ระบบอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่จำเป็นต้องมีการแปลงระหว่างแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟและแรงดันไฟฟ้าของวงจรที่จะจ่าย เมื่อแบตเตอรี่หมดประจุ แรงดันไฟฟ้าจะลดลง การแปลง DC-DC บางอย่างช่วยให้มั่นใจได้ว่าพลังงานที่เก็บไว้ในแบตเตอรี่จะถูกใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับวงจรมากขึ้น นอกจากนี้ หากเราใช้สายไฟ AC 110 V เราจะไม่สามารถจ่ายพลังงานให้กับเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์ได้โดยตรง เนื่องจากระบบอิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกระบบใช้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า (หรือที่เรียกว่าแหล่งจ่ายไฟ) จึงได้รับการปรับปรุงให้เหมาะกับการใช้งานที่แตกต่างกันตลอดหลายปีที่ผ่านมา แน่นอนว่าเป้าหมายการปรับให้เหมาะสมมักเป็นขนาดโซลูชัน ประสิทธิภาพการแปลง EMI และต้นทุน

แหล่งจ่ายไฟธรรมดา: LDO

   

รูปแบบหนึ่งของแหล่งจ่ายไฟที่เรียบง่ายคือตัวควบคุมการตกคร่อมต่ำ (LDO) LDO เป็นตัวควบคุมเชิงเส้นซึ่งต่างจากตัวควบคุมการสลับ ตัวควบคุมเชิงเส้นจะวางตัวต้านทานแบบปรับได้ระหว่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตและแรงดันเอาต์พุต ซึ่งหมายความว่าไม่ว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุตจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร กระแสโหลดใดที่ไหลผ่านอุปกรณ์ แรงดันเอาต์พุตก็จะคงที่ รูปที่ 1 แสดงหลักการพื้นฐานของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าอย่างง่ายนี้

รูปที่ 1 เครื่องควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นจะแปลงแรงดันไฟฟ้าหนึ่งไปเป็นอีกแรงดันหนึ่ง

เป็นเวลาหลายปีที่ตัวแปลงไฟทั่วไปประกอบด้วยหม้อแปลง 50 Hz หรือ 60 Hz ซึ่งเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าและสร้างแรงดันเอาต์พุตที่ไม่เสถียรโดยมีอัตราส่วนขดลวดที่แน่นอน ซึ่งสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการหลายโวลต์ ระบบ. จากนั้นจะใช้ตัวควบคุมเชิงเส้นเพื่อแปลงแรงดันไฟฟ้านี้เป็นแรงดันไฟฟ้าควบคุมที่เสถียรซึ่งจำเป็นสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ รูปที่ 2 แสดงแผนภาพบล็อกของแนวคิดนี้

2. หม้อแปลงเส้นตามด้วยตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น

ปัญหาเกี่ยวกับการตั้งค่าพื้นฐานในรูปที่ 2 คือหม้อแปลง 50 Hz/60 Hz ค่อนข้างเทอะทะและมีราคาแพง นอกจากนี้ ตัวควบคุมเชิงเส้นยังปล่อยความร้อนจำนวนมาก ดังนั้นประสิทธิภาพโดยรวมของระบบจึงต่ำ และเป็นการยากที่จะขจัดความร้อนที่เกิดขึ้นเนื่องจากกำลังสูงของระบบ

แหล่งจ่ายไฟสลับโหมดช่วยได้
   

เพื่อหลีกเลี่ยงข้อเสียของแหล่งจ่ายไฟที่แสดงในรูป 2. มีการคิดค้นแหล่งจ่ายไฟสลับโหมด ไม่ได้ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ 50 เฮิร์ตหรือ 60 เฮิร์ตซ์ แต่ใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง บางครั้งแก้ไขแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ สร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูงกว่าเพื่อใช้หม้อแปลงขนาดเล็ก หรือใช้ตัวกรอง LC เพื่อแก้ไขแรงดันไฟฟ้าเพื่อสร้างแรงดันเอาต์พุตกระแสตรงในระบบที่ไม่แยก . ข้อดีคือโซลูชันมีขนาดเล็กและมีต้นทุนค่อนข้างต่ำ แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่สร้างขึ้นไม่จำเป็นต้องเป็นรูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าไซน์ รูปคลื่นสัญญาณ PWM อย่างง่ายสามารถทำงานได้ดีและสามารถสร้างได้อย่างง่ายดายโดยใช้เครื่องกำเนิดและสวิตช์ PWM

จนถึงปี 2000 สวิตช์แบบไบโพลาร์ถูกใช้โดยทั่วไป มีประสิทธิภาพดี แต่ความเร็วในการเปลี่ยนค่อนข้างต่ำ ประสิทธิภาพไม่สูงและความถี่ในการสลับถูกจำกัดไว้ที่ 50 kHz หรือ 100 kHz ปัจจุบันเราใช้การสลับ MOSFET แทนทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์และความเร็วในการเปลี่ยนจะเร็วขึ้นมาก ในทางกลับกัน การสูญเสียการสวิตชิ่งจะต่ำกว่า และความถี่ในการสวิตชิ่งจะสูงถึง 5 MHz ความถี่สวิตชิ่งที่สูงดังกล่าวทำให้เวทีกำลังใช้ตัวเหนี่ยวนำและความจุที่น้อยมาก

