Przy wyborze regulatora przełączającego, wydajność jest najważniejszym kryterium. Nowoczesne kompaktowe urządzenia muszą osiągać niezawodną dostawę mocy na małej powierzchni. Możliwość generowania stabilnych napięć przy jednoczesnym dostarczaniu znacznego prądu jest podstawowym wymogiem w projektowaniu podzespołów elektronicznych. Regulatory impulsowe to urządzenia niezbędne do wytwarzania stabilnych napięć zasilania oraz ich podwyższania lub obniżania. Regulatory przełączające są znane pod różnymi nazwami: konwertery lub przełączniki, zasilacze impulsowe (SMPS) i regulatory lub konwertery DC/DC. Ich popularność stale rośnie ze względu na zalety, takie jak spełnianie wymagań dotyczących wydajności konwersji dużej mocy, elastyczność w uzyskiwaniu stabilnych wyjść z pojedynczego źródła napięcia wejściowego i możliwość dostosowania do konfiguracji wielowyjściowych o różnych polaryzacjach. Do najczęstszych typów konwerterów przełączających należą:

Typ wzmocnienia:Zwiększa napięcie wejściowe i zapewnia regulowane napięcie wyjściowe.

Typ Bucka:Zmniejsza napięcie wejściowe i zapewnia regulowane napięcie wyjściowe.

podwyżka złotówki:Zwiększa lub zmniejsza napięcie wejściowe, z opcjonalną polaryzacją ujemną.

Typ Flyback:Wariant buck-boost zapewniający izolację elektryczną.

Regulatory napięcia stałego i regulowane liniowe

Przez lata w projektach zasilaczy stosowano regulatory liniowe. Regulatory liniowe doskonale sprawdzają się w zapewnianiu ciągłych, stałych napięć wyjściowych. Ponadto inne regulatory liniowe (np. LM317) oferują możliwość regulacji. Typowe typy regulatorów napięcia wyjściowego stałego i liniowego obejmują serię 78xx (wyjście dodatnie) i serię 79xx (wyjście ujemne). Te regulatory zapewniają stabilne wyjścia w zakresie od 5 V do 24 V. Regulatory liniowe nie są zasilaczami impulsowymi. Ich zalety obejmują prostotę, niski koszt, niski poziom szumów i niskie tętnienia. Jednak ich moc wyjściowa jest zwykle poniżej 10 W, a ich wydajność jest często niska, co prowadzi do generowania ciepła. Regulatory liniowe mogą wykonywać tylko regulację obniżającą napięcie, podczas gdy SMPS mogą wykorzystywać topologie buck, boost lub buck-boost do podnoszenia, obniżania lub odwracania polaryzacji napięć.

Systemy zasilania impulsowego

Większość nowoczesnych telewizorów, komputerów osobistych, sterowników silników DC i wzmacniaczy mocy wymaga zaawansowanych, wysokowydajnych urządzeń SMPS. Urządzenia te wykorzystują technologię przełączania półprzewodnikowego zamiast konwencjonalnych metod liniowych do dostarczania napięć wyjściowych. Podstawowy przetwornik przełączający składa się ze stopnia przełączania mocy i obwodu sterującego. Zasilacze SMPS charakteryzują się mniejszym rozpraszaniem mocy i wyższą sprawnością dzięki obsłudze wewnętrznych tranzystorów (lub tranzystorów MOSFET) w stanach nasycenia „ON” i odcięcia „OFF”.

Regulatory przełączające Buck

Seria LM2596x od SLKOR Semiconductor dostarcza wysokowydajne przetwornice DC/DC buck, co czyni je kompaktowym rozwiązaniem dla zastosowań wymagających wydajnej konwersji mocy, takich jak projekty motoryzacyjne i przemysłowe. LM2596x integruje oscylator o stałej częstotliwości i moduł kompensacji częstotliwości.

Prostota konstrukcji wymaga minimalnej liczby zewnętrznych komponentów. Układ scalony ma również wbudowane funkcje enable z histerezą, zabezpieczenie przed przegrzaniem, zabezpieczenie nadprądowe i zabezpieczenie nadprądowe wtórne. Podczas zdarzeń nadprądowych wtórnych układ scalony zmniejsza częstotliwość roboczą ze 150 kHz do 50 kHz. Przykładem jest regulator przełączający buck LM2596S-ADJ (rysunek 1).

