Jak unikać typowych błędów konstrukcyjnych w aplikacjach z modułowymi przetwornicami DC/DC

Na rynku jest wiele modułowych przetwornic DC/DC, które zapewniają niskiej wartości stałe napięcie wyjściowe z izolacją galwaniczną lub bez izolacji. Są one dostępne w szerokim asortymencie o mocach wyjściowych od 1 do kilkudziesięciu watów i prądach do około 10 A. Poszczególne rozwiązania różnią się sprawnością, zakresem napięć wejściowych a także liczbą spełnianych wymagań prawnych.

Aplikacja takich konwerterów jest bezsprzecznie bardzo prosta, bo do pracy wymagają dołączenia jedynie kilku elementów zewnętrznych. Jednak czasem ta łatwość korzystania usypia czujność i może powodować problemy.

Na początku warto zacząć od kilku dobrych wiadomości. Dla większości konwerterów sprawność konwersji energii elektrycznej jest wysoka. W zasadzie nie ma rozwiązań, dla których byłaby ona niższa niż 80%, a trafiają się takie, które zapewniają nawet 95%, oczywiście w zależności od wykonania i punktu pracy.

Niemniej nawet przy dużej sprawności konieczny jest poprawny montaż, a więc taki, który zapewni poprawne chłodzenie przetwornicy i nie spowoduje zadziałania ograniczeń na moc wyjściową (derating) lub nie wywoła przypadkowego i niespodziewanego wyłączenia konwertera, gdyby temperatura przekroczyła poziom alarmowy.

Poza odprowadzeniem ciepła można wymienić pięć istotnych obszarów parametrów, o których nie można zapomnieć:

• izolację galwaniczną,
• spadek napięcia na liniach zasilania,
• stabilność napięcia wyjściowego,
• szumy i tętnienia w napięciu wyjściowym,
• konieczność zapewnienia doprowadzeń o niskiej impedancji.

W pierwszym kroku konieczne jest upewnienie się, czy dostępne źródło energii, do którego będzie podłączona przetwornica, jest dostatecznie wydajne, bo jest prawdopodobne, że może być dołączonych do niego więcej odbiorników niż jeden.

W takim przypadku trzeba się zagłębić w charakterystyki dynamiczne poboru prądu, aby ocenić, czy cały system zasilania będzie w stanie zapewnić stabilizowane napięcie wyjściowe przy dynamicznych zmianach prądu obciążenia. Z reguły konwertery takie nie mają na wyjściu kondensatorów o dużej pojemności, bo nie ma dla nich miejsca i wiele słabo sobie radzi ze stabilizacją przy gwałtownych skokach poboru prądu.

Spadek napięcia I²R

 

Rys. 1. Dodatkowe dwie końcówki pomiarowe zapewniają możliwość pomiaru napięcia wyjściowego konwertera DC-DC na zaciskach obciążenia, co pozwala na dynamiczne kompensowanie spadku napięcia na liniach zasilających

Projektowanie elektroniki to nieustanne szukanie kompromisów, czego doskonałym przykładem jest rozmieszczanie elementów na płytkach drukowanych i prowadzenie ścieżek takie, aby uniknąć wzajemnego nagrzewania lub sprzężeń. Umieszczenie jednostki zasilającej może być problematyczne z takiego punktu widzenia.

Najlepiej, aby był on umiejscowiony blisko odbiornika energii po to, aby ograniczyć długość linii zasilania i tym samym ograniczyć spadki napięcia wywołane ich rezystancją, a także poziom szumów i zakłóceń. O tym się często zapomina, bo rezystancja ścieżek wynosi jedynie kilka, kilkanaście miliomów, ale przy dużych prądach wyjściowych lub obciążeniu o charakterze impulsowym te miliomy potrafią się zamienić na wolty.

Dla dużych prądów wyjściowych warto rozważyć zamówienie płytki z grubą warstwą miedzi, obwodu wielowarstwowego, gdzie dodatkowe warstwy posłużą do zwielokrotnienia doprowadzeń oraz zapewnienia dobrego odsprzegania i rozpływu prądu lub nawet wykonanie dodatkowych szyn o niskiej rezystancji uzupełniającej ścieżki.

Uwagi te dotyczą nie tylko dodatniej szyny zasilającej, ale również płaszczyzny masy. Błędy w prowadzeniu tej drugiej część zasilania potrafią wywołać pasożytnicze sprzężenia oraz wysokoczęstotliwościowe składowe w prądzie wyjściowym. Obie linie wymagają zblokowania kondensatorami odsprzęgającymi umieszczonymi blisko końcówek zasilania dla każdego odbiornika.

Gdy konieczne jest zapewnienie dobrych właściwości dynamicznych, a na płytce nie ma wiele miejsca na rozbudowane pola miedzi na doprowadzenia zasilania, warto rozważyć użycie konwerterów, które mają oddzielne wejścia pomiarowe umożliwiające próbkowane wartości napięcia wyjściowego na zaciskach odbiornika.

