Nguồn là một phần quan trọng của bất kỳ dự án / thiết bị điện tử nào. Bất kể nguồn nào, thường có nhu cầu thực hiện các tác vụ quản lý điện năng như chuyển đổi / mở rộng điện áp và chuyển đổi (AC-DC / DC-DC) trong số những người khác. Lựa chọn giải pháp phù hợp cho từng nhiệm vụ này có thể là chìa khóa cho sự thành công (hoặc thất bại) của sản phẩm. Một trong những nhiệm vụ quản lý điện năng phổ biến nhất trong hầu hết các loại thiết bị là điều chỉnh / mở rộng điện áp DC-DC. Điều này liên quan đến việc thay đổi giá trị của điện áp DC ở đầu vào thành giá trị cao hơn hoặc thấp hơn ở đầu ra. Các thành phần / mô-đun được sử dụng để đạt được các nhiệm vụ này thường được gọi là bộ điều chỉnh điện áp. Chúng thường có khả năng cung cấp điện áp đầu ra không đổi cao hơn hoặc thấp hơn điện áp đầu vào và chúng thường được sử dụng để cung cấp điện cho các thành phần trong các thiết kế mà bạn có các phần ở điện áp khác nhau. Chúng cũng được sử dụng trong các bộ nguồn truyền thống.
Có hai loại bộ điều chỉnh điện áp chính;
- Bộ điều chỉnh tuyến tính
- Bộ điều chỉnh chuyển đổi
Bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính thường là bộ điều chỉnh bước xuống và chúng sử dụng điều khiển trở kháng để tạo ra sự giảm tuyến tính của điện áp đầu vào ở đầu ra. Chúng thường rất rẻ nhưng không hiệu quả vì rất nhiều năng lượng bị mất nhiệt trong quá trình điều chỉnh. Mặt khác, bộ điều chỉnh chuyển mạch có khả năng tăng hoặc giảm điện áp đặt ở đầu vào tùy thuộc vào kiến trúc. Chúng đạt được điều chỉnh điện áp bằng cách sử dụng quá trình chuyển đổi bật / tắt của một bóng bán dẫn điều khiển điện áp có sẵn ở đầu ra của bộ điều chỉnh. So với bộ điều chỉnh tuyến tính, bộ điều chỉnh chuyển mạch thường đắt hơn và hiệu quả hơn nhiều.
Đối với bài viết hôm nay, chúng tôi sẽ tập trung vào bộ điều chỉnh chuyển mạch và như tiêu đề đã đưa ra, chúng tôi sẽ xem xét các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn bộ điều chỉnh chuyển mạch cho một dự án.
Do sự phức tạp của các phần khác của dự án (các chức năng cốt lõi, RF, v.v.), việc lựa chọn bộ điều chỉnh để cung cấp điện thường là một trong những hành động còn lại cho đến khi kết thúc quá trình thiết kế. Bài viết hôm nay sẽ cố gắng cung cấp cho người thiết kế giới hạn thời gian, với các mẹo về những gì cần tìm trong các thông số kỹ thuật của bộ điều chỉnh chuyển mạch, để xác định xem nó có phù hợp với trường hợp sử dụng cụ thể của bạn hay không. Thông tin chi tiết cũng sẽ được cung cấp về cách diễn giải các cách khác nhau mà các nhà sản xuất khác nhau trình bày thông tin về các thông số như nhiệt độ, tải, v.v.
Các loại bộ điều chỉnh chuyển mạch
Về cơ bản có ba loại bộ điều chỉnh chuyển mạch và các yếu tố cần xem xét tùy thuộc vào loại nào sẽ được sử dụng cho ứng dụng của bạn. Ba loại là;
- Bộ điều chỉnh Buck
- Tăng cường bộ điều chỉnh
- Bộ điều chỉnh Buck Boost
1. Bộ điều chỉnh Buck
Bộ điều chỉnh Buck, còn được gọi là bộ điều chỉnh bước xuống hoặc bộ chuyển đổi buck được cho là bộ điều chỉnh chuyển mạch phổ biến nhất. Chúng có khả năng giảm điện áp đặt ở đầu vào xuống điện áp thấp hơn ở đầu ra. Do đó, điện áp đầu vào danh định của chúng thường cao hơn điện áp đầu ra danh định của chúng. Sơ đồ cơ bản cho một bộ chuyển đổi buck được hiển thị bên dưới.
