Trendy układowe w wysoko sprawnych przetwornicach DC-DC

Rys. 1. Przetwornica TPS8267x wykonana w technologii MicroSIP

Najważniejszą częścią konwertera DC-DC jest kontroler sterujący procesem konwersji mocy. Najczęściej jest to układ analogowy, nierzadko rozbudowany, ale spotyka się także sterowniki cyfrowe. Poniżej przedstawiamy krótkie opisy przykładowych nowych rozwiązań takich elementów, uwypuklając ich szczegóły istotne z uwagi na osiąganą wysoką sprawność.

Uniwersalne moduły zasilające

Układ TPS8267x firmy Texas Instruments (rys. 1) to kompletna, zintegrowana przetwornica DC-DC przeznaczona do aplikacji o niskim poborze mocy. Moduł przetwornicy wykonany został w technologii MicroSIP. Kontroler przetwornicy umieszczony jest wewnątrz laminatu, a na powierzchni znajduje się dławik oraz kondensatory wejściowe i wyjściowe.

Gotowy moduł ma wymiary 2,9×2,3×1 mm i jest przystosowany do montażu BGA. TPS8267x jest synchroniczną przetwornicą step-down, która pracuje w zakresie napięć wejściowych od 2,3 do 4,8 V. Częstotliwość kluczowania wynosi 5,5 MHz, a maksymalny prąd wyjściowy 600 mA. Niewielki prąd spoczynkowy rzędu 17 μA pozwala utrzymać wysoką sprawność (90%) nawet przy małym obciążeniu, zapewniając jednocześnie szybką odpowiedź impulsową.

Jeśli prąd obciążenia się zmniejszy poniżej wartości progowej, konwerter automatycznie przechodzi w tryb obniżonego poboru mocy DCM (discontinous current) z modulacją PFM (Pulse Frequency Modulation). Przetwornica przełącza się ponownie w tryb PWM w momencie zwiększonego zapotrzebowania na prąd, ale za pomocą wejścia MODE możliwe jest sztywne ustawienie trybu pracy - PWM/PFM lub wyłącznie PWM.

Przetwornice nieizolowane typu POL

Rys. 2. Konwerter POL DLynx

Sterowanie cyfrowe wykorzystywane jest najczęściej w systemach zasilania dla układów embedded i zwykle wspomaga tradycyjną technikę analogową sterowania konwersją mocy. Przykładem przetwornic typu POL o sterowaniu cyfrowym są moduły DLynx firmy GE Energy (rys. 2). Wymagają one tylko trzech elementów zewnętrznych i są oparte na standardzie DOSA (Distributed-power Open Standards Alliance).

Zapewniają sprawność na poziomie 96%, co uzyskano za pomocą dokładnej, cyfrowej kontroli napięcia wyjściowego (±0,4%) i napięcia odniesienia dla sterownika (±1%). Moduły te pozwalają na dokładne skompensowanie pasma pętli sprzężenia zwrotnego (dostępne końcówki zewnętrzne), tak aby odpowiedź impulsowa w systemie była najlepsza.

Producent nazwał tę funkcję Tunable Loop i bazuje ona na wykorzystaniu dwójnika RC pomiędzy pinami TRIM i VOUT (lub SENSE) modułów POL. Cyfrowe moduły DLynx sterowane są poprzez protokół PMBus. Producent ma w ofercie moduły na jednakowy zakres napięć wejściowych od 3 do 14,4 V i prąd wyjściowy 3, 6, 12 i 20 A. Układy te mają cyfrowo regulowane napięcie wyjściowe w zakresie od 0,45 do 5,5 V, konfigurowalny soft-start, zdalne załączanie, zabezpieczenie termiczne i nadprądowe.

Izolowane przetwornice POL

Przykładem izolowanych wysoko sprawnych konwerterów DC-DC POL jest seria o symbolu PI3106 firmy Picor (rys. 3). Układy zapewniają sprawność ponad 88% i są zbudowane w architekturze określanej jako "soft-switch", która umożliwia pracę układu w systemach z rozdzielnym zasilaniem bez konieczności separacji linii zasilających. Zakres napięć wejściowych wynosi 18-36 V, gęstość mocy sięga 20,4 W/cm³, a obudowa ma wymiary 22,1×16,5×6,7 mm i zajmuje powierzchnię 3,65 cm² na płytce drukowanej, prawie 50% mniej od tradycyjnych przetwornic, co jest wynikiem wysokiej częstotliwości kluczowania 900 kHz.

