Miksi ja miten synkronisia DC/DC-jännitteenalennusmuuntimia käytetään alennusmuuntamisen hyötysuhteen maksimointiin

Korkeat väyläjännitteet on laskettava alhaisemmiksi jännitteiksi mikropiirien ja muiden kuormien virransyöttöä varten. Tämä tarve on lisääntymässä lukuisissa erilaisissa järjestelmissä, esimerkkinä autoteollisuus, teollisuusautomaatio, tietoliikenne, kodinkoneet ja kuluttajaelektroniikka. Suunnittelijoiden haasteena on toteuttaa tämä jännitteenalennusmuunnos maksimaalisella hyötysuhteella, minimaalisella lämpökuormituksella, edullisesti ja pienimmässä mahdollisessa ratkaisukoossa.

Perinteiset asynkroniset jännitteenalennusmuuntimet saattavat tarjota edullisen ratkaisun, mutta niiden muuntotehokkuus on myös alhaisempi eikä se täytä monien elektroniikkajärjestelmien tarpeita. Suunnittelijat voivat kääntyä synkronisten DC/DC-muunninten ja synkronisten DC/DC-ohjainten puoleen kehittääkseen kompakteja ratkaisuja, jotka tarjoavat korkean hyötysuhteen.

Tässä artikkelissa kuvataan lyhyesti elektroniikkajärjestelmien tehokkuusvaatimukset korkean hyötysuhteen DC/DC-muuntamiselle sekä tarkastellaan asynkronisten ja synkronisten DC/DC-muunninten välistä eroa. Sen jälkeen artikkelissa esitellään useita synkronisen DC/DC-muuntimen suunnitteluvaihtoehtoja valmistajilta Diodes, Inc., STMicroelectronics ja ON Semiconductor yhdessä evaluointikorttien ja suunnitteluohjeiden kanssa, joilla voidaan nopeuttaa huipputehokkaiden ratkaisujen kehittämistä.

Miksi synkronisia DC/DC-muuntimia tarvitaan?

Kasvava tarve korkeammalle hyötysuhteelle kaikentyyppisissä elektroniikkajärjestelmissä yhdistettynä järjestelmien kompleksisuuden lisääntymiseen aiheuttaa vastaavanlaista kehitystä virtajärjestelmien arkkitehtuureissa ja virranmuuntotopologioissa. Toiminnallisuuden lisääntymistä tuetaan itsenäisillä jännitealueilla. Näiden määrän kasvaessa elektroniikkajärjestelmissä käytetään yhä enemmän hajautettuja tehoarkkitehtuureja (DPA).

Useiden erotettujen, eri kuormien ohjaukseen käytettävien virtalähteiden sijaan DPA sisältää yhden erotetun AC/DC-virtalähteen, joka tuottaa suhteellisen korkean välijännitteen, ja useita pienempiä jännitteenalennusmuuntimia, jotka muuntavat jännitteen tarvittaessa alhaisemmaksi kunkin yksittäisen kuorman edellyttämälle tasolle (kuva 1). Useiden jännitteenalennusmuunninten käyttö tarjoaa etuina pienemmän koon, korkeamman hyötysuhteen ja paremman tehokkuuden.

Kuva 1: Hajautetussa tehoarkkitehtuurissa näkyy erotettu AC/DC-päävirtalähde (etuaste) ja useita ei-erotettuja DC/DC-muuntimia syöttämässä jännitteeltään alhaisia kuormia. (Kuvan lähde: DigiKey)

Asynkronisten ja synkronisten jännitteenalennusmuuntimien välinen valinta on kompromissi hinnan ja tehokkuuden välillä. Jos tarvitaan mahdollisimman edullinen ratkaisu, ja alhaisempi hyötysuhde ja korkeampi lämpökuormitus ovat hyväksyttäviä, voidaan kallistua asynkroniseen jännitteenalennusratkaisuun. Jos hyötysuhde on kuitenkin tärkeä ja halutaan lämmöntuotoltaan alhaisempi ratkaisu, kalliimpi synkroninen jännitteenalennusmuunnin on yleisesti parempi vaihtoehto.

