Caracteristici și metodă de evaluare a regulatorilor de comutare

bază

Până acum am acoperit proprietățile importante ale regulatorului de comutare ca parte a unei discuții despre elementele de bază ale regulatorului de comutare. În acest articol, explicăm proprietățile importante ale unui regulator de comutare ca „sursă de alimentare” în legătură cu subiectul anterior, „Specificații IC”.

După cum sa menționat anterior, proiectarea regulatoarelor de comutare mai noi depinde în mod semnificativ de sursa de alimentare care este utilizată în regulator. În consecință, o condiție prealabilă importantă pentru a satisface specificațiile cerute ca sursă de alimentare este selectarea unui CI adecvat. În acest scop, poate fi necesar un compromis între specificațiile IC și sursa de alimentare.

De exemplu, dacă un CI este selectat pe baza presupunerii că, ca unitate de alimentare cu energie, este necesară o funcție de protecție la supracurent, IC poate include funcții de protecție la supratensiune și termică, pe lângă protecția la supracurent. În timp ce unele IC-uri permit dezactivarea unor caracteristici specifice, multe dintre ele nu oferă o astfel de opțiune. Într-un astfel de caz, o alegere bună ar putea fi schimbarea specificațiilor pentru specificațiile sursei de alimentare care includ caracteristica lipsă, dacă prezența caracteristicii nu prezintă un impact negativ. În schimb, o funcție de protecție împotriva supracurentului ar putea fi adăugată prin selectarea unui IC lipsit de o astfel de caracteristică și prin furnizarea unui circuit extern adecvat. Cu toate acestea, munca necesară în proiectarea circuitului, costul componentelor suplimentare și necesitatea testării operațiunii s-ar putea dovedi a nu fi rentabile din punct de vedere al timpului, al costului în dolari și al spațiului necesar pentru montare. Probleme funcționale absente și creșteri de costuri, compromisurile care produc un randament îmbunătățit ca unitate de alimentare cu energie electrică ar putea fi o abordare de dorit.

Ca proprietăți importante ale unei surse de alimentare, cel puțin următoarele proprietăți ar trebui înțelese și examinate cu atenție:

Regulamentul liniei
Reglarea liniei se referă la fluctuațiile tensiunii de ieșire în raport cu variația tensiunii DC de intrare. Aceasta poate fi exprimată în puncte procentuale sau o fluctuație specifică într-un anumit interval de intrare, cum ar fi 12 mV. Pentru CI-urile de alimentare cu energie electrică și, în special, pentru regulatoarele liniare, în majoritatea cazurilor acestea au aceeași denumire. În ceea ce privește semantica, este identică. Condițiile de tensiune de intrare pentru reglarea liniei unei surse de alimentare se bazează pe o gamă presupusă de tensiune de intrare a sursei de alimentare. În cazul reglării liniei, proprietatea care trebuie adresată înseamnă fluctuații statice de tensiune de ieșire, adică fluctuații non-tranzitorii.

Deși IC-urile de alimentare mai noi oferă performanțe excelente de reglare a liniei, în ceea ce privește circuitele ca sursă de alimentare, trebuie să ne uităm dincolo de capacitățile IC, dar trebuie să studiem și capacitatea condensatorului de intrare care să fie utilizat pentru a asigura o reglare suficientă a liniei.

Regulă de încărcare
Reglarea sarcinii se referă la fluctuațiile tensiunii de ieșire în raport cu variația curentului de sarcină. Similar reglării liniei, reglarea sarcinii este exprimată în termeni de puncte procentuale și fluctuații între un set dat de variații ale sarcinii. Ca și în cazul reglării liniei, specificațiile de reglare a sarcinii se aplică IC-ului în sine. Cu toate acestea, atunci când IC-ul este privit ca o sursă de alimentare, trebuie să ne concentrăm asupra faptului că nivelurile de tensiune diferă între ieșirea sursei de alimentare și intrarea de sarcină pe măsură ce tensiunea scade, din cauza componentelor rezistive ale firelor de ieșire. La priza de ieșire a puterii, când curentul de sarcină fluctuează, schimbările apar într-o manieră dependentă de reglarea sarcinii circuitului de putere în sine. Cu toate acestea, la intrarea de sarcină, există o scădere suplimentară a tensiunii datorită componentei de rezistență a interconectării. Din acest motiv, pot apărea multe situații în care tensiunile la pinii sursei de alimentare pentru sarcina care necesită curenți mari scad în mod neașteptat. O discuție mai detaliată cu privire la acest subiect va fi prezentată în secțiunea „Evaluarea regulatorului de comutare”.

