Selezione del giusto regolatore di commutazione per la vostra applicazione

La potenza è una parte importante di qualsiasi progetto / dispositivo elettronico. Indipendentemente dalla sorgente, di solito è necessario eseguire attività di gestione dell'alimentazione come trasformazione / scalatura della tensione e conversione (AC-DC / DC-DC) tra le altre. La scelta della soluzione giusta per ciascuna di queste attività può essere la chiave per il successo (o il fallimento) del prodotto. Una delle attività di gestione dell'alimentazione più comuni in quasi tutti i tipi di dispositivi è la regolazione / scalatura della tensione CC-CC. Ciò comporta la modifica del valore della tensione CC all'ingresso su un valore superiore o inferiore all'uscita. I componenti / moduli utilizzati per svolgere questi compiti sono generalmente indicati come regolatori di tensione. Generalmente hanno la capacità di fornire una tensione di uscita costante che è superiore o inferiore alla tensione di ingresso e sono comunemente usati per fornire alimentazione a componenti in progetti in cui si hanno sezioni a tensioni diverse. Sono utilizzati anche negli alimentatori tradizionali.

Esistono due tipi principali di regolatori di tensione;

1. Regolatori lineari
2. Regolatori di commutazione

I regolatori di tensione lineari sono generalmente regolatori step-down e utilizzano il controllo dell'impedenza per creare una riduzione lineare della tensione di ingresso in uscita. Di solito sono molto economici ma inefficienti poiché molta energia viene persa per il calore durante la regolazione. I regolatori di commutazione d' altra parte sono in grado di aumentare o diminuire la tensione applicata all'ingresso a seconda dell'architettura. Raggiungono la regolazione della tensione utilizzando un processo di commutazione on / off di un transistor che controlla la tensione disponibile all'uscita del regolatore. Rispetto ai regolatori lineari, i regolatori a commutazione sono generalmente più costosi e molto più efficienti.

Per l'articolo di oggi, ci concentreremo sulla commutazione dei regolatori e, dato che il titolo è stato rivelato, esamineremo i fattori da considerare quando si seleziona un regolatore di commutazione per un progetto.

A causa della complessità di altre parti del progetto (le funzionalità principali, RF, ecc.), La scelta dei regolatori per l'alimentazione è solitamente una delle azioni rimaste fino alla fine del processo di progettazione. L'articolo di oggi cercherà di fornire al progettista con limitazioni di tempo, suggerimenti su cosa cercare nelle specifiche di un regolatore a commutazione, per determinare se si adatta al tuo caso d'uso particolare. Verranno inoltre forniti dettagli sull'interpretazione dei diversi modi in cui i diversi produttori presentano informazioni su parametri come temperatura, carico, ecc.

Tipi di regolatori di commutazione

Esistono essenzialmente tre tipi di regolatori di commutazione ei fattori da prendere in considerazione dipendono da quale dei tipi deve essere utilizzato per la propria applicazione. I tre tipi sono;

1. Regolatori Buck
2. Aumenta i regolatori
3. Regolatori Buck Boost

1. Regolatori Buck

I regolatori buck, chiamati anche regolatori step-down o convertitori buck, sono probabilmente i regolatori a commutazione più popolari. Hanno la capacità di abbassare la tensione applicata all'ingresso a una tensione inferiore all'uscita. Pertanto, la loro tensione di ingresso nominale è solitamente superiore alla loro tensione di uscita nominale. Di seguito è mostrato uno schema di base per un convertitore buck.

L'uscita del regolatore è dovuta all'accensione e allo spegnimento del transistor e il valore della tensione è solitamente una funzione del duty cycle del transistor (per quanto tempo il transistor è rimasto acceso in ogni ciclo completo). La tensione di uscita è data dall'equazione sotto dalla quale si può dedurre che il duty cycle non potrà mai essere uguale a uno e quindi la tensione di uscita sarà sempre minore della tensione di ingresso. I regolatori buck vengono quindi utilizzati quando è richiesta una riduzione della tensione di alimentazione tra uno stadio di progetto e l'altro. Puoi saperne di più sulle basi di progettazione e l'efficienza del regolatore buck qui, ulteriori informazioni su come costruire un circuito convertitore Buck.

2. Boost regolatori

I regolatori boost o i convertitori boost funzionano in modo direttamente opposto ai regolatori buck. Forniscono una tensione superiore alla tensione di ingresso, alla loro uscita. Come i regolatori buck, utilizzano l'azione del transistor di commutazione per aumentare la tensione in uscita e sono solitamente costituiti dagli stessi componenti utilizzati nei regolatori buck con l'unica differenza che è la disposizione dei componenti. Di seguito è mostrato un semplice schema per il regolatore boost.

Puoi saperne di più sulle basi del design e sull'efficienza del regolatore Boost qui, puoi costruire un convertitore Boost seguendo questo circuito del convertitore Boost.

