Как выбрать импульсный регулятор напряжения для своего проекта


Питание является важной частью любого электронного проекта/устройства. Независимо от источника, обычно возникает необходимость выполнения задач по управлению питанием, таких как преобразование/масштабирование напряжения, преобразование (AC-DC/DC-DC) и др. Выбор правильного решения для каждой из этих задач может стать ключом к успеху (или провалу) продукта. Одной из наиболее распространенных задач управления питанием практически во всех типах устройств является регулирование/масштабирование постоянного напряжения. Это предполагает изменение значения постоянного напряжения на входе на большее или меньшее значение на выходе. Компоненты/модули, используемые для решения этих задач, обычно называются регуляторами напряжения. Обычно они способны подавать постоянное выходное напряжение, которое выше или ниже входного напряжения, и обычно используются для подачи питания на компоненты в конструкциях, где есть секции с разным напряжением. Они также используются в традиционных источниках питания.

Как выбрать правильный регулятор напряжения для своего проекта

Существует два основных типа регуляторов напряжения ;

  1. Линейные регуляторы.
  2. Импульсные регуляторы.

Линейные регуляторы напряжения обычно представляют собой понижающие регуляторы и используют управление импедансом для создания линейного снижения входного напряжения на выходе. Они обычно очень дешевы, но неэффективны, так как во время регулирования теряется много энергии на нагрев. С другой стороны, импульсные стабилизаторы способны повышать или понижать напряжение, подаваемое на вход, в зависимости от архитектуры. Они обеспечивают регулирование напряжения с помощью процесса включения/выключения транзистора, который контролирует напряжение, доступное на выходе регулятора. По сравнению с линейными регуляторами, импульсные регуляторы обычно дороже и гораздо более эффективны.

В сегодняшней статье мы сосредоточимся на импульсных регуляторах, и, как следует из названия, мы будем рассматривать факторы, которые следует учитывать при выборе импульсного регулятора для проекта .

Из-за сложности других частей проекта (основные функции, радиочастоты и т. д.) выбор регуляторов электропитания обычно является одним из действий, оставляемых до конца процесса проектирования. В сегодняшней статье мы постараемся дать разработчикам, ограниченным во времени, советы о том, на что следует обращать внимание в характеристиках импульсного стабилизатора, 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 напряжения

По сути, существует три типа импульсных регуляторов, и факторы, которые следует учитывать, зависят от того, какой из этих типов будет использоваться в вашем приложении. Три типа регуляторов:

  1. Понижающие регуляторы (Buck Regulators).
  2. Повышающие регуляторы (Boost regulators).
  3. Повышающе-понижающие регуляторы (Buck Boost Regulators).

1. Понижающие регуляторы

Понижающие регуляторы, также называемые понижающими преобразователями, пожалуй, самые популярные импульсные стабилизаторы. Они имеют возможность понижать напряжение, подаваемое на вход, до меньшего напряжения на выходе. Таким образом, их номинальное входное напряжение обычно выше номинального выходного напряжения. Базовая схема понижающего преобразователя показана ниже.

Базовая архитектура понижающего регулятора

Выходной сигнал регулятора обусловлен включением и выключением транзистора, а значение напряжения обычно зависит от рабочего цикла транзистора (как долго транзистор был включен в каждом полном цикле). Выходное напряжение такого регулятора всегда будет меньше входного напряжения. Поэтому понижающие регуляторы используются, когда требуется снижение напряжения питания между одним этапом проекта и другим.

2. Повышающие регуляторы

Повышающие регуляторы или повышающие преобразователи работают прямо противоположно понижающим регуляторам. На своем выходе они выдают напряжение выше, чем входное напряжение. Как и понижающие стабилизаторы, они используют действие переключающего транзистора для увеличения выходного напряжения и обычно состоят из тех же компонентов, что и понижающие стабилизаторы, с той лишь разницей, что их расположение заключается в их расположении. Простая схема повышающего регулятора показана на следующем рисунке.

