1

Małe jest piękne, czyli jak oszczędzać miejsce na PCB

| Technika

Projekt obwodu rozprowadzenia zasilania w skomplikowanym urządzeniu lub na płytce drukowanej może mieć charakter scentralizowany lub zdecentralizowany. Wybór metody dystrybucji energii od źródła do odbiorników nigdy nie jest jednoznaczny i zmienia się wraz z postępami w technologii i komponentach, a także razem z wymaganiami projektowymi. W sytuacjach, gdy najważniejsza jest oszczędność miejsca na PCB, projektanci chętnie korzystają z małych przetwornic DC-DC typu POL, które w tym obszarze dają im dużą swobodę oraz wydajność. W tym artykule omówimy rolę ultramałych przetwornic DC-DC w rozproszonych systemach zasilających.

Małe jest piękne, czyli jak oszczędzać miejsce na PCB

Dlaczego warto korzystać z ultramałych konwerterów?

Pojawienie się na rynku maleńkich przetwornic DC-DC obniżających napięcie (tryb pracy "buck" pozwala na odejście w systemach zasilania rozproszonego od koncepcji zakładającej wykorzystanie mniejszej liczby przekształtników energii o większej mocy konwertujących zasilanie z magistrali pośredniej (IBC), które były używane do zasilania stosunkowo dużych podsystemów składających się z wielu układów scalonych.

Zamiast tego projektanci mają teraz możliwość korzystania z konwerterów o małych wymiarach fizycznych, które można umieścić tuż obok ich obciążenia (zasilanego obwodu), którym może być nawet tylko jeden układ scalony oraz jego elementy pomocnicze. Zapewnia to wiele korzyści, niemniej w tym przypadku takich przetwornic modułowych potrzebnych jest więcej.

 
Rys. 1. Przetwornik DC-DC Texas Instruments LMZ10501 może dostarczać prąd do 1 A przy sprawności do 95%

Są dwa powody, dla których warto zastosować takie rozwiązanie. Po pierwsze, na rynku pojawiły się nowe przetwornice DC-DC o bardzo małych rozmiarach, działające z dużymi częstotliwościami pracy (w zakresie megaherców), a zaawansowane techniki ich wytwarzania i kompaktowe obudowy pozwalają na łatwą implementację. Komponenty te zapewniają też imponującą wydajność. Po drugie, prowadzenie magistral zasilających w takim przypadku jest łatwiejsze, a całkowita sprawność konwersji jest większa.

Chociaż może się to wydawać sprzeczne z intuicją, użycie wielu mniejszych konwerterów zamiast kilku o większych wymiarach (i mocy) może faktycznie zmniejszyć zużycie energii w całym systemie, pozwolić zaoszczędzić miejsce na płytce komputera i dać możliwość dodawania innych funkcji.

Interesujące jest spojrzenie na specyfikacje, wydajność i rozmiary takich rozwiązań. Na przykład moduł klasy "nano" firmy Texas Instruments LMZ10501 to obniżający się konwerter DC-DC, który może dostarczać do obciążenia prąd do 1 A (rys. 1).

Pomimo dużej wydajności konwerter został umieszczony w 8-pinowej obudowie μSIP o wymiarach 3×2,6 mm, w której zmieściła się nawet cewka indukcyjna (rys. 2).

 
Rys. 2. Konwerter DC-DC LMZ10501 jest dostarczany w obudowie μSIP o wymiarach 3×2,6 mm wraz z cewką. Widok od dołu pokazuje kontakty (po lewej), a widok z góry cewkę (po prawej)

LMZ10501 realizuje funkcję łagodnego rozruchu opartą na wewnętrznym ograniczniku prądu wejściowego, a także zapewnia ochronę nadprądową. Jest też wyłącznik termiczny. W typowej aplikacji wymaga dołączenia z zewnątrz tylko kondensatorów wejściowego i wyjściowego, pomocniczego kondensatora filtrującego do końcówki VCON oraz dwóch rezystorów (rys. 3). Zintegrowany dławik ma prąd znamionowy o wartości 1,2 A i "miękki" profil nasycenia rdzenia dochodzący do 2 A.

