magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

Figure 1 fine OKA legújabb irányzat szerint számos tápegységet a 3,6 V-os vagy alacsonyabb tápfeszültségek előállítására használnak, főként a hordozható vagy viselhető készülékekben. Sok hordozható készüléknek vannak azonban magasabb tápfeszültséget igénylő funkciói. A tervezőknek meg kell tehát találni a lehető leghatékonyabb megoldást a feszültségszint megnövelésére is.

 

Az egyenfeszültség-növelők szerepe

A viselhető vagy más módon hordozható készülékek általában 3,6 V névleges egyenfeszültségű lítiumion (LI-ion) cellás elemeket használnak tápegységként. A legtöbb telepről (szárazelem, akkumulátor) működő készülék egy vagy sorba kötött több lítiumion cellás elemet használ elsődleges tápellátásként. Jóllehet, ez többfajta készülék tápfeszültség-igényét képes kielégíteni, a táblagépeknek és más hordozható készülékeknek olyan egyedi funkciói is vannak, amelyek sokkal nagyobb tápfeszültséget igényelnek. Ilyenek például a fehér fényű, ledes háttérvilágítású kijelzők vezérlőegységei, a rádiófrekvenciás adó-vevők, a nagy pontosságú analóg áramkörök és az optikai érzékelőkben található lavina fotodiódák (APD) előfeszítő áramkörei. A kapcsolóüzemű vagy feszültségnövelő egyenfeszültség-szabályozók megfelelnek az ezen készülékek által támasztott, a kis bemenőfeszültség magasabb kimenőfeszültséggé alakítására vonatkozó elvárásoknak.

 

Figure 1 fine OK

1. ábra A feszültségnövelő alapfelépítése, amelyen látható az áramirány a kapcsolók nyitott és zárt állapotában
(forrás: Digi-Key Electronics, a Texas Instruments forrásanyaga alapján)

 

A feszültségnövelők jellegzetes kialakítása

A feszültségnövelők legfőbb áramköri elemei: egy tekercs, egy félvezetős kapcsoló (leggyakrabban egy teljesítmény-MOSFET), egy egyenirányító dióda és egy integrált áramkörös (IC) vezérlőegység, valamint a be- és kimeneti kondenzátorok (1. ábra).
A VIN bemenőfeszültség rákapcsolásakor, ha zárva van a teljesítménykapcsoló, az áram a kékkel jelzett útvonalon folyik át a tekercsen a föld felé. A tekercs a mágneses terében tárolja az energiát. A D dióda záróirányban van előfeszítve, ezért a kimeneti kondenzátor kisülésével csökken a kimeneti feszültség, amikor a kondenzátorban tárolt energiát a terhelés felveszi.
Ezzel szemben, amikor a teljesítménykapcsoló nyitva van, az áram a piros útvonalon folyik, mivel az összeomló mágneses tér pozitív feszültséget hoz létre. Ez a nyitóirányban előfeszített D diódán át átadja a tekercs energiáját, feltöltve azzal a kimeneti kondenzátort és táplálva a terhelést.
A teljesítménykapcsoló ki- és bekapcsolt állapotának váltogatásával a vezérlőegység állandó kimenőfeszültséget tart fenn, reagálva a bemenőfeszültség változásaira és a változó terhelésre.
A kimeneten lévő ohmos feszültségosztó feszültségvisszacsatolást ad a vezérlőegységnek a működési ciklus szabályozása és a kívánt értékű kimenőfeszültség fenntartása érdekében.
Ezen alapfunkciókon kívül a teljes áramkör része a többféle védelmi funkció is, amelyek védik az egységet a túlmelegedés, a kimeneti rövidzár és szakadás, a bemeneti túláram és egyéb veszélyek ellen.
Az alapáramkör további – szokványos – finomításával a dióda egy második MOSFET-tel helyettesíthető. A második MOSFET szinkron-egyenirányítóként működik: akkor kapcsol be, amikor a teljesítménykapcsoló kikapcsolt helyzetbe kerül. Mivel a dióda nyitófeszültségéhez képest kisebb rajta a feszültségesés, csökken a veszteségi teljesítmény, és javul a feszültségnövelő hatásfoka.
A szinkron kialakítás telepről táplált eszközök esetében különösen előnyös, mivel a jobb hatásfok hosszabb telepélettartamot eredményez. Ezenkívül a hordozható vagy viselhető készülékekben általában korlátozott a hely, így az ezekben használt feszültségnövelőkre gyakran a nagyfokú integráltság jellemző. A csomagban levő teljesítményszabályozó elemek korlátozzák a leadható áramerősséget, de a telepről táplált készülékek esetében ez elfogadható. Számos ilyen készülék hosszabb időt tölt kikapcsolt állapotban, tehát kritikus szempont az is, hogy rendkívül alacsony legyen a nyugalmi áramfogyasztás.

