EN
Snelkoppelingen
Voor hen die switch-mode voeders (SMPS) ontwerpen, is het alsof je op een touw balanceert. Ze moeten drie belangrijke zaken in evenwicht houden: efficiëntie, grootte en betrouwbaarheid. En right precies in het midden van dit balanceren staat de transistor. Je kunt de transistor zien als de hoofdschakelaar in het voedingssysteem. Hij heeft een enorme invloed op drie sleutelkarakteristieken. Eerstens is er de efficiëntie van de stroomomzetting. Net zoals je wilt dat je auto het beste brandstofverbruik heeft, willen we dat de voeding elektrische energie zo efficiënt mogelijk omzet, met zo min mogelijk verspilling. Ten tweede zijn er de eigenschappen van elektromagnetische stoornissen (EMI). We willen niet dat onze voeding een storende buurman is die interfereert met andere elektronische apparaten om hem heen. En ten derde is er thermische stabiliteit. Hitte kan een echte probleem zijn in elektronica, en we hebben nodig dat de transistor stabiel blijft zelfs wanneer het warm wordt. In hedendaagse moderne stroomomzettingssystemen zijn de eisen transistoren zijn behoorlijk hoog. Ze moeten echt snel aan en uit kunnen schakelen, met frequenties die boven de 200 kHz uitkomen. Tegelijkertijd moeten ze de verliezen tijdens geleiding tot een minimum beperken. Het is alsof je een atleet vraagt heel snel te rennen terwijl hij zo weinig mogelijk energie gebruikt. Deze combinatie van snelheid en efficiëntie maakt het kiezen van de juiste transistor een lastige opgave.
Dus, wanneer het gaat om het ontwerpen van een succesvolle SMPS, waar beginnen we? Nou, het begint allemaal met een nauwkeurige blik op vier basiskenmerken van de transistor. Het eerste is de breakdown spanningsspecificatie. Je kunt dit zien als de maximale spanning die de transistor kan verdragen zonder schade op te lopen. Het is alsof er een dam is die een bepaalde hoeveelheid water kan tegenhouden. In voedingsontwerpen, vooral in flyback-topologieën waarbij spanningsspikes kunnen optreden, moet de breakdown spanningsspecificatie van de transistor hoger zijn dan de piek-ingangsspanning, en met een goede veiligheidsmarge. We willen niet dat de "dam" breekt! Het tweede kenmerk is de stroomverwerkingscapaciteit. De transistor moet in staat zijn om de stroom te verwerken die erdoorheen stroomt, zowel tijdens normale continue werking als tijdens korte maar intense transientele stootstroompieken. En we moeten ook oppassen met dempingfactoren gerelateerd aan thermische stress. Net zoals een persoon moe raakt en slechter presteert in hete weersomstandigheden, kan de prestatie van een transistor worden beïnvloed door hitte. Schakelsnelheidsparameters, zoals de op- en afdraaitijden, zijn ook erg belangrijk. Deze hebben een directe invloed op hoe goed de transistor kan opereren bij hoge frequenties. Hoe sneller het schakelen, des te beter de efficiëntie bij hoge frequenties. Maar er is een addertje onder het gras. Snellere schakeling kan ingewikkelder en geavanceerdere poortdrijfcircuitry vereisen. Het is alsof een high-performance auto een geavanceerder motormanagement systeem nodig heeft. Ten slotte zijn omkeringsherstelkenmerken cruciaal, vooral in brugconfiguraties. Wanneer de transistor uitschakelt, kan er wat residuele lading overblijven, wat schotstroom kan veroorzaken. De omkeringsherstelkenmerken helpen deze situatie te beheren, net zoals een verkeersagent de stroom van auto's regelt om ongelukken te voorkomen.
Nu we weten wat we moeten zoeken in een transistor, laten we het hebben over de uitdagingen die gepaard gaan met het ontwerpen van schakelingen. Een van de grootste problemen is thermische beheersing. Terwijl we proberen meer vermogen in een kleinere ruimte te pakken (de limieten van vermogensdichtheid te benaderen), wordt hitte een groot probleem. Het is alsof je in een kleine, volle kamer bent op een hete dag. Om hiermee om te gaan, moeten we effectieve strategieën voor hitte afvoer ontwikkelen. Dit betekent het kiezen van het juiste verpakkingstype voor de transistor en het optimaliseren van de PCB - lay - out. We kunnen dingen gebruiken zoals thermische via's, die als kleine tunnels dienen waarin hitte kan ontsnappen, en koper vullingen, die als grote hitte - absorberende platen fungeren, om ervoor te zorgen dat hitte zo efficiënt mogelijk van de transistor wordt afgevoerd. Nog iets waar we aandacht aan moeten besteden zijn schakelverliezen, vooral bij hoge frequenties. Elke keer dat de transistor aangaat en uitschakelt, zijn er enige verliezen. En bij hoge frequenties kunnen deze verliezen echt optellen en een significante deel van de totale vermogensdissipatie worden. Om hiermee om te gaan, kunnen we geavanceerde poortstuurtechnieken gebruiken. Bijvoorbeeld, adaptief dead - time controle kan de tijd tussen het schakelen aanpassen om verliezen te verminderen, en actieve Miller clamp - schakelingen kunnen ongewenste inschakelingen voorkomen. Het is alsof je een slim systeem hebt dat zichzelf kan aanpassen om beter te functioneren.
