Hvorfor og hvordan du bruker synkrone DC-DC-nedtransformeringsomformere (buck-omformere) til å maksimere virkningsgraden på nedkonvertering

Behovet for å nedtransformere høye busspenninger for å senke spenningene for strømforsyninger og andre belastninger vokser på tvers av en rekke systemer, inkludert bil-, industriautomasjons-, telekommunikasjons-, databehandlings-, hvitevare- og forbrukerelektronikk. Utfordringen for designere er å utføre denne nedkonverteringen med maksimal virkningsgrad, minimal termisk belastning, til lave kostnader og med minst mulig størrelse på det ferdige produktet.

Konvensjonelle asynkrone nedtransformeringsomformer (buck-omformere) tilbyr en potensielt rimelig løsning, men har også lavere konverteringsvirkningsgrad som ikke imøtekommer behovene til mange elektroniske systemer. Designere kan benytte seg av synkrone DC-DC-omformere og synkrone DC-DC-styringer for å utvikle kompakte løsninger som gir høy effektivitet.

Denne artikkelen beskriver kort ytelseskravene til elektroniske systemer for DC-DC-konvertering med høy virkningsgrad og gjennomgår forskjellen mellom asynkrone og synkrone DC-DC-omformere. Den introduserer deretter flere alternative konstruksjoner av synkrone DC-DC-omformere fra Diodes, Inc., STMicroelectronics og ON Semiconductor sammen med evalueringstavler og designveiledning som kan starte utviklingen av høyvirksomme løsninger.

Derfor er synkrone DC-DC-omformere nødvendig

De økende kravene til høyere virkningsgrad i alle typer elektroniske systemer, kombinert med økende systemkompleksitet, fører til en tilsvarende utvikling av strømsystemarkitekturer og strømomformingstopologier. Med et økende antall uavhengige spenningsdomener som støtter økende funksjonalitet, brukes distribuerte strømarkitekturer (distributed power architectures – DPA) i flere og flere elektroniske systemer.

I stedet for å ha flere isolerte forsyninger for å drive de forskjellige lastene, har en DPA en isolert AC/DC-strømforsyning som produserer en relativt høy distribusjonsspenning, og flere, mindre nedtransformeringsomformere (buck-omformere) som konverterer distribusjonsspenningen ned til en lavere som kreves av hver enkelt last (figur 1). Bruk av flere nedtransformeringsomformere (buck-omformere) gir fordelene med mindre størrelse, høyere virkningsgrad og bedre ytelse.

Figur 1: Distribuert strømarkitektur som viser hovedisolert AC-DC-strømforsyning (front) og de flere uisolerte DC-DC-omformerne som forsyner lavspenningslaster. (Bildekilde: DigiKey)

Prosessen med å velge mellom asynkrone og synkrone nedtransformeringsomformere (buck-omformere) er basert på kompromissene mellom kostnad og virkningsgrad (effektivitet). Hvis en laveste løsningskostnad er nødvendig og lavere virkningsgrad og høyere termisk belastning kan aksepteres, kan en løsning med asynkron nedtransformeringsomformer (asynkron buck-omformer) være å foretrekke. På den annen side, hvis virkningsgrad er prioritert og en kjøligere kjøreløsning foretrekkes, er en høyere kostnad synkron nedtransformeringsomformer (synkron buck-omformer) generelt det overlegne valget.

