Jännitteenalennusmuunninten nopea käyttöönotto tehdasautomaatio-, 5G- ja IoT-sovelluksia varten

DC/DC-jännitteenalennusmuuntimia käytetään laajalti monissa elektronisissa järjestelmissä, kuten 5G-tukiasemissa, tehdasautomaatiolaitteissa (FA) ja esineiden internetin (IoT) laitteissa korkeiden jännitteiden tehokkaaseen muuntoon matalammaksi jännitteeksi. Esimerkiksi akusta tai virranjakeluväylästä saatava jännite, kuten 12 voltin tasavirta (V_DC) tai 48 V_DC, on usein muunnettava pienemmiksi jännitteiksi digitaalisia mikropiirejä, analogisia antureita, radiotaajuusosia (RF) ja rajapintakomponentteja varten.

Vaikka suunnittelijoiden on mahdollista toteuttaa erillinen jännitteenalennusmuunnin ja optimoida sen suorituskykyominaisuudet ja piirilevyn layout tiettyä sovellusta varten, tähän lähestymistapaan liittyy haasteita. Niihin kuuluvat sopivan MOSFET-tehotransistorin valinta, takaisinkytkentä- ja ohjausverkon suunnittelu, induktiokelan rakenne sekä valinta asynkronisen tai synkronisen topologian välillä. Ratkaisun täytyy myös tarjota lukuisia suojaustoimintoja, maksimaalinen hyötysuhde sekä pieni koko. Samaan aikaan suunnittelijoita painostetaan lyhentämään suunnitteluaikaa ja vähentämään kustannuksia, minkä vuoksi on löydettävä sopivampia jännitemuunninvaihtoehtoja.

Suunnittelijat voivat käyttää erilliskomponenttien sijaan integroituja virtalähdemikropiirejä. Ne sisältävät MOSFET-transistorit sekä tarvittavat takaisinkytkentä- ja ohjauspiirit, ja ne on jo optimoitu korkean hyötysuhteen jännitteenalennusmuuntimia varten.

Tässä artikkelissa tarkastellaan asynkronisten ja synkronisten DC/DC-jännitteenalennusmuuntimien välisiä suorituskykyyn liittyviä kompromisseja ja sitä, miten ne vastaavat erilaisten sovellusten tarpeisiin. Siinä esitellään esimerkkeinä ROHM Semiconductorin integroitu asynkroninen jännitteenalennusmikropiiri sekä synkroninen jännitteenalennusmikropiiri. Lisäksi artikkelissa käsitellään toteutukseen liittyviä näkökohtia, kuten lähtöpuolen induktiokelan ja kondensaattorin valintaa sekä piirilevyn layoutia. Artikkelissa keskustellaan myös evaluointikorteista, jotka auttavat suunnittelijoita pääsemään alkuun.

Miksi käyttää jännitteenalennusmuunninta?

Jännitteenalennusmuunnin on lineaarista regulaattoria tehokkaampi vaihtoehto sovelluksiin, joissa tarvitaan muutaman ampeerin (A) virtaa. Lineaarisen regulaattorin hyötysuhde voi olla noin 60 %, kun taas asynkroninen jännitteenalennusmuunnin voi saavuttaa yli 85 prosentin hyötysuhteen.

Tavallinen asynkroninen jännitteenalennusmuunnin koostuu MOSFET-kytkimestä, Schottky-diodista, kondensaattorista, induktiokelasta ja ohjain-/ajuripiiristä (ei kuvassa), joka kytkee MOSFET-transistorin päälle ja pois päältä (kuva 1). Jännitteenalennusmuunnin vastaanottaa DC-tulojännitteen (V_IN) ja muuntaa sen sykkiväksi AC-virraksi, joka tasasuunnataan diodilla ja jonka induktiokela ja kondensaattori sen jälkeen suodattavat reguloidun DC-lähtöjännitteen (V_O) tuottamiseksi. Tämä topologia on saanut nimensä siitä, että induktiokelan ylitse kulkeva jännite vastustaa tai laskee tulojännitettä.

