä, oppia lisää Buck-muunninpiirin rakentamisesta.
2. Tehostinsäätimet
Boost-säätimet tai boost-muuntimet toimivat suoraan päinvastoin kuin buck-säätimet. Ne tuottavat lähtöjännitteen suurempaa jännitettä kuin tulojännite. Kuten buck-säätimet, ne käyttävät kytkentätransistorin toimintaa jännitteen lisäämiseksi lähdössä ja koostuvat yleensä samoista komponenteista, joita käytetään buck-säätimissä, ainoana erona on komponenttien järjestely. Yksinkertainen Kaavio boost säädin on esitetty alla.
Voit oppia lisää Boost-säätimen suunnittelun perusteista ja tehokkuudesta täältä, voit rakentaa yhden Boost-muuntimen seuraamalla tätä Boost Converter -piiriä.
3. Buck-Boost-säätimet
Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä ovat buck boost-säätimet. Niiden nimestä on helppo päätellä, että ne tarjoavat sekä jännitteen että tehon vaikutuksen tulojännitteeseen. Buck-Boost-muuntimen tuottaa käänteinen (negatiivinen) lähtöjännite, joka voi olla suurempi tai pienempi kuin tulojännite perustuu käyttömäärä. Perus buck-boost -kytkintilan virransyöttöpiiri on annettu alla.
Buck-boost-muunnin on muunnos boost-muunninpiiristä, jossa kääntyvä muunnin toimittaa vain induktorin L1 varastoiman energian kuormaan.
Minkä tahansa näiden kolmen kytkentäsäätimen tyypin valinta riippuu yksinomaan suunnitellun järjestelmän vaatimuksista. Käytettävän säätimen tyypistä riippumatta on tärkeää varmistaa, että säätimien tekniset tiedot täyttävät suunnittelun vaatimukset.
Tekijät, jotka on otettava huomioon, kun valitset kytkentäsäätimen
Kytkentäsäätimen rakenne riippuu suurelta osin sille käytetystä teho-IC: stä, joten suurin osa huomioon otettavista tekijöistä on käytetyn teho-IC: n määritykset. On tärkeää ymmärtää Power IC: n tekniset tiedot ja niiden merkitys, jotta voit valita oikean sovelluksellesi.
Hakemuksesta riippumatta seuraavien tekijöiden tarkistaminen auttaa vähentämään valintaan käytettyä aikaa.
1. Tulojännitealue
Tämä viittaa IC: n tukemaan hyväksyttävään tulojännitealueeseen. Se on yleensä määritelty tietolomakkeessa ja suunnittelijana, joten on tärkeää varmistaa, että sovelluksesi tulojännite on IC: lle määritetyn tulojännitealueen sisällä. Vaikka tietyt tietolomakkeet saattavat määrittää vain enimmäistulojännitteen, on parempi tarkistaa tietolomake varmistaaksesi, ettei vähimmäissyöttöaluetta ole mainittu ennen oletusten tekemistä. Kun käytetään suurinta syöttöjännitettä suurempia jännitteitä, mikropiirit yleensä paistuvat, mutta yleensä ne lakkaavat toimimasta tai toimivat epänormaalisti, kun käytetään pienintä tulojännitettä pienempiä jännitteitä, kaikki riippuen käytössä olevista suojatoimenpiteistä. Yksi suojatoimenpiteistä, joita tavallisesti käytetään IC: n vahingoittumisen estämiseksi, kun tuloon syötetään alueen ulkopuolella olevia jännitteitä, on alijännitteen lukitus (UVLO)tarkistaminen, onko tämä käytettävissä, voi myös auttaa suunnittelupäätöksiä.