 

Figure 2

2. ábra A TPS61099x termékcsalád 5,5 V kimenőfeszültséget szolgáltat 0,7 V bemenőfeszültségből (forrás: Texas Instruments)

 

A Texas Instruments TPS610993YFFT egysége remek példa a kisfeszültségű feszültségnövelőre (2. ábra). Ez egy szinkronizált eszköz, amelynek nyugalmi áramfogyasztása 1 µA, maximum 800 mA terhelőáram leadására képes, és 3,0 V kimenőfeszültséget tud előállítani mindössze 0,7 V bemeneti feszültségből. Arra tervezték, hogy nagy terhelések esetén maximalizálja az üzemi hatásfokot. Használható alkáli elemmel és (például NiMH vagy Li-ion) akkumulátorokkal egyaránt.
A TPS610993 tartalmazza mind a teljesítménykapcsolót, mind a szinkronegyenirányítót egy 6 golyós WCSP-tokozatban (Wafer Chip Scale Package – szilíciumlapka-hordozóra integrált, forraszgolyós beültetésű kivitel), amelynek a mérete mindössze 1,23 mm × 0,88 mm. Kis méretének köszönhetően alkalmazható optikai szívritmus-szabályozókban, folyadékkristályos kijelzők (LCD) előfeszítő vezérlőegységeiben és más olyan készülékekben, ahol korlátozott hely áll rendelkezésre. Az eszköz a TPS61099x termékcsalád tagja. A termékcsalád különböző tagjai 1,8…5,5 V kimenőfeszültség előállítására szolgálnak.

 

Figure 3

3. ábra A Microchip MCP1665 jelű terméke 32 V-ot képes előállítani Li-ion, NiMH és NiCd szárazelemek és akkumulátorok feszültségéből (forrás: Microchip Technology)


Az okostelefonok fényképezőgépének vakuáramköreihez és a telepről működő ledes lámpákhoz szükséges nagyobb tápfeszültségek előállításához a Microchip Technology MCP1665 eszköze (3. ábra) más megközelítést képvisel: tartalmaz egy 36 V-os zárófeszültségű, 100 mΩ nyitóirányú ellenállással rendelkező NMOS-teljesítménykapcsolót, de külső diódát használ a nem szinkronizált kivitelű egyenirányítójához. Ez az eszköz maximum 1000 mA leadására képes 5 V tápfeszültségnél, és olyan funkciói vannak, mint a szabályozott indulási feszültség, többféle választható üzemmód és 500 kHz-es kapcsolási frekvencia. A csúcsáramot szolgáltató üzemmód architektúrája széles terhelési tartományban magas hatásfok elérésére képes.

