ทำให้ประสิทธิภาพมีความสำคัญด้วยเครื่องปรับแรงดันไฟฟ้าแบบสลับที่ถูกต้อง

By ดอน ฮอร์น

Contributed By DigiKey's North American Editors

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)

รูปภาพของตัวควบคุมการสลับบัค ROHM Semiconductor BD9A201FP4-LBZTLรูปที่ 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

รูปภาพของตัวควบคุมการสลับบัค ROHM Semiconductor BD9E105FP4-ZTLรูปที่ 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)

แผนภาพการย่อขนาดของประเภทบรรจุภัณฑ์รูปที่ 3: เนื่องจากส่วนประกอบต่างๆ ได้รับการออกแบบให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จึงจำเป็นต้องปรับขนาดบรรจุภัณฑ์ เช่น TSOT23 ให้เล็กลง (ที่มาของภาพ: ROHM Semiconductor)

เพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดพร้อมลดการใช้พลังงาน

ความต้องการในการสร้างขนาดเล็กเป็นแรงผลักดันอย่างต่อเนื่อง และในเวลาเดียวกันนั้นก็มีความต้องการในการรักษาความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพด้านพลังงานอีกด้วย ตัวควบคุมบัคสวิตชิ่ง BD9E202FP4-ZTL ให้เอาต์พุตที่ปรับได้และกำลังไฟที่เชื่อถือได้ในดีไซน์กะทัดรัด (รูปที่ 4)

ภาพของ ROHM Semiconductor BD9E202FP4-ZTL เป็นตัวควบคุมบัคสวิตชิ่งรูปที่ 4: BD9E202FP4-ZTL เป็นตัวควบคุมบัคสวิตชิ่งที่จ่ายพลังงานที่เชื่อถือได้ในดีไซน์ที่เล็กลงและกะทัดรัดยิ่งขึ้น (ที่มาของภาพ: ROHM Semiconductor)

แม้ว่าจะมีแนวคิดที่ว่าการลดขนาดลงหมายถึงการเสียสละความสามารถในการโหลดหรือการจ่ายพลังงานที่เชื่อถือได้ แต่นั่นไม่ใช่กรณี BD9E202FP4-ZTL มอบประสิทธิภาพการแปลงที่สูงพร้อมทั้งยังช่วยลดการใช้พลังงานอีกด้วย (รูปที่ 5)

การให้กระแสไฟสแตนด์บายต่ำ ช่วยให้อุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่สามารถใช้พลังงานน้อยที่สุดเมื่อไม่ได้ใช้งาน นอกจากนี้ การทำงานที่มีประสิทธิภาพในระหว่างโหลดเบายังทำได้โดยการควบคุมตรงเวลาอย่างต่อเนื่อง

กราฟเปรียบเทียบประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของ ROHM Semiconductor BD9E202FP4-Zรูปที่ 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

DigiKey logo

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.

About this author

Image of Don Horne

ดอน ฮอร์น

ดอน ฮอร์น เป็นนักเขียนในวงการการผลิตมานานกว่า 20 ปี โดยเขียนเกี่ยวกับภาคส่วนไฟฟ้าและงานเครื่องจักรในนิตยสารทั้ง B2B และ B2C เช่น IPP/T, PROCESSWest, Electricity Today, Electrical Source และ Crane & Hoist Canada

About this publisher

DigiKey's North American Editors