Una dintre fluctuațiile de sarcină este o fluctuație tranzitorie. La fel ca în cazul reglării liniei, totuși, reglarea sarcinii nu este o proprietate asupra fenomenelor tranzitorii. Pentru a aborda tranzitorii de încărcare, invocăm un concept separat de răspuns tranzitoriu.

Eficienţă
Eficiența este definită ca raportul (%) dintre puterea de ieșire și puterea de intrare. În termeni simpli, eficiența este o valoare la care se poate ajunge prin măsurarea puterii (curent x tensiune) trasă la capătul de intrare și a puterii extrase din capătul de ieșire. Deși importanța eficienței este evidentă, amintiți-vă că minimizarea pierderilor se traduce direct prin reducerea generării de căldură. Generarea de căldură reprezintă un element critic de evaluare, deoarece nu numai că limitează cantitatea de putere de ieșire care poate fi utilizată, dar necesită și spațiu și dispozitive pentru disiparea căldurii și răcire și poate fi chiar un factor care reduce fiabilitatea circuitelor de alimentare cu energie. și a circuitelor suplimentare.

Tensiune de intrare/ieșire
Tensiunea de ondulare, care se referă la pulsație, are loc atât pe capetele de intrare, cât și pe cele de ieșire. La capătul de ieșire, deoarece dispozitivul de interes este un regulator de comutare, există întotdeauna o tensiune de undă care rezultă din operațiile de comutare. Deși termenul de zgomot de comutare poate fi folosit și pentru a descrie tensiunea de ondulare, primul cuprinde, în general, atât armonici, cât și vârfuri.

În ceea ce privește ondulațiile, tensiunea de ondulare, care este înălțimea unui impuls și frecvența, trebuie evaluate. În cazurile în care se utilizează o tensiune redusă de alimentare, cum ar fi 1V sau mai puțin, ca în cazul unui FPGA, pot apărea situații în care precizia necesară a tensiunii de alimentare nu poate fi satisfăcută din cauza tensiunii de ondulare. În plus, ondulațiile, inclusiv armoniile și vârfurile, tind să reducă sistemul S/N.

Deși ondulațiile de ieșire pot fi reduse prin intermediul unui filtru de ieșire, în situațiile în care frecvența fluctuează, cum ar fi în PFM, metodele pentru reducerea ondulației de ieșire necesită o analiză atentă.

Intrările de intrare apar atunci când tranzistorul de comutare trage un curent mare prin operații de comutare. Deoarece vârfurile pot apărea prin comutarea (pornirea/oprirea) curentului și prin inductanța parazită a intrării, eliminarea vârfurilor necesită o proiectare atentă a aspectului circuitului. În termeni concreți, condensatorul de intrare ar trebui să fie conectat chiar lângă pinii de intrare pentru IC pentru a elimina inductanța parazită.

Raspuns tranzitoriu
Caracteristica de răspuns tranzitoriu descrie rata de răspuns de la momentul în care curentul de sarcină de ieșire se schimbă brusc până când tensiunea de ieșire revine la valoarea setată. Factorii critici care afectează caracteristica de răspuns tranzitoriu includ performanța de răspuns a IC-ului în sine, pe lângă condensatorul de ieșire și rezistența serială echivalentă (ESR). În circuitul de alimentare curent în modul curent, caracteristica de răspuns tranzitoriu poate fi optimizată prin ajustarea caracteristicilor fazei. De asemenea, controlul histerezisului (ondulației) oferă caracteristici de răspuns tranzitoriu extrem de favorabile.

Disipare permisă
Disiparea admisibilă se referă la gradul de pierdere directă care poate fi tolerat de dispozitivele (circuite integrate și tranzistoare) utilizate într-un circuit de alimentare. În mod specific, înseamnă cantitatea de pierdere de putere admisibilă care poate fi calculată din Tjmax (temperatura maximă a joncțiunii nominale) și rezistența termică a pachetului. În cazul elementelor de putere (tranzistoare de comutare), termenul se referă la pierderea admisibilă, iar pentru dispozitivele de alimentare încorporate, termenul se referă la pierderea admisibilă inerentă IC-ului în sine. În ceea ce privește circuitele, deoarece dispozitivele de alimentare mai noi sunt montate la suprafață pe o placă de circuite, în majoritatea cazurilor PCB-ul poate fi utilizat ca radiator (este de la sine înțeles că, în cazul circuitelor de mare putere, este prevăzut un radiator separat ); în consecință, aspectul modelului este un aspect important. În orice caz, deoarece disiparea termică și disiparea admisibilă trebuie evaluate cu atenție, calculele de căldură sonore sunt un pas important.

Tabelul de mai jos rezumă principalele puncte tratate în discuția de mai sus: