A energia é uma parte importante de qualquer projeto / dispositivo eletrônico. Independentemente da fonte, geralmente é necessário executar tarefas de gerenciamento de energia, como transformação / escala de tensão e conversão (AC-DC / DC-DC), entre outras. Escolher a solução certa para cada uma dessas tarefas pode ser a chave para o sucesso (ou fracasso) do produto. Uma das tarefas mais comuns de gerenciamento de energia em quase todos os tipos de dispositivo é a regulação / escalonamento de tensão DC-DC. Isso envolve a alteração do valor da tensão CC na entrada para um valor mais alto ou mais baixo na saída. Os componentes / módulos usados para realizar essas tarefas são geralmente chamados de reguladores de tensão. Eles geralmente têm a capacidade de fornecer uma tensão de saída constante que é maior ou menor do que a tensão de entrada e são comumente usados para fornecer energia a componentes em projetos onde você tem seções com tensões diferentes. Eles também são usados em fontes de alimentação tradicionais.
Existem dois tipos principais de reguladores de tensão;
- Reguladores Lineares
- Reguladores de comutação
Os reguladores de tensão linear são geralmente reguladores redutores e usam o controle de impedância para criar uma redução linear da tensão de entrada na saída. Geralmente são muito baratos, mas ineficientes, pois muita energia é perdida em aquecimento durante a regulação. Os reguladores de chaveamento, por outro lado, são capazes de aumentar ou diminuir a tensão aplicada na entrada, dependendo da arquitetura. Eles alcançam a regulação da tensão usando um processo de chaveamento liga / desliga de um transistor que controla a tensão disponível na saída do regulador. Comparados aos reguladores lineares, os reguladores de chaveamento geralmente são mais caros e muito mais eficientes.
Para o artigo de hoje, estaremos nos concentrando na troca de reguladores e, como o título divulgou, examinaremos os fatores a serem considerados ao selecionar um regulador de troca para um projeto.
Devido à complexidade de outras partes do projeto (as funcionalidades centrais, RF etc), a escolha dos reguladores para o fornecimento de energia é geralmente uma das ações que restam para o final do processo de design. O artigo de hoje tentará fornecer ao designer de restrição de tempo dicas sobre o que procurar nas especificações de um regulador de chaveamento, para determinar se ele se encaixa no seu caso de uso específico. Também serão fornecidos detalhes sobre a interpretação das diferentes maneiras em que diferentes fabricantes apresentam informações sobre parâmetros como temperatura, carga, etc.
Tipos de reguladores de comutação
Existem essencialmente três tipos de reguladores de comutação e os fatores a serem levados em consideração dependem de qual dos tipos deve ser usado para sua aplicação. Os três tipos são;
- Reguladores Buck
- Reguladores de impulso
- Reguladores Buck Boost
1. Reguladores Buck
Os reguladores Buck, também chamados de reguladores abaixadores ou conversores buck, são indiscutivelmente os reguladores de comutação mais populares. Eles têm a capacidade de reduzir a tensão aplicada na entrada para uma tensão menor na saída. Portanto, sua tensão nominal de entrada é geralmente maior do que sua tensão nominal de saída. Um esquema básico para um conversor de buck é mostrado abaixo.
A saída do regulador é devido ao ligar e desligar do transistor e o valor da tensão é geralmente uma função do ciclo de trabalho do transistor (quanto tempo o transistor permaneceu ligado em cada ciclo completo). A tensão de saída é dada pela equação abaixo a partir da qual podemos inferir que o ciclo de trabalho nunca pode ser igual a um e, portanto, a tensão de saída será sempre menor que a tensão de entrada. Os reguladores Buck são, portanto, usados quando uma redução na tensão de alimentação é necessária entre um estágio de um projeto e o outro. Você pode aprender mais sobre os fundamentos do projeto e a eficiência do regulador de Buck aqui, aprenda mais como construir um circuito conversor de Buck.
2. Boost Regulators
Os reguladores de reforço ou conversores de reforço operam de maneira diretamente oposta aos reguladores de câmbio. Eles fornecem uma tensão mais alta do que a tensão de entrada, em sua saída. Como os reguladores Buck, eles usam a ação do transistor de comutação para aumentar a tensão na saída e geralmente são compostos dos mesmos componentes usados nos reguladores Buck, com a única diferença sendo a disposição dos componentes. Um esquema simples para o regulador de boost é mostrado abaixo.
Você pode aprender mais sobre os fundamentos do projeto e a eficiência do regulador Boost aqui, pode construir um conversor Boost seguindo este circuito do conversor Boost.
