Gör verkningsgraden viktig med rätt switchande spänningsregulator

Verkningsgrad är av yttersta vikt när det gäller att välja rätt switchande spänningsregulator. Förmågan att tillhandahålla tillförlitlig strömförsörjning i ett litet format är ett krav i dagens miniatyriserade enheter.

Ett grundläggande krav för elektronisk konstruktion är förmågan att generera stabila spänningar som kan ge stora mängder ström. Switchande spänningsregulatorer är en viktig komponent för att skapa stabila matningsspänningar och för att transformera spänningar uppåt eller nedåt.

Switchande spänningsregulatorer kan ha många namn: switchat eller switchande, switchande nätaggregat (SMPS) eller DC/DC-regulatorer och DC/DC-omvandlare. Populariteten fortsätter att öka tack vare de fördelar som de ger i form av effektivare omvandling av höga effektkrav, flexibiliteten med en stabil utspänning från en enda spänningsmatning och möjligheten att hantera flera utspänningar med olika polaritet.

De vanligaste typerna av switchande omvandlare är:

• Boost, inspänningen transformeras upp och filtreras för utspänningen
• Buck, ingångsspänningen transformeras ned och filtreras för utspänningen
• Buck-boost, inspänningen transformeras upp eller ned med möjlighet till negativ polaritet
• Flyback, en typ av buck-boost som även har galvanisk isolering

Fasta och justerbara linjära spänningsregulatorer

Under många år har strömförsörjningskonstruktioner förlitat sig på linjära spänningsregulatorer, som har visat sig vara utmärkta för att ge en kontinuerlig fast utspänning. Det finns andra linjära spänningsregulatorer, som t.ex. LM317, som är justerbara.

Populära typer av spänningsregulatorer med fast och linjär utgång är 78xx-serien med positiv utgång och 79xx-serien med negativ utgång. Dessa spänningsregulatorer ger en stabil utspänning från 5 till 24 V.

Linjära spänningsregulatorer är inte switchande nätaggregat. Spänningsregulatorer har fördelen att de är enkla att använda och har en låg kostnad. De har vanligtvis en uteffekt under 10 W, tenderar att vara mindre effektiva, vilket genererar värme, och har lågt brus och rippel. Linjära regulatorer kan endast reglera spänningen nedåt, medan ett switchande nätaggregat kan reglera inspänningen uppåt och nedåt samt negera den med hjälp av komponenter för buck, buck-boost och boost.

Switchande nätaggregat

De flesta moderna tv-apparater, persondatorer, drivenheter för DC-motorer och effektförstärkare kräver ett avancerat och effektivt switchande nätaggregat, som använder switchningsteknik med halvledare istället för vanliga linjära metoder för att tillhandahålla utspänning. Den grundläggande switchande omvandlaren består av ett effektswitchningssteg och en styrkrets.

Genom den lägre effektförlusten har switchande nätaggregat fördelen av en högre verkningsgrad genom att internt switcha en transistor (eller effekt-MOSFET) mellan det mättade tillståndet "PÅ" och det avstängda tillståndet "AV".

Switchande Buck-regulatorer

BD9x-serien från ROHM Semiconductor förser konstruktörer med högeffektiva DC/DC-buck-omvandlare, ett kompakt alternativ i tillämpningar som kräver effektiv strömomvandling, inklusive fordons- och industrikonstruktioner. Serien BD9x har en förenklad design med ett minskat antal komponenter för att spara utrymme och effektivisera tillverkningsprocessen. Den låga viloströmmen gör att batteritiden kan förlängas i bärbara tillämpningar samtidigt som utspänningen är stabil och ger tillförlitlig prestanda, som i den switchande buck-regulatorn BD9A201FP4-LBZTL (figur 1).

Figur 1: Den switchande buck-regulatorn BD9A201FP4-LBZTL har en stabil utspänning. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Den switchande buck-regulatorn BD9E105FP4-ZTL (figur 2) med en enda, justerbar utspänning, är en likströmsregulator som är särskilt utformad för lägre spänningar. Med effekt-MOSFET:ar med låg på-resistans och en enda synkron DC/DC-omvandlare har regulatorn BD9E105FP4 den högsta verkningsgraden vid lätta belastningsförhållanden. Det är perfekt för enheter och utrustning som kräver minimal strömförbrukning i viloläge.

Den har ett bra transientsvar och tar upp lite plats på kretskortet samtidigt som den har en hög effekttäthet i en liten kapsling, vilket är perfekt för hushållsapparater som kylskåp och luftkonditioneringar, telekommunikationsenheter, adaptrar och sekundär strömförsörjningsutrustning.

Figur 2: Lägre spänningsbehov kan tillgodoses med den switchande buck-regulatorn BD9E105FP4-ZTL. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Switchande Boost-regulatorer

Den switchande Boost-regulatorn MP3414AGJ-Z har en justerbar utspänning och dess tunna profil lämpar sig för ytmonterade tillämpningar där utrymmet är begränsat. Den är lätt att använda i temperaturområdet -40 till +125 °C och kan börja arbeta från en inspänning ända ned till 1,8 V samtidigt som den har skydd mot strömrusning och kortslutningsskydd för utspänningen (SCP).

