Sinhroni kombinovani pretvarač. Poređenje efikasnosti sinhronih i asinhronih opadajućih pretvarača napona Procjene crne kutije prije projektovanja

Kombinovani DC/DC pretvarač vam omogućava da dobijete stabilizovani napon kada nivo ulaza može biti niži ili viši od izlaznog nivoa. U članku je opisan proces dizajniranja takvog pretvarača pomoću četiri MOSFET tranzistora i kontrolera proizvođača Texas Instruments.

Raznolikost DC/DC pretvarača dostupnih danas pokazuje važnost pretvaranja širokog opsega ulaznog napona u stabilizirani izlazni napon. Ovaj zadatak je posebno relevantan ako se ulazni napon kontinuirano mijenja i može biti veći ili niži od izlaznog napona. Metoda konverzije u ovom slučaju se naziva kombinovana konverzija. Koristi se u punjenju baterija, LED rasvjeti i automobilskoj elektronici.

Razmotrimo aspekte stvaranja i odabira kombiniranih pretvaračkih kola, posebno odabir komponenti i izračunavanje gubitka snage. U zaključku ćemo ukratko govoriti o softverskom paketu koji vam omogućava da pojednostavite i ubrzate proces dizajniranja kruga pretvarača.

Rad sinhronog kombinovanog pretvarača

Kombinovani pretvarač omogućava stabilizaciju izlaznog napona kada se ulazni napon promeni u velikim granicama. Na slici 1 prikazan je sinhroni (neinvertujući) kombinovani pretvarač sa četiri tranzistora.

Glavna prednost kombinovanog pretvarača je mogućnost postizanja maksimalne efikasnosti u režimima konverzije na niže ili gore, bez obzira na nivo ulaznog napona i opterećenje. Ovaj pretvarač daje pozitivan izlazni napon. Za razliku od sličnog komutiranog (invertujućeg) buck-boost pretvarača, on ima manje gubitke snage i veću gustinu snage raspoređenu po volumenu u poređenju sa SEPIC (single-ended induktivni pretvarač), flyback i kaskadnom topologijama.

Četiri snažna MOSFET-a prikazana na slici 1 su raspoređena kao pojačivači i pojačivači punog mosta. Preklopni čvorovi tranzistora SW1 i SW2 povezani su preko induktora Lf. Sinhroni proces konverzije pojačanja ili pojačanja događa se samo kada je ulazni napon veći ili niži od izlaznog napona. Gornji MOSFET tranzistor na suprotnoj strani koja se ne preklapa služi kao prolazni tranzistor. Važno je napomenuti da kada se ulazni napon približi izlaznom naponu, aktivirana pojačavačka ili pojačana ruka dostigne predviđenu granicu radnog ciklusa, uzrokujući prijelaz na kombinirani način rada. Režim rada treba da se menja glatko i autonomno, bez naglih promena u konfiguraciji upravljanja.

LM5175 kontroler koristi jedinstveni kombinovani algoritam za prebacivanje režima, pri čemu se pojačavajuća i pojačavačka noga prebacuju na niskoj frekvenciji na kvazi-alternativni način, što rezultira značajnom efikasnošću i prednostima smanjenja gubitaka. Metoda upravljanja pretvaračem u režimu ograničenja struje u cijelom opsegu izlaznog napona, posebno na mjestu prijelaza iz pojačanog u buck mod (i obrnuto), osigurava glatku tranziciju. Sve što je potrebno je da se instalira strujni senzor za praćenje struje koja teče kroz induktor i tranzistore. Brzina porasta struje u induktoru ovisi o razlici između VIN i VOUT. Brza promjena razlike između VIN-a i VOUT-a dovodi do aperiodične prijelazne reakcije, što podrazumijeva stvaranje buke napajanja (PSR). Izvor smetnji je izlazni stupanj pretvarača, u kojem brzo prebacivanje tranzistora uzrokuje tranzijente.

