انتخاب رگولاتور مناسب (نکات انتخاب رگولاتور سوئیچینگ)

توان بخش مهمی از هر پروژه یا دستگاه الکترونیکی است. صرف نظر از منبع، معمولاً نیاز به انجام کار هایی برای مدیریت توان مانند تغییر شکل یا مقیاس‌ سازی ولتاژ و تبدیل (AC-DC یا DC-DC) وجود دارد.

انتخاب راه حل مناسب برای هر یک از این کار ها می تواند کلید موفقیت (یا شکست) محصول باشد. یکی از رایج ‌ترین کار های مدیریت توان تقریباً در انواع دستگاه‌ ها تنظیم و مقیاس‌ سازی ولتاژ DC-DC است. این شامل تغییر مقدار ولتاژ DC در ورودی به مقدار بیشتر یا کمتر در خروجی است. اجزاء یا ماژول های مورد استفاده برای انجام این کار ها معمولاً به عنوان رگولاتور ولتاژ شناخته می شوند. آن ها به طور کلی توانایی تامین ولتاژ خروجی ثابت را دارند که بالاتر یا کمتر از ولتاژ ورودی است و معمولاً برای تامین برق قطعات در طرح هایی که بخش هایی با ولتاژ های مختلف دارید استفاده می شوند. آن ها همچنین در منابع تغذیه سنتی استفاده می شوند.

دو نوع اصلی رگولاتور ولتاژ وجود دارد.

1. رگولاتور های خطی
2. رگولاتور های سوئیچینگ

رگولاتور‌ های ولتاژ خطی معمولاً رگولاتور های کاهنده هستند و از کنترل امپدانس برای ایجاد کاهش خطی ولتاژ ورودی در خروجی استفاده می‌ کنند. آن ها معمولاً بسیار ارزان اما ناکارآمد هستند زیرا انرژی زیادی در اثر گرما در طول تنظیم از دست می رود. از طرف دیگر، رگولاتور های سوئیچینگ بسته به معماری، می‌ توانند ولتاژ اعمال شده در ورودی را افزایش یا کاهش دهند. آن ها به تنظیم ولتاژ با استفاده از فرآیند روشن یا خاموش کردن یک ترانزیستور که ولتاژ موجود در خروجی رگولاتور را کنترل می کند، دست می یابند. در مقایسه با رگولاتورهای خطی، رگولاتور های سوئیچینگ معمولاً گران تر و بسیار کارآمدتر هستند.

برای مقاله امروز، ما بر روی رگولاتور های سوئیچینگ تمرکز خواهیم کرد و همانطور که از عنوان آن مشخص است، به عواملی می‌ پردازیم که باید هنگام انتخاب رگولاتور سوئیچینگ برای یک پروژه در نظر بگیریم.

بخاطر پیچیدگی بخش‌ های دیگر پروژه (عملکرد های اصلی، RF و…)، انتخاب رگولاتور برای منبع تغذیه معمولاً یکی از اقداماتی است که تا پایان فرآیند طراحی باقی می ماند. مقاله امروز نکاتی را در مورد مشخصات رگولاتور سوئیچینگ به طراح ارائه می‌ کند تا مشخص کند که رگولاتور انتخابی برای کاربرد شما مناسب است یا خیر. همچنین جزئیات روش‌ های مختلف ارائه اطلاعات در مورد پارامتر هایی مانند دما، بار و… توسط سازندگان مختلف ارائه خواهد شد.

انواع رگولاتور سوئیچینگ

اساساً سه نوع رگولاتور سوئیچینگ وجود دارد و عواملی که باید در نظر گرفته شوند بستگی به این دارد که کدام یک برای کاربرد شما استفاده شود. این سه نوع عبارتند از:

1.  رگولاتور های باک
2. رگولاتور های بوست
3. رگولاتور های باک بوست

رگولاتور های باک

رگولاتور های باک که به آن‌ها رگولاتور های کاهنده یا مبدل‌ های باک نیز گفته می ‌شود، مسلماً محبوب‌ ترین رگولاتور های سوئیچینگ هستند. آن ها این توانایی را دارند که ولتاژ اعمال شده در ورودی را به ولتاژ کمتری در خروجی کاهش دهند. بنابراین، ولتاژ نامی ورودی آن ها معمولاً از ولتاژ نامی خروجی آن ها بیشتر است. یک شماتیک اولیه برای مبدل باک در زیر نشان داده شده است.

