[RAQ] Zwiększenie sprawności przetwornic z użyciem pośredniego stopnia napięcia

Pytanie:

Jak zwiększyć sprawność przetwornicy o wysokim napięciu wejściowym, a niskim napięciu wyjściowym?

Odpowiedź:

Istnieją różne rozwiązania dla aplikacji, które wymagają konwersji wysokiego napięcia wejściowego na bardzo niskie napięcie wyjściowe. Interesującym przy­kładem może być konwersja napięcia 48 V na 3,3 V. Taka specyfikacja jest nie tylko powszechna w aplikacjach serwerowych na rynku technologii informatycznych, ale również w telekomunikacji.

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 (rysunek 1), pojawia się problem małych współczynników wypeł­nienia kluczowania sygnału. Ten współczynnik wypełnienia to zależność między czasem włączenia (gdy główny klucz jest włączony) a czasem wyłączenia (gdy główny klucz jest wyłączony). Przetwornica obniżająca napięcie ma współczynnik 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 równej 1 MHz (1000 ns na okres) klucz Q1 jest włączany tylko na 70 ns. Następnie jest on wyłączany, a klucz 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 kolejne wyzwanie. Zazwyczaj wysoka sprawność zasilacza impulsowego typu buck 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 energię przez długi czas, gdy klucz jest wyłączony. To zazwyczaj prowadzi do powstawania bardzo wysokich prądów szczytowych w obwodzie. Aby obniżyć wartość tych prądów, indukcyjność cewki L1 musi być względnie duża. Wynika to z faktu, że w czasie włączenia, do cewki L1 przykładana jest duża różnica napięć.

W tym przykładzie różnica potencjałów na cewce podczas włączenia wynosi 44,7 V: 48 V na wejściu minus 3,3 V na wyjściu. Prąd cewki jest obliczany według następującego wzoru:

Jeśli na cewce występuje duże napięcie, prąd narasta w zadanym odcinku czasu przy stałej indukcyjności. Aby ograniczyć prądy szczytowe, konieczne jest stosowanie cewki o większej indukcyjności. Jednak cewka o większej wartości powoduje większe straty mocy. Przy podanych warunkach napięciowych, nawet wydajny regulator uModule LTM8027 firmy Analog Devices uzyskuje jedynie 80% sprawność 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 i wydajniejszym rozwiązaniem układowym zwiększającym sprawność energetyczną jest generacja napięcia pośredniego. Kaskadowy układ z dwoma wysokowydajnymi regulatorami obniżającymi (buck) napięcie został pokazany na rysunku 2. W pierwszym kroku napięcie 48 V jest zamieniane na 12 V. Następnie w drugim kroku to napięcie jest obniżane do 3,3 V. Regulator uModule LTM8027 oferuje sprawność ponad 92% podczas zamiany napięcia 48 na 12 V. Drugi krok – zamiana napięcia 12 V na 3,3 V – jest realizowany przez model LTM4624, którego sprawność wynosi 90%. Zatem całkowita sprawność wynosi 83% – o 3% więcej, niż przy rozwiązaniu bezpośredniej konwersji przedstawionej na rysunku 1.

To może wydać się dość zaskakujące, ponieważ łączna strata mocy na wyjściu 3,3 V wynika ze strat dwóch przetwornic. Jednak sprawność obwodu pokazanego na rysunku 1 jest niższa ze względu na niski współczynnik wypełnienia kluczowania sygnału i wynikające z tego wysokie prądy szczytowe cewki.

Porównując architekturę jednostopniową z architekturą ze stopniami pośrednimi, należy, prócz sprawności, wziąć pod uwagę wiele innych aspektów. Jednak ten artykuł omawia tylko zagadnienia związane ze sprawnością.

Istnieje także inne rozwiązanie tego problemu w postaci układu LTC7821 – hybrydowego kontrolera ob­niżającego napięcie. Łączy on działanie pompy ładunkowej i regulatora obniżającego napięcie. Takie rozwiązanie sprawia, że współczynnik wypełnienia jest równy 2 • Vj_n/V_out, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie dużej zmiany napięcia przy bardzo wysokiej sprawności.

Generacja napięcia pośredniego może być skutecznym sposobem zwiększenia całkowitej sprawności konkretnego bloku zasilania. Trwają prace rozwojowe w celu zwiększenia sprawności w architekturze widocznej na rysunku 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 rysunku 2.