Daya adalah bagian penting dari setiap proyek / perangkat elektronik. Terlepas dari sumbernya, biasanya ada kebutuhan untuk melakukan tugas manajemen daya seperti transformasi / penskalaan tegangan, dan konversi (AC-DC / DC-DC). Memilih solusi yang tepat untuk setiap tugas ini dapat menjadi kunci keberhasilan (atau kegagalan) produk. Salah satu tugas manajemen daya yang paling umum di hampir semua jenis perangkat adalah pengaturan / penskalaan tegangan DC-DC. Ini melibatkan perubahan nilai tegangan DC pada input ke nilai yang lebih tinggi atau lebih rendah pada output. Komponen / modul yang digunakan untuk melaksanakan tugas ini biasanya disebut sebagai regulator tegangan. Mereka umumnya memiliki kemampuan untuk memasok tegangan keluaran konstan yang lebih tinggi atau lebih rendah dari tegangan masukan dan mereka biasanya digunakan untuk memasok daya ke komponen dalam desain di mana Anda memiliki bagian pada tegangan yang berbeda. Mereka juga digunakan dalam catu daya tradisional.
Ada dua jenis utama pengatur tegangan;
- Regulator Linier
- Regulator Pengalihan
Regulator tegangan linier biasanya regulator step down dan mereka menggunakan kontrol impedansi untuk membuat pengurangan linier tegangan input pada output. Mereka biasanya sangat murah tetapi tidak efisien karena banyak energi yang hilang karena panas selama pengaturan. Regulator switching di sisi lain mampu menaikkan atau menurunkan tegangan yang diterapkan pada input tergantung pada arsitekturnya. Mereka mencapai pengaturan tegangan menggunakan proses sakelar on / off dari transistor yang mengontrol tegangan yang tersedia pada output regulator. Dibandingkan dengan regulator linier, regulator Switching biasanya lebih mahal dan jauh lebih efisien.
Untuk artikel hari ini, kami akan fokus pada regulator switching dan seperti judul yang diberikan, kami akan melihat faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan ketika memilih regulator switching untuk suatu proyek.
Karena kompleksitas bagian lain dari proyek (fungsi inti, RF dll), pilihan regulator untuk catu daya biasanya merupakan salah satu tindakan yang tersisa sampai akhir proses desain. Artikel hari ini akan mencoba memberikan perancang yang dibatasi waktu, dengan tip tentang apa yang harus dicari dalam spesifikasi regulator switching, untuk menentukan apakah itu sesuai dengan kasus penggunaan khusus Anda. Rincian juga akan diberikan untuk menafsirkan berbagai cara di mana produsen yang berbeda menyajikan informasi tentang parameter seperti suhu, beban, dll.
Jenis Regulator Switching
Pada dasarnya ada tiga jenis regulator pengalih dan faktor yang harus dipertimbangkan bergantung pada jenis mana yang akan digunakan untuk aplikasi Anda. Ketiga jenis tersebut adalah;
- Regulator Buck
- Tingkatkan regulator
- Regulator Peningkatan Buck
1. Regulator Buck
Regulator buck, juga disebut regulator step-down atau konverter buck bisa dibilang adalah regulator switching yang paling populer. Mereka memiliki kemampuan untuk menurunkan tegangan yang diterapkan pada input ke tegangan yang lebih rendah pada output. Jadi, tegangan masukan pengenal mereka biasanya lebih tinggi dari tegangan keluaran pengenalnya. Skema dasar untuk konverter uang ditunjukkan di bawah ini.
Keluaran dari regulator disebabkan oleh sakelar hidup dan mati transistor dan nilai tegangan biasanya merupakan fungsi dari siklus kerja transistor (berapa lama transistor hidup dalam setiap siklus lengkap). Tegangan Output diberikan oleh persamaan di bawah ini dari mana kita dapat menyimpulkan bahwa duty cycle tidak pernah bisa sama dengan satu dan dengan demikian tegangan output akan selalu lebih kecil dari tegangan input. Oleh karena itu, regulator bucket digunakan ketika pengurangan tegangan suplai diperlukan antara satu tahap desain dan tahap lainnya. Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang Dasar-dasar desain dan efisiensi regulator buck di sini, pelajari lebih lanjut cara membangun rangkaian konverter Buck.
2. Tingkatkan Regulator
Regulator boost atau konverter boost beroperasi dengan cara yang berlawanan langsung dengan regulator buck. Mereka memberikan tegangan yang lebih tinggi dari tegangan input, pada Output mereka. Seperti regulator buck, mereka menggunakan aksi transistor switching untuk meningkatkan tegangan pada output dan biasanya terdiri dari komponen yang sama yang digunakan dalam regulator buck dengan satu-satunya perbedaan adalah pengaturan komponennya. Sebuah skema sederhana untuk meningkatkan regulator ditampilkan di bawah.
Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang Dasar-dasar desain dan efisiensi pengatur Boost di sini, dapat membuat satu konverter Boost dengan mengikuti Sirkuit Boost Converter ini.
3. Regulator Buck-Boost
Terakhir adalah regulator buck boost. Dari namanya, mudah untuk menyimpulkan bahwa mereka memberikan dorongan dan efek uang ke tegangan input. The buck-boost converter menghasilkan terbalik tegangan (negatif) keluaran yang dapat lebih besar atau lebih kecil dari tegangan input berdasarkan siklus. Sirkuit catu daya mode sakelar buck-boost dasar diberikan di bawah ini.
Konverter buck-boost adalah variasi dari rangkaian konverter boost di mana konverter pembalik hanya mengirimkan energi yang disimpan oleh induktor, L1, ke dalam beban.
Pemilihan salah satu dari tiga jenis regulator switching ini, hanya bergantung pada apa yang diperlukan oleh sistem yang dirancang. Terlepas dari jenis regulator yang akan digunakan, penting untuk memastikan spesifikasi regulator memenuhi persyaratan desain.
Faktor yang Perlu Dipertimbangkan saat Memilih Regulator Pengalihan
Desain regulator switching sebagian besar bergantung pada IC daya yang digunakan untuk itu, sehingga sebagian besar faktor yang perlu dipertimbangkan adalah spesifikasi IC daya yang digunakan. Penting untuk memahami spesifikasi Power IC dan apa artinya untuk memastikan Anda memilih yang tepat untuk aplikasi Anda.
Terlepas dari aplikasi Anda, menjalankan pemeriksaan pada faktor-faktor berikut akan membantu Anda mengurangi waktu yang dihabiskan untuk pemilihan.
1. Rentang Tegangan Input
Ini mengacu pada rentang tegangan input yang dapat ditoleransi yang didukung oleh IC. Biasanya ditentukan dalam lembar data dan sebagai perancang, penting untuk memastikan bahwa tegangan input untuk aplikasi Anda, berada dalam kisaran Tegangan Input yang ditentukan untuk IC. Sementara lembar data tertentu mungkin hanya menentukan tegangan input maksimum, lebih baik memeriksa lembar data untuk memastikan tidak ada penyebutan kisaran input minimum sebelum membuat asumsi apa pun. Ketika tegangan yang lebih tinggi dari tegangan input maks diterapkan, IC biasanya akan mengalami gangguan tetapi biasanya berhenti beroperasi atau beroperasi secara tidak normal ketika tegangan yang lebih rendah dari tegangan input minimum diterapkan, semua tergantung pada langkah-langkah perlindungan yang diterapkan. Salah satu langkah perlindungan yang biasanya diterapkan untuk mencegah kerusakan pada IC ketika tegangan di luar jangkauan disuplai pada input adalah Under-Voltage Lock Out (UVLO),memeriksa apakah ini tersedia juga dapat membantu keputusan desain Anda.
2. Rentang Tegangan Output
Regulator switching biasanya memiliki keluaran variabel. Rentang tegangan keluaran mewakili kisaran tegangan yang dapat diatur tegangan keluaran yang Anda butuhkan. Di IC tanpa opsi output variabel, ini biasanya berupa nilai tunggal. Penting untuk memastikan bahwa tegangan keluaran yang Anda butuhkan berada dalam kisaran yang ditentukan untuk IC dan dengan faktor keamanan yang baik sebagai perbedaan antara kisaran tegangan keluaran maksimum dan tegangan keluaran yang Anda butuhkan. sebagai aturan umum tegangan keluaran minimum tidak dapat diatur ke tingkat tegangan yang lebih rendah dari tegangan referensi internal. Bergantung pada aplikasi Anda (buck atau boost), kisaran output minimum bisa lebih besar dari voltase input (boost) atau jauh lebih rendah dari voltase input (buck).
3. Arus Keluaran
Istilah ini mengacu pada peringkat saat ini yang IC dirancang. Ini pada dasarnya adalah indikasi berapa banyak arus yang dapat disuplai IC pada outputnya. Untuk beberapa IC, Hanya arus keluaran maksimum yang ditentukan sebagai ukuran keselamatan dan untuk membantu perancang memastikan regulator akan dapat mengirimkan arus yang diperlukan untuk aplikasi. Untuk IC lain, peringkat minimum dan maksimum disediakan. Ini bisa sangat berguna dalam merencanakan teknik manajemen daya untuk aplikasi Anda.
Dalam memilih regulator berdasarkan arus keluaran IC, penting untuk memastikan adanya margin keselamatan antara arus maksimum yang dibutuhkan oleh aplikasi Anda dan arus keluaran maksimum dari regulator. Penting untuk memastikan arus keluaran maksimum regulator lebih tinggi dari arus keluaran yang Anda butuhkan setidaknya 10 hingga 20%, karena IC dapat menghasilkan panas dalam jumlah tinggi saat beroperasi pada tingkat maksimum secara terus menerus dan dapat rusak oleh panas.. Juga efisiensi IC berkurang saat beroperasi secara maksimal.
4. Kisaran Suhu Operasi
Istilah ini mengacu pada kisaran suhu di mana regulator berfungsi dengan baik. Ini didefinisikan dalam istilah suhu lingkungan (Ta) atau suhu persimpangan (Tj). Suhu TJ mengacu pada suhu operasi tertinggi dari transistor, sedangkan suhu sekitar mengacu pada suhu lingkungan di sekitar perangkat.
Jika kisaran suhu Operasi ditentukan dalam istilah suhu lingkungan, itu tidak berarti regulator dapat digunakan pada kisaran suhu penuh. Penting untuk memperhitungkan faktor keselamatan dan juga faktor arus beban yang direncanakan dan panas yang menyertainya sebagai kombinasi dari ini dan suhu lingkungan adalah yang membentuk suhu persimpangan yang juga tidak boleh dilampaui. Berada dalam kisaran suhu pengoperasian sangat penting untuk pengoperasian regulator yang benar dan terus-menerus karena panas yang berlebihan dapat menyebabkan pengoperasian yang tidak normal dan kegagalan besar dari regulator.Oleh karena itu, penting untuk memperhatikan panas sekitar di lingkungan tempat perangkat akan digunakan dan juga menentukan kemungkinan jumlah panas yang akan dihasilkan oleh perangkat sebagai akibat dari arus beban sebelum menentukan apakah kisaran suhu operasi ditentukan. pengatur bekerja untuk Anda. Penting untuk dicatat bahwa regulator tertentu juga dapat gagal dalam kondisi yang sangat dingin dan perlu diperhatikan nilai suhu minimum jika aplikasi akan diterapkan di lingkungan yang dingin.
5. Frekuensi Perpindahan
Frekuensi switching mengacu pada tingkat di mana transistor kontrol dihidupkan dan dimatikan dalam regulator switching. Dalam regulator berbasis modulasi lebar pulsa, frekuensi biasanya ditetapkan sementara dalam Modulasi Frekuensi Pulsa.
Frekuensi switching mempengaruhi parameter regulator seperti riak, arus keluaran, efisiensi maksimum, dan kecepatan respons. Perancangan frekuensi switching selalu melibatkan penggunaan nilai induktansi yang sesuai, sehingga kinerja dua regulator yang serupa dengan frekuensi switching berbeda akan berbeda. Jika dua regulator serupa pada frekuensi yang berbeda dipertimbangkan, maka akan diketahui bahwa arus maksimum misalnya akan rendah untuk regulator yang beroperasi pada frekuensi yang lebih rendah dibandingkan dengan regulator pada frekuensi tinggi. Selain itu, parameter seperti riak akan tinggi dan kecepatan respons regulator akan rendah pada frekuensi rendah, sedangkan riak akan rendah dan kecepatan respons akan tinggi pada frekuensi tinggi.
6. Kebisingan
Tindakan switching yang terkait dengan regulator switching menghasilkan kebisingan dan harmonisa terkait yang dapat memengaruhi kinerja sistem secara keseluruhan, terutama dalam sistem dengan komponen RF dan sinyal audio. Meskipun kebisingan dapat dikurangi dengan menggunakan filter dll, itu benar-benar dapat mengurangi rasio sinyal terhadap kebisingan (SNR) di sirkuit yang sensitif terhadap kebisingan. Oleh karena itu, penting untuk memastikan jumlah kebisingan yang dihasilkan oleh regulator tidak akan memengaruhi kinerja sistem secara keseluruhan.
7. Efisiensi
Efisiensi merupakan faktor penting untuk dipertimbangkan dalam desain solusi daya apa pun saat ini. Ini pada dasarnya adalah rasio tegangan output ke tegangan input. Secara teoritis, efisiensi regulator switching seratus persen, tetapi ini biasanya tidak benar dalam praktiknya karena resistansi sakelar FET, penurunan tegangan dioda dan ESR dari induktor dan kapasitor keluaran mengurangi efisiensi keseluruhan regulator. Sementara sebagian besar regulator modern menawarkan stabilitas di seluruh rentang operasi yang luas, efisiensinya bervariasi dengan penggunaan dan misalnya sangat berkurang dengan meningkatnya arus yang ditarik dari keluaran.
8. Pengaturan Beban
Pengaturan beban adalah ukuran kemampuan regulator tegangan untuk mempertahankan tegangan konstan pada keluaran terlepas dari perubahan kebutuhan beban.
9. Kemasan dan Ukuran
Salah satu tujuan umum selama desain solusi perangkat keras apa pun saat ini adalah untuk mengurangi ukurannya sebanyak mungkin. Ini pada dasarnya termasuk mengurangi ukuran komponen elektronik dan selalu mengurangi jumlah komponen yang membentuk setiap bagian perangkat. Sistem daya ukuran kecil tidak hanya membantu mengurangi ukuran keseluruhan proyek, tetapi juga membantu menciptakan ruang di mana fitur produk tambahan dapat dimasuki. Bergantung pada tujuan proyek Anda, pastikan faktor bentuk / ukuran paket yang Anda gunakan akan sesuai dengan anggaran ruang Anda. Saat membuat pilihan berdasarkan faktor ini, penting juga untuk memperhitungkan ukuran komponen periferal yang diperlukan oleh regulator agar berfungsi. Misalnya, penggunaan IC frekuensi tinggi mengizinkan penggunaan kapasitor keluaran dengan kapasitansi rendah dan induktor, sehingga ukuran komponen berkurang dan sebaliknya.
Mengidentifikasi semua ini dan membandingkan dengan persyaratan desain Anda akan segera membantu Anda menentukan regulator mana yang harus disilangkan dan mana yang harus ditampilkan dalam desain Anda.
Bagikan faktor mana yang menurut Anda terlewatkan dan komentar lainnya melalui bagian komentar.
Sampai nanti.