خروجی رگولاتور به دلیل روشن و خاموش شدن ترانزیستور است و مقدار ولتاژ معمولاً تابعی از سیکل کاری ترانزیستور (مدت روشن بودن ترانزیستور در هر سیکل کامل) است. ولتاژ خروجی با معادله زیر داده می شود که از آن می توانیم این را برداشت کنیم که سیکل کاری هرگز نمی تواند برابر با یک باشد و بنابراین ولتاژ خروجی همیشه کمتر از ولتاژ ورودی خواهد بود. بنابراین از رگولاتور های باک زمانی استفاده می شود که کاهش ولتاژ تغذیه بین یک مرحله از طراحی و مرحله دیگر مورد نیاز باشد.

رگولاتور های بوست

رگولاتور های بوست یا مبدل ‌های تقویتی دقیقاً برعکس رگولاتور های باک عمل می‌ کنند. آن ها ولتاژ بالاتری از ولتاژ ورودی را در خروجی خود تحویل می دهند. مانند رگولاتور های باک، آن ها از عملکرد ترانزیستور سوئیچینگ برای افزایش ولتاژ در خروجی استفاده می کنند و معمولاً از همان اجزای مورد استفاده در رگولاتور های باک ساخته می شوند و تنها تفاوت آن ها در چینش اجزا است. یک شماتیک ساده از رگولاتور بوست در زیر نشان داده شده است.

رگولاتور های باک بوست

رگولاتور های باک بوست، تنظیم‌ کننده‌ های افزایش سرمایه هستند. از نام آن ها، به راحتی می توان فهمید که آن ها هم اثر تقویتی و هم باک را برای ولتاژ ورودی ایجاد می کنند. مبدل باک بوست یک ولتاژ خروجی معکوس (منفی) تولید می‌ کند که می‌ تواند بر اساس سیکل کاری بیشتر یا کمتر از ولتاژ ورودی باشد. مدار منبع تغذیه حالت سوئیچ باک بوست در زیر آورده شده است.

مبدل باک بوست یک تغییر از مدار مبدل بوست است که در آن مبدل معکوس تنها انرژی ذخیره شده توسط سلف L1 را به بار تحویل می دهد.

انتخاب هر یک از این سه نوع رگولاتور سوئیچینگ، صرفاً به آنچه مورد نیاز سیستم در حال طراحی است بستگی دارد. صرف نظر از نوع رگولاتور مورد استفاده، مهم است که اطمینان حاصل شود که مشخصات رگولاتور ها با الزامات طراحی مطابقت دارد.

عواملی مهم در انتخاب رگولاتور سوئیچینگ

طراحی رگولاتور سوئیچینگ تا حد زیادی به آی سی توان استفاده شده برای آن بستگی دارد، بنابراین بیشتر عواملی که باید در نظر گرفته شوند، مشخصات آی سی توان مورد استفاده خواهد بود. مهم است که مشخصات IC توان و معنای آن ها را درک کنید تا مطمئن شوید که یک مورد مناسب را برای کاربرد خود انتخاب کرده اید.

صرف نظر از درخواست شما، بررسی عوامل زیر به شما کمک می کند زمان صرف شده برای انتخاب رگولاتور را کاهش دهید.

1. محدوده ولتاژ ورودی

این مورد به محدوده قابل تحمل ولتاژ ورودی که توسط آی سی پشتیبانی می شود اشاره دارد. معمولاً مقدار آن دیتاشیت مشخص می شود و به عنوان یک طراح، مهم است که اطمینان حاصل کنید که ولتاژ ورودی برای کاربرد شما در محدوده ولتاژ ورودی مشخص شده برای آی سی قرار می گیرد. در حالی که دیتاشیت های خاص ممکن است فقط حداکثر ولتاژ ورودی را مشخص کنند، بهتر است قبل از هر گونه فرضی، دیتاشیت را بررسی کنید تا مطمئن شوید که هیچ اشاره ای به حداقل محدوده ورودی وجود ندارد.

هنگامی که ولتاژ های بالاتر از حداکثر ولتاژ ورودی اعمال می شود، IC ها معمولاً سرخ می شوند، اما وقتی ولتاژ هایی کمتر از حداقل ولتاژ ورودی اعمال می شود، آی سی کار نمی کند و یا به طور غیرعادی کار می کند، همه این ها به اقدامات حفاظتی در محل بستگی دارد. یکی از اقدامات حفاظتی که معمولاً برای جلوگیری از آسیب به IC ها در هنگام وارد شدن ولتاژهای خارج از محدوده در ورودی اعمال می شود، قفل مدار در ولتاژ کمتر از حد مجاز (VLO) است، برای اینکه این قابلیت وجود داشته باشد به طراحی شما بستگی دارد.