 
Rys. 3. LMZ10501 wymaga dołączenia z zewnątrz tylko trzech kondensatorów i dwóch oporników. Dławik jest częścią samego układu scalonego

Wybór zewnętrznych kondensatorów wymaga starannego rozważenia. Aby zapewnić optymalną równowagę między rozmiarem, kosztem, niezawodnością i wydajnością, zarówno filtry wejściowe, jak i wyjściowe powinny być komponentami MLCC o niskiej wartości ESR. Pojedynczy kondensator 10μF w rozmiarze 0603 lub 0805 i napięciu 6,3 lub 10 V jest zwykle wystarczający do odsprzęgnięcia VIN, można również zastosować kilka kondensatorów 4,7 μF lub 2,2 μF. Należy pamiętać, że wybór kondensatora o zbyt małej wartości może prowadzić do niestabilności ze względu na niższy margines fazowy pętli sprzężenia zwrotnego. Natomiast jeśli kondensator wyjściowy ma zbyt dużą pojemność, może to uniemożliwić osiągnięcie napięcia wyjściowego na poziomie 0,375 wymaganym na końcu sekwencji rozruchowej. Nie ma znaczących korzyści z używania wartości większych niż zalecane.

Co daje mały rozmiar

Przy tak małej wymaganej powierzchni na PCB projektanci mogą zmienić swoje myślenie i spojrzeć na nowe sposoby dostarczania mocy do różnych układów scalonych i innych komponentów. Zamiast większego źródła zasilania znajdującego się w pewnej odległości, na skraju płytki konwerter μSIP umożliwia umieszczenie tuż obok obciążenia. Dodatkową korzyścią jest to, że może być on montowany automatycznie w procesie SMT i lutowany w piecu rozpływowym. Nawet jeśli użyjemy wielu takich przetwornic, nadal oszczędność miejsca będzie zauważalna, gdyż konwertery takie zmniejszają potrzebę stosowania kondensatorów o dużej pojemności i wielkości do blokowania i filtrowania zasilania. Pozwalają też na stosowanie wielu pośrednich szyn zasilających i ich dopasowanie do specyfiki obciążenia, a ponieważ pośrednia szyna prądu stałego znajduje się blisko obciążenia, zmniejsza się zapotrzebowanie na małe kondensatory blokujące.

 
Rys. 4. Moduł konwertera DC-DC TPS82130 firmy Texas Instruments wymaga tylko kilku zewnętrznych elementów pasywnych i może dostarczać do obciążenia prąd do 3 A przy napięciu od 0,9 do 6 V (regulowane przez użytkownika). Na wejściu akceptuje napięcia od 3 do 17 V

Taki system zasilania ma lepszą (szybszą) reakcję na zmiany obciążenia ze względu na bliską lokalizację (odpowiedź dynamiczna). Ponadto konwertery takie mogą być dobrze dobrane do pracy pod kątem optymalnego zakresu obciążenia i wydajności. Zwiększa to ogólną sprawność systemu i może wyeliminować potrzebę użycia wentylatora lub radiatora. μSIP są tak cienkie, że można je umieścić na spodzie płytki drukowanej, nawet gdy płytka znajduje się w ściśle ustawionym stojaku lub cienkiej obudowie. Ponownie daje to większą elastyczność, co może prowadzić do projektu oszczędzającego miejsce. Takie rozłożenie podzespołów na obie strony płytki zmniejsza też przesłuchy i szumy oraz zakłócenia przenoszące się na czułe układy scalone.

Wreszcie zmniejsza się potrzeba stosowania szerszych ścieżek na płytce drukowanej w celu zmniejszenia spadku napięć i efektów pasożytniczych powstających na reaktancjach takich doprowadzeń.

 
Rys. 5. Sprawność TPS82130 wynosi około 60% lub więcej, gdy przetwornica pracuje przy wyższych obciążeniach

Należy pamiętać, że te małe przetwornice DC-DC nie mają wydajności prądowej ograniczonej do podanego przykładu 1 A. Na przykład moduł zasilania TPS82130 MicroSiP, również firmy Texas Instruments, zapewnia prąd wyjściowy 3 A przy współpracy z napięciem wejściowym od 3 do 17 V i ma zintegrowany kontroler synchroniczny oraz cewkę indukcyjną. Na wyjściu dostarcza stabilizowane napięcie wyjściowe o wartości od 0,9 do 6 V (rys. 4).

