Het ontwerpen van SMPS (Switched Mode Power Supply ofwel schakelende voedingen) wordt steeds minder gebruikelijk nu modules met geïntegreerde spoelen steeds beter en kleiner worden. Wie zijn eigen SMPS-ontwerpen maakt, moet rekening houden met kosten, ruimte en EMC. In deze korte reeks artikelen willen we je enkele richtlijnen geven over verschillende aspecten van buck, boost en buck/boost SMPS-ontwerpen, zodat je er zonder problemen een kunt kiezen, ontwikkelen en integreren in je ontwerpen.
Deel 1: SMPS Overwegingen
Bij Pink Fluffy Unicorns houden we niet zo van disclaimers, maar hier is er toch één: dit artikel richt zich op elektronica-ontwerpers die beginnende tot gemiddeld ervaren SMPS-ontwerpers zijn, en die zich voornamelijk bezighoudt met geïntegreerde buck-, boost- of buck/boost-oplossingen. Het bevat zeker niet alles wat er te weten en te leren valt over SMPS-ontwerp.
Denk eerst na over de schakeling en daarna over de SMPS-topologie
Als je op zoek bent naar een nogal standaard en eenvoudige SMPS, zijn er veel IC’s te vinden met geïntegreerde schakelaars. In 95% van de gevallen bieden op zijn minst een paar van deze chips precies de juiste prestaties voor je ontwerp tegen een zeer redelijke prijs.
Kijk eerst naar de eisen en prestaties van de schakeling die je wilt voeden. Denk na over efficiëntie, prestaties, ruis-eisen en andere belangrijke factoren in het ontwerp. Hoe variëren al deze aspecten met de werkspanning van de schakeling? Bedenk ook wat voor soort oplossing je wilt maken. Mik je op iets eenvoudigs en goedkoops, of juist iets uitgebreiders maar met perfecte prestaties? De vereiste SMPS-topologie kan een kwestie zijn van ontwerpeisen en/of voorkeur.
Voorbeeldscenario
Een voorbeeldscenario is een schakeling die moet worden gevoed door een enkele Li-Ion-batterij, waarvan de spanning varieert van 2,8 V in lege toestand tot 4,2 V wanneer deze volledig is opgeladen. De schakeling werkt goed tussen 2,5 V en 3,3 V. De prestaties zijn het beste bij 3,3 V, maar het stroomverbruik is minimaal bij 2,5 V.
Als de prestaties het belangrijkst zijn, wil je een 3,3 V output buck/boost SMPS gebruiken. Als je op zoek bent naar efficiëntie, is een buck SMPS van 2,5 V de beste en makkelijkste manier. Als je meestal goede prestaties wilt, maar het niet erg vindt dat de prestaties achteruitgaan als de batterij leeg raakt, is een buck converter met “Pass-Through Mode” de beste keuze. Dit type regelaar schakelt de high side MOSFET voor 100% van de tijd in wanneer de ingangsspanning onder de geprogrammeerde uitgangsspanning komt.
Dit voorbeeld laat zien dat de keuze voor een SMPS-topologie afhangt van meer dan alleen de elektrische eisen die de schakeling er aan stelt.
Schakelfrequentie versus efficiëntie
De schakelfrequentie van een SMPS bepaalt de algemene grootte en efficiëntie van de oplossing. Sneller schakelen betekent dat je kleinere condensatoren en spoelen kunt gebruiken, maar is meestal minder efficiënt vanwege verliezen in de aansturing van de schakelaars. Sneller schakelen betekent ook dat de uitgangsspanning kan worden geregeld over een groter frequentiebereik, wat doorgaans resulteert in een snellere en betere transiëntrespons. Langzamere SMPS-circuits kunnen echter heel efficiënt zijn. Zelfs met grote spanningsverschillen tussen ingang en uitgang.
Als je ontwerp een lage ruststroom vereist, zijn er een aantal mooie sub-µA IQ-buck converters. Als je ontwerp koel moet blijven bij hoge uitgangsstromen, kun je beter kijken naar een controller met een lagere frequentie in combinatie met een paar stevige externe MOSFETs.
Algemene Richtlijnen
- ‘Harder, Better, Faster’ is een heerlijk nummer van Daft Punk, maar niet de manier waarop je SMPS ontwerpt. Optimaliseer je ontwerp voor wat nodig is, niet meer en niet minder. SMPS-oplossingen kunnen snel complex, groot en duur worden.
- Moderne buck-converter IC’s zijn over het algemeen eenvoudig en veelzijdig qua ontwerp. Buck als je kunt, geef het een boost als het moet.