Pri elektronskih napravah je stabilno napajanje ključnega pomena za zagotavljanje zanesljivega delovanja sistema. Stikalni napajalniki (DC-DC) so zaradi svojih prednosti visoke učinkovitosti, kompaktne velikosti in širokega razpona vhodne napetosti postali glavna rešitev za napajanje v potrošniški elektroniki, industrijskem nadzoru, komunikacijski opremi in na drugih področjih. Med temi izbira perifernih komponent in postavitev tiskanega vezja neposredno določata izhodno natančnost, nadzor valov, toplotno zmogljivost in dolgoročno-stabilnost napajalnikov DC-DC.
Osnovni koncepti stikalnih napajalnikov DC-DC
1.Kaj je DC-DC stikalni napajalnik?
DC-DC stikalni napajalnik je močnostna elektronska naprava, ki pretvarja vhodno enosmerno napetost s "preklapljanjem tranzistorjev". Njegova glavna funkcija je pretvorba nestabilne vhodne napetosti (npr. 12 V) v stabilno izhodno napetost, ki jo zahteva obremenitev (npr. 5 V), obenem pa zagotavlja zmogljivosti, kot so napetostni korak-navzgor/stop-dol, regulacija toka in dušenje šuma. V primerjavi z linearnimi regulatorji (LDO) ponujajo stikalni napajalniki DC-DC večjo učinkovitost (običajno 80 %-95 %) in so primerni za visoke tokove (npr. 6 A) in široke scenarije vhodne napetosti.
2.Načelo delovanja DC-DC
Če za primer vzamemo klasični pretvornik DC-DC, leva stran vključuje vhodne zatiče, kot so Omogoči (EN), Mehki zagon/sledenje (SS/TR), Privzete nastavitve (DEF) in Preklopna frekvenca (FSW). Ti signali gredo skozi krmilni logični modul, ki združuje zaščitne in krmilne enote, kot so mehki zagon, termični izklop, podnapetostna blokada (UVLO) in krmiljenje Power Good (PG), za pogon krmilnega modula moči. Modul za krmiljenje moči uporablja gonilnik vrat in komparatorje tokovne meje na visoki-/nizki- strani (HS lim, LS lim) za krmiljenje tranzistorjev zgornje in spodnje moči, kar omogoča pretvorbo energije. Oddelek DCS-Control™ na dnu izvaja povratno regulacijo prek ojačevalnika napak, kompenzacije naklona, primerjalnika in časovnika. Desna stran vključuje vmesnike, kot so napajalni vhod (PVIN, AVIN), ozemljitev (AGND, PGND) in preklopni izhod (SW), ki skupaj dosegajo učinkovito pretvorbo DC-DC in natančen nadzor.
3.Jedro DC-DC je v ciklu "Preklapljanje - shranjevanje energije - filtriranje":
Preklopna stopnja:
Notranja stikala MOSFET (visoka-stran HS-FET in nizka-stran LS-FET) se izmenično vklapljajo in izklapljajo ter "sekajo" vhodno enosmerno napetost v visoko-frekvenčno impulzno napetost.
Stopnja shranjevanja energije:
Induktor shranjuje energijo, ko je stikalo vklopljeno, kondenzator pa zgladi impulzno napetost.
Izhodna stopnja:
Povratno vezje spremlja izhodno napetost v realnem času in prilagodi čas vklopa/izklopa (delovni cikel), da zagotovi stabilno izhodno napetost.
4.Ključni kazalniki uspešnosti
Razpon vhodne/izhodne napetosti:Vhodna napetost se mora ujemati z območjem tolerance čipa, medtem ko mora izhodna napetost izpolnjevati zahteve glede obremenitve (npr. določen DC-DC podpira vhod 5,5 V–18 V in izhod 0,611 V–15 V).
Izhodni tok:Največji izhodni tok mora pokrivati najvišji tok obremenitve (npr. obremenitev 6 A zahteva čip z izhodno zmogljivostjo, večjo ali enako 6 A).
Preklopna frekvenca:Višje frekvence omogočajo manjše velikosti induktorjev in kondenzatorjev, vendar povečujejo stikalne izgube (običajne frekvence segajo od 200kHz do 1MHz, kar zahteva ravnovesje med učinkovitostjo in velikostjo komponent).
Valovanje napetosti:Vrednost nihanja izhodne napetosti (industrijske aplikacije običajno zahtevajo manj kot ali enako 20 mV; čezmerno valovanje lahko moti občutljiva vezja).
Učinkovitost:Razmerje med izhodno in vhodno močjo. Večja učinkovitost zmanjša toplotni stres.