ตัวควบคุมการสลับมีข้อดีหลายประการ โดยปกติจะมีการแปลงแรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูง ช่วยให้สามารถสเต็ปอัพและสเต็ปดาวน์ได้ และมีการออกแบบที่ค่อนข้างกะทัดรัดและต้นทุนต่ำ ข้อเสียคือกระบวนการออกแบบและการปรับให้เหมาะสมนั้นซับซ้อน และการแปลงและความถี่ในการสลับก็จะทำให้เกิด EMI เช่นกัน ตัวควบคุมแหล่งจ่ายไฟสลับโหมดและ LTpowerCAD® และLTspice® ความพร้อมใช้งานของเครื่องมือออกแบบแหล่งจ่ายไฟทำให้กระบวนการออกแบบที่ยากลำบากนี้ง่ายขึ้นอย่างมาก ด้วยเครื่องมือเหล่านี้ กระบวนการออกแบบวงจรของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งสามารถเป็นแบบกึ่งอัตโนมัติได้

การแยกตัวในแหล่งจ่ายไฟ

   

เมื่อออกแบบแหล่งจ่ายไฟ คำถามแรกที่ต้องตอบคือจำเป็นต้องมีการแยกไฟฟ้าหรือไม่ การแยกไฟฟ้าใช้ด้วยเหตุผลหลายประการ สามารถปรับปรุงความปลอดภัยของวงจร ช่วยให้ระบบลอยตัวทำงานได้ และป้องกันกระแสไฟกราวด์ที่มีเสียงดังไม่ให้แพร่กระจายผ่านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ในวงจร โทโพโลยีการแยกทั่วไปสองแบบคือตัวแปลงฟลายแบ็คและตัวแปลงไปข้างหน้า อย่างไรก็ตาม สำหรับกำลังที่สูงกว่า โทโพโลยีการแยกอื่น ๆ เช่น พุชพูล ฮาล์ฟบริดจ์ และฟูลบริดจ์ ถูกนำมาใช้

หากไม่จำเป็นต้องมีการแยกทางไฟฟ้า ในกรณีส่วนใหญ่จะใช้โทโพโลยีแบบไม่แยกส่วน โทโพโลยีต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้าเสมอ และอุปกรณ์ประเภทนี้มักจะมีราคาแพงและเทอะทะ และอุปกรณ์ที่มีจำหน่ายทั่วไปซึ่งตรงตามข้อกำหนดที่แน่นอนของแหล่งจ่ายไฟแบบปรับแต่งเองมักจะหาซื้อได้ยาก

โทโพโลยีที่พบบ่อยที่สุดเมื่อไม่จำเป็นต้องแยกออก

   

โทโพโลยีแหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตชิ่งแบบไม่แยกทั่วไปคือตัวแปลงบั๊กหรือที่เรียกว่าตัวแปลงบั๊ก ซึ่งรับแรงดันไฟฟ้าอินพุตเชิงบวกและสร้างแรงดันเอาต์พุตต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุต เป็นหนึ่งในสามโทโพโลยีแหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตชิ่งพื้นฐาน และต้องการเพียงสวิตช์สองตัว ตัวเหนี่ยวนำหนึ่งตัว และตัวเก็บประจุสองตัว รูปที่ 3 แสดงหลักการพื้นฐานของโทโพโลยีนี้ สวิตช์ระดับไฮเอนด์จะส่งกระแสพัลส์จากขั้วอินพุต และสร้างแรงดันไฟฟ้าโหมดสวิตชิ่ง ซึ่งสลับระหว่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตและแรงดันไฟฟ้ากราวด์ ตัวกรอง LC รับแรงดันพัลส์ที่โหนดสวิตช์และสร้างแรงดันเอาต์พุต DC ตามอัตราส่วนหน้าที่ของสัญญาณ PWM ของสวิตช์ระดับไฮเอนด์ ระดับแรงดันเอาต์พุต DC ที่แตกต่างกันจะถูกสร้างขึ้น ตัวแปลงบั๊ก DC-DC นี้มีประสิทธิภาพสูง สร้างได้ง่าย และต้องใช้ส่วนประกอบเพียงเล็กน้อย

รูปที่ 3 แนวคิดของตัวแปลงบั๊กอย่างง่าย

ตัวแปลงบั๊กปล่อยกระแสพัลส์ที่อินพุต ในขณะที่เอาต์พุตมีกระแสต่อเนื่องจากตัวเหนี่ยวนำ นี่คือเหตุผลว่าทำไมเสียงของตัวแปลงบั๊กจึงดังมากที่อินพุต แต่ไม่ดังมากที่เอาต์พุต สิ่งสำคัญคือต้องรู้สิ่งนี้เมื่อออกแบบระบบเสียงรบกวนต่ำ

