24. februarja, 2021

Maksimiranje pretvorbe navzdol s sinhronimi DC-DC pretvorniki navzdol

Revija logo digikey 300x150 - Maksimiranje pretvorbe navzdol s sinhronimi DC-DC pretvorniki navzdolZahteva po pretvorbi visokih napetosti navzdol za napajanje integriranih vezij in drugih porabnikov je pri sistemih na področju avtomobilizma, industrijske avtomatizacije, telekomunikacij, računalništva, bele tehnike ter potrošniške elektronike, vse večja. Namen je to pretvorbo navzdol izvesti s kar največjo učinkovitostjo, kar najmanjšo toplotno obremenitvijo, nizkimi stroški in najmanjšo mogočo velikostjo rešitve.

 

Običajni asinhroni pretvorniki navzdol ponujajo potencialno cenovno ugodno rešitev, vendar z manjšimi izkoristki pretvorbe, ki ne izpolnjujejo zahtev številnih elektronskih sistemov. Razvijalci si lahko pri zasnovi kompaktnih rešitev, ki zagotavljajo večje izkoristke, pomagajo s sinhronimi DC-DC pretvorniki in sinhronimi DC-DC krmilniki.

 

V tem članku sta podana kratek opis zahtev glede zmogljivosti elektronskih sistemov za učinkovitejšo DC-DC pretvorbo in pregled razlike med asinhronimi oziroma sinhronimi DC-DC pretvorniki. V nadaljevanju predstavlja več možnosti zasnove sinhronega DC-DC pretvornika proizvajalcev Diodes, Inc., STMicroelectronics in ON Semiconductor skupaj z razvojnimi ploščami ter navodili za zasnovo, ki lahko pospešijo razvoj izjemno učinkovitih rešitev.

 

O tem, zakaj obstaja potreba po sinhronihDC-DC  pretvornikih

 Vedno večje zahteve po večji učinkovitosti vseh vrst elektronskih sistemov v kombinaciji z vse večjo zapletenostjo sistemov narekujejo ustrezen razvoj arhitektur napajalnih sistemov in topologij pretvorbe električne energije. Z naraščajočim številom neodvisnih napetostnih domen, ki podpirajo vse večjo funkcionalnost, se arhitekture porazdelitve električne energije (DPA) uporabljajo v vse več elektronskih sistemih.

 

Figure 1 1 300x171 - Maksimiranje pretvorbe navzdol s sinhronimi DC-DC pretvorniki navzdol

Slika 1: Arhitektura porazdelitve električne energije s prikazanim glavnim izoliranim AC-DC virom napajanja (v ospredju) in več neizoliranimi DC-DC pretvorniki, ki napajajo nizkonapetostne porabnike. (Vir slike: Digi-Key Electronics)

DPA namesto več izoliranih virov napajanja za napajanje različnih porabnikov vključuje en izoliran vir AC-DC napajanja, ki proizvaja razmeroma visoko razdelilno napetost, in več manjših pretvornikov navzdol, ki razdelilno napetost pretvorijo v nižjo, kot zahteva vsak posamezen porabnik (slika 1). Uporaba več pretvornikov navzdol ponuja prednosti, kot so manjša velikost, večja učinkovitost in večja zmogljivost.

 

Postopek izbire med asinhronimi oziroma sinhronimi pretvorniki navzdol temelji na kompromisih med stroški in učinkovitostjo. Če so zahtevani najnižji stroški s sprejemljivima manjšo učinkovitostjo in večjo toplotno obremenitvijo bo morda primernejša rešitev z asinhronimi pretvorniki navzdol. Če pa je učinkovitost najpomembnejša in ima prednost rešitev s hladnejšim delovanjem, je uporaba dražjega sinhronega pretvornika navzdol običajno prva izbira.

 

Sinhroni pretvorniki navzdol v primerjavi z asinhronimi

Figure 2 1 300x86 - Maksimiranje pretvorbe navzdol s sinhronimi DC-DC pretvorniki navzdol

Slika 2: Tipična uporaba asinhronega pretvornika navzdol s prikazanim izhodnim usmernikom (D1), izhodnim filtrom (L1 in Cout) ter povratnim vezjem (Cff, R1 in R2). (Vir slike: ON Semiconductor)

