proiectarea

Proiectarea sursei de comutare pentru tensiune și curent ridicat

De la circuite integrate la surse de alimentare mari de la componente discrete, următorul PCB va avea nevoie de un fel de schemă de reglare a puterii pentru a funcționa corect. Ne place să credem că sursele de alimentare asigură o ieșire continuă de curent alternativ sau continuu, dar acest lucru nu este aproape niciodată cazul. Sistemele analogice de precizie și sistemele digitale necesită o tensiune stabilă, previzibilă, cu eficiență ridicată.

Având în vedere acest lucru, ce determină eficiența, stabilitatea și puterea de ieșire în proiectarea sursei de alimentare de comutare? Putem reduce acest lucru în cinci zone:

  • Topologia convertorului de comutare
  • Circuite de susținere
  • Selectarea componentelor
  • Frecvența de comutare
  • Impedanță PDN

Ultimele două puncte de mai sus sunt de obicei gânduri ulterioare în proiectarea sursei de alimentare cu comutare, dar sunt cele mai importante pentru sistemele de nivel scăzut, cum ar fi dispozitivele IoT de putere redusă și sistemele analogice de precizie. Iată ce trebuie să știți despre proiectarea sursei de alimentare cu comutare.

Sfaturi pentru proiectarea sursei de alimentare cu comutare

Sisteme DC de nivel scăzut

O sursă de alimentare tipică de comutare pentru sistemele digitale cu putere redusă/nivel scăzut poate conține circuite de control într-un pachet mic IC. În acest caz, principala dvs. preocupare este să vă asigurați că intrarea dvs. nereglementată rămâne în intervalul corect. Pentru sistemele alimentate cu baterie, tensiunea bateriei va scădea odată cu descărcarea bateriei, deci trebuie să vă asigurați că ieșirea va rămâne la tensiunea/curentul dorit pentru a menține sistemul în funcțiune. O topologie tipică este plasarea unui regulator LDO în etapa de ieșire, care să asigure o tensiune și un curent de ieșire consecvente, atâta timp cât tensiunea sa de intrare este peste nivelul necesar. În general, trebuie să plasați circuitele de filtrare EMI de intrare și ieșire, precum și inductorul și condensatorul necesare pentru reglarea puterii de ieșire. Citiți acest articol pentru a afla mai multe despre diversele topologii ale convertorului DC-DC pe care le puteți utiliza, precum și despre modul în care ieșirea se raportează la ciclul de funcționare și la ondularea ieșirii.

Sisteme de mare putere

Pentru tensiune înaltă/curent scăzut sau pentru tensiune scăzută/curent mare, există circuite integrate de reglare de comutare pe care le puteți achiziționa, care vor include circuitele de reglare de care aveți nevoie. În acest caz, trebuie să urmați aceeași strategie pentru aspectul și selecția componentelor pe care le-ați face atunci când lucrați la putere redusă. Sunt disponibile circuite integrate cu regulator de comutare care oferă o gamă de puteri de ieșire și pot accepta o gamă largă de intrări.

Pentru sistemele de mare putere (tensiune înaltă și curent mare), situația este destul de diferită. Va trebui să dispuneți de la zero fiecare bloc funcțional din designul sursei de alimentare de comutare. În general, va trebui să luați în considerare următoarele aspecte de proiectare pentru a face sistemul să producă puterea dorită:

  • Generator PWM. Aceasta setează ieșirea pentru o topologie de tip buck, boost, buck-boost sau alt tip de convertor la un nivel specific, în funcție de ciclul de funcționare. În circuitele integrate de regulare moderne, generatorul PWM poate fi programabil și poate fi integrat în convertor. În alte cazuri, puteți furniza semnalul PWM cu un MCU sau un generator IC separat.
  • Circuite de control cu ​​feedback. Circuitele de control se bazează, în general, pe feedback pentru un control precis, iar proiectarea sursei de alimentare de comutare nu diferă. Sistemele de mare putere utilizează în mod normal un amplificator de curent pentru a verifica dacă ieșirea de curent este la nivelul dorit. Amplificatorul de ieșire este apoi utilizat de un generator PWM sau MCU pentru a regla tensiunea de ieșire ajustând ciclul de funcționare al semnalului PWM.
  • Componente robuste. Ultimul lucru de care aveți nevoie este ca sistemul dvs. de alimentare să nu funcționeze, deoarece componentele dvs. nu ar putea suporta curentul/tensiunea pe care trebuie să le furnizeze. Semiconductorii (în special FET-urile utilizate la comutarea surselor de alimentare) pot eșua dacă sunt suprasolicitați la niveluri extreme (eșec termic).
  • Gestionarea termică. Chiar și un regulator de putere eficient la 99% va atinge o temperatură ridicată dacă căldura nu este disipată din sistem. Menținerea sistemului la rece necesită, în general, radiatoare, ventilatoare sau ambele.