Базовая архитектура повышающего регулятора

3. Повышающе-понижающие регуляторы

Из их названия легко сделать вывод, что они обеспечивают как повышающий, так и понижающий эффект входного напряженияПовышающе-понижающий преобразователь выдает инвертированное (отрицательное) выходное напряжение, которое может быть больше или меньше входного напряжения в зависимости от рабочего цикла. Базовая схема импульсного источника питания с повышающе-понижающим режимом приведена ниже.

Базовая архитектура повышающе-понижающего регулятора

Повышающе-понижающий преобразователь представляет собой разновидность схемы повышающего преобразователя, в которой инвертирующий преобразователь передает в нагрузку только энергию, накопленную дросселем L1.

Выбор любого из этих трех типов импульсных регуляторов зависит исключительно от требований проектируемой системы. Независимо от типа используемого регулятора важно убедиться, что характеристики регуляторов соответствуют требованиям конструкции.

Факторы, которые следует учитывать при выборе импульсного регулятора

Конструкция импульсного стабилизатора во многом зависит от используемой в нем интегральной схемы (ИС), поэтому большинство факторов, которые следует учитывать, — это характеристики используемой ИС. Важно понимать характеристики силовых микросхем и их значение, чтобы убедиться, что вы выбрали правильный вариант для вашего приложения.

Независимо от вашего приложения, проверка следующих факторов поможет вам сократить время, затрачиваемое на выбор импульсного регулятора напряжения.

1. Диапазон входного напряжения

Это относится к допустимому диапазону входных напряжений, поддерживаемых микросхемой. Обычно это указывается в технических характеристиках и разработчику важно убедиться, что входное напряжение для вашего приложения находится в пределах диапазона входного напряжения, указанного для микросхемы. Хотя в некоторых таблицах данных может быть указано только максимальное входное напряжение, перед тем, как делать какие-либо предположения, лучше проверить таблицу данных, чтобы убедиться, что в ней нет упоминаний о минимальном входном диапазоне. Когда подается напряжение, превышающее максимальное входное напряжение, микросхема обычно перегорает, но обычно перестает работать или работает ненормально, когда подается напряжение ниже минимального входного напряжения, все зависит от принятых защитных мер. Одной из защитных мер, обычно применяемых для предотвращения повреждения микросхем при подаче на вход напряжения, выходящего за пределы допустимого диапазона, является блокировка при пониженном напряжении (Under-Voltage Lock Out, UVLO). Проверка ее наличия также может помочь в принятии проектных решений.

2. Диапазон выходного напряжения

Импульсные регуляторы обычно имеют переменные выходные параметры. Диапазон выходного напряжения представляет собой диапазон напряжений, в котором 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 микросхемы, и имеет хороший коэффициент безопасности, заключающийся в разнице между максимальным диапазоном выходного напряжения и требуемым выходным напряжением. Как правило, минимальное выходное напряжение не может быть установлено на уровень напряжения ниже внутреннего опорного напряжения. В зависимости от вашего приложения (понижающее или повышающее), минимальный выходной диапазон может быть либо больше входного напряжения (повышение), либо намного меньше входного напряжения (понижение).

3. Выходной ток

Этот термин относится к текущему рейтингу тока, для которого была разработана микросхема. По сути, это показатель того, какой ток микросхема может выдавать на своем выходе. Для некоторых микросхем указывается только максимальный выходной ток в качестве меры безопасности и для того, чтобы помочь разработчику гарантировать, что регулятор сможет обеспечить ток, необходимый для приложения. Для других микросхем указаны как минимальные, так и максимальные номиналы. Это может быть очень полезно при планировании методов управления питанием для вашего приложения.

При выборе стабилизатора на основе выходного тока микросхемы важно обеспечить наличие запаса безопасности между максимальным током, необходимым для вашего приложения, и максимальным выходным током стабилизатора. Важно обеспечить, чтобы максимальный выходной ток регулятора превышал требуемый выходной ток как минимум на 10–20 %, поскольку микросхема может выделять большое количество тепла при непрерывной работе на максимальных уровнях и может быть повреждена из-за тепла. Также эффективность микросхемы снижается при работе на максимуме.