3. Reguladores Buck-Boost
Por último, mas não menos importante, estão os reguladores do buck boost. A partir de seu nome, é fácil inferir que eles fornecem tanto o efeito boost quanto o efeito buck para a tensão de entrada. O conversor buck-boost produz uma tensão de saída invertida (negativa) que pode ser maior ou menor do que a tensão de entrada com base no ciclo de trabalho. O circuito de fonte de alimentação do modo switch buck-boost básico é fornecido abaixo.
O conversor buck-boost é uma variação do circuito do conversor boost no qual o conversor inversor apenas entrega a energia armazenada pelo indutor, L1, na carga.
A seleção de qualquer um desses três tipos de reguladores de comutação depende exclusivamente do que é exigido pelo sistema que está sendo projetado. Independentemente do tipo de regulador a ser usado, é importante garantir que as especificações dos reguladores atendam aos requisitos do projeto.
Fatores a considerar ao selecionar um regulador de comutação
O projeto de um regulador de comutação depende em grande medida do CI de potência usado para ele, portanto, a maioria dos fatores a serem considerados serão as especificações do CI de potência usado. É importante entender as especificações do Power IC e o que elas significam para garantir que você selecione o correto para sua aplicação.
Independentemente do seu aplicativo, a verificação dos fatores a seguir o ajudará a reduzir o tempo gasto na seleção.
1. Faixa de tensão de entrada
Isso se refere à faixa tolerável de tensões de entrada suportadas pelo IC. Geralmente é especificado na folha de dados e, como designer, é importante garantir que a tensão de entrada para sua aplicação esteja dentro da faixa de tensão de entrada especificada para o IC. Embora certas planilhas de dados possam especificar apenas a tensão de entrada máxima, é melhor verificar a planilha de dados para ter certeza de que não há menção da faixa de entrada mínima antes de fazer quaisquer suposições. Quando tensões mais altas do que a tensão de entrada máxima são aplicadas, o IC geralmente se estraga, mas geralmente para de operar ou opera de forma anormal quando tensões menores que a tensão de entrada mínima são aplicadas, tudo dependendo das medidas de proteção em vigor. Uma das medidas de proteção geralmente aplicadas para evitar danos aos ICs quando as tensões fora da faixa são fornecidas na entrada é o Bloqueio de Subtensão (UVLO),verificar se isso está disponível também pode ajudar em suas decisões de projeto.
2. Faixa de tensão de saída
Os reguladores de chaveamento geralmente têm saídas variáveis. A faixa de voltagem de saída representa a faixa de voltagens para a qual a voltagem de saída necessária pode ser definida. Em ICs sem opção de saída variável, geralmente é um valor único. É importante garantir que a tensão de saída necessária esteja dentro da faixa especificada para o IC e com um bom fator de segurança como diferença entre a faixa de tensão de saída máxima e a tensão de saída necessária. como regra geral, a tensão de saída mínima não pode ser ajustada para um nível de tensão inferior à tensão de referência interna. Dependendo da sua aplicação (buck ou boost), a faixa de saída mínima pode ser maior que a tensão de entrada (boost) ou bem menor do que a tensão de entrada (buck).
3. Corrente de saída
Este termo se refere à classificação atual para a qual o IC foi projetado. É essencialmente uma indicação de quanta corrente o IC pode fornecer em sua saída. Para alguns ICs, apenas a corrente de saída máxima é especificada como medida de segurança e para ajudar o projetista a garantir que o regulador será capaz de fornecer a corrente necessária para a aplicação. Para outros ICs, as classificações mínima e máxima são fornecidas. Isso pode ser muito útil no planejamento de técnicas de gerenciamento de energia para sua aplicação.
Ao selecionar um regulador com base na corrente de saída do IC, é importante garantir que exista uma margem de segurança entre a corrente máxima exigida por sua aplicação e a corrente de saída máxima do regulador. É importante garantir que a corrente de saída máxima do regulador seja superior à sua corrente de saída necessária em pelo menos 10 a 20%, pois o IC pode gerar uma grande quantidade de calor ao operar em níveis máximos continuamente e pode ser danificado pelo calor. Além disso, a eficiência do IC reduz ao operar no máximo.
4. Faixa de temperatura operacional
Este termo se refere à faixa de temperatura dentro da qual o regulador funciona corretamente. É definido em termos de temperatura ambiente (Ta) ou temperatura de junção (Tj). A temperatura TJ se refere à temperatura operacional mais alta do transistor, enquanto a temperatura ambiente se refere à temperatura do ambiente ao redor do dispositivo.
