Dławik mocy w chipie, czyli nowa jakość w zasilaniu

Realia są takie, że obojętnie, jaki projekt będzie realizowany, można być pewnym, że bez konwersji energii się nie obędzie. Główne napięcie zasilające trzeba obniżać lub podwyższać, stabilizować, izolować, z dodatniego potencjału robić ujemny lub odwrotnie i to wszystko powinno działać z rewelacyjnie dużą sprawnością. Złożone systemy analogowo-cyfrowe wymagają często zapewnienia kilkunastu napięć, które jakoś trzeba wytworzyć. Oznacza to, że na typowej płytce jest minimum kilka konwerterów, które zajmują sporo miejsca, kosztują i się grzeją.

Z reguły każdy taki komponent składa się ze scalonego kontrolera, diody, tranzystora mocy, dławika oraz dwóch kondensatorów. Postęp technologiczny pozwolił scalić sterownik, diodę i tranzystor w jeden chip, ale dalej wymiary determinuje dławik, który jest większy niż cała reszta elementów razem wziętych. Przy dużej mocy element ten wymaga mechanicznej stabilizacji (przyklejenia) i nie można go zamontować automatycznie, bo jest za duży. W efekcie konwerter o mocy kilkudziesięciu watów ma wielkość przekaźnika elektromagnetycznego i z punktu widzenia elektroniki mobilnej jest on za ciężki i za duży stąd ogranicza skalę integracji.

Zależności te są ogólnie znane i wielu producentów usiłuje je z lepszym lub gorszym skutkiem rozwiązywać od lat. Głównym hamulcowym zmian jest niestety ten dławik, bo jego rdzeń ferrytowy nie może być dowolnie mały z uwagi na nasycanie materiału magnetycznego, a uzwojenie wykonane zbyt cienkim drutem będzie się nadmiernie nagrzewać i popsuje współczynnik sprawności.

Miło mi zatem donieść, że palmę pierwszeństwa w rywalizacji „małe, ale wydajne” zdobywa Texas Instruments. Firma wprowadziła na rynek 6 nowych konwerterów DC-DC ze zintegrowanym dławikiem. Wydajność i wymiary są imponujące, gdyż kompletna 6-amperowa przetwornica TPSM82866A ma wymiary 2,3 × 3 mm i wysokość 1,5 mm. Innymi słowy, jest ona wielkości rezystora w obudowie 1210 i przelicznikowo jest to mniej więcej 1 A wydajności na 1 mm² zajętego miejsca na PCB. W takiej obudowie jest wszystko poza dwoma kondensatorami blokującymi dla wejścia i wyjścia. Układ ten zawiera strukturę scaloną, nad którą umieszczono dławik i całość została zamknięta tak samo jak inne układy scalone. Dławika nie widać, gdyż całość jest zintegrowana pionowo w stos przypominający kanapkę.

Aby to było możliwe, TI zrezygnowało w tej konstrukcji z użycia ferrytu jako rdzenia magnetycznego. Powietrzna cewka ma tylko 220 nH i dzięki temu może pracować z dużym prądem, ale dzięki pracy z nośną PWM 2,4 MHz całość spina się pod względem mechanicznym i mocowym. Innymi słowy, rezygnacja z ferrytu w dławiku, którego straty ograniczały częstotliwość przełączania do ok. 100 kHz, zapewniła skok technologiczny.

TI tego nie ujawnia, ale zapewne do wykonania dławika użyto metamateriałów na podłoże, które zapewniają doskonałe przewodnictwo cieplne. Prawdopodobnie jako tranzystory przełączające wykorzystano GaN-y, bo te krzemowe przy 2,4 MHz by się nie wyrabiały. Niemniej finalny efekt jest imponujący, osiągniętą sprawność 96% można nazwać doskonałą przy tym poziomie mocy.

Zintegrowanie cewki powietrznej w chipie jest wyczynem, który zmieni rynek zasilania, gdyż wiele aktualnie dokuczliwych problemów przestanie istnieć. Jest to też kolejny dowód na to, że w elektronice trzeba bardzo uważać z określaniem, co można (da się), a co nie. Takie opinie się coraz szybciej dezaktualizują.

Robert Magdziak