Przetwornice DC/DC – podstawowe zasady projektowania, rodzaje, kryteria selekcji

Właściwości konwertera DC/DC (takie jak sprawność, tętnienia napięcia wyjściowego, charakterystyki przejściowe) mogą być dostosowywane za pomocą dołączonych do nich zewnętrznych komponentów. Optymalne wartości zależą od warunków pracy układu (specyfikacji sygnału wejściowego oraz wyjściowego). W dokumentacji układów można znaleźć zazwyczaj rekomendowane propozycje do konstrukcji obwodu konwersji mocy. Zalecenia te mogą być jednak modyfikowane do indywidualnych potrzeb oraz uwarunkowań projektu – prawidłowe przeprowadzenie takiej operacji wymaga jednak pewnej wiedzy eksperckiej oraz doświadczenia.

Podstawowe rodzaje przetwornic napięcia

Układy konwersji mocy można podzielić na dwie grupy, ze względu na występowanie (lub jego brak) izolacji galwanicznej pomiędzy obwodem wejściowym oraz wyjściowym. Wyróżniamy zatem przetwornice z izolacją oraz bez izolacji. Wśród przetwornic nieizolowanych (popularniejszych) do podstawowych typów zaliczyć można układy dławikowe i z pompą ładunku. Dwa najpopularniejsze rodzaje przetwornic z izolacją galwaniczną to z kolei przetwornice typu forward oraz flyback. Podsumowanie różnych rodzajów układów konwersji DC/DC przedstawiono w tabeli 1.

W przypadku chęci korzystania z najprostszego układu konwersji DC/DC, opartego na dławiku, możliwy jest wybór jednego z dwóch trybów pracy – obniżenia (step down, buck) lub podwyższenia (step up, boost) napięcia. W układzie tym nie ma izolacji galwanicznej pomiędzy wejściem a wyjściem. Układ typu step up przedstawiony został na rysunku 1, zaś step down na rysunku 2. Niewątpliwą zaletą tych konstrukcji jest ich niewielki rozmiar, mały koszt oraz mały poziom tętnień. Tego typu rozwiązania wciąż cieszą się sporą popularnością w wielu rodzajach urządzeń.

 

Rys. 1. Konwerter DC/DC typu step up

 

Rys. 2. Konwerter DC/DC typu step down

Układy konwerterów typu SEPIC stanowią połączenie przetwornika step up oraz step down – pomiędzy dwoma rodzajami obwodów umieszcza się dodatkowo kondensator oraz kolejny dławik. Kondensator pozwala na zapewnienie izolacji pomiędzy wejściem a wyjściem układu, wraz z dodatkową cewką obniża jednak sprawność konwersji. Jest to szczególnie widoczne podczas konwersji w dół (step down), gdzie sprawność układu może osiągać 70–80%.

Pompy ładunku pozwalają na konwersję napięć bez korzystania z cewek, co redukuje wymiary oraz masę układu. Ten typ układu nie sprawdza się jednak w przypadku konieczności zapewnienia wysokiej sprawności dla szerokiego zakresu napięć wyjściowych lub dużych mocy. Głównym obszarem zastosowań dla tych rozwiązań jest zasilanie diod LED oraz ekranów LCD.

W przypadku przetwornic z izolacją galwaniczną ich głównym elementem obwodu jest transformator. Parametry pracy, takie jak kierunek oraz poziom konwersji (w górę lub w dół), uzyskuje się m.in. poprzez dobór odpowiedniej liczby zwojów transformatora.

Podstawowa zasada działania przetwornicy DC/DC

Zasada działania przetwornicy DC/DC podczas podwyższania i obniżania napięcia zostanie pokazana na przykładzie najprostszych typów układów. Pod-kreślić należy jednak, że obwody o bardziej złożonej konstrukcji opierają się zazwyczaj na pewnego rodzaju kombinacji dwóch przedstawionych poniżej topologii.

 

Rys. 3. Konwerter DC/DC typu step up w czasie włączenia tranzystora

 

Rys. 4. Konwerter DC/DC typu step up w sytuacji wyłączenia tranzystora

Rysunki 3 oraz 4 przedstawiają zasadę działania układu podczas podwyższania napięcia. Na rysunku 3 przedstawiono przepływ ładunku w obwodzie w sytuacji, gdy tranzystor FET jest włączony. Przerywana linia symbolizuje prąd upływu, obniżający skuteczność konwersji. W momencie, gdy tranzystor jest włączony, energia elektryczna gromadzi się w polu magnetycznym wytwarzanym przez dławik. Na rysunku 4 przedstawiono przepływ prądu w obwodzie po wyłączeniu tranzystora. W tej sytuacji energia zgromadzona w dławiku indukuje siłę elektromotoryczną, która "dodaje się" do napięcia zasilania (wejściowego), a przez cewkę przepływa prąd o wartości malejącej w czasie. Kluczowe znaczenie ma czas, przez jaki tranzystor pozostaje włączony oraz wyłączony. Jeśli czas włączenia tranzystora zostanie wydłużony, w polu magnetycznym cewki zgromadzi się więcej energii, co skutkować będzie wyższą wartością natężenia prądu rozładowania oraz większą mocą wyjściową. Zbyt długi czas włączenia tranzystora spowoduje jednak wzrost moc strat konwersji związany z dużym natężeniem prądu rozładowania. Zazwyczaj określa się zatem maksymalną wartość współczynnika wypełnienia (stosunek czasu włączenia do czasu wyłączenia tranzystora) pozwalającą na uzyskanie zadowalającej sprawności.