Šema spoja kombinovanog pretvarača u režimu ograničavanja struje

Na slici 2 prikazano je kolo sinhronog kombinovanog pretvarača sa četiri prekidača. Kolo se sastoji od stupnja napajanja (četiri tranzistora snage), PWM kontrolera i strujnog senzora. PWM kontroler može raditi u režimu frekvencijske modulacije, što vam omogućava da proširite SSFM spektar i smanjite nivo elektromagnetnih smetnji (EMI). Zaštita od pod/prenapona (UVLO) je integrirana u kristal kontrolera. Kompenzacijski lanci su uključeni u krug povratne sprege.

Ovaj priručnik ima za cilj da ubrza razvojni proces analizom i dizajniranjem kombinacionog pretvarača sa četiri prekidača. Preporučljivo je da pređete sa specifikacije pretvarača na odabir komponente do pregleda performansi (efikasnost rasipanja energije i Bodeov dijagram), nakon čega slijedi redizajn ako je potrebno. Uzimajući PWM kontroler LM5175 kao osnovu, razmotrit ćemo korak po korak dizajn pretvarača koji radi na frekvenciji od 400 kHz, koji osigurava izlazni napon od 12 V / 6 A s ulaznim naponom od 6 ... 42 V.

Faza 1: Osnovni parametri

Slika 3 prikazuje prvu fazu. U ovoj fazi, programer mora unijeti glavne parametre pretvarača - raspon ulaznog napona, nivo izlaznog napona, struju opterećenja i frekvenciju prebacivanja.

Faza 2: Filter prigušnica

U ovoj fazi izračunava se induktivnost La induktora. Nivo induktivnosti zavisi od opsega ulaznog napona i potrebnog nivoa talasne struje (pile). Formula (1) određuje nivo potrebne induktivnosti na trenutnim tačkama talasanja od 30% i 80%.

(1)

Performanse induktora karakterišu tri glavna parametra: DC otpor (DCR), struja zasićenja (ISAT) i gubici u jezgri. Obično se prigušnica pravi na jezgri od komprimovanog željeznog praha. Takvo jezgro može raditi na frekvencijama do 400 kHz. Njihova prednost je u tome što se induktivnost postepeno smanjuje kako se struja povećava. Prigušnice sa feritnim jezgrom imaju manje gubitke, ali se ne preporučuju za upotrebu, jer je pri maksimalnoj struji na početku zasićenja moguć oštar pad induktivnosti.

Faza 3: Senzor struje

Senzor struje može biti izgrađen na bazi strujnog transformatora, Hall senzora ili konvencionalnog otpornog šanta. U ovom slučaju je opisan strujni senzor baziran na otpornom šantu. Nivo otpora senzora se izračunava na osnovu parametara granične vrijednosti napona regulatora i maksimalne struje (pile) koja teče kroz induktor. Formula (2), predstavljena za LM5175, definiše prag od 80 mV na minimalnoj tački u režimu pojačanja i 160 mV na maksimalnoj tački u režimu pojačanja. Snaga šanta dostiže svoj maksimum na najnižoj vrijednosti ulaznog napona, kada faktor pojačanja dostigne svoju maksimalnu vrijednost. Upotreba otpornika standardnih veličina 1225 i 2512 omogućava vam da dobijete šant minimalnih dimenzija.

(2)

Formula (3) vam omogućava da izračunate kapacitivnost kondenzatora Cslope. Određuje kompenzaciju za nagib struje pile. U BUCK modu, kompenzacijska komponenta se dodaje brzini napona struje induktora, dodajući informaciju o povećanju brzine okretanja. U BOOST modu, kompenzacijska komponenta mijenja informacije o brzini porasta struje prema smanjenju.

(3)

Faze 4 i 5: Proračun filtera. Ulazni i izlazni kondenzatori

Na slici 4 prikazani su grafikoni fazno-frekventnih karakteristika pretvarača. Ovi grafikoni su konstruisani na osnovu vrednosti filterskih kondenzatora, i to u svim režimima rada DC/DC pretvarača.

