Güç, herhangi bir elektronik projesinin / cihazının önemli bir parçasıdır. Kaynağa bakılmaksızın, genellikle diğerleri arasında voltaj dönüştürme / ölçeklendirme ve dönüştürme (AC-DC / DC-DC) gibi güç yönetimi görevlerini gerçekleştirme ihtiyacı vardır. Bu görevlerin her biri için doğru çözümü seçmek, ürünün başarısı (veya başarısızlığı) için anahtar olabilir. Hemen hemen tüm cihaz türlerinde en yaygın güç yönetimi görevlerinden biri DC-DC voltaj regülasyonu / ölçeklendirmesidir.. Bu, girişteki DC voltaj değerinin çıkışta daha yüksek veya daha düşük bir değere değiştirilmesini içerir. Bu görevleri başarmak için kullanılan bileşenler / modüller genellikle voltaj regülatörleri olarak adlandırılır. Genellikle giriş voltajından daha yüksek veya daha düşük sabit bir çıkış voltajı sağlama kabiliyetine sahiptirler ve farklı voltajlarda bölümlere sahip olduğunuz tasarımlarda bileşenlere güç sağlamak için yaygın olarak kullanılırlar. Ayrıca geleneksel güç kaynaklarında da kullanılırlar.
İki ana tip voltaj regülatörü vardır;
- Doğrusal Düzenleyiciler
- Anahtarlama Düzenleyicileri
Doğrusal voltaj regülatörleri genellikle düşürücü düzenleyicilerdir ve çıkışta giriş voltajının doğrusal bir düşüşünü oluşturmak için empedans kontrolü kullanırlar. Genellikle çok ucuzdurlar, ancak düzenleme sırasında ısınmak için çok fazla enerji kaybedildiğinden verimsizdirler. Diğer yandan anahtarlama regülatörleri, mimariye bağlı olarak girişte uygulanan voltajı artırabilir veya azaltabilir. Regülatör çıkışında bulunan voltajı kontrol eden bir transistörün açma / kapama anahtarlama işlemini kullanarak voltaj regülasyonu gerçekleştirirler. Doğrusal regülatörlerle karşılaştırıldığında, Anahtarlama regülatörleri genellikle daha pahalıdır ve çok daha verimlidir.
Bugünün makalesi için, düzenleyicileri değiştirmeye odaklanacağız ve başlığın verdiği gibi, bir proje için bir anahtarlama düzenleyicisi seçerken göz önünde bulundurulması gereken faktörlere bakacağız.
Projenin diğer bölümlerinin karmaşıklığından dolayı (temel işlevler, RF vb.), Güç kaynağı için düzenleyici seçimi genellikle tasarım sürecinin sonuna kadar kalan eylemlerden biridir. Bugünün makalesi, belirli kullanım durumunuza uyup uymadığını belirlemek için bir anahtarlama regülatörünün özelliklerinde neleri arayacağına dair ipuçları ile zaman kısıtlamalı tasarımcı sağlamaya çalışacaktır. Ayrıca, farklı üreticilerin sıcaklık, yük vb. Parametreler hakkında bilgi sunduğu farklı yolların yorumlanmasına ilişkin ayrıntılar da sağlanacaktır.
Anahtarlamalı Regülatör Türleri
Esasen üç tür anahtarlama düzenleyici vardır ve dikkate alınacak faktörler, uygulamanız için hangi türlerin kullanılacağına bağlıdır. Üç tür;
- Buck Düzenleyiciler
- Düzenleyicileri artırın
- Buck Boost Düzenleyiciler
1. Buck Düzenleyiciler
Buck regülatörleri, aynı zamanda düşürücü düzenleyiciler veya buck dönüştürücüler olarak da adlandırılırlar, muhtemelen en popüler anahtarlama düzenleyicileridir. Girişte uygulanan voltajı çıkışta daha düşük bir voltaja düşürme yeteneğine sahiptirler. Bu nedenle, nominal giriş voltajları genellikle nominal çıkış voltajlarından daha yüksektir. Bir kova dönüştürücü için temel bir şema aşağıda gösterilmiştir.