 

Rys. 5. Konwerter DC/DC typu step down w czasie włączenia tranzystora

 

Rys. 6. Konwerter DC/DC typu step down w sytuacji wyłączenia tranzystora

Na rysunku 5 oraz 6 przedstawiono układ obniżający napięcie względem napięcia wejściowego. W tej sytuacji załączenie tranzystora powoduje narastanie prądu dławika oraz gromadzenie energii w jego polu magnetycznym. Po wyłączeniu klucza napięcie wyjściowe jest równe różnicy pomiędzy napięciem wejściowym a wartością siły elektromotorycznej indukowanej w cewce.

Aspekty projektowania układów impulsowego przetwarzania napięcia DC/DC

Wśród różnego typu wymagań oraz aspektów niezbędnych do uwzględnienia podczas projektowania układu konwersji DC/DC, zagadnienia wymienione poniżej uznawane są za krytyczne:

• stabilna praca w zadanym zakresie napięć wejściowych oraz warunków otoczenia,
• duża sprawność konwersji,
• mały poziom tętnień napięcia wyjściowego,
• odporność na dynamiczną zmianą stopnia obciążenia.

Wartość tych parametrów w pewnym stopniu można regulować za pomocą odpowiedniego doboru warunków pracy układu, a także wchodzących w jego skład komponentów – zarówno układu konwertera, jak i elementów pasywnych.

Dobór częstotliwości przełączania

Jednym z najważniejszych parametrów wpływających na właściwości przetwornicy impulsowej jest częstotliwość przełączania. Wpływ ten w uproszczony sposób przedstawiono w tabeli 2.

Na rysunku 7 oraz 8 zilustrowano zależność sprawności od natężenia prądu wyjściowego przykładowych układów konwerterów DC/DC typu step down dla dwóch różnych częstotliwości przełączania – 1,2 MHz (rys. 7) oraz 3 MHz (rys. 8). Wpływ częstotliwości przełączania na sprawność jest dobrze widoczny i pozostaje w zgodności z opisem z tabeli 2 – wyższa częstotliwość przełączania powoduje obniżenie sprawności konwersji na skutek rosnących strat komutacyjnych i w rdzeniu dławika. Zaobserwować można również, że dla każdej z częstotliwości przełączania układy osiągają maksymalną wartość sprawności konwersji przy innym poziomie natężenia prądu wyjściowego. Zmiana częstotliwości powoduje zmianę wartości indukcyjności cewki, to zaś przekłada się na pracę układu. W ogólności stwierdzić można, że wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania rośnie poziom natężenia prądu wyjściowego, dla którego konwerter osiąga najwyższą sprawność. Jednocześnie maleje jednak bezwzględna wartość maksymalnej sprawności układu.

 

Rys. 7. Zależność sprawności konwersji od natężenia prądu wyjściowego dla częstotliwości przełączania równej 1,2 MHz, dla przykładowego układu przetwornicy DC/DC typu step down

 

Rys. 8. Zależność sprawności konwersji od natężenia prądu wyjściowego dla częstotliwości przełączania równej 3 MHz, dla układu z rysunku 7

Wybór tranzystora przełączającego

W celu zwiększenia efektywności przetwornicy DC/DC należy pamiętać o tym, aby maksymalne parametry pracy układu (napięcie oraz natężenie prądu) były przynajmniej od 1,5 do 2 razy większe od typowych warunków jego pracy. Ogranicza to ryzyko uszkodzenia układu w wyniku niestabilności napięcia wejściowego i obciążenia. Redukuje to również straty energii wywołane przez parametry pasożytnicze tranzystora FET, czyli R_DS oraz C_ISS.

Straty generowane przez CISS związane są z rozpraszaniem energii podczas ładowania i rozładowania pojemności występującej pomiędzy bramką oraz źródłem tranzystora FET. Moc tych strat może zostać obliczona jako:

P_strat = C_ISS·V_GS²·f/2

Moc strat wzrasta więc wraz ze wzrostem wartości napięcia sterującego tranzystorem oraz częstotliwością przełączania. Straty generowane przez RDS związane są z rozpraszaniem energii na rezystancji występującej pomiędzy drenem a źródłem tranzystora. Moc tych strat wyraża się następującym wzorem:

P_strat = R_DS·I_D²

Straty wynikające z RDS zwiększają się wraz z natężeniem prądu drenu, zależą więc od poziomu obciążenia przetwornicy. W przypadku projektowania układów przeznaczonych do pracy z dużym obciążeniem należy zatem skupić się na doborze tranzystora FET o możliwie małej wartości RDS, zaś w przypadku przetwornic do pracy z niską wartością obciążenia bardziej istotne jest znalezienie komponentu o niskiej wartości CISS (tab. 3).