Đầu ra của bộ điều chỉnh là do quá trình bật và tắt của bóng bán dẫn và giá trị điện áp thường là một hàm của chu kỳ làm việc của bóng bán dẫn (thời gian bóng bán dẫn hoạt động trong mỗi chu kỳ hoàn chỉnh). Điện áp đầu ra được đưa ra bởi phương trình dưới đây, từ đó chúng ta có thể suy ra rằng chu kỳ làm việc không bao giờ có thể bằng một và do đó điện áp đầu ra sẽ luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào. Do đó, bộ điều chỉnh Buck được sử dụng khi yêu cầu giảm điện áp cung cấp giữa một giai đoạn của thiết kế và giai đoạn khác. Bạn có thể tìm hiểu thêm về Kiến thức cơ bản về thiết kế và hiệu quả của bộ điều chỉnh buck tại đây, tìm hiểu thêm về cách xây dựng mạch bộ chuyển đổi Buck.
2. Bộ điều chỉnh tăng cường
Bộ điều chỉnh tăng cường hoặc bộ chuyển đổi tăng cường hoạt động theo cách đối lập trực tiếp với bộ điều chỉnh buck. Chúng cung cấp điện áp cao hơn điện áp đầu vào, tại Đầu ra của chúng. Giống như bộ điều chỉnh buck, chúng sử dụng hoạt động của bóng bán dẫn chuyển mạch để tăng điện áp ở đầu ra và thường được tạo thành từ các thành phần giống nhau được sử dụng trong bộ điều chỉnh buck với sự khác biệt duy nhất là sự sắp xếp của các thành phần. Một sơ đồ đơn giản cho bộ điều chỉnh tăng áp được hiển thị bên dưới.
Bạn có thể tìm hiểu thêm về Kiến thức cơ bản về thiết kế và hiệu quả của bộ điều chỉnh Boost tại đây, có thể xây dựng một bộ chuyển đổi Boost bằng cách làm theo Mạch chuyển đổi Boost này.
3. Bộ điều chỉnh Buck-Boost
Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là các bộ điều chỉnh tăng cường buck. Từ tên của chúng, có thể dễ dàng suy ra rằng chúng cung cấp cả hiệu ứng boost và buck cho điện áp đầu vào. Bộ chuyển đổi buck-boost tạo ra điện áp đầu ra ngược (âm) có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào dựa trên chu kỳ làm việc. Mạch cung cấp nguồn cho chế độ chuyển đổi buck-boost cơ bản được đưa ra bên dưới.
Bộ chuyển đổi buck-boost là một biến thể của mạch bộ chuyển đổi tăng cường trong đó bộ chuyển đổi đảo chỉ cung cấp năng lượng được lưu trữ bởi cuộn cảm, L1, vào tải.
Việc lựa chọn bất kỳ loại bộ điều chỉnh chuyển mạch nào trong số ba loại bộ điều chỉnh chuyển mạch này, chỉ phụ thuộc vào những gì được yêu cầu bởi hệ thống được thiết kế. Bất kể loại bộ điều chỉnh được sử dụng, điều quan trọng là đảm bảo các thông số kỹ thuật của bộ điều chỉnh đáp ứng các yêu cầu của thiết kế.
Các yếu tố cần xem xét khi chọn bộ điều chỉnh chuyển mạch
Việc thiết kế một bộ điều chỉnh chuyển mạch phụ thuộc rất nhiều vào IC nguồn được sử dụng cho nó, do đó hầu hết các yếu tố cần xem xét sẽ là thông số kỹ thuật của IC nguồn được sử dụng. Điều quan trọng là phải hiểu các thông số kỹ thuật của Power IC và biểu hiện của chúng để đảm bảo bạn chọn đúng cho ứng dụng của mình.
Bất kể ứng dụng của bạn là gì, chạy kiểm tra các yếu tố sau đây sẽ giúp bạn giảm thời gian lựa chọn.
1. Dải điện áp đầu vào
Điều này đề cập đến phạm vi điện áp đầu vào có thể chấp nhận được được hỗ trợ bởi IC. Nó thường được chỉ định trong bảng dữ liệu và với tư cách là nhà thiết kế, điều quan trọng là đảm bảo rằng điện áp đầu vào cho ứng dụng của bạn, nằm trong phạm vi Điện áp đầu vào được chỉ định cho IC. Mặc dù một số bảng dữ liệu nhất định chỉ có thể chỉ định cho điện áp đầu vào tối đa, nhưng tốt hơn là bạn nên kiểm tra bảng dữ liệu để đảm bảo không có đề cập đến phạm vi đầu vào tối thiểu trước khi đưa ra bất kỳ giả định nào. Khi đặt điện áp cao hơn điện áp đầu vào tối đa, IC thường bị báo cháy nhưng nó thường ngừng hoạt động hoặc hoạt động bất thường khi điện áp thấp hơn điện áp đầu vào tối thiểu được áp dụng, tất cả tùy thuộc vào các biện pháp bảo vệ tại chỗ. Một trong những biện pháp bảo vệ thường được áp dụng để ngăn ngừa hư hỏng IC khi điện áp nằm ngoài dải được cung cấp ở đầu vào là Ngõ ra khóa điện áp dưới (UVLO),kiểm tra xem điều này có sẵn hay không cũng có thể giúp ích cho các quyết định thiết kế của bạn.
