เมื่อเลือกเครื่องควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่ง ประสิทธิภาพถือเป็นเกณฑ์ที่สำคัญที่สุด อุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดในยุคใหม่ต้องสามารถจ่ายพลังงานได้อย่างน่าเชื่อถือภายในพื้นที่จำกัด ความสามารถในการสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรในขณะที่จ่ายกระแสไฟฟ้าในปริมาณมากเป็นข้อกำหนดพื้นฐานในการออกแบบส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งเป็นอุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับการสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรและการเพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้า เครื่องควบคุมการสลับมีชื่อเรียกต่างๆ กัน ได้แก่ ตัวแปลงหรือสวิตช์ แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (SMPS) และตัวควบคุมหรือตัวแปลง DC/DC ความนิยมของเครื่องควบคุมเหล่านี้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเนื่องมาจากข้อดีต่างๆ เช่น ตอบสนองความต้องการประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง ความยืดหยุ่นในการรับเอาต์พุตที่เสถียรจากแหล่งแรงดันไฟฟ้าอินพุตเดียว และความสามารถในการปรับให้เข้ากับการกำหนดค่าเอาต์พุตหลายตัวที่มีขั้วต่างๆ กัน ประเภทเครื่องควบคุมการสลับที่พบมากที่สุด ได้แก่:

ประเภทบูสต์:เพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและส่งมอบเอาต์พุตที่ถูกควบคุม

ประเภทบัค:ลดแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและส่งมอบเอาต์พุตที่มีการควบคุม

เพิ่มเจ้าชู้:เพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้าขาเข้า โดยมีขั้วลบให้เลือกใช้

ประเภทฟลายแบ็ก:ตัวแปรแบบบัค-บูสต์ที่ให้การแยกไฟฟ้า

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นแรงดันคงที่และปรับได้

เป็นเวลาหลายปีแล้วที่การออกแบบแหล่งจ่ายไฟจะต้องอาศัยตัวควบคุมเชิงเส้น ตัวควบคุมเชิงเส้นมีประสิทธิภาพในการให้แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตที่ต่อเนื่องและคงที่ นอกจากนี้ ตัวควบคุมเชิงเส้นอื่นๆ (เช่น LM317) สามารถปรับค่าได้ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตแบบคงที่และเชิงเส้นทั่วไป ได้แก่ ซีรีส์ 78xx (เอาต์พุตบวก) และซีรีส์ 79xx (เอาต์พุตลบ) ตัวควบคุมเหล่านี้ให้เอาต์พุตที่เสถียรตั้งแต่ 5 V ถึง 24 V ตัวควบคุมเชิงเส้นไม่ใช่แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด ข้อดีของตัวควบคุมเชิงเส้น ได้แก่ ความเรียบง่าย ต้นทุนต่ำ เสียงรบกวนต่ำ และริปเปิลต่ำ อย่างไรก็ตาม พลังงานเอาต์พุตของตัวควบคุมเชิงเส้นมักจะต่ำกว่า 10 W และประสิทธิภาพมักจะต่ำ ทำให้เกิดความร้อน ตัวควบคุมเชิงเส้นสามารถดำเนินการควบคุมแบบสเต็ปดาวน์เท่านั้น ในขณะที่ SMPS สามารถใช้โทโพโลยีบัค บูสต์ หรือบัค-บูสต์เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขึ้น ลด หรือกลับขั้ว

ระบบจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด

โทรทัศน์ คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ไดรเวอร์มอเตอร์ DC และเครื่องขยายกำลังไฟฟ้าส่วนใหญ่ในปัจจุบันต้องการอุปกรณ์ SMPS ขั้นสูงที่มีประสิทธิภาพสูง อุปกรณ์เหล่านี้ใช้เทคโนโลยีการสลับเซมิคอนดักเตอร์แทนวิธีเชิงเส้นแบบเดิมเพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าขาออก ตัวแปลงการสลับพื้นฐานประกอบด้วยสเตจการสลับกำลังไฟฟ้าและวงจรควบคุม SMPS ช่วยลดการสูญเสียพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพโดยการทำงานของทรานซิสเตอร์ภายใน (หรือ MOSFET กำลังไฟ) ในสถานะ "เปิด" อิ่มตัวและสถานะ "ปิด" ตัด