Upotreba keramičkih kondenzatora sa dielektričnim tipovima X5R ili X7R omogućava stvaranje uređaja sa velikom gustinom pakovanja. U nekim slučajevima, uz potreban veliki kapacitet, moguće je koristiti dvije vrste komponenti - paralelno povezivanje električnih i keramičkih kondenzatora. A u uređajima visoke gustoće, upotreba keramičkih kondenzatora s X5R i X7R dielektricima omogućuje smanjenje kapacitivnosti električnog kondenzatora i stoga će njegova veličina biti manja. Formula (4) pokazuje grubu procjenu kapacitivnosti uzimajući u obzir vršni napon valovitosti, ali ne uzimajući u obzir serijski otpor (ESR) komponente.

(4)

Poznavajući nivo kapacitivnosti i ESR, obrnutim proračunima dobijamo odgovarajuće vršne napone talasanja:

(5)

U BUCK modu, RMS struja kroz kondenzator (i talasni napon) dostiže svoju maksimalnu vrijednost pri 50% radnog ciklusa. U BOOST modu, najveća RMS izlazna struja koja teče kroz kondenzator javlja se pri maksimalnom radnom ciklusu. Formule za određivanje efektivnih struja su sljedeće:

(6)

Korak 6: Izračunavanje mekog starta, frekvencije generatora, nivoa blokade snage UVLO

Kapacitet mekog pokretanja određuje se sljedećom formulom:

Izračun kapacitivnosti podešavanja za frekvenciju generiranja izračunava se pomoću formule (8), gdje je Gd koeficijent provodljivosti povezan s regulatorom:

Proračun otpornog razdjelnika, koji određuje nivo zaštite od niskog napona napajanja, izračunava se po formuli (9), gdje je VUV(ON) naponski nivo ugrađenog komparatora UVLO (1,23 V – uključen, 0,79 V - Isključeno):

(9)

Korak 7: Proračun reverznog kompenzacijskog krugakomunikacije

Stabilnost pretvarača je određena fazno-frekvencijskim odzivom (BODE).

Frekvencija koja odgovara nuli funkcije kompenzacije određena je proračunom RC i CC1, osiguravajući povećanje margine faze. Pol uzrokovan CC2 nalazi se blizu nule funkcije izlaznog kondenzatora (ESR) ili pola frekvencije prebacivanja ako je ispod nule. Ovaj stub obezbeđuje smanjenje buke i izlaznog talasa. Vrijednosti kompenzacijskih elemenata izračunavaju se pomoću formule (10):

(10)

Da biste povećali propusni opseg, potrebno je povećati RC otpornik. U ovom slučaju potrebno je podesiti vrijednost CC1, jer ovaj kondenzator utječe na nivo margine faze. Bez kompenzacije, pretvarač ima funkciju nule na frekvenciji jednakoj fRHPZ (0 dB). Obično nema dovoljno margine faze na datoj frekvenciji, što može dovesti do nestabilnog rada pretvarača. Situacija postaje još složenija, jer je ova frekvencija uključena u opseg rada pretvarača u BOOST modu. Da bi se poboljšao rad pretvarača u ovom načinu rada, uvodi se dodatna kompenzacija frekvencije. Za izračunavanje kompenzacijskih lanaca uvodi se frekvencija fcross. Vrijednost fcross je odabrana da bude približno 50% niža od fRHPZ. Ova korekcija će vam omogućiti da dobijete dodatnu marginu faze. Opisani odnos je izražen formulom (11):

(11)

U režimu ograničavanja struje (BOOST), frekvencija prebacivanja tranzistora se također može smanjiti na fcross frekvenciju, ali smanjenje Ku i poboljšanje faznog odziva (ispod fcross) pojačala greške zbog kompenzacije omogućava smanjenje vjerovatnoće pobude pretvarača.

Korak 8: Procjena efikasnosti

Korak 8, prikazan na slici 5, je proračun efikasnosti i disipacije snage elemenata kola. Posebnu pažnju ćemo obratiti na karakteristike MOSFET tranzistora: unutrašnji otpor RDS(ON) kanala, napunjenost gejta, karakterističan nagib, prag gejt-drain napona. Također ćemo razmotriti parametre ugrađene diode: pad napona naprijed na diodi, vrijeme rastvaranja naboja.

U BOOST modu, nivo struje u induktoru je veći nego u BUCK modu. U skladu s tim, MOSFET tranzistori na bočnoj strani bi trebali imati niži RDS(ON) nego tranzistori na strani za povećanje.

