Важные параметры, которые следует учитывать при выборе регулятора напряжения
Регулятор напряжения — это простое и экономичное устройство, которое может изменять входное напряжение на выходе на другой уровень и может поддерживать постоянное выходное напряжение даже при переменных условиях нагрузки. Почти все электронные устройства, от зарядного устройства для сотового телефона до кондиционеров и сложных электромеханических устройств, используют регулятор напряжения для подачи различных напряжений постоянного тока на разные компоненты устройства. Кроме того, во всех схемах питания используются микросхемы стабилизатора напряжения.
Например, в вашем смартфоне регулятор напряжения используется для повышения или понижения напряжения батареи для компонентов (таких как светодиод подсветки, микрофон, сим-карта и т. д.), которые требуют более высокого или более низкого напряжения, чем батарея. Выбор неправильного регулятора напряжения может привести к снижению надежности, увеличению энергопотребления и даже к перегоранию компонентов.
Итак, в этой статье мы обсудим некоторые важные параметры, которые следует учитывать при выбор регулятора напряжения для вашего проекта.
Важные факторы для выбора регулятора напряжения
1. Входное напряжение и выходное напряжение
Первым шагом к выбору стабилизатора напряжения является знание входного и выходного напряжения, с которыми вы будете работать. Линейным регуляторам напряжения требуется входное напряжение, превышающее номинальное выходное напряжение. Если входное напряжение меньше желаемого выходного напряжения, то это приводит к состоянию недостаточного напряжения, что приводит к тому, что регулятор отключается и обеспечивает нерегулируемый выходной сигнал.
Например, если вы используете стабилизатор напряжения 5 В с падением напряжения 2 В, то входное напряжение должно быть как минимум равно 7 В. для регулируемого выхода. Входное напряжение ниже 7 В приведет к нерегулируемому выходному напряжению.
Существуют различные типы регуляторов напряжения для различных диапазонов входного и выходного напряжения. Например, вам понадобится регулятор напряжения 5 В для Arduino Uno и стабилизатор напряжения 3.3 В для ESP8266. Вы даже можете использовать регулятор переменного напряжения, который можно использовать для различных выходных приложений.
2. Падение напряжения
Падение напряжения – это разница между входным и выходным напряжением регулятора напряжения. Например, мин. Входное напряжение для 7805 составляет 7 В, а выходное напряжение составляет 5 В, поэтому падение напряжения составляет 2 В. Если входное напряжение упадет ниже, выходное напряжение (5 В) + падение напряжения (2 В) приведет к нерегулируемому выходному сигналу, который может повредить ваше устройство. Поэтому перед выбором регулятора напряжения проверьте падение напряжения.
Падение напряжения зависит от регулятора напряжения; например, вы можете найти ряд 5-вольтовых регуляторов с различным падением напряжения. Линейные стабилизаторы могут быть чрезвычайно эффективными, когда они работают с очень низким падением входного напряжения. Поэтому, если вы используете батарею в качестве источника питания, вы можете использовать регуляторы LDO для большей эффективности.
3. Рассеиваемая мощность
Линейные стабилизаторы напряжения рассеивают больше энергии, чем импульсные регуляторы напряжения. Чрезмерное рассеивание мощности может привести к разрядке батареи, перегреву или повреждению устройства. Поэтому, если вы используете линейный стабилизатор напряжения, сначала рассчитайте рассеиваемую мощность. Для линейных регуляторов рассеиваемая мощность может быть рассчитана по формуле:
Вы можете использовать импульсные стабилизаторы напряжения вместо линейных стабилизаторов напряжения, чтобы избежать проблемы рассеивания мощности.
4. КПД
КПД – это отношение выходной мощности к входной мощности, пропорциональное отношению выходного напряжения к входному напряжению. Таким образом, эффективность регуляторов напряжения напрямую ограничена падением напряжения и током покоя, поскольку чем выше падение напряжения, тем ниже эффективность.
Для повышения эффективности необходимо свести к минимуму падение напряжения и ток покоя, а также минимизировать разность напряжений между входом и выходом.
