Podwójny monolityczny stopień mostkowy do konwertera zasilającego PoL

SilentMOS to idealny wybór do PoL

Podwójny stopień mocy zawarty w LTC7050 może być wykorzystany do realizacji konwertera zasilającego, współpracującego z dwoma oddzielnymi szynami zasilającymi, zapewniając niezależne włączanie i wyłączanie każdej gałęzi, sygnalizowanie błędów i pomiar prądu. W innym przypadku układ ten może być skonfigurowany jako konwerter dwufazowy. Wchodzący w skład rodziny LTC7051 ma z kolei jeden stopień mocy o maksymalnej wydajności sięgającej 140 A i zapewnia jeszcze większą gęstość mocy w układzie z jednym dławikiem.

LTC7050 ma zintegrowane tranzystory przełączające połączone w układzie półmostkowym razem z dopasowanymi szybkimi sterownikami bramki. Tranzystory mocy mają małą rezystancję w stanie przewodzenia, a ich działanie jest wspierane przez rozbudowane obwody monitorujące i ochronne. Razem z kontrolerem działającym przy wysokiej częstotliwości kluczowania ten scalony stopień mocy pozwala na budowę kompaktowego, wysokoprądowego zasilacza stabilizowanego o dużej sprawności i o szybkiej odpowiedzi impulsowej. Wykorzystanie znanej topologii Silent Switcher 2 i zintegrowany obwód bootstrap użyty do zasilania górnego tranzystora mostka umożliwiają szybkie przełączanie, zapewniają małe straty mocy przy wysokich częstotliwościach oraz dają minimalne przerzuty napięcia wyjściowego podczas zmiany obciążenia, a także niewielkie EMI.

Małe przerzuty napięcia na przełącznikach mocy zwiększają niezawodność

W typowych konstrukcjach konwerterów obniżających napięcie wejściowe (buck) indukcyjność pasożytnicza pętli wysokoprądowej między kondensatorem wejściowym a tranzystorami MOSFET mocy wywołuje duże przepięcia szpilkowe nakładające się na przebiegi w stopniu mocy. Z tym problemem radzi sobie technologia Silent Switcher 2, a poza tym w LTC7050 krytyczne elementy tj. kondensator odsprzęgający napięcie VIN i tranzystory mocy są zintegrowane w małej obudowie LQFN. "Gorąca" pętla jest przez to bardzo mała, co skutkuje mniejszą wartością indukcyjności pasożytniczej, a dodatkowo symetryczna topologia konwersji energii pozwala na kompensację elementarnych pól elektromagnetycznych. Rysunek 1 pokazuje porównanie topologii układu LTC7050 z konwencjonalnym stopniem mocy, a jak pokazano na rysunku 2, szczytowe napięcie na wyjściu węzła przełączającego wynosi tylko 13 V przy napięciu wejściowym 12 V i pełnym obciążeniu. Duży margines między szczytową wartością napięcia na obciążonym tranzystorze a jego napięciem znamionowym zapewnia niezawodność finalnego produktu. Mała długość i powierzchnia gorących pętli oraz to, że są one zawarte wewnątrz obudowy, dają swobodę projektową w zakresie mozaiki PCB urządzenia wykorzystującego takie konwertery i ułatwiają panowanie nad emisją elektromagnetyczną.

 

Rys. 1. Rodzina SilentMOS ma symetrycznie położone gorące pętle o małej powierzchni, aby zminimalizować oscylacje podczas przełączania: (a) układ wewnętrzny LTC7050 i (b) typowy moduł mocy DrMOS

Wysoka sprawność i mała obudowa zapewniają dużą gęstość mocy

LTC7050 ma mniejsze od konkurencyjnych rozwiązań DrMOS straty komutacyjne, dzięki czemu zapewnia większą sprawność przetwarzania przy dużej częstotliwości przełączania. Jak wiadomo, w takim przypadku problemem jest prąd skrośny pojawiający się na skutek nakładania się na siebie czasów włączenia i wyłączenia dolnego i górnego klucza. Moment pojawienia się prądu skrośnego zależy od częstotliwości pracy oraz reaktancji pasożytniczych. Niemniej sterowanie bramek kluczy zbyt dużym prądem po to, aby osiągnąć małe straty komutacyjne, może wywołać przepięcia w napięciu sterującym a w konsekwencji uszkodzenie tranzystora. Duża stromość przebiegów mocy także wywołuje oscylacje, ponieważ na wyjściu konwertera też są indukcyjności pasożytnicze i kolejne gorące pętle.

Sterownik bramki tranzystorów zawartych w LTC7050 jest zintegrowany na tej samej strukturze scalonej co stopień mocy, w obudowie chipa są też kondensatory niezbędne do działania sterowników bramek. Dzięki temu połączenia są bardzo krótkie, a indukcyjność pasożytnicza każdej pętli jest bliska zera. W porównaniu z modułem mocy wykonanym w technologii multi die DrMOS, LTC7050 znacznie szybciej włącza i wyłącza przełączniki mocy. Typowe narastające zbocze napięcia wyjściowego mostka w węźle przełączającym ma tylko 1 ns (rys. 2). To najlepszy w swojej klasie rezultat, który znacznie zmniejsza straty komutacyjne i sprawia, że LTC7050 ma praktycznie zerowy czas martwy.

 

Rys. 2. Przebieg napięcia na węźle przełączającym konwertera dla I_LOAD = 25 A na fazę

 

Rys. 3. Sprawność i straty mocy podczas konwersji 12 V –> 1,8 V

Taka zaawansowana konstrukcja konwertera zwiększa sprawność konwersji mocy przy wysokich częstotliwościach przełączania. Rysunek 3 przedstawia krzywą sprawności i strat mocy w układzie przy przetwarzaniu napięcia 12 V na 1,8 V dla 600 kHz i 1 MHz. Jak widzimy, maksymalna wydajność wynosi ponad 94% dla 1 MHz. Rysunek 4 przedstawia z kolei sprawność i wielkość strat dla przetwarzania 12 V na 1,0 V przy 600 kHz i 1 MHz.

W przypadku pracy z kluczowaniem 1 MHz dla układu z rysunku 4, przy prądzie wyjściowym 60 A sprawność wynosi prawie 90%, a poziom całkowitych strat mocy, w tym w dławiku nie przekracza 7 W. Obudowa konwertera LTC7050 typu LQFN o wymiarach 5×8 mm ma małą impedancję termiczną 10,8°C/W, co ułatwia rozpraszanie ciepła. Dzięki temu przy dużej sprawności LTC7050 pozwala na zastąpienie dwóch standardowych modułów DrMOS w obudowach 5×6 mm. Rysunek 5 przedstawia termogram LTC7050 przy konwersji 12 –> 1 V/60 A przy 1 MHz. Wzrost temperatury obudowy w stosunku do otoczenia wynosi około 68°C.

 

Rys. 4. Krzywe wydajności i strat dla konwersji 12 V na 1,0 V przy 600 kHz i 1 MHz

 

Rys. 5. Termogram LTC7050 zamontowanego na PCB dla V_IN = 12 V, V_OUT = 1 V i I_OUT = 60 A, przy braku chłodzenia wymuszonego, po 30 minutowej stabilizacji warunków pracy