Koristeći formule (12) i (13), izračunavaju se statički i dinamički gubici i gubici punjenja vrata:

(12)

(13)

Dodatne gubitke unose jezgro u induktoru, otpor namotaja induktora pri istosmjernoj struji, “mrtvo vrijeme” (vrijeme kada su svi tranzistori u “OFF” stanju) i mjerni šant. Ako se gubici uzmu u cjelinu, efikasnost kombinovanog pretvarača sa četiri tranzistora i stabiliziranim izlaznim naponom od 12 V dostiže 96%.

Zaključak

Kombinirani pretvarači za industrijsku i automobilsku primjenu ispunjavaju posebne zahtjeve za snagom. Pored toga, prednosti sinhronog kombinovanog pretvarača sa četiri prekidača uključuju jednostavnost rada, visoke performanse, kompaktnu veličinu i nisku cenu komponenti. Kalkulator softvera za početni dizajn je zgodan alat za ubrzano projektovanje i proračun kruga pretvarača.

Književnost

1. Široka VIN rješenja za pretvarač snage;
2. Automobilski valni oblici hladnog pogona, ISO 7637-2:2011;
3. LM5175 alat za brzo pokretanje;
4. LM5175 buck-boost kontroler;
5. Referentni dizajn LM5175EVM-HD 400 kHz buck-boost pretvarača visoke gustine.

Predstavljam vašoj pažnji još jedno kolo padajućeg pretvarača, u ovom slučaju sinkronog, izgrađenog na bazi HIP6004 čipa zalemljenog sa stare matične ploče.

Dakle, mikrokolo je niskonaponski PWM kontroler, koji je dizajniran za izgradnju sinhronih buck pretvarača koristeći buck topologiju sa eksternim n-kanalnim MOSFET tranzistorima sa efektom polja.

Ova mikruha je idealno rješenje za izradu step-down pretvarača za automobil, jer je posebno dizajnirana za rad od 12 volti (počinje na minimum +9,7V, maksimalna snaga prema datasheetu je +15V).

Za potpuno otvaranje n-kanalnih terenskih uređaja koristi se standardni krug buster pumpe (s diodom i kondenzatorom), čiji se napon dovodi na poseban BOOT pin.

Osim toga, HIP6004 ima pet-bitni DAC, koji omogućava, promjenom kombinacije nivoa signala na ulazima VID0..VID4, podešavanje referentnog napona od 1,3 do 2,05 V u koracima od 0,05 V, odnosno od 2 do 3,5 V u koracima od 0,1 V, što zauzvrat omogućava kreiranje naponskog pretvarača s diskretno kontroliranim izlazom pomoću ovog mikrokola (što je širi raspon, to je veći korak; što je raspon uži, korak je manji ). Da biste napravili pretvarač sa podesivim izlazom, jednostavno možete pričvrstiti mikrokontroler na noge VID0..VID4 i pomoću njega mijenjati nivoe signala na tim nogama, mijenjati referentni napon i, shodno tome, izlazni napon pretvarača.

Još jedna karakteristika ovog mikro kruga je prisutnost "mekog" starta, koji vam omogućava da prvo napunite izlazne kondenzatore malim impulsima, a zatim nastavite direktno na regulaciju izlaznog napona.

Radna frekvencija ovog PWM kontrolera može se podesiti u vrlo širokom rasponu (od 50 kHz do više od 1 MHz). Ovo se radi ugradnjom otpornika za povlačenje na poseban RT pin. Kada RT pin visi u vazduhu, radna frekvencija je 200 kHz. Ako se izlaz povuče kroz otpornik na masu, tada se frekvencija povećava ovisno o vrijednosti pull-up otpornika. Ako je RT priključen na napajanje, frekvencija se smanjuje. Pogledajte tablicu za formule.

Koje druge dobrote ima ova mala stvarčica? Pa, postoji POWER GOOD izlaz, postoji krug za ograničavanje vršne struje. Ukratko, mikruha je pametna i zanimljiva.

