Polscy producenci i dystrybutorzy przetwornic DC-DC małej mocy

Właściwości konwerterów

Jedną z podstawowych cech jest zdolność do separacji napięć. Zasilacze mogą być wykonywane w wersji nieizolowanej, w której istnieje połączenie galwaniczne między wejściem i wyjściem oraz z separacją. W przypadku, gdy moduł pozwala na zasilanie kilkoma napięciami wyjściowymi, również konkretne wyjścia mogą być izolowane między sobą lub nie.

Bariera galwaniczna oddziela niebezpieczne napięcie, np. sieć energetyczną od reszty urządzenia, a także w kontrolowany sposób separuje poszczególne bloki urządzenia. Moduł akwizycji danych, który jest galwanicznie połączony jest z obiektem, może w ten sposób mieć masę na innym potencjale niż reszta urządzenia.

Ma to kolosalne znaczenie np. w aparaturze pomiarowej dla energetyki. Separacja zasilania poszczególnych części układu pomaga również przezwyciężyć problemy z prądami błądzącymi, zakłóceniami, co w wielu przypadkach jest dostateczną wskazówką do użycia takiej wersji. Z drugiej jednak strony opcja ta zwiększa cenę modułu zasilającego oraz niekorzystnie wpływa na szybkość reakcji zasilacza na dynamicznie zmieniający się pobór prądu, co skutkuje większymi przerzutami napięcia.

Konwertery DC-DC są wykonywane w dwóch wersjach, jeśli chodzi o napięcie wejściowe. Pierwsza grupa przeznaczona jest do zasilania napięciem stałym, druga akceptuje napięcie zmieniające się w szerokim zakresie. Dopuszczalny zakres zmian jest różny i producenci definiują go czasem przez podanie stosunku górnej i dolnej dopuszczalnej wartości, na przykład od 9 do 36V, czyli 4:1.

Możliwość zasilania napięciem o wartości zmieniającej się w bardzo szerokim zakresie, na przykład 4:1 lub 10:1 przydaje się czasami, jednak trudno oprzeć się wrażeniu, że producenci próbują na siłę wmówić konstruktorom, że takie zasilacze są lepsze od tych, które przetwarzają napięcie w wąskim zakresie.

Dr Ryszard Siurek z Imcon Intec w Gliwicach podaje tylko dwa przykłady urządzeń, gdzie istnieje konieczność realizacji takiego zasilania: w motoryzacji, gdzie sieć ma 12V lub 24V i kolejnictwie, gdzie istnieje konieczność zapewnienia zasilania z sieci i akumulatorów. A im węższy zakres zmian, tym zasilacz może być skonstruowany w bardziej optymalny sposób, dlatego nie warto kupować zasilacza o zakresie napięć wejściowych dużo przekraczającym potrzeby.

Typowa sprawność modułowych przetwornic DC-DC waha się od 70% do 90%, przy czym wartości te dotyczą zwykle wyrobów ze środka oferty. Niewątpliwie różnice są spore, gdyż przy takim rozrzucie i mocy wyjściowej 20W oznacza to około 6W różnicy w mocy strat, co jest wartością dużą. Wysoka sprawność konwertera pozwala na umieszczenie go w małej obudowie, ciasny montaż i mniejszą powierzchnię radiatorów. Mimo, że bardziej wyrafinowane rozwiązania techniczne są droższe, jednak wzrost ceny kompensowany jest w części wymienionymi oszczędnościami na materiałach.

Najpopularniejsze funkcje użytkowe konwerterów DC-DC

Szybka odpowiedź impulsowa – wielu producentów podkreśla w swoich materiałach technicznych zdolność konwerterów do szybkiej reakcji na zmiany obciążenia. Mikroprocesory i inne układy cyfrowe charakteryzują się tym, że pobierany przez nie prąd może nagle wzrosnąć o kilkadziesiąt amper i zasilacz musi być na tyle szybki, aby zareagować na zmiany i nie dopuścić do chwilowego spadku napięcia.

