DC/DC kapcsolóüzemű feszültségátalakítók a New Japan Radio Corporation-től

A DC/DC konverterek napjaink telepes táplálású elektronikai készülékeinek elengedhetetlen alapelemei, hiszen ezen az eszközök áramkörei gyakran különböző tápfeszültséget igényelnek, de helyhiány miatt általában nincs lehetőség többfajta elem használatára. A megoldás DC-DC átalakítók használata lehet, amelyek segítségével akár a telepfeszültségnél nagyobb feszültség is nyerhető. A kimenet általában szabályozott, amely nagyon előnyös, amikor a telepfeszültség a tárolt energia elvesztésekor csökkenni kezd.

A feszültség átalakítók általános áttekintése

A telepfeszültségtől eltérő feszültségeket többféle módon állíthatjuk elő, például ellenállás alapú feszültségosztóval, vagy lineáris feszültségszabályzók használatával, de ezen megoldások csak a telep feszültségénél kisebb értékek előállítására alkalmasak, és a hatásfokuk is alacsony, mivel – amennyiben a feszültségesés magas és az áramerősség nagy – a felesleges energia hő formájában disszipálódik. Sokkal kifizetődőbb a kapcsolóüzemű DC/DC átalakítók használata, amelyek az energiát ideiglenesen mágneses vagy elektromos térben tárolva, és azt a megfelelő időben felszabadítva, a kimeneten a bemenettől eltérő feszültséget állítanak elő. A hatásfok jelentősen nagyobb, ami a telep élettartamának növekedéséhez vezet.

1. ábra  Buck konverter működése

Step Down/Buck átalakítók

A bemeneti feszültségnél (V_in) a kimeneten alacsonyabb feszültséget (V_out) előállító DC/DC konvertereket „step-down”, vagy „buck” konvertereknek nevezi a szakirodalom. A működési elvük az 1. ábrán látható ideális áramkör segítségével értelmezhető. Az áramköri képen látható kapcsoló reprezentálja azt az alkatrészt, ami a telep folyamatos le- és visszakapcsolásáról gondoskodik, és ami valójában egy MOSFET vagy egy IGBT. Az induktivitás az energia tárolására szolgál, a telep bekapcsolása utáni tranziens a mágneses mező felépülése folytán feszültségesést indukál, amely a terhelésre jutó feszültséget csökkenti. Ha a kapcsoló a tér felépülésének befejeződése előtt újra kinyit, a kimenetre jutó feszültség folyamatosan a telep feszültsége alatt marad. Ebben a pillanatban a flyback dióda kinyit, újra zárt áramkör jön létre, és az induktivitás mágneses terében tárolt energia újra elektromos energiává alakul, és áramot hajt át a terhelésen. Addig, amíg a kikapcsolt állapot rövidebb, mint a tekercs mágneses mezejének leépülési ideje, a terhelésen az induktivitás folyamatos áramot hajt át, a kimeneti feszültség átlagértéke pedig a bemeneti feszültség értéke alatt marad. A párhuzamosan kapcsolt kondenzátor a kapcsolgatás miatti folyamatos ingadozás keltette ripple feszültség simítására szolgál. Amennyiben működés közben az induktivitás árama sohasem csökken nullára, folyamatos működési módról beszélünk. Amennyiben a tekercsben tárolt energia nem elegendő a kikapcsolási fázis teljes hossza alatt az áram fenntartásához, az időnként nullára csökken, szakaszos üzemben működik a DC/DC konverter. A különbségek a 2. és 3. ábrán láthatók.

