magyar elektronika

Hírlevél

Tájékozódjon legfrissebb cikkeinkről, híreinkről!

Valós email cím megadása kötelező

Invalid Input

Invalid Input

Digi lidGyárautomatizáláshoz,
5G-hez és IoT-hez

Az egyenáramú feszültségcsökkentő átalakítókat elterjedten használják számos elektronikus rendszerben, például 5G bázisállomásokban, gyárautomatizálási (FA) berendezésekben és a dolgok internetének (IoT) eszközeiben a túl nagy feszültségek hatékony csökkentésére és átalakítására. Például egy akkumulátor, illetve egy áramelosztó sín 12 V vagy 48 V egyenfeszültségét (VDC) gyakran kell alacsonyabb feszültségre átalakítani a digitális IC-k, analóg érzékelők, rádiófrekvenciás (RF) egységek és illesztőeszközök táplálásához.

 

Bár a tervezők létrehozhatnak feszültségcsökkentő átalakítókat diszkrét alkatrészekből is, és optimalizálhatják azokat az adott készülékhez a teljesítményjellemzőket és a nyomtatott áramköri lap elrendezését tekintve, de ez a megoldás számos kihívást jelent. Ezek közé tartozik a megfelelő teljesítmény-MOSFET kiválasztása, a visszacsatoló és a vezérlőhálózat kialakítása, a tekercsek megtervezése, valamint az aszinkron és a szinkron elrendezés közötti választás. Az eszköznek többféle védelmi funkciót is tartalmaznia kell, a lehető legnagyobb hatásfokúnak és mindezek mellett kis méretűnek is kell lennie. Ugyanakkor a tervezőket a piac a tervezési idő lerövidítésére és a költségek csökkentésére kényszeríti, ami azt eredményezi, hogy megfelelőbb teljesítményátalakító alternatívákat kell találniuk.
A diszkrét alkatrészek helyett a tervezők használhatnak tápegység-IC-ket, amelyek MOSFET-eket kombinálnak a szükséges, már a jó hatásfokú feszültségcsökkentő átalakítókhoz optimalizált visszacsatoló és vezérlőáramkörökkel.
Ez a cikk áttekinti, hogy milyen teljesítménybeli kompromisszumokat kell kötni az aszinkron és a szinkron feszültségcsökkentő egyenáram-átalakítók esetén, valamint azt, hogy ezek az átalakítók hogyan illeszkednek az egyes készülékek igényeihez. Bemutat egy ROHM Semiconductor gyártmányú aszinkron feszültség­csökkentő IC-t és egy szinkron feszültségcsökkentő átalakító-IC-t, valamint ismerteti a megvalósítás szempontjait, beleértve a kimeneti tekercs és kondenzátor kiválasztását, valamint a nyomtatott áramköri lap elrendezését is. A fejlesztőkártyákról is szó esik, hogy segítsünk a tervezőknek a munka elkezdésében.

 

Miért érdemes feszültségcsökkentő átalakítót használni?

A csak néhány amper áramot igénylő alkalmazásokban a feszültségcsökkentő átalakító jobb hatásfokú megoldást jelent a lineáris szabályozókhoz képest. Egy lineáris szabályozó hatásfoka kb. 60%, míg egy aszinkron feszültségcsökkentő átalakító hatásfoka akár 85%-nál magasabb is lehet.
Egy alapszintű aszinkron feszültségcsökkentő átalakító egy kapcsolóüzemű MOSFET-ből, egy Schottky-diódából, egy kondenzátorból, egy tekercsből és egy a MOSFET nyitását és zárását vezérlő (nem látható) vezérlőáramkörből áll (1. ábra). A feszültségcsökkentő átalakító a bemeneti egyenfeszültséget (VIN) pulzáló váltakozó feszültséggé alakítja, amelyet a dióda egyenirányít, majd ezt az egyenirányított feszültséget a tekercs és a kondenzátor szűri, hogy szabályozott kimeneti egyenfeszültséget (VO) állítson elő. Ez az elrendezés onnan kapta a nevét, hogy a tekercsen létrejövő feszültség a bemeneti feszültséggel ellentétes irányú, ezért csökkenti azt.