Synkronisten ja asynkronisten jännitteenalennusmuunninten vertailu toisiinsa

Kuvassa 2 näytetään tyypillinen asynkroninen jännitteenalennusmuunninsovellus. ON Semiconductorin LM2595 on monoliittinen integroitu piiri, joka sisältää päävirtakytkimen ja ohjauspiirin. Se on sisäisesti kompensoitu ulkoisten komponenttien määrän minimoimiseksi ja virtalähteen rakenteen yksinkertaistamiseksi. Se tarjoaa tyypillisesti 81 prosentin muuntohyötysuhteen ja luovuttaa 19 % tehosta lämpönä, kun taas synkronisen jännitteenalennusratkaisun tyypillinen muuntohyötysuhde on noin 90 % ja se luovuttaa vain 10 % tehosta lämpönä. Tämä tarkoittaa, että asynkronisten jännitteenalennusmuuntimien lämpöhäviöt ovat lähes kaksinkertaiset synkronisten jännitteenalennusmuunninten lämpöhäviöihin verrattuna. Tästä syystä synkronisen jännitteenalennusmuuntimen käyttö helpottaa huomattavasti lämmönhallinnan haasteissa, koska syntyvän lämmön määrä vähenee.

Kuva 2: Tyypillinen asynkroninen jännitteenalennusmuunnin, jossa on lähdöntasaus (D1), lähtösuodatin (L1 ja Cout) ja takaisinkytkentäverkko (Cff, R1 ja R2). (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Synkronisessa jännitteenalennusmuuntimessa, kuten STMicroelectronicsin ST1PS01, lähdöntasaus on korvattu synkronisella MOSFET-tasaajalla (kuva 3). Synkronisen MOSFET-transistorin auki-asennon vastus on alhaisempi asynkronisen jännitteenalennusmuuntimen lähdöntasaukseen verrattuna. Tämä vähentää häviöitä ja mahdollistaa huomattavasti korkeamman muuntohyötysuhteen. Synkroninen MOSFET sijaitsee mikropiirin sisällä ja eliminoi ulkoisen tasausdiodin tarpeen.

Kuva 3: Synkroninen jännitteenalennuspiiri näyttää ettei ulkoista lähdöntasausdiodia tarvita. Lähdön suodatusta ja takaisinkytkentäkomponentteja kuitenkin tarvitaan. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Synkronisen jännitteenalennusmuuntimen mahdollistamalla korkeammalla hyötysuhteella ja alhaisemmalla lämpökuormituksella on hintansa. Yhden ainoan MOSFET-virtakytkentätransistorin ja tasausdiodin ansiosta asynkroniset alennusmuunninohjaimet ovat paljon yksinkertaisempia (ja pienempiä), koska niiden ei tarvitse ratkaista ristiinjohtavuuden eikä ”ylilyönnin” mahdollisuutta eikä ohjattavaa synkronista FET-transistoria ole. Synkronisessa jännitteenalennustopologiassa tarvitaan monimutkaisempi ohjain ja ristiinjohtavuuden estopiiri kummankin kytkimen ohjaukseen (kuva 4). Molempien MOSFET-transistorien samanaikainen kytkeminen päälle aiheuttaisi oikosulun. Tämän estäminen kasvattaa kompleksisuutta ja edellyttää suurempia ja kalliimpia mikropiirejä.

Kuva 4: Lohkokaavio synkronisen jännitteenalennusmuuntimen mikropiiristä, jossa näkyy kaksi integroitua MOSFET-transistoria (”SW”-nastan vieressä) sekä lisätty ohjainpiiri ja ristiinjohtavuuden estopiiri. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Vaikka pulssinleveysmodulaatiolla ohjatut synkroniset jännitteenalennusmuuntimet ovat tehokkaampia keskisuurella tai täydellä kuormituksella, asynkroniset jännitteenalennusmuuntimet tarjoavat usein korkeamman muuntohyötysuhteen kevyissä kuormitusolosuhteissa. Tämä pitää enää paikkansa kuitenkin yhä harvemmin, sillä synkronisten jännitteenalennusmuunninten uusimmat versiot tarjoavat monia toimintatiloja, joiden avulla suunnittelijat voivat optimoida hyötysuhteen alhaisessa kuormituksessa.

Synkroninen jännitteenalennusmuunnin 5 V:n ja 12 V:n sähkönjakeluun

Diodes, Inc. tarjoaa 5 ja 12 V:n sähkönjakelua kuluttajatuotteissa ja kodinkoneissa käyttäville suunnittelijoille 6 ampeerin (A) synkronisen jännitteenalennusmuuntimen AP62600, jolla on laaja 4,5–18 V:n tuloalue Tämä komponentti sisältää 36 milliohmin (mΩ) yläpuolen MOSFET-tehotransistorin sekä 14 mΩ:n alapuolen MOSFET-tehotransistorin ja se tarjoaa DC/DC-jännitteenalennusmuunnoksen korkealla hyötysuhteella.

