Alegeți regulatorul potrivit pentru o eficiență energetică maximă

Alegeți regulatorul potrivit pentru o eficiență energetică maximă

Eficiența este esențială atunci când vine vorba de alegerea unui regulator de tensiune în comutație. Capacitatea de a furniza energie fiabilă într-un format compact este esențială pentru dispozitivele miniaturizate din prezent.

Una dintre cerințele fundamentale ale proiectării electronice este generarea unor tensiuni stabile, capabile să furnizeze curenți de intensitate mare. Regulatoarele de tensiune în comutație sunt componente-cheie în realizarea unor surse stabile de alimentare, permițând atât creșterea, cât și reducerea tensiunii.

Aceste regulatoare pot apărea sub mai multe denumiri: comutatoare, surse de alimentare în comutație (SMPS) sau convertoare/regulatoare DC/DC. Popularitatea lor este în continuă creștere, datorită avantajelor oferite în aplicațiile de conversie de putere cu randament ridicat, a flexibilității de a genera o ieșire stabilă dintr-o singură sursă de intrare și a capacității de a obține mai multe tensiuni de ieșire, inclusiv cu polarități diferite.

Tipuri comune de convertoare în comutație:

• Boost (ridicător) – crește tensiunea de intrare, condiționând-o pentru ieșire
• Buck (coborâtor) – reduce tensiunea de intrare, adaptând-o pentru ieșire
• Buck-boost (coborâtor-ridicător) – permite atât creșterea, cât și scăderea tensiunii, inclusiv inversarea polarității
• Flyback – o variantă de buck-boost care oferă și izolare galvanică

Regulatoare de tensiune liniare fixe și reglabile

De mulți ani, proiectarea surselor de alimentare s-a bazat pe regulatoare de tensiune liniare, care s-au dovedit a fi o soluție excelentă pentru furnizarea unei tensiuni de ieșire fixe și stabile. Există și versiuni reglabile, precum LM317. Cele mai populare tipuri de regulatoare liniare cu ieșire fixă sunt seriile 78xx pentru tensiuni pozitive și 79xx pentru tensiuni negative, capabile să furnizeze valori între 5V și 24V.

Spre deosebire de sursele de alimentare în comutație, regulatoarele liniare sunt mai simple și mai ieftine, dar tind să fie mai puțin eficiente energetic, disipând o mare parte din energie sub formă de căldură. De obicei, sunt limitate la aplicații sub 10 W, oferă zgomot redus și un nivel scăzut de ripplu. Regulatoarele liniare pot doar să reducă tensiunea, în timp ce SMPS-urile pot asigura atât reducerea, cât și creșterea sau inversarea tensiunii de intrare, în funcție de topologia utilizată: buck, boost sau buck-boost.

Surse de alimentare în comutație

Majoritatea televizoarelor moderne, a calculatoarelor personale, a dispozitivelor de acționare a motoarelor de curent continuu și a amplificatoarelor de putere necesită un dispozitiv SMPS avansat și eficient, care utilizează tehnici de comutare a semiconductorilor în locul reglării liniare tradiționale pentru furnizarea tensiunii de ieșire. Un convertor în comutație tipic include un etaj de comutare a puterii și un circuit de control.

Datorită disipării reduse a puterii, SMPS-urile oferă o eficiență superioară, comutând intern un tranzistor (de regulă un MOSFET de putere) între starea de saturație (ON) și starea de blocare (OFF).

Regulatoare în comutație Buck

Figura 1: Regulatorul în comutație Buck BD9A201FP4-LBZTL asigură o tensiune de ieșire stabilă. (Sursa imaginii: ROHM Semiconductor)

Seria BD9x de la ROHM Semiconductor oferă proiectanților convertoare DC/DC Buck de înaltă eficiență, reprezentând o opțiune compactă pentru aplicații care necesită conversie eficientă de putere – inclusiv în proiecte din domeniul auto și industrial. Seria BD9x are un design simplificat și un număr redus de componente, economisind spațiu și eficientizând procesul de fabricație.

Curentul redus de așteptare contribuie la extinderea duratei de viață a bateriei în aplicațiile portabile, menținând o tensiune de ieșire stabilă pentru o performanță fiabilă, așa cum se întâmplă în cazul regulatorului Buck BD9A201FP4-LBZTL (Figura 1).

Modelul BD9E105FP4-ZTL (Figura 2), prevăzut cu o singură ieșire reglabilă, este un regulator de tensiune continuă proiectat special pentru aplicații care necesită o tensiune de ieșire mai mică. Datorită MOSFET-urilor de putere cu rezistență R_DS(on) redusă și convertorului DC/DC Buck sincron, acesta oferă eficiență ridicată, mai ales în condiții de sarcină scăzută – ideal pentru dispozitive care necesită consum redus în modul standby.

Figura 2: Nevoile de tensiune mai mică pot fi satisfăcute cu un regulator Buck BD9E105FP4-ZTL. (Sursa imaginii: ROHM Semiconductor)

Cu un răspuns tranzitoriu rapid și o amprentă redusă pe PCB, acest regulator oferă o densitate mare de putere într-o capsulă compactă, fiind potrivit pentru produse electrocasnice (frigidere, aparate de aer condiționat), echipamente de telecomunicații, adaptoare și surse de alimentare secundare.

Regulatoare în comutație Boost

Regulatorul în comutație boost MP3414AGJ-Z are o ieșire reglabilă, iar profilul său subțire îl face ideal pentru aplicații cu montare pe suprafață în care spațiul este limitat. Acesta funcționează fiabil într-un interval larg de temperatură, de la -40°C până la +125°C și poate porni de la o tensiune de intrare de doar 1,8 V. În plus, integrează protecție la curent de pornire (inrush current) și protecție la scurtcircuit pe ieșire (SCP – Short-Circuit Protection).

