Feszültségcsökkentő átalakítók létrehozása rövid idő alatt a gyárautomatizáláshoz, az 5G-hez és a dolgok internetéhez

Az egyenáramú feszültségcsökkentő átalakítókat elterjedten használják számos elektronikus rendszerben, például 5G bázisállomásokban, gyárautomatizálási (FA) berendezésekben és a dolgok internetének (IoT) eszközeiben a túl nagy feszültségek hatékony csökkentésére és átalakítására. Például egy akkumulátor vagy egy áramelosztó sín 12 V vagy 48 V egyenfeszültségét (V_DC) gyakran kell alacsonyabb feszültségre átalakítani a digitális IC-k, analóg érzékelők, rádiófrekvenciás (RF) szakaszok és illesztőeszközök táplálásához.

Bár a tervezők létrehozhatnak feszültségcsökkentő átalakítókat diszkrét alkatrészekből is, és optimalizálhatják azokat az adott készülékhez a teljesítményjellemzőket és a nyomtatott áramköri lap elrendezését tekintve, de ez a megoldás számos kihívást jelent. Ezek közé tartozik a megfelelő teljesítmény-MOSFET kiválasztása, a visszacsatoló és a vezérlőhálózat kialakítása, a tekercsek megtervezése, valamint az aszinkron és a szinkron elrendezés közötti választás. Az eszköznek többféle védelmi funkciót is tartalmaznia kell, a lehető legnagyobb hatásfokúnak és mindezek mellett kis méretűnek is kell lennie. Ugyanakkor a tervezőket a piac a tervezési idő lerövidítésére és a költségek csökkentésére kényszeríti, ami azt eredményezi, hogy megfelelőbb teljesítményátalakító alternatívákat kell találniuk.

A diszkrét alkatrészek helyett a tervezők használhatnak tápegység IC-ket, amelyek MOSFET-eket kombinálnak a szükséges, már a jó hatásfokú feszültségcsökkentő átalakítókhoz optimalizált visszacsatoló és vezérlőáramkörökkel.

Ez a cikk áttekinti, hogy milyen teljesítménybeli kompromisszumokat kell kötni az aszinkron és a szinkron feszültségcsökkentő egyenáram-átalakítók esetén, valamint azt, hogy ezek az átalakítók hogyan illeszkednek az egyes készülékek igényeihez. Bemutat egy ROHM Semiconductor aszinkron feszültségcsökkentő IC-t és egy szinkron feszültségcsökkentő átalakító IC-t, valamint ismerteti a megvalósítás szempontjait, beleértve a kimeneti tekercs és kondenzátor kiválasztását és a nyomtatott áramköri lap elrendezését is. A fejlesztőkártyákról is szó esik, hogy segítsünk a tervezőknek a munka elkezdésében.

Miért érdemes feszültségcsökkentő átalakítót használni?

A csak néhány amper áramot igénylő alkalmazásokban a feszültségcsökkentő átalakító jobb hatásfokú megoldást jelent a lineáris szabályozókhoz képest. Egy lineáris szabályozó hatásfoka kb. 60%, míg egy aszinkron feszültségcsökkentő átalakító hatásfoka akár 85%-nál magasabb is lehet.

Egy alapszintű aszinkron feszültségcsökkentő átalakító egy kapcsolóüzemű MOSFET-ből, egy Schottky-diódából, egy kondenzátorból, egy tekercsből és egy a MOSFET nyitását és zárását vezérlő vezérlőáramkörből (nem látható) áll (1. ábra). A feszültségcsökkentő átalakító a bemeneti egyenfeszültséget (V_IN) pulzáló váltakozó feszültséggé alakítja, amelyet a dióda egyenirányít, majd ezt az egyenirányított feszültséget a tekercs és a kondenzátor szűri, hogy szabályozott kimeneti egyenfeszültséget (V_O) állítson elő. Ez az elrendezés onnan kapta a nevét, hogy a tekercsen létrejövő feszültség a bemeneti feszültséggel ellentétes irányú, ezért csökkenti azt.

1. ábra: Aszinkron feszültségcsökkentő átalakító kapcsolási rajza a MOSFET-et vezérlő vezérlőáramkör nélkül (kép: ROHM Semiconductor)

A vezérlőáramkör érzékeli a kimeneti feszültséget, és rendszeres időközönként nyitja, illetve zárja a MOSFET-et, hogy a kimeneti feszültséget a kívánt értéken tartsa. Ahogy a terhelés változik, a vezérlőáramkör úgy változtatja a MOSFET nyitott állapotának időtartamát, hogy a kimeneti feszültség állandó értéken tartásához (szabályozásához) szükséges több vagy kevesebb áramot juttasson a kimenetre. A MOSFET egy teljes nyitási-zárási ciklus alatti nyitott állapotának százalékos arányát nevezzük munkaciklusnak. Ennélfogva a hosszabb munkaciklusok nagyobb terhelőáramokat tesznek lehetővé.