Synkrone vs. asynkrone nedtransformeringsomformere (asynkrone buck-omformere)

En typisk utrustning for asynkron nedtransformeringsomformer (asynkron buck-omformer) er vist i figur 2. LM2595 fra ON Semiconductor er en monolitisk IC (integrert krets) som inkluderer hovedstrømbryteren og styringskretsene. Den er internt kompensert for å minimere antall eksterne komponenter og forenkle utformingen av strømforsyningen. Den leverer en typisk konverteringsvirkningsgrad på 81 % og avleder 19 % av strømmen som varme, mens en løsning med synkron nedtransformeringsomformer (synkron buck-omformer) vil ha en typisk konverteringseffektivitet på ca. 90 %, samt avleder bare 10 % av strømmen som varme. Det betyr at termiske tap i en asynkron nedtransformeringsomformer (asynkron buck-omformer) er nesten dobbelt så store som termiske tap i en synkron nedtransformeringsomformer (synkron buck-omformer). Derfor forenkler bruken av en synkron nedtransformeringsomformer (synkron buck-omformer) i stor grad de termiske styringsutfordringene ved å redusere varmemengden som genereres.

Figur 2: Typisk asynkron nedtransformeringsomformer (asynkron buck-omformer) som viser utgangslikeretteren (D1), utgangsfilteret (L1 og Cout) og tilbakekoblingsnettet (Cff, R1 og R2). (Bildekilde: ON Semiconductor)

I en synkron nedtransformeringsomformer (synkron buck-omformer), for eksempel ST1PS01 fra STMicroelectronics, erstattes utgangslikeretteren med synkron MOSFET-likeretting (figur 3). Den lavere «på»-motstanden til den synkrone MOSFET-enheten sammenlignet med utgangslikeretteren i en asynkron nedtransformeringsomformer (asynkron buck-omformer) reduserer tap og resulterer i betydelig høyere omformervirkningsgrad. Den synkrone MOSFET-en er integrert i IC-en, noe som eliminerer behovet for en ekstern likeretterdiode.

Figur 3: Kretsen til STMicroelectronics nedtransformeringsomformer (buck-omformer) som viser eliminering av den eksterne utgangslikeretterdioden. Utgangsfiltrering og tilbakekoblingskomponenter er fortsatt nødvendig. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Det er en kostnad for høyere virkningsgrad og lavere termisk belastning som muliggjøres med en synkron nedtransformeringsomformer (buck-omformer). Med en enkelt strømbryter MOSFET og en diode for retting, er asynkron nedtransformeringsomformer (asynkron buck-omformer) mye enklere (og mindre) siden de ikke trenger å forholde seg til muligheten for kryssledning eller kortslutningspuls («shoot-through»), og det er ingen synkron FET å styre. En synkron nedtransformeringstopologi (buck-topologi) krever en mer komplisert driver og kryssningsbeskyttet ledningskrets for å styre begge bryterne (figur 4). Å sikre at begge MOSFET-ene ikke slås på samtidig og skaper en direkte kortslutning krever mer kompleksitet og resulterer i større og dyrere IC-er.

Figur 4: Blokkdiagram for synkron nedtransformeringsomformer-IC (buck-omformer-IC) som viser de to integrerte MOSFET-ene (ved siden av pinnen merket «SW») og den ekstra driver-/kryssningsbeskyttede edningskretsen. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Selv om pulsbreddemodulasjonsstyrte synkronenedtransformeringsomformere(buck-omformere er mer virkningsfulle under belastningsforhold med moderat eller full last, leverer asynkrone nedtransformeringsomformere (asynkrone buck-omformere) ofte høyere konverteringvirkningsgrad under lette belastningsforhold. Dette blir imidlertid stadig mindre tilfelle ettersom de nyeste implementeringene av synkrone nedtransformeringsomformere (buck-omformere) inkluderer flere driftsmoduser som gjør det mulig for designere å optimalisere virkningsgrad ved lav last.

Synkron nedtransformering (buck) for 5 volts og 12 volts strømfordeling

For designere som bruker 5 og 12 volts kraftdistribusjon i forbruksvarer og hvitevarer, tilbyr Diodes, Inc. AP62600, en synkron nedtransformeringsomformer (buck-omformer) med 6 ampere (A) med et bredt inngangsområde på 4,5 til 18 volt. Enheten integrerer en høyside effekt-MOSFET på 36 milliohm (mΩ) med og en lavside effekt-MOSFET på 14 mΩ for å få en DC/DC-nedtransformering med høy virkningsgrad.

