اختيار منظم التحويل الصحيح لتطبيقك

تعد الطاقة جزءًا مهمًا من أي مشروع / جهاز إلكتروني. بغض النظر عن المصدر ، عادة ما تكون هناك حاجة لأداء مهام إدارة الطاقة مثل تحويل / قياس الجهد ، والتحويل (AC-DC / DC-DC) من بين أمور أخرى. يمكن أن يكون اختيار الحل الصحيح لكل مهمة من هذه المهام مفتاح نجاح (أو فشل) المنتج. من أكثر مهام إدارة الطاقة شيوعًا في جميع أنواع الأجهزة تقريبًا تنظيم / تحجيم جهد DC-DC. يتضمن ذلك تغيير قيمة جهد التيار المستمر عند الإدخال إلى قيمة أعلى أو أقل عند الإخراج. يشار إلى المكونات / الوحدات المستخدمة لتحقيق هذه المهام عمومًا باسم منظمات الجهد. لديهم بشكل عام القدرة على توفير جهد خرج ثابت أعلى أو أقل من جهد الدخل ، ويتم استخدامها بشكل شائع لتزويد الطاقة للمكونات في التصميمات حيث يكون لديك أقسام بجهد مختلف. كما أنها تستخدم في إمدادات الطاقة التقليدية.

هناك نوعان رئيسيان من منظمات الجهد ؛

1. منظمات خطية
2. تبديل المنظمين

عادة ما تكون منظمات الجهد الخطي عبارة عن منظمات تنحى وتستخدم التحكم في المعاوقة لإنشاء تخفيض خطي لجهد الدخل عند الخرج. عادة ما تكون رخيصة جدًا ولكنها غير فعالة حيث يتم فقد الكثير من الطاقة للتسخين أثناء التنظيم. من ناحية أخرى ، فإن تبديل المنظمين قادرون على تصعيد أو خفض الجهد المطبق عند الإدخال اعتمادًا على البنية. إنها تحقق تنظيم الجهد باستخدام عملية تبديل التشغيل / الإيقاف للترانزستور الذي يتحكم في الجهد المتاح عند خرج المنظمين. بالمقارنة مع المنظمين الخطيين ، عادة ما يكون تبديل المنظمين أكثر تكلفة وأكثر كفاءة.

بالنسبة لمقال اليوم ، سنركز على تبديل المنظمين وكما تم الكشف عن العنوان ، سننظر في العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار منظم التبديل لمشروع ما.

نظرًا لتعقيد الأجزاء الأخرى من المشروع (الوظائف الأساسية ، RF ، إلخ) ، فإن اختيار المنظمين لإمداد الطاقة عادة ما يكون أحد الإجراءات المتبقية حتى نهاية عملية التصميم. ستحاول مقالة اليوم تزويد المصمم المحدود بالوقت بنصائح حول ما يجب البحث عنه في مواصفات منظم التبديل ، لتحديد ما إذا كان يناسب حالة الاستخدام الخاصة بك. سيتم أيضًا تقديم تفاصيل حول تفسير الطرق المختلفة التي يقدم بها المصنعون المختلفون معلومات حول المعلمات مثل درجة الحرارة والحمل وما إلى ذلك.

أنواع تبديل المنظمين

هناك ثلاثة أنواع أساسية من تبديل المنظمين وتعتمد العوامل التي يجب وضعها في الاعتبار على الأنواع التي سيتم استخدامها لتطبيقك. الأنواع الثلاثة هي ؛

1. المنظمون باك
2. تعزيز المنظمين
3. منظمات باك بوست

1. المنظمون باك

يمكن القول إن منظمات باك ، والتي تسمى أيضًا منظمات التنحي أو محولات باك ، هي أكثر منظمات التحويل شيوعًا. لديهم القدرة على تنحى الجهد المطبق عند الإدخال إلى جهد أقل عند الإخراج. وبالتالي ، فإن جهد الدخل المقنن يكون عادة أعلى من جهد الخرج المقدر. يتم عرض الخطط الأساسية لمحول باك أدناه.