3. Regolatori Buck-Boost

Ultimo ma non meno importante sono i regolatori del buck boost. Dal loro nome, è facile dedurre che forniscono sia l'effetto boost che l'effetto buck alla tensione di ingresso. Il convertitore buck-boost produce una tensione di uscita invertita (negativa) che può essere maggiore o minore della tensione di ingresso in base al ciclo di lavoro. Di seguito viene fornito il circuito di alimentazione della modalità di commutazione buck-boost di base.

Il convertitore buck-boost è una variazione del circuito del convertitore boost in cui il convertitore invertente fornisce solo l'energia immagazzinata dall'induttore, L1, nel carico.

La selezione di uno qualsiasi di questi tre tipi di regolatori di commutazione, dipende esclusivamente da quanto richiesto dal sistema in fase di progettazione. Indipendentemente dal tipo di regolatore da utilizzare, è importante garantire che le specifiche dei regolatori soddisfino i requisiti del progetto.

Fattori da considerare quando si seleziona un regolatore di commutazione

Il design di un regolatore a commutazione dipende in larga misura dal circuito integrato di potenza utilizzato, quindi la maggior parte dei fattori da considerare saranno le specifiche del circuito integrato di alimentazione utilizzato. È importante comprendere le specifiche di Power IC e il loro significato in modo da essere sicuri di selezionare quello giusto per la propria applicazione.

Indipendentemente dalla tua applicazione, eseguire un controllo sui seguenti fattori ti aiuterà a ridurre il tempo impiegato per la selezione.

1. Gamma di tensioni di ingresso

Ciò si riferisce alla gamma tollerabile di tensioni di ingresso supportate dall'IC. Di solito è specificato nella scheda tecnica e, come progettista, è importante assicurarsi che la tensione di ingresso per la propria applicazione rientri nell'intervallo di tensione di ingresso specificato per l'IC. Sebbene alcune schede tecniche possano specificare solo la tensione di ingresso massima, è meglio controllare la scheda tecnica per accertarsi che non sia menzionato l'intervallo di ingresso minimo prima di fare qualsiasi ipotesi. Quando vengono applicate tensioni superiori alla tensione di ingresso massima, i circuiti integrati di solito si spengono, ma di solito smettono di funzionare o funzionano in modo anomalo quando vengono applicate tensioni inferiori alla tensione di ingresso minima, il tutto a seconda delle misure protettive in atto. Una delle misure protettive solitamente applicate per prevenire danni ai circuiti integrati quando vengono fornite tensioni fuori intervallo all'ingresso è il blocco per sottotensione (UVLO),controllare se questo è disponibile può anche aiutare le tue decisioni di progettazione.

2. Gamma di tensioni di uscita

I regolatori di commutazione hanno solitamente uscite variabili. L'intervallo della tensione di uscita rappresenta l'intervallo di tensioni a cui è possibile impostare la tensione di uscita richiesta. Nei circuiti integrati senza opzione di uscita variabile, questo è solitamente un valore singolo. È importante assicurarsi che la tensione di uscita richiesta sia compresa nell'intervallo specificato per l'IC e con un buon fattore di sicurezza come differenza tra l'intervallo di tensione di uscita massima e la tensione di uscita richiesta. come regola generale la tensione di uscita minima non può essere impostata ad un livello di tensione inferiore alla tensione di riferimento interna. A seconda dell'applicazione (buck o boost), l'intervallo di uscita minimo può essere maggiore della tensione di ingresso (boost) o molto inferiore alla tensione di ingresso (buck).

3. Corrente di uscita

Questo termine si riferisce alla valutazione corrente per la quale è stato progettato l'IC. È essenzialmente un'indicazione di quanta corrente l'IC può fornire alla sua uscita. Per alcuni circuiti integrati, viene specificata solo la corrente di uscita massima come misura di sicurezza e per aiutare il progettista a garantire che il regolatore sia in grado di fornire la corrente richiesta per l'applicazione. Per altri circuiti integrati, vengono forniti i valori minimo e massimo. Ciò potrebbe essere molto utile nella pianificazione delle tecniche di gestione dell'alimentazione per l'applicazione.

Nella scelta di un regolatore in base alla corrente di uscita dell'IC, è importante garantire che esista un margine di sicurezza tra la corrente massima richiesta dall'applicazione e la corrente di uscita massima del regolatore. È importante assicurarsi che la corrente di uscita massima del regolatore sia superiore alla corrente di uscita richiesta di almeno il 10-20%, poiché l'IC può generare un'elevata quantità di calore quando funziona ai massimi livelli continuamente e potrebbe essere danneggiato dal calore. Anche l'efficienza dell'IC si riduce quando si opera al massimo.

4. Intervallo di temperatura di esercizio

Questo termine si riferisce al campo di temperatura entro il quale il regolatore funziona correttamente. È definito in termini di temperatura ambiente (Ta) o temperatura di giunzione (Tj). La temperatura TJ si riferisce alla massima temperatura di funzionamento del transistor, mentre la temperatura ambiente si riferisce alla temperatura dell'ambiente intorno al dispositivo.