Proiectare referință sursă de alimentare cu comutare de la Maxim Integrated. Observați driverul separat IC, MOSFET și pasivele de pe tablă.

Dacă proiectați o conversie de curent continuu cu o sursă de curent alternativ, cel mai bine este să includeți un circuit de corecție a factorului de putere (PFC) pentru rețeaua de curent alternativ. Acest lucru vă va asigura că etapa regulatorului de comutare din alimentarea cu energie electrică atrage o sursă aproape sinusoidală de curent, mai degrabă decât atrage curent în rafale scurte. Acest lucru mărește factorul de putere general al întregului regulator, ceea ce, la rândul său, reduce cantitatea de energie pierdută ca căldură (adică o eficiență mai mare).

Alegerea unei frecvențe de comutare PWM

Frecvența de comutare a semnalului PWM în sursa de alimentare de comutare va determina nivelul pierderilor, deoarece acest semnal este responsabil pentru modularea tensiunii porții în MOSFET-ul de conducere. Folosirea unei frecvențe mai mari determină pornirea și oprirea MOSFET mai des, ceea ce permite apoi să se acumuleze mai puțin în MOSFET. Cu toate acestea, rata de margine este, de asemenea, critică, deoarece determină dacă canalul MOSFET este suficient de modulat în starea OFF. Cu o rată de margine lentă, MOSFET-ul poate rămâne condus chiar dacă semnalul PWM ar putea să fi scăzut la 0 V.

Folosind o rată de margine mai rapidă, puteți împinge MOSFET mai adânc în starea OFF, ceea ce reduce apoi pierderile de încălzire din secțiunea regulatorului de comutare. Combinând o frecvență PWM mai mare și o rată de margine PWM mai mare permite utilizarea componentelor fizic mai mici în circuitul regulatorului. Cu toate acestea, compromisul este realizat și radiat mai mult EMI, deoarece un semnal PWM va emite la frecvențe mai mari.

Frecvențele PWM de 100 kHz sunt tipice în majoritatea surselor de alimentare, dar un design de alimentare cu comutare extrem de eficient ar putea fi mai eficient și ar putea utiliza componente mai mici atunci când frecvența PWM este adusă la 1 MHz

Setarea comutării PWM peste frecvența de derulare a regulatorului dvs. de comutare va împiedica conducerea zgomotului de comutare la ieșirea regulatorului. Frecvența de derulare este definită în schema circuitului pentru convertorul de bază Buck-boost prezentat mai jos. Rețineți că puteți utiliza o frecvență de comutare PWM mai mare dacă puteți utiliza componente mai mici în regulatorul de comutare. Puteți citi mai multe despre acest lucru într-unul dintre articolele mele recente de pe Altium’s PCB Design Blog.

Proiectarea sursei de alimentare cu comutare Buck-boost cu ecuația frecvenței de derulare.

Izolarea și impedanța PDN

Un punct pe care nu l-am discutat în mod explicit este izolarea în proiectarea sursei de alimentare cu comutare. Izolarea electrică este o modalitate excelentă de a adăuga o măsură de siguranță la sistemul dvs. de alimentare. Această parte a proiectării sursei de alimentare, precum și încorporarea feedback-ului de control într-un sistem izolat, este suficient de extinsă pentru propriul articol.

Pentru a afla mai multe despre impedanța PDN și efectele sale asupra sistemelor digitale și analogice, puteți citi mai multe din alte articole de pe blogul NWES:

Pentru aspectul dvs., asigurați-vă că respectați standardele IPC-2221 și IPC-2158 pentru a vă asigura că urmele nu ating o temperatură excesiv de mare și pentru a preveni ESD între conductorii expuși. Aceste sfaturi doar zgârie suprafața proiectării sursei de alimentare, dar firma de proiectare potrivită vă poate ajuta să construiți un aspect conform care poate fi fabricat la scară largă.

La NWES, am creat sisteme digitale și analogice de mică putere și am construit sisteme de curent continuu de mare putere, cu diferite topologii de proiectare a surselor de comutare. Știm cum să creăm un sistem PCB de înaltă calitate, complet fabricabil. Suntem aici pentru a ajuta companiile electronice să proiecteze PCB-uri moderne și să creeze tehnologie de ultimă generație. De asemenea, am colaborat direct cu companiile EDA și cu producătorii avansați de PCB și ne vom asigura că următoarea dvs. schemă este pe deplin fabricabilă la scară largă. Contactați NWES pentru o consultație.