Maak efficiëntie belangrijk met de juiste schakelende spanningsregelaars

Efficiëntie is van het grootste belang bij het kiezen van de juiste schakelende spanningsregelaar. De mogelijkheid om betrouwbare stroom te leveren in een klein formaat is vereist voor de huidige geminiaturiseerde apparaten.

Een fundamentele vereiste voor het ontwerpen van elektronica is het vermogen om stabiele spanningen te genereren die aanzienlijke hoeveelheden stroom kunnen leveren. Schakelregelaars zijn een essentieel onderdeel voor het genereren van stabiele voedingsspanningen en voor het omhoog of omlaag omzetten van spanningen.

Schakelende spanningsregelaars kunnen vele namen hebben: schakelaar, geschakelde voeding (SMPS) en DC/DC-regelaars of -convertors. De populariteit blijft groeien vanwege de voordelen die ze bieden voor efficiëntere hoge vermogensomzettingsvereisten, de flexibiliteit van een stabiele uitvoer uit een enkele ingangsspanningsbron en de mogelijkheid om meerdere uitgangsspanningen van verschillende polariteit aan te sluiten.

De meest voorkomende typen schakelende convertors zijn:

• Boost, ingangsspanning wordt verhoogd en geconditioneerd voor uitgang
• Buck, ingangsspanning wordt verlaagd en geconditioneerd voor uitgang
• Buck-boost, ingangsspanning wordt omhoog of omlaag geconditioneerd met optie voor negatieve polariteit
• Flyback, een type buck-boost die ook galvanische scheiding biedt

Vaste en instelbare lineaire spanningsregelaars

Jarenlang hebben ontwerpen voor voedingen vertrouwd op lineaire spanningsregelaars, die uitstekend geschikt zijn gebleken voor het leveren van een continue vaste spanning. Er zijn andere lineaire spanningsregelaars, zoals de LM317, die instelbaar zijn.

Populaire vaste en lineaire uitgangsspanningsregelaars zijn de 78xx positieve uitgangsspanningen en 79xx negatieve uitgangsspanningen. Deze spanningsregelaars produceren een stabiele uitgang van 5 V tot 24 V.

Lineaire spanningsregelaars zijn geen geschakelde voedingen. Spanningsregelaars hebben het voordeel van eenvoud en lage kosten. Ze hebben meestal een vermogen van minder dan 10 W, zijn vaak minder efficiënt, waardoor ze warmte produceren, en hebben een laag ruis- en rimpelniveau. Lineaire regelaars hebben alleen step-down spanningsregeling, terwijl een SMPS step-up en step-down en negatie van de ingangsspanning kan bieden met behulp van buck-, buck-boost- en boost-componenten.

Geschakelde voedingen

De meeste moderne televisies, personal computers, DC-motoraandrijvingen en vermogensversterkers vereisen een geavanceerde en efficiënte SMPS, die gebruik maakt van halfgeleider-schakeltechnieken in plaats van standaard lineaire methoden voor het leveren van uitgangsspanning. De basisschakelconvertor bestaat uit een vermogensschakeltrap en een regelcircuit.

Door een lagere vermogensdissipatie te hebben, heeft SMPS het voordeel van een hoger rendement door intern een transistor (of power MOSFET) te schakelen tussen de verzadigde "ON"- en de afgesneden "OFF"-toestand.

Buck-schakelregelaars

De ROHM Semiconductor BD9x-serie voorziet ontwerpers van zeer efficiënte DC/DC-buckconvertors, een compacte optie voor toepassingen die efficiënte vermogensomzetting vereisen, waaronder ontwerpen voor de auto-industrie en de industrie. De BD9x-serie heeft een vereenvoudigd ontwerp met minder componenten, waardoor ruimte wordt bespaard en het productieproces wordt gestroomlijnd. Dankzij hun lage stand-by stroom kan de levensduur van de batterij worden verlengd in draagbare toepassingen, terwijl de uitgangsspanning stabiel blijft voor betrouwbare prestaties, zoals de BD9A201FP4-LBZTL buck schakelende regelaar (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De BD9A201FP4-LBZTL Buck-schakelregelaar levert een stabiele uitgangsspanning. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

De BD9E105FP4-ZTL buck-schakelregelaars (Afbeelding 2), die beschikt over een enkele, instelbare uitgang, is een gelijkstroomregelaar die speciaal is ontworpen voor behoeften met een lagere spanning. Met vermogens-MOSFET's met een lage inschakelweerstand en een enkele synchrone buck DC/DC-convertor biedt de BD9E105FP4-ZTL-regelaar topefficiëntie in lichtbelaste omstandigheden. Dit is ideaal voor apparaten en toestellen die een minimaal stand-byverbruik vereisen.

Met zijn goede transiënte respons neemt het weinig ruimte in op de printplaat en levert hij een hoge vermogensdichtheid in een klein pakket, perfect voor producten voor huishoudelijke apparaten zoals koelkasten en airconditioners, telecommunicatieapparaten, adapters en secundaire voedingsapparatuur.

Afbeelding 2: Met een BD9E105FP4-ZTL buck-schakelregelaar kan aan lagere spanningsbehoeften worden voldaan. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Boost-schakelregelaars

De MP3414AGJ-Z boost-schakelregelaars heeft een instelbare uitgang en zijn dunne profiel is geschikt voor een opbouwtoepassing waar de ruimte beperkt is. Het kan probleemloos werken in een temperatuurbereik van -40 °C ~ 125 °C en kan beginnen te werken vanaf een ingangsspanning van slechts 1,8 V, terwijl het een inschakelstroom en kortsluitbeveiliging aan de uitgang (SCP) biedt.

