Sprawność ma znaczenie dzięki odpowiedniemu przełączającemu regulatorowi napięcia

Przy doborze odpowiedniego przełączającego regulatora napięcia najważniejsza jest sprawność. Współczesne zminiaturyzowane urządzenia wymagają niezawodnego zasilania przy zachowaniu niewielkich rozmiarów.

Podstawowym wymogiem projektowania układów elektronicznych jest zdolność do generowania stabilnych napięć umożliwiających dostarczanie znacznych ilości prądu. Regulatory przełączające są niezbędnymi komponentami do generowania stabilnych napięć zasilania oraz do ich translacji w górę lub w dół.

Przełączające regulatory napięcia mogą być nazywane przełącznikami, zasilaczami impulsowymi (SMPS) oraz regulatorami lub przetwornicami prądu stałego. Ich popularność stale rośnie ze względu na oferowane przez nie zalety w zakresie bardziej wydajnej konwersji wysokiej mocy, elastyczności stabilnego wyjścia z jednego źródła napięcia wejściowego oraz możliwości dostosowania do wielu napięć wyjściowych o różnych polaryzacjach.

Najpopularniejsze typy przetwornic przełączających to:

• Podwyższająca, gdzie napięcie wejściowe jest podwyższane i kondycjonowane przed jego wyprowadzeniem
• Obniżająca, gdzie napięcie wejściowe jest obniżane i kondycjonowane przed jego wyprowadzeniem
• Obniżająco-podwyższająca, gdzie napięcie wejściowe jest zwiększane lub obniżane z opcją ujemnej biegunowości
• Typ flyback, czyli typ obniżająco-podwyższający, który zapewnia również izolację galwaniczną

Ustalone i nastawne liniowe regulatory napięcia

Przez wiele lat konstrukcje zasilaczy opierały się na liniowych regulatorach napięcia, które doskonale sprawdzały się w dostarczaniu ciągłego, ustalonego napięcia wyjściowego. Istnieją inne liniowe regulatory napięcia, takie jak LM317, które można regulować.

Popularne typy ustalonych i liniowych regulatorów napięcia wyjściowego to seria 78xx z dodatnim napięciem wyjściowym i 79xx z ujemnym napięciem wyjściowym. Omawiane regulatory napięcia zapewniają stabilne napięcie wyjściowe w zakresie od 5V do 24V.

Liniowe regulatory napięcia nie są zasilaczami impulsowymi. Zaletą regulatorów napięcia jest prostota i niski koszt. Zazwyczaj mają one moc wyjściową poniżej 10W, są zwykle mniej wydajne, generując ciepło i charakteryzują się niskimi szumami i tętnieniami. Regulatory liniowe mają tylko regulację obniżającą napięcie, podczas gdy zasilacze impulsowe (SMPS) mogą zapewniać podwyższanie i obniżanie oraz negację napięcia wejściowego za pomocą komponentów obniżających, obniżająco-podwyższających i podwyższających.

Systemy zasilaczy impulsowych

Większość nowoczesnych telewizorów, komputerów osobistych, napędów silników prądu stałego i wzmacniaczy mocy wymaga zaawansowanych i wydajnych zasilaczy impulsowych (SMPS), które do dostarczania napięcia wyjściowego wykorzystują techniki przełączania półprzewodnikowego zamiast standardowych metod liniowych. Podstawowa przetwornica przełączająca składa się ze stopnia przełączania mocy i obwodu sterującego.

Dzięki niższym stratom mocy zasilacze impulsowe (SMPS) mają tę zaletę, że zapewniają wyższą sprawność dzięki wewnętrznemu przełączaniu tranzystora (lub tranzystora mocy MOSFET) między stanem nasycenia - włączenia - i stanem odcięcia - stanem wyłączenia.