Wybór dławika

Optymalna wartość indukcyjności dławika zmienia się wraz z wartością częstotliwości przełączania przetwornicy – natężenie prądu dławika jest wprost proporcjonalne do czasu załączenia tranzystora FET oraz odwrotnie proporcjonalne do indukcyjności L.

Straty energii w dławiku są sumą strat rozpraszanych w rezystancji jego uzwojenia oraz generowanych w rdzeniu. Udział strat rdzenia rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania. Przyjmuje się, że do częstotliwości 2 MHz za straty energii w cewce odpowiedzialna jest głównie rezystancja uzwojenia.

Przy wyborze dławika należy pamiętać o minimalizacji ryzyka nasycenia rdzenia. Wystąpienie takiego zjawiska jest bardzo niebezpieczne i może prowadzić do trwałego uszkodzenia konwertera. Aby uniknąć nasycenia, należy dobrać dławik o odpowiedniej wartości indukcyjności oraz wystarczająco dużych wymiarach fizycznych rdzenia. Typowe parametry dławików dla określonych częstotliwości przełączania przedstawiono w tabeli 4. Dane z tej tabeli traktować można jako punkt wyjścia przy projektowaniu układów przetwornic DC/DC dla napięć z zakresu od 0 do 6 V. Dla wyższych wartości napięć rekomendowane wartości będą się nieznacznie różnić.

 

Rys. 9. Zależność sprawności konwersji od natężenia prądu wyjściowego dla różnych wartości indukcyjności dławika w obwodzie typu step-up

 

Rys. 10. Zależność sprawności konwersji od natężenia prądu wyjściowego dla różnych wartości indukcyjności dławika w obwodzie typu step-down

Na rysunku 9 oraz 10 przedstawiono zależność sprawności pracy przetwornicy od wartości indukcyjności dławika. Można zauważyć, że wraz ze wzrostem indukcyjności obniża się maksymalna wartość natężenia prądu wyjściowego, rośnie jednak sprawność oraz obniża się poziom tętnień.

Wybór diody

Tak jak w przypadku pozostałych elementów, maksymalne dopuszczalne wartości parametrów prądowych diody Schottky’ego powinny być ok. od 1,5 do 2 razy większe od typowych parametrów pracy obwodu. Straty wprowadzane przez diodę do konwersji mocy pochodzą z dwóch źródeł – ciepła rozpraszanego przez prąd płynący w kierunku przewodzenia oraz przez prąd upływu. Pierwszy z elementów zależy od parametru V_F, czyli spadku napięcia na diodzie. Drugi zależy od parametru I_R, czyli wartości natężenia prądu upływu diody (wstecznego). Korzystne byłoby zatem znalezienie takiej wersji, która charakteryzuje się minimalnymi wartościami V_F oraz I_R – nie jest to niestety możliwe, ponieważ parametry te są ze sobą powiązane. Wybór diody SBD zależeć będzie zatem od warunków pracy przetwornicy. Przy dużych wartościach natężenia prądu przepływającego przez diodę korzystniej będzie korzystać z komponentów o małej wartości V_F (wartość strat związanych z tym parametrem jest proporcjonalna do natężenia prądu przepływającego przez diodę w kierunku przewodzenia), zaś przy małych prądach lepszym wyborem będzie dioda o małej wartości I_R (straty wprowadzane przez ten parametr mają stałą wartość, niezależną od poziomu obciążenia przetwornicy).

Wybór kondensatora C_L

Wraz ze wzrostem wartości pojemności C_L (kondensator odsprzęgający na wyjściu obwodu) maleje poziom tętnień napięcia wyjściowego. Duża wartość tego parametru spowoduje jednak wzrost rozmiarów kondensatora, a także kosztu całego układu. Odpowiedni dobór wartości tej pojemności zależy zatem od oczekiwanego poziomu tętnień obwodu. Jeśli poziom ten mieści się w zakresie od 10 do 40 mV, można skorzystać z danych przedstawionych w tabelach 5 oraz 6.

Wybór kondensatora C_IN

Wpływ pojemności C_IN (kondensator odsprzęgający na wejściu obwodu) na stabilność sygnału wyjściowego jest znacznie mniejszy niż w przypadku CL, wciąż jednak w pewnym stopniu przekłada się to na poziom tętnień. Korzystne jest zatem zwiększanie wartości poziomu C_IN, ale tylko do pewnego poziomu. Aby ograniczyć poziom zakłóceń EMI, zalecane jest użycie  C_IN o około dwukrotnie mniejszej wartości niż CL. Jednocześnie należy korzystać z komponentów o możliwie niskiej wartości ESR – wraz ze spadkiem rezystancji ESR wzrasta stabilność napięcia wyjściowego.

Podsumowanie

Zawarte w tekście wskazówki dotyczące doboru poszczególnych komponentów oraz parametrów obwodu przetwornicy DC/DC traktować można jako punkt wyjścia do własnych obliczeń, mających na celu dopasowanie charakterystyki układu do specyfiki aplikacji.

Damian Tomaszewski