A teljesítményelektronika „hot” újdonságai

A 2018-as évben egy olyan 50. évfordulót ünnepeltünk, amelynek eseményei talán sokkal kevesebb figyelmet kaptak, mint az 1968-ban történtek, ám mégis a digitális elektronika jelentős mérföldkövének kell tekintenünk. Az RCA ekkor mutatta be az első CMOS integrált áramkört, amelynek technológiája mintegy öt évvel azelőtt merült fel a Fairchild berkein belül.

A CMOS annak ígéretével kecsegtetett, hogy eszközkapcsolás hiányában „közel nulla” a statikus energiafelvétele, és (energiagazdálkodás tekintetében) fontos előrelépést jelentett elődeihez, a nagy energiaigényű (vagyis „hot”) N-MOS és P-MOS rendszerekhez képest.
Az eltelt öt évtized az energiagazdálkodás terén arról szólt, hogyan végezhetünk el egyre több számítást és jelfeldolgozást mind nagyobb hatékonysággal – miközben az elektronikus és informatikai rendszerektől megkövetelt szolgáltatások léptéke is exponenciálisan növekedett. Becslések szerint napjainkban csak az internetes hálózat üzemeltetése a bolygónkon termelt összes elektromos energia több százalékpontnyi részét emészti fel. Mielőtt használatba vehetnénk, ezt a rengeteg energiát kezelni kell: irányítani, átalakítani, szabályozni és szűrni – márpedig korunk elektronikai eszközei bizony nem egyszerű ügyfelek. 1968-ban kevés mérnök látta bele a processzorok jövőjét lényegében ugyanabba a 0,9 volt ±2 százalék feszültségigényű, több 10 amperes CMOS áramkörbe, márpedig ez a konkrét kihívás csak az egyike azoknak, amelyekkel az energiaellátással foglalkozó szakembereknek szembe kell nézniük. Ma folyamatosan érkeznek az újabb és újabb energiamenedzsment- chipek, amelyek leegyszerűsítik a tervezők feladatát, sokszor ráadásul olyan online tervezőeszközökkel megerősítve, amelyekkel elsőre siker érhető el.

1. ábra  A TI hibrid hiszterézisvezérlését alkalmazó átalakítóban elért átmeneti válaszfüggvény: a terhelésmentes és a teljes terhelésű állapot közti átmenet során az átalakító a kimeneti feszültség maximális eltérését 1,25%-ra képes korlátozni, és a kimeneti feszültség 200 μs-on belül stabilizálódik