2. Dải điện áp đầu ra
Bộ điều chỉnh chuyển mạch thường có đầu ra thay đổi. Phạm vi điện áp đầu ra đại diện cho phạm vi điện áp mà điện áp đầu ra yêu cầu của bạn có thể được đặt. Trong các IC không có tùy chọn đầu ra thay đổi, đây thường là một giá trị duy nhất. Điều quan trọng là đảm bảo rằng điện áp đầu ra yêu cầu của bạn nằm trong phạm vi được chỉ định cho IC và có hệ số an toàn tốt là sự khác biệt giữa phạm vi điện áp đầu ra tối đa và điện áp đầu ra bạn yêu cầu. theo nguyên tắc chung, điện áp đầu ra tối thiểu không được đặt ở mức điện áp thấp hơn điện áp tham chiếu bên trong. Tùy thuộc vào ứng dụng của bạn (buck hoặc boost), phạm vi đầu ra tối thiểu có thể lớn hơn điện áp đầu vào (tăng) hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào (buck).
3. Sản lượng hiện tại
Thuật ngữ này đề cập đến đánh giá hiện tại mà vi mạch được thiết kế. Về cơ bản, nó là một chỉ báo về lượng dòng điện mà IC có thể cung cấp ở đầu ra của nó. Đối với một số IC, Chỉ dòng điện đầu ra tối đa được chỉ định làm thước đo an toàn và để giúp nhà thiết kế đảm bảo bộ điều chỉnh sẽ có thể cung cấp dòng điện cần thiết cho ứng dụng. Đối với các IC khác, cả xếp hạng tối thiểu và tối đa đều được cung cấp. Điều này có thể rất hữu ích trong việc lập kế hoạch các kỹ thuật quản lý điện năng cho ứng dụng của bạn.
Khi lựa chọn bộ điều chỉnh dựa trên dòng điện đầu ra của IC, điều quan trọng là đảm bảo tồn tại biên độ an toàn giữa dòng điện tối đa theo yêu cầu của ứng dụng của bạn và dòng điện đầu ra tối đa của bộ điều chỉnh. Điều quan trọng là đảm bảo dòng điện đầu ra tối đa của bộ điều chỉnh cao hơn dòng điện đầu ra yêu cầu của bạn ít nhất 10 đến 20%, vì IC có thể tạo ra lượng nhiệt cao khi hoạt động ở mức tối đa liên tục và có thể bị hỏng do nhiệt. Ngoài ra, hiệu suất của IC cũng giảm khi hoạt động tối đa.
4. Phạm vi nhiệt độ hoạt động
Thuật ngữ này đề cập đến phạm vi nhiệt độ mà bộ điều chỉnh hoạt động bình thường. Nó được định nghĩa theo nhiệt độ môi trường xung quanh (Ta) hoặc nhiệt độ mối nối (Tj). Nhiệt độ TJ đề cập đến nhiệt độ hoạt động cao nhất của bóng bán dẫn, trong khi nhiệt độ môi trường đề cập đến nhiệt độ của môi trường xung quanh thiết bị.
Nếu phạm vi nhiệt độ hoạt động được xác định theo nhiệt độ môi trường, điều đó không nhất thiết có nghĩa là bộ điều chỉnh có thể được sử dụng trên toàn bộ phạm vi nhiệt độ. Điều quan trọng là phải tính đến yếu tố an toàn và cả yếu tố trong dòng tải dự kiến và nhiệt kèm theo vì sự kết hợp của nhiệt độ này và nhiệt độ môi trường là yếu tố tạo nên nhiệt độ mối nối cũng không được vượt quá. Việc duy trì trong phạm vi nhiệt độ hoạt động là rất quan trọng đối với hoạt động thích hợp, liên tục của bộ điều chỉnh vì nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến hoạt động bất thường và hỏng hóc nghiêm trọng của bộ điều chỉnh.Do đó, điều quan trọng là phải chú ý đến nhiệt xung quanh trong môi trường mà thiết bị sẽ được sử dụng và cũng xác định lượng nhiệt có thể được tạo ra bởi thiết bị do dòng tải trước khi xác định xem phạm vi nhiệt độ hoạt động được chỉ định. của cơ quan quản lý hoạt động cho bạn. Điều quan trọng cần lưu ý là một số bộ điều chỉnh nhất định cũng có thể bị lỗi trong điều kiện cực lạnh và cần chú ý đến các giá trị nhiệt độ tối thiểu nếu ứng dụng sẽ được triển khai trong môi trường lạnh.
