Dlaczego i w jaki sposób używać synchronicznych obniżających przetwornic prądu stałego, aby zmaksymalizować sprawność obniżania

Potrzeba obniżenia wysokich napięć magistrali do niższych napięć w celu zasilania układów scalonych i innych odbiorników rośnie w wielu systemach, w tym w motoryzacji, automatyce przemysłowej, telekomunikacji, informatyce, sprzęcie AGD i elektronice użytkowej. Wyzwaniem dla projektantów jest przeprowadzenie tego obniżenia z maksymalną sprawnością, minimalnym obciążeniem termicznym, przy niskich kosztach i jak najmniejszym rozmiarze rozwiązania.

Konwencjonalne, asynchroniczne przetwornice obniżające stanowią potencjalnie tanie rozwiązanie, jednak mają również niższą sprawność konwersji, która nie spełnia potrzeb wielu układów elektronicznych. Podczas tworzenia kompaktowych rozwiązań wysokiej sprawności projektanci mogą skorzystać z synchronicznych przetwornic prądu stałego i synchronicznych kontrolerów prądu stałego.

W tym artykule krótko opisano wymagania eksploatacyjne układów elektronicznych dla wysokosprawnych przetwornic prądu stałego oraz omówiono różnice pomiędzy asynchronicznymi i synchronicznymi przetwornicami prądu stałego. Następnie przedstawiono kilka opcji konstrukcyjnych synchronicznych przetwornic prądu stałego firm Diodes Inc., STMicroelectronics oraz ON Semiconductor razem z płytkami ewaluacyjnymi i wskazówkami projektowymi, które mogą ułatwić tworzenie rozwiązań wysokiej sprawności.

Dlaczego potrzebne są synchroniczne przetwornice prądu stałego

Rosnące wymagania dotyczące wyższej sprawności we wszystkich typach systemów elektronicznych w połączeniu z rosnącą złożonością systemów powodują adekwatną ewolucję architektur systemów zasilania i topologii konwersji energii. Wraz z rosnącą liczbą niezależnych stref napięciowych do obsługi coraz większej liczby funkcjonalności, architektury zasilania rozproszonego (DPA) są stosowane w coraz większej liczbie systemów elektronicznych.

Zamiast kilku izolowanych źródeł do zasilania różnych odbiorników, architektura DPA posiada jeden izolowany zasilacz prądu zmiennego/stałego, który wytwarza stosunkowo wysokie napięcie dystrybucyjne, oraz wiele mniejszych przetwornic obniżających, które przekształcają napięcie dystrybucyjne na niższe, zgodnie z wymaganiami poszczególnych odbiorników (ilustracja 1). Zastosowanie wielu przetwornic obniżających oferuje korzyści w postaci mniejszych rozmiarów, wyższej sprawności i lepszych parametrów pracy.

Ilustracja 1: architektura zasilania rozproszonego z głównym, izolowanym zasilaczem prądu zmiennego/stałego (w układzie front end) i wieloma nieizolowanymi przetwornicami prądu stałego zasilającymi odbiorniki niskiego napięcia. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Proces wyboru pomiędzy asynchronicznymi i synchronicznymi przetwornicami obniżającymi jest oparty na kompromisie pomiędzy kosztem a sprawnością. Jeśli wymagany jest najniższy koszt rozwiązania i można zaakceptować niższą sprawność oraz wyższe obciążenie termiczne, preferowane może być asynchroniczne rozwiązanie obniżające. Z drugiej strony, jeśli priorytetem jest sprawność i preferowane jest rozwiązanie wytwarzające mniej ciepła, droższa synchroniczna przetwornica obniżająca jest z reguły lepszym wyborem.

Synchroniczne i asynchroniczne przetwornice obniżające

Typowe zastosowanie asynchronicznej przetwornicy obniżającej przedstawiono na ilustracji 2. Urządzenie LM2595 firmy ON Semiconductor jest monolitycznym układem scalonym, który zawiera przełącznik główny zasilania i obwód sterujący. Zawiera on wewnętrzną kompensację w celu zminimalizowania liczby komponentów zewnętrznych i uproszczenia konstrukcji zasilacza. Zapewnia on typową sprawność konwersji na poziomie 81% i rozprasza 19% mocy w postaci ciepła, podczas gdy synchroniczne rozwiązanie obniżające będzie miało typową sprawność konwersji około 90%, rozpraszając tylko 10% mocy w postaci ciepła. Oznacza to, że straty cieplne w asynchronicznej przetwornicy obniżającej są prawie dwukrotnie wyższe od strat termicznych w synchronicznej przetwornicy obniżającej. Dlatego zastosowanie synchronicznej przetwornicy obniżającej znacznie upraszcza odprowadzanie ciepła przez ograniczenie ilości generowanego ciepła.