ตัวควบคุมการสลับบั๊ก

ซีรีย์ LM2596x จาก SLKOR เซมิคอนดักเตอร์มีตัวแปลงบั๊ก DC/DC ประสิทธิภาพสูง ทำให้เป็นโซลูชันขนาดกะทัดรัดสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น การออกแบบยานยนต์และอุตสาหกรรม LM2596x รวมออสซิลเลเตอร์ความถี่คงที่และโมดูลชดเชยความถี่เข้าด้วยกัน

การออกแบบที่เรียบง่ายนั้นต้องการส่วนประกอบภายนอกเพียงเล็กน้อย ชิปยังมีคุณสมบัติในตัว เช่น การป้องกันฮิสเทอรีซิส การป้องกันอุณหภูมิเกิน การป้องกันกระแสเกิน และการป้องกันกระแสเกินรอง ในระหว่างเหตุการณ์กระแสเกินรอง ชิปจะลดความถี่ในการทำงานจาก 150 kHz เหลือ 50 kHz ตัวอย่างเช่น ตัวควบคุมการสลับบัค LM2596S-ADJ (รูปที่ 1)

1 รูป: LM2596S-ADJ ตัวควบคุมบัคสวิตชิ่งให้แรงดันไฟขาออกที่เสถียร (เครดิตภาพ: SLKOR สารกึ่งตัวนำ)

ตัวควบคุมการสลับบัค LM2596SX-12 (รูปที่ 2) เป็นตัวแปลง DC/DC แบบ PWM ความถี่คงที่ 150 kHz ตัวควบคุมนี้ให้ความสามารถในการขับกระแสเอาต์พุต 3A พร้อมประสิทธิภาพสูง ริปเปิลต่ำ และการควบคุมไลน์/โหลดที่ยอดเยี่ยม โดยใช้การมอดูเลต PWM ชิปนี้รองรับช่วงหน้าที่เชิงเส้น 0–100%

อุปกรณ์นี้ไม่เพียงแต่ตอบสนองการเปลี่ยนแปลงชั่วขณะได้อย่างยอดเยี่ยมเท่านั้น แต่ยังใช้พื้นที่ PCB น้อยมากอีกด้วย บรรจุภัณฑ์ที่กะทัดรัดและความหนาแน่นของพลังงานสูงทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับจอ LCD ทีวี กรอบรูปดิจิตอล กล่องรับสัญญาณโทรทัศน์ โมเด็ม อุปกรณ์โทรคมนาคม และอุปกรณ์เครือข่าย

2 รูป: LM2596SX-12 ตัวควบคุมบัคสวิตชิ่งตอบสนองความต้องการแรงดันไฟต่ำ (เครดิตภาพ: SLKOR สารกึ่งตัวนำ)

ตัวควบคุมการสลับบูสต์

SL2733 เป็นตัวแปลงบูสต์ DC/DC ที่ออกแบบมาเพื่อจ่ายกระแสคงที่ที่แม่นยำสำหรับการขับเคลื่อน LED หลายตัว ด้วยความถี่การสลับคงที่ 1 MHz SL2733 สามารถจับคู่กับตัวเก็บประจุเซรามิกภายนอกขนาดเล็กและตัวเหนี่ยวนำได้ กระแสเอาต์พุตสามารถปรับได้ผ่านตัวต้านทานภายนอก (R1) ทำให้สามารถขับเคลื่อน LED หลายตัวแบบอนุกรมได้ SL2733 เหมาะสำหรับการขับเคลื่อน LED ที่เหมือนกัน รองรับ LED สีขาวสูงสุด 32 ตัวแบบอนุกรมหรือแรงดันขับเคลื่อนสูงสุด 23 V สามารถปรับความสว่างของ LED ได้โดยใช้แรงดันไฟ DC สัญญาณตรรกะ หรือสัญญาณมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) พินปิดเครื่อง (SHDW) ช่วยให้อุปกรณ์ทำงานในโหมดปิดเครื่องด้วยกระแสคงที่ต่ำ นอกจากการป้องกันความร้อนและการจำกัดกระแสเกินแล้ว ชิปยังเข้าสู่โหมดพลังงานต่ำพิเศษเมื่อเกิดข้อผิดพลาดของวงจรเปิด LED โดยบรรจุอยู่ในแพ็คเกจ SOT5-XNUMX ขนาดกะทัดรัด

