Zasilacze POL - prosty pomysł na zasilanie

Zasilacze POL są nieizolowanymi przetwornikami DC-DC, które zwykle są produkowane w małych obudowach SIP (Single In-line Package) lub w modułach do montażu powierzchniowego. Obecnie przetworniki POL są najczęściej wykorzystywane jako element zdecentralizowanych systemów zasilania DPA (Distributed Power Architecture). Liczne, choć nie wszystkie, systemy zasilania tego typu obejmują także architekturę magistrali pośrednich IBA (Intermediate Bus Architecture), w której przed zasilaczem POL znajduje się przetwornik magistralowy (rys. 1). Przetworniki POL charakteryzują się sprawnością zbliżoną do 90% i małymi rozmiarami, gdyż nie muszą one zawierać izolacji galwanicznej. W przypadku systemów komputerowych zasilacze POL są zwykle zasilane z magistrali wejściowej 12V, a więc tej, która służy np. w komputerach do zasilania wentylatorów i dysków twardych (rys. 2).

Jeśli chodzi o architekturę zasilaczy tego typu, praktycznie we wszystkich przypadkach stosowane jest prostowanie synchroniczne i konwersja wielofazowa. W większości z zasilaczy korzysta się z czterech faz, ale czasami z sześciu lub ośmiu. Typowy wielofazowy zasilacz POL dla mikroprocesora dostarcza ponad 100A przy napięciu około 1V.

Rys. 1. Typowy system zasilający zawiera zasilany napięciem 48V izolowany moduł magistralowy, do którego wyjęcia o nominalnym napięciu stałym 12V podłączane są nieizolowane moduły POL

Wiele firm produkujących zasilacze stawia na rozwiązania tradycyjne o charakterze uniwersalnym. Jedną z nich jest firma SynQor, produkująca nieizolowane konwertery POL z serii NiQor. W modułach tych stosowane są prostowniki synchroniczne, które rozpraszają mało ciepła podczas pracy i nie wymagają radiatorów ani metalowych płytek montażowych. Moduły NiQor są produkowane w obudowach SIP i SMT o standardowych kształtach i wyprowadzeniach.

Zasilacze POL firmy SynQor wyposażone są w układy nastawcze, umożliwiające regulację napięcia za pomocą zewnętrznego rezystora. Na przykład moduł NQ12T50SMA16 może być zasilany ze źródła napięcia o wartości od 9,6V do 14,4V, dostarczając prądu o wartości 16A przy nominalnym napięciu wyjściowym wynoszącym 0,725V. Napięcie wyjściowe może być zwiększone przez użytkownika zewnętrznym rezystorem. Moduł jest wyposażony w automatyczną ochronę podnapięciową, wyłączającą go przy zbyt niskim napięciu zasilania, co zapobiega niestabilnej pracy. Posiada także ograniczenie prądu obciążenia przy przekroczeniu jego wartości nominalnej o 25%.

SynQor produkuje również przetworniki magistralowe, takie jak 240-watowy BusQor BQ55090QTA27 o izolacji wejście-wyjście wynoszącej do 2kV. Obniża on wejściowe napięcie 48V do niestabilizowanego napięcia 9,6V (jak też od 7,2V do 11V), którym zasilana jest magistrala pośrednia. Moduł ten, którego sprawność przy nominalnym prądzie obciążenia wynosi 96%, jest przetwornikiem DC-DC o stałej częstotliwości pracy z prostowaniem synchronicznym. Jest on przeznaczony do montażu na płytce drukowanej i produkowany jako moduł o wielkości quarter-brick. Przetworniki BusQor są zabezpieczone wyłącznikiem podnapieciowym i nadnapięciowym oraz posiadają blokadę nadprądową, termiczną i przeciwzwarciową.

Rys. 2. W niektórych rozwiązaniach nie wykorzystuje się modułu magistralowego. Zamiast niego używa się pośredniej magistrali o napięciu 12V, która podłączona jest do zasilacza wstępnego

