Bij elektronische apparaten is een stabiele stroomvoorziening cruciaal voor een betrouwbare werking van het systeem. Schakelende voedingen (DC-DC) zijn de mainstream stroomoplossing geworden in consumentenelektronica, industriële besturing, communicatieapparatuur en andere gebieden vanwege hun voordelen van hoge efficiëntie, compacte afmetingen en een breed ingangsspanningsbereik. Hiervan bepalen de selectie van randcomponenten en PCB-indeling rechtstreeks de uitgangsnauwkeurigheid, rimpelcontrole, thermische prestaties en stabiliteit op lange termijn van DC-DC-voedingen.
Basisconcepten van DC-DC-schakelvoedingen
1.Wat is een DC-DC-schakelende voeding?
Een DC-DC-schakelende voeding is een elektronisch vermogensapparaat dat een gelijkstroomingangsspanning omzet via het 'schakelen van transistors'. De kernfunctie ervan is het transformeren van een onstabiele ingangsspanning (bijvoorbeeld 12 V) in een stabiele uitgangsspanning die nodig is voor de belasting (bijvoorbeeld 5 V), terwijl ook mogelijkheden worden geboden zoals spanningsstap-omhoog/stap-omlaag, stroomregeling en ruisonderdrukking. Vergeleken met lineaire regelaars (LDO's) bieden DC-DC-schakelende voedingen een hogere efficiëntie (doorgaans 80%-95%) en zijn ze geschikt voor scenario's met hoge stroomsterkte (bijvoorbeeld 6A) en brede ingangsspanning.
2.Werkingsprincipe van DC-DC
Als we een klassieke DC-DC-converter als voorbeeld nemen, bevat de linkerkant invoerpinnen zoals Enable (EN), Soft Start/Tracking (SS/TR), standaardinstellingen (DEF) en schakelfrequentie (FSW). Deze signalen gaan door de logische besturingsmodule, die beveiligings- en besturingseenheden integreert, zoals softstart, thermische uitschakeling, onderspanningsblokkering (UVLO) en Power Good (PG)-regeling, om de vermogensregelmodule aan te sturen. De vermogensregelmodule maakt gebruik van een poortdriver en stroombegrenzingscomparators aan de hoge-zijde/lage-zijde (HS lim, LS lim) om de bovenste en onderste vermogenstransistoren te besturen, waardoor energieconversie mogelijk wordt. Het DCS-Control™-gedeelte onderaan voert feedbackregeling uit via een foutversterker, hellingscompensatie, comparator en timer. De rechterkant bevat interfaces zoals stroomingang (PVIN, AVIN), aarde (AGND, PGND) en schakeluitgang (SW), waardoor gezamenlijk efficiënte DC-DC-conversie en nauwkeurige controle worden bereikt.
3.De kern van DC-DC ligt in de cyclus van 'schakelen van - energieopslag - filteren':
Schakelfase:
De interne MOSFET-schakelaars (hoge- HS-FET en lage- LS-FET aan de lage- zijde) worden afwisselend aan en uitgeschakeld, waarbij de gelijkstroomingangsspanning wordt "afgehakt" in een hoogfrequente pulsspanning.
Fase van energieopslag:
De inductor slaat energie op wanneer de schakelaar is ingeschakeld, en de condensator verzacht de pulsspanning.
Uitgangstrap:
Het feedbackcircuit bewaakt de uitgangsspanning in realtime en past de in-/uitschakeltijd (dutycycle) aan om een stabiele uitgangsspanning te leveren.
4.Belangrijkste prestatie-indicatoren
Ingangs-/uitgangsspanningsbereik:De ingangsspanning moet overeenkomen met het tolerantiebereik van de chip, terwijl de uitgangsspanning moet voldoen aan de belastingsvereisten (een bepaalde DC-DC ondersteunt bijvoorbeeld een invoer van 5,5 V-18 V en een uitvoer van 0,611 V-15 V).
Uitgangsstroom:De maximale uitgangsstroom moet de piekstroom van de belasting dekken (een belasting van 6A vereist bijvoorbeeld een chip met een uitgangsvermogen groter dan of gelijk aan 6A).
Schakelfrequentie:Hogere frequenties maken kleinere inductor- en condensatorafmetingen mogelijk, maar verhogen de schakelverliezen (gebruikelijke frequenties variëren van 200 kHz tot 1 MHz, wat een evenwicht vereist tussen efficiëntie en componentgrootte).
Spanningsrimpel:De fluctuatiewaarde van de uitgangsspanning (industriële toepassingen vereisen doorgaans minder dan of gelijk aan 20 mV; overmatige rimpel kan gevoelige circuits verstoren).
Efficiëntie:De verhouding tussen het uitgangsvermogen en het ingangsvermogen. Hogere efficiëntie vermindert thermische stress.
