Strom ist ein wichtiger Bestandteil jedes Elektronikprojekts / -geräts. Unabhängig von der Quelle besteht normalerweise die Notwendigkeit, Energieverwaltungsaufgaben wie Spannungsumwandlung / -skalierung und -umwandlung (AC-DC / DC-DC) durchzuführen. Die Auswahl der richtigen Lösung für jede dieser Aufgaben kann der Schlüssel zum Erfolg (oder Misserfolg) des Produkts sein. Eine der häufigsten Energieverwaltungsaufgaben in fast allen Arten von Geräten ist die DC / DC-Spannungsregelung / -skalierung. Dies beinhaltet das Ändern des Gleichspannungswerts am Eingang auf einen höheren oder niedrigeren Wert am Ausgang. Die zur Erfüllung dieser Aufgaben verwendeten Komponenten / Module werden allgemein als Spannungsregler bezeichnet. Sie haben im Allgemeinen die Fähigkeit, eine konstante Ausgangsspannung zu liefern, die höher oder niedriger als die Eingangsspannung ist, und sie werden üblicherweise verwendet, um Komponenten in Konstruktionen mit Strom zu versorgen, bei denen Sie Abschnitte mit unterschiedlichen Spannungen haben. Sie werden auch in herkömmlichen Netzteilen verwendet.
Es gibt zwei Haupttypen von Spannungsreglern;
- Lineare Regler
- Regler wechseln
Lineare Spannungsregler sind normalerweise Abwärtsregler und verwenden eine Impedanzregelung, um eine lineare Reduzierung der Eingangsspannung am Ausgang zu erzeugen. Sie sind normalerweise sehr billig, aber ineffizient, da während der Regulierung viel Energie durch Wärme verloren geht. Schaltregler hingegen können die am Eingang angelegte Spannung je nach Architektur entweder erhöhen oder verringern. Sie erreichen eine Spannungsregelung durch einen Ein / Aus-Schaltvorgang eines Transistors, der die am Reglerausgang verfügbare Spannung steuert. Schaltregler sind im Vergleich zu Linearreglern in der Regel teurer und weitaus effizienter.
Für den heutigen Artikel werden wir uns auf Schaltregler konzentrieren und wie der Titel verrät, werden wir uns mit Faktoren befassen, die bei der Auswahl eines Schaltreglers für ein Projekt zu berücksichtigen sind.
Aufgrund der Komplexität anderer Teile des Projekts (Kernfunktionen, HF usw.) ist die Auswahl der Regler für die Stromversorgung normalerweise eine der Maßnahmen, die bis zum Ende des Entwurfsprozesses verbleiben. Der heutige Artikel wird versuchen, dem zeitlich begrenzten Designer Tipps zu geben, worauf in den Spezifikationen eines Schaltreglers zu achten ist, um festzustellen, ob er zu Ihrem speziellen Anwendungsfall passt. Es werden auch Details zur Interpretation der verschiedenen Arten der Darstellung von Informationen zu Parametern wie Temperatur, Last usw. durch verschiedene Hersteller bereitgestellt.
Arten von Schaltreglern
Grundsätzlich gibt es drei Arten von Schaltreglern, und die zu berücksichtigenden Faktoren hängen davon ab, welcher der Typen für Ihre Anwendung verwendet werden soll. Die drei Typen sind;
- Buck Regulators
- Boost-Regler
- Buck Boost-Regler
1. Buck Regulators
Buck-Regler, auch Step-Down-Regler oder Buck-Wandler genannt, sind wohl die beliebtesten Schaltregler. Sie haben die Möglichkeit, die am Eingang angelegte Spannung auf eine geringere Spannung am Ausgang zu senken. Daher ist ihre Nenn-Eingangsspannung normalerweise höher als ihre Nennausgangsspannung. Ein grundlegendes Schema für einen Tiefsetzsteller ist unten gezeigt.
Der Ausgang des Reglers ist auf das Ein- und Ausschalten des Transistors zurückzuführen, und der Spannungswert ist normalerweise eine Funktion des Transistor-Arbeitszyklus (wie lange der Transistor in jedem vollständigen Zyklus eingeschaltet war). Die Ausgangsspannung ist durch die folgende Gleichung gegeben, aus der wir schließen können, dass das Tastverhältnis niemals gleich eins sein kann und daher die Ausgangsspannung immer kleiner als die Eingangsspannung ist. Buck-Regler werden daher verwendet, wenn eine Reduzierung der Versorgungsspannung zwischen einer Stufe einer Konstruktion und der anderen erforderlich ist. Hier erfahren Sie mehr über die Konstruktionsgrundlagen und die Effizienz des Abwärtsreglers sowie über den Aufbau einer Abwärtswandlerschaltung.