4. Диапазон рабочих температур

Этот термин относится к температурному диапазону, в котором регулятор работает должным образом. Она определяется либо температурой окружающей среды (Ta), либо температурой перехода (Tj).  Температура TJ относится к самой высокой рабочей температуре транзистора, а температура окружающей среды — к температуре окружающей среды вокруг устройства.

Если диапазон рабочих температур определен исходя из температуры окружающей среды, это не обязательно означает, что регулятор можно использовать во всем температурном диапазоне. Важно учитывать фактор безопасности, а также планируемый ток нагрузки и сопутствующее тепло, поскольку сочетание этого фактора и температуры окружающей среды определяет температуру перехода, которую также не следует превышать. Пребывание в пределах рабочего диапазона температур имеет решающее значение для правильной и непрерывной работы регулятора, поскольку чрезмерное нагревание может привести к ненормальной работе и катастрофическому отказу регулятора. Поэтому важно обратить внимание на тепло окружающей среды в среде, в которой будет использоваться устройство, а также определить возможное количество тепла, которое будет генерироваться устройством в результате тока нагрузки, прежде чем определять, будет ли соответствовать указанный диапазон рабочих температур регулятора его реальным условиям эксплуатации. Важно отметить, что некоторые регуляторы также могут выйти из строя в экстремально холодных условиях, поэтому стоит обратить внимание на минимальные значения температуры, если приложение будет использоваться в холодных условиях.

5. Частота переключения

Частота переключения означает скорость, с которой управляющий транзистор включается и выключается в импульсном регуляторе. В регуляторах на основе широтно-импульсной модуляции частота обычно фиксирована в режиме частотно-импульсной модуляции.

Частота переключения влияет на такие параметры регулятора, как пульсации, выходной ток, максимальный КПД и скорость срабатывания. При расчете частоты переключения всегда используются одинаковые значения индуктивности, поэтому характеристики двух аналогичных регуляторов с разной частотой переключения будут разными. Если рассмотреть два одинаковых регулятора, работающих на разных частотах, то обнаружится, что максимальный ток, например, будет низким для регулятора, работающего на более низкой частоте, по сравнению с таковым для регулятора, работающего на высокой частоте. Кроме того, такие параметры, как пульсация, будут высокими, а скорость срабатывания регулятора будет низкой на низкой частоте, в то время как пульсация будет низкой, а скорость отклика высокой на высокой частоте.

6. Шум

Переключение, связанное с переключающими регуляторами, генерирует шум и связанные с ним гармоники, которые могут повлиять на производительность всей системы, особенно в системах с радиочастотными компонентами и аудиосигналами. Хотя шум можно уменьшить с помощью фильтра и т. д., он все равно может играть негативную роль в схемах, чувствительных к шуму. Поэтому важно быть уверенным, что уровень шума, создаваемого регулятором, не повлияет на общую производительность системы.

7. Эффективность

Сегодня эффективность является важным фактором, который следует учитывать при разработке любого энергетического решения. По сути, это отношение выходного напряжения к входному напряжению. Теоретически КПД импульсного стабилизатора составляет сто процентов, но на практике это обычно не так, поскольку сопротивление переключателя на полевом транзисторе, падение напряжения на диоде и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) как катушки индуктивности, так и выходного конденсатора снижают общий КПД стабилизатора. 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 с выхода.

8. Регулирование нагрузки

Регулирование нагрузки — это мера способности регулятора напряжения поддерживать постоянное напряжение на выходе независимо от изменений требований к нагрузке.

9. Тип корпуса и размер

В наши дни одной из обычных целей при проектировании любого аппаратного решения является максимальное уменьшение его размера. По сути, это включает в себя уменьшение размера электронного компонента и неизменное 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 можно разместить дополнительные функции продукта. В зависимости от целей вашего проекта убедитесь, что выбранный вами форм-фактор/размер корпуса впишется в ваш космический бюджет. При выборе на основе этого фактора также важно учитывать размер периферийных компонентов, необходимых регулятору для работы. Например, использование высокочастотных микросхем 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 не следует использовать, а какой должен присутствовать в вашей конструкции.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
28 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *