Како одабрати прави дизајн регулатора напона за ваш објекат

Одредите улазни напон, излазни напон и максималну струју оптерећења за ваше коло пре него што изаберете тип регулатора. Линеарни регулатори су идеални за примене са смањењем напона са минималним расипањем снаге, док прекидачки регулатори боље функционишу за високоефикасну конверзију или када термичка ограничења ограничавају линеарне дизајне.

Који су различити типови регулатора напона

Регулатор напона Типови се деле у две категорије: регулатори са понижавањем и регулатори са повећањем напона. Регулатори са понижавањем напона производе излазни напон нижи од улазног напона, претварајући 12 V у 5 V или 5 V у 3,3 V у типичним уграђеним системима. С друге стране, регулатори са повећањем напона повећавају напон изнад улазног нивоа да би генерисали 5 V из батерије од 3,6 V.

Ова разлика постаје критична када се топологија регулатора уклапа са вашом архитектуром напајања. Већини дигиталних кола је потребна снижена регулација за конверзију логичких нивоа, док уређаји напајани батеријама са напонским шинама изнад потенцијала батерије захтевају повећање конверзије.

Линеарни регулатори за једноставне примене

Линеарни регулатори нуде најједноставнији пут до стабилног напона у дизајнима мале снаге. Они користе транзистор и контролну петљу са повратном спрегом како би одржали константан излаз упркос флуктуацијама улаза или променама оптерећења.

Главна предност је излаз без шума. Линеарни регулатори производе чист једносмерни напон без артефаката прекидача који муче друге топологије, што их чини идеалним за аналогна кола, А/Д претвараче и аудио фазе.

Израчунавање расипања снаге

Расипање снаге постаје ограничавајући фактор приликом пројектовања кола регулатора напона. Израчунајте га користећи:

Снага = (Vin – Vout) x Струја оптерећења

Регулатор напона који ради са улазом од 12 V, излазом од 3,3 V и оптерећењем од 1 A расипа 8,7 W као топлоту. То премашује оно што већина линеарних регулатора може да поднесе без додатног хлађења.

Управљање термичким ограничењима

Генерисање топлоте одређује да ли линеарни регулатор опстаје у вашој апликацији. Проверите технички лист за Theta-JA, који одређује колико степени Целзијуса чип загрева по вату расипане снаге.

Помножите израчунату снагу са Theta-JA да бисте пронашли пораст температуре:

Пораст температуре = Снага x Тета-ЈА

Регулатор са Theta-JA дисипацијом од 2W од 50°C/W загрева се за 100°C изнад температуре околине. Додајте собну температуру (25°C) и добијате 125°C, што је максимална номинална температура за већину компоненти.

Дизајни за тешке услове рада захтевају веће маргине. Унутар затвореног ормара за опрему током врућег дана, температура околине може достићи 50°C, што под оптерећењем подиже температуру регулатора на 150°C и изазива термално искључивање.

Индустријска окружења стварају додатне термичке изазове:

• Кућишта опреме задржавају топлоту, подижући унутрашњу температуру за 20-30°C изнад спољашње температуре.
• Директна сунчева светлост на металним кућиштима додаје додатних 15-25°C температури компоненти
• Лоша вентилација у затвореним кућиштима са IP заштитом елиминише конвективно хлађење које претпостављају Theta-JA прорачуни
• Накупљање прашине на хладњацима временом смањује термичке перформансе

Регулатори са ниским падом напајања за ефикасност

Регулатори са ниским падом напона (LDO) минимизирају губитак енергије радом са малим разликама улазно-излазног напона. Старији линеарни регулатори попут серије 7800 захтевају диференцијал од 2V, док модерни LDO функционишу са мање од 200mV.

Та разлика је битна за дизајне са батеријским напајањем. ЛДО који смањује напон са 3,6 V на 3,3 V са оптерећењем од 1 A расипа само 0,3 W, у поређењу са 2 W за стандардни линеарни регулатор са већим напоном пада. Рад испод напона пада ставља регулатор у режим пролаза, где престаје са регулацијом. Улазна бука се директно преноси на излаз, чиме се обезбеђује сврха постојања регулатора.

