AC ל- DC ממירים יוצרים את עמוד השדרה של כמעט כל מכשיר אלקטרוני שמשתלב לתוך משטח קיר.הם לוקחים את הזרם המשתנה (AC) מהראשיים והופך אותו לזרם הישיר היציב (DC) כי מעגלים אלקטרוניים דורשים.שני גישות עיצוב בסיסיות לשלוט המרה זו: ממירים ליניאריים וממירים.כל גישה נושאת התאמות מסחר נפרדות ביעילות, רעש, עלות, עלות, והבנתם, ומאפשרת למהנדסים רפואיים אופטימונים, או להובלת כלי יעיל, אם הם מאפשרים הפעלת מכשיר יעיל יותר, או למהנדסים, או למהנדסים אופטימסלולאריכים, או למעבדים, אם מכשיר יעיל יותר, אם כן, אם מכשיר יעיל יותר, כלומר, כלומר, כלומר, או למהנדסים, אם מעבדים, אם מעבדים, או למהנדסים יעילים, או למהנדסים, אם מעבדים יעילים, אם משתמשים מהירים יותר, אם משתמשים מהירים יותר, כלומר, כלומר, כלומר, או למהנדסים, כלומר, או למהנדסים, אם משתמשים.

קואר AC ל DC Converters: הפעלה Principle ועיצוב

קואר AC ל DC ממיררים מסתמכים על ארכיטקטורה קלאסית, פשוטה.שרשרת ההמרה מתחילה בדרך כלל עם טרנספורמציה קו- ⁇ שצעד במורד מתח AC לרמה AC נמוכה יותר.זה גל AC למטה ואז נכנס לשלב מהדהד - באופן בולט גשר נסוג מפלט מורכב מפולדות אנרגיה - אשר ממיר אותו לתוך אות מחוספס גדול DC.

הרגולטור הליניארי פועל באזור הומימי שלו, מתנהג כמתנגד משתנה המתאם לשמור על פלט קבוע.תקנה רציפה, נמוכה-נוזה היא התכונה המגדירה של ממירים ליניאריים. כי עובר של הרגולטור הוא תמיד חלקית ולא עובר בין במלואו ומבחוץ, שום רעש מעבר גבוה אינו נוצר מבפנים.

יתרונות של Linear Converters

  • (FLT:0) ביצועי רעש אקסצנטיאליים.FLT:1 היעדר מעבר גבוה קידוד מבטלים שבוצעו ורדיו הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) Output ripple הוא בדרך כלל בטווח המיקרו-וולטי, מה שהופך את הממירים ליניאריים אידיאליים לעוצמה מעגלים אנלוגיים רגישים כגון מגברי אודיו גבוהים, דיוק, וקידוד רדיו (RF) מסתיים לפני החזית.
  • (FLT:0Simple, עיצוב חזק.FLT:1) ממיר ליניארי משתמש מעט רכיבים יחסית - transformer, דידות, capacitor, ו- IC - הופך את המעגל לקל לתכנון, debug, וייצור.מרכיבים מגנטיים (המתמיר קו- ⁇ ) הם מובן היטב וחוספסים.
  • (FLT:0) תגובה טרנספורמטיבית.FLT:1 כי הרגולטור הליני יכול לשנות את התנהגותו במהירות רבה, מתח הפלט להתאושש במהירות מעומס השלבים הנוכחיים.זה יקר ביישומים שבהם העומס משתנה באופן דינמי, כגון מעגלי דגימת אנלוגי.
  • (FLT:0)Low Cost at Very low power Level.Build.veFLT:1) עבור זרמי תפוקה מתחת למאות מ"מ ו טיפות מתח בינוניות, ממירים ליניאריים יכולים להיות זולים יותר מאשר פתרון מעבר מלא, במיוחד כאשר עלויות סינון EMI מסינון נחשבות.

