Rychlá implementace snižovačů napětí pro automatizaci továren, 5G a IoT

V mnoha elektronických systémech, jako jsou základnové stanice 5G, zařízení pro automatizaci továren (FA) a zařízení internetu věcí (IoT), se široce používají DC/DC snižovače napětí, aby se vysoké napětí efektivně snížilo. Například napětí, jako je 12 V_DC nebo 48 V_DC z baterie nebo sběrnice rozvodu energie, je často potřeba převést na nižší napětí pro napájení digitálních integrovaných obvodů, analogových senzorů, radiofrekvenčních (RF) sekcí a zařízení rozhraní.

Zatímco konstruktéři mohou implementovat diskrétní snižovač napětí a optimalizovat jej pro konkrétní návrh, pokud jde o výkonnostní charakteristiky a uspořádání desky, přináší tento přístup problémy. Patří mezi ně výběr vhodného výkonového tranzistoru MOSFET, návrh zpětnovazební a řídicí sítě, návrh induktoru a volba mezi asynchronní nebo synchronní topologií. Návrh musí také zahrnovat četné ochranné funkce, poskytovat maximální účinnost a nabízet malou velikost řešení. Konstruktéři jsou zároveň tlačeni ke zkrácení doby návrhu a snížení nákladů, což vede k potřebě nalézt vhodnější alternativy převodníků energie.

Namísto diskrétní cesty mohou konstruktéři využít integrované obvody integrovaného napájení, které kombinují tranzistory MOSFET s nezbytnými zpětnovazebními a řídicími obvody, které jsou již optimalizovány pro vysoce účinné snižovače napětí.

V tomto článku jsou shrnuty kompromisy týkající se výkonu mezi asynchronními a synchronními DC/DC snižovači napětí a to, jak se mapují do potřeb konkrétních aplikací. Je zde představen příklad řešení integrovaného obvodu integrovaného asynchronního a synchronního snižovače napětí od společnosti ROHM Semiconductor a dále je zde pojednáno o aspektech implementace, včetně výběru výstupního induktoru, kondenzátoru a rozložení desky plošných spojů. Popsány jsou i vyhodnocovací desky, které pomohou konstruktérům začít.

Proč používat snižovač napětí?

V aplikacích, které potřebují několik ampérů proudu, poskytuje snižovač napětí účinnější alternativu k lineárnímu regulátoru. Lineární regulátor může mít účinnost kolem 60 %, zatímco asynchronní snižovač napětí může mít účinnost 85 % a více.

Základní asynchronní snižovač napětí se skládá ze spínače MOSFET, Schottkyho diody, kondenzátoru, induktoru a obvodu řídicí jednotky / řadiče (nezobrazeno) k zapínání a vypínání tranzistoru MOSFET (obrázek 1). Snižovač napětí odebírá stejnosměrné vstupní napětí (V_IN) a převádí jej na pulzující střídavý proud, který je usměrňován diodou, poté filtrován induktorem a kondenzátorem, aby se vytvořilo regulované stejnosměrné výstupní napětí (V_O). Tato topologie dostala svůj název podle skutečnosti, že napětí na induktoru odporuje nebo „snižuje“ vstupní napětí.

Obrázek 1: Topologie asynchronního snižovače napětí bez obvodu řídicí jednotky / řadiče MOSFET. (Zdroj obrázku: společnost ROHM Semiconductor)

Obvod řídicí jednotky / řadiče snímá výstupní napětí a periodicky zapíná a vypíná tranzistor MOSFET, aby se výstupní napětí udrželo na požadované úrovni. Se změnou zatížení mění řídicí jednotka / řadič dobu, po kterou je tranzistor MOSFET zapnutý, aby dodal podle potřeby více či méně proudu na výstup k udržení (regulaci) výstupního napětí. Procento času, po který je tranzistor MOSFET během jednoho úplného cyklu zapnutí a vypnutí zapnutý, se nazývá pracovní cyklus. Vyšší pracovní cykly jako takové podporují vyšší zátěžové proudy.

Synchronní snižovače napětí

V aplikacích, které vyžadují vyšší účinnosti, než jaké jsou možné s asynchronním snižovačem napětí, mohou konstruktéři využít synchronní snižovač napětí, ve kterém je Schottkyho dioda nahrazena synchronním usměrněním tranzistorem MOSFET (obrázek 2). Synchronní tranzistor MOSFET (S₂) má odpor při zapnutí výrazně nižší, než je odpor Schottkyho diody, což vede k nižším ztrátám a vyšší účinnosti, ale s vyššími náklady.

Jedním z problémů je, že nyní existují dva tranzistory MOSFET, které je třeba koordinovaně zapínat a vypínat. Pokud by se oba tranzistory MOSFET zapnuly současně, vytvořil by se zkrat spojující vstupní napětí přímo se zemí a převodník by se poškodil nebo zničil. Opatření k zabránění této situace zvyšuje složitost řídicího obvodu, což ve srovnání s asynchronním návrhem dále zvyšuje náklady a prodlužuje dobu návrhu.