Ilustracja 2: typowe zastosowanie asynchronicznej przetwornicy obniżającej napięcie z prostownikiem wyjściowym (D1), filtrem wyjściowym (L1 i Cout) oraz siecią sprzężenia zwrotnego (Cff, R1 i R2). (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

W synchronicznej przetwornicy obniżającej napięcie, takiej jak ST1PS01 od firmy STMicroelectronics, prostownik wyjściowy jest zastąpiony synchronicznym układem prostowniczym MOSFET (ilustracja 3). Niższa rezystancja włączenia synchronicznego układu MOSFET w porównaniu z prostownikiem wyjściowym w asynchronicznej przetwornicy obniżającej ogranicza straty i pozwala uzyskać znacznie wyższe sprawności konwersji. Synchroniczny układ MOSFET jest częścią obwodu scalonego, eliminując potrzebę zewnętrznej diody prostowniczej.

Ilustracja 3: obwód zastosowania synchronicznej przetwornicy obniżającej ilustrujący wyeliminowanie zewnętrznej, wyjściowej diody prostowniczej. Zewnętrzne komponenty filtrowania i sprzężenia zwrotnego są nadal wymagane. (Źródło obrazu: STMicroelectronics)

Istnieje jednak koszt wyższej sprawności i niższego obciążenia cieplnego uzyskiwanych dzięki synchronicznej przetwornicy obniżającej. Posiadające pojedynczy, przełączający tranzystor mocy MOSFET i diodę prostowniczą kontrolery asynchronicznej przetwornicy obniżającej są znacznie prostsze (i mniejsze), ponieważ nie trzeba uwzględniać możliwości przewodzenia krzyżowego, czy przewodzenia jednoczesnego i nie ma synchronicznego układu FET, którym trzeba sterować. Topologia synchronicznej przetwornicy obniżającej wymaga bardziej skomplikowanego układu sterującego i zapobiegającego przewodzeniu krzyżowemu do sterowania oboma przełącznikami (ilustracja 4). Zapewnienie, aby oba tranzystory MOSFET nie włączały się jednocześnie i nie tworzyły bezpośredniego zwarcia, wymaga większej złożoności i skutkuje większymi i droższymi układami scalonymi.

Ilustracja 4: schemat blokowy układu scalonego synchronicznej przetwornicy obniżającej przedstawiający dwa zintegrowane tranzystory MOSFET (przy wtyku oznaczonym „SW”) i dodany obwód sterujący/zapobiegający przewodzeniu krzyżowemu. (Źródło obrazu: STMicroelectronics)

Chociaż synchroniczne przetwornice obniżające sterowane modulacją szerokości impulsu mają wyższą sprawność w warunkach umiarkowanego lub pełnego obciążenia, asynchroniczne przetwornice obniżające często zapewniają wyższą sprawność konwersji w warunkach niewielkiego obciążenia. Staje się to jednak coraz rzadsze, ponieważ najnowsze realizacje synchronicznych przetwornic obniżających obejmują wiele trybów pracy, które umożliwiają projektantom optymalizację sprawności przy niskim obciążeniu.

Synchroniczna przetwornica obniżająca do rozdziału zasilania o napięciu 5V i 12V

Projektantom używającym rozdziału zasilania o napięciu 5V i 12V w produktach konsumenckich i AGD firma Diodes Inc. oferuje układ AP62600, czyli synchroniczną przetwornicę obniżającą o natężeniu prądu 6A przy szerokim zakresie wejściowym od 4,5 do 18V. Urządzenie zawiera zintegrowany tranzystor mocy MOSFET 36mΩ po stronie wysokiej i tranzystor MOSFET 14mΩ po stronie niskiej, aby zapewnić wysokosprawną konwersję obniżającą napięcie prądu stałego.

