ระเบียบแหล่งจ่ายไฟ

ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า DC-DC มักใช้เพื่อจัดหาแรงดันไฟฟ้าที่มีการควบคุมจากแหล่งแรงดันไฟฟ้าที่ไม่มีการควบคุม แหล่งแรงดันไฟฟ้าที่ไม่มีการควบคุมสามารถแก้ไขแรงดันไฟฟ้าของสายที่แสดงความผันผวนเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของขนาด อุปกรณ์แรงดันไฟฟ้าที่มีการควบคุมให้แรงดันไฟฟ้าขาออก DC เฉลี่ยในระดับที่ต้องการ (3.3 V, 2.5 V ฯลฯ ) แม้จะมีแหล่งแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ผันผวนและโหลดเอาต์พุตตัวแปร ปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อตัดสินใจเลือกโซลูชันการจัดหาแรงดันไฟฟ้าที่มีการควบคุม ได้แก่ :

• แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่มีอยู่
• ขนาดแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตที่ต้องการ
• ความสามารถในการลดระดับลงหรือเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออกหรือทั้งสองอย่าง
• ประสิทธิภาพของตัวแปลง DC-DC (P_OUT / P_IN)
• กระแสน้ําแรงดันเอาต์พุต
• การตอบสนองชั่วคราวของโหลดเอาท์พุท
• ความซับซ้อนของโซลูชัน (โซลูชัน IC หนึ่งรายการ # ของส่วนประกอบแบบพาสซีฟตัวควบคุมและ FETs ภายนอก)
• ความถี่ในการสลับ (สําหรับตัวควบคุมโหมดสวิตช์)

ส่วนต่อไปนี้อธิบายตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันหลายแบบ

ตัวควบคุมเชิงเส้น

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นมักใช้สําหรับการใช้งานแบบขั้นลง (แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตต่ํากว่าแรงดันไฟฟ้าของแหล่งอินพุต) ตัวควบคุมเชิงเส้นยังมีแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตคงที่หรือแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตตัวแปรเมื่อใช้ตัวต้านทานอคติภายนอก

ข้อดีของตัวควบคุมเชิงเส้นคือการใช้งานที่ง่ายและชิ้นส่วนที่น้อยที่สุด (เพียง IC ในกรณีของเอาต์พุตคงที่) และระลอกเอาต์พุตต่ํา ข้อเสียเปรียบที่สําคัญของหน่วยงานกํากับดูแลเชิงเส้นมีประสิทธิภาพต่ํา พลังงานที่สําคัญจะกระจายอยู่ภายใน IC ควบคุมเชิงเส้นเนื่องจากตัวแปลงเปิดอยู่ตลอดเวลาและดําเนินการในปัจจุบัน ควรใช้ตัวควบคุมเชิงเส้นเมื่อความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าของแหล่งอินพุตและแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟออกมีน้อยและประสิทธิภาพของตัวแปลงไม่ใช่เรื่องที่น่ากังวล

การสลับหน่วยงานกํากับดูแล

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสลับมักใช้สําหรับการใช้งานแบบขั้นบันไดและแบบขั้นบันไดและแตกต่างจากตัวควบคุมเชิงเส้นโดยใช้การปรับความกว้างของพัลส์ (PWM) หน่วยงานกํากับดูแลการสลับจะควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาออกโดยใช้สวิตช์ปัจจุบัน (ภายในหรือภายนอกตัวควบคุม IC) ที่มีความถี่คงที่และรอบหน้าที่ตัวแปร โดยทั่วไปความถี่ในการสลับจะมาจากไม่กี่ kHz ถึงไม่กี่ร้อย kHz อัตราส่วนรอบหน้าที่ของสวิตช์เป็นตัวกําหนดปริมาณและความเร็วในการจ่ายเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นหรือลดลงขึ้นอยู่กับสถานะโหลดและแรงดันไฟฟ้าของแหล่งอินพุต หน่วยงานกํากับดูแลการสลับบางตัวใช้ทั้งความถี่ในการสลับตัวแปรและรอบหน้าที่ แต่สิ่งเหล่านี้ไม่ได้ใช้กันทั่วไปสําหรับการใช้งาน FPGA / CPLD

ข้อได้เปรียบที่ชัดเจนของหน่วยงานกํากับดูแลการสลับคือประสิทธิภาพเนื่องจากพลังงานน้อยที่สุดกระจายอยู่ในเส้นทางพลังงาน (สวิตช์ FET) เมื่อแรงดันไฟฟ้าจ่ายเอาต์พุตเพียงพอสําหรับสถานะโหลด โดยพื้นฐานแล้วตัวแปลงไฟ "ปิด" เมื่อไม่ต้องการพลังงานเนื่องจากรอบหน้าที่สวิตช์น้อยที่สุด ข้อเสียของการสลับหน่วยงานกํากับดูแลคือความซับซ้อนเนื่องจากจําเป็นต้องใช้ส่วนประกอบภายนอกหลายตัวบนเครื่อง ในกรณีของแอปพลิเคชันกระแสสูงจําเป็นต้องมี FET ICs ภายนอกเนื่องจากตัวแปลง IC ทําหน้าที่เป็นตรรกะการควบคุมสําหรับสวิตช์ FET ภายนอกเท่านั้น แรงดันไฟฟ้าขาออกเป็นข้อเสียอีกประการหนึ่งซึ่งโดยทั่วไปจะได้รับการจัดการด้วยความจุบายพาสใกล้กับแหล่งจ่ายไฟและที่โหลด