Tento řídicí obvod v synchronním snižovači napětí zahrnuje „mrtvou dobu“ mezi spínacími přechody, kdy jsou oba spínače na velmi krátkou dobu vypnuty, aby se zabránilo současnému vedení. Naštěstí pro konstruktéry jsou k dispozici integrované obvody napájení, které integrují výkonové tranzistory MOSFET a řídicí obvody potřebné k produkci snižovačů napětí.

Obrázek 2: Topologie synchronního snižovače napětí znázorňující nahrazení Schottkyho diody synchronním usměrňovacím tranzistorem MOSFET (S₂). (Zdroj obrázku: společnost ROHM Semiconductor)

Integrované obvody integrovaného snižovače napětí

Příklady integrovaných obvodů vysoce integrovaných snižovačů napětí jsou zařízení BD9G500EFJ-LA (asynchronní) a BD9F500QUZ (synchronní) od společnosti ROHM, která se dodávají v pouzdru HTSOP-J8 a VMMP16LZ3030 (obrázek 3). Model BD9G500EFJ-LA má výdržné napětí 80 V a je určen pro použití se 48V napájecími sběrnicemi, které se nacházejí v 5G základnových stanicích, serverech a podobných aplikacích. Je také vhodný pro systémy s napájecími sběrnicemi 60 V, jako jsou elektrická kola, elektrické nářadí, FA a zařízení IoT. Zařízení může dodávat až 5 A výstupního proudu a má v rozsahu výstupního proudu 2 až 5 A účinnost převodu energie 85 %. Mezi vestavěné funkce patří měkký start, ochrana proti přepětí, nadproudu a přehřátí a podpěťové blokování.

Obrázek 3: Integrovaný obvod asynchronního snižovače napětí BD9G500EFJ-LA se dodává v pouzdře HTSOP-J8 a integrovaný obvod synchronního snižovače napětí BD9F500QUZ se dodává v pouzdře VMMP16LZ3030. (Zdroj obrázku: společnost ROHM Semiconductor)

Vzhledem k tomu, že integrovaný obvod napájení synchronního snižovače napětí BD9F500QUZ má průrazné napětí 39 V, konstruktéři systémů s 24V napájecími sběrnicemi jej mohou využít ke snížení systémových nákladů zmenšením montážní plochy a počtu součástí v systémech FA, jako jsou programovatelné logické řadiče („programmable logic controller“, PLC) a invertory. Model BD9F500QUZ redukuje velikost řešení asi o 60 % a maximální spínací frekvence 2,2 MHz umožňuje použití malého 1,5μH induktoru. Tento synchronní snižovač napětí pracuje s účinností až 90 % s výstupním proudem 3 A.

Kombinace vysoké účinnosti a tepelně účinného pouzdra znamená, že jeho provozní teplota je kolem 60 °C bez potřeby jakéhokoli chladiče, čímž šetří místo, zvyšuje spolehlivost a snižuje náklady. Mezi vestavěné funkce patří funkce vybíjení kondenzátoru, ochrana proti přepětí, nadproudu a zkratu, vypnutí při přehřívání a podpěťová ochrana.

Výběr induktoru a kondenzátoru

Zatímco modely BD9G500EFJ-LA a BD9F500QUZ mají integrované výkonové tranzistory MOSFET, konstruktéři stále potřebují vybrat optimální výstupní induktor a kondenzátor, které jsou vzájemně propojené. Například optimální hodnota indukčnosti je důležitá pro získání nejmenších kombinovaných velikostí pro induktor a výstupní kondenzátor a také pro dostatečně nízké zvlnění výstupního napětí. Důležité jsou také požadavky přechodových jevů, které se liší systém od systému. Výkon přechodových jevů a výběr kondenzátoru ovlivňují amplituda zátěžového přechodového jevu, omezení odchylky napětí a impedance kondenzátoru.

Konstruktéři mají k dispozici několik technologií kondenzátorů, z nichž každá nabízí jinou sadu kompromisů mezi cenou a výkonem. Obvykle se pro výstupní kapacitu ve snižovačích napětí používají vícevrstvé keramické kondenzátory („multilayer ceramic capacitor“, MLCC), ale některé konstrukce mohou využívat výhody použití hliníkových elektrolytických kondenzátorů nebo vodivých polymerových hybridních elektrolytických kondenzátorů.