 

Figure 4

4. ábra A jellemzően 1,2 MHz kapcsolási frekvencián üzemelő AP3019A vezérlőegység egyedi tulajdonságokkal rendelkezik a háttérvilágítást adó ledsorok fényerejének vezérléséhez (forrás: Diodes Incorporated)


Egyes feszültségnövelő eszközökben a kimenőfeszültség adott értéken tartása nem elsődleges tervezési szempont. A ledes háttérvilágítású eszközökben a ledek kívánt fényereje a ledsoron átfolyó áram erősségének függvénye, így egy söntellenálláson átfolyó áram ad feszültség-visszacsatolást a vezérlőegységnek, és határozza meg a feszültségnövelés mértékét. A Diodes Incorporated AP3019AKTR-G1 jelű terméke jó példa a feszültségnövelőre, amelyet ledes háttérvilágítású eszközök maximum nyolc ledből álló füzérének meghajtására optimalizáltak (4. ábra). A korlátozott hellyel rendelkező készülékekhez optimalizált eszköz tartalmazza a teljesítménykapcsolót és a diódát is, 1,2 MHz-es kapcsolási frekvenciája pedig kisméretű külső alkatrészek használatát teszi lehetővé. Az SOT-23-6 tokozású AP3019A maximum 550 mA áramot képes szolgáltatni. Az eszköz CTRL kivezetése kifejezetten a lekapcsolási és a fényerő-szabályozási bemenethez van kialakítva: ha a lábra 1,8 V vagy annál nagyobb feszültség kerül, az eszköz bekapcsol, ha 0,5 V vagy kevesebb, akkor kikapcsol, és egy impulzusszélesség-modulált (PWM) jel teszi lehetővé a led fényerejének szabályozását.

 

Néhány tervezési tanács a hatásfok optimalizálásához

A fentebb már tárgyalt eszközök némelyikében ugyan a gyártók belsőleg már rögzítették a paraméterek egy részét, de a tervezőknek jellemzően maradt néhány lehetőségük a feszültségnövelés hatásfokának optimalizálására. Ezenkívül oda kell figyelni a megfelelő külső alkatrészek megválasztására is az alábbi útmutató alapján.

 

Kapcsolási frekvencia

Bár a kapcsolási frekvencia közvetlenül nem érinti a kimenőfeszültséget, mégis jelentős hatása van a tápegység tervezésére. Általában a magasabb kapcsolási frekvencia egy adott készülékben kisebb tekercs és kisebb kondenzátorok használatát teszi lehetővé. A tekercs méretét elsősorban a terhelő egyenáramra szuperponált váltakozóáramú összetevő megengedhető maximális értéke határozza meg. Adott induktivitás esetén a váltakozóáramú összetevő a kapcsolási frekvencia növelésével csökken. Ha több eszközből is lehet választani, a tervező ugyanakkora váltóáram-komponenst kisebb tekercsmérettel érhet el, ha nagyobb kapcsolási frekvenciát választ. A magasabb frekvencián való működés következtében nagyobb lesz a kapcsolásszabályozó egység sávszélessége, így rövidülnek a tranziens-válaszidők is. A kisebb tekercsnek köszönhetően csökkenthető a tápegység mérete és ára is.

 

A tekercs kiválasztásának szempontjai

A tekercs a feszültségnövelő egyik legfőbb alkatrésze: ez tárolja az energiát, amíg be van kapcsolva a teljesítménykapcsoló, majd annak kikapcsolásakor a tekercs adja át az energiát a kimenetre a kimeneti egyenirányító diódán át. A tervezőnek meg kell alkudnia a tekercsen jelentkező kis váltóáramú komponens és a magas hatásfok között. A kisebb értékű tekercsnek egyazon fizikai méret esetén nagyobb a telítési árama és kisebb a soros ellenállása, de a kisebb induktivitás nagyobb csúcsáramot eredményez, ami a hatásfok csökkenését, a váltóáramú komponens és a zaj növekedését okozhatja. A megfelelő tekercs kiválasztásakor a tekercs névleges telítési áramerősségének nagyobbnak kell lennie a tekercs csúcsáramánál, a tekercs névleges effektív áramerősségének pedig meg kell haladnia a feszültségnövelő legnagyobb bemeneti egyenáramát. A legtöbb feszültségnövelő adatlapja tartalmaz ajánlásokat a használandó tekercsre vonatkozóan különböző terhelőáramok és kimenőfeszültségek esetére: a korábban tárgyalt Microchip MCP1665 adatlapja a Panasonic Electronic Components ELL-8TP4R7NB 4,7 µH induktivitású tekercsét ajánlja 15 V alatti, illetve a Würth Electronics 7447714100 10 µH induktivitású tekercsét javasolja annál nagyobb kimenőfeszültségekhez.