Szinkron feszültségcsökkentő átalakítók

Azokon a felhasználási területeken, ahol az aszinkron feszültségcsökkentő átalakítóval elérhetőnél nagyobb hatásfokra van szükség, a tervezők használhatnak szinkron feszültségcsökkentő átalakítókat, amelyekben a Schottky-diódát szinkronizált MOSFET-es egyenirányítással helyettesítik (2. ábra). A szinkronizált MOSFET (S₂) nyitóirányú ellenállása lényegesen kisebb, mint a Schottky-diódáé, ami kisebb veszteségeket és jobb hatásfokot eredményez, de magasabb költséggel jár.

Az egyik kihívást az jelenti, hogy most már két MOSFET van, amelyeket összehangoltan kell nyitni és zárni. Ha mindkét MOSFET egyszerre van nyitva, akkor rövidzár keletkezik, amely a bemeneti feszültséget közvetlenül a testre kapcsolja, ami károsítja vagy tönkreteszi az átalakítót. Ennek megakadályozása növeli a vezérlőáramkör bonyolultságát, ami az aszinkron eszközéhez képest tovább növeli a költségeket és a tervezési időt.

Ennek a szinkron feszültségcsökkentő átalakítóban lévő vezérlőáramkörnek van valamekkora holtideje a kapcsolási átmenetek között, amikor egy nagyon rövid ideig mindkét kapcsolóüzemű MOSFET zárva van. Ennek célja, hogy megakadályozza az egyidejű vezetést (mindkét MOSFET egyidejű nyitott állapotát). A tervezők szerencséjére kaphatók olyan tápegység IC-k, amelyek a feszültségcsökkentő átalakítók előállításához szükséges teljesítmény-MOSFET-eket és azok vezérlőáramköreit is tartalmazzák.

2. ábra: A szinkron feszültségcsökkentő átalakító kapcsolási rajzán látható, hogy a Schottky-dióda egy szinkronizált egyenirányító MOSFET-re (S₂) lett lecserélve (kép: ROHM Semiconductor)

Feszültségcsökkentő átalakító IC-k

A nagy integráltsági fokú feszültségcsökkentő átalakító IC-kre jó példa a ROHM cég BD9G500EFJ-LA (aszinkron), illetve BD9F500QUZ (szinkron) jelű eszköze, amelyek HTSOP-J8, illetve VMMP16LZ3030 tokozással készülnek (3. ábra). A BD9G500EFJ-LA ellenállási feszültsége 80 V, és az 5G bázisállomásokban, kiszolgálókban (szerverekben) és hasonló készülékekben található 48 V-os tápsínekkel való használatra szánták. Használható ezenkívül 60 V-os tápsíneket használó rendszerekhez is, amilyenek például a villanykerékpárok, a villamos szerszámok, a gyárautomatizálási és a dolgok internetére kapcsolódó (IoT-) eszközök. Akár 5 A kimeneti áramot is képes leadni, és a 2–5 A közötti kimeneti áramerősség-tartományban 85%-os az átalakítási hatásfoka. Beépített védelmi funkciói közé tartozik a lágy indítás, a túlfeszültség- és a túláramvédelem, a hőleállítás és a feszültségesés esetén történő reteszelés.

3. ábra: A BD9G500EFJ-LA aszinkron feszültségcsökkentő átalakító IC HTSOP-J8 tokozásban, a BD9F500QUZ szinkron feszültségcsökkentő IC pedig VMMP16LZ3030 tokozásban kapható (kép: ROHM Semiconductor)

Mivel a BD9F500QUZ szinkron feszültségcsökkentő tápegység IC-nek 39 V az átütési feszültsége, a 24 V-os tápsínt használó rendszerek tervezői felhasználhatják a rendszer költségeinek csökkentésére, mert kicsi az alapterületük, és csökkentik a gyárautomatizálási rendszerek, például a programozható logikai vezérlőegységek (PLC-k) és inverterek alkatrészeinek számát. A BD9F500QUZ körülbelül 60%-kal csökkenti a készülék méretét, és a 2,2 MHz-es legnagyobb kapcsolási frekvencia lehetővé teszi a kis, mindössze 1,5 μH induktivitású tekercs használatát. Ez a szinkron feszültségcsökkentő akár 90%-os hatásfokkal is tud működni, és 3 A kimenőáramot képes leadni.

