- Tipus de reguladors de commutació
- Factors a tenir en compte a l’hora de seleccionar un regulador de commutació
La potència és una part important de qualsevol projecte o dispositiu electrònic. Independentment de la font, sol haver-hi necessitat de realitzar tasques de gestió d’energia, com ara transformació / escalat de tensió, i conversió (AC-DC / DC-DC) entre d’altres. Triar la solució adequada per a cadascuna d’aquestes tasques pot ser clau per a l’èxit (o fracàs) del producte. Una de les tasques de gestió d’energia més habituals en gairebé tot tipus de dispositius és la regulació / escalat de voltatge DC-DC. Això implica canviar el valor de la tensió CC a l'entrada a un valor superior o inferior a la sortida. Els components / mòduls que s’utilitzen per assolir aquestes tasques s’anomenen generalment reguladors de tensió. En general, tenen la capacitat de subministrar una tensió de sortida constant que és més alta o inferior a la tensió d’entrada i s’utilitzen habitualment per subministrar energia als components dels dissenys on es tenen seccions a diferents tensions. També s’utilitzen en fonts d’alimentació tradicionals.
Hi ha dos tipus principals de reguladors de tensió;
- Reguladors lineals
- Reguladors de commutació
Els reguladors de tensió lineal solen ser reguladors de descens i utilitzen el control d’impedància per crear una reducció lineal de la tensió d’entrada a la sortida. Solen ser molt barats però són poc eficients, ja que es perd molta energia per calor durant la regulació. Els reguladors de commutació, d'altra banda, són capaços d'augmentar o baixar la tensió aplicada a l'entrada en funció de l'arquitectura. Aconsegueixen la regulació de la tensió mitjançant un procés d’encesa / apagada d’un transistor que controla la tensió disponible a la sortida dels reguladors. En comparació amb els reguladors lineals, els reguladors de commutació solen ser més cars i molt més eficients.
Per a l’article d’avui, ens centrarem en els reguladors de commutació i, a mesura que el títol donava a la llum, estudiarem els factors a tenir en compte a l’hora de seleccionar un regulador de commutació per a un projecte.
A causa de la complexitat d'altres parts del projecte (les funcionalitats bàsiques, RF, etc.), l'elecció dels reguladors per a la font d'alimentació sol ser una de les accions que es queden fins al final del procés de disseny. L’article d’avui intentarà proporcionar al dissenyador restringit de temps, consells sobre què s’ha de buscar a les especificacions d’un regulador de commutació, per determinar si s’adapta al vostre cas d’ús concret. També es proporcionaran detalls sobre la interpretació de les diferents maneres en què els diferents fabricants presenten informació sobre paràmetres com la temperatura, la càrrega, etc.
Tipus de reguladors de commutació
Hi ha bàsicament tres tipus de reguladors de commutació i els factors a tenir en compte depenen de quin dels tipus s’utilitzarà per a la vostra aplicació. Els tres tipus són;
- Reguladors Buck
- Augmenta els reguladors
- Reguladors Buck Boost
1. Reguladors Buck
Els reguladors Buck, també anomenats reguladors reductors o convertidors Buck, són possiblement els reguladors de commutació més populars. Tenen la capacitat de reduir la tensió aplicada a l'entrada a una tensió menor a la sortida. Per tant, la seva tensió nominal d’entrada sol ser superior a la seva tensió nominal de sortida. A continuació es mostren uns esquemes bàsics per a un convertidor de dòlars.
La sortida del regulador es deu a l’encesa i apagada del transistor i el valor de la tensió sol ser una funció del cicle de treball del transistor (quant de temps va estar el transistor encesos en cada cicle complet). El voltatge de sortida ve donat per l'equació següent, a partir de la qual podem deduir que el cicle de treball mai no pot ser igual a un i, per tant, el voltatge de sortida sempre serà inferior al voltatge d'entrada. Els reguladors Buck s’utilitzen per tant quan es requereix una reducció de la tensió d’alimentació entre una etapa i l’altra del disseny. Podeu obtenir més informació sobre els conceptes bàsics de disseny i l'eficiència del regulador de Buck aquí. Apreneu més a construir un circuit convertidor Buck
2. Augmentar els reguladors
Els reguladors boost o convertidors boost funcionen de manera directament oposada als reguladors buck. Ofereixen un voltatge superior al voltatge d’entrada a la seva sortida. Igual que els reguladors de buck, utilitzen l'acció del transistor de commutació per augmentar el voltatge a la sortida i solen estar formats pels mateixos components que s'utilitzen en els reguladors de buck, amb l'única diferència en la disposició dels components. A continuació es mostren uns esquemes senzills per al regulador d’impulsió.
Podeu obtenir més informació sobre els conceptes bàsics de disseny i l’eficiència del regulador Boost aquí. Podeu construir un convertidor Boost seguint aquest circuit de conversió Boost.