Capacitatea de a funcționa în mod sincron, menținând în același timp o eficiență ridicată, este esențială în aplicațiile care necesită un convertor step-up cu deconectare completă a ieșirii. Nu este necesară o diodă Schottky externă, deoarece eficiența este îmbunătățită printr-un redresor sincron integrat cu tranzistor cu canal P.

Funcția de deconectare a ieșirii, activată atunci când MP3414A este în modul oprit (shutdown mode), permite descărcarea completă a sarcinii, consumând în același timp mai puțin de 1 µA.

Mai mic este mai bine

Prin utilizarea dispozitivului MP3414A se poate reduce semnificativ numărul de componente externe. Acesta funcționează la o frecvență de comutație de 1 MHz, permițând utilizarea unor componente pasive de dimensiuni mai mici, iar funcția de pornire lină contribuie și ea la minimizarea numărului de piese externe. MP3414A poate gestiona o gamă largă de sarcini de curent, iar MOSFET-ul său de putere integrat susține un curent de comutație de vârf de peste 3A, oferind o tensiune de ieșire de până la 5,5V.

Figura 3: Odată cu miniaturizarea componentelor, devine necesară utilizarea unor capsule de dimensiuni mai mici, precum TSOT23. (Sursa imaginii: ROHM Semiconductor)

Această combinație de versatilitate și performanță într-un format compact îl face ideal pentru aplicații precum dispozitivele alimentate cu o singură celulă Li-ion, precum și pentru baterii alcaline, NiMH sau NiCd în configurații de două sau trei celule. Perifericele wireless, accesoriile de gaming, dispozitivele medicale personale și playerele media portabile pot beneficia, toate, de un convertor step-up precum MP3414A.

Tehnologia avansează rapid și, odată cu ea, miniaturizarea componentelor. Comparativ cu capsula SOP-J8, varianta MP3414AGJ-Z în capsulă TSOT23 este cu aproximativ 72% mai mică, permițând o amprentă mult redusă pe placa de circuit imprimat (Figura 3).

Maximizarea eficienței și reducerea consumului de energie

Figura 4: BD9E202FP4-ZTL este un regulator buck care oferă alimentare fiabilă într-un design compact. (Sursa imaginii: ROHM Semiconductor)

Nevoia de miniaturizare este o forță motrice constantă în proiectarea electronică, însă aceasta trebuie echilibrată cu cerințele de fiabilitate și eficiență energetică. Regulatorul în comutație buck BD9E202FP4-ZTL oferă o ieșire reglabilă și o alimentare fiabilă într-un format compact (Figura 4).

Deși s-ar putea presupune că miniaturizarea implică compromisuri în ceea ce privește capacitatea de sarcină sau stabilitatea alimentării, acest lucru nu este valabil în cazul BD9E202FP4-ZTL. Dispozitivul oferă o eficiență ridicată în conversia energiei și contribuie, în același timp, la un consum energetic redus (Figura 5).

Curentul de standby scăzut îl face ideal pentru dispozitive alimentate cu baterii, permițând un consum minim atunci când echipamentul este inactiv. În plus, funcționarea eficientă la sarcini ușoare este posibilă datorită tehnicii de control constant al duratei impulsului de comutare (on-time control), care optimizează eficiența în condiții variabile de sarcină.

Figura 5: Proiectanții caută convertoare DC/DC buck de înaltă eficiență, capabile să livreze energie fiabilă în dimensiuni reduse. (Sursa imaginii: ROHM Semiconductor)

Convertoare flyback pentru AC/DC și DC/DC

Convertorul flyback este un tip de convertor buck-boost care integrează un transformator de tip flyback. Acesta este utilizat atât în aplicații de conversie AC/DC, cât și DC/DC, în care este necesară izolarea galvanică între intrare și ieșire. Pe lângă izolarea electrică, convertorul flyback oferă și flexibilitate în raportul de transformare a tensiunii.

Un convertor de putere izolat poate funcționa în două moduri de control: controlul în modul de tensiune și controlul în modul de curent. În cele mai multe cazuri, modul de control al curentului este preferat, deoarece oferă o mai bună stabilitate în timpul funcționării.

Convertoare DC-DC Buck-boost

Un convertor DC-DC buck-boost tipic permite obținerea unei tensiuni de ieșire mai mare sau mai mică decât tensiunea de intrare și poate genera, de asemenea, tensiuni negative. Este asemănător cu un convertor flyback, dar în loc de un transformator, utilizează o simplă inductanță. Practic, un convertor buck-boost combină două topologii distincte și poate produce o gamă variată de tensiuni de ieșire – de la zero până la valori peste tensiunea de intrare.

Aceste convertoare sunt uneori denumite “choppers”, iar sursele DC/DC care le includ pot funcționa fie în regim de convertor ridicător, fie în regim de convertor coborâtor.

Concluzie

Conversia eficientă a puterii este esențială pentru proiectele auto și industriale moderne, iar aceasta nu poate fi realizată fără regulatoare de tensiune în comutație. Pe măsură ce dispozitivele devin tot mai compacte, cererea pentru componente versatile și eficiente, capabile să mențină niveluri stabile de putere, este mai mare ca niciodată.

Deși aceste regulatoare sunt cunoscute sub mai multe denumiri — SMPS, comutator DC/DC, regulator sau convertor — ROHM oferă o gamă extinsă de soluții compacte, adaptate unei varietăți de aplicații care necesită conversie eficientă de energie.

Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto.
Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.

DigiKey   |   https://www.digikey.ro

Glosar de termeni