Trudno jednoznacznie zdefiniować ten parametr, gdyż określa on maksymalną dopuszczalną szybkość zmiany prądu obciążenia (np. w A/µs), która nie spowoduje spadku napięcia poniżej dopuszczalnego zakresu (np. 3,3V±5%). Zbyt wolna odpowiedź impulsowa zasilacza może być przyczyną przypadkowych anomalii w działaniu programu lub też zawieszania się układu, dlatego warto zwracać uwagę na tę funkcję.

Praca bez minimalnego obciążenia – tak jak każdy zasilacz impulsowy, również przetwornice DC-DC potrafią niestabilnie pracować bez obciążenia. W największym stopniu dotyczy to konwerterów, w których wyjście napięciowe jest izolowane galwanicznie i jednocześnie niestabilizowane. W takim przypadku warto upewnić się, że kupowany moduł pozwala na taką pracę. W innym przypadku może okazać się, że zamiast 5V bez obciążenia na wyjściu mamy 7V.

Zewnętrzna synchronizacja – możliwość zmiany częstotliwości pracy przetwornicy przydaje się przy walce z emisją zaburzeń elektromagnetycznych, przy łączeniu równoległym kilku zasilaczy jak również przy zasilaniu urządzeń radiowych.

Stała częstotliwość pracy – stabilizacja napięcia wyjściowego w konwerterach odbywa się za pomocą różnych technik modulacji, na przykład modulacji szerokości impulsu sterującego (PWM). Inne techniki opierają się na zmianie częstotliwości przełączania tranzystorów mocy, co może powodować wiele problemów w układach radiowych, telekomunikacyjnych i podobnych. Częstotliwości harmoniczne pracującego modułu są niekiedy w stanie zablokować czuły odbiornik o ile znajdą się w odbieranym paśmie. Stała częstotliwość pracy pozwala konstruktorom utrzymać wtedy kontrolę nad działaniem aplikacji.

Małe szumy wyjściowe – nieustanna presja miniaturyzacji powoduje, że producenci rezygnują ze wszystkich zbędnych w układzie komponentów, redukują stałe czasowe filtrów wyjściowych, co nie musi przeszkadzać przy zasilaniu układów cyfrowych, jednak ma kolosalne znaczenie przy współpracy z przetwornikami analogowo-cyfrowymi, systemami transmisji radiowej i w podobnych aplikacjach. Dlatego w takich sytuacjach warto upewnić się, że oferowany moduł charakteryzuje się niskim poziomem zakłóceń napięcia wyjściowego.

Wysoka częstotliwość przełączania – jest niestety pojęciem ogólnym, które każdy producent i dystrybutor rozumie inaczej - dla jednej firmy oznacza 70kHz, dla innej 1MHz. Wydaje się, że skoro nie ma jasnych wskazówek ze strony topologii pracy zasilacza, określenie „duża częstotliwość pracy” powinno wynikać z ograniczeń stratnych dla popularnych materiałów magnetycznych, czyli około 500kHz.

Duża częstotliwość pracy konwertera pozwala zmniejszyć jego wymiary zewnętrzne, a wiążące się z nią nowoczesne topologie rezonansowe bazujące na sygnałach sinusoidalnych charakteryzują się niskim poziomem emitowanych zaburzeń elektromagnetycznych. Mimo wielkich nadziei zasilacze rezonansowe opornie przebijają się na rynku, gdyż są drogie i technicznie skomplikowane. Stąd znaczenie tego parametru z punktu widzenia konstruktora i klienta jest niewielkie.

Tym, co w największym stopniu różnicuje producentów pod względem zaawansowania technologii, jest sprawność przetwarzania energii przez układ zasilający. Niewielka moc wyjściowa zasilaczy powoduje, że moc pobierana przez układ sterujący stanowi istotną pozycję w bilansie energetycznym. To samo dotyczy jakości podzespołów, materiałów magnetycznych, które liderzy rynku zamawiają pod kątem swoich potrzeb, nie korzystając z typowych wyrobów gotowych.

Takie możliwości są szczególnie ważne w przypadku elity konwerterów modułowych, a więc wersji o niskim napięciu wyjściowym, prądzie 100A lub większym i gęstości upakowania w obudowie zapewniającej powyżej 100W w calu sześciennym. Konstrukcja tych zasilaczy w niewielkim stopniu przypomina aplikacje popularnych scalonych konwerterów impulsowych i bazuje na wielofazowych układach w topologii ZVS, ZCS, prostownikach synchronicznych. Takich zaawansowanych konstrukcji nie oferują jednak wszyscy na rynku.