5. Точность напряжения
Общая точность регулятора напряжения зависит от регулирования линии, регулирования нагрузки, дрейфа опорного напряжения, дрейфа напряжения усилителя ошибки и температурного коэффициента. Типичные линейные регуляторы обычно имеют спецификацию выходного напряжения, которая гарантирует, что регулируемый выход будет в пределах 5% от номинального. Поэтому, если вы используете стабилизатор напряжения для питания цифровых ИС, допуск 5% не является большой проблемой.
6. Регулировка нагрузки
Регулирование нагрузки определяется как способность схемы поддерживать заданное выходное напряжение при различных условиях нагрузки. Регулирование нагрузки выражается как:
7. Линейное регулирование
Стабилизация линии определяется как способность схемы поддерживать заданное выходное напряжение при изменении входного напряжения. Линейное регулирование выражается как:
Таким образом, для выбор подходящего регулятора напряжения для любого применения, следует учитывать все вышеперечисленные факторы,
Выбор подходящего импульсного регулятора для вашего приложения
Питание является важной частью любого электронного проекта/устройства. Независимо от источника обычно необходимо выполнять задачи управления питанием, такие как преобразование/масштабирование напряжения и преобразование (AC-DC/DC-DC) среди прочего. Выбор правильного решения для каждой из этих задач может стать ключом к успеху (или провалу) продукта. Одной из наиболее распространенных задач управления питанием почти во всех типах устройств является Регулировка/масштабирование напряжения постоянного тока постоянного тока. Это включает в себя изменение значения постоянного напряжения на входе до более высокого или более низкого значения на выходе. Компоненты/модули, используемые для решения этих задач, обычно называются регуляторами напряжения. Как правило, они могут обеспечивать постоянное выходное напряжение, которое выше или ниже входного напряжения, и они обычно используются для подачи питания на компоненты в конструкциях, в которых есть секции с разными напряжениями. Они также используются в традиционных источниках питания.
Есть два основные типы стабилизаторов напряжения;
- Линейные регуляторы
- Регуляторы переключения
Линейные регуляторы напряжения обычно это понижающие регуляторы, и они используют управление импедансом для создания линейного снижения входного напряжения на выходе. Обычно они очень дешевы, но неэффективны, так как во время регулирования много энергии уходит на тепло. Регуляторы переключения с другой стороны, они способны повышать или понижать напряжение, подаваемое на вход, в зависимости от архитектуры. Они достигают регулирования напряжения, используя процесс включения/выключения транзистора, который управляет напряжением, доступным на выходе регуляторов. По сравнению с линейными регуляторами импульсные регуляторы обычно дороже и намного эффективнее.
В сегодняшней статье мы сосредоточимся на импульсные регуляторы и поскольку название выдало, мы будем смотреть на Факторы, которые следует учитывать при выборе импульсного стабилизатора для проекта.
Из-за сложности других частей проекта (основные функции, ВЧ и т. д.) выбор регуляторов для электропитания обычно является одним из действий, остающихся до конца процесса проектирования. В сегодняшней статье мы попытаемся предоставить дизайнеру, ограниченному во времени, советы о том, что искать в характеристиках импульсного регулятора, чтобы определить, подходит ли он для вашего конкретного варианта 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
В основном существует три типа импульсных стабилизаторов, и факторы, которые следует учитывать, зависят от того, какой из типов будет использоваться для вашего приложения. Три типа;
- Бак Регуляторы
- Регуляторы наддува
- Понижающие повышающие регуляторы
1. Понижающие регуляторы
Бак регуляторы, Которая также называется понижающие регуляторы or понижающие преобразователи пожалуй, самые популярные импульсные стабилизаторы. У них есть возможность понижать напряжение. приложенное на входе к меньшему напряжению на выходе. Таким образом, их номинальное входное напряжение обычно выше их номинального выходного напряжения. Ниже показана базовая схема понижающего преобразователя.
Выходной сигнал регулятора связан с включением и выключением транзистора, а значение напряжения обычно зависит от рабочего цикла транзистора (как долго транзистор был включен в каждом полном цикле). Выходное напряжение определяется приведенным ниже уравнением, из которого мы можем сделать вывод, что рабочий цикл никогда не может быть равен единице, и поэтому выходное напряжение всегда будет меньше входного напряжения. Поэтому понижающие стабилизаторы используются, когда требуется снижение напряжения питания между одной стадией схемы и другой. Вы можете узнать больше об основах проектирования и эффективности понижающего регулятора здесь, а также узнать, как построить схему понижающего преобразователя.