2. Lähtöjännitealue
Kytkentäsäätimillä on yleensä vaihteleva lähtö. Lähtöjännitealue edustaa jännitealuetta, jolle tarvittava lähtöjännite voidaan asettaa. IC: ssä, joissa ei ole vaihtelevaa lähtövaihtoehtoa, tämä on yleensä yksi arvo. On tärkeää varmistaa, että tarvittava lähtöjännite on IC: lle määritetyllä alueella ja että hyvällä varmuuskertoimella erotetaan suurin lähtöjännitealue ja tarvitsemasi lähtöjännite. pääsääntöisesti minimilähtöjännitettä ei voida asettaa sisäistä referenssijännitettä pienemmälle jännitetasolle. Sovelluksesta (buck tai boost) riippuen minimilähtöalue voi olla joko suurempi kuin tulojännite (boost) tai pienempi kuin tulojännite (buck).
3. Lähtövirta
Tämä termi viittaa nykyiseen luokitukseen, jolle IC on suunniteltu. Se on pohjimmiltaan osoitus siitä, kuinka paljon virtaa IC voi tuottaa lähdöstään. Joillekin piirikortille vain suurin lähtövirta määritetään turvallisuuden mittana ja auttaa suunnittelijaa varmistamaan, että säädin pystyy toimittamaan sovellukseen tarvittavan virran. Muille mikropiireille annetaan sekä vähimmäis- että enimmäisluokitukset. Tästä voi olla hyötyä suunnitellessasi virranhallintatekniikoita sovelluksellesi.
Kun valitset säätimen IC: n lähtövirran perusteella, on tärkeää varmistaa, että sovelluksessasi vaaditun maksimivirran ja säätimen maksimilähtövirran välillä on turvamarginaali. On tärkeää varmistaa, että säätimen maksimilähtövirta on vaadittua lähtövirtaa suurempi vähintään 10-20%, koska IC voi tuottaa suuren määrän lämpöä, kun se toimii jatkuvasti maksimitasoilla ja lämpö voi vahingoittaa sitä. Myös IC: n hyötysuhde pienenee, kun sitä käytetään maksimissa.
4. Käyttölämpötila-alue
Tämä termi viittaa lämpötila-alueeseen, jolla säädin toimii oikein. Se määritetään joko ympäristön lämpötilan (Ta) tai liitoksen lämpötilan (Tj) perusteella. TJ-lämpötila viittaa transistorin korkeimpaan käyttölämpötilaan, kun taas ympäristön lämpötila viittaa laitteen ympärillä olevan ympäristön lämpötilaan.
Jos käyttölämpötila-alue määritetään ympäristön lämpötilan perusteella, se ei välttämättä tarkoita, että säätintä voidaan käyttää koko lämpötila-alueella. On tärkeää ottaa huomioon turvallisuustekijä ja myös suunniteltu kuormitusvirta ja siihen liittyvä lämpö, koska tämän ja ympäristön lämpötilan yhdistelmä muodostaa risteyslämpötilan, jota ei myöskään pidä ylittää. Käyttölämpötila-alueella pysyminen on kriittistä säätimen asianmukaiselle, jatkuvalle toiminnalle, koska liiallinen lämpö voi johtaa epänormaaliin toimintaan ja säätimen katastrofaaliseen vikaantumiseen.Siksi on tärkeää kiinnittää huomiota ympäröivään ympäristön lämpöön, jota laitetta käytetään, ja määritellä myös laitteen mahdollinen lämmön määrä kuormitusvirran seurauksena, ennen kuin määritetään, onko määritetty käyttölämpötila-alue säätimestä toimii sinulle. On tärkeää huomata, että tietyt säätimet voivat myös epäonnistua erittäin kylmissä olosuhteissa, ja on syytä kiinnittää huomiota lämpötilan vähimmäisarvoihin, jos sovellus otetaan käyttöön kylmässä ympäristössä.
5. Vaihtotaajuus
Kytkentätaajuus viittaa nopeuteen, jolla ohjaustransistori kytketään päälle ja pois päältä kytkentäsäätimessä. Pulssileveysmodulaatioon perustuvissa säätimissä taajuus on yleensä kiinteä, kun taas pulssitaajuusmodulaatiossa.