ناتج المنظم ناتج عن تشغيل وإيقاف تشغيل الترانزستور وتكون قيمة الجهد عادةً دالة لدورة عمل الترانزستور (المدة التي كان الترانزستور يعمل فيها في كل دورة كاملة). يتم إعطاء جهد الخرج من خلال المعادلة أدناه التي يمكننا من خلالها أن نستنتج أن دورة العمل لا يمكن أبدًا أن تكون مساوية لدورة واحدة ، وبالتالي فإن جهد الخرج سيكون دائمًا أقل من جهد الدخل. لذلك يتم استخدام منظمات باك عند الحاجة إلى تقليل جهد الإمداد بين مرحلة التصميم والأخرى. يمكنك معرفة المزيد حول أساسيات التصميم وكفاءة منظم باك هنا ، ومزيد من التعرف على كيفية بناء دائرة محول باك.

2. تعزيز المنظمين

تعمل منظمات التعزيز أو محولات التعزيز بطريقة معاكسة مباشرة لمنظمي المسؤولية. يقدمون جهدًا أعلى من جهد الدخل ، عند خرجهم. مثل منظمات باك ، فإنها تستخدم إجراء تبديل الترانزستور لزيادة الجهد عند الخرج وعادة ما تتكون من نفس المكونات المستخدمة في منظمات باك مع الاختلاف الوحيد هو ترتيب المكونات. يتم عرض مخططات بسيطة لمنظم التعزيز أدناه.

يمكنك معرفة المزيد حول أساسيات التصميم وكفاءة منظم Boost هنا ، ويمكنك بناء محول Boost واحد باتباع دائرة محول Boost.

3. منظمات باك-بوست

أخيرًا وليس آخرًا ، هناك المنظمون المسؤولون عن زيادة الأموال. من أسمائهم ، من السهل أن نستنتج أنها توفر كلا من التعزيز وتأثير باك لجهد الدخل. ل تحويل باك دفعة تنتج مقلوب (السلبي) الناتج الجهد الذي يمكن أن يكون أكبر أو أقل من جهد الدخل على أساس دورة العمل. وترد أدناه دائرة إمداد الطاقة لوضع مفتاح التعزيز باك الأساسية.

محول Buck-Boost هو تباين في دائرة محول التعزيز حيث يقوم المحول العكسي فقط بتوصيل الطاقة المخزنة بواسطة المحث L1 إلى الحمل.

يعتمد اختيار أي من هذه الأنواع الثلاثة لمنظم التحويل فقط على ما هو مطلوب من قبل النظام الجاري تصميمه. بغض النظر عن نوع المنظم الذي سيتم استخدامه ، من المهم التأكد من أن مواصفات المنظمين تفي بمتطلبات التصميم.

العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار منظم التبديل

يعتمد تصميم منظم التبديل إلى حد كبير على الطاقة IC المستخدمة له ، وبالتالي فإن معظم العوامل التي يجب مراعاتها ستكون مواصفات الطاقة IC المستخدمة. من المهم أن تفهم مواصفات Power IC وما تدل عليه للتأكد من تحديدك المناسب لتطبيقك.

بغض النظر عن التطبيق الخاص بك ، فإن إجراء فحص للعوامل التالية سيساعدك على تقليل الوقت الذي تقضيه في الاختيار.

1. نطاق جهد الإدخال

يشير هذا إلى النطاق المسموح به لجهود الإدخال التي يدعمها IC. عادة ما يتم تحديده في ورقة البيانات وكمصمم ، من المهم التأكد من أن جهد الدخل لتطبيقك يقع ضمن نطاق جهد الإدخال المحدد لـ IC. في حين أن أوراق بيانات معينة قد تحدد فقط الحد الأقصى لجهد الإدخال ، فمن الأفضل التحقق من ورقة البيانات للتأكد من عدم ذكر الحد الأدنى لنطاق الإدخال قبل وضع أي افتراضات. عندما يتم تطبيق الفولتية أعلى من الحد الأقصى لجهد الإدخال ، عادةً ما يتم تقليب IC's ولكنها عادةً ما تتوقف عن التشغيل أو تعمل بشكل غير طبيعي عندما يتم تطبيق الفولتية أقل من الحد الأدنى لجهد الإدخال ، كل هذا يتوقف على تدابير الحماية المعمول بها. أحد التدابير الوقائية التي يتم تطبيقها عادةً لمنع تلف الدوائر المتكاملة عندما يتم توفير الفولتية خارج النطاق عند الإدخال هو قفل الجهد المنخفض (UVLO) ،التحقق مما إذا كان هذا متاحًا قد يساعد أيضًا في اتخاذ قرارات التصميم الخاصة بك.