เล็กกว่าดีกว่า

การใช้ SL2188 ลดจำนวนส่วนประกอบภายนอก อุปกรณ์นี้รองรับส่วนประกอบภายนอกขนาดกะทัดรัด พร้อมคุณสมบัติการสตาร์ทแบบนุ่มนวลช่วยลดกระแสกระชาก รองรับโหลดกระแสไฟฟ้าได้หลากหลาย และผสานรวม MOSFET กำลังไฟฟ้าที่สามารถรองรับกระแสสวิตชิ่งสูงสุดเกิน 1 แอมแปร์ ที่แรงดันเอาต์พุตสูงสุด 3.6 โวลต์ การออกแบบที่กะทัดรัด มีพลังงานสูง และอเนกประสงค์นี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ลิเธียมเซลล์เดียว รวมถึงระบบแบตเตอรี่อัลคาไลน์สองและสามเซลล์ NiMH หรือ NiCd บูสต์คอนเวอร์เตอร์เช่น SL2188 เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ต่อพ่วงไร้สาย อุปกรณ์เล่นเกม อุปกรณ์ทางการแพทย์ส่วนบุคคล และเครื่องเล่นสื่อแบบพกพา ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่รวดเร็วทำให้รูปแบบมีขนาดเล็กลง เมื่อเทียบกับ SOP-J8 SL23 ที่บรรจุในแพ็คเกจ SOT2188 ช่วยลดพื้นที่ PCB ที่จำเป็นได้อย่างมาก

รูปที่ 3: เนื่องจากการออกแบบส่วนประกอบมีขนาดเล็กลง แพ็คเกจขนาดเล็ก (เช่น SOT23) จึงมีความจำเป็น (เครดิตภาพ: SLKOR สารกึ่งตัวนำ)

การเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดพร้อมลดการใช้พลังงาน

ความต้องการในการลดขนาดยังคงเป็นแรงผลักดันควบคู่ไปกับความจำเป็นในการรักษาความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ตัวควบคุมบัคสวิตชิ่ง SY8120B (รูปที่ 4) นำเสนอการออกแบบที่กะทัดรัดพร้อมเอาต์พุตที่ปรับได้และการจ่ายพลังงานที่เชื่อถือได้

รูปที่ 4: SY8120B เป็นตัวควบคุมบัคสวิตชิ่งที่จ่ายไฟได้อย่างน่าเชื่อถือในดีไซน์ที่เล็กลงและกะทัดรัดยิ่งขึ้น (เครดิตภาพ: SLKOR สารกึ่งตัวนำ)

บางคนอาจคิดว่าการย่อส่วนจะต้องเสียสละความสามารถในการโหลดหรือการส่งพลังงานที่เชื่อถือได้ แต่ไม่ใช่แบบนั้น SY8120B มีประสิทธิภาพการแปลงสูงพร้อมทั้งลดการใช้พลังงาน (รูปที่ 5) อุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ช่วยลดการใช้พลังงานขณะอยู่ในสถานะว่าง โดยให้กระแสไฟสแตนด์บายต่ำ นอกจากนี้ การควบคุมเวลาเปิดเครื่องอย่างต่อเนื่องยังช่วยให้ทำงานภายใต้โหลดเบาได้อย่างมีประสิทธิภาพ