2. Boost-Regler
Boost-Regler oder Boost-Wandler arbeiten direkt entgegengesetzt zu den Buck-Reglern. Sie liefern an ihrem Ausgang eine Spannung, die höher als die Eingangsspannung ist. Wie die Buck-Regler verwenden sie die Schalttransistorwirkung, um die Spannung am Ausgang zu erhöhen, und bestehen normalerweise aus denselben Komponenten, die in Buck-Reglern verwendet werden, mit dem einzigen Unterschied, dass die Komponenten angeordnet sind. Ein einfaches Schema für den Ladedruckregler ist unten gezeigt.
Weitere Informationen zu den Konstruktionsgrundlagen und zur Effizienz des Boost-Reglers finden Sie hier. Sie können einen Boost-Wandler bauen, indem Sie dieser Boost-Wandler-Schaltung folgen.
3. Buck-Boost-Regler
Last but not least sind die Buck Boost Regler. Aus ihrem Namen lässt sich leicht schließen, dass sie der Eingangsspannung sowohl den Boost- als auch den Buck-Effekt verleihen. Der Buck-Boost-Wandler erzeugt eine invertierte (negative) Ausgangsspannung, die je nach Arbeitszyklus größer oder kleiner als die Eingangsspannung sein kann. Die grundlegende Stromversorgungsschaltung im Buck-Boost-Schaltmodus ist unten angegeben.
Der Tiefsetzsteller ist eine Variation der Aufwärtswandlerschaltung, bei der der invertierende Wandler nur die vom Induktor L1 gespeicherte Energie in die Last liefert.
Die Auswahl eines dieser drei Schaltreglertypen hängt ausschließlich davon ab, was für das zu entwerfende System erforderlich ist. Unabhängig von der Art des zu verwendenden Reglers ist es wichtig sicherzustellen, dass die Spezifikationen der Regler den Anforderungen des Designs entsprechen.
Bei der Auswahl eines Schaltreglers zu berücksichtigende Faktoren
Das Design eines Schaltreglers hängt in hohem Maße von dem dafür verwendeten Leistungs-IC ab. Daher sind die meisten zu berücksichtigenden Faktoren die Spezifikationen des verwendeten Leistungs-IC. Es ist wichtig, die Spezifikationen von Power IC und deren Bedeutung zu kennen, um sicherzustellen, dass Sie die richtige für Ihre Anwendung auswählen.
Unabhängig von Ihrer Anwendung können Sie die für die Auswahl aufgewendete Zeit reduzieren, indem Sie die folgenden Faktoren überprüfen.
1. Eingangsspannungsbereich
Dies bezieht sich auf einen tolerierbaren Bereich von Eingangsspannungen, die vom IC unterstützt werden. Sie wird normalerweise im Datenblatt angegeben. Als Konstrukteur ist es wichtig sicherzustellen, dass die Eingangsspannung für Ihre Anwendung in den für den IC angegebenen Eingangsspannungsbereich fällt. Während bestimmte Datenblätter möglicherweise nur die maximale Eingangsspannung angeben, ist es besser, das Datenblatt zu überprüfen, um sicherzustellen, dass der minimale Eingangsbereich nicht erwähnt wird, bevor Annahmen getroffen werden. Wenn Spannungen angelegt werden, die höher als die maximale Eingangsspannung sind, werden die ICs normalerweise ausgefranst, aber sie hören normalerweise auf zu arbeiten oder arbeiten abnormal, wenn Spannungen angelegt werden, die niedriger als die minimale Eingangsspannung sind, abhängig von den vorhandenen Schutzmaßnahmen. Eine der Schutzmaßnahmen, die normalerweise angewendet werden, um eine Beschädigung der ICs zu verhindern, wenn am Eingang Spannungen außerhalb des Bereichs anliegen, ist die Unterspannungssperre (UVLO).Die Überprüfung, ob dies verfügbar ist, kann auch bei Ihren Entwurfsentscheidungen hilfreich sein.