Układ AP62600 wymaga niewielu komponentów zewnętrznych dzięki zastosowaniu sterowania w trybie COT (Constant-On-Time). Zapewnia on również szybką odpowiedź impulsową, łatwą stabilizację pętli i niskie tętnienia napięcia wyjściowego. Konstrukcja układu AP62600 jest zoptymalizowana pod kątem ograniczenia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). W urządzeniu zastosowano zastrzeżony schemat sterownika bramki ograniczający oscylacje komutacyjne węzła przełączającego bez pogorszenia czasu włączania i wyłączania tranzystora MOSFET, co ogranicza wypromieniowywane zakłócenia EMI wysokiej częstotliwości, wywoływane przełączaniem tranzystora MOSFET. Urządzenie jest dostępne w obudowie V-QFN2030-12 (typ A).

Jest ono wyposażone we wskaźnik prawidłowego zasilania, który informuje użytkowników o ewentualnie występujących stanach usterek. Programowany tryb płynnego uruchamiania kontroluje prąd rozruchowy przy włączaniu zasilania, umożliwiając projektantom wdrożenie sekwencjonowania zasilania w przypadku używania wielu modułów AP62600 do zasilania dużych urządzeń zintegrowanych, takich jak bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA), specjalizowane układy scalone (ASIC), cyfrowe procesory sygnałowe (DSP) i jednostki mikroprocesorowe (MPU).

Układ AP62600 daje projektantom wybór trzech trybów pracy spełniających określone potrzeby indywidualnych zastosowań (ilustracja 5). Umożliwia on uzyskanie wysokiej sprawności dla wszystkich odbiorników dzięki pracy w trybie modulacji częstotliwości impulsów (PFM). Inne dostępne tryby obejmują modulację szerokości impulsu (PWM) pozwalającą uzyskać najlepszą charakterystykę tętnień oraz tryb ultradźwiękowy (USM), który pozwala uniknąć słyszalnego hałasu przy niewielkim obciążeniu.

Ilustracja 5: układ AP62600 daje projektantom wybór trzech trybów pracy spełniających potrzeby indywidualnych zastosowań: PFM, USM i PWM. (Źródło ilustracji: Diodes, Inc.)

Aby ułatwić projektantom rozpoczęcie korzystania z układu AP62600, firma Diodes Inc. oferuje płytkę ewaluacyjną AP62600SJ-EVM (ilustracja 6). Płytka AP62600SJ-EVM ma prosty układ i zapewnia dostęp do odpowiednich sygnałów w punktach pomiarowych.

Ilustracja 6: płytka ewaluacyjna AP62600SJ-EVM to proste i wygodne środowisko ewaluacyjne układu AP62600. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Synchroniczna przetwornica obniżająca dla magistral 24V

Układ L6983CQTR firmy STMicroelectronics ma zakres wejściowy od 3,5 do 38V i zapewnia prąd wyjściowy o natężeniu do 3A. Projektanci mogą korzystać z układu L6983 w szerokim zakresie zastosowań, w tym przemysłowych systemach zasilania 24V, urządzeniach z zasilaniem bateryjnym 24V, w zdecentralizowanych węzłach inteligentnych, czujnikach, w zastosowaniach zawsze włączonych i niskoszumowych.

Układ L6983 jest oparty na architekturze trybu prądu szczytowego z wewnętrzną kompensacją i jest umieszczony w obudowie QFN16 o wymiarach 3mm x 3mm, co minimalizuje złożoność konstrukcyjną i rozmiar. Układ L6983 jest dostępny zarówno w trybie niskiego zużycia energii (LCM), jak i w trybie niskoszumowym (LNM). Tryb niskiego zużycia energii (LCM) maksymalizuje sprawność przy niewielkim obciążeniu z kontrolowanym tętnieniem napięcia wyjściowego, dzięki czemu urządzenie nadaje się do zastosowań z zasilaniem bateryjnym. W trybie niskoszumowym (LNM) częstotliwość przełączania jest stała, a tętnienia napięcia wyjściowego zminimalizowane dla pracy przy niewielkim obciążeniu, spełniając specyfikacje dla zastosowań wrażliwych na zakłócenia. Układ L6983 umożliwia wybór częstotliwości przełączania w zakresie od 200kHz do 2,3MHz z opcjonalnym rozproszonym widmem dla poprawy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).

Firma STMicroelectronics oferuje płytkę ewaluacyjną STEVAL-ISA209V1, która umożliwia projektantom poznanie możliwości monolitycznego synchronicznego regulatora obniżającego L6983 i szybkie rozpoczęcie projektowania.