 
Bárhova tekintünk is a teljesítményskálán a milliwattos igényű hordható eszközöktől és energiahasznosító készülékektől a kilowattos szintet képviselő tápegységekig, a hatékonyság javítása mindenütt fontos téma. Az elektronikus fogyasztási cikkek tápegységeinek tervezői évek óta olyan tápellátási rendszereken dolgoznak, amelyek nemcsak a névleges teljesítmény leadásakor, hanem minden szinten, még készenléti állapotban is minimális veszteséggel működnek. A szabályozó előírások az 5. változatnál (az Európai Unió külső tápegységek energiahatékonyságára vonatkozó magatartási kódexe) és a VI. szinten (az USA energiaügyi minisztériuma) járnak, és mindkettő célul tűzi ki a milliónyi csatlakoztatva hagyott, de inaktív tápegység által fogyasztott úgynevezett „vámpírenergia” korlátozását.
Erre az igényre reagálva a Texas Instruments bejelentette, hogy újonnan bevezetett vezérlőchipjével „új minimumszintet fog elérni a készenléti energiafelvételben”. Az új generációs TI kontroller, az UCC256301 és az UCC256303 alapja egy új LLC-architektúra (induktivitás-induktivitás-kapacitás). A rezonáns vezérlőben egy olyan integrált nagyfeszültségű kapumeghajtó működik, amely a rendszerkimenet teljes szabályozását nem több mint 40 mW, illetve teljesítménytényező-javítás (PFC) esetén 75 mW készenléti teljesítménnyel végzi. A 301-es változat nagyfeszültségű indítást is lehetővé tesz. Azokban a termékekben, amelyek a legmagasabb szintű készenléti előírásoknak eddig csak különálló, alacsony szintű készenléti tápegységgel tudtak megfelelni, mostantól elegendő lesz egyetlen AC/DC-átalakító alkalmazása.
A TI hibrid hiszterézisvezérlés névre hallgató stratégiával működő LLC-je a mindig jobb hatékonyság keresése során kidolgozott innovatív architektúrák és kapcsolási módok hosszú sorának legújabb tagja. Ezeknek a vezérlőknek azonban nem csak a veszteségek alacsonyan tartásában kell kiemelkedő eredményt felmutatniuk. Az alacsony és magas teljesítményigény között gyorsan váltó terheléseknél gyors átmeneti válaszfüggvényű tápegységekre van szükség. A szabályozó tulajdonképpen egy nagy sávszélességű erősítő fix kimeneti szinttel, amit folyamatosan stabilan kell tartani. A megbízható működés annak köszönhető, hogy a rendkívül gyors átmeneti válaszfüggvény és az egyszerű kompenzáció olyan hibavédelmi képességekkel társul, mint a nulláram-kapcsolás elkerülése.
Az elmúlt hónapok egyik „hot” témáját adták a hordható készülékek: legyen szó orvosi vagy szórakoztató elektronikai eszközökről, nem szűnő igény, hogy a lehető legalacsonyabb teljesítményszinten és a lehető legkevesebb veszteséggel működjenek – és úgy tűnik, az energiamenedzsment
alkatrészek képesek megfelelni ezeknek a követelményeknek. Kiváló példa erre a Maxim Integrated MAX20303 típusú, magas szinten integrált és programozható eszköze, amely egészen apró, 3,71 mm × 4,21 mm méretben is számos funkciót kínál: energiafelhasználásra optimalizált különféle feszültségszabályozói közt több buck, boost, buck-boost átalakító és lineáris szabályozó is megtalálható. Az akár 220 mA leadására képes szabályozók jellemző nyugalmi árama 1 µA, így a mindig bekapcsolt eszközökben hosszabb akkumulátor-élettartam érhető el. A nem csak tápellátási funkciókat biztosító IC-ben emellett egy gyárilag programozható vezérlő is található, amely a különböző felhasználói interfészek figyelembevételével számos bemenet kezelésére képes. A rendszer része még három integrált nyelő típusú LED-vezérlő is, ami jelzőfényként vagy háttérvilágításként használható, egy automatikus rezonanciakövetésű meghajtó pedig a felhasználó érintési visszajelzéseit képes kezelni.
A hordható és hasonló készülékekkel kapcsolatban egyre népszerűbb a vezeték nélküli töltés is, hiszen a felhasználók nagyra értékelik a kábelmentes használat kényelmét. Az energiagazdálkodási szabványok életében nem először történik meg, hogy amint az alapelv alkalmazására a gyakorlatban is sor kerül, a névleges szintek is emelkednek. A Wireless Power Consortium (WPC) is kiadta Qi szabványának Extended Power változatát, amelyben a teljesítményszintet 5-ről 15 W-ra emelték. A lépést az ST Microelectronics is követi STWBC-EP típusú legújabb, vezeték nélküli töltést lehetővé tévő chipjével, amelyben megtalálhatók a szükséges idegentest-észlelési és biztonsági funkciók – a lehető legalacsonyabb készenléti teljesítményfelvétel mellett. A rendszer része egy step-up DC/DC-átalakító és egy vezérlő, amelyben már gyárilag telepítve vannak azok a Qi töltőalgoritmusok, amelyek a töltés adóantennáját meghajtó külső félhidas teljesítményfokozat bemeneti és vezérlőjeleit generálják.
A tesztkészlet egy 15 W-os Qi MPA10 referenciakialakítást, egy 12 V-os, 2 A-es AC/DC-adaptert, egy USB/UART dongle-eszközt PC-hez való csatlakozáshoz és egy USB-kábelt mutat be, valamint az előre betöltött firmware-t. A külső teljesítményprofilt nem igénylő alkalmazásokhoz a sima STWBC használható. (2. ábra)