2. Ausgangsspannungsbereich
Schaltregler haben normalerweise variable Ausgänge. Der Ausgangsspannungsbereich gibt den Spannungsbereich an, auf den Ihre gewünschte Ausgangsspannung eingestellt werden kann. Bei ICs ohne variable Ausgabeoption ist dies normalerweise ein einzelner Wert. Es ist wichtig sicherzustellen, dass Ihre erforderliche Ausgangsspannung innerhalb des für den IC angegebenen Bereichs liegt und einen guten Sicherheitsfaktor als Differenz zwischen dem maximalen Ausgangsspannungsbereich und der von Ihnen benötigten Ausgangsspannung aufweist. In der Regel kann die minimale Ausgangsspannung nicht auf einen niedrigeren Spannungspegel als die interne Referenzspannung eingestellt werden. Abhängig von Ihrer Anwendung (Buck oder Boost) kann der minimale Ausgangsbereich entweder größer als die Eingangsspannung (Boost) oder viel kleiner als die Eingangsspannung (Buck) sein.
3. Ausgangsstrom
Dieser Begriff bezieht sich auf die aktuelle Bewertung, für die der IC entwickelt wurde. Dies ist im Wesentlichen ein Hinweis darauf, wie viel Strom der IC an seinem Ausgang liefern kann. Bei einigen ICs wird aus Sicherheitsgründen nur der maximale Ausgangsstrom angegeben, um dem Konstrukteur zu helfen, sicherzustellen, dass der Regler den für die Anwendung erforderlichen Strom liefern kann. Für andere ICs werden sowohl die minimale als auch die maximale Bewertung angegeben. Dies kann bei der Planung von Energieverwaltungstechniken für Ihre Anwendung sehr hilfreich sein.
Bei der Auswahl eines Reglers basierend auf dem Ausgangsstrom des IC ist es wichtig sicherzustellen, dass ein Sicherheitsspielraum zwischen dem von Ihrer Anwendung benötigten Maximalstrom und dem maximalen Ausgangsstrom des Reglers besteht. Es ist wichtig sicherzustellen, dass der maximale Ausgangsstrom des Reglers um mindestens 10 bis 20% höher ist als der erforderliche Ausgangsstrom, da der IC bei kontinuierlichem Betrieb mit maximaler Leistung eine hohe Wärmemenge erzeugen kann und durch die Wärme beschädigt werden kann. Auch der Wirkungsgrad des IC verringert sich bei maximalem Betrieb.
4. Betriebstemperaturbereich
Dieser Begriff bezieht sich auf den Temperaturbereich, in dem der Regler ordnungsgemäß funktioniert. Sie wird entweder als Umgebungstemperatur (Ta) oder als Sperrschichttemperatur (Tj) definiert. Die TJ-Temperatur bezieht sich auf die höchste Betriebstemperatur des Transistors, während sich die Umgebungstemperatur auf die Umgebungstemperatur um das Gerät bezieht.
Wenn der Betriebstemperaturbereich in Bezug auf die Umgebungstemperatur definiert ist, bedeutet dies nicht unbedingt, dass der Regler über den gesamten Temperaturbereich verwendet werden kann. Es ist wichtig, den Sicherheitsfaktor sowie den geplanten Laststrom und die damit verbundene Wärme zu berücksichtigen, da die Kombination aus dieser und der Umgebungstemperatur die Sperrschichttemperatur ausmacht, die ebenfalls nicht überschritten werden sollte. Das Einhalten des Betriebstemperaturbereichs ist für den ordnungsgemäßen, kontinuierlichen Betrieb des Reglers von entscheidender Bedeutung, da übermäßige Hitze zu abnormalem Betrieb und einem katastrophalen Ausfall des Reglers führen kann.Es ist daher wichtig, auf die Umgebungswärme in der Umgebung zu achten, in der das Gerät verwendet wird, und die mögliche Wärmemenge zu bestimmen, die vom Gerät aufgrund des Laststroms erzeugt wird, bevor der angegebene Betriebstemperaturbereich ermittelt wird des Reglers arbeitet für Sie. Es ist wichtig zu beachten, dass bestimmte Regler auch unter extrem kalten Bedingungen ausfallen können, und es lohnt sich, auf die Mindesttemperaturwerte zu achten, wenn die Anwendung in einer kalten Umgebung eingesetzt wird.