3. Reguladors Buck-Boost
Per últim, però no per això menys important, són els reguladors d’augment del dòlar. Pel seu nom, és fàcil deduir que proporcionen tant l’impuls com l’efecte buck a la tensió d’entrada. El convertidor buck-boost produeix una tensió de sortida invertida (negativa) que pot ser superior o inferior a la tensió d’entrada basada en el cicle de treball. A continuació es mostra el circuit bàsic de subministrament d’alimentació del mode d’interruptor buck-boost.
El convertidor buck-boost és una variació del circuit del convertidor d’augment en què el convertidor inversor només transmet l’energia emmagatzemada per l’inductor, L1, a la càrrega.
La selecció d'algun d'aquests tres tipus de reguladors de commutació depèn exclusivament del que requereixi el sistema que s'està dissenyant. Independentment del tipus de regulador a utilitzar, és important assegurar-se que les especificacions dels reguladors compleixin els requisits del disseny.
Factors a tenir en compte a l’hora de seleccionar un regulador de commutació
El disseny d’un regulador de commutació depèn en gran mesura de la potència IC que s’utilitzi, de manera que la majoria dels factors a tenir en compte seran les especificacions de la IC de potència utilitzada. És important entendre les especificacions de Power IC i el que signifiquen per tal de garantir que seleccioneu l’adequada per a la vostra aplicació.
Independentment de la vostra aplicació, fer una comprovació dels següents factors us ajudarà a reduir el temps dedicat a la selecció.
1. Rang de tensió d'entrada
Això fa referència al rang tolerable de tensions d'entrada suportades per l'IC. Normalment s’especifica dins del full de dades i, com a dissenyador, és important assegurar-se que el voltatge d’entrada per a la vostra aplicació es troba dins del rang de tensió d’entrada especificat per a l’IC. Tot i que certs fulls de dades només poden especificar el voltatge màxim d’entrada, és millor comprovar el full de dades per assegurar-se que no es menciona el rang mínim d’entrada abans de fer cap suposició. Quan s’apliquen tensions superiors a la tensió màxima d’entrada, els circuits integrats solen fregir-se, però sol deixar de funcionar o funcionar de forma anormal quan s’apliquen tensions inferiors a la tensió mínima d’entrada, tot depenent de les mesures de protecció establertes. Una de les mesures de protecció que s’apliquen generalment per evitar danys als circuits integrats quan es subministren voltatges fora del rang a l’entrada és el bloqueig de baixa tensió (UVLO),comprovar si està disponible també us pot ajudar a prendre decisions de disseny.
2. Rang de tensió de sortida
Els reguladors de commutació solen tenir sortides variables. L'interval de tensió de sortida representa l'interval de tensions al qual es pot configurar la tensió de sortida necessària. Als circuits integrats sense opció de sortida variable, aquest sol ser un valor únic. És important assegurar-se que el voltatge de sortida requerit estigui dins de l’interval especificat per a l’IC i que tingui un bon factor de seguretat com a diferència entre el rang màxim de tensió de sortida i el voltatge de sortida que necessiteu. com a regla general, la tensió de sortida mínima no es pot establir a un nivell de tensió inferior al voltatge de referència intern. Depenent de la vostra aplicació (buck o boost), el rang mínim de sortida pot ser més gran que el voltatge d’entrada (boost) o molt inferior al voltatge d’entrada (buck).
3. Corrent de sortida
Aquest terme fa referència a la qualificació actual per a la qual es va dissenyar l’IC. Bàsicament és una indicació de la quantitat de corrent que pot subministrar el CI a la seva sortida. Per a alguns circuits integrats, només s’especifica el corrent de sortida màxim com a mesura de seguretat i per ajudar el dissenyador a garantir que el regulador pugui lliurar el corrent requerit per a l’aplicació. Per a altres CI, es proporcionen les qualificacions mínima i màxima. Això pot ser molt útil per planificar tècniques de gestió d'energia per a la vostra aplicació.
En seleccionar un regulador en funció del corrent de sortida del CI, és important assegurar-se que existeixi un marge de seguretat entre el corrent màxim requerit per la vostra aplicació i el corrent de sortida màxim del regulador. És important assegurar-se que el corrent de sortida màxim del regulador sigui superior al corrent de sortida requerit, com a mínim, entre un 10 i un 20%, ja que el CI pot generar una gran quantitat de calor quan funciona a nivells màxims contínuament i es pot danyar per la calor.. També l'eficiència del CI es redueix quan es treballa al màxim.
4. Rang de temperatura de funcionament
Aquest terme fa referència al rang de temperatura dins del qual el regulador funciona correctament. Es defineix tant en termes de temperatura ambiental (Ta) com de temperatura d’unió (Tj). La temperatura de TJ es refereix a la temperatura de funcionament més alta del transistor, mentre que la temperatura ambiental es refereix a la temperatura de l’entorn al voltant del dispositiu.
