Regulacja zasilania

Przetwornice napięcia DC-DC są często używane do zapewnienia regulowanego zasilania napięciem z nieregulowanego źródła napięcia. Nieregulowane źródła napięcia można skorygować napięciami sieciowymi, które wykazują wahania z powodu zmian wielkości. Regulowane źródła napięcia zapewniają średnie napięcie wyjściowe DC na pożądanym poziomie (3,3 V, 2,5 V itp.), Pomimo wahań źródeł napięcia wejściowego i zmiennych obciążeń wyjściowych. Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy podejmowaniu decyzji o rozwiązaniu w zakresie zasilania napięciem regulowanym, obejmują:

• Dostępne napięcia wejściowe źródła
• Wielkość żądanego napięcia wyjściowego zasilania
• Możliwość obniżania lub podwzniania napięć wyjściowych, lub obu tych czynników
• Sprawność przetwornicy DC-DC (P_OUT / P_IN)
• Tętnienie napięcia wyjściowego
• Odpowiedź przejściowa obciążenia wyjściowego
• Złożoność rozwiązania (jedno rozwiązanie IC, liczba komponentów pasywnych, sterownik i zewnętrzne FET)
• Częstotliwość przełączania (dla regulatorów trybu przełączania)

W poniższych sekcjach opisano kilka różnych regulatorów napięcia.

Regulatory liniowe

Liniowe regulatory napięcia są powszechnie stosowane w aplikacjach obniżanych (napięcie wyjściowe zasilania jest niższe niż napięcie źródła wejściowego). Regulatory liniowe są również dostępne ze stałym napięciem wyjściowym lub zmiennym napięciem wyjściowym w przypadku stosowania zewnętrznych rezystorów polaryzacji.

Zaletą regulatorów liniowych jest prosta implementacja i minimalna ilość części (tylko układu w przypadku stałego wyjścia) oraz niskie tętnienia wyjściowe. Główną wadą regulatorów liniowych jest niska sprawność. Znaczna moc jest rozpraszana w układzie IC regulatora liniowego, ponieważ konwerter jest stale włączony i przewodzi prąd. Regulatory liniowe powinny być stosowane, gdy różnica między napięciem źródła wejściowego a napięciem zasilania wyjściowego jest minimalna, a wydajność konwertera nie stanowi problemu.

Regulatory przełączające

Przełączające regulatory napięcia są powszechnie stosowane zarówno w aplikacjach step-up, jak i step-down i różnią się od regulatorów liniowych implementacją modulacji szerokości impulsu (PWM). Regulatory przełączające sterują napięciem wyjściowym za pomocą przełącznika prądowego (wewnętrznego lub zewnętrznego w stosunku do regulatora IC) o stałej częstotliwości i zmiennym cyklu pracy. Częstotliwości przełączania wynoszą zazwyczaj od kilku kHz do kilkuset kHz. Stosunek cyklu pracy przełącznika określa, o ile i jak szybko wzrasta lub maleje napięcie zasilania wyjściowego, w zależności od stanu obciążenia i napięcia źródła wejściowego. Niektóre regulatory przełączające wykorzystują zarówno zmienną częstotliwość przełączania, jak i cykl pracy, ale nie są one powszechnie stosowane w aplikacjach FPGA / CPLD.

Wyraźną zaletą regulatorów przełączających jest wydajność, ponieważ minimalna moc jest rozpraszana na ścieżce zasilania (przełączniki FET), gdy napięcie wyjściowe zasilania jest wystarczające dla stanu obciążenia. Zasadniczo przetwornica mocy "wyłącza się", gdy zasilanie nie jest potrzebne, ze względu na minimalny cykl pracy przełącznika. Wadą regulatorów przełączających jest złożoność, ponieważ na pokładzie wymaganych jest kilka zewnętrznych elementów pasywnych. W przypadku zastosowań wysokoprądowych wymagane są zewnętrzne układy scalone FET, ponieważ przetwornica układów scalonych działa tylko jako logika sterowania zewnętrznym przełącznikiem FET. Tętnienie napięcia wyjściowego jest kolejną wadą, która jest zwykle obsługiwana z pojemnością obejściową w pobliżu zasilania i przy obciążeniu.

