Vybíráme nejlepší on-line nástroje pro návrh obvodů a výpočty – napájecí zdroje

Každý elektronický systém potřebuje napájecí zdroj, který bude konvertovat dostupný AC či DC vstup na požadovaný typ výstupu, včetně jeho napětí. Další pokračování této série článků proto věnujeme řadě nástrojů sloužících právě k výběru či návrhu zdrojů napájení.

Jaké druhy napájecích zdrojů máme

Zdroje napájení dělíme na regulované a neregulované. Neregulované řešení používá ke snižování AC vstupu na požadovanou velikost napětí transformátor. Když to bude nezbytné, je výstup dále usměrněn a díky kondenzátoru vyhlazen tak, abychom dostali pokud možno neměnné napětí. Protože v transformátoru dochází k určitým ztrátám, účinnost nebývá vysoká.

Některé systémy však budou citlivé na změny v napájení a vyžadují proto regulovaný zdroj, který k zajištění přesnějšího a také stabilnějšího výstupu použije elektronické obvody. Může rovněž nabídnout další funkce, jako je regulovatelný výstup či ochrana před nadproudy. S takovými zdroji pak zajišťujeme napájení s ohledem na potřeby různých subsystémů. Regulované zdroje dále rozdělujeme na lineární a spínané.

Obr. 1  Střídavé napětí v síťové zásuvce [3]

Obr. 2  Celovlnné usměrnění [3]

Obr. 3  Celovlnné usměrnění s vyhlazením [3]

Lineární stabilizátory

Lineárním stabilizátorem napětí (obr. 4) lze doplnit neregulovaný zdroj. Tranzistor zařazený v proudové cestě zde slouží jako proměnný rezistor pro řízení výstupního napětí, kdy koriguje jakékoli změny způsobené odchylkami vstupního napětí, resp. v zatížení. Na takovém tranzistoru se ale pokaždé ztrácí určitý výkon.

Obr. 4  Blokový diagram jednoduchého lineárního stabilizátoru

Spínané měniče

U napájecího zdroje ve spínacím režimu dochází se zmíněným tranzistorem k rychlému zapínání a také vypínání vstupního napětí. Doba aktivní fáze pak definuje množství přeneseného náboje, a tudíž i výstupní napětí. Lze se tak vyhnout i transformátoru. Vzhledem k tomu, že tranzistor buď zcela vede proud, nebo je zase úplně vypnutý, ztrácí se na něm jen velmi malý výkon. Proto jsou spínané zdroje tak účinné.

Parametry napájecích zdrojů

Mezi typické parametry definující zdroje napájení zařadíme

1. fyzické rozměry (samostatné řešení nebo s využitím dílčích součástek),
2. vstupní napětí (AC či DC) a jeho rozsah,
3. výstupní napětí a proudová zatížitelnost,
4. účinnost,
5. přijatelná úroveň zvlnění či rušení,
6.  stabilita výstupu při změnách v zatížení a na vstupu.

Na takovém základě se pak můžete rozhodnout, zda bude nejlepší neregulovaný, lineární nebo též i spínaný zdroj, a přistoupit k jeho návrhu.

Nástroje pro výběr, návrh a také simulaci zdroje

Návrhové nástroje zde umožňují zvolit součástky a vyřešit i celé zapojení okolo nich. Simulační nástroje nám zase pomohou s vyhodnocením vlastností obvodu, když nás informují o činitelích, jako jsou účinnost, zvlnění a přechodová odezva. Návrh pak lze exportovat v různých podobách, často i včetně kompletní rozpisky součástek (BoM).

Analog Devices

Společnost Analog Devices má pro návrh napájecích systémů a jejich obvodů k dispozici řadu nástrojů běžících pod Windows. LTpowerCAD je návrhovou a simulační pomůckou pro DC/DC zdroje, která nabízí doporučené hodnoty součástek a kalkuluje s vlastnostmi konkrétně pro vaši aplikaci. Výsledné řešení je pak možné exportovat do LTspice^® za účelem další simulace.

Coilcraft

Coilcraft (obr. 5) je dodavatelem magnetických součástek. Má k dispozici řadu on-line nástrojů, které pomáhají navrhnout a optimalizovat vaše řešení napájecího zdroje na základě stanovení a výběru těch nejlepších součástek, transformátorů a indukčností pro daný referenční návrh [1]. Nechybí zde ani odkazy na simulační nástroje od firem zabývajících se polovodiči, které příslušné součástky pro zdroje i nabídnou.

Obr. 5  Nástroj firmy Coilcraft (zdroj: Coilcraft)

Maxim Integrated

Maxim EE-Sim Solution Finder (obr. 6) je on-line nástrojem pro výběr spínaných měničů. Součástky zde naleznete v závislosti na vstupním či výstupním napětí a také dalších vlastnostech. Vybranou součástku je pak možné použít v nástroji EE-Sim^® DC-DC Converter Tool pro vytvoření kompletního návrhu. Ten lze nakonec i simulovat, abyste zaručili, že vyhoví vašim požadavkům.

Obr. 6  Nástroj od Maxim Integrated (zdroj: Analog Devices)

 onsemi

Vývojový nástroj WebDesigner+ Power Supply (obr. 7) pomáhá s výběrem nejlepších produktů onsemi a vytvořením návrhu pro vaši aplikaci. Díky rozšířeným filtrům si pro účely AC/DC a DC/DC měničů volíte integrované obvody, MOSFETy a také diody. Nástroj bude konkrétní návrh modelovat, aby mohl vytvořit zprávy ohledně chování obvodu.

Obr. 7  Vývojový nástroj WebDesigner+ Power Supply z dílny onsemi (zdroj: onsemi)

STMicroelectronics

Svou řadu nástrojů pro návrh zdrojů napájení bude mít i STMicrolectronics (obr. 8). Power Supply Design Tool zde podporuje DC/DC i AC/DC systémy, včetně obvodů pro solární nabíječky baterií. Součástky ve spínaném řešení si můžete zvolit s ohledem na vstupní a také výstupní napětí.

 Obr. 8  Power Supply Design Tool od STMicroelectronics (zdroj: STMicroelectronics)

Texas Instruments

WEBENCH Power Designer od TI (obr. 9) vytváří zapojení napájecích zdrojů přesně dle vašich požadavků. Vývojáři zde mohou počítat s AC či DC vstupem až do 500 V.

 Obr. 9  Texas Instruments a jejich WEBENCH Power Designer (zdroj: Texas Instruments)

Další nástroje a zdroje informací

Výrobci a také distributoři součástek pro napájecí zdroje budou mít přinejmenším k dispozici nástroj pro výběr produktů. Řada z nich rovněž nabídne návrhové nástroje. Více informací, včetně užitečných odkazů, naleznete na stránkách Mouser věnovaných zdrojům napájení [2].

V závěrečném díle této série článků se budeme věnovat vývojovým nástrojům pro vf obvody.

Odkazy:

[1] https://www.coilcraft.com/en-us/tools/

[2] https://eu.mouser.com/applications/power-supply-technology/

[3] https://www.teamwavelength.com/power-supply-basics/

www.mouser.com