חסרונות של Linear Converters

  • (ההתייעלות:0) יעילות השימוש ב-Efficiency הוא הסגירה העיקרית.ה- Linear מבזבז את ההבדל בין קלט לתפוקה כחום; אם ה-DC הוא 12 V והתפוקה היא 5 V, הרגולטור מתפזר (12 V - 5 V) × IFLT:2outofFLT 3, ככל שהחום מייצר לעתים רחוקות יותר מ- 60 אחוזים יכול להיות מפגעים גבוה יותר ויותר.
  • (FLT:0) לגודל ומשקל.FLT:1 ,המיר קו- ⁇ פועל ב 50/60 הרץ, הדורש ליבה ברזל גדול, כבד כדי להתמודד עם השטף המגנטי מעל 25 W, המיר יכול לשלוט בנפח הממיר והמיסה.בנוסף, החום הדרוש כדי להתפזר חום מוסיף הרבה יותר.
  • (FLT:0) טווח מתח קלט .FLT:1 יחס ההופך לתקן את מתח הפלט ביחס קלט.רחב וריאציות במתח הראשי (למשל, 100 V ל 240 V) דורש גם מהפך מלוטש או מהפך נוסף לפני-regulator, הוספת מורכבות.
  • (FLT:0) קיבולת הסקאלה בעוצמה גבוהה.FreaLT:1 מעל 50 W, ממירים ליניאריים הופכים לא יעילים, חמים, מסיביים.הם לא מתאימים ליישומים בעלי עוצמה גבוהה כמו מחשבים שולחניים, מטען סוללות, או כונן תעשייתי.

יישומים אופייניים עבור קואר ממיררים

ממירים קואר נמצאים היכן שחסינות רעש ויציבות התפוקה חשובים יותר מאשר יעילות או גודל.דוגמאות נפוצות כוללות ממריצים של אודיופיל ו DACs, ספסל מעבדה אספקה הדורשת פלט נקי, ציוד מדידה אנלוגי (מערכות רכישה נתונים, חיישנים), וכוח נמוך (< 10 W) אספקה עזר בתוך מערכות גדולות יותר שבו פירוק חום הוא מנוהל.

החלפת AC ל DC Converters: הפעלה Principle and Design

החלפת ממרים, הידוע גם כאספקת חשמל (SMPS), לנקוט בגישה שונה לחלוטין.העומס הקלט AC הוא הראשון משופץ ומסונן לייצר אוטובוס DC גבוה (בדרך כלל 160-400 V בהתאם למתח קלט) זה מתח האוטובוס הוא אז קצוץ בתדר גבוה - באופן חד הרץ מ 20 kHz למספר מגה-הרץ - על ידי כוח פועל כמו מתג משני, או שינוי מומנטום, אשר עובר את הלחץ הסופי של ה-קוע, הוא לשנות את ה-ידי ה-המתחולה.

המפתח ליעילות גבוהה הוא כי המעבר טרנזיטור פועל או רווי לחלוטין (ירידה בלחץ נמוך) או כבוי לחלוטין (אפס נוכחי) פיזור כוח במחליף מצטמצם כי המוצר של מתח וזרם הוא קטן במהלך תקופות המעבר הקצר.זה מאפשר להחליף ממירים להשיג יעילות של 80-95 אחוזים על פני טווח קלט ועומס.

יתרונות של Switching Converters

  • יעילות גבוהה (FLT:0) יעילות גבוהה.Ifficiency העולה על 90% הם שגרתיים, במיוחד בעיצובים מודרניים באמצעות תיקון סינכרוני ושליטה מתקדמת ICs. פחות בזבוז כוח פירושו פחות ייצור חום נמוך, צמצום או ביטול הצורך בבטיחות ומאפשרת קומפקטיות, מזחלות ללא מענים.
  • גודל קטן ומשקל נמוך.FLT:1 כי ההופך פועל בתדר גבוה (20 kHz - 1 MHz), הליבה שלה יכול להיות הרבה יותר קטן מאשר מקביל 50 / 60 הרץ.
  • (FLT:0)Wide מתח טווח מתח מתח קליט.FLT:1 ממירים Switching יכולים לקבל קלט אוניברסלי (למשל, 85 V ל 264 V AC) ללא תיקון ידני.הלאה הבקרה מאמת את מחזור החובה לשמור על רגולציה, מה שהופך אותם אידיאליים עבור מוצרים גלובליים.
  • (FLT:0) רגולציה ויעילות מופרזת על עומס.ראהFLT:1 ; Switch-mode topologies כגון עף, קדימה, חצי-גשר, ו-Bridge לספק רגולציה מתח חזק (בדרך כלל ±1-3%) על פני קו משתנה ותנאי העומס, לעתים קרובות outperating הרגולטורים ליניאריים במונחים של רגולציה עומס.
  • (FLT:0) יכולת כוח גבוהה .FLT:1 ממירים מעבורת היטב ממילימטרים לאלפים של וואט. High-power topologies כמו גשרים מלאים מאולתרים וממירים חוזרים (LLC) משמשים באספקת חשמל, ציוד מתפתל תעשייתי, ומטענים חשמליים.