Nie wolno również bezkrytycznie wierzyć w procenty opisujące sprawność przetwornic, traktując je jako główny wyznacznik jakości lub zaawansowania technologii. Sprawność przetwarzania energii zależy od wielu czynników, między innymi od wartości napięcia wyjściowego i wejściowego oraz mocy konwertera, co powoduje, że różni się ona dla poszczególnych modeli i warunków pracy.

W różny sposób konstruuje się także obwody wyjściowe konwerterów. Napięcie wyjściowe może być dokładnie stabilizowane lub niestabilizowane, a niektóre konstrukcje, zwłaszcza te o niskich napięciach wyjściowych, pozwalają precyzyjnie doregulować wartość napięcia po to, aby skompensować rozrzut produkcyjny i spadek napięcia na doprowadzeniach.

Brak stabilizacji tylko pozornie wydaje się jakimś anachronizmem. Producentom chodzi o to, aby nie trzeba było przepłacać kupując niewykorzystywane funkcje, a w wielu rozbudowanych systemach zasilania stabilizacja napięcia potrzebna jest tylko na ostatnim etapie przetwarzania energii – magistrala pośrednia często ma napięcie niestabilizowane. Istotna jest również możliwość zdalnego wyłączenia konwertera, co jest podstawą systemów zarządzania zasilaniem i umożliwia oszczędność energii.

Sławomir Pieszczek - Dyrektor JM elektronik, Gliwice

Jakie nowości technologiczne pojawiły się ostatnio w konwerterach DC-DC?

W roku 1998, kiedy zaczęliśmy współpracę z Newport Components (obecnie część C&D Technologies), byliśmy dumni z nowoczesnych, miniaturowych, modułowych przetwornic DC/DC, jakie wprowadzaliśmy na polski rynek. Obserwując jak stopniowo konkurencja zbliża się technologicznie do tych wyrobów zastanawiałem się, jaki będzie kolejny krok liderów rynku i w jaki sposób będą unikać bezpośredniej wojny cenowej z firmami, które jedynie kopiują sprawdzone rozwiązania. Wydaje się, że w zakresie modułowych przetwornic do izolacji oraz stabilizacji napięć zasilających wiele wymyślić się już nie da – świat przyjął typowe układy wyprowadzeń, standardowe parametry elektryczne, a produkty poszczególnych firm różnią się często niuansami.

Skoro standaryzacja ograniczyła możliwość manewru producentom, to w którą stronę rozwija się rynek?

Przebojem, zwłaszcza w bardziej zaawansowanych aplikacjach, okazują się rozbudowane systemy zasilania typu DPA (Distributed Power Architecture) oferowane przez wiodących producentów przetwornic. Stosowane obecnie w konstrukcjach elektronicznych zaawansowane układy scalone (DSP, FPGA) wymagają bardzo niskich napięć zasilania przy jednoczesnym dużym poborze prądu. Stąd zrodziła się idea umieszczania źródeł zasilania w niedalekim sąsiedztwie odbiornika – pozwala to ograniczyć długość ścieżek zasilania dużymi prądami i zmniejszyć straty oraz zakłócenia.

Dodatkowo rozdzielenie stabilizacji napięcia zasilania od konwerterów poziomów napięć pozwala znacznie zwiększyć sprawność przetwornic – sięga ona aktualnie 97-98%. Dzięki wysokiej częstotliwości pracy przetwornice te są również znacznie mniejsze niż tradycyjne moduły pracujące z częstotliwością około 100kHz. Nowoczesne konstrukcje poprawiły czasy odpowiedzi przetwornic na impulsowe zmiany obciążenia, które są typowe dla szybkich układów cyfrowych. Najnowsze systemy zasilania pozwalają na zaprogramowanie parametrów przetwornic POL (Point of Load) z wykorzystaniem magistrali I2C. Programowane są m.in. ich napięcia wyjściowe, kolejność włączania, itp. Takie gotowe rozwiązania znacznie przyspieszają realizację całego projektu.