magyar elektronika

Hírlevél

Tájékozódjon legfrissebb cikkeinkről, híreinkről!

Valós email cím megadása kötelező

Invalid Input

Invalid Input

Arrow lidEz a cikk azzal foglalkozik, hogy a nem szigetelt DC/DC Buck-konverter esetében miért szembesül a tervező komoly kihívásokkal a magas bemeneti feszültségek nagyon alacsony kimeneti feszültségre történő konvertálásával nagy kimeneti áram mellett. Három különböző megközelítés kerül bemutatásra.

 

 

A rendszertervezőknek szembe kell nézniük azzal a nehéz feladattal, hogy a nagy értékű bemeneti feszültségeket nagy kimeneti áram mellett (például 60 V-ról 3,3 V-ra 3,5 A-nél) nagyon alacsony kimeneti feszültségekre kell átalakítaniuk, miközben meg kell őrizniük a nagy hatékonyságot, a kis alaktényezőt és az egyszerű kialakítást. A nagy bemeneti-kimeneti feszültségkülönbség és a nagy áram kombinálása automatikusan kizárja a lineáris szabályozót a túlzott teljesítményleadás miatt. Következésképpen a tervezőnek ilyen körülmények között kapcsoló topológiát kell választania. Azonban még ilyen topológiák esetén is kihívást jelent olyan kialakítás megvalósítása, amely kellően kompakt a helyszűkös alkalmazásokhoz.

 

A DC-DC Buck-konverterek kihívásai

A nagymértékű feszültségkonverzió egyik jelöltje a Buck-konverter, mivel ez a legmegfelelőbb topológiaválasztás, amikor egy bemeneti feszültséget kell hatékonyan, jelentős mennyiségű áram és kis alapterület mellett alacsonyabb kimeneti feszültségre (például VIN = 12 V-ról VOUT = 3,3 V-ra) átalakítani. Vannak azonban olyan körülmények, amelyek között a Buck-konverter komoly nehézségekkel néz szembe a kimeneti feszültség szabályozottságának fenntartása érdekében. Ezen problémák megértéséhez nem szabad elfelejtenünk, hogy a folyamatos vezetési módban (CCM) működő Buck-konverter egyszerűsített munkaciklusa (D) a következő:

 

404995 eq 01

 

A munkaciklus a következőképpen függ a kapcsolási frekvenciától (fSW), ahol a bekapcsolási idő (tON) az az időtartam, amely alatt a vezérlő FET minden egyes kapcsolási periódus (T) alatt bekapcsolva marad:

 

404995 eq 02

 

Az 1. és a 2. egyenlet összevetése megmutatja, hogy a bekapcsolási időt (tON) hogyan befolyásolja a konverziós feszültség aránya és a kapcsolási frekvencia (fSW):

 

404995 eq 03 

 

A 3. egyenlet azt mutatja, hogy a bekapcsolási idő csökken, amikor a bemeneti és kimeneti feszültség aránya (VIN/VOUT) és/vagy a kapcsolási frekvencia (fSW) nő. Ez azt jelenti, hogy a Buck-átalakítónak nagyon alacsony bekapcsolási idővel kell tudnia működni a folyamatos vezetési módú kimeneti feszültség szabályozásához nagy VIN/VOUT arány mellett, és ez még nagyobb kihívást jelent nagy kapcsolási frekvencia (fSW) esetén.
Tekintsünk meg egy alkalmazást VIN(MAX) = 60 V, VOUT = 3,3 V, IOUT(MAX) = 3,5 A. Az LT8641 adatlapjából származó értékeket fogjuk használni, mivel az LT8641-gyel való megoldást egy későbbi szakaszban fogjuk bemutatni. A szükséges minimális bekapcsolási idő (tON(MIN)) megfelel a legnagyobb bemeneti feszültségnek (VIN(MAX)). Ennek a tON(MIN)-nek a meghatározásához ajánlatos a 3. egyenletet pontosabbá tenni. A VSW(BOT) és VSW(TOP) értékeket, a Buck-konverter két teljesítmény-MOSFET-jének feszültségeséseivel, valamint a VIN VIN(MAX)-szal való helyettesítésével megkapjuk:

 

404995 eq 04

 

A 4. egyenletet alkalmazva VIN(MAX), fSW = 1 MHz mellett, 61 ns tON(MIN) értéket kapunk. A VSW(BOT) és VSW(TOP) esetében az LT8641 adatlapján az RDS(ON)(BOT) és RDS(ON)(TOP) számára megadott értékeket használtuk, tudva azt is, hogy

VSW(BOT) = RDS(ON)(BOT) × IOUT(MAX)
és VSW(TOP) = RDS(ON)(TOP) × IOUT(MAX).