นอกจากโทโพโลยีบั๊กแล้ว โทโพโลยีพื้นฐานที่สองคือบูสต์โทโพโลยี โทโพโลยีบูสต์ใช้องค์ประกอบกำลังพื้นฐานห้าองค์ประกอบเหมือนกับโทโพโลยีบั๊ก แต่หลังจากการจัดเรียงใหม่ ตัวเหนี่ยวนำจะถูกวางที่อินพุต และสวิตช์ด้านสูงจะถูกวางไว้ที่เอาต์พุต โทโพโลยีบูสต์ใช้เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าอินพุตให้เป็นแรงดันเอาต์พุตให้สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุต

รูปที่ 4 แนวคิดของตัวแปลงบูสต์แบบธรรมดา

เมื่อเลือกบูสต์คอนเวอร์เตอร์ สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่ากระแสไฟสวิตชิ่งพิกัดสูงสุดจะระบุไว้ในแผ่นข้อมูลของบูสต์คอนเวอร์เตอร์เสมอ แทนที่จะเป็นกระแสไฟขาออกสูงสุด ในตัวแปลงบั๊ก กระแสสวิตชิ่งสูงสุดจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับกระแสเอาต์พุตสูงสุดที่ทำได้ และไม่เกี่ยวข้องกับอัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและแรงดันเอาต์พุต ในตัวควบคุมบูสต์ อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าส่งผลโดยตรงต่อกระแสเอาท์พุตสูงสุดที่เป็นไปได้ โดยอิงตามกระแสสวิตชิ่งสูงสุดคงที่ เมื่อเลือก IC บูสต์เรกูเลเตอร์ที่เหมาะสม คุณควรรู้ไม่เพียงแต่กระแสเอาต์พุตที่ต้องการเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาท์พุตที่ได้รับการออกแบบในการพัฒนาด้วย

สัญญาณรบกวนของบูสต์คอนเวอร์เตอร์ที่อินพุตต่ำมาก เนื่องจากการเหนี่ยวนำที่สอดคล้องกับการเชื่อมต่ออินพุตสามารถป้องกันไม่ให้กระแสเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม ที่ด้านเอาท์พุต สัญญาณรบกวนของโทโพโลยีนี้มีขนาดใหญ่มาก เราเห็นเฉพาะกระแสพัลส์ที่ไหลผ่านสวิตช์ภายนอก ดังนั้นเราจึงให้ความสำคัญกับระลอกเอาท์พุตมากกว่าโทโพโลยีบั๊ก

โทโพโลยีพื้นฐานประการที่สามคือตัวแปลงบั๊กบูสต์แบบกลับด้าน ซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานเพียงห้าส่วนเท่านั้น ตัวแปลงนี้ใช้แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่เป็นบวกและแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าขาออกที่เป็นลบ จึงเป็นที่มาของชื่อของมัน นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าอาจสูงหรือต่ำกว่าค่าสัมบูรณ์ของแรงดันเอาต์พุตแบบกลับด้าน ตัวอย่างเช่น แรงดันเอาต์พุต–-12 V อาจถูกสร้างขึ้นจาก 5 V หรือ 24 V ที่อินพุต สิ่งนี้อาจเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องดัดแปลงวงจรพิเศษใดๆ รูปที่ 5 แสดงแนวคิดวงจรของตัวแปลงบั๊กแบบกลับด้าน

รูปที่ 5 แนวคิดของตัวแปลงบั๊กแบบกลับด้านแบบง่ายๆ

ในโทโพโลยีเพิ่มบั๊กแบบกลับหัว ตัวเหนี่ยวนำจะต่อสายดินจากโหนดสวิตชิ่ง มีกระแสพัลส์ที่อินพุตและเอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์ ดังนั้นสัญญาณรบกวนที่อินพุตและเอาต์พุตของโทโพโลยีนี้จึงมีสูง ในการใช้งานที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ คุณลักษณะนี้จะได้รับการชดเชยโดยการเพิ่มการกรองอินพุตและเอาต์พุตเพิ่มเติม

ข้อดีของโทโพโลยีการเพิ่มบั๊กแบบกลับด้านคือสามารถใช้ IC ควบคุมการสลับบั๊กใดๆ ในตัวแปลงนี้ได้ ตราบใดที่แรงดันเอาต์พุตของวงจรบั๊กเชื่อมต่อกับกราวด์ของระบบ การต่อกราวด์ของวงจรสเต็ปดาวน์ของ IC จะกลายเป็นแรงดันลบที่ปรับแล้ว คุณสมบัตินี้ทำให้สามารถเลือกสวิตช์ควบคุม IC ในตลาดได้ทั่วทั้งตลาด

โทโพโลยีพิเศษ

 

นอกจากโทโพโลยีแหล่งจ่ายไฟสลับโหมดแบบไม่แยกพื้นฐานสามแบบที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว ยังมีโทโพโลยีอีกมากมายที่พร้อมใช้งาน อย่างไรก็ตาม พวกเขาทั้งหมดต้องการส่วนประกอบด้านพลังงานเพิ่มเติม ซึ่งมักจะเพิ่มต้นทุนและลดประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน แม้ว่าจะมีข้อยกเว้นบางประการ แต่การเพิ่มส่วนประกอบเพิ่มเติมในเส้นทางของแหล่งจ่ายไฟมักจะเพิ่มการสูญเสีย โทโพโลยีทั่วไปบางอย่าง ได้แก่ SEPIC, Zeta, UK และ 4-switch buck-boost พวกเขาทั้งหมดมีฟังก์ชันที่โทโพโลยีพื้นฐานทั้งสามไม่มี ต่อไปนี้เป็นรายการคุณสมบัติที่สำคัญของแต่ละโทโพโลยี:

   

01

SEPIC：SEPIC สามารถสร้างแรงดันเอาต์พุตเชิงบวกจากแรงดันไฟฟ้าอินพุตเชิงบวกที่สูงหรือต่ำกว่าแรงดันเอาต์พุต Boost Regulator IC สามารถใช้ในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟ SEPIC ข้อเสียของโทโพโลยีนี้คือต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำตัวที่สองหรือตัวเหนี่ยวนำคัปปลิ้งและตัวเก็บประจุ SEPIC

   

02

ซีต้า: ตัวแปลงซีต้านี้คล้ายกับ SEPIC แต่สามารถสร้างแรงดันเอาต์พุตบวกหรือลบได้ ยิ่งไปกว่านั้น มันไม่มีจุดศูนย์จุด (RHPZ) ของระนาบครึ่งหนึ่งด้านขวา ดังนั้นจึงทำให้วงจรควบคุมง่ายขึ้น IC ตัวแปลงบั๊กสามารถใช้ในโทโพโลยีนี้ได้

   

03

สหราชอาณาจักร: ตัวแปลงสหราชอาณาจักรสามารถแปลงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเชิงบวกเป็นแรงดันเอาต์พุตเชิงลบ ใช้ตัวเหนี่ยวนำสองตัว ตัวหนึ่งที่อินพุตและอีกตัวที่เอาต์พุต ดังนั้นเสียงรบกวนที่อินพุตและเอาต์พุตจึงต่ำมาก ข้อเสียคือมีไอซีแปลงพลังงานโหมดสวิตชิ่งไม่มากนักที่รองรับโทโพโลยีนี้ เนื่องจากวงจรควบคุมต้องการพินป้อนกลับแรงดันไฟฟ้าลบ

   

04

 4การสลับบั๊ก-บูสต์: ตัวแปลงประเภทนี้ได้รับความนิยมอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มันให้แรงดันเอาต์พุตบวกจากแรงดันอินพุตบวก แรงดันไฟฟ้าขาเข้าอาจสูงหรือต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตที่ได้รับการควบคุม ตัวแปลงนี้มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่สูงกว่า และต้องการตัวเหนี่ยวนำเพียงตัวเดียว ดังนั้นจึงใช้แทนการออกแบบ SEPIC จำนวนมากโทโพโลยีการแยกทั่วไป

   

นอกเหนือจากโทโพโลยีที่ไม่แยกส่วนแล้ว บางแอปพลิเคชันยังต้องการตัวแปลงพลังงานที่แยกส่วนทางไฟฟ้าอีกด้วย เหตุผลอาจเป็นเพราะเหตุผลด้านความปลอดภัย จำเป็นต้องมีการต่อลงดินแบบลอยในระบบขนาดใหญ่ที่มีวงจรต่างกันเชื่อมต่อถึงกัน หรือจำเป็นต้องป้องกันการต่อลงดินในปัจจุบันในการใช้งานที่ไวต่อเสียง โทโพโลยีตัวแปลงแบบแยกทั่วไปคือตัวแปลงแบบ flyback และตัวแปลงแบบส่งต่อ

ตัวแปลงฟลายแบ็กมักจะใช้สำหรับระดับพลังงานสูงถึง 60 วัตต์ โหมดการทำงานของวงจรคือพลังงานไฟฟ้าจะถูกเก็บไว้ในหม้อแปลงในช่วงเวลาการนำไฟฟ้า เมื่อตัดการเชื่อมต่อ พลังงานไฟฟ้าจะถูกปล่อยไปที่ด้านทุติยภูมิของคอนเวอร์เตอร์เพื่อจ่ายพลังงานให้กับเอาท์พุต ตัวแปลงนี้สร้างได้ง่าย แต่ต้องใช้หม้อแปลงที่ค่อนข้างใหญ่เพื่อเก็บพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการทำงานตามปกติ ประการหนึ่ง โทโพโลยีนี้ถูกจำกัดไว้ที่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า รูปที่ 6 แสดงฟลายแบ็คคอนเวอร์เตอร์ที่ด้านบนและคอนเวอร์เตอร์ไปข้างหน้าที่ด้านล่าง

6. ตัวแปลง Flyback (บน) และตัวแปลงไปข้างหน้า (ล่าง)