 

Figure 1

1. ábra Aszinkron feszültségcsökkentő átalakító kapcsolási rajza a MOSFET-et vezérlő vezérlő-áramkör nélkül (Kép: ROHM Semiconductor)

 


A vezérlőáramkör érzékeli a kimeneti feszültséget, és rendszeres időközönként nyitja, illetve zárja a MOSFET-et, hogy a kimeneti feszültséget a kívánt értéken tartsa. Ahogy a terhelés változik, a vezérlőáramkör úgy változtatja a MOSFET nyitott állapotának időtartamát, hogy a kimeneti feszültség állandó értéken tartásához (szabályozásához) szükséges több vagy kevesebb áramot tudjon juttatni a kimenetre. A MOSFET egy teljes nyitási-zárási ciklus alatti nyitott állapotának százalékos arányát nevezzük munkaciklusnak. Ennélfogva a hosszabb munkaciklusok nagyobb terhelőáramokat tesznek lehetővé.

 

Szinkron feszültségcsökkentő átalakítók

Azokon a felhasználási területeken, ahol az aszinkron feszültségcsökkentő átalakítóval elérhető hatásfoknál nagyobbra van szükség, a tervezők használhatnak szinkron feszültségcsökkentő átalakítókat, amelyekben a Schottky-diódát szinkronizált MOSFET-es egyenirányítással helyettesítik (2. ábra). A szinkronizált MOSFET (S2) nyitóirányú ellenállása lényegesen kisebb, mint a Schottky-diódáé, ami kisebb veszteségeket és jobb hatásfokot eredményez, de magasabb költséggel jár.

 

Figure 2

2. ábra A szinkron feszültség­csökkentő átalakító kapcsolási rajzán látható, hogy
a Schottky-dióda egy szinkronizált egyenirányító MOSFET-re (S2) lett lecserélve (Kép: ROHM Semiconductor)

 


Az egyik kihívást az jelenti, hogy most már két MOSFET van, amelyeket összehangoltan kell nyitni és zárni. Ha mindkét MOSFET egyszerre van nyitva, akkor rövidzár keletkezik, amely a bemeneti feszültséget közvetlenül a testre kapcsolja, ami károsítja vagy tönkreteszi az átalakítót. Ennek megakadályozása növeli a vezérlőáramkör bonyolultságát, ami az aszinkron eszközéhez képest tovább növeli a költségeket és a tervezési időt.
Ennek a szinkron feszültségcsökkentő átalakítóban lévő vezérlőáramkörnek van valamekkora holtideje a kapcsolási átmenetek között, amikor egy nagyon rövid ideig mindkét kapcsolóüzemű MOSFET zárva van. Ennek célja, hogy megakadályozza az egyidejű vezetést (mindkét MOSFET egyidejű nyitott állapotát). A tervezők szerencséjére kaphatók olyan tápegység-IC-k, amelyek a feszültségcsökkentő átalakítók előállításához szükséges teljesítmény-MOSFET-eket és azok vezérlőáramköreit is tartalmazzák.

 

Feszültségcsökkentő átalakító-IC-k

A nagy integráltsági fokú feszültségcsökkentő átalakító-IC-kre jó példa a ROHM cég BD9G500EFJ-LA (aszinkron), illetve BD9F500QUZ (szinkron) jelű eszköze, amelyek HTSOP-J8, il­letve VMMP16LZ3030 tokozással készülnek (3. ábra). A BD9G500EFJ-LA ellenállási feszültsége 80 V, és az 5G bázisállomásokban, kiszolgálókban (szerverekben) és hasonló készülékekben található 48 V-os tápsínekkel való használatra szánták. Használható ezenkívül 60 V-os tápsíneket használó rendszerekhez is, amilyenek például az elektromos kerékpárok, a villamos szerszámok, a gyárautomatizálási és IoT eszközök. Akár 5 A kimeneti áramot is képes leadni, és a 2…5 A közötti kimeneti áramerősség-tartományban 85%-os az átalakítási hatásfoka. Beépített védelmi funkciói közé tartozik a lágy indítás, a túlfeszültség- és a túláramvédelem, a termikus leállítás és a feszültségesés esetén történő reteszelés.

 

Figure 3

3. ábra A BD9G500EFJ-LA aszinkron feszültségcsökkentő átalakító-IC
HTSOP-J8 tokozásban, a BD9F500QUZ szinkron feszültségcsökkentő IC pedig VMMP16LZ3030 tokozásban kapható (Kép: ROHM Semiconductor)

 


