Szybkie wdrażanie przetwornic obniżających w automatyce przemysłowej, zastosowaniach 5G i Internecie rzeczy (IoT)

Obniżające przetwornice prądu stałego są powszechnie stosowane do efektywnego obniżania wysokiego napięcia w wielu systemach elektronicznych, takich jak stacje bazowe 5G, urządzenia automatyki przemysłowej (FA) i urządzenia Internetu rzeczy (IoT). Na przykład: napięcie 12V prądu stałego (V₌) lub 48V₌ z akumulatora lub szyny rozdzielczej zasilania często musi być przekształcone na niższe napięcie w celu zasilenia cyfrowych układów scalonych, czujników analogowych, sekcji częstotliwości radiowych (RF) i urządzeń interfejsowych.

Projektanci mogą wprawdzie stosować dyskretne przetwornice obniżające i optymalizować je dla konkretnego projektu pod względem charakterystyki pracy i układu płytki drukowanej, ale takie podejście wiąże się z pewnymi trudnościami. Niektóre z nich to: dobór odpowiedniego tranzystora mocy MOSFET, zaprojektowanie układu sprzężenia zwrotnego i sterowania, konstrukcja cewki indukcyjnej oraz wybór pomiędzy topologią asynchroniczną i synchroniczną. Ponadto konstrukcja musi zawierać liczne funkcje zabezpieczające, zapewniać maksymalną sprawność i niewielkie rozmiary rozwiązania. Jednocześnie projektanci są zmuszani do skracania czasu projektowania i obniżania kosztów, co powoduje konieczność znalezienia bardziej odpowiednich opcji rozwiązań w dziedzinie przetwornic mocy.

Zamiast metody dyskretnej projektanci mogą sięgnąć po zintegrowane zasilające układy scalone, które łączą w sobie tranzystory MOSFET z niezbędnymi układami sprzężenia zwrotnego i sterowania, zoptymalizowane pod kątem wysokosprawnych przetwornic obniżających.

W niniejszym artykule omówiono kompromisy pod względem parametrów działania w obniżających przetwornicach asynchronicznych i synchronicznych prądu stałego oraz ich wpływ na potrzeby konkretnych zastosowań. Przedstawiono w nim przykładowy zintegrowany układ scalony asynchronicznej przetwornicy obniżającej i układ scalony synchronicznej przetwornicy obniżającej firmy ROHM Semiconductor oraz omówiono kwestie związane z wdrożeniem, w tym dobór wyjściowej cewki indukcyjnej i kondensatora oraz rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej. W dyskusji uwzględniono płytki ewaluacyjne, które pomogą projektantom w rozpoczęciu pracy.

Dlaczego warto używać przetwornicy obniżającej?

W zastosowaniach, które wymagają prądu o natężeniu kilku amperów, przetwornica obniżająca stanowi bardziej wydajną alternatywę niż regulator liniowy. Sprawność regulatora liniowego może wynosić około 60%, natomiast sprawność asynchronicznej przetwornicy obniżającej może przekraczać 85%.

Podstawowa asynchroniczna przetwornica obniżająca składa się z przełącznika MOSFET, diody Schottky'ego, kondensatora, cewki indukcyjnej oraz obwodów sterujących (nie pokazano), które włączają i wyłączają tranzystor MOSFET (ilustracja 1). Przetwornica obniżająca pobiera wejściowe napięcie stałe (V_IN) i przekształca je w pulsacyjny prąd zmienny, który jest prostowany przez diodę, a następnie filtrowany przez cewkę indukcyjną i kondensator w celu wytworzenia regulowanego napięcia wyjściowego prądu stałego (V_O). Nazwa tej topologii pochodzi od tego, że napięcie na cewce indukcyjnej ma przeciwny kierunek od napięcia wejściowego (obniża je).

Ilustracja 1: topologia asynchronicznej przetwornicy obniżającej, bez układu sterowania z tranzystorem MOSFET. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Układ sterujący mierzy napięcie wyjściowe i okresowo włącza i wyłącza tranzystor MOSFET, aby utrzymać napięcie wyjściowe na żądanym poziomie. Gdy obciążenie ulega zmianie, sterownik zmienia czas, przez jaki tranzystor MOSFET jest włączony, aby dostarczyć mniej lub więcej prądu do wyjścia, co jest konieczne do utrzymania (regulacji) napięcia wyjściowego. Procent czasu, przez jaki tranzystor MOSFET jest włączony podczas jednego pełnego cyklu włączania/wyłączania, jest nazywany cyklem pracy. W związku z tym wyższe cykle pracy umożliwiają osiągnięcie wyższych prądów obciążenia.