Rysunek 1: LM2596S-ADJ Regulator przełączający buck zapewnia stabilne napięcie wyjściowe. (Źródło zdjęcia: SLKOR Półprzewodnik)

Regulator przełączający buck LM2596SX-12 (rysunek 2) to przetwornik DC/DC PWM o stałej częstotliwości 150 kHz. Oferuje on możliwość sterowania prądem wyjściowym 3 A z wysoką wydajnością, niskim tętnieniem i doskonałą regulacją linii/obciążenia. Wykorzystując modulację PWM, układ obsługuje liniowy zakres współczynnika wypełnienia od 0 do 100%.

To urządzenie nie tylko zapewnia doskonałą odpowiedź przejściową, ale zajmuje również minimalną powierzchnię PCB. Jego kompaktowa obudowa i wysoka gęstość mocy sprawiają, że idealnie nadaje się do wyświetlaczy LCD, telewizorów, cyfrowych ramek do zdjęć, dekoderów, modemów, urządzeń telekomunikacyjnych i sprzętu sieciowego.

Rysunek 2: LM2596SX-12 Regulator przełączający typu buck spełnia wymagania niskonapięciowe. (Źródło zdjęcia: SLKOR Półprzewodnik)

Regulatory przełączające Boost

SL2733 to przetwornica DC/DC podwyższająca napięcie zaprojektowana do dostarczania precyzyjnego stałego prądu do zasilania wielu diod LED. Dzięki stałej częstotliwości przełączania 1 MHz, SL2733 może być sparowany z małymi zewnętrznymi ceramicznymi kondensatorami i cewkami indukcyjnymi. Prąd wyjściowy jest regulowany za pomocą zewnętrznego rezystora (R1), co umożliwia urządzeniu sterowanie wieloma diodami LED w szeregu. SL2733 nadaje się do sterowania identycznymi diodami LED, obsługując do dziewięciu białych diod LED w szeregu lub maksymalne napięcie sterujące 32 V. Jasność diod LED można regulować za pomocą napięcia stałego, sygnału logicznego lub sygnału modulacji szerokości impulsu (PWM). Pin wyłączający (SHDW) umożliwia urządzeniu pracę w trybie wyłączania zasilania o niskim prądzie spoczynkowym. Oprócz ochrony termicznej i ograniczenia prądu przeciążeniowego, układ przechodzi w tryb ultraniskiego poboru mocy podczas awarii obwodu otwartego diod LED. Jest umieszczony w kompaktowej obudowie SOT23-5.

Mniejsze jest lepsze

Korzystanie z SL2188 zmniejsza liczbę komponentów zewnętrznych. Urządzenie obsługuje kompaktowe komponenty zewnętrzne, a funkcja łagodnego rozruchu minimalizuje prąd rozruchowy. Obsługuje szeroki zakres obciążeń prądowych i zawiera tranzystor MOSFET mocy zdolny do obsługi szczytowych prądów przełączania przekraczających 1 A, przy napięciu wyjściowym do 3.6 V. Ta wszechstronna, wydajna i kompaktowa konstrukcja idealnie nadaje się do produktów z jednokomorowymi bateriami litowymi, w tym dwu- i trzykomorowych systemów baterii alkalicznych, NiMH lub NiCd. Konwertery wzmacniające, takie jak SL2188 są idealne do bezprzewodowych urządzeń peryferyjnych, akcesoriów do gier, osobistych urządzeń medycznych i przenośnych odtwarzaczy multimedialnych. Szybki postęp technologiczny nadal wymusza mniejsze współczynniki kształtu. W porównaniu do SOP-J8, SL23 w obudowie SOT2188 znacznie zmniejsza wymaganą powierzchnię PCB.