AP62600-muunnin tarvitsee COT (constant on-time) -ohjauksen ansiosta minimimäärän ulkoisia komponentteja. Se tarjoaa myös nopean transienttivasteen, silmukan helpon stabilisoinnin ja vähäisen lähtöjännitteen aaltoilun. AP62600:n rakenne on optimoitu sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) vaimennukseen. Laitteessa on oma hilaohjainmalli kytkentäsolmun ylitysvärähtelyn ehkäisemiseksi MOSFET-transistorin päälle- ja poiskytkentäkertoja heikentämättä. Se vähentää MOSFET-kytkennän aiheuttamia korkeataajuisia EMI-häiriöitä. Laite on saatavilla V-QFN2030-12 (tyyppi A) -kotelossa.

Laite sisältää Virta OK -ilmaisimen, joka ilmoittaa käyttäjille mahdollisista vikatiloista. Ohjelmoitava pehmeäkäynnistystila ohjaa kytkentävirtaa käynnistyksen aikana ja mahdollistaa sen, että suunnittelijat voivat toteuttaa tehon sekvensoinnin käytettäessä useita AP62600-muuntimia isojen integroitujen laitteiden syöttöön, esimerkkinä ohjelmoitavat porttimatriisit (FPGA), sovelluskohtaiset mikropiirit (ASIC), digitaaliset signaaliprosessorit (DSP) ja mikroprosessoriyksiköt (MPU).

AP62600-muunnin tarjoaa suunnittelijoille mahdollisuuden valita jonkin kolmesta toimintatilasta kunkin sovelluksen erityistarpeiden täyttämiseen (kuva 5). Korkea hyötysuhde voidaan toteuttaa kaikilla kuormilla käyttämällä pulssitaajuusmodulaatiota (PFM). Muita käytettävissä olevia tiloja ovat pulssileveysmodulaatio (PWM) parhaan mahdollisen rippelitehokkuuden saavuttamiseksi ja ultraäänitila (USM), joka estää kuultavia häiriöitä kevyillä kuormilla.

Kuva 5: AP62600-muunnin tarjoaa suunnittelijoille mahdollisuuden valita jonkin kolmesta toimintatilasta kunkin sovelluksen tarpeiden täyttämiseen: PFM, USM, PWM. (Kuvan lähde: Diodes, Inc.)

Diodes, Inc. tarjoaa suunnittelijoille AP62600SJ-EVM-evaluointikortin, jonka avulla on helpompi aloittaa AP62600-muuntimen käyttö (kuva 6). AP62600SJ-EVM:n rakenne on yksinkertainen ja kortin testipisteet mahdollistavat pääsyn tarvittaviin signaaleihin.

Kuva 6: AP62600SJ-EVM-evaluointikortti tarjoaa yksinkertaisen ja mukavan evaluointiympäristön AP62600-muuntimelle. (Kuvan lähde: DigiKey)

Synkroninen jännitteenalennusmuunnin 24 V:n väylille

STMicroelectronicsin L6983CQTR-piirin ominaisuuksiin kuuluu 3,5–38 V:n tulojännitealue ja jopa 3 A:n lähtövirta. Suunnittelijat voivat käyttää L6983-muunninta monenlaisissa sovelluksissa, esimerkkinä teollisuuden 24 V:n virtajärjestelmät, 24 V:n akkukäyttöiset laitteet, hajautetut älykkäät solmut, anturit ja aina päällä olevat ja alhaisen kohinan sovellukset.

L6983 perustuu huippuvirtatila-arkkitehtuuriin sisäisellä kompensoinnilla ja se on pakattu 3 mm x 3 mm:n QFN16-koteloon, mikä minimoi mallin kompleksisuuden ja koon. L6983 on saatavilla sekä virransäästötila- (LCM) ja matalakohinatilaversioina (LNM). LCM-tila maksimoi hyötysuhteen kevyillä kuormilla ja vähentää lähtöjännitteen aaltoilua, minkä ansiosta laite soveltuu akkukäyttöisiin sovelluksiin. LNM-tila käyttää vakioarvoista kytkentätaajuutta ja minimoi lähtöjännitteen aaltoilun kevyissä kuormissa sekä täyttää kohinalle herkkien sovellusten vaatimukset. L6983-muuntimen kytkentätaajuus voidaan valinta alueella 200 kilohertsistä (kHz) 2,3 megahertsiin (MHz). EMC-häiriöitä voidaan vähentää käyttämällä hajaspektriä.

STMicroelectronics tarjoaa suunnittelijoille STEVAL-ISA209V1-evaluointikortin synkronisen, monoliittisen jännitteenalennusmuuntimen L6983 ominaisuuksiin tutustumista ja suunnittelun aloittamista varten.