Napięcie wyjściowe układu wynosi 12 V, a maksymalny prąd jest ograniczony do 4,2 A. Sygnał sprzężenia zwrotnego jest przesyłany przez barierę galwaniczną na stronę pierwotną za pomocą sprzężenia magnetycznego, które charakteryzuje się szerokim pasmem i dobrym tłumieniem zakłóceń o charakterze wspólnym. Układ PI3106 ma możliwość regulacji napięcia wyjściowego, wbudowane zabezpieczenie nadnapięciowe, konfigurowalny układ soft-start, zabezpieczenie nadprądowe z funkcją automatycznego restartu oraz z wyłącznikiem nad- i podnapięciowym na wejściu przetwornicy. Dodatkowo układ zawiera blok pomiaru temperatury i zabezpieczenie termiczne. Napięcie przebicia izolacji wynosi 2250 V.

Kolejnym przykładem izolowanej przetwornicy DC-DC jest seria NQB firmy CUI (rys. 4). Bazuje ona na połączeniu topologii SEPIC (single-ended primary-inductor converter) i Buck (opatentowana przez producenta topologia Solus). Przetwornice produkowane są w 5-pinowej obudowie DIP o wymiarach 57,9×36,8×11,3 mm (przemysłowy standard ¼ Brick), a gęstość mocy osiąga 26,7 W/cm³.

Rys. 3. Przetwornica PI3106

Rys. 4. Przetwornica NQB-N

W zależności od wersji modułu, zakres napięć wejści owych wynosi 36-75 V. Dostępne są moduły o napięciach wyjściowych 12 i 12,45 V oraz prądach wyjściowych 35 i 39 A. Sprawność wynosi ponad 96% przy pełnym obciążeniu, a napięcie przebicia izolacji równe jest 2250 V. Przetwornice mają układ zdalnego załączania, zabezpieczenie nadprądowe, termiczne oraz nad- i podnapięciowe.

Scalone kontrolery POL

Własne rozwiązania przetwornic DC-DC typu POL można zrealizować np. z wykorzystaniem sterownika MAX15301 firmy Maxim (rys. 5). Jest to w pełni funkcjonalny, wysoko sprawny, cyfrowy sterownik z zaawansowanym funkcjami zarządzania energią. Jego działanie opiera się na ciągłym pomiarze napięć i prądów oraz automatycznej kompensacji i optymalizacji sprawności przetwornicy w szerokim zakresie warunków pracy (funkcja inTune). Układ wymaga dołączenia z zewnątrz tranzystorów MOSFET, dławika oraz kilku elementów pasywnych.

Sterowanie działaniem i programowanie realizowane jest przez interfejs PMBus. Zakres napięć wejściowych wynosi od 4,5 do 14 V, a napięcie wyjściowe może być cyfrowo regulowane w zakresie od 0,5 do 5,25 V. Interfejs PMBus pozwala na konfigurację oraz monitorowanie pracy układu.

Za jego pomocą można ustalić takie parametry jak napięcie wyjściowe, czas trwania soft-start i soft-stop oraz częstotliwości kluczowania w zakresie 300 kHz - 1 MHz. Układ może być konfigurowany poprzez sieć zewnętrznych rezystorów ustalających odpowiednio tryb pracy, z możliwością późniejszych zmian przez interfejs PMBus. Układ przeznaczony jest do pracy w zakresie temperatur od -40°C do +85°C i dostępny jest w 32-pinowej obudowie QFN o wymiarach 5×5 mm.

Do układów przetwornic DC-DC można również wykorzystać cyfrowy układ konwertera Powervation PV3012. Jest to dwurdzeniowy SoC zawierający DSP i mikrokontroler RISC, dostarczany z wgranymi algorytmami sterującymi zgodnymi ze standardem DOSA. Napięcie wyjściowe może być programowane w zakresie od 0,6 do 5,5 V z dokładnością 0,5% w pełnym zakresie temperatur. Sterownik wyposażony jest w 11-bitowy przetwornik i różnicowe wejścia pomiarowe.

Układ jest w pełni konfigurowalny poprzez interfejs PMBus i udostępnia pamięć dla 8 profili ustawień. Konfiguracja obejmuje sterowanie zabezpieczeniami, zdalne raportowanie błędów, monitorowanie parametrów pracy, ustalanie napięcia wyjściowego, częstotliwości kluczowania oraz fazy przebiegu. Układ przeznaczony jest do pracy w zakresie temperatur od -40°C do +125°C i dostępny jest w 32-pinowej obudowie QFN.

Podsumowanie

Powyższe zestawienie nie wyczerpuje zagadnienia, ale ma na celu przybliżenie i ukazanie pewnego trendu, jakim kierują się producenci - konsekwentne dążenie do poprawienia sprawności oraz wdrażanie techniki cyfrowej w nowoczesnych produktach zasilających.

Bartosz Zawieja