Krug (varijanta sa fiksnim izlaznim naponom)

Koja je razlika između sinhronog buck pretvarača i nesinhronog? Sve je vrlo jednostavno. U konvencionalnom pretvaraču iz uzemljenja u FAZU postoji Schottky dioda, koja se otvara kada se gornji tranzistor zatvori. Dakle, kako bi se smanjili gubici snage, umjesto ove diode u sinkroni pretvarač je ugrađen još jedan tranzistor s efektom polja (i dalje je potrebna Schottkyjeva dioda, ali moderni uređaji s efektom polja obično imaju ugrađenu).

Elementi:

L1, L2 - induktori od 10..15 µH i 1..3 µH, respektivno. Zavojnica L1 je namotana na prsten sa matične ploče, a zavojnica L2 je jednostavno potpuno istrgnuta odatle i nije premotana. L2, C5 je dodatni LC filter na izlazu. Omogućuje vam da značajno smanjite talasanje izlaznog napona i koristite kondenzatore manjeg kapaciteta i, shodno tome, veličine na izlazu. Praksa pokazuje da je bolje uzeti zavojnice namotane ne jednom žicom, već nekoliko.

C1 - elektrolitički kondenzator 220 uF x 16V za izlaz od 5 volti ili 470 uF x 16V za izlaz od 9,5 volti.

C2 - keramički kondenzator 0,1 µF (filter za napajanje mikruhija, postavite ga što bliže stopalima mikruhija)

C3 - keramički kondenzator od 0,1 µF (kondenzator za pojačanje, pumpa se naponom višim od napajanja za kontrolu pogonskog pogona)

C4, C5 - elektrolitski kondenzatori 100 µF x 16V i 220 µF x 16V, respektivno (izlazni filter)

C6, C7, C8 - keramički kondenzatori 8,2 nF; 2.2 nF; 0,1 µF, respektivno (mikruhi svežanj, pogledajte tablicu za detalje)

C9 - 0,1 µF keramički kondenzator (meki startni krug)

R1, R2 su otpornici za djelitelj napona. Referentni napon komparatora grešaka za naš slučaj (kada su VID0...VID4 spojeni na masu) je 2,05 volti. Na osnovu toga, formula za izračunavanje izlaznog napona u zavisnosti od otpora djelitelja je: Vout=2,05*(1+R1/R2). U našem slučaju, za izlaz od 5V dobijamo: R1=10 kOhm, R2=6,8 kOhm. Za izlaz od 9.5V dobijamo R1=10 kOhm, R2=2.74 kOhm.

R3 je otpornik od 2 kOhm. Ovaj otpornik je u krugu za ograničavanje vršne struje. Vršna struja se izračunava po formuli: Ipk=200μA*R3/RDS(ON), gdje je RDS(ON) otpor gornjeg tranzistora u otvorenom stanju).

R4, R5, R6 - otpornici 20 kOhm; 1,5 kOhm i 20 Ohm, respektivno (mikruhi ožičenje, pogledajte tablicu za detalje).

D1 - dioda za pojačivač pumpnog kruga (svako će učiniti, uzeo sam staklenu SMD diodu sa matične ploče)

T1, T2 - MOSFET tranzistori u mini D-pack paketima. U principu će raditi bilo koji MOSFET sa matičnih ploča, na primjer isti, ali su ovi odabrani zbog minimalnih dimenzija kućišta.

Ako se RT pin povuče na masu kroz otpornik od 23 kOhm, tada će radna frekvencija biti 371 kHz.

Verzija gotovog uređaja (još nije napunjena toplim ljepilom)

Rezultirajući pretvarač (na frekvenciji od 371 kHz) sa ulaznim naponom od 9,6 do 15 volti proizvodi stabilan izlaz od 5 ili 9,5 volti (ovisno o vrijednosti otpornika R2). Ispitivanja su obavljena za opterećenja do 3 Ampera. Za izlaz od 5 volti, efikasnost je bila oko 85..90%, a za izlaz od 9.5 volti - oko 90..95%. Možete pretvoriti djelitelje otpornika u bilo koji drugi izlazni napon.

Elektrolitički kondenzatori moraju biti pažljivo savijeni prema ploči, zavojnice moraju biti postavljene vodoravno, kao rezultat toga će cijela konstrukcija biti prilično ravna (manje od 1 cm debljine).