2. ábra  Az STMicroelectronics STWBC vezeték nélküli teljesítményátadó chipjének tesztkészlete teljes körű 5 W-os töltőrendszerrel (a hozzá tartozó vevő az STWLC), amelyből a Qi-kompatibilis mobiltelefonokkal teljeskörűen együttműködő 5 W-os, Qi 1.1.2 A11-nek megfelelő rendszer készíthető

 
A fogyasztási cikkek körében, de számos más területen is egyre elterjedtebbé válik az USB-C szabvány alkalmazása is – mivel magasabb szintű energiaátadást és egypontos csatlakozást biztosít – a piacon megjelentek az akkumulátortöltő chipek. Erre mutat példát az Intersil ISL95338 típusú buck-boost feszültségszabályozójával, amely a megfordítható C típusú csatlakozóval felszerelt összes mobileszközben használható, és két átalakító kiváltásával kétirányú USB PD3.0 feszültségszabályozást biztosít. (3. ábra)
Tápellátását egyenáramú forrásokból, például AC/DC-adapterből, USB PD3.0 portról, hordozható tápadapterből vagy energiatároló modulból kapja, és akár 24 V szabályozott feszültség leadására képes. Az alkatrész a tápadapter-bemenetére érkező többféle egyenáramú forrásból szabályozott 20 V-os feszültséget is képes előállítani. A buck, boost és buck-boost üzemmódban is használható eszközben az Intersil által R3 modulációnak keresztelt technológia működik, amely ötvözi a fix frekvenciájú és a hiszterézisalapú impulzusszélesség-modulációt (PWM), így (a korábban említettekhez hasonlóan) nagyon gyors átmeneti válaszfüggvénnyel alacsony energiaszinteken is hatékony működést biztosít. A kialakított rendszerek az USB PD3.0 szabványnak megfelelve a kétirányú, 5 V és 20 V közti feszültségű buck, boost vagy buck-boost üzemmódban lehetővé tehetik a programozható tápegység- (PPS) üzemű gyorstöltést.

3. ábra  Az Intersil itt látható tesztpanelje azt mutatja be, hogyan alkalmazhatók az ISL95338 chip buck-boost feszültségszabályozási képességei az USB-C tápellátási funkciójának biztosításában

 
A lehető legalacsonyabb készenléti áram az autóiparban is folyamatosan fontos igényként jelenik meg. Az autókban egyre több elektronikus alrendszer kap szerepet, és a „lekapcsolt gyújtásnál” fellépő teljes áramfelvételt olyan alacsony szinten kell tartani, amivel garantálható, hogy a jármű akkumulátora hosszabb időtartam alatt sem merül le. Az On Semiconductor termékei közül jó példa erre a 2017-ben bemutatott NCV898032 autóipari feszültségnövelő vezérlő, amely egy külső n-csatornás MOSFET-et meghajtva biztosít tápellátást a jármű számos fogyasztója – például a világítás – számára. A kikapcsolt állapotban fellépő alacsony akkumulátorhasználat iránti igényt jóval 10 µA alatti nyugalmi áramfelvételével elégíti ki. A csúcsáram-módú vezérlést belső meredekségkompenzációval végző chipben egy belső szabályozó működik, ami töltést biztosít a kapumeghajtó számára. Bemenetként 3,2 V és 40 V közti feszültséget képes fogadni, és 45 V-os feszültségcsúcsokat is elvisel.
A stabil működés érdekében egyszerű kompenzációs tulajdonságokkal rendelkező vezérlőben számos beépített védelmi funkció is megtalálható. A feszültségszabályozás terén azonban nem csak a kapcsolók tarthatnak számot nagy érdeklődésre: számos olyan rendszer van, amelyben csak lineáris szabályozók jöhetnek szóba, gyakran a nagyon alacsony zajszint miatt. Jellemzően ilyen környezet a precíziós analóg-digitális átalakítók vagy a kis torzítású RF-erősítők tápellátása, ahol a tápegység zaja nem megengedhető.
Kifejezetten ennek az igénynek a kielégítésére született meg a tervezők által számos területen alkalmazható, igen sokoldalú Texas Instruments TPS7A39. A 150 mA-es szabályozó fő jellemzője, hogy pozitív és negatív sínt is biztosít a D/A-átalakítók mindkét oldalán szimmetrikus – vagy aszimmetrikus – tápellátást igénylő összetevők és alrendszerek vagy például műveleti/műszererősítők számára. A pozitív és negatív sín külön állítható, és bekapcsoláskor konstans arányban követik egymást, de egytápú erősítők esetén a negatív sín 0 V-ra is beállítható. A kapcsolási (és egyéb) zajokat a lineáris áramkörön kívül tartva a szabályozó 2 MHz-ig 50 dB-nél, 120 Hz-en pedig 69 dB-nél is jobb tápellátás-elutasítási arányt (PSRR) biztosít.