Synchroniczny kontroler obniżający dla projektów komputerowych i telekomunikacyjnych

Układ NCP1034DR2G firmy ON Semiconductor jest wysokonapięciowym kontrolerem z modulacją szerokości impulsu (PWM) zaprojektowanym do zastosowań w wysokosprawnych przetwornicach obniżających prądu stałego pracujących przy napięciach wejściowych do 100V. Urządzenie przeznaczone jest do użycia w nieizolowanej konwersji zasilania 48V we wbudowanych zastosowaniach telekomunikacyjnych, sieciowych i komputerowych. Układ NCP1034 steruje parą zewnętrznych, tranzystorów MOSFET z kanałem N, jak pokazano na ilustracji 7.

Ilustracja 7: typowy obwód zastosowania dla układu scalonego NCP1036 synchronicznego kontrolera obniżającego, przedstawiający tranzystory MOSFET po stronie wysokiej i niskiej (odpowiednio Q1 i Q2). (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Układ NCP1036 umożliwia korzystanie z częstotliwości przełączania programowanej w zakresie od 25kHz do 500kHz i zawiera wtyk synchronizacji, który umożliwia zewnętrzne sterowanie tą częstotliwością. Zapewnienie obu tych mechanizmów regulacji częstotliwości umożliwia projektantom wybór optymalnej wartości dla danego zastosowania oraz synchronizację działania wielu kontrolerów NCP1034. Urządzenie zawiera również programowaną przez użytkownika blokadę pracy przy zbyt niskim napięciu oraz prądowe zabezpieczenie ograniczające typu hiccup. W przypadku projektów niskonapięciowych można uzyskać precyzyjniejszą regulację napięcia wyjściowego dzięki użyciu wewnętrznie dostrajanego napięcia referencyjnego 1,25V.

Urządzenie zawiera również cztery obwody blokady pracy przy zbyt niskim napięciu chroniące urządzenie i system. Trzy z nich są dedykowane do określonych funkcji; dwa chronią zewnętrzne sterowniki po stronie wysokiego i niskiego napięcia, a jeden chroni układ scalony przed przedwczesnym uruchomieniem, zanim napięcie VCC znajdzie się poniżej ustalonej wartości progowej. Projektant może programować czwarty obwód blokady pracy przy zbyt niskim napięciu za pomocą zewnętrznego dzielnika rezystorowego: tak długo, jak napięcie VCC jest poniżej wartości progowej ustawionej przez użytkownika, kontroler pozostaje wyłączony.

Aby ułatwić projektantom rozpoczęcie korzystania z układu NCP1034, firma ON Semiconductor oferuje płytkę ewaluacyjną NCP1034BCK5VGEVB (ilustracja 8). Ta płytka ewaluacyjna została zaprojektowana z kilkoma opcjami, aby uwzględnić potrzeby różnych systemów. Układ scalony jest zasilany przez regulator liniowy, a projektant może wybrać, czy będzie to się odbywać przez diodę Zenera, czy przez tranzystor wysokonapięciowy, wybierając odpowiedni rezystor. Projektanci mają również do wyboru kompensację drugiego typu (tryb napięciowy) lub trzeciego typu (tryb prądowy), ceramiczne lub elektrolityczne kondensatory wyjściowe i różne wartości pojemności wejściowej. Dostępne są dwa wtyki listwy: jeden do łatwego łączenia z zewnętrznym źródłem impulsów synchronizujących, aby umożliwić bezpośrednie połączenie płytki z drugą płytką ewaluacyjną NCP1034; drugi do łączenia z wtykiem SS/SD, który może być używany do wyłączania kontrolera przez połączenie go z masą.

Ilustracja 8: płytka ewaluacyjna NCP1034BCK5VGEVB zawiera wiele opcji, dzięki którym projektanci mogą szybko rozpocząć prace nad nowymi konstrukcjami. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Podsumowanie

Potrzeba obniżenia wysokich napięć magistrali do niższych napięć w celu zasilenia układów scalonych i innych odbiorników coraz częściej pojawia się w wielu systemach, w tym w motoryzacji, automatyce przemysłowej, telekomunikacji, informatyce, sprzęcie AGD i elektronice użytkowej.

Projektanci mogą korzystać z synchronicznych przetwornic obniżających napięcie, aby wdrażać rozwiązania o maksymalnej sprawności, minimalnym obciążeniu termicznym, przy niskim koszcie i najniższej możliwej wielkości rozwiązania.

Rekomendowane artykuły

1. Niesynchroniczne przetwornice obniżające napięcie zapewniają wyższą sprawność przy niższych obciążeniach
2. Wiele wyjść z jednej synchronicznej przetwornicy obniżającej - to łatwe!