2. محدوده ولتاژ خروجی

رگولاتور های سوئیچینگ معمولاً دارای خروجی های متغیر هستند. محدوده ولتاژ خروجی نشان‌ دهنده محدوده ولتاژ هایی است که می‌ توان ولتاژ خروجی مورد نیاز شما را روی آن تنظیم کرد. در آی سی های بدون گزینه خروجی متغیر، این معمولاً یک مقدار مشخص است.

مهم است که اطمینان حاصل کنید که ولتاژ خروجی مورد نیاز شما در محدوده مشخص شده برای IC است و یک فاکتور خوب برای ایمنی تفاوت بین حداکثر محدوده ولتاژ خروجی و ولتاژ خروجی مورد نیاز شما است.

به عنوان یک قاعده کلی، حداقل ولتاژ خروجی را نمی توان روی سطح ولتاژ کمتر از ولتاژ مرجع داخلی تنظیم کرد. بسته به کاربرد شما (باک یا بوست)، حداقل محدوده خروجی می تواند بزرگتر از ولتاژ ورودی (بوست) یا بسیار کمتر از ولتاژ ورودی (باک) باشد.

3. جریان خروجی

این اصطلاح به محدوده جریانی اشاره دارد که آی سی برای آن طراحی شده است. این اساساً نشان دهنده میزان جریانی است که آی سی می تواند در خروجی خود تامین کند. برای برخی از آی سی ها، تنها حداکثر جریان خروجی به عنوان معیار ایمنی و کمک به طراح برای اطمینان از اینکه رگولاتور قادر به ارائه جریان مورد نیاز برای کاربرد خواهد بود، مشخص شده است. برای آی سی های دیگر، حداقل و حداکثر محدوده ارائه شده است. این می تواند در برنامه ریزی روش های مدیریت انرژی برای کاربرد شما بسیار مفید باشد.

در انتخاب یک رگولاتور بر اساس جریان خروجی آی سی، مهم است که اطمینان حاصل شود که یک مرز ایمنی بین حداکثر جریان مورد نیاز کاربرد شما و حداکثر جریان خروجی رگولاتور وجود دارد. مهم است که مطمئن شوید حداکثر جریان خروجی رگولاتور حداقل 10 تا 20 درصد بیشتر از جریان خروجی مورد نیاز شما باشد، زیرا IC ممکن است هنگام کار در حداکثر سطوح به طور مداوم مقدار زیادی گرما ایجاد کند و ممکن است در اثر گرما آسیب ببیند. همچنین بازده آی سی در در هنگام انجام حداکثر کار کاهش می یابد.

4. محدوده دمای عملیاتی

این اصطلاح به محدوده دمایی اشاره دارد که در آن رگولاتور به درستی عمل می کند. بر حسب دمای محیط (Ta) یا دمای محل اتصال (Tj) تعریف می‌شود. دمای TJ به بالاترین دمای عملکرد ترانزیستور اشاره دارد و دمای محیط به دمای محیط اطراف دستگاه اشاره دارد.

اگر محدوده دمای عملیاتی بر حسب دمای محیط تعریف شده باشد، لزوماً به این معنی نیست که رگولاتور می تواند در محدوده دمای کامل استفاده شود. عواملی همچون ایمنی و در نظر گرفتن جریان بار برنامه ریزی شده و گرمای همراه نیز مهم است زیرا ترکیب این و دمای محیط چیزی است که دمای اتصال را تشکیل می دهد که همچنین نباید از آن بیشتر شود. ماندن در محدوده دمای عملیاتی برای عملکرد مناسب و پایداری رگولاتور بسیار مهم است زیرا گرمای بیش از حد می تواند منجر به عملکرد غیرعادی و خرابی فاجعه بار رگولاتور شود.

بنابراین توجه به گرمای محیط در محیطی که دستگاه قرار می‌ گیرد و همچنین تعیین میزان گرمای احتمالی که در نتیجه جریان بار توسط دستگاه تولید می ‌شود، قبل از تعیین محدوده دمای عملیاتی که رگولاتور در آن کار می کند اهمیت دارد.

توجه به این نکته مهم است که رگولاتور های خاصی در شرایط بسیار سرد نیز ممکن است از کار بیفتند و در صورتی که تجهیزات در محیط سرد مستقر شوند، توجه به مقادیر حداقلی دما نیز مهم است.