 

A dióda kiválasztásának szempontjai

Nem szinkronizált megoldások esetén a veszteségek csökkentése érdekében érdemes Schottky-diódát használni annak kisebb nyitóirányú feszültsége miatt.
A dióda átlagos névleges áramerősségének meg kell haladnia a legnagyobb kimenő áramerősséget, vagy egyenlőnek kell lennie azzal. A dióda nyitóirányú ismétlődő névleges csúcsáramerősségének magasabbnak kell lennie a tekercs legnagyobb áramerősségénél, vagy egyenlőnek kell lennie azzal, és a dióda záróirányú letörési feszültségének nagyobbnak kell lennie a belső teljesítménykapcsoló névleges feszültségénél. Az MCP1665 termékben például 36 V-os belső kapcsoló van, és maximum 1 A áramerősséget tud szolgáltatni. A Microchip ezért az STMicroelectronics STPS2L40VU jelű Schottky-diódáját javasolja, amelynek 40 V a záróirányú letörési feszültsége és 2 A a legnagyobb nyitóirányú áramerőssége. Magasabb feszültségeken a dióda szivárgási áramerősségének szintén jelentős hatása lehet a feszültségnövelő hatásfokára. Nagyobb áramerősségek és magasabb környezeti hőmérsékletek esetén jó hőstabilitású dióda használata javasolt.

 

Bemeneti és kimeneti kondenzátorok

A feszültségnövelő áramkörben a kondenzátor simítja ki a szabályozó áramkört tápláló teljesítmény-áramkörben fellépő tranzienseket, csökkentve a bemeneti szűrés iránti igényt. Az X5R minősítésű kerámiakondenzátor gyakran elegendő +85 °C üzemi hőmérsékletig, de +125 °C maximális üzemi hőmérsékletnél alacsony ESR-értékű (sorosellenállás-egyenértékű) X7R kondenzátorokra lehet szükség. Ha a tápáramforrás impedanciája túl magas ahhoz, hogy a bemenőfeszültséget nagy terhelések esetén az alacsony tápfeszültség miatti letiltási küszöb fölött tartsa, további elektrolit- vagy tantál kondenzátorok használatára is szükség lehet. A terhelési oldalon a kimeneti kondenzátor csökkenti a terhelésen a tápfeszültség hullámosságát, és segít stabil értéken tartani a kimeneti feszültséget a terhelés hirtelen változásai esetén. Kimeneti kondenzátorként X7R kerámiakondenzátor ajánlott; más kondenzátoroknak magas lehet az ESR-értéke, ami csökkenti a feszültségnövelő hatásfokát. A kondenzátor névleges egyenfeszültségű értékének jóval a VOUT kimenőfeszültség maximális értéke fölött kell lennie, mert a kerámiakondenzátorok a maximális feszültségük közelében üzemeltetve veszítenek a hatékonyságukból. A kondenzátor kiválasztásánál érdemes annak adatlapján áttekinteni az ajánlott alkalmazásokat.

 

A feszültségnövelő alkatrészelrendezésének szempontjai

Nagysebességű kapcsolási jellemzői miatt a feszültségnövelő teljesítményét nagymértékben befolyásolja az alkatrészelrendezés a nyomtatott áramköri lapon: a parazitainduktivitás és a parazitakapacitás nagy értékű váltókomponenst okoz a kimenet feszültségében és áramában, továbbá a kimeneti paraméterek rossz szabályozottságát és túlságosan erős elektromágneses zavar (EMI) kibocsátását okozhatja, de a nagy feszültségugrások az eszköz meghibásodását is eredményezhetik.
A tervezőnek emiatt nagy figyelmet kell fordítania az alkatrészek elrendezésére a nyomtatott áramköri lapon. Ehhez az alábbi tanácsokat érdemes követni:

  • A kimeneti kondenzátorok legyenek az eszköz közelében, és rövid, széles vezetőcsíkkal legyenek csatlakoztatva, hogy csökkenjen a parazitainduktivitás, amely feszültséglengéseket és feszültségugrásokat okozhat. Több vezetőcsík használatával a parazitakapacitás is csökkenthető.
  • A tekercset célszerű az integrált áramkör közelébe helyezni, hogy csökkenjen a kibocsátott elektromágneses zavarójelek erőssége. Mivel az SW csomópont (2., 3. és 4. ábra) elektromosan zajos, a visszacsatolójelet (FB) és más érzékeny vezetőcsíkokat ettől a csomóponttól távol kell vezetni.
  • A bemeneti kondenzátor földcsomópontjának is az integrált áramkör tápfeszültség-földelőkivezetésének közelében kell lennie, hogy kisebb legyen a hurok területe.
  • A legjobb alkatrészhűtés eléréséhez az elrendezésnek tartalmaznia kell hőelvezető csíkokat is az eszköz hűtőlapjától (ha van) a földsíkig. Ez javítja a hőelvezetést, és csökkenti a túlmelegedés miatti leállás kockázatát.
  • A tápfeszültség földelését, a jelföldet és a hűtőlapot egy kis ellenállású földelési pontban össze kell kötni egymással.

 

Az internetes tervezőeszközök felgyorsítják a tervezési folyamatot

Egy jó hatásfokú tápegység tervezése több területre kiterjedő szakértelmet igényel, beleértve az alkatrészek értékelését és kiválasztását, a mágneses hatásokat, a szabályozóáramkörök tervezését, az optimalizálást, a termikus elemzést, az elrendezést és egyebeket.
Ezt a bonyolultságot felismerve több félvezetőgyártó kínál nagy segítséget nyújtó internetes tervezőeszközöket, amelyek végigvezetik a mérnököt a sikeres tervezéshez szükséges lépéseken.
A Texas Instruments kínálatában többféle szoftvereszköz is szerepel. A Power Stage Designer™ például segít megtervezni a leggyakrabban használt kapcsolóüzemű tápegységeket. A feszültségnövelőkhöz választhat feszültségnövelő, feszültségcsökkentő és SEPIC (leágazásos primertekercsű feszültségnövelő) elrendezéseket. A javasolt műszaki megoldás kiválasztása után a program segít a tervezőnek összehasonlítani a különféle teljesítményfetek teljesítményét, kiválasztani a szűrőkondenzátort, meghatározni a helyesbítő hálózatot és elvégezni egyéb tervezési feladatokat.
Az Analog Devices az ADIsimPower™ tervező eszközkészletet kínálja, amely segít a tervezőnek létrehozni a teljes kapcsolási rajzot és az anyaglistát, valamint kiszámolni az áramkör teljesítményét. Az ADIsimPower képes optimalizálni a tervet költség, méret, hatásfok és alkatrészszám szempontjából, miközben figyelembe veszi az üzemi körülményeket és az integrált áramkör, valamint a külső alkatrészek korlátait. 

 

Következtetés

Ha a tervező nagyobb feszültségű áramköri funkciókat használ a telepről üzemelő hordozható és viselhető készülékek tervezésénél, a feszültségnövelő értékes szerepet játszik a tápellátás megvalósításában. A tervezőknek azonban olyan eszközt kell választaniuk, amely megfelel az adott feszültségnövelési felhasználásra, továbbá számos lényeges tervezési kompromisszumot és bevált megoldást figyelembe kell venniük.



Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics

 

Digi-Key Electronics

Angol / német nyelvű kapcsolat
Hermann W. Reiter
Sales Director, Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +49 151 6286 5934
E-mail: hermann.reiter@digikey.com

www.digikey.hu



Még több Digi-Key Electronics