Pytanie:

Jakie są sposoby na utrzymanie małych rozmiarów układu konwertera DC/DC o dużej różnicy napięć wejściowego i wyjściowego?

Odpowiedź:

W tym artykule poszukamy odpowiedzi na pytanie dlaczego nieizolowane konwertery napięcia stałego mają tak duże problemy z obniżaniem napięć z wysokich do bardzo niskich przy jednoczesnym wysokim prądzie wyjściowym. Pokażemy trzy różne rozwiązania układów obniżających napięcie, które jednocześnie zapewniają niewielkie rozmiary układu.

Wprowadzenie

Projektanci systemów mogą stanąć przed wyzwaniem konwersji wysokich napięć stałych do bardzo niskich napięć wyjściowych, przy stosunkowo wysokim poborze prądu (na przykład z 60 V do 3,3 V przy 3,5 A), Jednocześnie często wymagane jest zachowanie wysokiej wydajności, małych rozmiarów układu i prostej konstrukcji.

Duża różnica napięć między wejściem a wyjściem w połączeniu z wysokim prądem automatycznie wyklucza stabilizator liniowy z powodu nadmiernego rozpraszania mocy. W związku z tym projektant ma do wyboru wyłącznie topologię impulsową, jednak wciąż wyzwaniem jest wybór odpowiedniej implementacji. Musi być ona wystarczająco kompaktowa do zastosowań na ograniczonej przestrzeni płytki PCB.

Wyzwania stojące przed konwerterami typu buck

Przy wysokich współczynnikach obniżania napięcia (a więc wysokim stosunku napięcia wejściowego do wyjściowego) naturalnym kandydatem jest przekształtnik buck. Dobrze radzi sobie bowiem z obniżaniem napięcia (jak np. z V_IN = 12 V do V_OUT = 3,3 V) przy znacznym poborze prądu, a jednocześnie zajmuje mało miejsca. Istnieją jednak warunki, w których topologia buck ma spore trudności z utrzymaniem stabilnego napięcia wyjściowego. Aby to zrozumieć, należy przypomnieć sobie, że wzór na współczynnik wypełnienia (D) w konwerterze buck pracującym w trybie ciągłego przewodzenia (CCM) wynosi:

Wypełnienie jest również powiązane z częstotliwością przełączania (f_SW) według wzoru 2. Czas włączenia (t_ON) to okres, przez który klucz FET jest włączony podczas każdego okresu przełączania (T):

Połączenie równania 1 i równania 2 pokazuje, w jaki sposób na t_ON wpływa współczynnik obniżania napięcia i f_SW:

Równanie 3 mówi nam, że czas włączenia zmniejsza się, gdy wzrasta stosunek napięcia wejściowego do wyjściowego (V_IN/V_OUT) i/lub częstotliwość f_SW. Oznacza to, że przekształtnik buck musi działać z bardzo krótkim czasem włączenia, aby przy wysokim stosunku V_IN/V_OUT stabilnie utrzymywać napięcie wyjściowe. Przy wysokiej częstotliwości f_SW staje się to jeszcze trudniejsze.

Rozważmy aplikację z V_IN(MAX) = 60 V, V_OUT = 3,3 V oraz I_OUT(MAX) = 3,5 A. Użyjemy wartości z karty katalogowej LT8641, ponieważ rozwiązanie z tym układem omówimy w dalszej części artykułu. Wymagany minimalny czas włączenia (t_ON(MIN)) odpowiada najwyższemu napięciu wejściowemu (V_IN(MAX)). W celu oszacowania tego czasu t_ON(MIN), zaleca się skorzystanie z dokładniejszej wersji równania 3. Uwzględniamy w nim napięcia przełączania V_SW(BOT) i V_SW(TOP), spadki napięć dla dwóch tranzystorów MOSFET i zamieniając V_IN na V_IN(MAX) otrzymujemy:

Korzystając z równania 4 dla V_IN(MAX), f_SW = 1 MHz, otrzymujemy czas t_ON(MIN) o wartości 61 ns. Dla V_SW(BOT) i V_SW(TOP), skorzystaliśmy z wartości dla R_DS(ON)(BOT) oraz R_DS(ON)(TOP) z noty katalogowej układu LT8641, wiedząc również, że V_SW(BOT) = R_DS(ON)(BOT) × I_OUT(MAX) oraz V_SW(TOP) = R_DS(ON)(TOP) × I_OUT(MAX).