Kuva 1: Asynkronisen jännitteenalennusmuuntimen topologia ilman MOSFET-ohjain-/ajuripiiriä. (Kuvan lähde: ROHM Semiconductor)

Ajuri-/ohjainpiiri mittaa lähtöjännitettä ja kytkee MOSFET-transistorin päälle ja pois päältä pitääkseen lähtöjännitteen halutulla tasolla. Kun kuormitus muuttuu, ajuri/ohjain muuttaa MOSFET-transistorin päälläoloaikaa ja syöttää lähtöön näin tarpeen mukaan enemmän tai vähemmän virtaa halutun lähtöjännitteen ylläpitämiseksi (säätämiseksi). Sitä kuinka kauan MOSFET on päällä yhden kokonaisen ON/OFF-syklin aikana, kutsutaan käyttöjaksoksi. Korkeampi käyttöjakso mahdollistaa korkeamman kuormavirran.

Synkroniset jännitteenalentimet

Suunnittelijat voivat käyttää synkronista jännitteenalennusmuunninta sovelluksissa, joissa tarvitaan korkeampaa hyötysuhdetta kuin mitä asynkronisella jännitteenalennusmuuntimella on mahdollista saavuttaa. Niissä Schottky-diodi korvataan synkronisella MOSFET-tasasuuntaajalla (kuva 2). Synkronisen MOSFET-transistorin (S₂) kytkentävastus on huomattavasti pienempi kuin Schottky-diodin vastus. Se johtaa pienempiin häviöihin ja korkeampaan hyötysuhteeseen, mutta se maksaa enemmän.

Yksi haaste on, että MOSFET-transistoreita on nyt kaksi, ja ne on kytkettävä koordinoidusti päälle ja pois päältä. Jos molemmat MOSFET-transistorit ovat päällä samanaikaisesti, tulojännite oikosuljetaan suoraan maahan, mikä vahingoittaa muunninta tai tuhoaa sen. Tämän estäminen kasvattaa ohjauspiirin kompleksisuutta, mikä lisää kustannuksia ja suunnitteluaikaa asynkroniseen malliin verrattuna.

Tämä synkronisen jännitteenalennusmuuntimen ohjauspiiri käyttää ”viivästysaikaa” kytkentäsiirtymien välillä. Tällöin molemmat kytkimet ovat poissa päältä hyvin lyhyen aikaa, mikä estää niitä johtamasta sähköä yhtä aikaa. Suunnittelijoiden onneksi saatavilla on virtalähdemikropiirejä, jotka sisältävät jännitteenalennusmuuntimien valmistukseen tarvittavat MOSFET-tehotransistorit ja ohjauspiirit.

Kuva 2: Synkronisen jännitteenalennusmuuntimen topologia, jossa Schottky-diodi on korvattu synkronisella tasasuuntaavalla MOSFET-transistorilla (S₂). (Kuvan lähde: ROHM Semiconductor)

Integroidut jännitteenalennusmuunnin-mikropiirit

Esimerkkejä pitkälle integroiduista jännitteenalennusmuunnin-mikropiireistä ovat ROHM BD9G500EFJ-LA (asynkroninen) ja BD9F500QUZ (synkroninen), jotka käyttävät HTSOP-J8- ja VMMP16LZ303030-koteloita (kuva 3). Mikropiirin BD9G500EFJ-LA kestojännite on 80 volttia, ja se on tarkoitettu käytettäväksi 48 V:n tehoväylien kanssa, joita on 5G-tukiasemissa, palvelimissa ja vastaavissa sovelluksissa. Se soveltuu myös järjestelmiin, joissa käytetään 60 V:n jänniteväyliä, kuten sähköpolkupyörät, sähkötyökalut, tehdasautomaatio- ja IoT-laitteet. Tämä mikropiiri voi tarjota jopa 5 A:n lähtövirran, ja sen muuntohyötysuhde on 85 % sen koko lähtövirta-alueella 2–5 A. Sisäänrakennettuihin ominaisuuksiin kuuluvat pehmeä käynnistys, ylijännite-, ylivirta-, terminen katkaisu- ja alijännitelukitussuojaus.

Kuva 3: Asynkroninen jännitteenalennusmuunnin-mikropiiri BD9G500EFJ-LA toimitetaan HTSOP-J8-kotelossa ja synkroninen jännitteenalennusmuunnin-mikropiiri BD9F500QUZ toimitetaan VMMP16LZ3030-kotelossa. (Kuvan lähde: ROHM Semiconductor)

Koska synkronisen jännitteenalennusmuuntimen virtalähdemikropiirin BD9F500QUZ läpilyöntijännite on 39 volttia, 24 V:n jänniteväyliä käyttävien järjestelmien suunnittelijat voivat laskea järjestelmäkustannuksia sen avulla. Se supistaa asennuspinta-alaa ja komponenttien määrää teollisuusautomaatiojärjestelmissä, esimerkkinä ohjelmoitavat logiikkaohjaimet (PLC) ja invertterit. Mikropiiri BD9F500QUZ pienentää ratkaisun kokoa noin 60 %, ja 2,2 MHz:n maksimikytkentätaajuus mahdollistaa pienen 1,5 mikrohenryn (μH) induktiokelan käytön. Tämä synkroninen jännitteenalennin toimii jopa 90 %:n hyötysuhteella 3 ampeerin lähtövirralla.