นอกจากตัวแปลง flyback แล้ว ตัวแปลงไปข้างหน้ายังเป็นที่นิยมอย่างมากอีกด้วย ใช้หม้อแปลงในลักษณะที่แตกต่างจากตัวแปลงฟลายแบ็ค ในช่วงเวลาการนำไฟฟ้า แม้ว่ากระแสจะไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิ แต่กระแสก็ไหลผ่านขดลวดทุติยภูมิด้วย ไม่ควรเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ในขดลวดหม้อแปลง หลังจากแต่ละรอบการสวิตชิ่ง เราต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าการดึงดูดแม่เหล็กของคอยล์ทั้งหมดถูกปล่อยไปที่ศูนย์ เพื่อให้หม้อแปลงไม่อิ่มตัวหลังจากรอบการสวิตชิ่งหลายรอบ สามารถใช้เทคโนโลยีต่างๆ มากมายเพื่อปล่อยพลังงานไฟฟ้าออกจากขดลวดได้ วิธีทั่วไปคือการใช้แคลมป์แบบแอคทีฟพร้อมสวิตช์และตัวเก็บประจุพิเศษขนาดเล็ก

รูปที่ 7 แสดงแผนผังของสภาพแวดล้อมการจำลอง LTspice พร้อมการออกแบบแคลมป์ไปข้างหน้าแบบแอคทีฟโดยใช้ ADP1074 ในคอนเวอร์เตอร์แบบเดินหน้า มีการเหนี่ยวนำเพิ่มเติมในเส้นทางเอาท์พุตที่ไม่พบในคอนเวอร์เตอร์ฟลายแบ็ค ดังแสดงในรูปที่ 6 แม้ว่าส่วนประกอบเพิ่มเติมนี้มีพื้นที่ที่เกี่ยวข้องและผลกระทบด้านต้นทุน แต่ก็ช่วยสร้างแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตสัญญาณรบกวนที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับตัวแปลงฟลายแบ็ค นอกจากนี้ ที่ระดับพลังงานเดียวกันกับตัวแปลงฟลายแบ็ก ขนาดของหม้อแปลงที่ตัวแปลงข้างหน้าต้องการอาจเล็กกว่ามาก

รูปที่ 7 วงจรไปข้างหน้าของแคลมป์ที่ใช้งานอยู่โดยใช้ ADP1074 เพื่อสร้างแรงดันเอาต์พุตที่แยกได้ ดังที่แสดงในการจำลองใน LTspice

โทโพโลยีการแยกขั้นสูง

   

นอกจากโทโพโลยีฟลายแบ็คและฟอร์เวิร์ดแล้ว ยังมีแนวคิดมากมายเกี่ยวกับตัวแปลงแยกทางไฟฟ้าที่อิงตามหม้อแปลงที่แตกต่างกัน รายการต่อไปนี้ให้คำอธิบายเบื้องต้นเกี่ยวกับตัวแปลงทั่วไป:

• Push-pull: โทโพโลยีแบบพุชพูลนั้นคล้ายคลึงกับโทโพโลยีตัวแปลงไปข้างหน้า อย่างไรก็ตาม โทโพโลยีนี้ต้องใช้สวิตช์ด้านต่ำที่ใช้งานอยู่สองตัว แทนที่จะเป็นสวิตช์ด้านต่ำตัวเดียว จำเป็นต้องมีหม้อแปลงหลักที่มีก๊อกตรงกลางด้วย เมื่อเปรียบเทียบกับตัวแปลงแบบไปข้างหน้า ตัวแปลงแบบพุชพูลมีข้อดีของเสียงรบกวนที่ต่ำกว่าและหม้อแปลงขนาดเล็กกว่า ฮิสเทรีซิสของเส้นโค้ง BH ของหม้อแปลงใช้ในสองจตุภาคแทนที่จะเป็นหนึ่ง
  

• ฮาล์ฟบริดจ์/ฟูลบริดจ์: โทโพโลยีทั้งสองนี้มักจะใช้สำหรับการออกแบบพลังงานที่สูงกว่า เริ่มต้นจากหลายร้อยวัตต์ไปจนถึงหลายกิโลวัตต์ นอกจากสวิตช์ด้านต่ำแล้ว พวกเขายังต้องการสวิตช์ด้านสูงด้วย แต่สามารถส่งกำลังสูงผ่านหม้อแปลงที่มีขนาดค่อนข้างเล็กได้
  

• ZVS: คำนี้มักจะกล่าวถึงเมื่อพูดถึงตัวแปลงแยกกำลังสูง มันย่อมาจากการสลับแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ อีกคำหนึ่งสำหรับตัวแปลงประเภทนี้คือตัวแปลง LLC (Inductance-Inductance-Capacitance) วัตถุประสงค์ของสถาปัตยกรรมเหล่านี้คือการบรรลุการแปลงที่มีประสิทธิภาพ พวกเขาจะผลิตวงจรเรโซแนนซ์และเปลี่ยนสวิตช์ไฟเมื่อแรงดันหรือกระแสบนสวิตช์เข้าใกล้ศูนย์ ด้วยวิธีนี้ การสูญเสียการสลับจะลดลง อย่างไรก็ตาม การออกแบบประเภทนี้เป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจ และความถี่ในการสวิตชิ่งไม่ได้รับการแก้ไข ซึ่งบางครั้งทำให้เกิดปัญหา EMI

  
  

ตัวแปลงตัวเก็บประจุแบบสวิตช์

   