Mivel a BD9F500QUZ szinkron feszültségcsökkentő tápegység-IC-nek 39 V az átütési feszültsége, a 24 voltos tápsínt használó rendszerek tervezői felhasználhatják a rendszer költségeinek csökkentésére, mert kicsi az alapterületük, és csökkentik a gyárautomatizálási rendszerek, például a programozható logikai vezérlőegységek (PLC-k) és inverterek alkatrészeinek számát. A BD9F500QUZ körülbelül 60%-kal csökkenti a készülék méretét, és a 2,2 MHz-es legnagyobb kapcsolási frekvencia lehetővé teszi a kis, mindössze 1,5 μH induktivitású tekercs használatát. Ez a szinkron feszültségcsökkentő akár 90%-os hatásfokkal is tud működni, és 3 A kimenőáramot képes leadni.
A kiváló hatásfok és a jó hűtést kínáló tokozás kombinációja azt jelenti, hogy az eszköz üzemi hőmérséklete 60 °C körül van, és nincs szükség hűtőbordára, így helytakarékos, javítja a megbízhatóságot, és csökkenti a költségeket. A beépített funkciók közé tartozik a kimenőkondenzátor kisütésére szolgáló funkció, a túlfeszültség-, túláram- és rövidzárvédelem, a termikus leállítás és a feszültségesés esetén történő reteszelés.

 

A tekercs és a kondenzátor kiválasztása

Bár a BD9G500EFJ-LA és a BD9F500QUZ integráltan tartalmazza a teljesítmény-MOSFET-eket, a tervezőknek még mindig ki kell választaniuk hozzájuk az optimális kimeneti tekercset és kondenzátort, amelyek kölcsönhatásban vannak egymással. Például az induktivitás optimális értéke fontos ahhoz, hogy a tekercs és a kimeneti kondenzátor együttes mérete a lehető legkisebb legyen, valamint kellően alacsony legyen a kimenőfeszültség hullámossága. Szintén fontosak a tranziensekre vonatkozó követelmények, és ezek rendszerenként eltérőek. A terhelést érő tranziens amplitúdója, a feszültségeltérés korlátai és a kondenzátor impedanciája mind hatással vannak a tranziens teljesítményére és a kondenzátor kiválasztására.
A tervezők többféle kondenzátortechnika közül választhatnak, amelyek mindegyike más-más költség- és teljesítménybeli kompromisszumot kínál. A feszültségcsökkentő átalakítók kimenő­kondenzátoraként általában többrétegű kerámiakondenzátorokat (MLCC) használnak, de egyes készülékekben előnyös lehet alumínium elektrolitkondenzátorok vagy vezető polimeres hibrid elektrolitkondenzátorok használata.
A ROHM leegyszerűsítette a tekercs- és kondenzátorválasztás folyamatát azzal, hogy teljes mintaáramköröket kínál a tervezők számára ezen tápegység-IC-k adatlapjain, amelyek tartalmazzák többek között a következőket:

  • Bemenőfeszültség, kimenőfeszültség, kapcsolási frekvencia és kimenőáram;
  • kapcsolási rajz;
  • javasolt anyagjegyzék (BOM) -értékekkel, cikkszámokkal és gyártókkal;
  • működési hullámformák.

A BD9G500EFJ-LA három részletes mintaáramköre, amelyek mindegyikének 200 kHz a kapcsolási frekvenciája:

  • 7–48 VDC bemenő egyenfeszültség 5,0 VDC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett;
  • 7–36 VDC bemenő egyenfeszültség 3,3 VDC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett;
  • 18–60 VDC bemenő egyenfeszültség 12 VDC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett.

A BD9F500QUZ hét részletes mintaáramköre a következőket tartalmazza:

  • 12–24 VDC bemenő egyenfeszültség 3,3 VDC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett, 1 MHz kapcsolási frekvenciával;
  • 12–24 VDC bemenő egyenfeszültség 3,3 VDC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett, 600 kHz kapcsolási frekvenciával;
  • 5 VDC bemenő egyenfeszültség 3,3 VDC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett, 1 MHz kapcsolási frekvenciával;
  • 5 VDC bemenő egyenfeszültség 3,3 VDC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett, 600 kHz kapcsolási frekvenciával;
  • 12 VDC bemenő egyenfeszültség 1,0 VDC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett, 1 MHz kapcsolási frekvenciával;
  • 12 VDC bemenő egyenfeszültség 1,0 VDC kimenő egyenfeszültséggel, 5 A áramerősség mellett, 600 kHz kapcsolási frekvenciával;
  • 12 VDC bemenő egyenfeszültség 3,3 VDC kimenő egyenfeszültséggel, 3 A áramerősség mellett, 2,2 MHz kapcsolási frekvenciával.

Ezenkívül a ROHM egy felhasználásismertető dokumentumot is kínál a tervezőknek Types of Capacitors Used for Output Smoothing of Switching Regulators and their Precautions (A kapcsolóüzemű feszültségszabályozók kimenőjelének simítására használt kondenzátorok típusai és az azokkal kapcsolatos óvintézkedések) címmel.