2. ábra  Folyamatos működés

3. ábra  Szakaszos üzem

Szinkron DC/DC konverterek

A buck konvertereknek létezik egy a hagyományos áramköri elrendezésből származtatott továbbfejlesztett változata is, ahol a flyback diódát egy a felső kapcsoló működésével ellentétes fázisú kiegészítő vezérléssel ellátott második kapcsolóeszköz (alsó kapcsoló) helyettesíti. Ez az eszköz is a valóságban egy MOSFET vagy IGBT eszköz, amelynek R_DSON értéke a flyback diódáénál nagyságrenddel kisebb, így az eredetileg a diódán eső feszültség miatti veszteségek minimalizálhatók. Természetesen mindkét esetben a veszteség az aktív ciklusidő (duty cycle) hosszával arányos. Másik előnye ennek az elrendezésnek az eszköz bidirekcionális volta. Azonban az előnyöknek ára van, a jobb jellemzők drágább áramköri megoldásokkal párosulnak.
A New Japan Radio NJW4177 kapcsolóüzemű feszültségszabályzó IC-je egy ilyen szinkron „buck” DC/DC konverterhez használható. A beépített 40 V/2 A MOSFET széles bemeneti feszültségtartományon (3,6 V…40 V) való működtetést tesz lehetővé. 300 kHz vagy 450 kHz kapcsolási frekvenciájú változatok kaphatóak. (4. ábra)
A beépített fáziskiegyenlítő áramkör és a soft-start funkció lehetővé teszi a külső alkatrészek számának minimalizálását.
Az áramszabályzásos működési mód miatt a kis ESR értékű MLCC kondenzátorok is használhatóak, így jelentősen csökkenthető a tápegységhez szükséges hely a nyomtatott áramkörön.

4. ábra

Kis terhelések esetén a szokásos impulzusszélesség-modulációs elven működő feszültségszabályzók hatásfoka erősen csökken, ami főleg elemes táplálás esetén jelent gondot, mert a telep gyorsabb lemerüléséhez vezet. Az NJW4177 ilyen esetben PFM (impulzusfrekvencia-modulációs) módban is használható, amely a FET kapcsolási veszteségeinek csökkenésén keresztül pozitívan hat a hatásfokra. Alkalmazása elsősorban a gyors tranziens választ igénylő tápellátású mikroprocesszor vagy digitális hangprocesszor-áramkörök területén indokolt, de az autóelektronikai kiegészítők, valamint akkumulátoros készülékek tápellátása is biztosítható vele, ahol fontos a kis szivárgási áram eléréséhez szükséges engedélyező bemenet megléte és az alvó módban minimális standby áram (<5 μA).

5. ábra

Egy másik termék a NJW4152 buck konverter 40 V/600 mA vagy 40 V/1 A MOSFET-tel, amelyet 4,6 V…40 V bemeneti feszültségtartomány jellemez. Az induktivitás áramát érzékelve a kimeneti feszültség kerül visszacsatolásra (current mode control). A kapcsolási frekvencia 300 kHz és 1 MHz között választható, nagyobb kapcsolási frekvencia esetén kisebb méretű tekercs is elegendő. A kimeneti feszültség (V_out) 0,8 V és a bemeneti feszültség (V_in – 1 V) közötti értékek közé állítható. Alkalmazási területe elsősorban autóelektronikai kiegészítők, irodaautomatizálási készülékek és ipari szerszámok tápellátása. (5. ábra)

6. ábra  Boost konverter működése

Step Up/Boost konverterek

Azokat a DC/DC konvertereket, amelyeknek a kimeneti feszültsége a bemeneti feszültségük felett van, „step–up”, vagy „boost” konvertereknek nevezzük. Az ideális kapcsolásuk és a működési alapelvük a 6. ábrán tekinthető át.

7. ábra

8. ábra

Amikor a kapcsoló bekapcsolt állapotban van, az induktivitás elkezd töltődni, mágneses tere felépül, miközben a terhelésre jutó feszültség nulla. A kapcsoló kikapcsolásakor a tekercsben tárolt mágneses energia ismét elektromos energiává alakul és a telep mellett másodlagos feszültségforrásként táplálja az áramkört, a diódán keresztül a telep feszültségénél nagyobb feszültséggel kezdik el táplálni a terhelést és tölteni a kimeneti kondenzátort. Amikor a kapcsoló ismét kikapcsol, a kondenzátor elkezd kisülni. Ha a kapcsolgatás elég gyors ahhoz, hogy a kondenzátor ne süljön teljesen ki a következő ciklus előtt, akkor a terhelésre jutó feszültség értéke mindig a bemeneti feszültség felett marad.
Az egyik népszerű boost konverter a New Japan Radio NJW4140 IC-je, amely N csatornás beépített MOSFET-jével nagy áramú alkalmazásokban használható, széles 3,0 V…40 V bemeneti feszültségtartománnyal rendelkezik, és néhány külső áramköri elem felhasználásával kiváló megoldás lehet boost/flyback konverterként autókiegészítők, irodai eszközök tápellátására, valamit LED vezérlésére is. Beépített túláram és túlmelegedés elleni védelemmel van ellátva. (7. és 8. ábra)

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1191 Budapest, Corvin krt. 7-13.
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail : Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.endrich.com

Még több Endrich