A kiváló hatásfok és a jó hűtést kínáló tokozás kombinációja azt jelenti, hogy az eszköz üzemi hőmérséklete 60 °C körül van, és nincs szükség hűtőbordára, így helytakarékos, javítja a megbízhatóságot, és csökkenti a költségeket. A beépített funkciók közé tartozik a kimenőkondenzátor kisütésére szolgáló funkció, a túlfeszültség-, túláram- és rövidzárvédelem, a hőleállítás és a feszültségesés esetén történő reteszelés.

A tekercs és a kondenzátor kiválasztása

Bár a BD9G500EFJ-LA és a BD9F500QUZ integráltan tartalmazza a teljesítmény-MOSFET-eket, a tervezőknek még mindig ki kell választaniuk hozzájuk az optimális kimeneti tekercset és kondenzátort, amelyek kölcsönhatásban vannak egymással. Például az induktivitás optimális értéke fontos ahhoz, hogy a tekercs és a kimeneti kondenzátor együttes mérete a lehető legkisebb legyen, valamint kellően alacsony legyen a kimenőfeszültség hullámossága. Szintén fontosak a tranziensekre vonatkozó követelmények, és ezek rendszerenként eltérőek. A terhelést érő tranziens amplitúdója, a feszültségeltérés korlátai és a kondenzátor impedanciája mind hatással vannak a tranziens teljesítményére és a kondenzátor kiválasztására.

A tervezők többféle kondenzátortechnika közül választhatnak, amelyek mindegyike más-más költség- és teljesítménybeli kompromisszumot kínál. A feszültségcsökkentő átalakítók kimenőkondenzátoraként általában többrétegű kerámiakondenzátorokat (MLCC) használnak, de egyes készülékekben előnyös lehet alumínium elektrolitkondenzátorok vagy vezető polimeres hibrid elektrolitkondenzátorok használata.

A ROHM leegyszerűsítette a tekercs- és kondenzátorválasztás folyamatát azzal, hogy teljes mintaáramköröket kínál a tervezők számára ezen tápegység IC-k adatlapjain, amelyek tartalmazzák többek között a következőket:

• Bemenőfeszültség, kimenőfeszültség, kapcsolási frekvencia és kimenőáram
• Kapcsolási rajz
• Javasolt anyagjegyzék (BOM) értékekkel, cikkszámokkal és gyártókkal
• Működési hullámformák

A BD9G500EFJ-LA három részletes mintaáramköre, amelyek mindegyikének 200 kHz a kapcsolási frekvenciája:

• 7–48 V_DC bemenő egyenfeszültség 5,0 V_DC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett
• 7–36 V_DC bemenő egyenfeszültség 3,3 V_DC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett
• 18–60 V_DC bemenő egyenfeszültség 12 V_DC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett

A BD9F500QUZ hét részletes mintaáramköre a következőket tartalmazza:

• 12–24 V_DC bemenő egyenfeszültség 3,3 V_DC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett, 1 MHz kapcsolási frekvenciával
• 12–24 V_DC bemenő egyenfeszültség 3,3 V_DC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett, 600 kHz kapcsolási frekvenciával
• 5 V_DC bemenő egyenfeszültség 3,3 V_DC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett, 1 MHz kapcsolási frekvenciával
• 5 V_DC bemenő egyenfeszültség 3,3 V_DC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett, 600 kHz kapcsolási frekvenciával
• 12 V_DC bemenő egyenfeszültség 1,0 V_DC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett, 1 MHz kapcsolási frekvenciával
• 12 V_DC bemenő egyenfeszültség 1,0 V_DC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett, 600 kHz kapcsolási frekvenciával
• 12 V_DC bemenő egyenfeszültség 3,3 V_DC kimenő egyenfeszültséggel, 3 A áramerősség mellett, 2,2 MHz kapcsolási frekvenciával

Ezenkívül a ROHM egy felhasználásismertető dokumentumot is kínál a tervezőknek Types of Capacitors Used for Output Smoothing of Switching Regulators and their Precautions (A kapcsolóüzemű feszültségszabályozók kimenőjelének simítására használt kondenzátorok típusai és az azokkal kapcsolatos óvintézkedések) címmel.