Przetworniki POL produkuje również Tyco Electronics. Przetworniki tej firmy z serii Austin MiniLynx mogą być zasilane napięciem od 2,4V do 5,5V albo z zakresu od 8,3V do 14V. Przy napięciu wejściowym 12V zapewniają one do 3A prądu wyjściowego przy napięciu wyjściowym od 0,75V do 5,5V. Z kolei przy napięciu wejściowym 3,3V do 5V dostarczają one napięcia wyjściowego od 0,75V do 3,3V przy maksymalnym prądzie obciążenia o wartości 3A. Moduły mogą pracować przy zerowym przepływie powietrza, a ich sprawność wynosi do 91% (w przypadku napięcia wejściowego 12V) oraz do 94% (dla napięcia wejściowego 5V). Obydwie wersje modułów oferowane są także w obudowach SMT. Napięcie wyjściowe modułów Austin MiniLynx można dobierać za pomocą zewnętrznych rezystorów, a same układy mogą być zdalnie włączane i wyłączane. Wymiary modułów wynoszą 20,3x11,4x7,27mm, a ich konstrukcja pozwala na działanie w temperaturach od 40°C do 85°C, w tym w warunkach przemysłowych.

Firma Vicor jest jednym z producentów podzespołów zasilających, który opracował własne układy scalone POL, które określane są VI Chips (VIC). Moduły znajdują użycie w opracowanej przez firmie architekturze zasilania typu FPA (Factorized Power Architecture), która jest rozwiązaniem całkowicie odmiennym niż POL. Rozdziela się w niej dwa podstawowe zadania przetwarzania DC-DC, tj. izolację i transformację od sterowania napięciem wyjściowym i stabilizacji (patrz rys. 3). Znajdujący się od strony wejściowej moduł stabilizacji wstępnej PRM ( Pre-regulator Module) stabilizuje napięcie doprowadzone do magistrali i dalej do bloków VTM. Napięcie magistrali może być stosunkowo wysokie, co przekłada się na mniejsze straty energii. Dzięki temu zasilacz PRM może się mieścić w dowolnym dogodnym miejscu urządzenia, również z dala od VTM.

Zasilacze VTM charakteryzują się bardzo szerokim pasmem pracy, co ułatwia utrzymanie dużej dynamiki reakcji zasilacza na zmiany stopnia obciążenia i pozwala na zapewnienie wysokiej sprawności przetwarzania przy stosunkowo wysokim napięciu magistrali pośredniej.

Rys. 3. Firma Vicor stosuje specyficzne układy scalone i specyficzną architekturę w stosunku do konwencjonalnego rozwiązania z przetwornikami POL

Zasilacze VTM VI Chip mogą dostarczać prąd o wartości do 100A przy napięciu stabilizowanym o wartości 0,8V lub wyższej. Moduły PRM kompatybilne z VI Chip mogą z kolei współpracować z rozmaitymi zasilaczami wstępnymi. Obecnie dostępne są PRM o napięciu wejściowym 48V dla telekomunikacji, urządzeń IT i dla innych aplikacji w których wykorzystywane są zdecentralizowane systemy zasilania. Na rynku dostępne są lub mają być moduły o napięciu wejściowym 24V (zastosowania telekomunikacyjne i przemysłowe), 48V dla aplikacji PoE ( Power Over Ethernet), 18V (zasilacze sieciowe), 12V (systemy komputerowe) i 28V (urządzenia wojskowe i lotnicze).

Inny duży producent systemów zasilających, firma Power-One, rozwija swoją architekturę o nazwie Z-One, w której układ przetwarzania jest zintegrowany z systemem zarządzanie zasilaniem. Firma zapewnia, że jej rozwiązanie pozwala na obniżenie kosztów kompletnego systemu zasilania o 20% do 50% w porównaniu z konwencjonalnym rozwiązaniem z magistralą pośrednią. Z-One pozwala na komunikację ze sobą do 32 przetworników POL, która działa pod kontrolą układu DPM ( Digital Power Manager). Każdy z cyfrowych przetworników, które w tym przypadku nazywają się Z-POL, może działać przy zasilaniu napięciem od 3V do 13V. Jego napięcie wyjściowe jest programowalne i zawiera się w zakresie od 0,5V do 5,5V.

W systemie Z-One stosuje się sterowaną przez DPM jednoprzewodową magistralę cyfrową Z-One Digital Bus (rys. 4). Jest to magistrala dwukierunkowa zapewniająca zarówno synchronizację częstotliwości pracy poszczególnych modułów, jak też przesyłanie danych. Magistralą przesyłane są wszystkie informacje do i z przetworników Z-POL oraz DPM, wraz z parametrami działania dla każdego z przetworników point-of-load.