Regülatörün çıkışı, transistörün açılıp kapanmasından kaynaklanır ve voltaj değeri genellikle transistör görev döngüsünün bir fonksiyonudur (transistörün her tam döngüde ne kadar süre açık kaldığı). Çıkış voltajı, görev döngüsünün asla bire eşit olamayacağı ve bu nedenle çıkış voltajının her zaman giriş voltajından daha düşük olacağı sonucuna varabileceğimiz aşağıdaki denklemle verilir. Buck regülatörleri bu nedenle, bir tasarımın bir aşaması ile diğeri arasında besleme voltajında bir azalma gerektiğinde kullanılır. Burada Buck regülatörünün tasarım temelleri ve verimliliği hakkında daha fazla bilgi edinebilir, ayrıca Buck dönüştürücü devresinin nasıl oluşturulacağını öğrenebilirsiniz.
2. Düzenleyicileri Artırın
Takviye düzenleyiciler veya yükseltici dönüştürücüler, kova düzenleyicilerinin tam tersi bir şekilde çalışır. Çıkışlarında , giriş voltajından daha yüksek bir voltaj verirler. Kova düzenleyicileri gibi, çıkıştaki voltajı artırmak için anahtarlama transistör eylemini kullanırlar ve genellikle tek fark bileşenlerin düzenlenmesi olan buck düzenleyicilerde kullanılan aynı bileşenlerden oluşur. Bir püskürtme regülatörünün basit şematik aşağıda gösterilmiştir.
Burada Boost regülatörünün Tasarım temelleri ve verimliliği hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz, bu Boost Dönüştürücü Devresini izleyerek bir Yükseltici dönüştürücü oluşturabilirsiniz.
3. Buck-Boost düzenleyicileri
Son olarak, en az değil, buck boost düzenleyicileridir. Adlarından , giriş voltajına hem güçlendirme hem de buck etkisi sağladıkları anlaşılabilir. Buck-Boost dönüştürücü görev çevrimi göre giriş voltajından daha yüksek veya daha az olabilir, bir ters (negatif) çıkış voltajı üretir. Temel buck-boost anahtar modu güç kaynağı devresi aşağıda verilmiştir.
Buck-boost dönüştürücü, ters çevirici dönüştürücünün yalnızca indüktör L1 tarafından depolanan enerjiyi yüke ilettiği, yükseltici dönüştürücü devresinin bir varyasyonudur.
Bu üç anahtarlama regülatörü türünden herhangi birinin seçimi, yalnızca tasarlanmakta olan sistemin neye ihtiyacı olduğuna bağlıdır. Kullanılacak regülatör tipine bakılmaksızın, regülatörlerin şartnamelerinin tasarımın gerekliliklerini karşıladığından emin olmak önemlidir.
Bir Anahtarlama Regülatörü Seçerken Dikkat Edilecek Faktörler
Bir anahtarlama regülatörünün tasarımı, büyük ölçüde kendisi için kullanılan güç IC'sine bağlıdır, bu nedenle dikkate alınması gereken faktörlerin çoğu, kullanılan güç IC'nin spesifikasyonları olacaktır. Uygulamanız için doğru olanı seçmenizi sağlamak için Power IC'nin özelliklerini ve neyi ifade ettiklerini anlamak önemlidir.
Uygulamanızdan bağımsız olarak, aşağıdaki faktörleri kontrol etmek, seçim için harcanan zamanı azaltmanıza yardımcı olacaktır.
1. Giriş Voltaj Aralığı
Bu , IC tarafından desteklenen tolere edilebilir giriş voltajları aralığını ifade eder.. Genellikle veri sayfasında belirtilir ve bir tasarımcı olarak, uygulamanız için giriş voltajının IC için belirtilen Giriş Voltajı aralığında olmasını sağlamak önemlidir. Bazı veri sayfaları yalnızca maksimum giriş voltajını belirtebilirken, herhangi bir varsayımda bulunmadan önce minimum giriş aralığından söz edilmediğinden emin olmak için veri sayfasını kontrol etmek daha iyidir. Maksimum giriş voltajından daha yüksek voltajlar uygulandığında, IC'ler genellikle yanar, ancak tümü mevcut koruyucu önlemlere bağlı olarak, minimum giriş voltajından daha düşük voltajlar uygulandığında genellikle çalışmayı durdurur veya anormal şekilde çalışır. Girişte aralık dışı voltajlar sağlandığında IC'lerin hasar görmesini önlemek için genellikle uygulanan koruyucu önlemlerden biri, Düşük Voltaj Kilitleme'dir (UVLO),bunun mevcut olup olmadığını kontrol etmek tasarım kararlarınıza da yardımcı olabilir.