Synchroniczne przetwornice obniżające

W zastosowaniach, w których wymagana jest wyższa sprawność niż w przypadku asynchronicznej przetwornicy obniżającej, projektanci mogą zastosować synchroniczną przetwornicę obniżającą, w której dioda Schottky'ego jest zastąpiona synchronicznym prostownikiem MOSFET (ilustracja 2). Rezystancja synchronicznego tranzystora MOSFET (S₂) w stanie włączenia jest znacznie mniejsza niż diody Schottky'ego, w efekcie czego uzyskujemy mniejsze straty i wyższą sprawność, ale z kolei wyższy koszt.

Jednym z wyzwań jest to, że w tym przypadku konieczne jest skoordynowane włączanie i wyłączanie dwóch tranzystorów MOSFET. Jeśli oba tranzystory MOSFET zostaną włączone w tym samym czasie, powstanie zwarcie łączące napięcie wejściowe bezpośrednio z masą, co może doprowadzić do uszkodzenia lub zniszczenia przetwornicy. Zapobieganie temu zwiększa złożoność obwodu sterującego, co dodatkowo zwiększa koszty i wydłuża czas projektowania w porównaniu z konstrukcją asynchroniczną.

W przypadku tego obwodu sterującego w synchronicznej przetwornicy obniżającej pomiędzy przełączeniami występuje „czas martwy”, w którym oba przełączniki są wyłączone na bardzo krótki okres, aby zapobiec jednoczesnemu przewodzeniu. Na szczęście dla projektantów dostępne są zasilające układy scalone, które łączą w sobie tranzystory mocy MOSFET i obwody sterujące potrzebne do tworzenia przetwornic obniżających.

Ilustracja 2: topologia synchronicznej przetwornicy obniżającej z synchronicznym prostującym tranzystorem MOSFET zamiast diody Schottky'ego (S₂). (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Zintegrowane układy scalone przetwornicy obniżającej

Przykładem wysoce zintegrowanych układów scalonych przetwornicy obniżającej są urządzenia BD9G500EFJ-LA (asynchroniczna) i BD9F500QUZ (synchroniczna) firmy ROHM, dostępne odpowiednio w obudowach HTSOP-J8 i VMMP16LZ3030 (ilustracja 3). Przetwornica BD9G500EFJ-LA wytrzymuje napięcie 80V i jest przeznaczona do użytku z szynami zasilającymi 48V, które można znaleźć w stacjach bazowych 5G, serwerach i tym podobnych urządzeniach. Nadaje się również do systemów z szynami zasilanymi napięciem 60V, takich jak rowery elektryczne, elektronarzędzia, automatyka przemysłowa i urządzenia Internetu rzeczy (IoT). Jej maksymalny prąd wyjściowy wynosi 5A, a sprawność konwersji w przedziale prądów wyjściowych od 2 do 5A wynosi 85%. Niektóre z wbudowanych funkcji to miękki start, zabezpieczenie przed nadmiernym napięciem i prądem, termiczne zabezpieczenie wyłączające i blokada pracy przy zbyt niskim napięciu.

Ilustracja 3: układ scalony asynchronicznej przetwornicy obniżającej BD9G500EFJ-LA jest dostarczany w obudowie HTSOP-J8, a układ scalony synchronicznej przetwornicy obniżającej BD9F500QUZ jest dostarczany w obudowie VMMP16LZ3030. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Ponieważ zasilający układ scalony synchronicznej przetwornicy obniżającej BD9F500QUZ ma napięcie przebicia 39V, projektanci systemów z szynami zasilającymi 24V mogą wykorzystać go do obniżenia kosztów układu poprzez zmniejszenie powierzchni montażowej i liczby komponentów w systemach automatyki przemysłowej, takich jak programowane sterowniki logiczne (PLC) i falowniki. Urządzenie BD9F500QUZ pozwala zmniejszyć rozmiar rozwiązania o około 60%, a maksymalna częstotliwość przełączania wynosząca 2,2MHz umożliwia zastosowanie małej cewki indukcyjnej o pojemności 1,5μH. Ta synchroniczna przetwornica obniżająca działa ze sprawnością dochodzącą do 90% przy prądzie wyjściowym 3A.