Zabezpieczenia i obwody monitorowania

Rodzina układów LTC7050 realizuje szereg funkcji wykrywania błędów, monitorowania działania i ochronnych, aby zapewnić bezpieczeństwo zasilanego systemu. Istotną funkcją jest tutaj zabezpieczenie nadprądowe dla górnych i dolnych FET-ów. Ponieważ oba te tranzystory znajdują się na wspólnej strukturze krzemowej razem z układem pomiarowym prądu uzyskuje się dokładne i powtarzalne wyniki niezależne od warunków pracy i wahań technologicznych procesu produkcji. Konstrukcja monolityczna gwarantuje ponadto małe wartości reaktancji pasożytniczych, które w układach dyskretnych wywołują opóźnioną reakcję detektora na przeciążenia. W tym przypadku możliwe staje się monitorowanie prądu płynącego przez tranzystory przełączające w czasie rzeczywistym. Aktywacja komparatora obwodu zabezpieczenia nadprądowego skutkuje blokadą chronionego przełącznika mocy bez względu na stan sygnału sterującego PWM. Jednocześnie wymuszany jest stan niski na pinie FLTB, co zgłasza sterownikowi błąd, a drugi tranzystor przełączający jest włączany, aby sprowadzić prąd w dławiku do zera. Sterownik wznawia pracę dopiero po spadku tego prądu do zera, co zapobiega ciągłemu próbkowaniu układu pomiarowego wokół dodatniej lub ujemnej wartości granicznej, zapobiegając przeciążeniu termicznemu. Rysunek 6 pokazuje efekt aktywacji zabezpieczenia w czasie narastania prądu obciążenia.

 

Rys. 6. Działanie obwodu zabezpieczenia nadprądowego w LTC7050

Aby zagwarantować bezpieczną pracę tranzystorów mocy, obwód blokady nadnapięciowej wyłącza komutację, gdy napięcie wejściowe przekroczy próg OV (overvoltage). Gdy moment, w którym nastąpi aktywacja tego zabezpieczenia, wypadnie w chwili, kiedy MOSFET przewodzi duży prąd, wówczas podobnie jak poprzednio opisano, włączany jest przeciwny tranzystor, aby sprowadzić prąd w dławiku do zera.

Układy z rodziny LTC7050 dostarczają też do kontrolera PWM (takiego jak LTC3884) informacji o temperaturze, co jest dodatkowym zabezpieczeniem. Pin T_DIODE jest połączony z zawartą na strukturze diodą czujnikową, co pozwala wyznaczyć temperaturę złącza metodą VBE lub ΔV_BE. Dodatkowe wyjście TMON dostarcza dodatkowego sygnału napięciowego o temperaturze ze standardowym współczynnikiem 8 mV/°C. W standardowych modułach DrMOS informacja o temperaturze jest dostępna razem z innymi alertami o błędach na jednym pinie. W LTC7050 pin T_MON jest podciągany do VCC tylko wtedy, gdy temperatura struktury wynosi minimum 150°C. W przypadku innych błędów, TMON dalej sygnalizuje problem z temperaturą, ale jednocześnie aktywuje wyjście FLTB typu otwarty dren. Co więcej, dwa wyjścia T_DIODE i T_MON umożliwiają dokładny pomiar temperatury, co przydaje się w zasilaczach wielofazowych. W nich można tak połączyć piny T_MON konwerterów, aby sygnalizować najwyższą temperaturę we wszystkich jednostkach. Zintegrowanie w strukturze LTC7050 diody i kondensatora bootstrapu eliminuje potrzebę wyprowadzania dodatkowego pinu do dołączenia tych elementów z zewnątrz. Ogranicza to także ryzyko przypadkowego zwarcia w układzie zasilania górnego tranzystora mocy. Napięcie to (tworzone przez bootstrap) jest stale monitorowane. Jeśli spadnie poniżej ustalonego progu minimalnego, górny FET jest wyłączany, aby uniknąć strat mocy wywołanych niepełnym nasyceniem tranzystorów.

Podsumowanie

Monolityczne stopnie mocy LTC7050 z rodziny SilentMOS są idealnym rozwiązaniem stopnia mocy do konwerterów PoL działających na wysokiej częstotliwości. Zintegrowana konstrukcja scalona o małych wymiarach wymaga niewielu komponentów zewnętrznych, mało miejsca na PCB i ogranicza koszty realizacji. Duża sprawność konwersji pozwala na zastosowanie małego dławika i kondensatora wyjściowego. Kompleksowe funkcje monitorowania i ochrony chronią konwerter i obciążenie przed skutkami awarii.

Yingyi Yan, Eugene Cheung, Eric Gu, i Tuan Nguyen, Analog Devices

Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com