4. ábra  A Microchip PAC1934 teljesítménymonitorozó IC-je a szoftverek energiaigényének nem kevesebb mint 99%-os pontosságú mérését teszi lehetővé Windows 10 rendszerű eszközökben, például laptopokban, táblagépekben és mobiltelefonokban

 
A műszaki rendszerek egyik alapelve, hogy ha egy paramétert szabályozni akarunk, először is meg kell mérnünk. Ezt az alapelvet ülteti át a laptopok és notebookok gyakorlatába a Microchip legújabb fejlesztése, amelynek célja kifejezetten a Windows 10 operációs rendszert használó termékek mérési pontosságának optimalizálása.
A processzoralapú rendszerek energiafogyasztásának rendkívül pontos felügyeletét eddig korlátozta az áramfelvétel gyorsan változó jellege, ami mögött a rutinok és alkalmazások állandó ki- és bekapcsolásai, valamint perifériahívásai állnak. Az operációs rendszerrel való szoros integráció révén részletesebb képet kaphatunk arról, mikor jelennek meg a „tüskék”, és lehetővé válik a töltésáramlás precízebb nyomon követése, ezen keresztül pedig az akkumulátorkapacitás hatékonyabb használata.
A Microchip PAC1934 IC-je a Windows 10 rendszerbe beépített Energy Estimation Engine (energiabecslő motor, E3) szolgáltatással kompatibilis illesztőprogramjának köszönhetően 99 százalék pontosságú méréseket biztosít minden olyan Windows 10 rendszerű eszköz esetén, amely akkumulátorról üzemel. (4. ábra)
A Microchip PAC1934 IC-jét és Windows 10-illesztőprogramját a Microsoft E3 szolgáltatásával ötvözve az egyes szoftveralkalmazások akkumulátorhasználatának mérése akár 29 százalékkal is javítható.
A chip a feszültségsíneket már 0 V-tól kezdődően akár 32 V-ig képes mérni. Ez a képessége teszi alkalmassá arra, hogy a központi feldolgozóegység (CPU) egyszerű feladataitól kezdve akár a C típusú USB-porton keresztül csatlakozó eszközökön futó szoftverekig minden folyamatról pontos energiafogyasztási méréseket biztosítson. A kétirányú mérés lehetősége a megjelenő C típusú USB-s töltési topológiákban fog szerepet kapni. A vállalat a Linux operációs rendszer támogatását is tervezi.
A fenti rövid válogatás épp csak a felszínét érinti azoknak a teljesítményelektronikai témáknak, amelyek a tervezők előtt új horizontokat nyitnak – a magasabb feszültségű rendszereket vagy a szilícium-karbidra és gallium-nitridre épülő teljesítményeszközöket nem is érintettük, nem is beszélve arról a számos gyorsan fejlődő kutatási ágról, ami még mind a „teljesítményelektronika” területéhez tartozik.
A Farnell element14 kínálatában a fentiekben említett és az ezen a területen tevékenykedő egyéb gyártók alkatrészei is megtalálhatók, a problémamentes tervezési folyamatot elősegítő támogatással együtt.

Szerző: Simon Meadmore – a Premier Farnell félvezető-ágazatának nemzetközi igazgatója

Farnell element14

Ingyenesen hívható telefonszám: 06 80 016 413

Műszaki támogatás: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

http://hu.farnell.com

www.element14.com