Połączenie wysokiej sprawności i termicznie wydajnej obudowy oznacza, że temperatura robocza wynosi około 60°C bez konieczności stosowania dodatkowego chłodzenia, co pozwala zaoszczędzić miejsce, zwiększyć niezawodność i obniżyć koszty. Wbudowane funkcje obejmują rozładowanie kondensatora wyjściowego, zabezpieczenie przed nadmiernym napięciem, nadmiernym prądem i zwarciem, wyłączanie termiczne oraz blokadę pracy przy zbyt niskim napięciu.

Dobór cewki indukcyjnej i kondensatora

Mimo że urządzenia BD9G500EFJ-LA i BD9F500QUZ zawierają zintegrowane tranzystory mocy MOSFET, projektanci wciąż muszą dobrać optymalną cewkę wyjściową i kondensator, które są ze sobą powiązane. Na przykład optymalna wartość indukcyjności jest istotna dla uzyskania najmniejszych łącznych rozmiarów cewki i kondensatora wyjściowego, a także odpowiednio niskiego tętnienia napięcia wyjściowego. Ważne są również wymagania dotyczące stanów nieustalonych, które różnią się w zależności od układu. Na charakterystykę stanu nieustalonego i dobór kondensatora wpływają: amplituda stanów nieustalonych obciążenia, ograniczenia odchylenia napięcia oraz impedancja kondensatora.

Projektanci mają do dyspozycji kilka technologii kondensatorów, z których każda oferuje inny zbiór kompromisów w zakresie kosztów i wydajności. Zwykle do zwiększenia pojemności wyjściowej w przetwornicach obniżających stosuje się wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC), ale w niektórych konstrukcjach korzystne jest zastosowanie aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych lub hybrydowych kondensatorów elektrolitycznych z polimerów przewodzących.

Firma ROHM uprościła proces doboru cewki i kondensatora, oferując projektantom arkusze danych dla omawianych zasilających układów scalonych, które zawierają kompletne przykładowe obwody aplikacyjne uwzględniające:

• Napięcie wejściowe, napięcie wyjściowe, częstotliwość przełączania i prąd wyjściowy
• Schemat obwodu
• Sugerowany wykaz materiałów (BOM) z wartościami, numerami katalogowymi i producentami
• Przebiegi robocze

Trzy szczegółowe obwody aplikacyjne dla przetwornicy BD9G500EFJ-LA, wszystkie o częstotliwości przełączania 200kHz, posiadają:

• wejście od 7 do 48V₌ z wyjściem 5,0V₌ przy 5A
• wejście od 7 do 36V₌ z wyjściem 3,3V₌ i 5A
• wejście od 18 do 60V₌ z wyjściem 12V₌ i 5A

Siedem szczegółowych obwodów aplikacyjnych dla przetwornicy BD9F500QUZ posiada:

• wejście od 12 do 24V₌ z wyjściem 3,3V₌ i 5A, o częstotliwości przełączania 1MHz
• wejście od 12 do 24V₌ z wyjściem 3,3V₌ i 5A, o częstotliwości przełączania 600kHz
• wejście 5V₌ z wyjściem 3,3V₌ i 5A, o częstotliwości przełączania 1MHz
• wejście 5V₌ z wyjściem 3,3V₌ i 5A, o częstotliwości przełączania 600kHz
• wejście 12V₌ z wyjściem 1,0V₌ i 5A, o częstotliwości przełączania 1MHz
• wejście 12V₌ z wyjściem 1,0V₌ i 5A, o częstotliwości przełączania 600kHz
• wejście 12V₌ z wyjściem 3,3V₌ i 3A, o częstotliwości przełączania 2,2MHz

Ponadto firma ROHM oferuje projektantom uwagi dotyczące zastosowań pt. „Typy kondensatorów używanych do wygładzania wyjścia regulatorów przełączających i związane z nimi środki ostrożności”

Płytki ewaluacyjne przyspieszają proces projektowania

Aby jeszcze bardziej przyspieszyć proces projektowania, firma ROHM oferuje płytki ewaluacyjne BD9G500EFJ-EVK-001 i BD9F500QUZ-EVK-001 odpowiednio dla przetwornic BD9G500EFJ-LA i BD9F500QUZ (ilustracja 4).