Nakon proizvodnje, cijela konstrukcija se može napuniti vrućim ljepilom, nakon čega će cijela stvar izgledati kao kompaktan tanak blok. Možete preuzeti štampanu ploču (DipTrace 2.0) sa linka.

Snažan pretvarač napona za smanjenje napona sa računara koji ne radi. stalevik napisao je 10. decembra 2014

Laptopi koriste moderne, moćne sinhrone pretvarače napona. Uspio sam pronaći ploču LA575 sa neradnog laptopa sa pogodnom lokacijom pretvarača. Općenito, ima ih nekoliko na ploči - za napajanje procesora, sjevernog mosta, video kartice, RAM-a i nekih drugih. Međutim, neće svi odgovarati. Za neke, napon se postavlja primjenom kombinacije logičkih signala na pinove VID1...VID6.


Ako trebate napraviti podesivi pretvarač, tada će se takvi krugovi morati napustiti. Odabrao sam RAM napajanje. Evo njegovog dijagrama.


Pregledavši čitavu tablicu podataka na ploči, još uvijek nisam mogao shvatiti koju maksimalnu struju ovo napajanje može proizvesti. Prema podacima na TPS51117, maksimalna struja je 10A. Tranzistori i induktor su sposobni da izdrže struju od 20A.
Zalemimo ometajuće dijelove sa ploče i pažljivo izrežemo pretvarač.


Sada morate izoštriti izrezane ivice ploče turpijom ili brusnim papirom. Nakon toga, pod lupom, provjerite da nakon pijenja nema kratkog spoja u unutrašnjim slojevima.


Na ploči ostaju potrebni dijelovi - kondenzatori ulaznog kruga. Zalemimo ih i zalemimo na maramicu.


Lemimo žice - dvije za ulaz i dvije za izlaz. Bolje je uzeti deblje žice, jer će struja biti nekoliko ampera.


Kao što možete vidjeti iz dijagrama, napajanje od 5V treba biti napajano na pinove 4 i 10. Morat ćete dopuniti krug sa 5V stabilizatorom napona.


Takođe, SYSON signal bi trebao stići na pin 1 (izgleda kao 3V, ali sam spojio 5V kroz otpornik od 1kOhm).
Pa, napajanje od 1,5 V je spremno! Šta ako je potreban drugačiji napon? Podaci na TPS51117 kažu da može regulisati izlazni napon od 0,75 V do 5,5 V. Da biste to učinili, napon na pin 5 (VFB) mora se napajati sa izlaza kroz otporni razdjelnik. Na dijagramu su to dva otpornika dolje lijevo. Zamijenio sam ih sa trim otpornikom od 20 kOhm.

Nakon nekog vremena sam napravio video

]? Da smanjenje ili fluktuacija napona izvora napajanja može dovesti do prijevremenih kvarova, pa čak i do izgaranja dijelova vašeg sistema? Naravno, skoro svi bi se složili da izvori napajanja za energetski intenzivne aplikacije moraju biti izdržljivi i efikasni. Ali šta je sa njihovom topologijom? Treba li biti sinhroni ili asinhroni? Pogledajmo prednosti i nedostatke svakog od njih.

Opcije napajanja za vaš uređaj

Svaki elektronski sistem treba izvor napajanja, a napon napajanja je obično veći od onoga što aplikacija zahteva. Zamislite da imate izvor od 9 V i trebate smanjiti napon na 5 V koji je potreban vašem sistemu. Na raspolaganju vam je nekoliko opcija:

1. Jednostavan djelitelj napona s nekom vrstom elementarnog regulatora, kao što je zener dioda. Zener dioda zajedno sa otpornikom za ograničavanje struje snizit će napon sa 9 V na 5 V, dok će otpornik pasti 4 V. Kao rezultat, dobićemo gubitak topline i energije.
2. 5V Linearni DO (LDO). Opet, uzmete 9V i dobijete 5V, a 4V pada na regulatoru. Ako krug troši 1 A, tada regulator troši 4 W snage. Opet možete reći da se 4W neiskorištene energije troši kao toplina.
3. DC/DC pretvarač. Ovdje prekidač, obično sa PWM kontrolom, prebacuje induktor i kondenzator spojene na njegov izlaz. Kada izlazni napon dostigne 5 V, radni ciklus PWM impulsa pada na skoro nulu. Prekidač troši vrlo malo struje, tako da je i disipacija snage niska. Ovo je daleko najefikasnija opcija.