Wówczas problem spadku napięcia na liniach zasilających jest łatwiejszy do opanowania, o ile oczywiście w układzie nie ma kilku odbiorników o mniej więcej takim samym poborze mocy. Takie rozwiązanie pokazano na rysunku 1.

Na przykład przetwornica LTM4601 z serii μModule firmy Linear Technology/Analog Devices jest w stanie dostarczać znaczny prąd o wartości sięgającej 12 A przy napięciu wyjściowym od 0,6 do 5,0 V. Na wejściu akceptuje napięcia stałe w zakresie od 4,5 do 20 V. Przy tak wysokich prądach straty I²R na doprowadzeniu zasilania mogą wpłynąć na całkowitą sprawność systemu i w konsekwencji na stabilność pracy.

Korzystając z dodatkowego wejścia pomiarowego, moduł może skorygować spadek napięcia między V_OUT i V_LOAD, a także w drodze powrotnej przez płaszczyznę masy. W rezultacie LTM4601 gwarantuje dokładność stabilizacji napięcia ±2,0% lub lepszą na zaciskach obciążenia, pomimo zmian napięcia wejściowego, obciążenia i temperatury.

Należy jednak pamiętać, że wejście pomiarowe nie jest panaceum. Tworzy ono dodatkową "dużą" pętlę sprzężenia zwrotnego między źródłem a obciążeniem. A ponieważ przetwornica jest rodzajem wzmacniacza mocy, taka pętla sprzężenia zwrotnego jest podatna na szumy i zaburzenia. Jest możliwe, że wejście pomiarowe spowoduje niestabilność działania stabilizatora i wzbudzenie.

System klasy POL

 

Rys. 2. Wykorzystanie kilku konwerterów o mniejszej mocy, takich jak LMZM33602 firmy Texas Instruments, zamiast jednego dużego, może zwiększyć koszt, ale także uprościć układ i poprawić sprawność energetyczną oraz obniżyć poziom zakłóceń

Innym sposobem na zminimalizowanie strat mocy w liniach doprowadzających zasilanie jest zastosowanie wielu mniejszych konwerterów umieszczonych blisko zasilanych obciążeń, zamiast jednej większej jednostki umieszczonej w jednym, scentralizowanym miejscu (tzw. koncepcja POL - Point of Load).

Takie podejście pozwala zapewnić kompromis techniczny, niemniej korzystanie z dwóch lub więcej mniejszych, tańszych jednostek w porównaniu z jednym większym jest kosztowniejsze. Dokładne dane, o ile więcej trzeba zapłacić za komponenty, jest trudne do oceny, bo zależy od wielu czynników składających się na konkretny przypadek.

Przykładem konwertera do aplikacji POL jest przetwornica obniżająca napięcie LMZM33602 firmy Texas Instruments. Zawiera w jednej obudowie sterownik, MOSFET-y mocy, ekranowaną cewkę indukcyjną i podzespoły pasywne.

Wszystkie są ciasno upakowane stosunkowo małej, niskoprofilowej obudowie. Może ona dostarczać napięcia od 1 do 18 woltów przy natężeniu do 2 A (rys. 2). Wymaga dodania tylko czterech lub pięciu niekrytycznych zewnętrznych elementów pasywnych i eliminuje konieczność kompensacji pętli i tworzenia elementów magnetycznych.

Przetwornica ma zaledwie 9×7×4 mm i umieszczona została w obudowie QFN. Jest na tyle mała, że można ją łatwo umieścić w pobliżu obciążenia. Spowoduje to zminimalizowanie spadku napięcia i mocy na wyjściowych (wysokoprądowych) liniach zasilających. To samo dotyczy zakłóceń i szumów. W ten sposób poprawia się też charakterystyka termiczna, bo likwiduje się gorące punkty na PCB.

Izolacja: czasami jest opcjonalna, często obowiązkowa

 

Rys. 3. Modułowy konwerter obniżający napięcie LTM8047 Analog Devices zapewnia separowane galwanicznie napięcie wyjściowe do zasilania obwodów o małej mocy

Potrzeba izolacji galwanicznej - a więc braku jakiegokolwiek połączenia elektrycznego między dwiema częściami obwodu, bywa korzystna a nierzadko obowiązkowa. Izolacja może być przydatna do wyeliminowania pętli masy w dużym systemie lub połączenia obwodów będących na różnych potencjałach odniesienia. Jest konieczna do połączenia układu z "pływającym" (nieuziemionym) elementem wykonawczym lub do zapewnienia bezpieczeństwa między obwodem sieci a użytkownikiem.

Często pomijana rzeczywistość polega na tym, że izolowany obwód funkcjonalny w urządzeniu, np. przetwornik lub układ kondycjonowania sygnału, również wymaga zapewnienia izolowanego od reszty systemu zasilania. Z reguły taka izolacja musi być wykonana przy stosunkowo niskim natężeniu prądu wyjściowego, bo przetworniki pomiarowe nie pobierają wiele mocy.

