Kitronik Arcade dành cho BBC micro: bit và MakeCode Arcade Nhiều thiết kế điện tử, chẳng hạn như hệ thống chạy bằng pin, yêu cầu bộ chuyển đổi DC/DC mạnh mẽ để duy trì điện áp đầu ra ổn định trong quá trình dao động điện áp đầu vào. Mặc dù cấu trúc liên kết giảm dần đến tăng cường bốn công tắc là lựa chọn phổ biến do tính linh hoạt và mật độ năng lượng của chúng, nhưng vẫn có những thách thức thiết kế đáng kể khi mở rộng các hệ thống này sang các ứng dụng hiện tại cao. Người thiết kế phải cân bằng cẩn thận kiến trúc bên trong bộ điều chỉnh điện áp tăng áp và giảm áp. Cụ thể, việc tích hợp cuộn cảm và thiết bị phát hiện dòng điện sẽ ảnh hưởng đáng kể đến kích thước tổng thể, độ phức tạp và hiệu suất của mạch.
Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về những thách thức và sự đánh đổi mà các nhà thiết kế hệ thống điện phải đối mặt. Sau đó, các giải pháp từ dòng sản phẩm Analog Devices Buck và Boost Pressureurizer sẽ được trình bày cũng như cách giải quyết những thách thức này cũng như tối ưu hóa thiết kế. Bộ công cụ đánh giá và phần mềm mà các nhà thiết kế có thể sử dụng để tăng tốc độ tạo mẫu và phát triển được nêu bật.
Sự cân bằng tích hợp trong thiết kế giảm dần - tăng cường dòng điện cao
Trong bộ chuyển đổi từng bước xuống thành tăng cường bốn công tắc, giai đoạn công suất cần có bốn MOSFET, một cuộn cảm nguồn và một thiết bị cảm biến dòng điện. Cách phân bổ các thành phần này giữa các gói mô-đun và bảng mạch in (PCB) là một quyết định kiến trúc cốt lõi của các nhà thiết kế.
Vị trí bên ngoài của cuộn cảm và điện trở phát hiện trên PCB giúp người thiết kế kiểm soát hoàn toàn việc lựa chọn thành phần. Kích thước cuộn cảm, vật liệu lõi và dòng bão hòa có thể được kết hợp chính xác với ứng dụng. Tuy nhiên, tính linh hoạt này phải trả giá: các thành phần bên ngoài chiếm không gian bo mạch, làm phức tạp bố cục và yêu cầu nối dây cẩn thận để giảm thiểu nhiễu trong đường dẫn phát hiện hiện tại.
Việc tích hợp cuộn cảm và điện trở phát hiện vào gói mô-đun giúp đơn giản hóa thiết kế và bố trí, giảm số lượng linh kiện và diện tích của PCB. Tuy nhiên, có những sự đánh đổi: cuộn cảm bị giới hạn bởi kích thước gói, điều này có thể hạn chế dòng điện đầu ra tối đa và hiệu suất nhiệt.
Ngoài ra, điện trở phát hiện có thể được thay thế bằng sơ đồ cảm biến dòng điện không phá hủy, do đó loại bỏ hoàn toàn điện trở phát hiện. Mặc dù điều này cải thiện hiệu suất sử dụng điện nhưng nó lại dẫn đến các thiết kế mạch tích hợp (IC) phức tạp hơn cho các mô-đun tăng cường bước xuống.
Chuỗi ba mô-đun đối phó với những thách thức tích hợp từng bước và từng bước như thế nào
Là một phần của dòng sản phẩm µ Module mở rộng, Thiết bị Analog cung cấp nhiều loại mô-đun DC/DC cho phép các nhà thiết kế lựa chọn giữa các chiến lược tích hợp này. Bài báo này tập trung vào mô đun tăng cường bước xuống 4 công tắc (Hình 1): LTM4607, LTM4605 và LTM4; LTM8055, LTM8056 và LTM8054; Và LTM4712. Mỗi cái dành cho các khu vực khác nhau trong phạm vi điện áp đầu vào và dòng điện đầu ra.