5. فرکانس سوئیچینگ

فرکانس سوئیچینگ به سرعت روشن و خاموش شدن ترانزیستور کنترلی در رگولاتور سوئیچینگ اشاره دارد. در رگولاتور های مبتنی بر مدولاسیون عرض پالس، فرکانس معمولاً در مدولاسیون فرکانس پالس ثابت است.

فرکانس سوئیچینگ بر پارامتر های رگولاتور مانند ریپل، جریان خروجی، حداکثر بازده و سرعت پاسخ تأثیر می گذارد. طراحی فرکانس سوئیچینگ همیشه شامل استفاده از مقادیر اندوکتانس منطبق است، به طوری که عملکرد دو رگولاتور مشابه با فرکانس سوئیچینگ مختلف متفاوت خواهد بود. اگر دو رگولاتور مشابه در فرکانس‌ های مختلف در نظر گرفته شود، مشخص می‌ شود که برای مثال، حداکثر جریان برای رگولاتوری که در فرکانس پایین‌ تر کار می‌ کند در مقایسه با رگولاتور در فرکانس بالا کم خواهد بود.

همچنین در فرکانس پایین پارامتر هایی مانند ریپل، بالا و سرعت پاسخ رگولاتور کم خواهد بود در حالی که در فرکانس بالا، ریپل کم و سرعت پاسخ زیاد خواهد بود.

6. نویز

عمل سوئیچینگ در رگولاتور های سوئیچینگ، نویز و هارمونیک هایی را تولید می کند که می تواند بر عملکرد کلی سیستم، به ویژه در سیستم هایی با اجزای RF و سیگنال های صوتی تأثیر بگذارد.

در حالی که نویز را می توان با استفاده از فیلتر و… کاهش داد، اما واقعاً می تواند نسبت سیگنال به نویز (SNR) را در مدار هایی که به نویز حساس هستند کاهش دهد. بنابراین مهم است که مطمئن شوید میزان نویز تولید شده توسط رگولاتور بر عملکرد کلی سیستم تأثیر نمی گذارد.

7. بازده

بازده عامل مهمی است که باید در طراحی هر راه حل برق امروزی در نظر گرفته شود. مقدار آن نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی است. از نظر تئوری، بازده رگولاتور سوئیچینگ صد درصد است، اما این معمولاً درعمل درست نیست زیرا مقاومت کلید FET، افت ولتاژ دیود و ESR هر دو سلف و خازن خروجی باعث کاهش بازده کلی رگولاتور می شود. در حالی که اکثر رگولاتور های مدرن پایداری را در محدوده عملکرد گسترده ارائه می دهند، بازده در هنگام استفاده از رگولاتور تغییر می کند و به عنوان مثال با افزایش جریان خروجی به میزان زیادی کاهش می یابد.

8. تنظیم بار

تنظیم بار معیاری از توانایی یک رگولاتور ولتاژ برای حفظ ولتاژ ثابت در خروجی بدون توجه به تغییرات در نیاز بار است.

9. بسته بندی و اندازه

یکی از مواردی که این روز ها در طول طراحی هر راه حل سخت افزاری مهم می‌ باشد، کاهش اندازه تا حد امکان است. این اساساً شامل کاهش اندازه اجزای الکترونیکی و کاهش دائمی تعداد اجزایی است که هر بخش از دستگاه را تشکیل می‌ دهند. یک سیستم قدرت با اندازه کوچک نه تنها به کاهش اندازه کلی پروژه کمک می کند، بلکه باعث ایجاد فضایی برای ویژگی های اضافی محصول خواهد شد.

بسته به اهداف پروژه خود، اطمینان حاصل کنید که فرم یا اندازه بسته‌ای که می‌ خواهید با بودجه فضای شما مطابقت داشته باشد.  در حین انتخاب بر اساس این فاکتور، در نظر گرفتن اندازه اجزای جانبی مورد نیاز رگولاتور برای عملکرد نیز مهم است. به عنوان مثال، استفاده از آی سی های فرکانس بالا، استفاده از خازن های خروجی با ظرفیت خازنی کم و سلف ها را امکان پذیر می کند، که در نتیجه اندازه قطعات کاهش می یابد و بالعکس.

مشخص کردن همه این موارد و مقایسه با الزامات طراحی به شما کمک می کند تا تعیین کنید که از کدام رگولاتور باید استفاده کنید و کدام یک باید در طراحی شما وجود داشته باشد.

عوامل دیگری نیز که ممکن است در انتخاب رگولاتور کمک کند و فکر می کنید من آن را از دست داده ام و هر نظر دیگری را از طریق بخش نظرات با من به اشتراک بگذارید.