חסרונות Switching Converters

  • (FLT:0)Complex Circle designve.FLT:1 An SMPS כרוך בלוקים פונקציונליים מרובים: EMI מסנן, תיקון, אחסון רב, מתג כוח, מתהפך גבוה, פלט, מסנן, פיצוי משוב, מעגל הגנה דורש תשומת לב קפדנית כדי פריסה, אפקטים קצביים וניהול תרמי.
  • (FLT:0) התערבות אלקטרונית (EMI)FIRLT:1) הקצוות המהירים (גבוהים dv / dt ו di / dt) לייצר רעש רחב-ספקטרום כי קורנל והתנהלות על עיקרי AC. Complying עם תקנות כגון FCC Part 15, CISPR 22, או EN 550 לעתים קרובות דורש שלבים מרובים של סינון, מחסנים, סנפירים, ו-EMI להוסיף רכיבים עלות.
  • (FLT:0Outputרעש ו-ripple.FreaLT:1) למרות סינון, מעבר ממירים בדרך כלל להציג פלט בטווח ה- מילימטר בתדירות המעבר, יחד עם ספיגות גבוהות מאוד אנלוגיות, רעש זה עשוי להיות בלתי מתקבל על הדעת ללא לאחר רישום (למשל, LDO לאחר SMPS).
  • (FLT:0)פונטני לגבי חששות אמינות.FLT:1 רכיבים יותר ולחצים תפעוליים גבוהים יותר (זרמים קופים, מתחים, מחזורי טמפרטורה) יכול להפחית את הזמן הממוצע בין כישלונות (MTBF) בהשוואה לתכנון ליניארי פשוט.
  • (FLT:0) יכול ליצור רעש בלתי מובן.FLT:1 בהחלפת תדרים ליד טווח המובן (20–20 kHz), המירטור או המחנכים עשויים להמריץ מבחינה מכנית, לייצר whine חלש יותר.עיצובים מודרניים דוחפים תדרים מעל 100 kHz כדי להימנע מכך, אבל תחת עומסי אור רבים נכנסים למצב "בור" שיכול לכדי תדרים בלתי ניתנים לערעור.

יישומים אופייניים ל-Switching Converters

Switching converters dominate most modern electronics: laptop and phone chargers (Texasהסקירה של ה-Nortivation של מכשירים:0; נהגי LED (ראה LT:1 ,LED התנצלויות הסבירו FLT:2), אספקת כוח השרת, ציוד טלקום, ממירי רכב DC-DC, ומוצרים לבנים (ממריצים, מכונות כביסה) יעילותם וגודלם הקטן הופכים אותם לבחירה ברירת המחדל עבור כמעט כל משימה המרה כוח מעל כמה וואטים במיוחד עבור עיצובים או חללים.

השוואות ראש אל-היד: Linear vs. Switching Converters

כדי לבחור את הסוג הנכון להמיר, מהנדסים חייבים לשקול כמה מדדי ביצועים מרכזיים.ההשוואה הבאה מדגישה את ההבדלים העיקריים.

יעילות

המרת קואר הם יעילים ביסודו כאשר מתח הקלט-to- ⁇ הוא גדול. Efficiency ⁇ =VFLT:0outtureFLT:1 / VirFLT:2inFLT 3:2inFLT 3: 3 (או שינוי והפסדי סוללה) עבור תפוקה של 5 V מ 12 V DC, יעילות היא רק 42 אחוזים.

ההבדל בין חום הוא דרמטי: תפוקה של 10 W ממיר ליניארי עלולה לבזבז 15 W כחום, הדורש חום גדול.התפוקה של ממיר משנה עלולה לבזבז רק 1 W.

גודל ומשקל

ממירים קואר דורשים ממירים קו גדול ולעתים קרובות מעצימות מסיביים. A 50 W לספק לינארית יכול לשקול מעל 1 ק"ג. A 50 W מעבר ממיר, באמצעות ממיר גבוה של מהפך למדידה רק 2-3 ס"מ בקוטר וחום קטן, עשוי לשקול מתחת ל -100 גרם.ההפחתה כפולה זו בגודל ומשקל היא סיבה עיקריתפיטורים יש הכל אבל מוחלפים ליניאריים באלקטרוניקה המודרנית.

רעש ו Ripple

ממירים קואר מייצרים מאוד נקי DC עם רעש גבוה ⁇ . Output ripple הוא בדרך כלל 10-100 μV RMS. Switching להמיר המרירים להציג קרוע בתדר המעבר (למשל, 20-50 mV p-p) וספיקים חדים עקב מעבר טראנסנטים.הההבדל הוא קריטי בשרשראות אותות אנלוגיים, שבו החלפת רעש יכולה לעבור רוחב פס נמוך (אופרטור) לאחר החלפת יישומים נוספים (או-פרטרם) הוא לעתים קרובות יותר) לאחר מעבר לחללטרה-או-פרטורטריום (D) הוא לעתים קרובות יותר (שלבים (D) או יותר) לאחר מעבר) לאחר מעבר ל-או-או-או-או-או-או-פרטרנטיים נוספים (D) לאחר מעבר ל-או-פרטריום (D) הוא לעתים קרובות).

