Slik kan du raskt implementere buck-omformere for fabrikkautomasjon, 5G og IoT

Buck-DC-DC-omformere brukes ofte på tvers av mange elektroniske systemer, for eksempel 5G-basestasjoner, fabrikkautomasjonsutstyr (FA – factory automation) og tingenes Internett (IoT)-enheter, for å effektivt omforme høye spenninger. For eksempel må en spenning på for eksempel 12 volt likestrøm (V_DC) eller 48 V_DC fra et batteri eller en strømfordelingsbuss ofte omformes til lavere spenning(er) for å drive digitale IC-er, analoge sensorer, radiofrekvens (RF)-seksjoner og grensesnittenheter.

Selv om konstruktører kan implementere en frittstående buck-omformer og optimalisere den for en bestemt konstruksjon med tanke på ytelsesegenskaper og kortlayout, er det noen utfordringer forbundet med denne tilnærmingen. Disse omfatter valg av en egnet effekt-MOSFET, utforming av feedback- og styringsnettverk, induktorkonstruksjon og valget mellom en asynkron eller synkron topologi. Konstruksjonen må også inkludere mange beskyttelsesfunksjoner, levere maksimal effektivitet og ha en liten størrelse. Samtidig presses konstruktører til å forkorte konstruksjonstiden og redusere kostnader, noe som resulterer i et behov etter mer egnede alternativer av effektomformere.

I stedet for den frittstående måten, kan konstruktører bruke integrerte strømforsynings-IC-er som kombinerer MOSFET-er med de nødvendige feedback- og styringskretsene som allerede er optimalisert for høyeffektive buck-omformere.

Denne artikkelen gjennomgår ytelseskompromissene for asynkrone og synkrone buck-DC-DC-omformere og hvordan disse egner seg for behovene til spesifikke konstruksjoner. Den presenterer et konstruksjonseksempel for en integrert asynkron buck-IC og en synkron buck-omformer-IC fra ROHM Semiconductor, og tar for seg implementeringsfaktorer som må vurderes, for eksempel valget av utgangsinduktor og -kondensator og kretskortlayout. Evalueringskort inkluderes i artikkelen for å gjøre det enklere for konstruktører å komme i gang.

Derfor brukes buck-omformere

I konstruksjoner som trenger noen få ampere (A) strøm, er buck-omformeren et mer effektivt alternativ sammenlignet med lineære regulatorer. En lineær regulator kan ha en virkningsgrad på omtrent 60 %, mens en asynkron buck-omformer kan ha en virkningsgrad på 85 %+.

En grunnleggende asynkron buck-omformer består av en MOSFET-bryter, en Schottky-diode, en kondensator, en induktor og styrings-/driverkrets (ikke vist) for å slå MOSFET-en PÅ (ON) og AV (OFF) (figur 1). En buck-omformer tar DC-inngangsspenningen (V_IN) og omformer den til en pulserende vekselstrøm som likerettes av dioden, som deretter filtreres av induktoren og kondensatoren for å produsere en regulert DC-utgangsspenning (V_O). Denne topologien får navnet sitt fra det faktum at spenningen over induktoren motsetter seg, eller tar et «bukkesprang» over, inngangsspenningen.

Figur 1: Topologi for asynkron buck-omformer, ikke inkludert MOSFET-styrings-/driverkretsen. (Bildekilde: ROHM Semiconductor)

Styrings-/driverkretsen registrerer utgangsspenningen og slår MOSFET-en PÅ og AV med jevne mellomrom for å holde utgangsspenningen på ønsket nivå. Ettersom belastningen varierer, varierer styringen/driveren hvor lang tid MOSFET-en er PÅ for å levere mer eller mindre strøm til utgangen etter behov for å opprettholde (regulere) utgangsspenningen. Prosentandelen av tiden som MOSFET-en er PÅ i løpet av én fullstendig PÅ/AV-syklus, kalles driftssyklusen. Som sådan støtter høyere driftssykluser høyere laststrømmer.

Synkron buck-omformer

I konstruksjoner som trenger høyere virkningsgrad enn det som er mulig med en asynkron buck-omformer, kan konstruktører bruke en synkron buck-omformer der Schottky-dioden erstattes av synkron MOSFET-likeretting (figur 2). Den synkrone MOSFET-en (S₂) har en PÅ-motstand som er betydelig lavere enn motstanden til Schottky-dioden, noe som resulterer i lavere tap og høyere virkningsgrad, men økte kostnader.

En av utfordringene er at det nå er to MOSFET-er som må slås PÅ og AV i koordinasjon. Hvis begge MOSFET-ene er PÅ samtidig, skaper dette en kortslutning som kobler inngangsspenningen direkte til jord, noe som skader eller ødelegger omformeren. Ved å forhindre at dette skjer, øker kompleksiteten til styringskretsen, noe som ytterligere øker kostnadene og konstruksjonstiden sammenlignet med en asynkron konstruksjon.