Konwerter Buck

Przetwornice napięcia Buck lub step-down wytwarzają średnie napięcie wyjściowe niższe niż napięcie źródła wejściowego. Rysunek 1 pokazuje podstawową topologię buck przy użyciu idealnych komponentów. Cewka indukcyjna służy jako źródło prądu do impedancji obciążenia wyjściowego. Gdy przełącznik FET jest włączony, prąd cewki indukcyjnej wzrasta, wywołując dodatni spadek napięcia na cewek indukcyjny i niższe napięcie wyjściowe w odniesieniu do napięcia źródła wejściowego. Gdy przełącznik FET jest wyłączony, prąd cewki indukcyjnej rozładowuje się, wywołując ujemny spadek napięcia na ceprze indukcyjnym. Ponieważ jeden port cewki indukcyjnej jest związany z ziemią, drugi port będzie miał wyższy poziom napięcia, który jest docelowym napięciem zasilania wyjściowego. Pojemność wyjściowa działa jak filtr dolnoprzepuchowy, zmniejszając tętnienie napięcia wyjściowego w wyniku wahań prądu przez cewkę indukcyjną. Dioda zapewnia ścieżkę prądu dla cewki indukcyjnej, gdy przełącznik FET jest wyłączony.

Synchroniczny konwerter Buck

Synchroniczna przetwornica buck jest zasadniczo taka sama jak przetwornica buck step-down z zastąpieniem diody innym przełącznikiem FET. Górny przełącznik FET zachowuje się tak samo jak przetwornica buck podczas ładowania prądu cewki indukcyjnej. Gdy sterowanie przełącznikiem jest wyłączone, dolny przełącznik FET włącza się, aby zapewnić ścieżkę prądu dla cewki indukcyjnej podczas rozładowywania. Chociaż topologia ta wymaga większej liczby komponentów i dodatkowego sekwencjonowania logicznego przełącznika, poprawia wydajność dzięki szybszemu czasowi włączania przełącznika i niższej rezystancji szeregowej FET (rdson) w porównaniu z diodą.

Konwerter Boost

Przetwornice Boost lub step-up wytwarzają średnie napięcie wyjściowe wyższe niż napięcie źródła wejściowego. Rysunek 3 pokazuje odmianę topologii buck, z diodą, przełącznikiem FET i cewką indukcyjną zamienionych wokół. Gdy przełącznik FET jest włączony, dioda jest odwrócona, co izoluje obciążenie od napięcia źródła wejściowego i ładuje prąd cewki indukcyjnej. Gdy przełącznik FET jest wyłączony, obciążenie wyjściowe odbiera energię z cewki indukcyjnej i napięcia wejściowego zasilania. Prąd cewki indukcyjnej zaczyna się rozładowywać, wywołując ujemny spadek napięcia na cuzatorze. Ponieważ jeden port cewki indukcyjnej jest napędzany napięciem wejściowym, drugi port będzie miał wyższy poziom napięcia, a zatem funkcję doładowania lub zwiększenia. Podobnie jak w przypadku przetwornicy buck, kondensator działa jak filtr dolnoprzepuchowy, zmniejszając tętnienie napięcia wyjściowego w wyniku wahań prądu przez cewkę indukcyjną.

Konwerter Buck-Boost

Przetwornice Buck-boost mogą wytwarzać ujemne napięcie wyjściowe zasilania z dodatniego napięcia źródła wejściowego (tj. ujemne w odniesieniu do portu wspólnego/uziemienia napięcia źródła wejściowego). Podobnie jak w przypadku konwertera buck, powyższa topologia zamieniła diodę i cewkę indukcyjną. Gdy przełącznik FET jest włączony, dioda jest odwrócona, ładując prąd cewki indukcyjnej z powodu dodatniego spadku napięcia na cuwencyjce. Gdy przełącznik FET jest wyłączony, cewka indukcyjna dostarcza energię do obciążenia wyjściowego przez węzeł wspólny / uziemiający, rozładowując prąd, który indukuje ujemny spadek napięcia na cuwło indukcyjnym. Ponieważ jeden port cewki indukcyjnej jest powiązany ze wspólnym / uziemionym, drugi port znajduje się na niższym poziomie napięcia w porównaniu do wspólnego / uziemienia, stąd ujemne poziomy napięcia wyjściowego zasilania na całym obciążeniu wyjściowym.