Прекидачки регулатори за високу ефикасност

Прекидачки регулатори користе индукторе и кондензаторе за привремено складиштење енергије пре него што је пренесу на излаз. Ово омогућава ефикасност изнад 90% без обзира на разлику између улаза и излаза.

Бак регулатори за спуштање струје

Бак регулатори смањују напон уз минималан губитак снаге. Док би линеарни регулатор који претвара 24V у 3V при 1A потрошио 87,5% улазне снаге као топлоту, бак регулатор одржава ефикасност од 90%. Компромис је излазна бука. Прекидачки регулатори производе таласање и шиљке на својој прекидачкој фреквенцији, обично од 100kHz до 2MHz. Осетљива аналогна кола можда неће толерисати ово.

Регулатори појачања за појачавање

Регулатори појачања повећавају напон, генеришући већи излаз са нижег улаза. Регулатор појачања који производи 5 V из батерије од 3,6 V при 1 A вуче 1,85 A са улаза како би одржао равнотежу снаге. Улазна струја увек премашује излазну струју за конфигурације појачања. Ово је важно за прорачуне трајања батерије и номиналну струју улазног извора.

Buck-Boost за променљиве улазне опсеге

Бак-боост регулатори обрађују сценарије где улазни напон прелази изнад и испод циљаног излазног. Две АА батерије дају 3,2 V када су празне, али падају на 2,4 V близу празног стања. Бак-боост регулатор одржава стабилан излаз од 3 V током целе криве пражњења. Ово продужава употребљив капацитет батерије омогућавајући дубље пражњење пре него што напон падне испод регулационог опсега.

Избор праве топологије регулатора

За примене са спуштањем струје, почните са линеарним регулатором, осим ако дисипација снаге не прелази термичка ограничења. Прво израчунајте стварање топлоте користећи једначину снаге, а затим проверите у односу на Theta-JA.

Овај водич за избор регулатора напона помаже вам да сузите своје могућности:

• Улазно-излазни диференцијал прелази 2-3V при струјама оптерећења изнад 500mA: користите buck регулатор
• Прорачун дисипације снаге показује стварање топлоте изнад 1-2W: пређите на buck регулатор
• Трајање батерије је важније од једноставности кола и цене: изаберите топологију прекидача
• Простор на плочи омогућава индуктор и помоћне компоненте: прекидачки регулатор је одржив

Користите регулаторе напона када излазни напон мора да премаши улазни. Уобичајени случајеви укључују генерисање 5 V из једноћелијских литијумских батерија (опсег од 3,0 V до 4,2 V) или управљање ЛЕД низовима који захтевају већи директни напон него што пружају шине за напајање.

Комбиновање типова регулатора за чисту енергију

Високоперформансни дизајни често каскадно повезују прекидачки регулатор праћен линеарним регулатором. Прекидачки степен обезбеђује ефикасну конверзију напона, док линеарни степен филтрира шум прекидача.

На пример, појачајте 3,6 V на 5,5 V помоћу прекидачког регулатора, а затим смањите на чистих 5 V преко LDO транзистора. Ово комбинује ефикасност прекидача 90% са линеарном регулацијом без шума.

Проверите коефицијент одбијања напајања (PSRR) линеарног регулатора када користите овај приступ. PSRR показује колико добро регулатор пригушује улазне таласе на различитим фреквенцијама, обично представљен као графикон. Ускладите радну фреквенцију прекидачког регулатора са кривом PSRR-а линеарног регулатора. Прекидачка фреквенција од 500 kHz захтева LDO са јаким PSRR перформансама у том опсегу да би се ефикасно филтрирао излазни шум.

Разматрања произвођача оригиналне опреме за дизајн регулатора напона за индустријске примене

Индустријски OEM дизајни захтевају додатну маргину поред основних електричних спецификација. Како пројектовати регулатор напона за индустријску употребу почиње са карактеризацијом оптерећења и реалним условима рада.

Димензионисање за капацитивна и индуктивна оптерећења

Капацитивним оптерећењима попут великих филтерских блокова потребни су регулатори са двоструком снагом струје у стационарном стању како би се носили са ударном струјом. Напајање од 500 W са излазном капацитивношћу од 10.000 µF може да повлачи 10-20 A у милисекундама током покретања.