2. نطاق انتاج التيار الكهربائي

عادة ما يكون لمنظمات التحويل مخرجات متغيرة. يمثل نطاق جهد الخرج نطاق الفولتية التي يمكن ضبط جهد الخرج المطلوب عليها. في ICs بدون خيار الإخراج المتغير ، تكون هذه عادةً قيمة واحدة. من المهم التأكد من أن جهد الخرج المطلوب يقع ضمن النطاق المحدد لـ IC ومع عامل أمان جيد كالفرق بين نطاق جهد الخرج الأقصى والجهد الناتج الذي تحتاجه. كقاعدة عامة ، لا يمكن ضبط الحد الأدنى من جهد الخرج على مستوى جهد أقل من الجهد المرجعي الداخلي. اعتمادًا على التطبيق الخاص بك (باك أو دفعة) ، يمكن أن يكون الحد الأدنى لنطاق الإخراج إما أكبر من جهد الدخل (التعزيز) أو بطريقة أقل من جهد الدخل (باك).

3. تيار الإخراج

يشير هذا المصطلح إلى التصنيف الحالي الذي تم تصميم IC من أجله. إنه في الأساس مؤشر على مقدار التيار الذي يمكن أن يوفره IC عند إنتاجه. بالنسبة لبعض الدوائر المتكاملة ، يتم تحديد الحد الأقصى لتيار الإخراج فقط كمقياس للسلامة ولمساعدة المصمم على ضمان أن المنظم سيكون قادرًا على توصيل التيار المطلوب للتطبيق. بالنسبة إلى ICs الأخرى ، يتم توفير كل من الحد الأدنى والحد الأقصى من التصنيفات. قد يكون هذا مفيدًا جدًا في تخطيط تقنيات إدارة الطاقة لتطبيقك.

عند اختيار منظم بناءً على تيار خرج IC ، من المهم ضمان وجود هامش أمان بين الحد الأقصى للتيار المطلوب من قبل تطبيقك والحد الأقصى لتيار الإخراج للجهة المنظمة. من المهم التأكد من أن الحد الأقصى لتيار الخرج للمنظم أعلى من تيار الخرج المطلوب بنسبة 10 إلى 20٪ على الأقل ، حيث قد يولد IC قدرًا كبيرًا من الحرارة عند التشغيل بأقصى مستويات بشكل مستمر ويمكن أن يتلف بسبب الحرارة. كما تقل كفاءة IC عند التشغيل بحد أقصى.

4. نطاق درجة حرارة التشغيل

يشير هذا المصطلح إلى نطاق درجة الحرارة الذي يعمل فيه المنظم بشكل صحيح. يتم تعريفه من حيث درجة الحرارة المحيطة (Ta) أو درجة حرارة الوصلة (Tj). تشير درجة حرارة TJ إلى أعلى درجة حرارة تشغيل للترانزستور ، بينما تشير درجة الحرارة المحيطة إلى درجة حرارة البيئة المحيطة بالجهاز.

إذا تم تحديد نطاق درجة حرارة التشغيل من حيث درجة الحرارة المحيطة ، فهذا لا يعني بالضرورة أنه يمكن استخدام المنظم على نطاق درجة الحرارة الكاملة. من المهم مراعاة عامل الأمان وأيضًا عامل الحمل المخطط له والحرارة المصاحبة لأن الجمع بين هذا ودرجة الحرارة المحيطة هو ما يشكل درجة حرارة الوصلة التي لا ينبغي أيضًا تجاوزها. يعد البقاء ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل أمرًا بالغ الأهمية للتشغيل السليم والمستمر للمنظم لأن الحرارة الزائدة يمكن أن تؤدي إلى عملية غير طبيعية وفشل كارثي للجهة المنظمة.لذلك من المهم الانتباه إلى الحرارة المحيطة في البيئة التي سيتم استخدام الجهاز فيها وكذلك تحديد مقدار الحرارة المحتملة التي سينتجها الجهاز نتيجة لتيار الحمل قبل تحديد مدى درجة حرارة التشغيل المحددة المنظم يعمل من أجلك. من المهم ملاحظة أن بعض المنظمين قد يفشلون أيضًا في ظروف شديدة البرودة ، ومن الجدير الانتباه إلى قيم درجة الحرارة الدنيا إذا تم نشر التطبيق في بيئة باردة.

