Ratunkiem na niedobory MLCC może okazać się lepszy projekt

| Technika

Podaż wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC) nie nadąża za popytem. Wynika to w części ze zwiększonej złożoności elektronicznej urządzeń, rosnącej sprzedaży samochodów elektrycznych i stale zwiększającego się zapotrzebowania na elektronikę. Liczba MLCC w smartfonach podwoiła się w ciągu kilku lat, w pojazdach elektrycznych jest ich czterokrotnie więcej w porównaniu z typowym autem spalinowym. Niedobory MLCC, które pojawiły się pod koniec 2016 r., sprawiły, że do dzisiaj trudno jest kupić kondensatory o dużej pojemności (kilkadziesiąt μF lub więcej) niezbędne do np. wydajnych zasilaczy.

Ratunkiem na niedobory MLCC może okazać się lepszy projekt

W efekcie producenci szukają rozwiązań, do których MLCC potrzeba mniej, zwłaszcza w przypadku zasilaczy impulsowych. To stawia projektantów zasilaczy na pierwszej linii sił ograniczających niedobory.

Typowy konwerter obniżający napięcie DC-DC wykorzystuje następujące kondensatory (rys. 1):

 
Rys. 1. Typowy konwerter obniżający (buck) i jego kondensatory
  • wyjściowy: wygładza tętnienia napięcia i prądu wyjściowego i prądu obciążenia. Zasadniczo stosuje się tu element o wartości kilkudziesięciu μF, do 100 μF,

  • wejściowy: stabilizuje napięcie wejściowe i dostarcza ciągłego prądu wejściowego. Ma kilka, kilkudziesięciu μF,

  • blokujący: ogranicza składowe wyższych częstotliwości i szumy wynikające z przełączania. Na ogół stosuje się 0,01 μF do 0,1 μF,

  • kompensacyjny: zabezpiecza stabilność pętli sprzężenia zwrotnego i zapobiega oscylacji. Ma kilkaset pF lub kilkadziesiąt nF. Niektóre sterowniki scalone mają ten element wbudowany w strukturę krzemową.

 

Najlepszym sposobem na zmniejszenie liczby wymaganych elementów jest skupienie się na kondensatorach na wyjściu, a po optymalizacji można rozważyć też szanse na zmniejszenie pojemności wejściowej.

Większa częstotliwość przełączania to mniejsza pojemność wyjściowa

Rysunek 2a pokazuje typowy schemat blokowy konwertera buck pracującego w trybie prądowym. Zacieniony obszar oznacza pętlę sprzężenia zwrotnego i obwód jej kompensacji. Charakterystyka pętli sprzężenia zwrotnego pokazana jest na rysunku 2b. Częstotliwość, przy której wzmocnienie pętli wynosi 0 dB (wzmocnienie = 1), nazywa się częstotliwością podziału (fC). Im wyższa jest fC (a więc większe pasmo pętli), tym lepsza reakcja konwertera na zmianę stopnia obciążenia. Rysunek 3 pokazuje reakcję przetwornicy na skokowy wzrost prądu obciążenia z 1 A do 5 A. Wyniki przedstawiono dla częstotliwości podziału 20 kHz i 50 kHz, co powoduje zapad w napięciu wyjściowym odpowiednio 60 mV i 32 mV.

 
Rys. 2. Schemat blokowy typowego regulatora buck (a) i typowej charakterystyki częstotliwościowej pętli sprzężenia zwrotnego (b)

Poszerzenie pasma pętli wydaje się proste i warte uwagi. Reakcja na zmianę obciążenia jest lepsza, a zapad napięcia powstający w momencie wzrostu prądu jest mniejszy. Dzięki temu pojemność kondensatora wyjściowego można zredukować. Niemniej zwiększenie częstotliwości podziału i poszerzenie pasma powoduje problemy. Po pierwsze, konieczne jest zapewnienie wystarczającego marginesu fazowego w pętli sprzężenia zwrotnego, aby zapobiec oscylacjom. Wymagany jest margines fazowy wynoszący 45° lub więcej (korzystnie 60°) na częstotliwości fC.

 
Rys. 3. Porównanie odpowiedzi przetwornicy na zmianę stopnia obciążenia przy szerokim i wąskim paśmie pętli sprzężenia zwrotnego

Innym problemem jest związek między częstotliwością przełączania konwertera fSW a fC. Jeżeli są zbliżone, ujemne sprzężenie zwrotne może reagować na tętnienia w napięciu wyjściowym, tworząc dudnienia i zagrażając stabilnej pracy. Praktyka mówi, że należy ustawić fC na jedną piątą (lub mniej) fSW, jak pokazano na rysunku 4.

Aby zwiększyć częstotliwość podziału fC, należy więc również zwiększyć częstotliwość przełączania, co z kolei powoduje wyższe straty przełączania w tranzystorach mocy, zmniejszając wydajność konwersji i wytwarzając dodatkowe ciepło. Wszelkie oszczędności na pojemnościach zostaną więc zrównoważone większą złożonością dodatkowych elementów ograniczających ciepło oraz spowodują zajęcie dodatkowej przestrzeni na PCB.