นอกจากตัวควบคุมเชิงเส้นและอุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดแล้ว ยังมีตัวแปลงพลังงานกลุ่มที่สาม: ตัวแปลงตัวเก็บประจุแบบสวิตช์ เรียกอีกอย่างว่าปั๊มชาร์จ พวกเขาใช้สวิตช์และตัวเก็บประจุเพื่อคูณหรือกลับแรงดันไฟฟ้า ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือไม่จำเป็นต้องมีการเหนี่ยวนำใดๆ ตัวแปลงชนิดนี้มักจะใช้กับระดับพลังงานต่ำที่ต่ำกว่า 5 W อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าที่สำคัญล่าสุดทำให้มีตัวแปลงตัวเก็บประจุแบบสวิตช์ที่ทรงพลังยิ่งขึ้น รูปที่ 8 แสดง LTC7820 ที่มีประสิทธิภาพ 98.5% และการออกแบบ 120 W ซึ่งแปลง 48 V เป็น 24 V

รูปที่ 8 ตัวควบคุม DC-DC ของปั๊มจ่ายพลังงานสูงอัตราส่วนคงที่ LTC7820

แหล่งจ่ายไฟดิจิตอล

   

แหล่งจ่ายไฟทั้งหมดที่กล่าวถึงในเอกสารนี้สามารถนำไปใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟแบบอะนาล็อกหรือดิจิทัลได้ แหล่งจ่ายไฟแบบดิจิทัลคืออะไรกันแน่? แหล่งจ่ายไฟจะต้องผ่านระดับพลังงานอะนาล็อกของสวิตช์ ตัวเหนี่ยวนำ หม้อแปลง และตัวเก็บประจุเสมอ แง่มุมดิจิทัลได้รับการนำเสนอโดยหน่วยการสร้างดิจิทัลสองประการ:

• ประการแรกคืออินเทอร์เฟซดิจิทัลซึ่งระบบอิเล็กทรอนิกส์สามารถสื่อสารกับแหล่งจ่ายไฟได้ สามารถตั้งค่าพารามิเตอร์ต่างๆ ได้ทันทีเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการจ่ายไฟให้เหมาะกับสภาพการทำงานที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ พาวเวอร์ซัพพลายยังสามารถสื่อสารกับโปรเซสเซอร์หลัก และทำให้เกิดคำเตือนหรือสัญญาณแสดงข้อผิดพลาด ตัวอย่างเช่น ระบบสามารถตรวจสอบกระแสโหลด เกินเกณฑ์ที่ตั้งไว้ล่วงหน้าได้อย่างง่ายดาย หรืออุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงเกินไป
  

• โมดูลอาคารดิจิทัลชุดที่สองใช้ลูปดิจิทัลแทนลูปควบคุมแบบอะนาล็อก วิธีนี้ใช้ได้ผลดี แต่สำหรับแอปพลิเคชันส่วนใหญ่ วิธีที่ดีที่สุดคือนำลูปป้อนกลับแบบอะนาล็อกมาตรฐานที่มีอิทธิพลทางดิจิทัลบางอย่างมาใช้กับพารามิเตอร์บางตัว เช่น การปรับอัตราขยายของเครื่องขยายสัญญาณข้อผิดพลาดทันที หรือการตั้งค่าพารามิเตอร์การชดเชยลูปแบบไดนามิกเพื่อให้ทราบถึงความเสถียรแต่รวดเร็ว ห่วงข้อเสนอแนะ

ตัวอย่างของอุปกรณ์ที่มีลูปควบคุมแบบดิจิทัลล้วนคือ ADP1046A ของ ADI ตัวอย่างของตัวควบคุมบั๊กอินเทอร์เฟซดิจิทัลที่ได้รับการปรับปรุงโดยอิทธิพลทางดิจิทัลและมีลูปควบคุมแบบอะนาล็อกคือ LTC3883

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับอีเอ็มไอ

   

การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เป็นปัญหาที่ควรคำนึงถึงมาโดยตลอดเมื่อออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง เหตุผลก็คือแหล่งจ่ายไฟสลับโหมดจะเปลี่ยนกระแสสูงในเวลาอันสั้น ยิ่งความเร็วในการเปลี่ยนเร็วเท่าไร ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ความเร็วในการเปลี่ยนที่เร็วขึ้นสามารถลดเวลาในการเปิดสวิตช์บางส่วนได้ ในช่วงเวลาตรงส่วนนี้ การสูญเสียการสลับส่วนใหญ่จะเกิดขึ้น รูปที่ 9 แสดงรูปคลื่นของแหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตชิ่งที่โหนดสวิตชิ่ง ยกตัวอย่างตัวควบคุมบั๊ก ไฟฟ้าแรงสูงถูกกำหนดโดยกระแสผ่านสวิตช์ด้านสูง ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าต่ำถูกกำหนดโดยไม่มีกระแสไหลผ่านสวิตช์ด้านสูง