Ulazni naponi DC/DC pretvarača mogu biti bilo koji od standardnih 6, 9, 12, 24 ili 48 V. Energetski transformator spušta 120 V AC na standardni nivo napona. DC napon se zatim stabilizuje za komercijalnu ili industrijsku upotrebu nakon ispravljanja i filtriranja. Na primjer, postavke od 48 V za telefonske sisteme određene su naponom rezervnih baterija. Ako AC napon padne, rezervni sistem će se odmah uključiti. Prijenosna oprema je sasvim druga priča. Ovi uređaji se obično napajaju baterijama, koje odmah daju konstantan napon, ali im je potreban stabilizovan napon. Budući da se napon baterije vremenom smanjuje, mora se povećati i tek onda stabilizirati. Dakle, ako vaš sistem radi na 3,3 V, morate održavati tih 3,3 V čak i kada napon baterije padne.

Kada dizajnirate napajanje, možete odabrati ono što mislite da je jeftino rješenje, kao što je gore spomenuti jednostavni djelitelj napona i zener dioda. Imajte na umu da smo rekli “naizgled” jeftino, jer nismo uzeli u obzir ništa osim liste komponenti. Ovi pristupi sadrže skrivene i dodatne troškove u gubitku energije, što rezultira visokom proizvodnjom topline i smanjenim vijekom trajanja elektronskih komponenti sistema. Imajte na umu da LDO regulatori imaju vrlo nisku izlaznu buku, ali imaju nedostatke velike disipacije snage, visokog pada napona i kraćeg vijeka trajanja baterije.

Ovih dana, dizajneri su prešli na DC/DC pretvarače kako bi postigli optimalnu kombinaciju efikasnosti, rasipanje topline, tačnosti, prolaznog odziva i cijene. Ali put do dizajniranja optimalnog DC/DC sistema napajanja može biti težak kao navigacija po minskom polju bez karte. Radna temperatura pretvarača ograničava njihovu maksimalnu izlaznu snagu i povećava se kako se industrijska oprema smanjuje. Osim toga, većina uređaja ima vrlo malo ili nimalo prisilnog hlađenja. Dakle, koji je DC/DC krug bolji?

Opcije DC/DC kola: sinhrona ili asinhrona topologija

Ovo su dvije kompromisne opcije. Asinhrona topologija je starija i karakteriziraju je gubici snage na vanjskoj Schottky diodi. Ovi gubici su ekvivalentni pogoršanju efikasnosti. Ovdje preporučujemo sinhronu topologiju jer nudi veću efikasnost i omogućava kompaktnije dizajne zahvaljujući integriranom efikasnom MOSFET-u. Ova fundamentalna razlika je ilustrovana na slici 1, koja poredi blok dijagrame asinhronog pretvarača i integrisanijeg sinhronog rešenja.

Hajde da razgovaramo o energetskoj efikasnosti. Posljednjih godina, dobavljači analognih IC-a počeli su proizvoditi sinhrone DC/DC pretvarače kako bi smanjili gubitak snage koji se javlja u asinhronim kolima sa svojim vanjskim Šotkijevim diodama. Sinhroni pretvarač sada sadrži MOSFET niske snage, koji zamjenjuje eksternu Šotkijevu diodu sa velikim gubicima. Snaga koju troši ovaj MOSFET zavisi od otpora na kanalu RON, dok je gubitak snage Šotkijeve diode određen njenim naprednim naponom VD. Za istu struju u oba kola, pad napona na MOSFET-u je obično manji od onog na diodi, što rezultira manjim rasipanjem snage u MOSFET kolu.