Ilustracja 4: płytki ewaluacyjne BD9G500EFJ-EVK-001 (po lewej) i BD9F500QUZ-EVK-001 (po prawej) dla układów scalonych przetwornic BD9G500EFJ-LA i BD9F500QUZ pomagają projektantom szybko sprawdzić, czy urządzenia te spełniają ich wymagania. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Przetwornica BD9G500EFJ-EVK-001 wytwarza napięcie wyjściowe 5V₌ przy napięciu wejściowym 48V₌. Zakres napięć wejściowych przetwornicy BD9G500EFJ-LA wynosi od 7 do 76V₌, a jej napięcie wyjściowe można konfigurować w zakresie od 1V₌ do 0,97 x V_IN za pomocą rezystorów zewnętrznych. Za pomocą zewnętrznego rezystora można również ustawić częstotliwość pracy w zakresie od 100 do 650kHz.

Płytka ewaluacyjna BD9F500QUZ-EVK-001 wytwarza napięcie wyjściowe 1V₌ przy napięciu wejściowym 12V₌. Zakres napięć wejściowych przetwornicy BD9F500QUZ wynosi od 4,5 do 36V₌, a jej napięcie wyjściowe można konfigurować w zakresie od 0,6 do 14V₌ za pomocą rezystorów zewnętrznych. Omawiany zasilający układ scalony pozwala na wybranie jednej z trzech częstotliwości przełączania: 600kHz, 1MHz i 2,2MHz.

Zagadnienia dotyczące układu płytki

Oto niektóre z zagadnień dotyczących układu płytki drukowanej, które należy uwzględnić podczas korzystania z przetwornic BD9G500EFJ-LA i BD9F500QUZ:

1. Dioda zwrotna i kondensator wejściowy powinny znajdować się na tej samej warstwie płytki drukowanej co zacisk układu scalonego i jak najbliżej samego układu scalonego.
2. W miarę możliwości należy stosować przelotki termiczne w celu lepszego odprowadzania ciepła.
3. Cewkę indukcyjną i kondensator wyjściowy należy umieścić jak najbliżej układu scalonego.
4. Ścieżki obwodu powrotnego należy rozlokować z dala od źródeł zakłóceń, takich jak cewka indukcyjna i dioda.

Więcej szczegółów dotyczących rozmieszczenia można znaleźć w arkuszach danych poszczególnych urządzeń oraz w uwagach dotyczących zastosowań ROHM pt. „Techniki rozmieszczenia elementów na płytkach drukowanych przetwornic obniżających”

Podsumowanie

Asynchroniczne i synchroniczne przetwornice obniżające można wykorzystać w celu uzyskania wyższej sprawności konwersji w porównaniu z regulatorami liniowymi w różnych zastosowaniach automatyki przemysłowej, Internetu rzeczy i 5G. Chociaż możliwe jest zaprojektowanie niestandardowych przetwornic obniżających dla danego projektu, jest to zadanie złożone i czasochłonne.

Zamiast tego projektanci mogą zdecydować się na zasilające układy scalone, które łączą w sobie tranzystory mocy MOSFET oraz obwody sterujące, stanowiąc kompaktowe i ekonomiczne rozwiązania. Ponadto projektanci mają do dyspozycji szereg narzędzi przyspieszających wprowadzenie produktu na rynek, w tym uwagi dotyczące zastosowań opisujące sposób doboru kondensatorów i rozmieszczenia elementów na płytce drukowanej, szczegółowe przykładowe obwody aplikacyjne i płytki ewaluacyjne.

Rekomendowane artykuły

1. Podstawy: zrozumienie charakterystyk różnych rodzajów kondensatorów, pod kątem stosowania w odpowiedni i bezpieczny sposób
2. Prawidłowe stosowanie odpowiednich urządzeń zasilających w celu spełnienia wymagań dotyczących zasilania przemysłowego