A Buck-konverterek ritkán tudják garantálni a tON(MIN) értékét a fentiekben kapott 61 ns rövid értékkel, ezért a rendszertervező kénytelen alternatív topológiákat keresni. A nagy bemeneti-kimeneti feszültségkülönbségek esetén három lehetséges megoldás létezik.

 

A három kompakt megoldás
VIN(MAX) = 60 V, VOUT = 3,3 V és IOUT(MAX) = 3,5 A esetén

 

1. megoldás: Az LT3748 „nem opto” Flyback alkalmazása

Az első lehetőség egy izolált topológia használata, ahol a transzformátor végzi a lefelé konverzió nagy részét az N:1 menetszámaránynak köszönhetően. Ehhez az Analog Devices olyan flyback-vezérlőket kínál, mint az LT3748, amelyek nem igényelnek harmadik transzformátortekercselést vagy optoizolátort, ami egyszerűbbé és kompaktabbá teszi a tervezést. A mi körülményeinkre vonatkozó LT3748-as megoldás az 1. ábrán látható.

 

404995 fig 01

1. ábra Egy áramköri megoldás az LT3748-cal, amely a 60 V-os bemenetet 3,3 V-os kimenetre alakítja

 


Bár az LT3748-as megoldás egyszerűsíti a tervezést, és helyet takarít meg a szabványos flyback-kialakításhoz képest, továbbra is szükség van transzformátorra. Az olyan alkalmazásoknál, ahol nincs szükség a bemeneti és kimeneti oldal közötti szigetelésre, előnyösebb elkerülni ezt az alkatrészt, amely növeli a bonyolultságot és növeli az alaktényezőt a nem szigetelt megoldással szemben.

 

2. megoldás: Az LTM8073 és LTM4624 µModul-eszközök használata

Alternatív megoldásként a tervező két lépésben is lekonvertálhat. A mindössze 10-re csökkentett alkatrészszám eléréséhez két µModule®-eszköz és nyolc külső alkatrész használható, amint azt a 2. ábra mutatja. Ráadásul a két µModule®-eszköz már integrálja a megfelelő teljesítményinduktivitást, megkímélve a rendszertervezőt egy ritkán egyszerű tervezési feladattól. Az LTM8073 és az LTM4624 egyaránt BGA-tokozásban készül, amelyek mérete 9 mm × 6,25 mm × 3,32 mm, illetve 6,25 mm × 6,25 mm × 5,01 mm (hosszúság × szélesség × magasság), így kis helyigényű megoldást kínálnak.

 

404995 fig 02

2. ábra Az LTM8073 és az LTM4624 áramköri megoldása, amely a 60 V-os bemenetet 3,3 V-os kimenetre kon­vertálja

 


Mivel az LTM4624 ilyen körülmények között 89%-os hatásfokot mutat, az LTM8073 legfeljebb 1,1 A-t szolgáltat az LTM4624 bemenetére. Tekintettel arra, hogy az LTM8073 akár 3 A kimeneti áramot is képes biztosítani, más áramköri sínek ellátására is használható. Ezt a célt szem előtt tartva választottuk a 2. ábrán a 12 V-ot, mint közvetítő feszültséget (VINT).
A transzformátor használatának elkerülése ellenére egyes tervezők vonakodhatnak egy olyan megoldás megvalósításától, amely két külön Buck-átalakítót igényel, különösen akkor, ha nincs szükség közbenső feszültségre más sávok ellátásához.

 