Se l'intervallo di temperatura di funzionamento è definito in termini di temperatura ambiente, non significa necessariamente che il regolatore possa essere utilizzato nell'intero intervallo di temperatura. È importante tenere in considerazione il fattore di sicurezza e anche la corrente di carico pianificata e il calore di accompagnamento poiché la combinazione di questo e la temperatura ambiente è ciò che costituisce la temperatura di giunzione che non dovrebbe essere superata. Rimanere entro l'intervallo di temperatura di esercizio è fondamentale per il corretto e continuo funzionamento del regolatore poiché un calore eccessivo potrebbe portare a un funzionamento anomalo e guasti catastrofici del regolatore.È quindi importante prestare attenzione al calore ambientale nell'ambiente in cui verrà utilizzato il dispositivo e determinare anche la possibile quantità di calore che sarà generata dal dispositivo a causa della corrente di carico prima di determinare se l'intervallo di temperatura di funzionamento specificato del regolatore funziona per te. È importante notare che alcuni regolatori potrebbero anche guastarsi in condizioni estremamente fredde e vale la pena prestare attenzione ai valori minimi di temperatura se l'applicazione verrà distribuita in un ambiente freddo.

5. Frequenza di commutazione

La frequenza di commutazione si riferisce alla velocità con cui il transistor di controllo viene acceso e spento in un regolatore di commutazione. Nei regolatori basati sulla modulazione di larghezza di impulso, la frequenza è solitamente fissa mentre è attiva la modulazione di frequenza di impulsi.

La frequenza di commutazione influenza i parametri del regolatore come il ripple, la corrente di uscita, la massima efficienza e la velocità di risposta. Il progetto per la frequenza di commutazione prevede sempre l'uso di valori di induttanza corrispondenti, in modo tale che le prestazioni di due regolatori simili con frequenza di commutazione diversa saranno diverse. Se si considerano due regolatori simili a frequenze diverse, si scoprirà che, ad esempio, la corrente massima sarà bassa per il regolatore funzionante ad una frequenza inferiore rispetto a quella del regolatore ad alta frequenza. Inoltre, parametri come il ripple saranno alti e la velocità di risposta del regolatore sarà bassa a bassa frequenza, mentre il ripple sarà basso e la velocità di risposta, alta ad alta frequenza.

6. Rumore

L'azione di commutazione associata ai regolatori di commutazione genera rumore e relative armoniche che potrebbero influenzare le prestazioni dell'intero sistema, specialmente nei sistemi con componenti RF e segnali audio. Sebbene il rumore possa essere ridotto per mezzo di un filtro ecc., Può davvero ridurre il rapporto segnale / rumore (SNR) nei circuiti sensibili al rumore. È quindi importante essere sicuri che la quantità di rumore generata dal regolatore non influenzi le prestazioni complessive del sistema.

7. Efficienza

L'efficienza è un fattore importante da considerare nella progettazione di qualsiasi soluzione di alimentazione oggi. È essenzialmente il rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso. Teoricamente, l'efficienza di un regolatore di commutazione è del cento percento, ma questo di solito non è vero nella pratica poiché la resistenza dell'interruttore FET, la caduta di tensione del diodo e l'ESR sia dell'induttore che del condensatore di uscita riducono l'efficienza complessiva del regolatore. Sebbene la maggior parte dei regolatori moderni offra stabilità su un'ampia gamma di operazioni, l'efficienza varia con l'uso e, ad esempio, si riduce notevolmente all'aumentare della corrente assorbita dall'uscita.

8. Regolazione del carico

La regolazione del carico è una misura della capacità di un regolatore di tensione di mantenere una tensione costante in uscita indipendentemente dai cambiamenti nei requisiti di carico.

9. Confezione e dimensioni

Uno dei soliti obiettivi durante la progettazione di qualsiasi soluzione hardware in questi giorni è ridurre il più possibile le dimensioni. Ciò include essenzialmente la riduzione delle dimensioni del componente elettronico e la riduzione invariabilmente del numero di componenti che costituiscono ciascuna sezione del dispositivo. Un sistema di alimentazione di piccole dimensioni non solo aiuta a ridurre le dimensioni complessive del progetto, ma aiuta anche a creare spazio in cui è possibile limitare le funzionalità extra del prodotto. A seconda degli obiettivi del progetto, assicurarsi del fattore di forma / dimensione del pacchetto che si preferisce si adatterà al tuo budget di spazio. Pur effettuando le selezioni basate su questo fattore, è anche importante tenere in considerazione le dimensioni dei componenti periferici richiesti dal regolatore per funzionare. Ad esempio, l'uso di circuiti integrati ad alta frequenza consente l'uso di condensatori di uscita con bassa capacità e induttori, con conseguente riduzione delle dimensioni dei componenti e viceversa.

Identificare tutto questo e confrontarlo con i requisiti di progettazione ti aiuterà a determinare rapidamente quale regolatore dovrebbe essere eliminato e quale dovrebbe essere presente nel tuo progetto.

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Fino alla prossima volta.