 Tipična uporaba asinhronega pretvornika navzdol je prikazana na sliki 2. Model LM2595 proizvajalca ON Semiconductor je monolitno integrirano vezje, ki vključuje glavno napajalno stikalno in krmilno vezje. Je notranje kompenzirano za kar najmanjše število zunanjih komponent in poenostavljeno zasnovo vira napajanja. Zagotavlja tipično učinkovitost pretvorbe 81 %, pri čemer se 19 % električne energije odvede v obliki toplote, pri rešitvi s sinhronim pretvornikom navzdol pa je tipična učinkovitost pretvorbe približno 90 %, v obliki toplote pa se odvede le 10 % električne energije. To pomeni, da so toplotne izgube v asinhronem pretvorniku navzdol skoraj dvakrat večje od toplotnih izgub v sinhronem pretvorniku navzdol. Zato uporaba sinhronega pretvornika navzdol bistveno poenostavlja upravljanje toplote z zmanjšanjem količine proizvedene toplote.

 

Figure 3 1 300x114 - Maksimiranje pretvorbe navzdol s sinhronimi DC-DC pretvorniki navzdol

Slika 3: Vezje pri uporabi sinhronega pretvornika navzdol z odstranjeno diodo zunanjega izhodnega usmernika. Zunanje filtrirne in povratne komponente so še vedno potrebne. (Vir slike: STMicroelectronics)

V sinhronem pretvorniku navzdol, kot je ST1PS01 proizvajalca STMicroelectronics, izhodni usmernik nadomešča usmerjanje sinhronega tranzistorja MOSFET (slika 3). Manjša preklopna upornost sinhronega tranzistorja MOSFET v primerjavi z izhodnim usmernikom v asinhronem pretvorniku navzdol zmanjšuje izgube in ponuja znatno večje izkoristke pretvorbe. Sinhroni MOSFET tranzistor je znotraj integriranega vezja in zmanjšuje potrebo po diodi zunanjega usmernika.

 

Večja učinkovitost in manjša toplotna obremenitev sinhronega pretvornika navzdol terjata svoj strošek. Zasnova asinhronih pretvornikov navzdol z enim MOSFET tranzistorjem za preklop napajanja in diodo za usmerjanje je preprostejša (in manjša), ker je odpravljena možnost prečne prevodnosti ali »shoot-through« toka in torej ni potrebe po krmiljenju sinhronega FET tranzistorja. Topologija sinhronega pretvornika navzdol zahteva kompleksnejši gonilnik in vezje, ki preprečuje prečno prevodnost za nadzor obeh stikal (slika 4). Za preprečitev istočasnega vklopa MOSFET tranzistorjev in posledičnega kratkega stika je potrebna večja kompleksnost, kar pomeni uporabo večjih in dražjih integriranih vezij.

Figure 4 1 300x149 - Maksimiranje pretvorbe navzdol s sinhronimi DC-DC pretvorniki navzdol

Slika 4: Blokovna shema integriranega vezja sinhronega pretvornika navzdol s prikazom dveh integriranih MOSFET tranzistorjev (ob priključku z oznako SW) in dodanega gonilnika/vezja z neprečno prevodnostjo. (Vir slike: STMicroelectronics)

 

Čeprav so sinhroni pretvorniki navzdol, krmiljeni s pulzno širinsko modulacijo, učinkovitejši v pogojih z zmerno ali polno obremenitvijo, asinhroni pretvorniki navzdol v pogojih manjše obremenitve pogostokrat ponujajo večje izkoristke pretvorbe. Kljub temu pa to ne drži več, saj izvedbe najnovejših sinhronih pretvornikov navzdol vključujejo več načinov delovanja, ki razvijalcem omogočajo optimizacijo izkoristkov pri manjši obremenitvi.

 

Sinhroni pretvornik navzdol za porazdelitev električne energije s 5- in 12-voltno napetostjo

 Za razvijalce, ki na področju porabniških izdelkov in bele tehnike uporabljajo porazdelitev električne energije s 5- in 12-voltno napetostjo, proizvajalec Diodes, Inc. ponuja 6-amperski (A) sinhroni pretvornik navzdol AP62600s širokim razponom vhodnih napetosti od 4,5 do 18 voltov. Naprava vključuje integrirana MOSFET tranzistorja s 36 miliohmi (mΩ) na strani z visoko napetostjo in MOSFET s 14 mΩ na strani z nizko napetostjo za izjemno učinkovito DC-DC pretvorbo navzdol.