Denne styringskretsen i en synkron buck-omformer innlemmer «dødtid» mellom vekslingsoverganger, der begge bryterne er slått AV i en svært kort periode for å hindre samtidig konduksjon. Heldigvis for konstruktører eksisterer strømforsynings-IC-er som integrerer effekt-MOSFET-ene og styringskretsene som trengs for å produsere buck-omformere.

Figur 2: Topologi for synkron buck-omformer som viser at Schottky-dioden er erstattet med en MOSFET (S₂) med synkron likeretting. (Bildekilde: ROHM Semiconductor)

Integrerte buck-omforming-IC-er

Et par eksempler på svært integrerte buck-omformer-IC-er er BD9G500EFJ-LA (asynkron) og BD9F500QUZ (synkron) fra ROHM, som kommer i henholdsvis HTSOP-J8- og VMMP16LZ3030-kapslinger (figur 3). BD9G500EFJ-LA har en motstandsspenning på 80 volt og er beregnet for bruk med strømbusser på 48 V som finnes i 5G-basestasjoner, servere og lignende konstruksjoner. Den er også egnet for systemer med 60 V-busser, for eksempel elektriske sykler, motordrevne verktøy, FA og IoT-enheter. Den kan levere en utgangsstrøm på opptil 5 A og har en konverteringseffektivitet på 85 % over utgangsstrømområdet på 2 til 5 A. Innebygde beskyttelsesfunksjoner omfatter mykstart, overspenningsvern, overstrømsvern, termisk avstengning og underspenningssperre.

Figur 3: BD9G500EFJ-LA, en asynkron buck-omformer-IC, kommer i en HTSOP-J8-kapsling, og BD9F500QUZ, en synkron buck-omformer-IC, kommer i en VMMP16LZ3030-kapsling. (Bildekilde: ROHM Semiconductor)

Siden den synkrone buck-strømforsynings-IC-en, BD9F500QUZ, har en gjennombruddsspenning på 39 V, kan konstruktører av systemer med strømbusser på 24 V bruke den til å redusere systemkostnadene ved å minske monteringsområdet og antall komponenter i FA-systemer som for eksempel programmerbare logiske styringer (PLS) og vekselrettere. BD9F500QUZ reduserer løsningens størrelse med omtrent 60 %, og den maksimale vekslingsfrekvensen på 2,2 MHz gjør det mulig å bruke en liten induktor på 1,5 mikrohenry (μH). Denne synkrone buck-omformeren opererer med opptil 90 % virkningsgrad med en utgangsstrøm på 3 A.

Kombinasjonen av høy virkningsgrad og termisk effektiv kapsling betyr at driftstemperaturen er rundt 60 grader Celsius (°C) uten behov for kjøleribbe, noe som resulterer i spart plass, økt påliteligheten og reduserte kostnader. Innebygde beskyttelsesfunksjoner omfatter utladningsfunksjon for utgangskondensatoren, overspenningsvern, overstrømsvern, kortslutningsvern, termisk avstengning og underspenningssperre.

Velge induktoren og kondensatoren

Selv om BD9G500EFJ-LA og BD9F500QUZ har integrerte effekt-MOSFET-er, må konstruktører fortsatt velge den optimale utgangsinduktoren og -kondensatoren, som er innbyrdes forbundet. For eksempel er den optimale verdien for induktans viktig for å oppnå de minste kombinerte størrelsene for induktoren og utgangskondensatoren, samt tilstrekkelig lav utgangsspenning. Transientkrav er også viktig, og disse varierer fra system til system. Både lasttransientamplituden, begrensningene for spenningsavvik og kondensatorimpedansen påvirker transient (forbigående) ytelse og kondensatorvalg.

Konstruktører har flere tilgjengelige kondensatorteknologier, som alle tilbyr forskjellige sett med kostnads- og ytelseskompromisser. Vanligvis brukes flerlags keramiske kondensatorer (MLCC – multilayer ceramic capacitor) for utgangskapasitansen i buck-omformere, men noen konstruksjoner kan dra nytte av å bruke elektrolyttkondensatorer av aluminium eller konduktive hybridelektrolyttkondensatorer av polymer.

ROHM har forenklet prosessen med å velge induktor og kondensator ved å gi konstruktører komplette eksempelkretser i databladene for disse strømforsynings-IC-ene, deriblant:

• Inngangsspenning, utgangsspenning, vekslingsfrekvens og utgangsstrøm
• Kretsskjema
• Foreslått materialliste (BOM – bill of materials) med verdier, delenumre og produsenter
• Driftsbølgeformer

Tre detaljerte konstruksjonskretser for BD9G500EFJ-LA, som alle har en vekslingsfrekvens på 200 kilohertz (kHz), omfatter:

• 7 til 48 V_DC-inngang med en utgang på 5,0 V_DC ved 5 A
• 7 til 36 V_DC-inngang med en utgang på 3,3 V_DC ved 5 A
• 18 til 60 V_DC-inngang med en utgang på 12 V_DC ved 5 A