AP62600 behøver minimale eksterne komponenter som følge av sin konstante tidsbegrensning (constant on-time – COT). Det gir også en rask forbigående respons, enkel sløyfestabilisering og lav utgangsspenningsrippel. AP62600-konstruksjonen er optimalisert for reduksjon av elektromagnetisk interferens (EMI). Enheten har et egenutviklet portdriversystem for å motstå å slå på nodering uten å ofre MOSFET-tider for påslag og avstengning, noe som reduserer høyfrekvent utstrålt EMI-støy forårsaket av MOSFET-brytere. Enheten er tilgjengelig i en V-QFN2030-12-kapsling (type A).

Det er en strømindikator som varsler brukerne om eventuelle feilforhold som kan oppstå. En programmerbar mykstartmodus styrer innkoblingsstrømstøt ved oppstart, noe som gjør det mulig for designere å implementere strømsekvensering når de bruker flere AP62600-er til å levere store integrerte enheter, for eksempel feltprogrammerbare portmatriser (ield programmable gate arrays – FPGA-er), utrustningsspesifikke IC-er (ASIC-er), digitale signalprosessorer (DSP-er) og mikroprosessorenheter (MPU-er).

AP62600 gir designere et valg av tre driftsmoduser for å møte de spesifikke behovene til individuelle bruksområder (figur 5). Høy virkningsgrad kan oppnås på tvers av alle laster med pulsfrekvensmodulering (PFM). Andre moduser som er tilgjengelige inkluderer pulsbreddemodulasjon (PWM) for å få best mulig rippelytelse, og en ultralydmodus (USM) som unngår hørbar støy ved lette belastninger.

Figur 5: AP62600 gir designere et valg av tre driftsmoduser for å møte de til individuelle bruksområder: PFM, USM, PWM. (Bildekilde: Diodes, Inc.)

Diodes Inc tilbyr AP62600 for å hjelpe designere med å begynne å bruke evalueringskortet AP62600SJ-EVM (figur 6). AP62600SJ-EVM har en enkel utforming og gir tilgang til passende signaler gjennom testpunktene.

Figur 6: AP62600SJ-EVM-evalueringskortet gir et enkelt og praktisk evalueringsmiljø for AP62600. (Bildekilde: DigiKey)

Nedtransformeringsomformer (buck-omformer) for 24 volts busser

L6983CQTR fra STMicroelectronics har inngangsområde på 3,5 til 38 volt og leverer opptil 3 A-utgangsstrøm. Designere kan bruke L6983 i et bredt spekter av bruksområder, inkludert 24 volts industrielle strømsystemer, 24 volts batteridrevet utstyr, desentraliserte intelligente noder, sensorer og applikasjoner som alltid er på og har lav støy.

L6983 er basert på en toppstrømmodusarkitektur med intern kompensasjon og er kapslet i en 3 x 3 mm QFN16-kapsling, som dermed minimerer designkompleksiteten og størrelsen. L6983 er tilgjengelig både i lavforbruksmodus (low consumption mode - LCM) og lavstøymodus (low noise mode - LNM)-versjoner. LCM maksimerer virkningsgraden ved lette belastninger med styrt utgangsspenningsrippel, noe som gjør enheten egnet for batteridrevne utrustninger. LNM gjør vekslingsfrekvensen konstant og minimerer utgangsspenningen for lette lastoperasjoner, som oppfyller spesifikasjonen for støysensitive applikasjoner. L6983 tillater at vekslingsfrekvensen velges i 200 kilohertz (kHz) til 2,3 megahertz (MHz) -området med valgfritt spredningsspektrum for forbedret EMC.

STMicroelectronics tilbyr STEVAL-ISA209V1-evalueringskortet for å gjøre det mulig for designere å utforske mulighetene til den synkrone monolitiske trinn-ned-regulatoren L6983 og starte designen.