2. Çıkış Voltaj Aralığı
Anahtarlama regülatörleri genellikle değişken çıkışlara sahiptir. Çıkış voltajı aralığı , gerekli çıkış voltajınızın ayarlanabileceği voltaj aralığını temsil eder. Değişken çıktı seçeneği olmayan IC'lerde bu genellikle tek bir değerdir. Gerekli çıkış voltajınızın IC için belirtilen aralıkta olmasını ve maksimum çıkış voltajı aralığı ile ihtiyacınız olan çıkış voltajı arasındaki fark olarak iyi bir güvenlik faktörüne sahip olmasını sağlamak önemlidir. genel bir kural olarak, minimum çıkış voltajı, dahili referans voltajından daha düşük bir voltaj seviyesine ayarlanamaz. Uygulamanıza bağlı olarak (artış veya güçlendirme), minimum çıkış aralığı, giriş voltajından daha büyük (güçlendirme) veya giriş voltajından (buck) çok daha düşük olabilir.
3. Çıkış Akımı
Bu terim, IC'nin tasarlandığı mevcut derecelendirmeyi ifade eder. Esasen , IC'nin çıkışında ne kadar akım sağlayabileceğinin bir göstergesidir. Bazı IC'ler için, yalnızca maksimum çıkış akımı bir güvenlik ölçüsü olarak belirtilir ve tasarımcıya regülatörün uygulama için gerekli akımı sağlayabilmesini sağlamasına yardımcı olmak için. Diğer IC'ler için hem minimum hem de maksimum derecelendirmeler sağlanır. Bu, uygulamanız için güç yönetimi tekniklerini planlamada çok yararlı olabilir.
IC'nin çıkış akımına dayalı bir regülatör seçerken, uygulamanızın gerektirdiği maksimum akım ile regülatörün maksimum çıkış akımı arasında bir güvenlik marjı olmasını sağlamak önemlidir. Regülatörün maksimum çıkış akımının gerekli çıkış akımınızdan en az% 10 ila% 20 daha yüksek olmasını sağlamak önemlidir, çünkü IC sürekli olarak maksimum seviyelerde çalışırken yüksek miktarda ısı üretebilir ve ısıdan zarar görebilir.. Ayrıca, maksimumda çalışırken IC'nin verimliliği düşer.
4. Çalışma Sıcaklık Aralığı
Bu terim, regülatörün düzgün çalıştığı sıcaklık aralığını ifade eder. Ortam sıcaklığı (Ta) veya bağlantı sıcaklığı (Tj) cinsinden tanımlanır . TJ sıcaklığı, transistörün en yüksek çalışma sıcaklığını ifade ederken, ortam sıcaklığı, cihazın çevresindeki ortamın sıcaklığını ifade eder.
Çalışma sıcaklığı aralığı ortam sıcaklığı cinsinden tanımlanmışsa, bu, regülatörün tüm sıcaklık aralığında kullanılabileceği anlamına gelmez. Güvenlik faktörünü hesaba katmak ve ayrıca planlanan yük akımını ve beraberindeki ısıyı da hesaba katmak önemlidir, çünkü bunun ve ortam sıcaklığının birleşimi, aşılmaması gereken bağlantı sıcaklığını oluşturan şeydir. Çalışma sıcaklığı aralığında kalmak, regülatörün düzgün ve sürekli çalışması için kritik öneme sahiptir, çünkü aşırı ısı, anormal çalışmaya ve regülatörün feci arızasına yol açabilir.Bu nedenle, cihazın kullanılacağı ortamdaki ortam ısısına dikkat etmek ve ayrıca belirtilen çalışma sıcaklığı aralığını belirlemeden önce yük akımı sonucunda cihaz tarafından üretilecek olası ısı miktarını belirlemek önemlidir. regülatör sizin için çalışıyor. Bazı düzenleyicilerin aşırı soğuk koşullarda da başarısız olabileceğini ve uygulamanın soğuk ortamda uygulanacak olması durumunda minimum sıcaklık değerlerine dikkat etmeye değer olduğunu unutmamak önemlidir.