Korkean hyötysuhteen ja termisesti tehokkaan kotelon yhdistelmä tarkoittaa, että jännitteenalentimen käyttölämpötila on noin 60 celsiusastetta (°C). Se ei tarvitse jäähdytyselementtiä, mikä säästää tilaa, parantaa luotettavuutta ja vähentää kustannuksia. Sisäänrakennettuihin ominaisuuksiin kuuluvat lähtökondensaattorin purkutoiminto, ylijännite-, ylivirta-, oikosulku-, terminen katkaisu- ja alijännitesuojaus.

Induktiokelan ja kondensaattorin valinta

Vaikka mikropiireissä BD9G500EFJ-LA ja BD9F500QUZ on integroidut MOSFET-tehotransistorit, suunnittelijoiden täytyy silti valita optimaalinen lähtöpuolen induktiokela ja kondensaattori. Lisäksi näiden on toimittava yhdessä. Esimerkiksi induktanssin optimaalinen arvo on tärkeä, jotta induktiokelan ja lähtökondensaattorin koot olisivat mahdollisimman pienet sekä lähtöjännitteen aaltoilu riittävän alhainen. Myös transienttivaatimukset ovat tärkeitä ja vaihtelevat järjestelmäkohtaisesti. Kuormatransientin amplitudi, jännitepoikkeaman rajoitukset ja kondensaattorin impedanssi vaikuttavat kaikki transienttisuorituskykyyn ja kondensaattorin valintaan.

Suunnittelijat voivat käyttää erilaisia kondensaattoritekniikoita, joista jokainen tarjoaa erilaisia kustannuksiin ja suorituskykyyn liittyviä etuja. Monikerroksisia keraamisia kondensaattoreita (MLCC) käytetään yleisesti jännitteenalennusmuuntimien lähtökapasitanssia varten, mutta joissakin malleissa voidaan käyttää alumiinielektrolyyttikondensaattoreita tai johtavia polymeerihybridielektrolyyttikondensaattoreita.

ROHM on yksinkertaistanut induktiokelojen ja kondensaattoreiden valintaprosessia tarjoamalla suunnittelijoille valmiita esimerkkipiirejä näiden virtalähdemikropiirien teknisissä tiedoissa. Ne sisältävät seuraavat tiedot:

• tulojännite, lähtöjännite, kytkentätaajuus ja lähtövirta
• piirikaavio
• ehdotettu osaluettelo (BOM), joka sisältää arvot, osanumerot ja valmistajat
• toiminta-aaltomuodot.

Kolme mikropiiriä BD9G500EFJ-LA käyttävää yksityiskohtaista sovelluspiiriä kytkentätaajuudella 200 kilohertsiä (kHz) sisältäen:

• tulo 7–48 V_DC, lähtö 5,0 V_DC / 5 A
• tulo 7–36 V_DC, lähtö 3,3 V_DC / 5 A
• tulo 18–60 V_DC, lähtö 12 V_DC / 5 A.

Mikropiirin BD9F500QUZ seitsemän yksityiskohtaista sovelluspiiriä sisältävät:

• tulo 12–24 V_DC, lähtö 3,3 V_DC / 5 A kytkentätaajuudella 1 MHz
• tulo 12–24 V_DC, lähtö 3,3 V_DC / 5 A kytkentätaajuudella 600 kHz
• tulo 5 V_DC, lähtö 3,3 V_DC / 5 A kytkentätaajuudella 1 MHz
• tulo 5 V_DC, lähtö 3,3 V_DC / 5 A kytkentätaajuudella 600 kHz
• tulo 12 V_DC, lähtö 1,0 V_DC / 5 A kytkentätaajuudella 1 MHz
• tulo 12 V_DC, lähtö 1,0 V_DC / 5 A kytkentätaajuudella 600 kHz
• tulo 12 V_DC, lähtö 3,3 V_DC / 3 A kytkentätaajuudella 2,2 MHz.