5. تبديل التردد

يشير تردد التبديل إلى المعدل الذي يتم فيه تشغيل وإيقاف ترانزستور التحكم في منظم التبديل. في المنظمات القائمة على تعديل عرض النبضة ، عادةً ما يكون التردد ثابتًا أثناء تعديل تردد النبض.

يؤثر تردد التبديل على معلمات المنظم مثل التموج وتيار الخرج والكفاءة القصوى وسرعة الاستجابة. يشتمل تصميم تردد التبديل دائمًا على استخدام قيم محاثة مطابقة ، بحيث يكون أداء منظمين متماثلين بتردد تبديل مختلف مختلفًا. إذا تم أخذ منظمين متشابهين بترددات مختلفة في الاعتبار ، فسيتم اكتشاف أن الحد الأقصى للتيار على سبيل المثال سيكون منخفضًا للمنظم الذي يعمل بتردد أقل مقارنةً بالمنظم عند التردد العالي. أيضًا ، ستكون المعلمات مثل التموج عالية وستكون سرعة استجابة المنظم منخفضة عند التردد المنخفض ، بينما سيكون التموج منخفضًا وسرعة الاستجابة عالية عند التردد العالي.

6. الضوضاء

ينتج عن إجراء التبديل المرتبط بتبديل المنظمين ضوضاء وتوافقيات ذات صلة يمكن أن تؤثر على أداء النظام ككل ، خاصة في الأنظمة ذات مكونات التردد اللاسلكي والإشارات الصوتية. بينما يمكن تقليل الضوضاء عن طريق مرشح وما إلى ذلك ، يمكن أن يقلل حقًا نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) في الدوائر الحساسة للضوضاء. لذلك من المهم التأكد من أن مقدار الضوضاء الناتجة عن المنظم لن يؤثر على الأداء العام للنظام.

7. الكفاءة

الكفاءة عامل مهم يجب مراعاته عند تصميم أي حل للطاقة اليوم. إنها في الأساس نسبة جهد الخرج إلى جهد الدخل. من الناحية النظرية ، فإن كفاءة منظم التبديل هي مائة بالمائة ، ولكن هذا ليس صحيحًا في الممارسة العملية لأن مقاومة مفتاح FET ، وانخفاض جهد الصمام الثنائي و ESR لكل من المحرِّض ومكثف الخرج يقللان من الكفاءة الإجمالية للمنظم. بينما توفر معظم الهيئات التنظيمية الحديثة الاستقرار عبر نطاق تشغيل واسع ، فإن الكفاءة تختلف باختلاف الاستخدام ، وعلى سبيل المثال تقل بشكل كبير مع زيادة التيار المستمد من الناتج.

8. تنظيم الحمل

تنظيم الحمل هو مقياس لقدرة منظم الجهد على الحفاظ على جهد ثابت عند الخرج بغض النظر عن التغيرات في متطلبات الحمل.

9. التعبئة والتغليف والحجم

أحد الأهداف المعتادة أثناء تصميم أي حل للأجهزة هذه الأيام هو تقليل الحجم قدر الإمكان. يتضمن هذا بشكل أساسي تقليل حجم مكون الإلكترونيات وتقليل عدد المكونات التي تشكل كل قسم من أجزاء الجهاز بشكل ثابت. لا يساعد نظام الطاقة صغير الحجم في تقليل الحجم الإجمالي للمشروع فحسب ، بل يساعد أيضًا في توفير مساحة يمكن فيها حصر ميزات المنتج الإضافية. اعتمادًا على أهداف مشروعك ، تأكد من حجم عامل الشكل / الحزمة الذي تريده سوف تتناسب مع ميزانية المساحة الخاصة بك. أثناء إجراء التحديدات بناءً على هذا العامل ، من المهم أيضًا مراعاة حجم المكونات الطرفية المطلوبة من قبل المنظم لتعمل. على سبيل المثال ، يسمح استخدام الدوائر المتكاملة عالية التردد باستخدام مكثفات الإخراج ذات السعة المنخفضة والمحثات ، مما يؤدي إلى تقليل حجم المكون والعكس صحيح.

سيساعدك تحديد كل هذا والمقارنة بمتطلبات التصميم الخاصة بك في تحديد المنظم الذي يجب تجاوزه وأيها يجب أن يظهر في تصميمك.

قم بمشاركة أي عامل تعتقد أنه فاتني وأي تعليقات أخرى عبر قسم التعليقات.

حتى المرة القادمة.