 

A fejlesztőkártyák felgyorsítják a tervezési folyamatot

A tervezési folyamat további felgyorsítása érdekében a ROHM a BD9G500EFJ-EVK-001 IC-khez a BD9F500QUZ-EVK-001, míg a BD9F500QUZ IC-khez a BD9F500QUZ-EVK-001 fejlesztőkártyát kínálja (4. ábra).

 

Figure 4

4. ábra A D9G500EFJ-LA feszültségcsökkentő átalakító-IC-khez kifejlesztett BD9G500EFJ-EVK-001 (balra) és a BD9F500QUZ feszültségcsökkentő átalakító-IC-khez kifejlesztett BD9F500QUZ-EVK-001 (jobbra) fejlesztőkártya segítségével a tervezők gyorsan meggyőződhetnek arról, hogy az eszközök megfelelnek-e a követelményeknek (Kép: ROHM Semiconductor)

 


A BD9G500EFJ-EVK-001 5 VDC kimenő egyenfeszültséget állít elő 48 VDC bemenő egyenfeszültségből. A BD9G500EFJ-LA bemenő feszültségtartománya 7–76 VDC egyenfeszültség, a kimenőfeszültsége pedig 1 VDC egyenfeszültség és 0,97 × VIN (a bemenőfeszültség 0,97-szorosa) között szabályozható külső ellenállásokkal. Egy külső ellenállással a működési frekvencia is szabályozható 100  és 650 kHz között.
A BD9F500QUZ-EVK-001 fejlesztőkártya 12 VDC bemenő egyenfeszültségből állít elő 1 VDC kimenő egyenfeszültséget. A BD9F500QUZ bemenő feszültségtartománya 4,5–36 VDC egyenfeszültség, a kimenőfeszültsége pedig 0,6–14 VDC egyenfeszültség között szabályozható külső ellenállásokkal. Ennek a tápegység-IC-nek három választható kapcsolási frekvenciája van: 600 kHz, 1 MHz és 2,2 MHz.

 

Az áramköri lap elrendezési szempontjai

A BD9G500EFJ-LA és a BD9F500QUZ használatakor a nyomtatott áramköri lapok elrendezését illetően a következő általános szempontokat kell figyelembe venni:

  • A szabadonfutó diódának és a bemenőkondenzátornak ugyanazon a lapon kell lennie, amelyiken az IC csatlakozója van, és a lehető legközelebb kell lenniük az IC-hez.
  • A hőelvezetés javítása érdekében lehetőség szerint hőelvezető furatokat kell kialakítani.
  • A tekercset és a kimenőkondenzátort az IC-hez a lehető legközelebb kell elhelyezni.
  • A visszatérő áramutak vezetőcsíkjai minél messzebb fussanak a zajforrásoktól, például a tekercstől és a diódától.

Az elrendezéssel kapcsolatos pontosabb tudnivalók az adott eszközök adatlapján és a ROHM PCB Layout Techniques of Buck Converter (A feszültségcsökkentő átalakítók nyomtatott áramköri lapjának elrendezési szempontjai) című felhasználásismertető dokumentumában találhatók.

 

Összegzés

Amint látható, az aszinkron és szinkron feszültségcsökkentő átalakítók a lineáris szabályozókkal összehasonlítva jobb átalakí­tási hatásfokot nyújthatnak számos gyárautomatizálási, az IoT-re szánt és 5G készülék esetében. Bár lehet egyedi feszültségcsökkentő átalakítót tervezni egy adott készülékhez, ez meglehetősen bonyolult és időigényes feladat.
Ehelyett a tervezők használhatnak olyan tápegység-IC-ket, amelyek integráltan tartalmazzák a teljesítmény-MOSFET-et a vezérlőáramkörökkel együtt, így kis méretű és költségtakarékos készülékekkel állhatnak elő. Emellett számos eszköz is segíti a tervezőket a piacra kerülés felgyorsításában, beleértve a kondenzátorok kiválasztására és a nyomtatott áramköri lapok elrendezésére vonatkozó felhasználásismertető dokumentumokat, a részletes mintaáramköröket és a fejlesztőkártyákat.

 

Ajánlott olvasnivaló

Fundamentals: Understand the Characteristics of Capacitor Types to Use Them Appropriately and Safely (Alapelvek: A kondenzátortípusok jellemzőinek megértése a megfelelő és biztonságos használat érdekében)
How to Correctly Apply the Right Power Devices to Meet Industrial Power Supply Requirements (A megfelelő tápegységek helyes használata az ipari áramellátási követelmények teljesítéséhez)

 

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics

 

Digi-Key Electronics
www.digikey.hu
Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: arkadiusz.rataj@digikey.com