Möjligheten att arbeta i synkront strömläge med bibehållen hög verkningsgrad är nödvändigt när man behöver en step-up-omvandlare med frånkopplingsbar utspänning. Det behövs inte heller någon extern Schottky-diod, eftersom verkningsgraden har förbättrats med en integrerad synkron likriktare med P-kanal. Funktionen för frånkoppling av utspänningen när MP3414A stängs av möjliggör en fullständig urladdning samtidigt som matningsströmmen blir mindre än 1 μA i avstängningsläge.

Mindre är bättre

MP3414A kan användas med färre kringkomponenter. Den har en switchningsfrekvens på 1 MHz för att möjliggöra mindre kringkomponenter samtidigt som funktionen för mjukstart minimerar antalet kringkomponenter. Den kan hantera stora strömbelastningsområden. Dessutom stöder den integrerade effekt-MOSFET:en en maximal switchningsström på över 3 A med en utgång som når 5,5 V.

Denna mångsidighet och stora strömområde i ett kompakt format är perfekt för tillämpningar som litiumbatterier med en cell, alkaliska, NiMH- eller NiCd-batterier med två eller tre celler. Trådlös kringutrustning, speltillbehör, personlig medicinsk utrustning och bärbara mediaspelare har alla nytta av en step-up-omvandlare som MP3414A.

Tekniken går snabbt framåt och den blir alltmer kompakt. Jämfört med SOP-J8 är MP3414AGJ-Z i TSOT23-kapsling ca 72 % mindre, vilket ger ett betydligt mindre format (figur 3).

Figur 3: Eftersom komponenterna blir mindre och mindre krävs miniatyrisering av kapslingstyper som TSOT23. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Maximera verkningsgraden samtidigt som strömförbrukningen sänks

Behovet av miniatyrisering är en ständig drivkraft, och parallellt med detta finns behovet av att bibehålla tillförlitlighet och energieffektivitet. Den switchande buck-regulatorn BD9E202FP4-ZTL har en justerbar utspänning och tillförlitlig effekt i en kompakt konstruktion (figur 4).

Figur 4: BD9E202FP4-ZTL är en switchande buck-regulator som ger tillförlitlig ström i en mindre och kompaktare design. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Även om det kan finnas en uppfattning om att mindre enheter innebär att man offrar belastningskapacitet eller tillförlitlig strömförsörjning, så är detta inte fallet. BD9E202FP4-ZTL har en hög verkningsgrad vid omvandling samtidigt som den bidrar till en lägre strömförbrukning (figur 5).

Genom att tillhandahålla en låg strömförbrukning i viloläge kan batteridrivna enheter dra nytta av en minimal strömförbrukning när de är inaktiva. Dessutom möjliggörs en effektiv drift vid lätta belastningar genom konstant on-time-styrning.

Bild 5: Konstruktörer letar efter högeffektiva DC/DC buck-omvandlare som kan leverera ström effektivt och tillförlitligt. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Flyback-omvandlare för AC/DC och DC/DC

Flyback-omvandlaren är en buck-boost-omvandlare som innehåller en flyback-transformator. Den används för både AC/DC- och DC/DC-omvandling, där det finns en galvanisk isolering mellan alla ut- och inspänningar, och har multiplicering av spänningsförhållanden med den extra fördelen att den är isolerad.

En isolerad strömomvandlare har styrning av spänningsläge och strömläge som sina två styrsystem. I de flesta fall bör styrning av strömläge vara dominerande för stabilitet under drift.

DC-till-DC-omvandlare med buck-boost

En typisk DC-DC-omvandlare med en utspänning som är större eller mindre än inspänningen är en buck-boost-omvandlare. Det är även möjligt att generera negativa spänningar. Den liknar en flyback-omvandlare, men i stället för att använda en transformator används en enda induktor. En buck-boost-omvandlare består av två olika topologier, som båda producerar en rad olika utspänningar från större än inspänningen ända ned till noll.

DC/DC-matningar, som ibland kallas "choppers", innehåller en buck-boost-krets som fungerar som antingen en step-up- eller step-down-omvandlare, beroende på arbetscykeln.

Sammanfattning

Effektiv strömomvandling i dagens fordons- och industrikonstruktioner kan inte fungera utan switchande spänningsregulatorer. I takt med att dagens konstruktioner blir allt mer kompakta har efterfrågan på mångsidiga och effektiva komponenter som håller en jämn strömnivå aldrig varit större.

Även om switchande spänningsregulatorer kan ha olika namn - switchande nätaggregat, switchande DC/DC-omvandlare, regulator eller omvandlare - har ROHM ett stort utbud av kompakta alternativ för olika tillämpningar som kräver effektiv strömomvandling.