Przekształtniki typu buck bardzo rzadko mogą obsłużyć tak krótkie czasy włączenia jak 61 ns obliczone powyżej. Dlatego projektant systemu musi szukać alternatywnych topologii. Istnieją trzy możliwe rozwiązania dla wysokich współczynników obniżania napięcia.

Trzy kompaktowe rozwiązania dla V_IN(MAX) = 60 V, V_OUT = 3.3 V przy I_OUT(MAX) = 3.5 A

Rozwiązanie 1: Wykorzystanie układu Flyback LT3748

Pierwsza opcja polega na zastosowaniu izolowanej topologii flyback, w której większość spadku napięcia odbywa się na transformatorze o stosunku uzwojeń N:1. Analog Devices oferuje kontrolery flyback, takie jak LT3748, które nie wymagają trzeciego uzwojenia transformatora ani optoizolatora, dzięki czemu konstrukcja jest prostsza i bardziej kompaktowa. Rozwiązanie LT3748 dla naszych założeń przedstawiono na rysunku 1.

Rysunek 1. Obwód z układem LT3748 obniżający napięcie wejściowe 60 V na 3.3 V

Mimo że układ LT3748 upraszcza konstrukcję i oszczędza miejsce w porównaniu ze standardowym projektem flyback, nadal wymagany jest transformator. W przypadku zastosowań, w których izolacja między stroną wejściową i wyjściową nie jest wymagana, zaleca się unikanie tego komponentu, gdyż zwiększa on złożoność i rozmiary układu w porównaniu z rozwiązaniem nieizolowanym.

Rozwiązanie 2: Wykorzystanie LTM8073 i LTM4624 µModule

Projektant może także dokonać obniżki napięcia w dwóch krokach. Aby osiągnąć zmniejszoną liczbę komponentów do zaledwie 10, można zastosować dwa układy µModule i osiem komponentów zewnętrznych, jak pokazano na rysunku 2. Ponadto dwa urządzenia µModule zawierają już odpowiednią cewkę indukcyjną mocy, zaoszczędzając inżynierowi jej ręcznego dopasowywania, co często jest zadaniem niebanalnym. Układy LTM8073 i LTM4624 są dostarczane w obudowach BGA, o stosunkowo niewielkich wymiarach odpowiednio 9×6,25×3,32 mm i 6,25×6,25×5,01 mm.

Rysunek 2. Obwód z układami LTM8073 i LTM4624, obniżający napięcie wejściowe 60 V na 3,3 V

Ponieważ LTM4624 wykazuje w tych warunkach sprawność 89%, to układ LTM8073 dostarcza co najwyżej 1,1 A do wejścia LTM4624. Biorąc pod uwagę, że LTM8073 może dostarczyć do 3 A prądu wyjściowego, można go wykorzystać do zasilania innych obwodów. W tym celu na rysunku 2 jako napięcie pośrednie (VINT) wybraliśmy 12 V.

Pomimo możliwości uniknięcia transformatora, niektórzy projektanci mogą niechętnie spoglądać na rozwiązanie, które wymaga dwóch oddzielnych przekształtników buck, zwłaszcza jeśli do zasilania innych szyn nie jest wymagane napięcie pośrednie.

Rozwiązanie 3: Wykorzystanie konwertera Buck LT8641

W wielu przypadkach najlepiej byłoby skorzystać z pojedynczego przekształtnika buck. Zapewnia on bowiem optymalne rozwiązanie łączące wydajność, niewielkie rozmiary i prostotę projektu. Ale czy nie pokazaliśmy przed chwilą, że te układy źle radzą sobie z wysokim stosunkiem V_IN/V_OUT przy jednocześnie wysokim f_SW?