5. Schaltfrequenz
Die Schaltfrequenz bezieht sich auf die Rate, mit der der Steuertransistor in einem Schaltregler ein- und ausgeschaltet wird. Bei auf Pulsweitenmodulation basierenden Reglern ist die Frequenz normalerweise während der Pulsfrequenzmodulation festgelegt.
Die Schaltfrequenz beeinflusst die Parameter des Reglers wie die Welligkeit, den Ausgangsstrom, den maximalen Wirkungsgrad und die Ansprechgeschwindigkeit. Das Design für die Schaltfrequenz beinhaltet immer die Verwendung von passenden Induktivitätswerten, so dass die Leistung von zwei ähnlichen Reglern mit unterschiedlicher Schaltfrequenz unterschiedlich ist. Wenn zwei ähnliche Regler mit unterschiedlichen Frequenzen berücksichtigt werden, wird festgestellt, dass beispielsweise der maximale Strom für den Regler, der mit einer niedrigeren Frequenz arbeitet, im Vergleich zu dem des Reglers mit hoher Frequenz niedrig ist. Auch Parameter wie Welligkeit sind hoch und die Ansprechgeschwindigkeit des Reglers ist bei niedriger Frequenz niedrig, während die Welligkeit niedrig und die Ansprechgeschwindigkeit bei hoher Frequenz hoch ist.
6. Lärm
Die mit Schaltreglern verbundene Schaltaktion erzeugt Rauschen und damit verbundene Harmonische, die die Leistung des Gesamtsystems beeinträchtigen können, insbesondere in Systemen mit HF-Komponenten und Audiosignalen. Während das Rauschen mittels eines Filters usw. reduziert werden kann, kann es das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) in rauschempfindlichen Schaltkreisen wirklich reduzieren. Es ist daher wichtig sicherzustellen, dass die vom Regler erzeugte Geräuschentwicklung die Gesamtleistung des Systems nicht beeinträchtigt.
7. Effizienz
Effizienz ist heute ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung einer Stromversorgungslösung. Es ist im Wesentlichen das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung. Theoretisch beträgt der Wirkungsgrad eines Schaltreglers hundertprozentig, dies trifft jedoch in der Praxis normalerweise nicht zu, da der Widerstand des FET-Schalters, der Diodenspannungsabfall und der ESR sowohl des Induktors als auch des Ausgangskondensators den Gesamtwirkungsgrad des Reglers verringern. Während die meisten modernen Regler Stabilität über einen weiten Betriebsbereich bieten, variiert der Wirkungsgrad mit der Verwendung und wird beispielsweise stark verringert, wenn der vom Ausgang entnommene Strom zunimmt.
8. Lastregelung
Die Lastregelung ist ein Maß für die Fähigkeit eines Spannungsreglers, unabhängig von den Änderungen des Lastbedarfs eine konstante Spannung am Ausgang aufrechtzuerhalten.
9. Verpackung und Größe
Eines der üblichen Ziele beim Entwurf einer Hardwarelösung ist heutzutage , die Größe so weit wie möglich zu reduzieren. Dies umfasst im Wesentlichen das Reduzieren der Größe der Elektronikkomponente und ausnahmslos das Reduzieren der Anzahl von Komponenten, aus denen jeder Abschnitt des Geräts besteht. Ein kleines Stromversorgungssystem hilft nicht nur, die Gesamtgröße des Projekts zu reduzieren, sondern schafft auch Raum, in dem zusätzliche Produktmerkmale eingeschränkt werden können. Stellen Sie abhängig von den Zielen Ihres Projekts sicher, welchen Formfaktor / welche Paketgröße Sie verwenden passt in Ihr Raumbudget. Bei der Auswahl anhand dieses Faktors ist es auch wichtig, die Größe der Peripheriekomponenten zu berücksichtigen, die der Regler benötigt, um zu funktionieren. Beispielsweise ermöglicht die Verwendung von Hochfrequenz-ICs die Verwendung von Ausgangskondensatoren mit niedriger Kapazität und Induktivitäten, was zu einer verringerten Komponentengröße führt und umgekehrt.
Wenn Sie all dies identifizieren und mit Ihren Konstruktionsanforderungen vergleichen, können Sie schnell bestimmen, welcher Regler überschritten werden soll und welcher in Ihrem Design enthalten sein soll.
Teilen Sie den Kommentarbereich, den Sie meiner Meinung nach verpasst haben, und andere Kommentare mit.
Bis zum nächsten Mal.