Zwiększenie sprawności przetwornic z użyciem pośredniego stopnia napięcia

Pytanie:

Jak zwiększyć sprawność przetwornicy o wysokim napięciu wejściowym i niskim napięciu wyjściowym?

Odpowiedź:

Istnieją różne rozwiązania dla systemów, które wymagają przemiany wysokiego napięcia wejściowego na niskie napięcie wyjściowe. Interesującym przykładem może być przemiana napięcia 48 V na 3,3 V – taka specyfikacja jest często spotykana w przypadku serwerów i systemów telekomunikacyjnych.

Rys. 1. Konwersja napięcia z 48 V do 3,3 V w jednym kroku

Jeśli przetwornica obniżająca napięcie (buck) jest stosowana w jednym kroku konwersji (rys. 1), pojawia się problem niskich współczynników wypełnienia. Współczynnik wypełnienia wyraża stosunek między czasem włączenia (gdy główny klucz jest włączony) a czasem wyłączenia (gdy główny klucz jest wyłączony). Przetwornica obniżająca napięcie pracuje z pewnym współczynnikiem wypełnienia, określonym następującym wzorem:

Gdy napięcie wejściowe jest równe 48 V, a napięcie wyjściowe – 3,3 V, współczynnik wypełnienia wynosi ok. 7%.

Oznacza to, że przy częstotliwości kluczowania 1 MHz (1000 ns na okres) tranzystor Q1 jest włączany tylko na 70 ns. Następnie jest on wyłączany, a tranzystor Q2 włącza się na 930 ns. Aby zrealizować taki obwód, trzeba wybrać kontroler przetwornicy, który w ogóle dopuszcza minimalny czas włączenia 70 ns lub krótszy. Gdy uda się znaleźć taki element, pojawia się kolejny problem. Zazwyczaj wysoka sprawność zasilacza impulsowego spada w przypadku pracy z bardzo niskim współczynnikiem wypełnienia. Dzieje się tak, ponieważ tylko przez bardzo krótki czas energia jest przechowywana w cewce. Cewka ta musi z drugiej strony dostarczyć moc przez długi czas, gdy klucz jest wyłączony. To zazwyczaj prowadzi do powstawania bardzo wysokich prądów szczytowych w obwodzie. Aby obniżyć wartość tych prądów, cewka L1 musi być względnie duża. Wynika to krótkiego czasu włączenia do cewki L1, do której przykładane jest duże napięcie.

W tym przykładzie napięcie cewki podczas włączenia wynosi 44,7 V – 48 V na wejściu minus 3,3 V na wyjściu. Prąd cewki jest opisany następującym wzorem:

Jeśli na cewce występuje duże napięcie, prąd narasta w zadanym odcinku czasu przy stałej indukcyjności. Aby ograniczyć skoki prądu, konieczne jest stosowanie większej cewki. Niestety, duża wartość cewki powoduje większe straty mocy. Przy podanych warunkach nawet wydajny układ zasilania Analog Devices uModule LTM8027 uzyskuje sprawność jedynie 80% dla prądu wyjściowego 4 A.

Rys. 2. Konwersja napięcia z 48 V do 3,3 V w dwóch krokach z napięciem pośrednim 12 V

Współcześnie bardzo popularnym rozwiązaniem układowym pozwalającym podwyższyć sprawność jest generacja napięcia pośredniego. Konfiguracja kaskadowa z dwiema przetwornicami obniżającymi napięcie połączonymi szeregowo została pokazana na rys. 2. W pierwszym kroku napięcie 48 V jest zamieniane na 12 V. Następnie w drugim kroku to napięcie jest obniżane do 3,3 V. Układ zasilania uModule LTM8027 oferuje sprawność ponad 92% podczas zamiany napięcia 48 na 12 V. Drugi  krok – zamiana napięcia 12 V na 3,3 V – jest obsługiwany przez model LTM4624, którego sprawność wynosi 90%. Zatem całkowita sprawność wynosi 83% – o 3% więcej, niż przy rozwiązaniu bezpośrednim przedstawionym na obrazku 1. To może wydać się zaskakujące, ponieważ straty mocy na wyjściu 3,3 V wynikają ze strat dwóch różnych przetwornic. Jednak sprawność obwodu pokazanego na rys. 1 jest niższa ze względu na niski współczynnik wypełnienia i wynikające z tego wysokie prądy szczytowe cewki.

Porównując architekturę z jednym stopniem do architektury ze stopniami pośrednimi, warto pamiętać, że poza sprawnością zasilacza problem ten ma wiele innych aspektów. Jednak ten artykuł omawia tylko zagadnienia związane ze sprawnością.

Istnieje również inne rozwiązanie tego problemu w postaci układu LTC7821 – hybrydowego kontrolera obniżającego napięcie. Łączy on pompę ładunkową i sterowanie przetwornicą obniżającą napięcie. Takie rozwiązanie sprawia, że współczynnik wypełnienia jest równy 2 x Vin/Vout, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie dużej zmiany napięcia przy bardzo wysokiej sprawności.

Generacja napięcia pośredniego może być skutecznym sposobem zwiększenia całkowitej sprawności konkretnego wzmacniacza. Wiele badań poświęca się problemowi zwiększenia sprawności w architekturze widocznej na rys. 1 przy niskim współczynniku wypełnienia. Można tu na przykład wykorzystać bardzo szybkie klucze GaN, które pozwolą obniżyć straty przełączania i w efekcie zwiększyć sprawność zasilacza. Jednak obecnie takie rozwiązania są bardziej kosztowne, niż architektura kaskadowa zaprezentowana na rys. 2.

O autorze

Frederik Dostal, Analog Devices
Frederik Dostal – Studied Microelectronics at the University of Erlangen, Germany. Started to work in the Power Management Business in 2001. Has worked as power supply application engineer in Germany and 4 years in Phoenix, Arizona working on switch mode power supplies. Joined Analog Devices in 2009 and works in Munich, Germany as Power Management Segment Regional Marketing Engineer for Europe. One of his main tasks is teaching power supply design in technical seminars.