ทำให้ประสิทธิภาพมีความสำคัญด้วยเครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าแบบสลับที่ถูกต้อง
Contributed By DigiKey's North American Editors
2025-01-07
ประสิทธิภาพถือเป็นสิ่งสำคัญที่สุดเมื่อต้องเลือกเครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าแบบสลับที่เหมาะสม ความสามารถในการจ่ายพลังงานที่เชื่อถือได้ในรูปแบบขนาดเล็กเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็กในปัจจุบัน
ข้อกำหนดพื้นฐานของการออกแบบทางอิเล็กทรอนิกส์คือความสามารถในการสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรซึ่งสามารถส่งกระแสไฟฟ้าในปริมาณมากได้ เครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าแบบสลับป็นส่วนประกอบที่สำคัญในการสร้างแรงดันไฟฟ้าจ่ายที่เสถียรและในการแปลงแรงดันไฟฟ้าขึ้นหรือลง
เครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าแบบสลับสามารถเรียกได้หลายอย่าง: switcher หรือ switch, แหล่งจ่ายพลังงานแบบสลับ (SMPS), และตัวควบคุมหรือแปลงแรงดันไฟฟ้า DC/DC ความนิยมยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่องเนื่องจากข้อได้เปรียบที่นำเสนอสำหรับความต้องการการแปลงพลังงานสูงที่มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น ความยืดหยุ่นของเอาต์พุตที่เสถียรจากแหล่งแรงดันไฟฟ้าอินพุตเดียว และความสามารถในการรองรับแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตหลายตัวที่มีขั้วต่างกัน
ประเภทตัวแปลงสวิตชิ่งที่พบมากที่สุดได้แก่:
- บูสต์ แรงดันไฟขาเข้าจะเพิ่มขึ้นและปรับสภาพสำหรับเอาต์พุต
- บั๊ก แรงดันไฟขาเข้าถูกปรับลงและปรับสภาพสำหรับเอาต์พุต
- Buck-boost แรงดันไฟขาเข้าจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงด้วยตัวเลือกขั้วลบ
- Flyback เป็นประเภทของ บั๊ก-บูสต์ ที่ให้การแยกกระแสไฟฟ้าด้วยไฟฟ้า
เครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นแบบคงที่และปรับได้
เป็นเวลาหลายปีแล้วที่การออกแบบแหล่งจ่ายไฟอาศัยเครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น ซึ่งได้รับการพิสูจน์แล้วว่ายอดเยี่ยมในการจ่ายแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตคงที่อย่างต่อเนื่อง มีเครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นอื่น เช่น LM317 ที่สามารถปรับได้
ประเภทเครื่องควบคุมแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตแบบคงที่และแบบเชิงเส้นยอดนิยม ได้แก่ ชุดแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตบวก 78xx และแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตลบ 79xx เครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ผลิตเอาต์พุตที่เสถียรตั้งแต่ 5V ถึง 24V
เครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นไม่ใช่แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด เครื่องปรับแรงดันไฟฟ้ามีข้อดีคือมีความเรียบง่ายและมีต้นทุนต่ำ โดยทั่วไปจะมีกำลังไฟฟ้าขาออกต่ำกว่า 10W มักมีประสิทธิภาพน้อยกว่า จึงก่อให้เกิดความร้อน และมีสัญญาณรบกวนและลักษณะริ้วคลื่นต่ำ ตัวควบคุมเชิงเส้นมีเฉพาะการควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบลดขั้นตอน ในขณะที่ SMPS สามารถเพิ่มหรือลดขั้นตอน และลบล้างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าโดยใช้ส่วนประกอบแบบบัค บัค-บูสต์ และบูสต์
ระบบจ่ายไฟแบบสวิตซ์โหมด
โทรทัศน์ คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ไดรฟ์มอเตอร์ DC และเครื่องขยายสัญญาณที่ทันสมัยที่สุดต้องใช้ SMPS ขั้นสูงและมีประสิทธิภาพ ซึ่งใช้เทคนิคการสลับสารกึ่งตัวนำแทนวิธีเชิงเส้นมาตรฐานในการให้แรงดันไฟขาออก ตัวแปลงสวิตชิ่งพื้นฐานประกอบด้วยขั้นตอนการสวิตชิ่งไฟฟ้าและวงจรควบคุม
การกระจายพลังงานที่ต่ำกว่าทำให้ SMPS มีข้อได้เปรียบในด้านประสิทธิภาพที่สูงขึ้น โดยการสลับทรานซิสเตอร์ภายใน (หรือ MOSFET กำลัง) ระหว่างสถานะอิ่มตัว “เปิด” และสถานะตัด “ปิด”
ตัวควบคุมการสลับบัค
ซีรีส์ ROHM Semiconductor BD9x นำเสนอตัวแปลงบัค DC/DC ประสิทธิภาพสูงให้กับนักออกแบบ ซึ่งเป็นตัวเลือกแบบกะทัดรัดสำหรับการใช้งานที่ต้องการการแปลงพลังงานที่มีประสิทธิภาพ รวมถึงการออกแบบยานยนต์และอุตสาหกรรม ซีรีส์ BD9x มีดีไซน์ที่เรียบง่ายพร้อมจำนวนชิ้นส่วนที่ลดลง ช่วยประหยัดพื้นที่และปรับปรุงกระบวนการผลิตให้มีประสิทธิภาพ กระแสไฟสแตนด์บายต่ำช่วยให้แบตเตอรี่ใช้งานได้นานขึ้นในแอพพลิเคชั่นแบบพกพา ในขณะที่ยังรักษาแรงดันไฟขาออกให้คงที่เพื่อประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ เช่น ตัวควบคุมการสลับบัค BD9A201FP4-LBZTL (รูปที่ 1)
รูปที่ 1: ตัวควบคุม Buck Switching BD9A201FP4-LBZTL ให้แรงดันไฟฟ้าขาออกที่เสถียร (ที่มาของภาพ: ROHM Semiconductor)
BD9E105FP4-ZTL Buck Switching Regulator (รูปที่ 2) ซึ่งมีเอาต์พุตแบบปรับได้ตัวเดียว เป็นตัวควบคุมไฟฟ้ากระแสตรงที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับความต้องการแรงดันไฟฟ้าต่ำ ด้วย MOSFET กำลังไฟความต้านทานต่ำและตัวแปลง DC/DC บัคแบบซิงโครนัสตัวเดียว ตัวควบคุม BD9E105FP4-ZTL จึงให้ประสิทธิภาพสูงสุดในสภาวะโหลดเบา เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์และเครื่องมือที่ต้องการการใช้ไฟสแตนด์บายขั้นต่ำ
มีคุณสมบัติตอบสนองชั่วขณะที่ดี มีขนาดเล็กบน PCB ในขณะที่ส่งความหนาแน่นของพลังงานสูงในแพ็คเกจขนาดเล็ก เหมาะอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์เครื่องใช้ในบ้าน เช่น ตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศ อุปกรณ์โทรคมนาคม อะแดปเตอร์ และอุปกรณ์แหล่งจ่ายไฟสำรอง
รูปที่ 2: ความต้องการแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าสามารถรองรับได้ด้วยตัวควบคุมบัคสวิตชิ่ง BD9E105FP4-ZTL (ที่มาของภาพ: ROHM Semiconductor)