To stwierdzenie dotyczy większości przekształtników buck, ale nie wszystkich. Portfolio ADI obejmuje układy, takie jak LT8641, które charakteryzują się bardzo krótkim minimalnym czasem włączenia wynoszącym typowo 35 ns (maks. 50 ns) w pełnym zakresie temperatur roboczych. To poniżej wymaganego minimalnego obliczonego wcześniej czasu pracy wynoszącego 61 ns i to z bezpiecznym marginesem. Układ zapewnia więc trzecie możliwe kompaktowe rozwiązanie. Rysunek 3 pokazuje, jak prosty może być obwód wykorzystujący LT8641.

Rysunek 3. Obwód z układem LT8641 obniżający napięcie wejściowe 60 V na 3.3 V

Warto również zauważyć, że rozwiązanie LT8641 może być najbardziej wydajne z tej trójki. Jeśli obwód wymagałby dalszych optymalizacji, to możemy jeszcze zmniejszyć f_SW i wybrać większy rozmiar cewki indukcyjnej.

Chociaż f_SW można zmniejszyć także w rozwiązaniu 2, to integracja cewek mocy nie daje elastyczności przy zwiększaniu sprawności powyżej określonego punktu. Ponadto zastosowanie dwóch kolejnych etapów konwersji ma jednak negatywny wpływ na wydajność (choć niewielki).

Natomiast w przypadku rozwiązania 1 wydajność będzie bardzo wysoka w przypadku projektu flyback, dzięki działaniu w trybie granicznym i ograniczeniu liczby komponentów w konstrukcji bez sprzężenia optycznego. Jednak sprawności nie można w pełni zoptymalizować, ponieważ istnieje ograniczona liczba transformatorów do wyboru, w przeciwieństwie do szerokiego portfolio cewek indukcyjnych dostępnych dla rozwiązania 3.

Alternatywny sposób sprawdzenia, czy LT8641 spełnia wymagania

W większości aplikacji jedynym regulowanym parametrem w równaniu 4 jest częstotliwość przełączania. Przeformułujemy więc równanie, aby ocenić maksymalny dozwolony f_SW dla układu LT8641 w danych warunkach. W ten sposób otrzymujemy równanie 5, które znajduje się również na stronie 16 noty katalogowej układu LT8641.

Użyjmy tego równania na następującym przykładzie: V_IN = 48 V, V_OUT = 3,3 V, I_OUT(MAX) = 1,5 A, f_SW = 2 MHz. Napięcie wejściowe 48 V powszechnie obecne jest w zastosowaniach motoryzacyjnych i przemysłowych. Wstawiając te warunki do równania 5, otrzymujemy:

Oznacza to, że w określonych w artykule warunkach pracy, układ LT8641 pracowałby bezpiecznie z f_SW ustawionym na 2,12 MHz. To potwierdza, że jest on dobrym wyborem do tej aplikacji.

Wnioski

Zaprezentowano trzy różne rozwiązania pozwalające opracować kompaktowy konwerter napięcia stałego obsługujący wysokie współczynniki obniżania napięcia. Rozwiązanie flyback LT3748 nie wymaga nieporęcznego optoizolatora i jest zalecane do projektów, w których konieczna jest izolacja między stroną wejściową i wyjściową. Druga metoda, polegająca na implementacji urządzeń µModule LTM8073 i LTM4624, jest szczególnie interesująca, gdy projektant waha się nad wyborem optymalnej cewki indukcyjnej do zastosowania i/lub gdy konieczne jest dostarczenie dodatkowej pośredniej szyny zasilania. Trzecia metoda, czyli konstrukcja oparta na przekształtniku buck LT8641, oferuje najbardziej kompaktowe i najprostsze rozwiązanie, gdy jedynym wymaganiem jest wydajna konwersja napięcia w dół.