Jakiś czas temu w artykule omawialiśmy zalety i zastosowania zintegrowanych przetwornic napięcia. Dzisiaj pragniemy temat ten kontynuować i zapoznać Was z kolejnym istotnym zagadnieniem związanym z układami zasilania.
Przetwornice i stabilizatory liniowe - czyli układy realizujące podobne zadania, jednak na zupełnie odmienne sposoby. W ramach dzisiejszego tekstu przyjrzymy się w szczegółach różnicom pomiędzy nimi, a także wyjaśniamy, w jakich przypadkach należy wybrać dane rozwiązanie
Jak działa przetwornica napięcia?
Przetwornica napięcia jest układem elektronicznym, którego zadaniem jest konwersja napięcia z wykorzystaniem techniki impulsowej. Składa się ona przede wszystkim z tranzystora pełniącego funkcję przełącznika, elementu inercyjnego - zazwyczaj induktora, diody, a także układu sterującego.
[caption id="attachment_70257" align="aligncenter" width="800"]
Rys. 1. Uproszczony schemat przetwornicy obniżającej napięcie[/caption]
Tranzystor przepustowy działa jak kontrolowany przełącznik - znajduje się naprzemiennie w trybie odcięcia, a następnie saturacji (przewodzenia). Dzięki temu nie rozprasza on prawie żadnej mocy, pozwalając tym samym na osiągnięcie wysokiej wydajności. Średnia wartość napięcia wyjściowego kontrolowana jest poprzez
modulację szerokości impulsu (pulse-width modulation) sygnału na bramce tranzystora.
Za konwersję szeregu impulsów z powrotem do prądu stałego odpowiadają induktor oraz kondensator. Induktor działa jak "koło zamachowe" - gdy tranzystor kluczujący przewodzi, gromadzi on energię w polu magnetycznym. W chwili, gdy tranzystor nie przewodzi, staje się on
tymczasowym źródłem energii. Kondensator natomiast, magazynuje ładunek elektryczny, dzięki czemu niweluje wahania napięcia. Razem tworzą one
filtr LC - filtr dolnoprzepustowy, który "odtwarza" prąd stały z serii impulsów.
Do najczęściej spotykanych topologii regulatorów impulsowych należy
przetwornica obniżająca napięcie (buck) oraz podnosząca je (boost). Spotyka się także konfiguracje łączące obie te funkcję - tzw. buck-boost, a także regulatory odwracające polaryzację napięcia.
Czym różni się przetwornica od regulatora liniowego?
Zasadniczymi elementami budowy regulatora są tranzystor przepustowy oraz pewnego rodzaju źródło napięcia odniesienia - zazwyczaj wykorzystujące diodę Zenera. Układ kontrolowany jest przez
negatywne sprzężenie zwrotne, dzięki któremu utrzymywane jest stałe napięcie wyjściowe.
[caption id="attachment_70263" align="aligncenter" width="800"]
Rys. 2. Uproszczony schemat stabilizatora liniowego[/caption]
Tranzystor reguluje wartość płynącego przez niego prądu w zależności od różnicy napięcia zadanego i wyjściowego. Układ działa zatem jak
dzielnik napięcia, który automatycznie dostosowuje swoją rezystancję w zależności od wartości napięcia wejścia i obciążenia wyjścia. Pozwala on dzięki temu na utrzymanie stałego napięcia wyjściowego, podczas gdy zbędna energia tracona jest w tranzystorze w postaci ciepła. Z tego sposobu działania wynika największa wada stabilizatorów - jest nią stosunkowo
niska wydajność. Mówiąc dokładniej, sprawność konwersji napięcia dana jest stosunkiem napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego regulatora. Oznacza to, że im większa jest różnica tych napięć, tym niższa będzie sprawność konwersji. W wielu przypadkach powoduje to duże straty w postaciach energii cieplnej. Ponadto, regulator tego typu jest w stanie tylko
obniżać napięcie - inne konfiguracje, możliwe w przypadku regulatorów impulsowych są tutaj nieosiągalne.