5. Anahtarlama Frekansı
Anahtarlama frekansı, bir anahtarlama regülatöründe kontrol transistörünün açılıp kapanma oranını ifade eder. Darbe genişliği modülasyonu tabanlı regülatörlerde, frekans genellikle Darbe Frekans Modülasyonunda sabitlenir.
Anahtarlama frekansı, regülatörün dalgalanma, çıkış akımı, maksimum verimlilik ve yanıt hızı gibi parametrelerini etkiler. Anahtarlama frekansı için tasarım, her zaman eşleşen endüktans değerlerinin kullanılmasını içerir, öyle ki, farklı anahtarlama frekansına sahip iki benzer regülatörün performansı farklı olacaktır. Farklı frekanslarda iki benzer regülatör düşünüldüğünde, örneğin maksimum akımın, yüksek frekanstaki regülatörinkine kıyasla daha düşük bir frekansta çalışan regülatör için düşük olacağı keşfedilecektir. Ayrıca dalgalanma gibi parametreler yüksek olacak ve regülatörün tepki hızı düşük frekansta düşük olacak, dalgalanma düşük ve yüksek frekansta tepki hızı yüksek olacaktır.
6. Gürültü
Anahtarlama düzenleyicileriyle ilişkili anahtarlama eylemi, özellikle RF bileşenleri ve ses sinyalleri içeren sistemlerde, genel sistemin performansını etkileyebilecek gürültü ve ilgili harmonikleri üretir. Gürültü, bir filtre vb. Aracılığıyla azaltılabilirken, gürültüye duyarlı devrelerde sinyal-gürültü oranını (SNR) gerçekten düşürebilir. Bu nedenle, regülatör tarafından üretilen gürültü miktarının sistemin genel performansını etkilemeyeceğinden emin olmak önemlidir.
7. Verimlilik
Verimlilik, günümüzde herhangi bir güç çözümünün tasarımında dikkate alınması gereken önemli bir faktördür. Esasen çıkış voltajının giriş voltajına oranıdır. Teorik olarak, bir anahtarlama regülatörünün verimliliği yüzde yüzdür, ancak FET anahtarının direnci, diyot voltaj düşüşü ve hem indüktör hem de çıkış kapasitörünün ESR'si regülatörün genel verimliliğini azalttığı için bu genellikle pratikte doğru değildir. Modern regülatörlerin çoğu geniş çalışma aralığında stabilite sunarken, verimlilik kullanıma göre değişir ve örneğin çıkıştan çekilen akım arttıkça büyük ölçüde azalır.
8. Yük Düzenleme
Yük regülasyonu, bir voltaj regülatörünün, yük gereksinimindeki değişikliklerden bağımsız olarak çıkışta sabit bir voltajı muhafaza etme yeteneğinin bir ölçüsüdür.
9. Ambalaj ve Boyut
Günümüzde herhangi bir donanım çözümünün tasarımı sırasında olağan hedeflerden biri , boyutu olabildiğince küçültmektir.. Bu, esas olarak, elektronik bileşenin boyutunun küçültülmesini ve cihazın her bir bölümünü oluşturan bileşenlerin sayısının her zaman azaltılmasını içerir. Küçük boyutlu bir güç sistemi, yalnızca projenin genel boyutunu küçültmeye yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda ekstra ürün özelliklerinin sıkışabileceği bir alan yaratmaya da yardımcı olur. Projenizin hedeflerine bağlı olarak, kullandığınız form faktörü / paket boyutunu sağlayın alan bütçenize uyacak. Bu faktöre dayalı seçimler yapılırken, regülatörün çalışması için ihtiyaç duyduğu çevresel bileşenlerin boyutunu da hesaba katmak önemlidir. Örneğin, Yüksek frekanslı IC'lerin kullanımı, düşük kapasitanslı ve indüktörlü çıkış kapasitörlerinin kullanımına izin verir, bu da daha küçük bir bileşen boyutu ile sonuçlanır ve bunun tersi de geçerlidir.
Tüm bunları belirlemek ve tasarım gereksinimlerinizle karşılaştırmak, hangi düzenleyiciden geçilmesi gerektiğini ve tasarımınızda hangisinin yer alması gerektiğini hızlı bir şekilde belirlemenize yardımcı olacaktır.
Hangi faktörü kaçırdığımı düşündüğünüzü ve diğer yorumları yorum bölümü aracılığıyla paylaşın.
Bir dahaki sefere kadar.