2. Повышающие регуляторы
Регуляторы наддува или повышающие преобразователи работают прямо противоположно регуляторам buck. Они подают напряжение выше, чем входное напряжение, на их выходе. Как и в понижающих регуляторах, они используют действие переключающего транзистора для увеличения напряжения на выходе и обычно состоят из тех же компонентов, что и в понижающих регуляторах, с той лишь разницей, что компоненты расположены. А простая схема регулятора наддува показано ниже.
Вы можете узнать больше об основах проектирования и эффективности повышающего регулятора здесь, можете построить один повышающий преобразователь, следуя этой схеме повышающего преобразователя.
3. Регуляторы Buck-Boost
И последнее, но не менее важное: понижающие регуляторы наддува. Из их названия легко сделать вывод, что они обеспечивают как повышающий, так и понижающий эффект входного напряжения, повышающе-понижающий преобразователь создает инвертированное (отрицательное) выходное напряжение, которое может быть больше или меньше входного напряжения в зависимости от рабочего цикла. Ниже приведена базовая схема питания переключаемого режима повышения-понижения.
Понижающе-повышающий преобразователь представляет собой разновидность схемы повышающего преобразователя, в которой инвертирующий преобразователь подает в нагрузку только энергию, накопленную катушкой индуктивности L1.
Выбор любого из этих трех типов импульсных регуляторов зависит исключительно от требований проектируемой системы. Независимо от типа используемого регулятора, важно убедиться, что технические характеристики регуляторов соответствуют требованиям конструкции.
Факторы, которые следует учитывать при выборе импульсного регулятора
Конструкция импульсного стабилизатора в значительной степени зависит от используемой для него силовой ИС, поэтому большинство факторов, которые следует учитывать, будут характеристиками используемой силовой ИС. Важно понимать характеристики Power IC и их значение, чтобы убедиться, что вы выбрали правильный вариант для своего приложения.
Независимо от вашего приложения, проверка следующих факторов поможет вам сократить время, затрачиваемое на выбор.
1. Диапазон входного напряжения
Это относится к допустимый диапазон входных напряжений, поддерживаемых микросхемой. Обычно это указывается в листе данных, и для разработчика важно убедиться, что входное напряжение для вашего приложения находится в пределах диапазона входного напряжения, указанного для ИС. Хотя в некоторых спецификациях может указываться только максимальное входное напряжение, перед тем, как делать какие-либо предположения, лучше проверить спецификацию, чтобы убедиться, что в ней нет упоминания о минимальном диапазоне входного напряжения. Когда подается напряжение выше максимального входного напряжения, ИС 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 ИС, когда на вход подается напряжение, выходящее за пределы диапазона, является блокировка при пониженном напряжении (UVLO), проверка наличия которой также может помочь в принятии проектных решений.
2. Диапазон выходного напряжения
Импульсные регуляторы обычно имеют регулируемые выходы. Диапазон выходного напряжения представляет собой диапазон напряжения, на которые может быть установлено требуемое выходное напряжение. В микросхемах без опции переменного выхода это обычно одно значение. Важно убедиться, что требуемое выходное напряжение находится в пределах диапазона, указанного для ИС, и с хорошим запасом прочности, как разница между максимальным диапазоном выходного напряжения и требуемым выходным напряжением. как правило, минимальное выходное напряжение не может быть установлено ниже уровня 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, для которого была разработана ИС. По сути, это указание какой ток ИС может обеспечить на своем выходе. Для некоторых ИС указывается только максимальный выходной ток в качестве меры безопасности и для того, чтобы помочь разработчику убедиться, что регулятор сможет обеспечить ток, необходимый для приложения. Для других ИС указаны как минимальные, так и максимальные номиналы. Это может быть очень полезно при планировании методов управления питанием для вашего приложения.
При выборе регулятора на основе выходного тока ИС важно обеспечить запас прочности между максимальным током, требуемым вашим приложением, и максимальным выходным током регулятора. Важно убедиться, что максимальный выходной ток регулятора превышает 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 теплом. . Также КПД ИС снижается при работе на максимуме.