Společnost ROHM zjednodušila proces výběru induktoru a kondenzátoru tím, že konstruktérům pro tyto integrované obvody napájení nabídla kompletní obvody příkladů aplikací v katalogových listech, včetně vlastností:

• Vstupní napětí, výstupní napětí, spínací frekvence a výstupní proud
• Schéma obvodu
• Doporučený kusovník (BOM) s hodnotami, čísly dílů a výrobci
• Provozní vlnové křivky

Tři podrobné obvody aplikací pro model BD9G500EFJ-LA, všechny se spínací frekvencí 200 kHz, zahrnují:

• Vstup 7 až 48 V_DC s výstupem 5,0 V_DC při 5 A
• Vstup 7 až 36 V_DC s výstupem 3,3 V_DC při 5 A
• Vstup 18 až 60 V_DC s výstupem 12 V_DC při 5 A

Sedm podrobných obvodů aplikací pro model BD9F500QUZ zahrnuje:

• Vstup 12 až 24 V_DC s výstupem 3,3 V_DC a 5 A se spínací frekvencí 1 MHz
• Vstup 12 až 24 V_DC s výstupem 3,3 V_DC a 5 A se spínací frekvencí 600 kHz
• Vstup 5 V_DC s výstupem 3,3 V_DC a 5 A se spínací frekvencí 1 MHz
• Vstup 5 V_DC s výstupem 3,3 V_DC a 5 A se spínací frekvencí 600 kHz
• Vstup 12 V_DC s výstupem 1,0 V_DC a 5 A se spínací frekvencí 1 MHz
• Vstup 12 V_DC s výstupem 1,0 V_DC a 5 A se spínací frekvencí 600 kHz
• Vstup 12 V_DC s výstupem 3,3 V_DC a 3 A se spínací frekvencí 2,2 MHz

Kromě toho nabízí společnost ROHM konstruktérům aplikační poznámku „Typy kondenzátorů pro vyhlazování výkonu spínacích regulátorů a jejich opatření“.

Vyhodnocovací desky k urychlení procesu návrhu

K dalšímu urychlení procesu navrhování nabízí společnost ROHM pro zařízení BD9G500EFJ-LA a BD9F500QUZ vyhodnocovací desky BD9G500EFJ-EVK-001 a BD9F500QUZ-EVK-001 (v tomto pořadí) (obrázek 4).

Obrázek 4: Vyhodnocovací desky BD9G500EFJ-EVK-001 (vlevo) a BD9F500QUZ-EVK-001 (vpravo) pro integrované obvody snižovačů napětí BD9G500EFJ-LA a BD9F500QUZ pomáhají konstruktérům rychle zajistit, aby zařízení splňovala jejich požadavky. (Zdroj obrázku: společnost ROHM Semiconductor)

Deska BD9G500EFJ-EVK-001 produkuje výstup 5 V_DC ze vstupu 48 V_DC. Rozsah vstupního napětí snižovače napětí BD9G500EFJ-LA je 7 až 76 V_DC a jeho výstupní napětí je konfigurovatelné od 1 V_DC do 0,97 x V_IN s externími rezistory. K nastavení provozní frekvence mezi 100 a 650 kHz lze také použít externí rezistor.

Vyhodnocovací deska BD9F500QUZ-EVK-001 produkuje výstup 1 V_DC ze vstupu 12 V_DC. Rozsah vstupního napětí snižovače napětí BD9F500QUZ je 4,5 až 36 V_DC a jeho výstupní napětí je konfigurovatelné od 0,6 do 14 V_DC s externími rezistory. Tento integrovaný obvod napájení má tři volitelné spínací frekvence: 600 kHz, 1 MHz a 2,2 MHz.

Aspekty rozložení desky

Obecné aspekty rozložení desky plošných spojů při použití zařízení BD9G500EFJ-LA a BD9F500QUZ zahrnují:

1. Nezávislá dioda a vstupní kondenzátor by měly být na stejné vrstvě desky plošných spojů jako svorka integrovaného obvodu a co nejblíže integrovanému obvodu.
2. Kdykoli je to možné, měly by být zahrnuty tepelné průchody, aby se zlepšil odvod tepla.
3. Induktor a výstupní kondenzátor by měly být umístěny co nejblíže k integrovanému obvodu.
4. Udržujte trasy obvodu zpětné cesty mimo zdroje šumu, jako je induktor a dioda.

Konkrétnější podrobnosti o uspořádání lze nalézt v katalogových listech příslušných zařízení a v aplikační poznámce společnosti ROHM v článku „Techniky rozložení PCB snižovače napětí“.

Závěr

Jak je v článku ukázáno, asynchronní a synchronní snižovače napětí lze v různých aplikacích FA, IoT a 5G použít k zajištění vyšší účinnosti převodu ve srovnání s lineárními regulátory. I když je možné pro daný návrh navrhnout vlastní snižovače napětí, je to složitý a časově náročný úkol.

Místo toho se mohou konstruktéři rozhodnout pro integrované obvody napájení, které integrují výkonový tranzistor MOSFET spolu s řídicími a ovládacími obvody, aby vytvořili kompaktní a nákladově efektivní řešení. Konstruktéři mají také k dispozici různé nástroje pro urychlení doby do uvedení na trh, včetně aplikačních poznámek k výběru kondenzátoru a rozložení desky plošných spojů, podrobných příkladů obvodů aplikací a vyhodnocovacích desek.

Doporučeno k přečtení

1. Základy: Porozumění vlastnostem jednotlivých typů kondenzátorů s cílem jejich vhodného a bezpečného používání
2. Jak ke splnění požadavků na průmyslové napájení správně použít vhodná napájecí zařízení