Obecnie większość regulatorów liniowych spotykanych jest w formie zintegrowanych
układów scalonych. Dzięki temu zyskują one dużą elastyczność i są proste w zastosowaniu. Niektóre z nich wykorzystują także zewnętrzny rezystorowy
dzielnik napięcia, co pozwala na dowolną regulację napięcia wyjściowego.
Kiedy należy stosować przetwornicę napięcia?
Poniżej pragniemy Wam przedstawić kilka typowych zastosowań, w których zalety przetwornic impulsowych okazują się być szczególnie istotne.
Duże moce
Wyższa
wydajność konwersji napięcia jest głównym powodem, dla którego przetwornice wypierają z użycia inne rozwiązania. Cecha ta jest szczególnie istotna w przypadku układów zasilania o dużej mocy. Im niższe są straty energii, tym mniejsze stają się ilości zbędnego ciepła, które trzeba odprowadzić. Zmniejsza się także
zapotrzebowanie na energię całego układu. Jest to główny powód, dla którego są one obecnie preferowanym rozwiązaniem w
zasilaczach sieciowych, spawarkach inwertorowych, czy też ładowarkach pojazdów elektrycznych.
Duża różnica napięć
Jak już wcześniej wspomnieliśmy,
sprawność regulatora liniowego określona jest stosunkiem napięcia wyjściowego do wejściowego. Oznacza to, że im większa jest różnica tych napięć, tym niższa staje się wydajność konwersji. Innymi słowy, im bardziej obniżamy napięcie, tym więcej energii tracimy w postaci ciepła.
Aby lepiej wyjaśnić Wam to zagadnienie, rozważmy następujący przykład: w urządzeniu zasilanym napięciem
24V chcemy wygenerować szynę
3,3V potrzebną do zasilenia logiki niskonapięciowej. W przypadku, gdy użyjemy w tym celu stabilizatora liniowego, sprawność konwersji wyniesie:
Oznacza to, że zdecydowana większość dostarczonej energii, bo aż 86,25%, zostanie rozproszona w postaci ciepła. Tak wysokie straty będą skutkować zdecydowanym zwiększeniem zapotrzebowania na energię całego układu. Ponadto, skuteczne odprowadzanie dużych ilości zbędnej energii cieplnej może okazać się problematyczne.
Tymczasem oferowana przez nas
przetwornica PSR1-783R3C jest w stanie dokonać opisanej wyżej konwersji napięcia ze
sprawnością sięgającą nawet 90%. Ponadto, posiada ona szeroki zakres napięć wejściowych, a kompaktowa, zintegrowana obudowa SIP czyni ją niezwykle łatwą w zastosowaniu. Zachęcamy do zapoznania się z
naszą ofertą przetwornic prądu stałego i przemiennego renomowanej niemieckiej marki
PEAK Electronics.
Zasilanie bateryjne i akumulatorowe
W przypadku urządzeń zasilanych bateryjnie również kluczowa staje się
sprawność energetyczna. Projektując takie urządzenie, zazwyczaj dążymy do osiągnięcia jak najdłuższego czasu pracy na baterii. Wyższa wydajność regulacji napięcia przetwornic impulsowych jest wówczas istotnym atutem. Niektóre z nich są w stanie uzyskać
wydajność sięgającą 96%, co w przypadku stabilizatorów liniowych jest nieosiągalne.
Inną kwestią jest
spadek napięcia (dropout), który jest charakterystyczny dla regulatorów liniowych. Typowo mieści się on w przedziale ok. od 1V do 2V - oznacza to, że napięcie wejściowe musi być wyższe od docelowego napięcia wyjściowego przynajmniej o tą wartość. W urządzeniach z zasilaniem bateryjnym jest to istotny problem, ponieważ
napięcie ogniw spada wraz ze wzrostem obciążenia, a także pod wpływem ich rozładowania. Przykładowo, dla
baterii alkalicznej LR6/AA o napięciu nominalnym 1,5V może ono spaść nawet do 0,8V. W związku z tym, aby uzyskać docelowe napięcie wyjściowego regulatora, konieczne jest łączenie wielu ogniw szeregowo.