4. Диапазон рабочих температур
Этот термин относится к диапазону температур, в котором регулятор работает должным образом. Он определяется с точки зрения либо температура окружающей среды (Ta), либо температура перехода (Tj). Температура TJ относится к самой высокой рабочей температуре транзистора, а температура окружающей среды относится к температуре окружающей среды вокруг устройства.
Если диапазон рабочих температур определяется температурой окружающей среды, это не обязательно означает, что регулятор можно использовать во всем диапазоне температур. Важно учитывать фактор безопасности, а также учитывать планируемый ток нагрузки и сопутствующее тепло, поскольку сочетание этого и температуры окружающей среды составляет температуру перехода, которую также нельзя превышать. Нахождение в диапазоне рабочих температур имеет решающее значение для правильной непрерывной работы регулятора, поскольку чрезмерное нагревание может привести к ненормальной работе и катастрофическому отказу регулятора. Таким образом, важно обратить внимание на теплоту окружающей среды, в которой будет использоваться устройство, а также определить возможное количество тепла, которое будет генерироваться устройством в результате тока нагрузки, прежде чем определять, соответствует ли заданный диапазон рабочих температур. регулятора работает на вас. Важно отметить, что некоторые регуляторы также могут выйти из строя в экстремально холодных условиях, и стоит обратить внимание на минимальные значения температуры, если приложение будет развернуто в холодных условиях.
5. Частота переключения
Частота переключения относится к скорость, с которой управляющий транзистор включается и выключается в импульсном регуляторе. В регуляторах на основе широтно-импульсной модуляции частота обычно фиксируется при частотно-импульсной модуляции.
Частота переключения влияет на такие параметры регулятора, как пульсации, выходной ток, максимальный КПД и скорость отклика. Расчет частоты переключения всегда предполагает использование соответствующих значений индуктивности, так что характеристики двух одинаковых регуляторов с разной частотой переключения будут разными. Если рассмотреть два одинаковых регулятора на разных частотах, то будет обнаружено, что максимальный ток, например, будет низким для регулятора, работающего на более низкой частоте, по сравнению с регулятором, работающим на высокой частоте. Кроме того, такие параметры, как пульсация, будут высокими, а скорость отклика регулятора будет низкой на низкой частоте, в то время как пульсация будет низкой, а скорость отклика высокой на высокой частоте.
6. шум
Действие переключения, связанное с импульсными стабилизаторами, создает шум и связанные с ним гармоники, которые могут повлиять на работу всей системы, особенно в системах с радиочастотными компонентами и аудиосигналами. Хотя шум можно уменьшить с помощью фильтра и т. д., он действительно может снизить отношение сигнал/шум (SNR) в схемах, чувствительных к шуму. Таким образом, важно быть уверенным, что количество шума, создаваемого регулятором, не повлияет на общую производительность системы.
7. КПД
В настоящее время эффективность является важным фактором, который необходимо учитывать при разработке любого решения по энергетике. 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 полевых транзисторах, падение напряжения на диоде и ESR как катушки индуктивности, так и выходного конденсатора снижают общий КПД регулятора. В то время как большинство современных регуляторов обеспечивают стабильность в широком рабочем диапазоне, эффективность меняется в зависимости от использования и, например, значительно снижается по мере увеличения тока, потребляемого на выходе.
8. Регулировка нагрузки
Регулирование нагрузки — это мера способности регулятора напряжения поддерживать постоянное напряжение на выходе независимо от изменения нагрузки.
9. Упаковка и размер
Одной из обычных целей при разработке любого аппаратного решения в наши дни является максимально уменьшить размер. По сути, это включает в себя уменьшение размера электронного компонента и неизменное уменьшение количества компонентов, составляющих каждую секцию устройства. Система питания малого размера не только помогает уменьшить общий размер проекта, но также помогает создать пространство, в котором могут быть ограничены дополнительные функции продукта. В зависимости от целей вашего проекта, убедитесь, что форм-фактор/размер упаковки вы используете. впишется в ваш космический бюджет. При выборе на основе этого фактора также важно учитывать размер периферийных компонентов, необходимых для работы регулятора. Например, использование высокочастотных ИС 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 требованиями к конструкции помогут вам быстро определить, какой регулятор следует пересечь, а какой должен присутствовать в вашей конструкции.
Поделитесь, какой фактор, по вашему мнению, я упустил, и любыми другими комментариями в разделе комментариев.