Syv detaljerte konstruksjonskretser for BD9F500QUZ omfatter:

• 12 til 24 V_DC-inngang med en utgang på 3,3 V_DC og 5 A, med en vekslingsfrekvens på 1 MHz
• 12 til 24 V_DC-inngang med en utgang på 3,3 V_DC og 5 A, med en vekslingsfrekvens på 600 kHz
• 5 V_DC-inngang med en utgang på 3,3 V_DC og 5 A, med en vekslingsfrekvens på 1 MHz
• 5 V_DC-inngang med en utgang på 3,3 V_DC og 5 A, med en vekslingsfrekvens på 600 kHz
• 12 V_DC-inngang med en utgang på 1,0 V_DC og 5 A, med en vekslingsfrekvens på 1 MHz
• 12 V_DC-inngang med en utgang på 1,0 V_DC og 5 A, med en vekslingsfrekvens på 600 kHz
• 12 V_DC-inngang med en utgang på 3,3 V_DC og 3 A, med en vekslingsfrekvens på 2,2 MHz

I tillegg tilbyr ROHM et installasjonsnotat til konstruktører om: «Ulike kondensatortyper som brukes til utgangsutjevning for vekslingsregulatorer og deres tilknyttede forholdsregler».

Evalueringskort fremskynder utviklingsprosessen

For å akselerere konstruksjonsprosessen ytterligere, tilbyr ROHM BD9G500EFJ-EVK-001- og BD9F500QUZ-EVK-001-evalueringskortene for henholdsvis BD9G500EFJ-LA og BD9F500QUZ (figur 4).

Figur 4: Evalueringskortene BD9G500EFJ-EVK-001 (venstre) og BD9F500QUZ-EVK-001 (høyre) for henholdsvis BD9G500EFJ-LA og BD9F500QUZ buck-omformer-IC-ene gjør det enklere for konstruktører å raskt sikre at enhetene oppfyller kravene de har. (Bildekilde: ROHM Semiconductor)

BD9G500EFJ-EVK-001 produserer en utgangsspenning på 5 V_DC fra en inngangsspenning på 48 V_DC . Inngangsspenningsområdet for BD9G500EFJ-LA er 7 til 76 V_DC, og utgangsspenningen kan konfigureres fra 1 V_DC til 0,97 x V_IN med eksterne motstander. En ekstern motstand kan også brukes til å stille inn driftsfrekvensen til mellom 100 og 650 kHz.

Evalueringskortet BD9F500QUZ-EVK-001 produserer 1 V_DC på utgangen fra en inngang på 12 V_DC. Inngangsspenningsområdet for BD9F500QUZ er 4,5 til 36 V_DC, og utgangsspenningen kan konfigureres fra 0,6 til 14 V_DC med eksterne motstander. Denne strømforsynings-IC-en har tre valgbare vekslingsfrekvenser: 600 kHz, 1 MHz og 2,2 MHz.

Faktorer for kretskortlayout

Generelle faktorer for kretskortlayout ved bruk av BD9G500EFJ-LA og BD9F500QUZ omfatter:

1. Friløpsdioden og inngangskondensatoren skal være på samme kretskortlag som IC-terminalen og så nærme IC-en som mulig.
2. Termiske baner bør inkluderes der det er mulig for å forbedre varmeavledningen.
3. Plasser induktoren og utgangskondensatoren så nær IC-en som mulig.
4. Hold returbanekretsspor unna støykilder, for eksempel induktoren og dioden.

Du finner mer spesifikke layoutdetaljer i databladene for de respektive enhetene og i ROHM sitt installasjonsnotat om «Layoutteknikker for kretskort med buck-omformere».

Konklusjon

Som vist kan asynkrone og synkrone buck-omformere brukes til å levere høyere omformingsvirkningsgrad sammenlignet med lineære regulatorer i en rekke FA-, IoT- og 5G-konstruksjoner. Selv om det er mulig å konstruere egendefinerte buck-omformere for en gitt konstruksjon, er dette en kompleks og tidkrevende oppgave.

I stedet kan konstruktører velge å bruke strømforsynings-IC-er som integrerer effekt-MOSFET-er, sammen med styrings- og drivkretsene, til å produsere kompakte og kostnadseffektive løsninger. En rekke verktøy som kan bidra med å fremskynde tiden det tar å få produktet ut på markedet er tilgjengelige for konstruktører, inkludert installasjonsnotater om kondensatorvalg og kretskortlayout, detaljerte konstruksjonseksempler på kretser og evalueringskort.

Anbefalt lesing

1. Grunnleggende: Forstå egenskapene til forskjellige typer kondensatorer, slik at de kan brukes på en egnet og sikker måte
2. Slik bruker du de riktige effektenhetene korrekt for å oppfylle kravene til industriell strømforsyning