Obniżające regulatory przełączające

Seria BD9x firmy ROHM Semiconductor oferuje projektantom wysokosprawne przetwornice obniżające prądu stałego, które stanowią kompaktową opcję do zastosowań wymagających wydajnej konwersji mocy, na przykład w zastosowaniach motoryzacyjnych i przemysłowych. Seria BD9x charakteryzuje się uproszczoną konstrukcją o zmniejszonej liczbie komponentów, co oszczędza miejsce i usprawnia proces produkcyjny. Niski prąd w trybie czuwania pozwala wydłużyć czas pracy baterii w zastosowaniach przenośnych przy jednoczesnym utrzymaniu stabilnego napięcia wyjściowego, co przekłada się na niezawodność obniżającego regulatora przełączającego BD9A201FP4-LBZTL (ilustracja 1).

Ilustracja 1: obniżający regulator przełączający BD9A201FP4-LBZTL zapewnia stabilne napięcie wyjściowe. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Obniżający regulator przełączający BD9E105FP4-ZTL (ilustracja 2), który posiada pojedyncze regulowane wyjście, jest regulatorem prądu stałego zaprojektowanym specjalnie z myślą o niższych napięciach. Dzięki tranzystorom mocy MOSFET o niskiej rezystancji w stanie włączenia oraz pojedynczej synchronicznej obniżającej przetwornicy prądu stałego regulator BD9E105FP4-ZTL zapewnia najwyższą sprawność w warunkach niskiego obciążenia.Jest to idealne rozwiązanie dla urządzeń i sprzętu, które wymagają minimalnego poboru mocy w trybie czuwania.

Charakteryzuje się dobrą odpowiedzią impulsową, zajmuje niewiele miejsca na płytce drukowanej, a jednocześnie zapewnia wysoką gęstość mocy w niewielkiej obudowie. Idealnie nadaje się do urządzeń AGD, takich jak lodówki i klimatyzatory, urządzenia telekomunikacyjne, adaptery i urządzenia zasilania wtórnego.

Ilustracja 2: obniżający regulator przełączający BD9E105FP4-ZTL może zaspokoić zapotrzebowanie na niższe napięcie. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Podwyższające regulatory przełączające

Podwyższający regulator przełączający MP3414AGJ-Z posiada regulowane wyjście, a jego cienki profil pozwala na montaż powierzchniowy w ograniczonej przestrzeni. Z łatwością może pracować w zakresie temperatur od -40°C do +125°C i może rozpocząć pracę przy napięciu wejściowym zaledwie 1,8V, zapewniając jednocześnie zabezpieczenie przed prądem rozruchowym i zabezpieczenie przeciwzwarciowe wyjścia (SCP).

Możliwość pracy w trybie prądu synchronicznego przy zachowaniu wysokiej sprawności jest konieczna, gdy wymagana jest przetwornica podwyższająca z odłącznikiem wyjścia.Ponadto nie ma potrzeby stosowania zewnętrznej diody Schottky'ego, ponieważ sprawność została poprawiona dzięki zintegrowanemu prostownikowi synchronicznemu z kanałem P.Funkcja odłączania wyjścia podczas wyłączania urządzenia MP3414A pozwala na jego całkowite rozładowanie przy poborze prądu zasilania mniejszym niż 1μA w trybie wyłączania.

Mniejsze znaczy lepsze

Przy użyciu mikrokontrolera MP3414A można używać mniej komponentów zewnętrznych. Wykorzystuje on częstotliwość przełączania 1MHz, aby umożliwić stosowanie mniejszych komponentów zewnętrznych, a funkcja płynnego uruchamiania minimalizuje liczbę elementów zewnętrznych. Może obsługiwać szerokie zakresy obciążeń prądowych. Ponadto zintegrowany tranzystor mocy MOSFET obsługuje szczytowy prąd przełączania powyżej 3A przy napięciu wyjściowym sięgającym 5,5V.

Ta uniwersalność i szeroki zakres mocy przy kompaktowych rozmiarach idealnie sprawdzają się w takich zastosowaniach, jak jednoogniwowe baterie litowe, w tym dwuogniwowe i trzyogniwowe baterie alkaliczne, NiMH lub NiCd. Bezprzewodowe peryferia, akcesoria do gier, osobiste urządzenia medyczne i przenośne odtwarzacze multimediów - wszystkie one mogą korzystać z konwertera podwyższającego napięcie, takiego jak MP3414A.