Kytkentätaajuus vaikuttaa säätimen parametreihin, kuten aaltoilu, lähtövirta, suurin hyötysuhde ja vastenopeus. Kytkentätaajuuden suunnitteluun liittyy aina vastaavien induktanssiarvojen käyttö siten, että kahden samanlaisen säätimen, joilla on erilainen kytkentätaajuus, suorituskyky on erilainen. Jos otetaan huomioon kaksi samanlaista säätölaitetta eri taajuuksilla, havaitaan, että esimerkiksi maksimivirta on matala taajuudella toimivalle säätimelle verrattuna korkealla taajuudella toimivaan säätimeen. Myös parametrit, kuten aaltoilu, ovat suuria ja säätimen vastenopeus on pieni matalalla taajuudella, kun taas aaltoilu on matala ja vastenopeus, korkea suurella taajuudella.
6. Melu
Kytkentäsäätimiin liittyvä kytkentätoiminto tuottaa melua ja siihen liittyviä harmonisia yliaaltoja, jotka voivat vaikuttaa koko järjestelmän suorituskykyyn, erityisesti järjestelmissä, joissa on RF-komponentteja ja audiosignaaleja. Vaikka kohinaa voidaan vähentää suodattimen tms. Avulla, se voi todella vähentää signaalikohinasuhdetta (SNR) piireissä, jotka ovat herkkiä melulle. Siksi on tärkeää olla varma, että säätimen tuottama melun määrä ei vaikuta järjestelmän yleiseen suorituskykyyn.
7. Tehokkuus
Tehokkuus on tärkeä tekijä, joka on otettava huomioon suunniteltaessa mitä tahansa nykyistä sähköratkaisua. Se on lähinnä lähtöjännitteen ja tulojännitteen suhde. Teoriassa kytkentäsäätimen hyötysuhde on sataprosenttinen, mutta tämä ei yleensä ole totta käytännössä, koska sekä induktorin että lähtökondensaattorin FET-kytkimen, diodijännitteen pudotuksen ja ESR: n vastus vähentää säätimen kokonaistehokkuutta. Vaikka suurin osa nykyaikaisista säätimistä tarjoaa vakautta laajalla toiminta-alueella, hyötysuhde vaihtelee käytön mukaan ja esimerkiksi pienenee huomattavasti lähdöstä otetun virran kasvaessa.
8. Kuormituksen säätö
Kuormituksen säätö mittaa jännitesäätimen kykyä ylläpitää vakiojännite ulostulossa riippumatta kuormitustarpeen muutoksista.
9. Pakkaus ja koko
Yksi tavanomaisista tavoitteista minkä tahansa laitteistoratkaisun suunnittelussa on nykyään pienentää kokoa mahdollisimman paljon. Tähän sisältyy olennaisesti elektroniikkakomponentin koon pienentäminen ja poikkeuksetta laitteen kutakin osaa muodostavien komponenttien määrän vähentäminen. Pienikokoinen sähköjärjestelmä auttaa paitsi pienentämään projektin kokoa, myös luomaan tilaa, johon ylimääräiset tuoteominaisuudet voivat olla ahtaita. Varmista, että valitsemasi muoto / pakkauskoko riippuu projektisi tavoitteista mahtuu avaruusbudjettiisi. Tehtäessä valintoja tämän tekijän perusteella on myös tärkeää ottaa huomioon oheislaitteiden koko, jonka säädin tarvitsee toimiakseen. Esimerkiksi suurtaajuuspiirien käyttö sallii alhaisen kapasitanssin omaavien lähtökondensaattorien ja induktorien käytön, mikä johtaa pienempään komponenttikokoon ja päinvastoin.
Kaiken tämän tunnistaminen ja vertailu suunnitteluvaatimuksiisi auttavat nopeasti määrittämään, minkä säätimen tulisi ylittää ja minkä tulisi näkyä suunnittelussa.
Älä jaa mitä tekijää luulet kaipaavani ja muut kommentit kommenttiosion kautta.
Seuraavaan kertaan.