Synkron nedtransformeringsstyring (buck controller) for konstruksjoner til data- og telekom

NCP1034DR2G fra ON Semiconductor er en PWM-styring for høyspenning konstruert for synkrone DC-DC-utrustninger med høy ytelse og inngangsspenninger på opptil 100 volt. Denne enheten er konstruert for bruk i 48 volt uisolert strømkonvertering i innebygde telekommunikasjons-, nettverks- og databehandlingsprogrammer. NCP1034 driver et par eksterne N−kanal MOSFET-er som vist i figur 7.

Figur 7: Typisk krets og utrustning i en synkron styrings-IC for nedtransformering (buck-styrings-IC) NCP1036 som viser MOSFET-ene på høy- og lavsiden (henholdsvis Q1 og Q2). (Bildekilde: ON Semiconductor)

NCP1036 har en programmerbar vekslingsfrekvens fra 25 kHz til 500 kHz og en synkroniseringsstift som tillater at vekslingsfrekvensen styres eksternt. Forutsatt at begge disse frekvenskontrollene gjør det mulig for designere å velge den optimale verdien for hver spesifikke bruksområde og å synkronisere driften av flere NCP1034-styring. Enheten inkluderer også brukerprogrammerbar underspenningslåsing og beskyttelse ved spenningsfall (hiccup current). For lavspenningsdesign kan en internt trimmet 1,25 volt referansespenning brukes til mer nøyaktig utgangsspenningsregulering.

Fire underspenningsspenningssperrekretser er inkludert for å beskytte både enheten og systemet. Tre er dedikert til spesifikke funksjoner; to beskytter de eksterne høyside- og lavsidedriverne, og en beskytter IC-en mot å starte for tidlig før VCC er under en angitt terskel. Den fjerde underspenningssperrekretsen kan programmeres av designeren ved hjelp av en ekstern motstandsdeler: Så lenge VCC er under brukerinnstilt terskelverdi, forblir styreenheten av.

ON Semiconductor tilbyr evalueringskortet NCP1034BCK5VGEVB for å hjelpe designere i gang med bruke av NCP1034 (Figur 8). Dette evalueringskortet ble konstruert med flere alternativer – for å støtte en rekke systembehov. Det er en lineær regulator som driver IC-en, designeren kan velge om den gjør det ved hjelp av enten en zenerdiode eller en høyspenningstransistor ved å velge riktig motstand. Designerene har også et valg av kompensasjon av andre type (spenningsmodus) eller tredje type (strømmodus) kompensasjon, valgbare keramiske eller elektrolytiske utgangskondensatorer og forskjellige inngangskapasitetsverdier. Det er to stiftlisterpinner): én for enkel tilkobling til en ekstern synkroniseringspulkilde for å tillate kortet å koble direkte til det andre NCP1034-demokortet; den andre for å koble til SS/SD-pinnen som kan brukes til å slå av styringen, ved å koble den til jord.

Figur 8: NCP1034BCK5VGEVB-evalueringskortet inkluderer flere alternativer for å hjelpe designere med å komme raskt i gang med nytt design. (Bildekilde: DigiKey)

Konklusjon

Behovet for å nedtransformere høye buss-spenninger for å senke spenningene for strømforsyninger og andre belastninger stigende krav tvers av en rekke systemer, inkludert bil-, industriautomasjons-, telekommunikasjons-, databehandlings-, hvitevare- og forbrukerelektronikk.

Som vist, kan designere bruke synkrone nedtransformeringsomformere (buck-omformere) for å implementere denne nedkonverteringen med maksimal virkningsgrad, minimal termisk belastning, til lav kostnad og med minst mulig størrelse på det ferdige produktet.

Anbefalt lesing

1. Usynkrone nedtransformeringsomformere (buck-omformere) tilbyr høyere virkningsgrad ved lettere laster
2. Det er enkelt å generere flere utganger fra en enkelt synkron nedtransformeringsomformer (buck-omformer)