Jednym z możliwych rozwiązań jest zastosowanie
regulatorów LDO (Low Dropout), o niskim spadku napięcia - nawet poniżej 200mV. W wielu przypadkach nie eliminuje to jednak całkowicie problemu. Rozważmy następujący przykład - projektujemy układ o napięciu 3,3V zasilany
akumulatorem Li-Ion NCM14500-850mAh o napięciu znamionowym 3,6V. W celu obniżenia napięcia stosujemy
stabilizator LDO o napięciu spadku równym 120mV. Przebieg jego napięcia wejściowego oraz wyjściowego wraz z rozładowywaniem się akumulatora będzie wówczas następujący:
Jak widać na powyższym wykresie, pożądane napięcie wyjściowe nie utrzymuje się przez cały czas pracy - po pewnym czasie zaczyna spadać poniżej 3,3V. Zakładając, że nasz układ nie jest w stanie działać prawidłowo przy niższym napięciu,
tracimy około 25% czasu pracy na baterii.
Jak zatem należy rozwiązać ten problem? Zdecydowanie lepszym wyjściem jest zastosowanie przetwornicy - a mówiąc dokładniej, w konfiguracji
buck-boost. Pozwoli ona utrzymać stałe napięcie wyjściowe niezależnie od stopnia rozładowania akumulatora, a zarazem w pełni wykorzystać jego pojemność.
Czy przetwornica zawsze jest lepszym rozwiązaniem niż regulator liniowy?
Chociaż przetwornice wydają się być ogólnie rzecz biorąc lepszym rozwiązaniem, w wielu miejscach nadal powszechnie stosowane są regulatory liniowe. Ciekawi Cię, dlaczego? Poniżej rozważymy przypadki, w których zwyczajny stabilizator może okazać się znacznie lepszym wyborem niż przetwornica impulsowa.
Urządzenia wrażliwe na zakłócenia
Jak już wcześniej wyjaśniliśmy,
napięcie wyjściowe przetwornicy narasta i opada z każdym jej cyklem. Znajdujący się na wyjściu kondensator ma wprawdzie na celu wygładzić te zmiany, jednak w praktyce nie jest w stanie usunąć ich całkowicie. Z tego względu na wyjściu przetwornicy zawsze obecne są niewielkie
zakłócenia o wysokiej częstotliwości - określane są one mianem
tętnień bądź
szumów. W większości przypadków są one na tyle małe, że nie wpływają negatywnie na pracę zasilanego odbiornika, jednak pewne układy i urządzenia mogą być na nie szczególnie podatne. Zaliczyć można do nich między innymi sprzęt audio, a także precyzyjną aparaturę pomiarową. Mając do czynienia z takim układem, należy zadbać o dobrze ustabilizowane zasilanie. Kluczem do sukcesu jest wówczas odpowiednie zaprojektowanie przetwornicy - w celu obniżenia poziomu zakłóceń wysokiej częstotliwości stosuje się
kondensatory przepustowe, koraliki ferrytowe, a także układy gaszące
(snubbery). Wszystko to jednak przyczynia się do zwiększenia złożoności układu i kosztów - jest to zatem kolejny z przypadków, w którym regulator liniowy może okazać się znacznie lepszym rozwiązaniem.
Problemem mogą być także interferencje emitowane w postaci fal elektromagnetycznych. Regulatory impulsowe mogą działać przy częstotliwościach sięgających nawet kilkudziesięciu MHz. Są one przez to istotnym źródłem promieniowanych
zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Nadmierna emisja może zakłócać pracę układów znajdujących się w pobliżu, a także sprawiać problemy w fazie badania zgodności produktu z
normą EMC. Wybierając regulator liniowy, możemy uniknąć tego rodzaju trudności.
Prostota implementacji i niewielka złożoność układu
Jedną z bezdyskusyjnych zalet regulatorów liniowych jest ich łatwość zastosowania. Są one powszechnie dostępne w postaci zintegrowanych układów scalonych, a na układ zasilania składają się zazwyczaj
nie więcej niż trzy komponenty. Implementacja nie powinna zatem sprawiać problemów nawet mało doświadczonym elektronikom. Jedynym kłopotliwym aspektem może okazać się efektywne odprowadzanie ciepła, w szczególności przy większych mocach.