3. megoldás: Az LT8641 Buck-konverter használata

Következésképpen sok esetben egyetlen Buck-átalakító használata lenne előnyös, mivel ez az optimális megoldás a rendszer hatékonyságának, a kis helyigénynek és a tervezés egyszerűségének ötvözésére. De nem azt mutattuk-e be az imént, hogy a Buck-átalakítók nem tudnak megbirkózni a magas VIN/VOUT és a magas fSW kombinációjával?
Ez az állítás a legtöbb Buck-konverterre igaz lehet, de nem mindegyikre. Az ADI portfóliójában olyan konverterek találhatók, mint az LT8641, amely a teljes üzemi hőmérséklet-tartományban nagyon rövid, 35 ns tipikus (max. 50 ns) minimális bekapcsolási idővel van specifikálva. Ezek a specifikációk biztonságosan a korábban kiszámított 61 ns-os előírt minimális bekapcsolási idő alatt vannak, így egy harmadik lehetséges kompakt megoldást kínálnak számunkra. A 3. ábra mutatja, hogy milyen egyszerű lehet az LT8641 áramkör.
Érdemes azt is megjegyezni, hogy az LT8641-es megoldás lehet a leghatékonyabb a három közül. Sőt, ha a hatékonyságot a 3. ábrához képest tovább kell optimalizálni, akkor csökkenthetjük az fSW értékét és nagyobb induktivitásméretet választhatunk.
Bár az fSW a 2. megoldással is csökkenthető, a teljesítmény­induktivitások integrálása nem nyújt rugalmasságot a hatékonyság egy bizonyos ponton túli növeléséhez. Ráadásul a két egymást követő lefelé konverziós fokozat alkalmazása kismértékben negatívan befolyásolja a hatékonyságot.

Az 1. megoldás esetében a hatásfok nagyon magas lesz egy flyback-kialakítás esetén, köszönhetően a határfelületi üzemmódban való működésnek és az optikai visszacsatolás nélküli kialakítással eltávolított összes alkatrésznek. A hatékonyság azonban nem optimalizálható teljes mértékben, mivel korlátozott számú transzformátor közül lehet választani, szemben a 3. megoldás esetében rendelkezésre álló induktivitások széles választékával.

 

404995 fig 03

3. ábra Az LT8641 áramköri megoldása, amely a 60 V-os bemenetet 3,3 V-os kimenetre alakítja át

 

 

Egy alternatív mód annak ellenőrzésére,
hogy az LT8641 teljesíti-e a követelményeket

A legtöbb alkalmazásban a 4. egyenlet egyetlen állítható paramétere a kapcsolási frekvencia. Következésképpen a 4. egyenletet úgy fogalmazzuk át, hogy adott feltételek mellett értékeljük az LT8641 számára megengedett maximális kapcsolási frekvencia (fSW) értékét. Ezzel megkapjuk az 5. egyenletet, amelyet szintén az LT8641 adatlapjának 16. oldalán találunk.

 

404995 eq 05

 

Nézzük ezt az egyenletet a következő példával: VIN = 48 V, VOUT = 3,3 V, IOUT(MAX) = 1,5 A, fSW = 2 MHz. A 48 V-os bemeneti feszültség általában megtalálható az autóipari és ipari alkalmazásokban. Ha ezeket a feltételeket beillesztjük az 5. egyenletbe, megkapjuk:

 

404995 eq 06

 

Ezért a megadott alkalmazási feltételek mellett az LT8641 biztonságosan működne akár 2,12 MHz-es kapcsolási frekvencia (fSW) értékkel is, ami megerősíti, hogy az LT8641 jó választás ehhez az alkalmazáshoz.

 

Következtetés

Három különböző módszert mutattunk be a kompakt kialakítás eléréséhez nagy különbségű feszültségarányok melletti megoldásra. Az LT3748 flyback megoldása nem igényel terjedelmes opto-izolátort, és olyan tervezésekhez ajánlott, ahol a bemeneti és kimeneti oldal között szigetelésre van szükség. A második módszer, amely az LTM8073 és az LTM4624 µModule®-eszközök megvalósítását jelenti, különösen akkor érdekes, ha a tervező bizonytalan az alkalmazáshoz optimális induktivitás kiválasztásában és/vagy ha egy további köztes sínt kell ellátni. A harmadik módszer, az LT8641 Buck-konverteren alapuló kialakítás a legkompaktabb és legegyszerűbb megoldást kínálja, amikor az egyetlen követelmény a nagy bemeneti-kimeneti feszültségkülönbségekre való átalakítás.

 

Szerző: Olivier Guillemant – alkalmazástechnikai mérnök, Analog Devices

 

 

A szerzőről

Olivier Guillemant az Analog Devices alkalmazástechnikai mérnöke Münchenben. Ő nyújt tervezési támogatást a Power by Linear portfólióhoz az európai piaci ügyfelek számára. 2000 óta különböző teljesítményalkalmazási pozíciókat töltött be, és 2021-ben csatlakozott az ADI-hoz. A franciaországi Lille-i Egyetemen szerzett diplomát elektronikából és távközlésből.
Az olivier.guillemant@analog.com címen érhető el.

 

 

 

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

 

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer

E-mail: tbihari@arroweurope.com
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com