אלקטרומגנטי הבין-לאומית (EMI)

המרתונים מייצרים כמעט ללא EMI משום שהם חסרים זרמים מהירים.זה מאמתים את תקני פליטה.ממירים Switching דורשים עיצוב זהיר של מסנן EMI, נחירות, ופריסה.הפילטר עצמו (מתאים ל-Momon-mode חנק, X/Y capacitors, fer beads) מוסיף עלות ושטח במקרים קיצוניים, a baduredlyrtured יכול לדרוש שינוי חשמל (Fde) ו-Fde) LTd) LTDPS (מתאים ל-FRPDPSD) LTD) LTD) LTD (מחדש לחלוטין) LTD) LTD (מחדש (מחדש (מתאים ל-FRP)

תגובה מתמשכת

הרגולטורים קואר מגיבים לשינויים בתוך מיקרו-שניות עם מינימום overshoot. Switching ממירים, בשל רוחב הפס המוגבל של לולאה משוב והאנרגיה המאוחסנים ב inductors, להציג תגובה איטית יותר - באופן זמני בעשרות המיקרו-שניים - ועשוי להראות סיורים גדולים יותר של מתח.עבור עומסים דיגיטליים הדורשים גלימות זרם מהיר (למשל, מעבדים פעילים), פלט חייב להיות גדול בהתאם.

עלויות עלויות עלויות

בעוצמה נמוכה מאוד (< 5 W), ממיר ליניארי יכול להיות זול יותר בשל פחות מרכיבים ומגנטים פשוטים יותר.כפי שכוח עולה, העלות של הטרנספורמציה והחום בתכנון ליניארי עולה בחדות.ממירים מסובכים תועלת מכלכלות של קנה מידה בייצור גבוה; עבור רוב היישומים מעל 15 W, הפתרון SMPS הוא יותר יעיל כאשר שוקלים את כל עלויות המערכת (גודל, קירור, אישור כוח).

אחריות וחיים

ממירים קוויר, עם פחות רכיבים פעילים ומתחים חשמליים נמוכים יותר, לעתים קרובות להשיג יותר MTBF, במיוחד בסביבה תרמית שפירת benign.מנגנון הלבוש הראשי הוא ההזדקנות של capacitor אלקטרוליטית.ממירים Switching יש יותר חלקים שיכולים להיכשל: מתג הכוח (MOSFET או GaN), השליטה IC, אספקת עזר, ואת הפלטים, משולבת ויצרנים בעלי איכות גבוהה יותר של אופניים גבוהה יותר, אבל הם בדרך כלל יכול להשיג כמה שעות חיים גבוהה יותר.

בחירת קריטריונים

הבחירה בין ממירים ליניאריים ומשתנים לעתים קרובות מתרוממת אל הרגישות הרעש של היישום, רמת הכוח, מגבלות גודל ודרישות יעילות.

  • (FLT:0)Audio ו ציוד נאמנות גבוה: ibph:1 , ממירים קוויאר מעדיפים שלבים אודיו אנלוגיים כדי למנוע החלפת רעש שיכול להיות זוג לתוך נתיב האות. מעגלים דיגיטליים (DSP, DAC) יכול להיות מופעל על ידי מעבר ממירים, אבל פריסה זהירה ומסנן הם חובה.
  • (FLT:0) מכשירים רפואיים: FLT:1 , ציוד רפואי מחובר לחולה דורש זרמי דליפות נמוכה מאוד רעש. קואר ממירים עם טרנסים ברמה רפואית מציעים את התפוקה הנקיה ביותר ועומדים בסטנדרטים בטיחותיים כגון IEC 60601. ממירים Switching משמשים גם אך דורשים אמצעי זהירות נוספים לבידוד ורעש.
  • (FLT:0 אלקטרוניקה אלקטרונית:FLT:1 סמארטפונים, טבליות, עונדים, ומחשבים ניידים דורשים יעילות גבוהה כדי למקסם את חיי הסוללה ולמזער חום בתוך מתחם דק. Switching ממירים (כולל מטעני סוללה וספקי רעל) משמשים כמעט אך ורק. מכשירים מודרניים רבים משתמשים בהמרתבים מרובים-phase כדי לטפל בעומסים תוך שמירה על יעילות.
  • (FLT:0)Industrial and Telecom:FreaLT:1) כוח עליון (100 W למספר וואט), טווחי מתח רחבים של מתח קלט, ואת הצורך בהחלפת ממירים תעשייתיים יש לעתים קרובות EMI משמעותי, אבל פליטות האספקה עצמו חייב להיות מנוהל.
  • (FLT:0)ensors and דיוק כלי: FIRLT:1 [עבור המדידות המוקדות, ממירים ליניאריים הם סטנדרטיים בקצה הקדמי האנלוגי.לעתים קרובות עובר preregulator מגביר את היעילות, ופוסט-regulator ליניארי לנקות את הפלט - עיצוב היברידי אשר מאזן ביצועים וחום.