Przeczytaj także: Chłodzenie podzespołów elektronicznych
W przypadku przetwornic napięcia implementacja może okazać się znacznie trudniejsza. Projektant musi zadbać o dobranie
elementów spełniających ściśle określone parametry. Użycie nieodpowiednich komponentów może sprawić, że przetwornica nie będzie działać poprawnie. Równie istotne jest prawidłowe zaprojektowanie układu przetwornicy na płytce drukowanej - rozmieszczenie elementów w odpowiednio małej odległości od siebie oraz właściwe połączenie ich ze sobą. Konieczne jest zatem posiadanie szerszego doświadczenia i wiedzy inżynierskiej.
Większa złożoność układu to także
wyższe koszty. Istotne może okazać się również miejsce zajmowane na płytce PCB - w przypadku kompaktowych urządzeń przenośnych liczy się nawet każdy milimetr kwadratowy jej powierzchni. Większa liczba komponentów z całą pewnością nie sprzyja w efektywnym gospodarowaniu przestrzenią.
Bardzo mały pobór prądu
Każdy układ przetwornicy nieustannie pobiera niewielką ilość prądu - jest to tzw.
prąd spoczynkowy. Układ potrzebuje go, aby pełnić swoje funkcje - monitorować napięcie wyjściowe, generować wewnętrzne napięcia odniesienia, przełączać tranzystory kluczujące itd. Co istotne, prąd ten pobierany jest niezależnie od obciążenia - nawet w przypadku jego braku przetwornica zużywa niewielką ilość energii. Skutkować to może np.
rozładowaniem się baterii w urządzeniu pozostawionym przez dłuższy czas w stanie bezczynności. Regulatory natomiast, ze względu na odmienną budowę, są w stanie osiągnąć zdecydowanie niższy prąd spoczynkowy. Ma to szczególne znaczenie w układach, które przez długi okres czasu przebywają
w stanie czuwania - wówczas to właśnie regulatory liniowe pozwalają osiągnąć mniejsze zużycie energii.
Warto także zaznaczyć, że przetwornica osiąga najwyższą wydajność tylko przy
optymalnym obciążeniu - w pozostałych warunkach jej wydajność spada. Może wówczas dojść do sytuacji, w której jej sprawność okaże się niższa niż regulatora liniowego. Z tego względu zawsze warto jest sięgnąć po dane zamieszczone w kartach katalogowych - wydajność przetwornicy można łatwo określić na podstawie wykresów sprawności w zależności od prądu obciążenia.
Podsumowanie
Wracając do pytania zadanego w tytule artykułu -
które rozwiązanie powinienem zatem wybrać? Który układ lepiej sprawdzi się w moim zastosowaniu lub pozwoli na uzyskanie wyższej wydajności? Niestety nie ma tu jednoznacznej odpowiedzi. Każdy przypadek musi być rozpatrzony osobno na drodze stosownych obliczeń bądź oszacowań.
W projektowaniu elektroniki tego typu niuansów pojawia się wiele, a podjęcie poprawnych decyzji wymaga szerokiej wiedzy i doświadczenia. Jest to jeden z powodów, dla którego coraz więcej firm decyduje się na zlecenie tego zadania zewnętrznym biurom projektowym. Jeżeli Ty także rozważasz taką opcję, nie musisz szukać dalej - doświadczona kadra inżynierska w firmie InterElcom chętnie przyjmie Twoje zlecenie! Oferujemy
rozwiązania kompleksowe - bierzemy na siebie cały trud realizacji projektu, począwszy od założeń początkowych, aż po produkcję. Ponadto, nasza
oferta komponentów elektronicznych należy do jednej z najbardziej atrakcyjnych na polskim rynku. Zachęcamy do zapoznania się z
ofertą usług firmy InterElcom oraz do darmowej wyceny projektu.