 
Rys. 4. Jeśli częstotliwość kluczowania i częstotliwość podziału pętli sprzężenia zwrotnego leżą zbyt blisko siebie, ujemne sprzężenie zwrotne może niepotrzebnie reagować na tętnienia w napięciu wyjściowym
 
Rys. 5. Sprawność konwerterów LT z serii Power by Linear na tle
konkurencji. W typowym rozwiązaniu, gdy częstotliwość kluczowania
rośnie, sprawność spada

Czy możliwe jest utrzymanie dużej sprawności przy pracy z wysoką częstotliwością nośną PWM? Odpowiedź brzmi tak, Wiele konwerterów scalonych zapewnia takie parametry dzięki unikatowemu sterowaniu FET-ami (rys. 5).

 
Rys. 6. Większa częstotliwość przełączania umożliwia zmniejszenie rozmiaru kondensatora i dławika
 
Rys. 8. Pętle prądowe w konwerterze impulsowym wytwarzają większość emitowanych zaburzeń EMI

Na przykład sterownik LT8640S o wydajności 6 A zapewnia sprawność powyżej 90% w całym zakresie prądów obciążenia (0,5–6 A), pracując na częstotliwości 2 MHz (wejście 12 V i wyjście 5 V). Ma on mniejsze wymagania dotyczące pojemności wyjściowej, co osiągnięto poprzez zmniejszenie wartości prądu tętnień w dławiku (IL), co z kolei zmniejsza napięcie tętnień na wyjściu (ΔVOUT), jak pokazano na rysunku 6. Można użyć znacznie mniejszego dławika. Przy wyższej częstotliwości przełączania częstotliwość fC pętli można zwiększyć, poprawiając tym samym szybkość reakcji sterownika na zmianę stopnia obciążenia, jak pokazano na rysunku 8.

 
Rys. 7. Zwiększona częstotliwość przełączania skutkuje szybszą reakcją na zmianę stopnia obciążenia

Mniejsze pojemności odsprzęgające

Głównym zadaniem kondensatorów odsprzęgających jest pochłanianie składowych wysokoczęstotliwościowych wynikających z procesu przełączania stopnia mocy. Im mają one mniejszą wartość, tym liczba kondensatorów odsprzęgających może być mniejsza. Doskonałym przykładem są konwertery Silent Switcher.

W takim konwerterze klucz ma dwie pętle prądowe: gdy górny FET jest włączony, a dolny nie (czerwona pętla) oraz gdy górny FET jest wyłączony, a dolny FET tak (niebieska pętla), jak pokazano na rysunku 8. Pętle przenoszą cały przełączany prąd od zera do IPEAK i potem z powrotem do zera. Duża amplituda wywołuje znaczne zaburzenia EMI.

Do tłumienia zaburzeń wynikających z przełączania można użyć kontroli nachylenia zboczy poprzez spowolnienie prędkości narastania napięcia na bramkach (obniżenie di/dt). Chociaż skutecznie tłumi to zaburzenia, zwiększa też straty komutacyjne, szczególnie przy wysokich częstotliwościach PWM, jak opisano wcześniej. Dlatego kontrola prędkości opadania jest skuteczna tylko w wybranych warunkach i jest stosowana jedynie w kilku układach wytwarzanych przez Analog Devices.

 
Rys. 9. Technologia Silent Switcher

Konwertery z rodziny Silent Switcher tłumią zaburzenia elektromagnetyczne wynikające z pętli w inny sposób. Pin VIN jest rozdzielany na dwie części, umożliwiając podział jednej dużej pętli prądowej na dwie symetryczne pętle mniejsze. Towarzyszące im pole magnetyczne jest ograniczone do obszaru w pobliżu układu scalonego i znacznie zredukowane gdzie indziej, minimalizując w ten sposób promieniowane zaburzenia (rys. 9).

 
Rys. 10. Technologia Silent Switcher 2 upraszcza układ i poprawia tłumienie zaburzeń

Układ LT8640S to z kolei przykład konwertera wykonanego w drugiej generacji tej technologii – Silent Switcher 2 (rys. 10) – zawiera on kondensatory odsprzęgające zintegrowane w układzie scalonym. Zapewnia to maksymalne tłumienie zaburzeń oraz oszczędza miejsce na PCB. Oznacza to minimum 2 kondensatory w projekcie mniej. Kolejna cecha to rozproszenie widmowe częstotliwości kluczowania, co obniża piki zaburzeń poprzez dynamiczną zmianę częstotliwości. Połączenie tych funkcji umożliwia LT8640S łatwe spełnienie norm EMC CISPR 25 klasy 5 (rys. 11).

 
Rys. 11. Rozpraszanie widma PWM i wbudowane kondensatory odsprzęgające w konwerterach Silent Switcher 2, jak LT8640S, umożliwiają spełnienie norm EMC nawet przy małych pojemnościach wejściowej i obejściowej

 

Arrow Electronics
tel. 22 558 82 82 www.arrow.com