Z tego powodu zapewnienie izolacji dla takiego niskomocowego obwodu wiąże się z dużymi kosztami układowymi. Koszty BOM obwodów izolujących były często nieproporcjonalnie wysokie w porównaniu z obwodami, z którymi one współpracują.

Na dodatek wykorzystanie gotowych rozwiązań konwerterów izolowanych małej mocy nie było możliwe, bo takich komponentów nie było na rynku. Własny projekt też był kłopotliwy, ponieważ dla wielu aplikacji projekt i jego fizyczna implementacja musiałyby być przetestowane i certyfikowane, aby spełniały standardy branżowe i regulacyjne, a jest to kosztowny i złożony proces.

 

Rys. 4. Zapewnienie izolacji galwanicznej w układach elektronicznych jest często wymagane z wielu powodów: zakłóceń, różnic w potencjałach a także wymagań prawnych. LTM8058 firmy Analog Devices zapewnia izolację obwodów na potencjałach różniących się do 750 V, co jest wystarczające w wielu sytuacjach

Aktualnie problem ten można już w dużej mierze przezwyciężyć, bo są dostępne do takich zastosowań niewielkie, certyfikowane izolowane modułowe przetwornice DC/DC, takie jak LTM8047 firmy Analog Devices (rys. 3). Pracują w topologii flyback (zaporowa), zapewniając izolację obwodów o różnicy potencjałów do 725 V_DC.

Są wytwarzane w małej obudowie BGA o wymiarach 11,25×9×4,92 mm, w której producent zmieścił sterownik, tranzystor kluczujący i elementy pomocnicze, w tym impulsowy transformator zapewniający izolację (rys. 4).

Element ten dostarcza na wyjściu napięcia od 2,5 do 12 V dla szerokiego zakresu napięć wejściowych (od 3,1 do 32 V). Prąd wyjściowy jest niewielki - tylko 440 mA przy 2,5 V, ale jest to więcej niż wystarczające do zasilania wielu obwodów pomiarowych i wykonawczych.

Regulacja napięcia wyjściowego

 

Rys. 5. W MAX17536 za pomocą pojedynczego rezystora ustala się częstotliwość przełączania konwertera w szerokim zakresie od 100 kHz do 2,2 MHz, zapewniając w ten sposób elastyczność aplikacyjną i możliwość zminimalizowania zakłóceń

Modułowe konwertery DC/DC zwykle pozwalają na ustawienie wartości napięcia wyjściowego za pomocą pary rezystorów tworzących dzielnik napięcia. Ma to wiele zalet: ta sama jednostka może być używana w wielu miejscach i obwodach, co upraszcza zakupy i "skraca" BOM. Nierzadko też napięcie wyjściowe może być trymowane w górę o kilka mV, aby skompensować spadek napięcia na doprowadzeniach zasilania.

Jednak projektanci muszą pamiętać, że współczynnik stabilności temperaturowej rezystorów służących do ustawiania tego napięcia musi być uwzględniony w obliczeniach nominalnego napięcia wyjściowego. Możliwe jest, że w wyższych temperaturach napięcie wyjściowe zacznie płynąć i wyjdzie poza specyfikację.

Te dwa elementy powinny mieć niski współczynnik zmian rezystancji w funkcji temperatury, a te zwyczajne używane do podciągania linii do zasilania niekoniecznie się sprawdzą w tym zastosowaniu.

Są też przetwornice pozwalające ustawić częstotliwość przełączania. Na przykład w MAX17536 firmy Maxim Integrated można ją ustawić za pomocą pojedynczego rezystora w szerokim zakresie od 100 kHz do 2,2 MHz (rys. 5). Dzięki temu można próbować eliminować sprzężenia i zakłócenia z pobliskimi obwodami lub uniknąć emisji zaburzeń w określonym wąskim paśmie.

Należy zauważyć, że zależność między rezystorem i częstotliwością przełączania jest nieliniowa i nieco nieprecyzyjna. Z tego powodu MAX17536 można też ustawić w tryb synchronizacji ze źródłem zewnętrznym, a nie na niestabilnej częstotliwości determinowanej przez wspomniany rezystor. Dzięki temu unika się niepożądanego mieszania częstotliwości PWM z innymi źródłami zakłóceń w systemie, co może powodować trudne do wykrycia problemy z EMI.

Wniosek

Niewielkie zintegrowane i kompletne przetworniki DC/DC ułatwiają realizację wielu projektów i są cenną pomocą dla projektantów. Zapewniają znakomite parametry i mają dużą gęstość mocy. Jednak, podobnie jak w przypadku każdych innych komponentów, istnieją pewne podstawowe reguły, które muszą być przestrzegane, aby projekt nie skończył się klapą.

Rich Miron
Digi-Key Electronics