ตัวควบคุมการสลับแบบบูสต์
ตัวควบคุมแรงดันไฟสลับ MP3414AGJ-Z มีเอาต์พุตที่ปรับได้ และโปรไฟล์บางเหมาะสำหรับการติดตั้งบนพื้นผิวที่มีพื้นที่จำกัด สามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ -40°C ~ +125°C และสามารถเริ่มทำงานจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าต่ำถึง 1.8V ในขณะที่มีกระแสไฟกระชากและการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรขาออก (SCP)
ความสามารถในการทำงานในโหมดกระแสซิงโครนัสในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพสูงนั้นจำเป็นเมื่อต้องใช้ตัวแปลงสเต็ปอัพพร้อมการตัดการเชื่อมต่อเอาต์พุต นอกจากนี้ ไม่จำเป็นต้องมีไดโอด Schottky ภายนอก เนื่องจากประสิทธิภาพได้รับการปรับปรุงด้วยเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแบบ P-channel แบบบูรณาการ คุณสมบัติการตัดการเชื่อมต่อเอาต์พุตเมื่อ MP3414A ปิดเครื่องช่วยให้สามารถคายประจุได้สมบูรณ์ในขณะที่ดึงกระแสไฟฟ้าน้อยกว่า 1μA ในโหมดปิดเครื่อง
เล็กยิ่งดี
สามารถสร้างส่วนประกอบภายนอกได้น้อยลงด้วยการใช้ MP3414A ใช้ความถี่การสลับ 1MHz เพื่อให้สามารถใช้ส่วนประกอบภายนอกที่มีขนาดเล็กลงได้ ขณะที่คุณสมบัติการสตาร์ทแบบนุ่มนวลจะช่วยลดจำนวนชิ้นส่วนภายนอกให้เหลือน้อยที่สุด สามารถรองรับโหลดกระแสไฟฟ้าได้กว้าง นอกจากนี้ MOSFET กำลังรวมยังรองรับกระแสสวิตชิ่งสูงสุดที่สูงกว่า 3A โดยมีเอาต์พุตที่ถึง 5.5V
ความคล่องตัวและพลังที่ครอบคลุมในขนาดกะทัดรัดนี้ เหมาะอย่างยิ่งกับการใช้งานต่างๆ เช่น ผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ลิเธียมเซลล์เดียว รวมถึงแบตเตอรี่อัลคาไลน์สองเซลล์และสามเซลล์ NiMH หรือ NiCd อุปกรณ์ต่อพ่วงแบบไร้สาย อุปกรณ์เสริมการเล่นเกม อุปกรณ์ทางการแพทย์ส่วนบุคคล และเครื่องเล่นสื่อพกพา ล้วนได้รับประโยชน์จากตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า เช่น MP3414A
เทคโนโลยีก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็วและมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเปรียบเทียบกับ SOP-J8 แล้ว MP3414AGJ-Z ในแพ็คเกจ TSOT23 จะมีขนาดเล็กกว่าประมาณ 72% ช่วยให้ใช้พื้นที่น้อยลงอย่างมาก (รูปที่ 3)
รูปที่ 3: เนื่องจากส่วนประกอบต่างๆ ได้รับการออกแบบให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จึงจำเป็นต้องปรับขนาดบรรจุภัณฑ์ เช่น TSOT23 ให้เล็กลง (ที่มาของภาพ: ROHM Semiconductor)
เพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดพร้อมลดการใช้พลังงาน
ความต้องการในการสร้างขนาดเล็กเป็นแรงผลักดันอย่างต่อเนื่อง และในเวลาเดียวกันนั้นก็มีความต้องการในการรักษาความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพด้านพลังงานอีกด้วย ตัวควบคุมบัคสวิตชิ่ง BD9E202FP4-ZTL ให้เอาต์พุตที่ปรับได้และกำลังไฟที่เชื่อถือได้ในดีไซน์กะทัดรัด (รูปที่ 4)