Verschillende SMPS-architecturen zijn zoals verschillende soorten huizen, elk met zijn eigen unieke behoeften. Buck converters bijvoorbeeld zijn zoals een eenvoudig, efficiënt huis. Ze hebben echt transistors nodig met lage RDS(on)-kenmerken. Dit is belangrijk omdat het helpt om de verliezen tijdens continue stroomvloeien te minimaliseren. Het is alsof je een goed geïsoleerd huis hebt dat niet veel warmte verliest. Boost en flyback-topologieën lijken meer op een robuust, industriële-stijl huis. Ze hebben transistors nodig met sterke avalanche-energiebeoordelingen. Dit komt doordat ze spanningsschichten van inductieve belastingen moeten weerstaan, net zoals een sterk gebouw een storm kan doorstaan. Resonant converterontwerpen zijn zoals een hightech, energie-efficiënt huis. Ze profiteren van transistors met zachte schakelcapaciteiten. Dit verminderd de spanning op de transistor tijdens overgangsfases, wat het hele systeem efficiënter maakt. En in multiphasesystemen, die zoals een groot appartementengebouw met meerdere eenheden zijn, moeten we ervoor zorgen dat de parallelle apparaten nauwkeurig afgestemde parameters hebben. Dit zorgt ervoor dat de stroom gelijkmatig wordt verdeeld over alle "eenheden", net zoals je wilt dat alle appartementen in een gebouw een gelijke hoeveelheid aan bronnen hebben.
Bij het ontwerpen van thermische systemen gaat het niet alleen om het kiezen van de juiste transistor. Het draait om het hele systeem. Ontwerpers moeten nadenken over de routes die warmte neemt vanaf de junction van de transistor (waar de eigenlijke elektronische actie plaatsvindt) naar de buitenomgeving. Het is alsof je een route voor een bezorgwagen pland om ervoor te zorgen dat hij zo snel mogelijk van de fabriek naar de klant komt. We kunnen gebruik maken van kooplossingen, die lijken op grote koelvinnen, om hiermee te helpen. En deze oplossingen moeten worden afgestemd op de werkcyclus van de voeding. Dynamische thermische monitoring technieken zijn ook erg nuttig. Het is alsof je een thermostaat in je huis hebt die de temperatuur kan aanpassen op basis van hoe warm het buiten is. In toepassingen met variabele belasting kunnen deze technieken adaptieve koelstrategieën inschakelen. En in plaats van alleen naar de omgevingstemperatuur te kijken (zoals de temperatuur buiten je huis), het implementeren van degradatie richtlijnen gebaseerd op de werkelijke bedrijfstemperatuur van de transistor kan de langtermijnbetrouwbaarheid er sterk op vooruit helpen. Geavanceerde verpakkings technologieën, zoals clip bonding en silver sintering, zijn als nieuwe, verbeterde bouwmateriaalen. Ze kunnen helpen bij het verminderen van de thermische weerstand in hoge-stroom toepassingen, waardoor het hele systeem efficiënter en betrouwbaarder wordt.
De wereld van schakeltechnologie is altijd in ontwikkeling, en op dit moment zijn er enkele zeer opwindende dingen op komst. Opkomende breedbandgapschakelaars zijn alsof een nieuw, revolutionair bouwmateriaal voor krachtschakelaars. Gallium nitride (GaN) apparaten bijvoorbeeld, zijn super-snel. Ze hebben uitstekende schakelsnelheden en verminderde poortladingkenmerken. Dit betekent dat ze op MHz-bereik frequenties kunnen opereren met hogere efficiëntie. Het is alsof je een super-snelle sportwagen hebt die ook geweldige brandstofverbruik heeft. Silicon carbide (SiC) onderdelen zijn nog een andere interessante ontwikkeling. Ze zijn alsof een taai, hittebestendig materiaal. Ze bieden uitzonderlijke thermische geleidbaarheid en kunnen hoge temperaturen verdragen, wat perfect is voor industriële toepassingen. Op dit moment zijn deze technologieën iets duurder, alsof het een luxueus artikel is. Maar mettertijd evolueren ze om steeds kosteneffectiever te worden. In de komende jaren kunnen ze misschien wel de manier veranderen waarop we voedingen ontwerpen, zoals hoe een nieuwe uitvinding de manier kan veranderen waarop we leven.