Se a faixa de temperatura operacional for definida em termos de temperatura ambiente, isso não significa necessariamente que o regulador pode ser usado em toda a faixa de temperatura. É importante levar em consideração o fator de segurança e também a corrente de carga planejada e o calor que a acompanha, pois a combinação disso com a temperatura ambiente é o que compõe a temperatura de junção que também não deve ser excedida. Manter-se dentro da faixa de temperatura operacional é fundamental para a operação contínua adequada do regulador, pois o calor excessivo pode levar a uma operação anormal e falha catastrófica do regulador.Portanto, é importante prestar atenção ao calor ambiente no ambiente em que o dispositivo será usado e também determinar a possível quantidade de calor que será gerado pelo dispositivo como resultado da corrente de carga antes de determinar se a faixa de temperatura operacional especificada do regulador funciona para você. É importante observar que alguns reguladores também podem falhar em condições extremamente frias e vale a pena prestar atenção aos valores mínimos de temperatura se a aplicação for implantada em ambiente frio.
5. Freqüência de comutação
A frequência de comutação se refere à taxa na qual o transistor de controle é ligado e desligado em um regulador de comutação. Em reguladores baseados em modulação por largura de pulso, a frequência é geralmente fixada enquanto na modulação por frequência de pulso.
A frequência de chaveamento afeta os parâmetros do regulador, como ondulação, corrente de saída, eficiência máxima e velocidade de resposta. O projeto para a freqüência de chaveamento sempre envolve o uso de valores de indutância correspondentes, de modo que o desempenho de dois reguladores semelhantes com freqüência de chaveamento diferente seja diferente. Se dois reguladores semelhantes em frequências diferentes forem considerados, será descoberto que, a corrente máxima, por exemplo, será baixa para o regulador operando em uma frequência mais baixa em comparação com a do regulador em alta frequência. Além disso, parâmetros como a ondulação serão altos e a velocidade de resposta do regulador será baixa em baixa frequência, enquanto a ondulação será baixa e a velocidade de resposta, alta em alta frequência.
6. Ruído
A ação de comutação associada aos reguladores de comutação gera ruído e harmônicos relacionados que podem afetar o desempenho de todo o sistema, especialmente em sistemas com componentes de RF e sinais de áudio. Embora o ruído possa ser reduzido por meio de um filtro, etc., ele pode realmente reduzir a relação sinal-ruído (SNR) em circuitos que são sensíveis ao ruído. Portanto, é importante ter certeza de que a quantidade de ruído gerado pelo regulador não afetará o desempenho geral do sistema.
7. Eficiência
A eficiência é um fator importante a ser considerado no projeto de qualquer solução de energia hoje. É essencialmente a relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada. Teoricamente, a eficiência de um regulador de chaveamento é de cem por cento, mas isso geralmente não é verdade na prática, pois a resistência da chave FET, a queda de tensão do diodo e o ESR do indutor e do capacitor de saída reduzem a eficiência geral do regulador. Embora a maioria dos reguladores modernos ofereça estabilidade em uma ampla faixa de operação, a eficiência varia com o uso e, por exemplo, é muito reduzida à medida que a corrente extraída da saída aumenta.
8. Regulagem de carga
A regulação de carga é uma medida da capacidade de um regulador de tensão de manter uma tensão constante na saída, independentemente das mudanças nos requisitos de carga.
9. Embalagem e tamanho
Um dos objetivos habituais durante o design de qualquer solução de hardware hoje em dia é reduzir o tamanho o máximo possível. Isso inclui essencialmente a redução do tamanho do componente eletrônico e, invariavelmente, a redução do número de componentes que constituem cada seção do dispositivo. Um sistema de energia de tamanho pequeno não só ajuda a reduzir o tamanho geral do projeto, mas também ajuda a criar espaço para o qual recursos extras do produto podem ser limitados. Dependendo dos objetivos do seu projeto, certifique-se de que o formato / tamanho do pacote que você escolher vai caber no seu orçamento de espaço. Ao fazer as seleções com base nesse fator, também é importante levar em consideração o tamanho dos componentes periféricos exigidos pelo regulador para funcionar. Por exemplo, o uso de CIs de alta frequência permite o uso de capacitores de saída com baixa capacitância e indutores, resultando em um tamanho de componente reduzido e vice-versa.
Identificar tudo isso e comparar com seus requisitos de projeto ajudará você a determinar rapidamente qual regulador deve ser cruzado e qual deve ser incluído em seu projeto.
Compartilhe qual fator você acha que eu perdi e quaisquer outros comentários através da seção de comentários.
Até a próxima.