 

AP62600 zaradi svojega konstantnega pravočasnega nadzora (COT) zahteva kar najmanjše število zunanjih komponent. Poleg tega zagotavlja hiter prehodni odziv, preprosto stabilizacijo zanke in nizko stopnjo valovitosti izhodne napetosti. Zasnova modela AP62600 je optimizirana za zmanjšanje elektromagnetnih motenj (EMI). Naprava vključuje shemo gonilnika lastniških vrat za omejevanje zvonjenja preklopnega vozlišča brez vpliva na čas vklopa in izklopa MOSFET tranzistorja, kar zmanjšuje emisije visokofrekvenčnega šuma EMI zaradi preklapljanja MOSFET tranzistorja. Naprava je na voljo v V-QFN2030-12 ohišju (tip A).

 

Indikator ustreznosti napetosti uporabnike opozori na morebitne napake. Programirljiv način mehkega zagona nadzira vhodni tok ob vklopu, kar oblikovalcem omogoča izvedbo sekvenčnega napajanja pri uporabi več modelov AP62600 za napajanje velikih integriranih naprav, kot so programirljive matrike logičnih vrat (FPGA), integrirana vezja za določeno aplikacijo (ASIC), procesorji digitalnih signalov (DSP) in mikroprocesorske enote (MPU).

 

AP62600 razvijalcem ponuja izbiro treh načinov delovanja za specifične potrebe posameznih aplikacij (slika 5). Pulzno-frekvenčna modulacija (PFM) omogoča izjemno učinkovitost pri vseh obremenitvah. Drugi razpoložljivi načini vključujejo modulacijo pulzne širine (PWM) za kar največjo učinkovitost valovitosti in ultrazvočni način (USM) za preprečevanje slišnega šuma pri manjših obremenitvah.

Figure 5 300x164 - Maksimiranje pretvorbe navzdol s sinhronimi DC-DC pretvorniki navzdol

Slika 5: AP62600 razvijalcem ponuja izbiro treh načinov delovanja za potrebe posameznih aplikacij: PFM, USM in PWM. (Vir slike: Diodes, Inc.)

 

Za pomoč pri začetku uporabe modela AP62600 proizvajalec Diodes, Inc. razvijalcem ponuja razvojno ploščo AP62600SJ-EVM (slika 6). AP62600SJ-EVM vključuje preprosto postavitev in omogoča dostop do ustreznih signalov prek testnih točk.

 

Sinhroni pretvornik navzdol za 24-voltna vodila

 L6983CQTR proizvajalca STMicroelectronics z razponom vhodnih napetosti od 3,5 do 38 voltov zagotavlja izhodni tok do 3 A. Razvijalci lahko L6983 uporabljajo v širokem naboru aplikacij, vključno s 24-voltnimi industrijskimi napajalnimi sistemi, 24-voltno baterijsko napajano opremo, decentralizirana pametna vozlišča, senzorje ter aplikacije z neprekinjenim vklopom in nizko ravnjo šuma.

 

Figure 6 300x270 - Maksimiranje pretvorbe navzdol s sinhronimi DC-DC pretvorniki navzdol

Slika 6: Razvojna plošča AP62600SJ-EVM zagotavlja preprosto in priročno okolje za ocenjevanje modela AP62600. (Vir slike: Digi-Key Electronics)

L6983 temelji na arhitekturi načina vršnega toka z notranjo kompenzacijo in je na voljo v QFN16 ohišju velikosti 3 x 3 mm za kar najmanjšo kompleksnost in velikost zasnove. L6983 je na voljo tako v različici z načinom za nizko porabo (LCM) kot v različici z načinom za nizko raven šuma (LNM). LCM omogoča kar največjo učinkovitost pri manjših obremenitvah z nadzorovano valovitostjo izhodne napetosti, zaradi česar je naprava primerna za aplikacije z baterijsko napajano opremo. LNM zagotavlja konstantno preklopno frekvenco in zmanjšano valovitost izhodne napetosti za manjše obremenitve v skladu s specifikacijami za aplikacije, občutljive na šum. L6983 omogoča izbiro preklopne frekvence v razponu od 200 kilohertzov (kHz) do 2,3 megahertzov (MHz) z izbirnim razpršenim spektrom za izboljšano elektromagnetno združljivost.

 

STMicroelectronics ponuja razvojno ploščo STEVAL-ISA209V1, ki razvijalcem omogoča odkrivanje zmogljivosti sinhronega monolitnega regulatorja navzdol L6983 in pospešeno snovanje.