Моторни погони и друга индуктивна оптерећења захтевају маргину капацитета од 3x до 5x:

• Мали једносмерни мотори (испод 100W): Минимум 3x номинална струја у стационарном стању
• Средњи мотори (100W до 500W): 4x већа струја стабилног стања за поуздано покретање
• Велики мотори и компресори (преко 500W): 5 пута већа струја у стационарном стању за руковање условима закључаног ротора
• Соленоиди и релејни калеми: 3x за почетни напон енергије

Урачунавање варијација напона мреже

Варијације напона мреже утичу на избор регулатора на глобалним тржиштима. Инсталације у Јужној Америци и Филипинима често захтевају прилагођене опсеге улазног напона као што су 110V до 127V уместо стандардних номиналних 120V. Увек наведите тачан опсег улазног напона када тражите понуде како бисте осигурали правилан избор компоненти. Регулатор дизајниран за 120V ±10% (108V до 132V) може отказати у регионима где напон мреже редовно пада на 100V или скочи на 135V.

За трофазну индустријску опрему, трофазни регулатори напона балансирати оптерећење у свим фазама уз одржавање стабилне излазне снаге током једнофазних кварова или неравнотеже напона.

Оптимизација простора на плочи помоћу подесивих излаза

Примене са променљивим излазом имају користи од регулатора који прихватају више напонских шина из једне фазе. Подесиви регулатори напона смањују простор на плочи и број компоненти у поређењу са уређајима са фиксним излазом којима су потребни посебни регулатори за сваку шину. Ово је посебно важно код компактних OEM дизајна где је сваки квадратни милиметар важан. Један подесиви регулатор са спољном мрежом отпорничких делила може заменити три или четири фиксна регулатора.

Практични ток селекције

Започните свој аутоматски регулатор напона процес пројектовања навођењем свих потребних напонских шина и њихових струја оптерећења. Укључите маргину за пролазне оптерећења, обично 20% до 30% изнад стационарног стања.

Одредите извор улазног напона и његов опсег варијација. Напони батерија варирају у зависности од стања напуњености, док AC-DC адаптери могу да варирају ±5% под оптерећењем. Зид у регионима са нестабилним мрежама може да варира ±15%.

Документујте најгоре могуће улазне услове:

• Минимални улазни напон на крају пражњења батерије или током нестанка струје у мрежи
• Максимални улазни напон при потпуном пуњењу батерије или током транзијентног пренапона мреже
• Улазно таласање и амплитуда шума у опсегу радне фреквенције
• Захтеви за прелазни одзив за промене степена оптерећења

Израчунајте дисипацију снаге за сваку шину користећи линеарни регулатор. Ако било која шина прелази термичка ограничења, пребаците ту шину на прекидачки регулатор, док шине са ниским нивоом шума држите на линеарној регулацији.

Управљање температуром величине на основу најгорих услова, а не типичног рада. Максимална температура околине, минимални проток ваздуха и максимална струја оптерећења заједно стварају вршно термичко напрезање. Проверите доступност и цену компоненти. Неки специјализовани регулатори имају дуге рокове испоруке или минималне количине за поруџбину, што их чини непрактичним за производњу малих серија.

Закључак

Изаберите компоненте регулатора напона балансирајући ефикасност, буку, сложеност и термичке перформансе у односу на ваше специфичне захтеве примене. Линеарни регулатори пружају најједноставнији пут за примене са ниским напоном где је чист излаз важан.

Прекидачки регулатори ефикасно обављају конверзију велике снаге, али захтевају сложенији распоред плоче и производе излазни шум. Хибридни приступи који комбинују оба типа пружају најбоље перформансе када буџет и простор то дозвољавају.

Увек пројектујте регулатор напона са одговарајућом термичком маргином и узимајте у обзир варијације напона у реалним условима на вашим циљним тржиштима. Правилан избор компоненти у фази пројектовања спречава кварове на терену и скупе редизајне. За потребе већих размера, поуздани индустријски регулатори напона обезбеђују конзистентан рад.