Rys. 4. Systemy Z-One firmy Power-One składają się z cyfrowego układu zarządzania zasilaniem, cyfrowej magistrali Z-One, przetwornika magistralowego 48V i do 32 POL, zawierających cyfrowe PWM

Parametry działania, takie jak napięcie wyjściowe, sekwencjonowanie kolejności załączania, monitorowanie, przeplatanie i progi ochronne są programowane przez użytkownika i przechowywane w DPM. Do łączności używany jest protokół przemysłowego standardu magistrali I ²C.

Kluczowymi podzespołami w przypadku praktycznie wszystkich zasilaczy POL są tranzystory MOSFET. Ponieważ straty mocy są w nich największą spośród wszystkich elementów wykorzystanych w zasilaczach, dlatego ich cechy mają największy wpływ na sprawność całego układu. W modułach stosowane są również układy scalone do sterowania pracą tych tranzystorów MOSFET.

Rys. 5. Układ DirectFET, z końcówkami montowanymi na płytce drukowanej, chłodzony z obu stron obudowy

Jedną z istotniejszych cech wykorzystywanych tranzystorów są ich obudowy. W ostatnich latach producenci tranzystorów tego typu próbowali stosować różne techniki umieszczania struktur w obudowach, aby poprawić parametry tych przyrządów. Przykładem są obudowy, takie jak bottomless czy DirectFET. Ta ostatnia została opracowana w International Rectifier i charakteryzuje się niską rezystancją cieplną, niewielką zajmowaną powierzchnią (SO-8) oraz wysokością 0,7mm (rys. 5). Popularne są również wersje z obustronnym chłodzeniem, dwukrotnie zwiększające zdolność odprowadzania ciepła i dopuszczalną gęstość mocy. Producent zapewnia, że ich wykorzystanie zapewnia utrzymanie temperatury złącza przyrządu na poziomie do 50°C! Zmniejszenie strat i polepszenie własności termicznych sprzyjają wzrostowi sprawności oraz poprawiają niezawodność systemu. Firma International Rectifier oferuje tranzystory w obudowach DirectFET o napięciach nominalnych do 100V, co pozwala używać ich w izolowanych przetwornikach DC-DC o napięciu wejściowym 48V.

Napięcia wejściowe dla systemów wykorzystujących zasilacze POL zawierają się zwykle w granicach od 5V do 12V. W nowszych wersjach systemów tego typu upowszechniać się będzie zapewne napięcie 5V, a napięcia wyjściowe będą mniejsze niż 1V. Przykładem sterownika przeznaczonego do takich zasilaczy jest układ LTC3418 firmy Linear Technology. Jest to monolityczny, obniżający napięcie i synchroniczny przetwornik DC-DC, który pracuje z częstotliwością 4MHz w trybie prądowym i służy do sterowania przełącznikiem mocy. Jego napięcia wejściowe wynoszą od 2,25V do 5,5V, natomiast stabilizowane napięcia wyjściowe zawierają się w przedziale od 0,8V do 5V. Maksymalny prąd obciążenia wynosi 8A, natomiast częstotliwość przełączania ustalana jest zewnętrznym rezystorem lub synchronizowana przez zewnętrzny generator.

Linear Technology oferuje także układy scalone przeznaczone do przetworników magistralowych, takie jak LTC3706. Jego użycie w komplecie z układem LTC3705 (sterownik bramki tranzystora) pozwala na utworzenie kompletnego zasilacza z izolacją galwaniczną. Innym interesującym układem scalonym jest LTC3736-1 – jest to dwufazowy, podwójny synchroniczny sterownik przeznaczony do sterowania parą komplementarnych MOSFET-ów mocy. Konstrukcja układu wykorzystuje topologię prądowego sterowania przełącznikiem mocy, o stałej częstotliwości pracy. Informacja o wielkości prądu płynącego przez tranzystor jest uzyskiwana przez pomiar napięcia dren-źródło MOSFET-a, co eliminuje konieczność stosowania rezystorów do pomiaru wartości prądu. Eliminacja rezystora pomiarowego, w którym zawsze wydziela się jakaś moc, jest korzystna z punktu widzenia sprawności przetwarzania energii przez zasilacz. LTC3736-1 losowo zmienia częstotliwość przełączania od 450kHz do 580kHz w obu kanałach, co zmniejsza generowane zaburzenia elektromagnetyczne. Z kolei tryb gubienia impulsów poprawia sprawność przy małym obciążeniu, a zdolność do generacji sygnałów sterujących tranzystorami o 100-procentowym współczynniku wypełnienia umożliwia działanie zasilacza przy małej różnicy napięć we-wy. (KKP)