Omawiana technologia rozwija się szybko i staje się coraz bardziej kompaktowa. W porównaniu z urządzeniem SOP-J8, płytka MP3414AGJ-Z w obudowie TSOT23 jest o około 72% mniejsza, co pozwala na osiągnięcie znacznie mniejszej zajmowanej powierzchni (ilustracja 3).

Ilustracja 3: ponieważ komponenty są projektowane jako coraz mniejsze, konieczna jest miniaturyzacja typów obudów, takich jak TSOT23. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Maksymalizacja sprawności przy jednoczesnym obniżeniu poboru mocy

Potrzeba miniaturyzacji jest stałą siłą napędową, a towarzyszy jej potrzeba utrzymania niezawodności i sprawności energetycznej. Regulator przełączający BD9E202FP4-ZTL zapewnia regulowaną moc wyjściową i niezawodne zasilanie w kompaktowej konstrukcji (ilustracja 4).

Ilustracja 4: regulator przełączający BD9E202FP4-ZTL zapewnia niezawodne zasilanie w mniejszej, bardziej kompaktowej konstrukcji. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Chociaż może istnieć przekonanie, że zmniejszenie mocy oznacza poświęcenie możliwości obciążenia lub niezawodnego dostarczania mocy, nie jest to prawdą. Urządzenie BD9E202FP4-ZTL zapewnia wysoką sprawność konwersji, a jednocześnie przyczynia się do mniejszego poboru mocy (ilustracja 5).

Dzięki niskiemu prądowi czuwania urządzenia z zasilaniem bateryjnym mogą korzystać z minimalnego poboru mocy w stanie bezczynności. Sprawne działanie przy niewielkich obciążeniach jest również możliwe dzięki stałemu sterowaniu czasem włączenia.

Ilustracja 5: projektanci poszukują przetwornic obniżających prądu stałego o wysokiej sprawności, które będą działać sprawnie i niezawodnie. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Przetwornice typu flyback prądu zmiennego-stałego i prądu stałego

Przetwornica typu flyback jest przetwornicą obniżająco-podwyższającą, która zawiera transformator typu flyback. Jest ona używana zarówno w konwersji prądu zmiennego na stały, jak i konwersji prądu stałego, gdzie występuje izolacja galwaniczna między dowolnymi wyjściami a wejściem i zapewnia zwielokrotnienie stosunków napięć z dodatkową zaletą izolacji.

Izolowana przetwornica mocy posiada dwa schematy sterowania w trybie napięciowym i prądowym. W większości przypadków sterowanie w trybie prądowym powinno być dominujące ze względu na stabilność podczas pracy.

Przetwornice obniżająco-podwyższające prądu stałego

Typową przetwornicą prądu stałego o wielkości napięcia wyjściowego większej lub mniejszej od napięcia wejściowego jest przetwornica obniżająco-podwyższająca.Możliwe jest w jej przypadku również generowanie napięć ujemnych. Jest podobna do przetwornicy typu flyback, ale zamiast transformatora wykorzystuje pojedynczą cewkę indukcyjną. Mówiąc konkretnie, przetwornica obniżająco-podwyższająca składa się z dwóch różnych topologii, z których obie wytwarzają napięcia wyjściowe w zakresie od zaledwie zera do większych niż wejściowe.

Zasilacze prądu stałego, czasami nazywane „czoperami”, zawierają obwód obniżająco-podwyższający, który działa jako przetwornica podwyższająca lub obniżająca, w zależności od cyklu pracy.

Podsumowanie

Sprawna konwersja mocy w dzisiejszych projektach motoryzacyjnych i przemysłowych nie może funkcjonować bez przełączających regulatorów napięcia. Współczesne projekty stają się coraz bardziej kompaktowe, dlatego zapotrzebowanie na uniwersalne i wydajne komponenty, które utrzymują stały poziom mocy, nigdy nie było większe.

Przełączające regulatory napięcia mogą występować pod różnymi nazwami - SMPS, przełączniki prądu stałego, regulatory lub przetwornice. Firma ROHM oferuje szeroką gamę kompaktowych opcji do różnych zastosowań wymagających wydajnej konwersji mocy.