ตัวแปลงบัค

บัคหรือตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบขั้นบันไดผลิตแรงดันไฟฟ้าขาออกเฉลี่ยต่ํากว่าแรงดันไฟฟ้าต้นทางอินพุต รูปที่ 1 แสดงโทโพโลยีเจ้าชู้พื้นฐานโดยใช้ส่วนประกอบในอุดมคติ ตัวเหนี่ยวนําทําหน้าที่เป็นแหล่งปัจจุบันของอิมพีแดนซ์โหลดเอาต์พุต เมื่อสวิตช์ FET เปิดอยู่กระแสเหนี่ยวนําจะเพิ่มขึ้นทําให้เกิดแรงดันไฟฟ้าบวกลดลงทั่วทั้งตัวเหนี่ยวนําและแรงดันไฟฟ้าที่ต่ํากว่าในการอ้างอิงถึงแรงดันไฟฟ้าของแหล่งอินพุต เมื่อสวิตช์ FET ปิดกระแสเหนี่ยวนําจะปล่อยออกมาทําให้เกิดแรงดันไฟฟ้าลบลดลงทั่วทั้งตัวเหนี่ยวนํา เนื่องจากพอร์ตหนึ่งของตัวเหนี่ยวนําถูกผูกไว้กับพื้นดินพอร์ตอื่น ๆ จะมีระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นซึ่งเป็นแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟขาออกเป้าหมาย ความจุเอาต์พุตทําหน้าที่เป็นตัวกรอง low-pass ลดการกระเพื่อมแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตอันเป็นผลมาจากกระแสที่ผันผวนผ่านตัวเหนี่ยวนํา ไดโอดให้เส้นทางปัจจุบันสําหรับตัวเหนี่ยวนําเมื่อสวิตช์ FET ปิดอยู่

ตัวแปลงบัคซิงโครนัส

ตัวแปลงบัคแบบซิงโครนัสนั้นเหมือนกับตัวแปลงแบบขั้นบันไดแบบเจ้าชู้ที่มีการแทนที่ไดโอดสําหรับสวิตช์ FET อื่น สวิตช์ FET ด้านบนทํางานในลักษณะเดียวกับตัวแปลงบัคในการชาร์จกระแสเหนี่ยวนํา เมื่อปิดการควบคุมสวิตช์สวิตช์ FET ด้านล่างจะเปิดขึ้นเพื่อให้เส้นทางปัจจุบันสําหรับตัวเหนี่ยวนําเมื่อคายประจุ แม้ว่าจะต้องใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติมและการจัดลําดับตรรกะสวิตช์เพิ่มเติม โทโพโลยีนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพด้วยเวลาเปิดสวิตช์ที่เร็วขึ้นและความต้านทานชุด FET (rdson) ที่ต่ํากว่าเมื่อเทียบกับไดโอด

ตัวแปลงบูสต์

ตัวแปลง Boost หรือ step-up ผลิตแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตเฉลี่ยสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าต้นทางอินพุต รูปที่ 3 แสดงการเปลี่ยนแปลงของโทโพโลยีเจ้าชู้โดยมีไดโอดสวิตช์ FET และตัวเหนี่ยวนําสลับไปรอบ ๆ เมื่อสวิตช์ FET เปิดอยู่ไดโอดจะเอียงย้อนกลับดังนั้นการแยกโหลดออกจากแรงดันไฟฟ้าของแหล่งอินพุตและชาร์จกระแสเหนี่ยวนํา เมื่อปิดสวิตช์ FET โหลดเอาต์พุตจะได้รับพลังงานจากตัวเหนี่ยวนําและแรงดันไฟฟ้าอินพุต กระแสเหนี่ยวนําเริ่มปล่อยออกมาทําให้เกิดแรงดันไฟฟ้าลบลดลงทั่วตัวเหนี่ยวนํา เนื่องจากพอร์ตหนึ่งของตัวเหนี่ยวนําถูกขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าอินพุตพอร์ตอื่น ๆ จะมีระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นดังนั้นคุณสมบัติการเพิ่มหรือขั้นตอนขึ้น เช่นเดียวกับตัวแปลงบัคตัวเก็บประจุทําหน้าที่เป็นตัวกรอง low-pass ลดการกระเพื่อมแรงดันไฟฟ้าขาออกอันเป็นผลมาจากกระแสที่ผันผวนผ่านตัวเหนี่ยวนํา

ตัวแปลงบัคบูสต์

ตัวแปลงบัคบูสต์สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าส่งลบจากแรงดันไฟฟ้าแหล่งอินพุตที่เป็นบวก (เช่นลบในการอ้างอิงถึงพอร์ตทั่วไป / พื้นดินของแรงดันไฟฟ้าแหล่งอินพุต) คล้ายกับตัวแปลงบัคโทโพโลยีด้านบนได้สลับไดโอดและตัวเหนี่ยวนํา เมื่อสวิตช์ FET เปิดอยู่ไดโอดจะกลับลําเอียงชาร์จกระแสเหนี่ยวนําเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าบวกลดลงทั่วตัวเหนี่ยวนํา เมื่อปิดสวิตช์ FET ตัวเหนี่ยวนําจะให้พลังงานแก่โหลดเอาต์พุตผ่านโหนดทั่วไป / พื้นดินปล่อยกระแสไฟฟ้าซึ่งทําให้เกิดแรงดันไฟฟ้าติดลบลดลงทั่วทั้งตัวเหนี่ยวนํา เนื่องจากพอร์ตตัวเหนี่ยวนําหนึ่งเชื่อมต่อกับทั่วไป / พื้นดินพอร์ตอื่น ๆ อยู่ในระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ํากว่าเมื่อเทียบกับทั่วไป / พื้นดินดังนั้นระดับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟเอาต์พุตเชิงลบในโหลดเอาต์พุต