รูปที่ 9 ความเร็วในการสลับและความถี่ในการสลับของแหล่งจ่ายไฟสลับโหมด

ดังที่เห็นได้ในรูป 9. เสียงที่เกิดจากแหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตชิ่งไม่เพียงมาจากความถี่สวิตชิ่งที่ปรับแล้วเท่านั้น แต่ยังมาจากความเร็วในการสวิตชิ่งที่สูงกว่าความถี่มากด้วย แม้ว่าความถี่ในการสลับโดยปกติจะทำงานระหว่าง 500 kHz ถึง 3 MHz แต่เวลาในการสลับอาจยาวนานหลายนาโนวินาที ในเวลาสวิตชิ่ง 1 ns ความถี่ที่สอดคล้องกันในสเปกตรัมจะเป็น 1 GHz อย่างน้อยทั้งสองความถี่นี้จะถือเป็นการรบกวนการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและรังสีที่นำพา การแกว่งของวงจรควบคุมหรือปฏิสัมพันธ์ระหว่างแหล่งจ่ายไฟกับตัวกรองอาจนำมาซึ่งความถี่อื่นด้วย

มีสองเหตุผลในการลด EMI เหตุผลแรกคือเพื่อปกป้องการทำงานของระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ขับเคลื่อนโดยแหล่งจ่ายไฟเฉพาะ ตัวอย่างเช่น ADC 16 บิตที่ใช้ในเส้นทางสัญญาณของระบบไม่ควรรับสัญญาณรบกวนการสลับจากแหล่งจ่ายไฟ เหตุผลที่สองคือเพื่อให้เป็นไปตามกฎระเบียบ EMI ที่กำหนดโดยรัฐบาลทั่วโลก เพื่อปกป้องการทำงานที่เชื่อถือได้ของระบบอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ในเวลาเดียวกัน

EMI มีสองรูปแบบ คือ EMI แบบแผ่รังสี และ EMI แบบดำเนินการ วิธีที่มีประสิทธิภาพในการลด EMI ที่แผ่รังสีคือการปรับเค้าโครงของ PCB ให้เหมาะสม และนำเทคโนโลยี เช่น Silent Switcher® ของ ADI มาใช้ เทคโนโลยีดังกล่าว แน่นอนว่าการใส่วงจรไว้ในกล่องโลหะที่มีฉนวนป้องกันก็มีประสิทธิภาพเช่นกัน อย่างไรก็ตาม วิธีนี้อาจใช้ไม่ได้จริง และโดยส่วนใหญ่แล้วจะมีค่าใช้จ่ายสูง

EMI ที่ดำเนินการมักจะถูกลดทอนลงโดยการกรองเพิ่มเติม ถัดไป จะมีการหารือเกี่ยวกับการกรองเพิ่มเติมเพื่อลดรังสีที่นำพา

กรองคลื่น

   

ตัวกรอง RC เป็นตัวกรองความถี่ต่ำผ่านพื้นฐาน อย่างไรก็ตาม ในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟ ตัวกรองแต่ละตัวจะเป็นตัวกรอง LC โดยทั่วไป การเพิ่มตัวเหนี่ยวนำบางตัวเป็นอนุกรมก็เพียงพอแล้ว เนื่องจากจะสร้างตัวกรอง LC หรือ CLC ร่วมกับความจุอินพุตหรือเอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตชิ่ง บางครั้งใช้เฉพาะตัวเก็บประจุเป็นตัวกรอง แต่เมื่อพิจารณาถึงการเหนี่ยวนำปรสิตของสายไฟหรือร่องรอย เราจึงรวมตัวเก็บประจุเพื่อสร้างตัวกรอง LC ตัวเหนี่ยวนำ l อาจเป็นตัวเหนี่ยวนำที่มีขดลวดหรือเม็ดเฟอร์ไรต์ วัตถุประสงค์ของตัวกรอง LC จริงๆ แล้วคือเอฟเฟกต์ความถี่ต่ำผ่าน ซึ่งช่วยให้พลังงาน DC สามารถผ่านและลดสัญญาณรบกวนความถี่สูงได้ในระดับที่ดี ตัวกรอง LC มีขั้วคู่ จึงสามารถบรรลุการลดทอนความถี่สูงถึง 40 dB/อ็อกเทฟ ตัวกรองสามารถลดความถี่ได้ค่อนข้างคมชัด การออกแบบตัวกรองไม่ใช่เรื่องง่าย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากส่วนประกอบของปรสิตในวงจร (เช่น ตัวเหนี่ยวนำการติดตาม) จะสร้างเอฟเฟกต์ การสร้างแบบจำลองตัวกรองจึงจำเป็นต้องจำลองเอฟเฟกต์หลักของปรสิตด้วย ทำให้ตัวกรองแบบอะนาล็อกค่อนข้างใช้เวลานาน นักออกแบบจำนวนมากที่มีประสบการณ์ในการออกแบบตัวกรองรู้ว่าตัวกรองใดทำงานได้ดี และอาจเพิ่มประสิทธิภาพตัวกรองซ้ำๆ เพื่อให้ได้การออกแบบใหม่

เมื่อออกแบบตัวกรองทั้งหมด จำเป็นต้องพิจารณาไม่เพียงแต่พฤติกรรมของสัญญาณขนาดเล็กเท่านั้น เช่น ฟังก์ชันการถ่ายโอนของตัวกรองในแผนภาพ Porter แต่ยังรวมถึงผลกระทบของสัญญาณขนาดใหญ่ด้วย ในตัวกรอง LC ใด ๆ แหล่งจ่ายไฟจะผ่านตัวเหนี่ยวนำ หากไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟที่เอาท์พุตอีกต่อไป พลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำจะต้องถูกปล่อยออกมาที่ไหนสักแห่งเนื่องจากโหลดชั่วคราวกะทันหัน มันจะชาร์จตัวเก็บประจุของตัวกรอง หากตัวกรองไม่ได้รับการออกแบบสำหรับกรณีที่เลวร้ายที่สุดนี้ พลังงานไฟฟ้าที่เก็บไว้อาจทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินพิกัด ซึ่งอาจทำให้วงจรเสียหายได้