Lisäksi ROHM tarjoaa suunnittelijoille sovellusohjeen ”Types of Capacitors Used for Output Smoothing of Switching Regulators and their Precautions” (Hakkuriregulaattorien lähtöjen tasaukseen käytettävien kondensaattoreiden tyypit ja niihin liittyvät varotoimet).

Evaluointikortit nopeuttavat suunnitteluprosessia

ROHM tarjoaa suunnitteluprosessin nopeuttamiseksi evaluointikortit BD9G500EFJ-EVK-001 ja BD9F500QUZ-EVK-001 mikropiireille BD9G500EFJ-LA ja BD9F500QUZ (kuva 4).

Kuva 4: Jännitteenalennusmuunnin-mikropiirien BD9G500EFJ-LA ja BD9F500QUZ evaluointikortit BD9G500EFJ-EVK-001 (vasemmalla) ja BD9F500QUZ-EVK-001 (oikealla) auttavat suunnittelijoita varmistamaan nopeasti, että laitteet täyttävät heidän vaatimuksensa. (Kuvan lähde: ROHM Semiconductor)

Evaluointikortti BD9G500EFJ-EVK-001 tuottaa 5 V_DC:n lähdön 48 V_DC:n tulosta. Mikropiirin BD9G500EFJ-LA tulojännitealue on 7–76 V_DC, ja sen lähtöjännite on konfiguroitavissa alueella 1 V_DC – 0,97 x V_IN ulkoisten vastusten avulla. Ulkoisella vastuksella voidaan myös asettaa toimintataajuus välille 100–650 kHz.

Evaluointikortti BD9F500QUZ-EVK-001 tuottaa lähdön 1 V_DC tulosta 12 V_DC. Mikropiirin BD9F500QUZ tulojännitealue on 4,5–36 V_DC, ja sen lähtöjännite on konfiguroitavissa alueella 0,6–14 V_DC ulkoisten vastusten avulla. Tässä virtalähdemikropiirissä on kolme valittavissa olevaa kytkentätaajuutta: 600 kHz, 1 MHz ja 2,2 MHz.

Piirilevyn layoutia koskevia näkökohtia

Mikropiirejä BD9G500EFJ-LA ja BD9F500QUZ käytettäessä on otettava huomioon seuraavat yleiset piirilevylayoutia koskevat näkökohdat:

1. Nolladiodin ja tulokondensaattorin tulisi sijaita samalla piirilevykerroksella kuin mikropiirin jalat sekä mahdollisimman lähellä mikropiiriä.
2. Lämmön poistumista tulee parantaa lämpöläpivienneillä aina kun mahdollista.
3. Sijoita induktiokela ja lähtökondensaattori mahdollisimman lähelle mikropiiriä.
4. Pidä piirilevyn johtimet paluureitillä kaukana häiriölähteistä, kuten induktiokelasta ja diodista.

Katso tarkemmat layout-tiedot kyseisten laitteiden teknisistä tiedoista ja ROHM:n sovellusohjeesta ”PCB Layout Techniques of Buck Converter” (Jännitteenalennusmuuntimen piirilevyn layout-tekniikat).

Yhteenveto

Kuten edellä on esitetty, asynkronisilla ja synkronisilla jännitteenalennusmuuntimilla saadaan lineaarisiin regulaattoreihin verrattuna korkeampi muuntotehokkuus erilaisissa teollisuusautomaatio-, IoT- ja 5G-sovelluksissa. Vaikka on mahdollista suunnitella räätälöityjä jännitteenalennusmuuntimia tiettyä suunnitelmaa varten, se on kompleksinen ja aikaa vievä tehtävä.

Sen sijaan suunnittelijat voivat käyttää virtalähdemikropiirejä, jotka sisältävät MOSFET-tehotransistorit ja ohjaus- ja ajuripiirit. Tämä mahdollistaa kompaktit ja kustannustehokkaat ratkaisut. Suunnittelijoiden käytettävissä on myös erilaisia markkinoilletuontiaikaa nopeuttavia työkaluja. Niihin kuuluvat kondensaattorien valintaa ja piirilevyjen layoutia koskevat sovellusohjeet, yksityiskohtaiset sovellusesimerkkipiirit ja evaluointikortit.

Suositeltavaa luettavaa

1. Perusteet: Ymmärrä kondensaattorityyppien ominaisuudet, jotta voit käyttää niitä asianmukaisesti ja turvallisesti
2. Miten käyttää oikeita tehokomponentteja oikealla tavalla teollisuuden virtalähdevaatimusten täyttämiseksi