מגמות עתידיות ב-Power Conversion

הנוף של ההמרה AC-DC ממשיך להתפתח, מונע על ידי הביקוש לצפיפות כוח גבוהה יותר, יעילות רבה יותר, ושליטה טובה יותר.

(FLT:0Wide Bandgap SemiconductorssFIRLT:1 , כגון גליום ניטריד (GaN) ו-סיליקון carbide (SiC) מאפשרים לממירים לפעול בתדרים גבוהים בהרבה (1-10 MHz) עם הפסדים נמוכים יותר.זה מכווץ רכיבים מגנטיים ומפחית את גודל מסנני EMI.

(FLT:0) שליטה דיגיטלית (Digital ControlFLT:1) מחליפה פיצוי אנלוגי עם מיקרובקרים או DSP אשר הטמיעו אלגוריתמים מתוחכמים.שליטה דיגיטלית מאפשרת החלפת תדר, פיזור יעילות מצב בעומסי אור, ו ניטור מדויק של פרמטרים קלט / סיבולת. גמישות זו משפרת תגובה טרנספורמטיבית ויכולה להאריך את חיי הרכיב באמצעות ניהול תרמי פעיל.

(FLT:0) אינטגרציה ומודולים רב-צ'יפ (Ipמודולים) משלבים את שלב הכוח, השליטה והמגנטים לתוך חבילה אחת.לדוגמה, ממיר ה- IC עשוי לשלב את הכוח MOSFET, התנגדות הגיונית, ובקר, צמצום ספירת רכיב חיצוני ופשטת עיצוב.מגמה זו מורידה את המחסום לכניסת עיצוב מתג-דה ואמינות.

(FLT:0) resonant ורך-Switching topologasFLT:1 (LLC, CLLC, גשר מלא מאולתר בשלב) הופכים סטנדרטיים עבור יישומים של כוח בינוני עד גבוה כי הם להפחית את ההפסדים ו- EMI. הם להשיג מעבר אפס-וולטר (ZVS) ו- Zero-in-in-in-in-in-transchange (ZCS), שיפור יעילות נוספת ל-98+% בשרת וספקי כוח וחשמל.

בעוד שממירים ליניאריים תמיד יהיו נישה שבה ביצועי רעש מוחלטים הם ראשוניים, דחיפה לכיוון תקני יעילות אנרגיה (למשל, אנרגיה סטאר, 80 PLUS טיטניום) היא מאוד טובה להחליף ממירים ברוב השווקים.אפילו בעולם אודיו, יצרנים בעלי ביצועים גבוהים משתמשים כעת בהחלפת ממירים עם מסננים מתקדמים לאחר רגולציה כדי לשלב גודל קטן עם רעש נמוך.

מסקנה

קואר והחלפת AC ל- DC ממיררס מייצגים שתי פילוסופיות עיצוב שונות ביסודן, כל אחת עם כוחות מוגדרים היטב ומגבלות. המרתר קואר מספקת ביצועים ופשטות לא תואמים, אך סובלות מיעילות נמוכה ושפע בעוצמות גבוהות יותר.

הבחירה הנכונה תלויה בדרישות הספציפיות של היישום. עבור כוח נמוך, מעגלים ביקורתיים רעש שבו החום הוא מנוהל, ממירים ליניאריים להישאר פתרון פשוט. עבור כמעט כל דבר אחר - ממטענים טלפוניים לדחפים תעשייתיים - מתפתלים ממירים לספק את הביצועים ואת הטופס הביקוש האלקטרוניקה המודרנית.מהנדסים צריכים להעריך את רמת הכוח, תקציב תרמי, תפוקה סובלנות, גודל, וציות לפני ביצוע בחירה סופית עם אלקטרוניקה / GI עשוי להמשיך לשלוט על פני מערכות מסחר אלקטרוניות, אבל יכולות להמשיך את רמות מסחר אלקטרוניות.