ในที่สุดตัวกรองก็มีอิมพีแดนซ์ที่แน่นอน อิมพีแดนซ์นี้โต้ตอบกับอิมพีแดนซ์ของตัวแปลงกำลังที่ติดอยู่กับตัวกรอง ปฏิสัมพันธ์นี้อาจนำไปสู่ความไม่มั่นคงและการแกว่ง เครื่องมือจำลองสถานการณ์ของอุปกรณ์อะนาล็อก เช่น LTspice และ LTpowerCAD มีประโยชน์ในการตอบคำถามเหล่านี้ทั้งหมดและออกแบบตัวกรองที่ยอดเยี่ยม รูปที่ 10 แสดงอินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบกราฟิกของนักออกแบบตัวกรองในสภาพแวดล้อมการออกแบบ LTpowerCAD การใช้เครื่องมือนี้เพื่อออกแบบฟิลเตอร์นั้นง่ายมาก

รูปที่ 10 การออกแบบตัวกรองอินพุตของตัวควบคุมบั๊กโดยใช้ LTpowerCAD

ผู้สลับเสียงเงียบ

   

การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้านั้นหยุดได้ยาก จำเป็นต้องมีโล่พิเศษที่ทำจากวัสดุโลหะบางชนิด ค่าใช้จ่ายในการทำเช่นนั้นสูงมาก เป็นเวลานานที่วิศวกรมองหาวิธีลดการรบกวนของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการจ่ายไฟแบบสลับโหมด ไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยี Silent Switcher ได้สร้างความก้าวหน้าครั้งใหญ่ ด้วยการลดการเหนี่ยวนำปรสิตในวงจรความร้อนของแหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตชิ่ง และการแบ่งวงจรความร้อนออกเป็นสองวงจร ซึ่งจัดเรียงในลักษณะสมมาตรสูง การรบกวนของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าส่วนใหญ่จะหักล้างกัน ปัจจุบัน อุปกรณ์ Silent Switcher จำนวนมากมีการรบกวนจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าต่ำกว่าผลิตภัณฑ์ทั่วไปมาก การลดการรบกวนของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถปรับปรุงความเร็วในการเปลี่ยนโดยไม่มี EMI ร้ายแรง การเพิ่มความเร็วในการสวิตชิ่งสามารถลดการสูญเสียการสวิตชิ่งได้ ซึ่งจะเพิ่มความถี่ในการสวิตชิ่ง ตัวอย่างของนวัตกรรมนี้คือ LTC3310S ซึ่งมีความถี่สวิตชิ่ง 5 MHz และใช้ส่วนประกอบภายนอกที่มีต้นทุนต่ำเพื่อให้ได้การออกแบบที่กะทัดรัดมาก

การจัดการพลังงานเป็นสิ่งจำเป็น แต่ก็สามารถสนุกได้เช่นกัน

  

ในบทความนี้ เราจะพูดคุยถึงแง่มุมต่างๆ ของการออกแบบพาวเวอร์ซัพพลาย รวมถึงโทโพโลยีพาวเวอร์ซัพพลายที่แตกต่างกัน รวมถึงข้อดีและข้อเสีย ข้อมูลนี้เป็นข้อมูลพื้นฐานมากสำหรับวิศวกรไฟฟ้า แต่สำหรับผู้เชี่ยวชาญและผู้ที่ไม่ใช่มืออาชีพ การใช้เครื่องมือซอฟต์แวร์ เช่น LTpowerCAD และ LTspice ในกระบวนการออกแบบจะเป็นประโยชน์ ด้วยเครื่องมือเหล่านี้ จึงสามารถออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพตัวแปลงพลังงานได้ในเวลาอันสั้น

ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: บทความนี้ทำซ้ำจาก "Power R&D Alliance" บทความนี้นำเสนอเฉพาะมุมมองส่วนตัวของผู้เขียน และไม่ได้เป็นตัวแทนมุมมองของ Sacco Micro และอุตสาหกรรม มีไว้สำหรับการพิมพ์ซ้ำและแบ่งปันเพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาเท่านั้น โปรดระบุแหล่งที่มาต้นฉบับและผู้แต่งเมื่อพิมพ์ซ้ำ หากมีการละเมิดใด ๆ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก

โทรศัพท์บริษัท: +86-0755-83044319
แฟกซ์/แฟกซ์:+86-0755-83975897
อีเมล์: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 ผู้จัดการหลี่
QQ: 332496225 ผู้จัดการชิว
ที่อยู่: ห้อง 809 บล็อก C อาคารเทคโนโลยี Zhantao เลขที่ 1079 Minzhi Avenue เขตหลงหัวใหม่ เซินเจิ้น