 

Sinhroni krmilnik navzdol za računalniške in telekomunikacijske zasnove

 NCP1034DR2G proizvajalca ON Semiconductor je visokonapetostni PWM krmilnik, zasnovan za aplikacije z izjemno zmogljivimi sinhronimi DC-DC pretvorniki z vhodnimi napetostmi do 100 voltov. Ta naprava je zasnovana za uporabo pri pretvorbi 48-voltnega neizoliranega vira napajanja v vdelanih aplikacijah na področju telekomunikacij, omrežij in računalništva. NCP1034 napaja zunanja N-kanalna MOSFET tranzistorja, kot je prikazano na sliki 7.

Figure 7 300x144 - Maksimiranje pretvorbe navzdol s sinhronimi DC-DC pretvorniki navzdol

Slika 7: Tipična aplikacijska shema za integrirano vezje sinhronega pretvornika navzdol NCP1036 s prikazanima MOSFET tranzistorjema na straneh z visoko in nizko napetostjo (Q1 in Q2). (Vir slike: ON Semiconductor)

 

NCP1036 vključuje programirljivo preklopno frekvenco od 25 kHz do 500 kHz in sinhronizacijskimpriključkom, ki omogoča zunanji nadzor preklopne frekvence. S frekvenčnima krmilnikoma lahko razvijalci izberejo optimalno vrednost za posamezno specifično aplikacijo in sinhronizirajo delovanje več NCP1034 krmilnikov. Naprava vključuje tudi uporabniško programirljiv podnapetostno zaščito in zaščito pred preobremenitvijo s tokovno omejitvijo. Za nizkonapetostne zasnove se notranje omejena 1,25-voltna referenčna napetost lahko uporabi za natančnejšo regulacijo izhodne napetosti.

 

Zaščito naprave in sistema zagotavljajo štiri podnapetostna zaščitna vezja. Tri so dodeljena specifičnim funkcijam: dvoje vezij zagotavlja zaščito za gonilnike na straneh z visoko in nizko napetostjo, eno pa zagotavlja zaščito pred prezgodnjim zagonom integriranega vezja, še preden je VCC pod nastavljenim pragom. Četrto podnapetostno zaščitno vezje lahko razvijalec programira z uporabo zunanjega uporovnega delilnika: dokler VCC ne doseže uporabniško nastavljene vrednosti, ostane krmilnik izklopljen.

 

Figure 8 300x253 - Maksimiranje pretvorbe navzdol s sinhronimi DC-DC pretvorniki navzdol

Slika 8: Razvojna plošča NCP1034BCK5VGEVB vključuje več možnosti, ki so razvijalcem v pomoč pri hitrem začetku razvijanja novih zasnov. (Vir slike: Digi-Key Electronics)

Za pomoč pri začetku uporabe modela NCP1034 proizvajalec ON Semiconductor razvijalcem ponuja razvojno ploščo NCP1034BCK5VGEVB (slika 8). Ta razvojna plošča je zasnovana z več možnostmi za različne potrebe sistema. Linearni regulator napaja integrirano vezje, razvijalec pa lahko z izbiro ustreznega upora določi, ali se napajanje izvaja prek Zener diode ali visokonapetostnega tranzistorja. Poleg tega lahko razvijalci izberejo kompenzacijo drugega tipa (napetostni način) ali tretjega tipa (tokovni način), izhodne keramične ali elektrolitske kondenzatorje in različne vrednosti vhodne kapacitivnosti. Na voljo sta dva glavnapriključka: eden za preprosto povezavo zunanjega vira sinhronizacijskega impulza, ki omogoča neposredno povezavo plošče z drugo NCP1034 razvojno ploščo, ter drugi za povezavo s SS/SD priključkom, ki se lahko uporabi za zaustavitev krmilnika, kadar je povezana z ozemljitvenim vodnikom.

 

Zaključek

Potreba po pretvorbi visokih napetosti vodil v nizke napetosti za napajanje integriranih vezij in drugih porabnikov je pri sistemih na področju avtomobilizma, industrijske avtomatizacije, telekomunikacij, računalništva, bele tehnike ter potrošniške elektronike, vedno večja.

 

Kot je opisano, si lahko razvijalci za izvedbo pretvorbe navzdol s kar največjo učinkovitostjo, kar najmanjšo toplotno obremenitvijo, nizkimi stroški in najmanjšo mogočo velikostjo rešitve, pomagajo s sinhronimi pretvorniki napetosti navzdol.

Avtor: Rolf Horn

2021-294