Snaga koju dioda raspršuje za asinkrono rješenje izračunava se po formuli:

Snaga P FET koju rasipa MOSFET u sinhronom kolu je:

Međutim, postoje mišljenja da asinhroni buck pretvarači imaju veću efikasnost pri malim opterećenjima i visokim radnim ciklusima, te da ne postoji niti jedan pretvarač koji ima optimalnu efikasnost u cijelom opsegu opterećenja. Da li su programeri elektroenergetskog sistema ponovo primorani da izaberu manje od dva zla?

Da bismo odgovorili na ovo pitanje, razmotrimo šta prvenstveno određuje visoku efikasnost asinhronog pretvarača pod malim opterećenjima. Struja induktora u asinhronom pretvaraču teče samo u jednom smjeru i nikada nije negativna; kod sinhronih pretvarača struja teče u oba smjera i to je njegov nedostatak (slika 2).

Da bi se eliminisao ovaj dvosmjerni tok struje u sinhronim pretvaračima, uvode se različiti načini rada kako bi se dobio "pseudo-asinhroni" rad pod malim opterećenjima. Moderni DC/DC pretvarači podržavaju tri načina rada (slika 3):

1. PWM @ CCM: modulacija širine impulsa (PWM) u kontinuiranom provodnom modu (CCM). Ovdje pretvarač radi na konstantnoj frekvenciji, a struja induktora I L može postati negativna. Ovaj način rada omogućava pretvaraču, uz održavanje minimalnog nivoa talasanja izlaznog napona, da brzo reaguje na bilo kakve promjene opterećenja, čak i kada se ono smanji na nulu. Međutim, PWM @ CCM način rada daje najnižu efikasnost pri malim opterećenjima.
2. PWM @ DCM: modulacija širine impulsa u režimu diskontinuirane provodljivosti (DCM). Ovaj pristup se također zasniva na konstantnoj frekvenciji uključivanja, ali se efikasnost pri malim opterećenjima poboljšava eliminacijom toka struje I L u negativnom smjeru. Odsustvo negativnih struja pri malim opterećenjima čini ovo rješenje sličnim asinkronom.
3. PFM sa stanjem mirovanja: modulacija pulsne frekvencije (PFM) sa stanjem mirovanja. Ovaj pristup poboljšava efikasnost eliminacijom protoka struje I L u negativnom smjeru, kao i isključivanjem oba MOSFET-a za propuštanje impulsa pri malim opterećenjima. Tokom preskakanja impulsa, pretvarač ulazi u stanje mirovanja, gdje se isključuju sva neiskorištena interna kola kako bi se smanjila potrošnja struje. Režim vam omogućava da postignete najbolju moguću efikasnost zbog najveće efikasnosti pri malim opterećenjima. Cijena za to je blagi porast talasanja izlaznog napona.

U rasponu struja opterećenja od prosječne do maksimalne, svi režimi rade isto. Razlike se počinju pojavljivati ​​kada struja opterećenja postane manja od polovine zamaha struje induktora.

Očekujete li da će vaš sistem biti neaktivan (tj. da radi pri malom opterećenju) većinu vremena i da je vijek trajanja baterije kritičan? Zatim odaberite režim pulsno-frekventne modulacije, jer pri malim opterećenjima omogućava postizanje najveće efikasnosti. Međutim, ovdje postoji jedna suptilnost: morate biti sigurni da povećanje izlaznog talasa i usporavanje prolaznih procesa tokom PFM-a ne utiču na rad sistema u stanju pripravnosti.

Da li je prolazni odziv pod malim opterećenjem od primarnog značaja za vašu aplikaciju? Tada bi najbolji izbor bio PWM@CCM jer pruža najbolje prolazne performanse, čak i pri nultom opterećenju.

Razuman kompromis između ova dva režima je PWM@DCM režim.

Final Thoughts

Tehnologija ide naprijed. Zamjena eksterne Šotkijeve diode sa integrisanim efikasnim MOSFET-om, u kombinaciji sa višerežimskim radom, obezbeđuje superiornu efikasnost u modernim sinhronim rešenjima sa minimalnom veličinom uređaja. Vrijeme je da usvojite novu sinhronu tehnologiju za poboljšanje energetske efikasnosti u vašim sljedećim projektima. Jednostavnije je, hladnije i bolje.