Synkroninen jännitteenalennusohjain tietokone- ja tietoliikennesuunnitteluun

ON Semiconductorin NCP1034DR2G on PWM-korkeajänniteohjain, joka on kehitetty korkeatehoisiin ja synkronisiin DC/DC-jännitteenalennussovelluksiin jopa 100 V:n tulojännitteellä. Tämä laite on tarkoitettu käytettäväksi 48 V:n ei-erotettuun virtamuunnokseen sulautetuissa tietoliikenne-, verkko- ja tietokonesovelluksissa. NCP1034 ohjaa ulkoista N-kanavan MOSFET-paria kuvan 7 mukaisesti.

Kuva 7: Synkronisen jännitteenalennusohjaimen NCP1036 tyypillinen sovelluspiiri, jossa näkyvät yläpuolen ja alapuolen MOSFET-transistorit (Q1 ja Q2). (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

NCP1036-ohjaimen ominaisuuksiin kuuluu ohjelmoitava kytkentätaajuus 25 kHz – 500 kHz sekä synkronointinasta, joka mahdollistaa kytkentätaajuuden ulkoisen ohjauksen. Näiden kahden taajuusohjauksen ansiosta suunnittelijat voivat valita optimaalisen arvon kuhunkin sovellukseen ja synkronoida useiden NCP1034-ohjaimen toiminnan. Laite sisältää myös käyttäjän ohjelmoitavan alijännitekatkaisun ja hikkatilan virtarajasuojauksen. Pienjännitelaitteissa voidaan käyttää sisäisesti säädettyä 1,25 V:n referenssijännitettä lähtöjännitteen tarkempaan säätöön.

Sekä laitetta että järjestelmää suojaa neljä alijännitelukituspiiriä. Piireistä kolme on omistettu erityisille toiminnoille: kaksi suojaa ulkoisia yläpuolen ja alapuolen ohjaimia ja yksi suojaa mikropiiriä ennenaikaiselta käynnistymiseltä ennen kuin VCC alittaa asetetun raja-arvon. Suunnittelija voi ohjata neljättä alijännitelukituspiiriä ulkoisella vastusjakajalla: ohjain pysyy niin kauan pois päältä kun VCC on alle käyttäjän asettaman raja-arvon.

ON Semiconductor tarjoaa suunnittelijoille NCP1034BCK5VGEVB-evaluointikortin, jonka avulla on helppo aloittaa NCP1034-ohjaimen käyttö (kuva 8). Tämä evaluointikortti sisältää useita vaihtoehtoja joilla se tukee erilaisia järjestelmätarpeita. Mikropiirin virtalähteenä toimii lineaarinen regulaattori, ja suunnittelija voi päättää valitsemalla sopivan vastuksen tapahtuuko jännitteentasaus zenerdiodilla vai korkeajännitetransistorilla. Suunnittelijat voivat myös valita toisen tyypin (jännitetila) kompensoinnin tai kolmannen tyypin (virtatila) kompensoinnin, keraamiset tai elektrolyyttiset lähtökondensaattorit ja erilaisia tulokapasitanssiarvoja. Urosnastoja on kaksi: yksi tarjoaa helpon liitännän ulkoiseen synkronointipulssilähteeseen, jonka avulla kortti voidaan liittää suoraan toiseen NCP1034-esittelykorttiin, ja toinen tarjoaa liitännän SS/SD-nastaan, jota voidaan käyttää ohjaimen sammuttamiseen yhdistämällä se maatasoon.

Kuva 8: NCP1034BCK5VGEVB-evaluointikortti sisältää monia vaihtoehtoja, joiden avulla voidaan aloittaa nopeasti uusia mallien suunnittelu. (Kuvan lähde: DigiKey)

Yhteenveto

Korkeat väyläjännitteet on laskettava alhaisemmiksi jännitteiksi mikropiirien ja muiden kuormien virransyöttöä varten. Tätä vaaditaan lisääntyvässä määrin lukuisissa erilaisissa järjestelmissä, esimerkkinä autoteollisuus, teollisuusautomaatio, tietoliikenne, kodinkoneet ja kuluttajaelektroniikka.

Kuten edellä on kuvailtu, suunnittelijat voivat kääntyä synkronisten jännitteenalennusmuunninten puoleen ja toteuttaa tämän jännitteenalennusmuunnoksen maksimaalisella tehokkuudella, minimaalisella lämpökuormituksella, edullisesti ja pienimmässä mahdollisessa ratkaisukoossa.

Suositeltavaa luettavaa

1. Ei-synkroniset jännitteenalennusmuuntimet tarjoavat korkeamman hyötysuhteen kevyillä kuormilla
2. Monien lähtöjen luonti yhdestä synkronisesta jännitteenalennusmuuntimesta on helppoa