A fejlesztőkártyák felgyorsítják a tervezési folyamatot

A tervezési folyamat további felgyorsítása érdekében a ROHM a BD9G500EFJ-LA IC-khez a BD9G500EFJ-EVK-001, míg a a BD9F500QUZ IC-khez a BD9F500QUZ-EVK-001 fejlesztőkártyát kínálja (4. ábra).

4. ábra: A D9G500EFJ-LA feszültségcsökkentő átalakító IC-khez kifejlesztett BD9G500EFJ-EVK-001 (balra) és a BD9F500QUZ feszültségcsökkentő átalakító IC-khez kifejlesztett BD9F500QUZ-EVK-001 (jobbra) fejlesztőkártya segítségével a tervezők gyorsan meggyőződhetnek arról, hogy az eszközök megfelelnek-e a követelményeknek (kép: ROHM Semiconductor)

A BD9G500EFJ-EVK-001 5 V_DC kimenő egyenfeszültséget állít elő 48 V_DC bemenő egyenfeszültségből. A BD9G500EFJ-LA bemenő feszültségtartománya 7–76 V_DC egyenfeszültség, a kimenőfeszültsége pedig 1 V_DC egyenfeszültség és 0,97 × V_IN (a bemenőfeszültség 0,97-szorosa) között szabályozható külső ellenállásokkal. Egy külső ellenállással a működési frekvencia is szabályozható 100 kHz és 650 kHz között.

A BD9F500QUZ-EVK-001 fejlesztőkártya 12 V_DC bemenő egyenfeszültségből állít elő 1 V_DC kimenő egyenfeszültséget. A BD9F500QUZ bemenő feszültségtartománya 4,5–36 V_DC egyenfeszültség, a kimenőfeszültsége pedig 0,6–14 V_DC egyenfeszültség között szabályozható külső ellenállásokkal. Ennek a tápegység IC-nek három választható kapcsolási frekvenciája van: 600 kHz, 1 MHz és 2,2 MHz.

Az áramköri lap elrendezési szempontjai

A BD9G500EFJ-LA és a BD9F500QUZ használatakor a nyomtatott áramköri lapok elrendezését illetően a következő általános szempontokat kell figyelembe venni:

1. A szabadonfutó diódának és a bemenőkondenzátornak ugyanazon a lapon kell lennie, amelyiken az IC csatlakozója van, és a lehető legközelebb kell lenniük az IC-hez.
2. A hőelvezetés javítása érdekében lehetőség szerint hőelvezető furatokat kell kialakítani.
3. A tekercset és a kimenőkondenzátort helyezze a lehető legközelebb az IC-hez.
4. A visszatérő áramutak vezetőcsíkjai minél messzebb fussanak a zajforrásoktól, például a tekercstől és a diódától.

Az elrendezéssel kapcsolatos pontosabb tudnivalók az adott eszközök adatlapján és a ROHM PCB Layout Techniques of Buck Converter (A feszültségcsökkentő átalakítók nyomtatott áramköri lapjának elrendezési szempontjai) című felhasználásismertető dokumentumában találhatók.

Összegzés

Mint látható, az aszinkron és szinkron feszültségcsökkentő átalakítók a lineáris szabályozókkal összehasonlítva jobb átalakítási hatásfokot nyújthatnak számos gyárautomatizálási, a dolgok internetére szánt és 5G készülék esetében. Bár lehet egyedi feszültségcsökkentő átalakítót tervezni egy adott készülékhez, ez meglehetősen bonyolult és időigényes feladat.

Ehelyett a tervezők használhatnak olyan tápegység IC-ket, amelyek integráltan tartalmazzák a teljesítmény-MOSFET-et a vezérlőáramkörökkel együtt, így kis méretű és költségtakarékos készülékekkel állhatnak elő. Emellett számos eszköz is segíti a tervezőket a piacra kerülés felgyorsításában, beleértve a kondenzátorok kiválasztására és a nyomtatott áramköri lapok elrendezésére vonatkozó felhasználásismertető dokumentumokat, a részletes mintaáramköröket és a fejlesztőkártyákat.

Ajánlott olvasnivaló

1. Fundamentals: Understand the Characteristics of Capacitor Types to Use Them Appropriately and Safely (Alapelvek: Ismerjük meg a kondenzátorfajták jellemzőit a kondenzátorok megfelelő és biztonságos használata érdekében)
2. How to Correctly Apply the Right Power Devices to Meet Industrial Power Supply Requirements (A megfelelő tápegységek helyes használata az ipari áramellátási követelmények teljesítéséhez)