Konwertery tego typu często nazywane są modułami. Niemniej nie wolno dać się zwieść takiemu terminowi, ponieważ ten element ma wymiary zaledwie 3,0×2,8×1,5 mm. Spojrzenie na krzywe sprawności w funkcji obciążenia pokazuje, że jego ogólna wysoka wydajność osiąga wartość szczytową nieco powyżej prądu wyjściowego 1 A i utrzymuje się na wysokim poziomie aż do znamionowej wartości 3 A (rys. 5).

Problemy dotyczące czasów narastania napięć i ich sekwencjonowania

Gdy urządzenie elektroniczne ma wiele szyn zasilających, często występują problemy związane z ich czasem włączenia/wyłączenia względem siebie i kolejnością pojawiania się napięć przy włączaniu. Istnieją trzy podstawowe rodzaje charakterystyk czasowych: sekwencjonowanie, ratiometryczne i jednoczesne wraz z ich odmianami. Każde z nich można zaimplementować za pomocą pinów Enable (EN) i Soft Start/Tracking (SS/TR) w TPS82130 wraz z dołączonymi do nich rezystorami i kondensatorami.

 
Rys. 6. Konwertery TPS82130 można skonfigurować do sekwencyjnego włączania, w którym lewy regulator włącza się przed prawym

W trybie sekwencyjnym drugie urządzenie włącza się dopiero wówczas, gdy pierwsze urządzenie osiągnęło napięcie znamionowe (rys. 6).

W trybie ratiometrycznym oba napięcia wyjściowe rozpoczynają narastanie w tym samym czasie i jednocześnie dochodzą do wartości znamionowych (rys. 7). Nazywa się to trybem "ratiometrycznym", ponieważ dwa napięcia są zwykle różnej wartości, co powoduje, że ich nachylenia dV/dt różnią się, ale są powiązane stałym współczynnikiem.

 
Rys. 7. W konfiguracji czasowej ratiometrycznej (po lewej) wzrost drugiego napięcia rozpoczyna się i kończy w tym samym czasie co pierwszego (po prawej), ze stałym stosunkiem między nimi

Wreszcie, przy jednoczesnym uruchomieniu konwerterów, nachylenia obu napięć wyjściowych są takie same, co powoduje, że napięcia osiągają regulację w różnych momentach (rys. 8).

Oprócz względnego sekwencjonowania rozruchu systemu zasilającego mogą pojawić się ponadto kłopoty związane z „miękkim startem” (małą szybkością wzrostu napięcia po włączeniu) i koniecznością śledzenia rzeczywistych chwilowych napięć szyn względem siebie. TPS82130 zapewnia to również za pomocą końcówki SS/TR.

 
Rys. 8. W trybie jednoczesnym oba napięcia zaczynają rosnąć w tym samym czasie, ale każde z nich osiąga wartość znamionową w różnym momencie

Co zrobić z tym wolnym miejscem na PCB?

Istnieje wiele możliwości skorzystania z "teraz dostępnej" przestrzeni. W przypadku wielu projektów do rozważenia jest poprawa zarówno odporności elektrycznej, jak i mechanicznej obwodów, a więc obszarów, które często są „redukowane”, gdy jest mało miejsca. Może to oznaczać dodanie elementów zabezpieczających, tłumików przepięć i ochrony przed odwrotną polaryzacją. Po stronie mechanicznej dobrym rozwiązaniem może być dodanie dodatkowych wsporników płytki i śrub mocujących, uchwytów, zacisków akumulatora lub innych ulepszeń konstrukcyjnych.

Być może będzie dosyć miejsca na nieco większą baterię lub większy wyświetlacz, więcej diod sygnalizacyjnych LED, a nawet przyciski.

Rich Miron
Digi-Key Electronics

Zobacz również