5. Tần số chuyển mạch
Tần số chuyển mạch đề cập đến tốc độ mà bóng bán dẫn điều khiển được bật và tắt trong bộ điều chỉnh chuyển mạch. Trong các bộ điều chỉnh dựa trên điều chế độ rộng xung, tần số thường được cố định trong khi trong Điều chế tần số xung.
Tần số chuyển mạch ảnh hưởng đến các thông số của bộ điều chỉnh như gợn sóng, dòng điện đầu ra, hiệu suất tối đa và tốc độ phản hồi. Thiết kế cho tần số chuyển mạch luôn liên quan đến việc sử dụng các giá trị điện cảm phù hợp, sao cho hiệu suất của hai bộ điều chỉnh tương tự có tần số đóng cắt khác nhau sẽ khác nhau. Nếu hai bộ điều chỉnh tương tự ở các tần số khác nhau được xem xét, thì sẽ phát hiện ra rằng, ví dụ dòng điện cực đại sẽ thấp đối với bộ điều chỉnh hoạt động ở tần số thấp hơn so với dòng điện của bộ điều chỉnh ở tần số cao. Ngoài ra, các thông số như gợn sóng sẽ cao và tốc độ phản hồi của bộ điều chỉnh sẽ thấp ở tần số thấp, trong khi gợn sóng sẽ thấp và tốc độ phản hồi, cao ở tần số cao.
6. Tiếng ồn
Hành động chuyển mạch liên quan đến bộ điều chỉnh chuyển mạch tạo ra tiếng ồn và các sóng hài liên quan có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống tổng thể, đặc biệt là trong các hệ thống có các thành phần RF và tín hiệu âm thanh. Trong khi tiếng ồn có thể được giảm thiểu bằng bộ lọc, v.v., nó thực sự có thể làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) trong các mạch nhạy cảm với tiếng ồn. Do đó, điều quan trọng là phải đảm bảo lượng tiếng ồn do bộ điều chỉnh tạo ra sẽ không ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hệ thống.
7. Hiệu quả
Hiệu quả là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong thiết kế của bất kỳ giải pháp điện nào ngày nay. Về bản chất nó là tỷ số giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào. Về mặt lý thuyết, hiệu suất của bộ điều chỉnh chuyển mạch là hàng trăm phần trăm, nhưng điều này thường không đúng trong thực tế vì điện trở của bộ chuyển mạch FET, sụt áp diode và ESR của cả cuộn cảm và tụ điện đầu ra làm giảm hiệu suất tổng thể của bộ điều chỉnh. Trong khi hầu hết các bộ điều chỉnh hiện đại cung cấp sự ổn định trên phạm vi hoạt động rộng, hiệu quả thay đổi theo cách sử dụng và chẳng hạn như giảm đáng kể khi dòng điện từ đầu ra tăng lên.
8. Quy định tải trọng
Điều chỉnh tải là một phép đo khả năng của bộ điều chỉnh điện áp để duy trì một điện áp không đổi ở đầu ra bất kể những thay đổi trong yêu cầu tải.
9. Bao bì và Kích thước
Một trong những mục tiêu thông thường trong quá trình thiết kế bất kỳ giải pháp phần cứng nào ngày nay là giảm kích thước càng nhiều càng tốt. Điều này về cơ bản bao gồm việc giảm kích thước của thành phần điện tử và luôn luôn giảm số lượng thành phần tạo nên mỗi phần của thiết bị. Hệ thống điện kích thước nhỏ không chỉ giúp giảm quy mô tổng thể của dự án mà còn giúp tạo ra không gian cho các tính năng bổ sung của sản phẩm có thể bị chật chội. Tùy thuộc vào mục tiêu của dự án của bạn, hãy đảm bảo yếu tố hình thức / kích thước gói bạn đi cùng sẽ phù hợp với ngân sách không gian của bạn. Trong khi lựa chọn dựa trên yếu tố này, điều quan trọng là phải tính đến kích thước của các thành phần ngoại vi mà bộ điều chỉnh yêu cầu để hoạt động. Ví dụ, việc sử dụng IC tần số cao cho phép sử dụng tụ điện đầu ra có điện dung và cuộn cảm thấp, dẫn đến kích thước thành phần giảm và ngược lại.
Xác định tất cả những điều này và so sánh với các yêu cầu thiết kế của bạn sẽ nhanh chóng giúp bạn xác định bộ điều chỉnh nào nên được vượt qua và bộ điều chỉnh nào nên có trong thiết kế của bạn.
Hãy chia sẻ yếu tố nào bạn nghĩ tôi đã bỏ qua và bất kỳ ý kiến nào khác qua phần bình luận.
Cho đến thời điểm tiếp theo.