Bốn công tắc bước xuống - tăng cường µ Đồ họa mô-đun
Hình 1: Minh họa mô-đun µ bước xuống - tăng cường bốn công tắc, được xây dựng theo nhiều cách khác nhau cho các điện áp đầu vào và dòng điện đầu ra khác nhau. Nguồn hình ảnh: Thiết bị analog, được sửa đổi bởi Kenton Williston)
Bộ chuyển đổi DC/DC với cuộn cảm bên ngoài và điện trở phát hiện
LTM4, LTM4605 và LTM4tích hợp bộ điều khiển và MOSFET trong gói µ Module với cuộn cảm nguồn và điện trở cảm nhận dòng điện bên ngoài bảng mạch (Hình 2). Cấu trúc này cho phép các nhà thiết kế lựa chọn linh hoạt các giá trị điện trở của cuộn cảm và điện trở để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể.
Sơ đồ các thiết bị analog LTM4, LTM4605 và LTM4
Hình 2: Bao bì (trái) của LTM4607, LTM4605 và LTM4 và sơ đồ mức công suất tương ứng (phải) với cuộn cảm bên ngoài và điện trở cảm ứng được tô sáng. Nguồn hình ảnh: Thiết bị Analog)
Các gói LGA 15 mm x 15 mm x 2,82 mm tương thích với LTM4, LTM4605 và LTM4pin. LTM4605 được thiết kế cho các ứng dụng điện áp thấp với dải điện áp đầu vào từ 4,5 V đến 20 V và dòng điện đầu ra là 12 A (chế độ điện áp giảm). LTM4607 và LTM4 mở rộng phạm vi đầu vào ở 10 A (chế độ điện áp giảm) lên 36 V, với LTM4dải điện áp đầu ra rộng nhất từ 0,8 V đến 34 V.
Bộ chuyển đổi DC/DC có tích hợp cuộn cảm và điện trở phát hiện
LTM8055, LTM8056 và LTM8054 (Hình 3) tích hợp cuộn cảm nguồn và điện trở cảm nhận dòng điện vào gói µ Module để đơn giản hóa thiết kế và bố trí bằng cách giảm số lượng thành phần bên ngoài trên PCB.
Sơ đồ các thiết bị analog LTM8055, LTM8054 và LTM8056
Hình 3 hiển thị mô-đun (trái) của các thiết bị LTM8055, LTM8054 và LTM8056, đồng thời nêu bật sơ đồ bố trí (phải) của cuộn cảm tích hợp và điện trở phát hiện. Nguồn hình ảnh: Thiết bị Analog)
Trong số ba dòng khác nhau được thảo luận trong bài viết này, dòng này có dòng điện đầu ra thấp nhất: 5,4 A cho LTM8054, 5,5 A cho LTM8056 và 8,5 A cho LTM8055 (tất cả các giá trị ở chế độ giảm dần). LTM8056 có dải điện áp đầu vào từ 5 V đến 60 V, đây là thiết bị rộng nhất trong số các thiết bị được thảo luận ở đây và có điện áp đầu ra tối đa là 48 V. LTM8054 là thiết bị nhỏ gọn nhất, có kích thước 15 mm x 11,25 mm và chiều cao 3,42 mm dành cho các thiết kế có không gian hạn chế. LTM8055 và LTM8056 được gói gọn trong kích thước 15 mm x 15 mm x 4,92 mm.
Bộ chuyển đổi DC/DC có tích hợp cuộn cảm và phát hiện dòng điện không phá hủy
LTM4712 (Hình 4) sử dụng các phương pháp phát hiện dòng điện khác nhau. Thay vì sử dụng các điện trở kiểm tra riêng biệt, nó sử dụng giải pháp NDI độc quyền được tích hợp trong mô-đun. Điều này giúp loại bỏ tổn thất điện năng liên quan đến điện trở phát hiện chuyên dụng.