De mogelijkheid om te werken in synchrone stroommodus met behoud van een hoog rendement is noodzakelijk wanneer een step-upconvertor met uitgangsontkoppeling nodig is. Er is ook geen externe Schottky-diode nodig, omdat het rendement is verbeterd met een geïntegreerde P-kanaals synchrone gelijkrichter. De functie voor uitgangsontkoppeling wanneer de MP3414A uitschakelt, zorgt voor een volledige ontlading terwijl een voedingsstroom van minder dan 1 μA wordt opgenomen in de uitschakelmodus.

Kleiner is beter

Met de MP3414A kunnen minder externe componenten worden gerealiseerd. Hij gebruikt een schakelfrequentie van 1 MHz om kleinere externe componenten mogelijk te maken, terwijl de softstartfunctie het aantal externe onderdelen minimaliseert. Het kan grote stroombelastingsbereiken aan. Bovendien ondersteunt de geïntegreerde power MOSFET een piekschakelstroom van meer dan 3 A bij een uitgang van 5,5 V.

Deze veelzijdigheid en veelzijdige kracht in een compact formaat is ideaal voor toepassingen als Li-batterijproducten met één cel, waaronder alkaline-, NiMH- of NiCd-formaten met twee of drie cellen. Draadloze randapparatuur, game-accessoires, persoonlijke medische apparaten en draagbare mediaspelers hebben allemaal baat bij een step-upconvertor zoals de MP3414A.

De technologie ontwikkelt zich snel en wordt steeds compacter. Vergeleken met de SOP-J8 is de MP3414AGJ-Z in een TSOT23-behuizing ongeveer 72% kleiner, waardoor de footprint aanzienlijk kleiner is (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Omdat componenten steeds kleiner worden ontworpen, is miniaturisatie van verpakkingstypes zoals de TSOT23 noodzakelijk. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Maximale efficiëntie en lager energieverbruik

De behoefte aan miniaturisatie is een constante drijfveer, en tegelijkertijd is er de behoefte om betrouwbaarheid en energie-efficiëntie te behouden. De BD9E202FP4-ZTL buck-schakelregelaar biedt instelbare uitvoer en betrouwbaar vermogen in een compact ontwerp (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De BD9E202FP4-ZTL is een buck-schakelregelaar die betrouwbare stroom levert in een kleiner, compacter ontwerp. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Hoewel de indruk kan bestaan dat kleiner gaan ten koste gaat van de belastbaarheid of betrouwbare vermogensafgifte, is dat niet het geval. De BD9E202FP4-ZTL levert een hoge omzettingsefficiëntie en draagt tegelijkertijd bij aan een lager energieverbruik (Afbeelding 5).

Door een lage stand-by stroom te leveren, kunnen apparaten op batterijen profiteren van een minimaal stroomverbruik wanneer ze niet actief zijn. Bovendien wordt een efficiënte werking bij lichte belasting mogelijk gemaakt door een constante inschakelregeling.

Afbeelding 5: Ontwerpers zijn op zoek naar hoogrendabele DC/DC buckconvertors die efficiënt en betrouwbaar kunnen leveren. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Flybackconvertors voor AC/DC en DC/DC

De flybackconvertor is een buck-boostconvertor met een flybacktransformator. Het wordt gebruikt in zowel AC/DC- als DC/DC-conversie, waar er galvanische isolatie is tussen de uitgangen en de ingang, en biedt de vermenigvuldiging van spanningsverhoudingen met een extra voordeel van isolatie.

Een geïsoleerde vermogensconvertor heeft spanningsmodusregeling en stroommodusregeling als twee regelsystemen. In de meeste gevallen moet de huidige modusregeling de overhand hebben voor stabiliteit tijdens bedrijf.

Buck-boost DC-naar-DC-convertors

Een typische DC-naar-DC-convertor met een uitgangsspanning die groter of kleiner is dan de ingangsspanning is een buck-boostomvormer. Negatieve spanningen opwekken is ook mogelijk. Het is vergelijkbaar met een flybackconvertor, maar in plaats van een transformator wordt een enkele inductor gebruikt. Meer specifiek bestaat een buck-boostconvertor uit twee verschillende topologieën, waarbij beide een bereik van uitgangsspanningen produceren die groter zijn dan de ingangsspanning tot zelfs nul.

DC/DC-voedingen, ook wel "choppers" genoemd, bevatten een buck-boostschakeling die werkt als een step-up of step-downconvertor, afhankelijk van de duty cycle.

Conclusie

Efficiënte vermogensomzetting voor hedendaagse auto- en industriële ontwerpen kan niet zonder schakelende spanningsregelaars. Omdat de ontwerpen van tegenwoordig steeds compacter worden, is de vraag naar veelzijdige en efficiënte componenten die consistente vermogensniveaus handhaven nog nooit zo groot geweest.

Hoewel schakelende spanningsregelaars onder verschillende namen kunnen vallen-SMPS, DC/DC-schakelaar regelaar of convertor. ROHM biedt een breed scala aan compacte opties voor verschillende toepassingen die een efficiënte vermogensomzetting vereisen.