รูปที่ 4: BD9E202FP4-ZTL เป็นตัวควบคุมบัคสวิตชิ่งที่จ่ายพลังงานที่เชื่อถือได้ในดีไซน์ที่เล็กลงและกะทัดรัดยิ่งขึ้น (ที่มาของภาพ: ROHM Semiconductor)
แม้ว่าจะมีแนวคิดที่ว่าการลดขนาดลงหมายถึงการเสียสละความสามารถในการโหลดหรือการจ่ายพลังงานที่เชื่อถือได้ แต่นั่นไม่ใช่กรณี BD9E202FP4-ZTL มอบประสิทธิภาพการแปลงที่สูงพร้อมทั้งยังช่วยลดการใช้พลังงานอีกด้วย (รูปที่ 5)
การให้กระแสไฟสแตนด์บายต่ำ ช่วยให้อุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่สามารถใช้พลังงานน้อยที่สุดเมื่อไม่ได้ใช้งาน นอกจากนี้ การทำงานที่มีประสิทธิภาพในระหว่างโหลดเบายังทำได้โดยการควบคุมตรงเวลาอย่างต่อเนื่อง
รูปที่ 5: นักออกแบบมองหาตัวแปลง DC/DC แบบบัคที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งสามารถจ่ายพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ (ที่มาของภาพ: ROHM Semiconductor)
เครื่องแปลงฟลายแบ็กสำหรับ AC/DC และ DC/DC
ตัวแปลงฟลายแบ็กเป็นตัวแปลงบัค-บูสต์ที่มีหม้อแปลงฟลายแบ็กรวมอยู่ด้วย ใช้ในการแปลงไฟ AC/DC และ DC/DC โดยมีการแยกกระแสไฟฟ้าระหว่างเอาต์พุตและอินพุต และยังช่วยเพิ่มอัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าพร้อมข้อดีเพิ่มเติมของการแยกกระแสไฟฟ้าอีกด้วย
ตัวแปลงไฟฟ้าแบบแยกมีคุณลักษณะการควบคุมโหมดแรงดันไฟฟ้าและการควบคุมโหมดกระแสไฟฟ้าเป็นรูปแบบการควบคุมสองรูปแบบ ในกรณีส่วนใหญ่ การควบคุมโหมดกระแสไฟฟ้าควรมีความสำคัญเป็นพิเศษเพื่อความเสถียรเมื่อใช้งาน
ตัวแปลง DC-to-DC แบบออนบอร์ด
ตัวแปลง DC-to-DC ทั่วไปที่มีขนาดแรงดันไฟขาออกมากกว่าหรือต่ำกว่าแรงดันไฟขาเข้าเรียกว่าตัวแปลงบัค-บูสต์ การสร้างแรงดันลบก็เป็นไปได้เช่นกัน คล้ายกับตัวแปลงแบบฟลายแบ็ก แต่แทนที่จะใช้หม้อแปลง จะใช้ตัวเหนี่ยวนำตัวเดียว โดยเฉพาะอย่างยิ่งตัวแปลงบัค-บูสต์ประกอบด้วยโทโพโลยีสองแบบที่แตกต่างกัน โดยทั้งคู่สร้างช่วงแรงดันเอาต์พุตตั้งแต่มากกว่าแรงดันอินพุตไปจนถึงน้อยถึงศูนย์
บางครั้งเรียกว่า "ตัวตัดสัญญาณ" แหล่งจ่ายไฟ DC/DC ประกอบด้วยวงจรบัค-บูสต์ ซึ่งทำงานเป็นตัวแปลงเพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับรอบหน้าที่
บทสรุป
การแปลงพลังงานที่มีประสิทธิภาพสำหรับการออกแบบยานยนต์และอุตสาหกรรมในปัจจุบันไม่สามารถทำงานได้หากไม่มีการสลับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า เมื่อการออกแบบในปัจจุบันมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น ความต้องการส่วนประกอบที่มีความยืดหยุ่นและมีประสิทธิภาพที่รักษาระดับพลังงานที่สม่ำเสมอก็เพิ่มมากขึ้นกว่าที่เคย
แม้ว่าเครื่องควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งอาจใช้ชื่อเรียกอื่นๆ เช่น SMPS, เครื่องสลับ DC/DC, เครื่องควบคุม หรือตัวแปลง แต่ ROHM มีตัวเลือกขนาดกะทัดรัดให้เลือกมากมายสำหรับการใช้งานต่างๆ ที่ต้องการการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.