Rysunek 3: W miarę zmniejszania się rozmiarów komponentów niezbędne stają się miniaturowe obudowy (np. SOT23). (Źródło obrazu: SLKOR Półprzewodnik)

Maksymalizacja wydajności przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii

Popyt na miniaturyzację pozostaje siłą napędową, obok potrzeby utrzymania niezawodności i wydajności energetycznej. Regulator przełączający OBNIŻAJĄCY SY8120B (rysunek 4) oferuje kompaktową konstrukcję z regulowanym wyjściem i niezawodną dostawą mocy.

Rysunek 4: SY8120B to regulator przełączający typu buck, który niezawodnie dostarcza moc w mniejszej, bardziej kompaktowej konstrukcji. (Źródło zdjęcia: SLKOR Półprzewodnik)

Niektórzy mogą zakładać, że miniaturyzacja wiąże się z poświęceniem możliwości obciążania lub niezawodności zasilania, ale nie jest to prawdą. SY8120B osiąga wysoką wydajność konwersji przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii (rysunek 5). Dzięki niskiemu prądowi czuwania urządzenia zasilane bateryjnie minimalizują pobór mocy w stanie bezczynności. Ponadto stała kontrola czasu pracy umożliwia wydajną pracę przy małym obciążeniu.

 
Rysunek 5: Projektanci poszukują wysokowydajnych przetwornic DC/DC obniżających napięcie, które niezawodnie dostarczają energię. (Źródło zdjęcia: SLKOR Półprzewodnik)

Przetwornice Flyback do zastosowań AC/DC i DC/DC

Przetwornica flyback to topologia buck-boost zawierająca transformator flyback. Nadaje się zarówno do konwersji AC/DC, jak i DC/DC, zapewniając izolację elektryczną między wejściem i wyjściem. Oferuje również korzyści w postaci mnożenia współczynnika napięcia i izolacji. Izolowane przetwornice mocy wykorzystują dwa schematy sterowania: sterowanie w trybie napięciowym i sterowanie w trybie prądowym. Aby zapewnić stabilną pracę, zwykle preferowane jest sterowanie w trybie prądowym.

Przetwornice DC/DC Buck-Boost

Przetwornica buck-boost to klasyczna przetwornica DC/DC, której amplituda napięcia wyjściowego może być wyższa lub niższa od napięcia wejściowego. Może również generować napięcia ujemne. Podobnie jak przetwornica flyback, wykorzystuje pojedynczą cewkę indukcyjną zamiast transformatora. Konkretnie, przetwornica buck-boost składa się z dwóch odrębnych topologii zdolnych do generowania napięć wyjściowych w zakresie od napięcia wejściowego powyżej do zera. Zasilacze DC/DC, czasami nazywane „chopperami”, obejmują obwód buck-boost, który działa jako przetwornica podwyższająca lub obniżająca w zależności od współczynnika wypełnienia.

Wniosek

Wysokosprawna konwersja mocy w nowoczesnych projektach motoryzacyjnych i przemysłowych opiera się na regulatorach przełączających. W miarę jak projekty stają się coraz bardziej kompaktowe, zapotrzebowanie na wszechstronne, wysokosprawne urządzenia zdolne do utrzymywania stabilnych poziomów mocy nigdy nie było większe. Chociaż regulatory przełączające mogą być określane różnymi nazwami — SMPS, regulatory przełączające DC/DC, konwertery lub regulatory —SLKOR oferuje szeroką gamę kompaktowych rozwiązań dla zastosowań wymagających wydajnej konwersji energii.

Regulatory przełączające mają duże znaczenie w projektowaniu systemów elektronicznych, zapewniając stabilną, wydajną konwersję mocy dzięki miniaturyzacji i wielofunkcyjności. Są szeroko stosowane w wielu dziedzinach. Dzięki temu artykułowi uzyskaliśmy głębsze zrozumienie podstawowych koncepcji i typów regulatorów przełączających, różnic między regulatorami liniowymi a SMPS oraz SLKORWysokosprawne regulatory przełączające firmy 's i ich zastosowania. 

Jakie są Twoje doświadczenia lub pytania dotyczące projektowania i zastosowań regulatorów przełączających? Podziel się swoimi przemyśleniami w komentarzach!