 
รูปที่ 5: นักออกแบบมองหาตัวแปลงบัค DC/DC ประสิทธิภาพสูงที่จ่ายพลังงานได้อย่างน่าเชื่อถือ (เครดิตภาพ: SLKOR สารกึ่งตัวนำ)

เครื่องแปลงฟลายแบ็กสำหรับแอพพลิเคชั่น AC/DC และ DC/DC

ตัวแปลงฟลายแบ็กเป็นโทโพโลยีแบบบัค-บูสต์ที่รวมหม้อแปลงฟลายแบ็กเข้าไป เหมาะสำหรับการแปลงทั้ง AC/DC และ DC/DC โดยให้การแยกไฟฟ้าระหว่างอินพุตและเอาต์พุต นอกจากนี้ยังมีข้อดีในการคูณอัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าและการแยกไฟฟ้าอีกด้วย ตัวแปลงไฟฟ้าแบบแยกใช้รูปแบบการควบคุมสองแบบ ได้แก่ การควบคุมโหมดแรงดันไฟฟ้าและการควบคุมโหมดกระแสไฟฟ้า สำหรับการทำงานที่เสถียร การควบคุมโหมดกระแสไฟฟ้ามักเป็นที่ต้องการ

ตัวแปลง DC/DC แบบ Buck-Boost

ตัวแปลงบัค-บูสต์เป็นตัวแปลง DC/DC แบบคลาสสิกที่มีขนาดแรงดันเอาต์พุตที่สูงกว่าหรือต่ำกว่าแรงดันอินพุตได้ นอกจากนี้ยังสามารถสร้างแรงดันลบได้ด้วย คล้ายกับตัวแปลงฟลายแบ็ก ตัวแปลงนี้ใช้ตัวเหนี่ยวนำตัวเดียวแทนหม้อแปลง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตัวแปลงบัค-บูสต์ประกอบด้วยโทโพโลยีที่แตกต่างกันสองแบบที่สามารถสร้างแรงดันเอาต์พุตได้ตั้งแต่เหนือแรงดันอินพุตลงมาจนถึงศูนย์ แหล่งจ่ายไฟ DC/DC ซึ่งบางครั้งเรียกว่า "เครื่องสับ" ประกอบด้วยวงจรบัค-บูสต์ที่ทำงานเป็นทั้งบูสต์หรือตัวแปลงบัค ขึ้นอยู่กับรอบหน้าที่

สรุป

การแปลงพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงในการออกแบบยานยนต์และอุตสาหกรรมสมัยใหม่นั้นอาศัยตัวควบคุมการสลับ เมื่อการออกแบบมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น ความต้องการอุปกรณ์อเนกประสงค์ที่มีประสิทธิภาพสูงที่สามารถรักษาระดับพลังงานให้คงที่ก็เพิ่มมากขึ้นเช่นกัน แม้ว่าตัวควบคุมการสลับอาจมีชื่อเรียกต่างๆ กัน เช่น SMPS ตัวควบคุมการสลับ DC/DC ตัวแปลง หรือตัวควบคุมSLKOR นำเสนอโซลูชันขนาดกะทัดรัดหลากหลายสำหรับการใช้งานที่ต้องการการแปลงพลังงานที่มีประสิทธิภาพ

ตัวควบคุมการสลับมีความสำคัญอย่างมากในการออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์ โดยให้การแปลงพลังงานที่เสถียรและมีประสิทธิภาพพร้อมทั้งมีขนาดเล็กและใช้งานได้หลากหลาย ตัวควบคุมการสลับได้รับการนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา จากบทความนี้ เราได้รับความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับแนวคิดพื้นฐานและประเภทของตัวควบคุมการสลับ ความแตกต่างระหว่างตัวควบคุมเชิงเส้นและ SMPS และ SLKORผลิตภัณฑ์เครื่องควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตช์ประสิทธิภาพสูงและการใช้งาน 

คุณมีประสบการณ์หรือมีคำถามอะไรบ้างเกี่ยวกับการออกแบบและการใช้งานตัวควบคุมการสลับ แบ่งปันความคิดของคุณในช่องแสดงความคิดเห็น!