Si l’interval de temperatura de funcionament es defineix en termes de temperatura ambiental, no significa necessàriament que el regulador es pugui utilitzar en tot l’interval de temperatura. És important tenir en compte el factor de seguretat i també el corrent de càrrega previst i la calor que l’acompanya, ja que la combinació d’aquest i la temperatura ambient és la que constitueix la temperatura de la unió que tampoc no s’ha de superar. Mantenir-se dins del rang de temperatura de funcionament és fonamental per al funcionament correcte i continu del regulador, ja que una calor excessiva pot provocar un funcionament anormal i un falliment catastròfic del regulador.Per tant, és important prestar atenció a la calor ambiental a l’entorn on s’utilitzarà el dispositiu i determinar també la possible quantitat de calor que generarà el dispositiu com a conseqüència del corrent de càrrega abans de determinar si el rang de temperatura de funcionament especificat del regulador us funciona. És important tenir en compte que alguns reguladors també podrien fallar en condicions extremadament fredes i val la pena prestar atenció als valors mínims de temperatura si l'aplicació es desplegarà en un entorn fred.
5. Freqüència de commutació
La freqüència de commutació es refereix a la velocitat a la qual el transistor de control s'encén i s'apaga en un regulador de commutació. En els reguladors basats en la modulació d'ample de pols, la freqüència sol fixar-se mentre es fa en la modulació de freqüència de polsos.
La freqüència de commutació afecta els paràmetres del regulador, com ara l'ondulació, el corrent de sortida, l'eficiència màxima i la velocitat de resposta. El disseny de la freqüència de commutació sempre implica l’ús de valors d’inductància coincidents, de manera que el rendiment de dos reguladors similars amb freqüència de commutació diferent serà diferent. Si es consideren dos reguladors similars a freqüències diferents, es descobrirà que, per exemple, el corrent màxim serà baix per al regulador que funciona a una freqüència inferior en comparació amb el del regulador a alta freqüència. A més, paràmetres com l'ondulació seran elevats i la velocitat de resposta del regulador serà baixa a baixa freqüència, mentre que l'ondulació serà baixa i la velocitat de resposta, alta a alta freqüència.
6. Soroll
L'acció de commutació associada als reguladors de commutació genera sorolls i harmònics relacionats que podrien afectar el rendiment del sistema general, especialment en sistemes amb components de RF i senyals d'àudio. Tot i que el soroll es pot reduir mitjançant un filtre, etc., pot reduir la relació senyal-soroll (SNR) en circuits sensibles al soroll. Per tant, és important assegurar-se que la quantitat de soroll generat pel regulador no afecti el rendiment general del sistema.
7. Eficiència
L’eficiència és un factor important a tenir en compte en el disseny de qualsevol solució d’energia actual. És essencialment la proporció de la tensió de sortida a la tensió d’entrada. Teòricament, l'eficiència d'un regulador de commutació és del cent per cent, però això no sol ser cert a la pràctica, ja que la resistència del commutador FET, la caiguda de tensió del díode i l'ESR tant de l'inductor com del condensador de sortida redueixen l'eficiència general del regulador. Tot i que la majoria dels reguladors moderns ofereixen estabilitat en un ampli rang de funcionament, l’eficiència varia segons l’ús i, per exemple, es redueix considerablement a mesura que augmenta el corrent extret de la sortida.
8. Regulació de la càrrega
La regulació de la càrrega és una mesura de la capacitat d’un regulador de tensió per mantenir una tensió constant a la sortida independentment dels canvis en el requisit de càrrega.
9. Embalatge i mida
Un dels objectius habituals durant el disseny de qualsevol solució de maquinari en aquests dies és reduir la mida al màxim. Això inclou essencialment reduir la mida del component electrònic i reduir invariablement el nombre de components que componen cada secció del dispositiu. Un sistema d’energia de mida petita no només ajuda a reduir la mida global del projecte, sinó que també ajuda a crear espai on es poden restringir les funcions del producte addicionals. Segons els objectius del projecte, assegureu-vos el factor de forma / mida del paquet amb el qual aneu. s’adaptarà al vostre pressupost d’espai. Tot i fer seleccions basades en aquest factor, també és important tenir en compte la mida dels components perifèrics que el regulador necessita per funcionar. Per exemple, l'ús de circuits integrats d'alta freqüència permet l'ús de condensadors de sortida amb baixa capacitat i inductors, cosa que redueix la mida del component i viceversa.
Identificar tot això i comparar-lo amb els requisits de disseny us ajudarà ràpidament a determinar quin regulador s’ha de creuar i quin ha de figurar al vostre disseny.
Comparteix quin factor creus que he perdut i qualsevol altre comentari a la secció de comentaris.
Fins la propera.