Három kompakt Buck-konverter­megoldás nagy bemeneti-kimeneti feszültségkülönbségekre

Ez 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 V_IN = 12 V-ról V_OUT = 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:

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

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

A 3. egyenlet azt mutatja, hogy a bekapcsolási idő csökken, amikor a bemeneti és kimeneti feszültség aránya (V_IN/V_OUT) és/vagy a kapcsolási frekvencia (f_SW) nő. Ez azt jelenti, hogy a Buck-átalakítónak nagyon alacsony bekapcsolási idővel kell tudnia működni a folyamatos vezetési módú kimeneti feszültség szabályozásához nagy V_IN/V_OUT arány mellett, és ez még nagyobb kihívást jelent nagy kapcsolási frekvencia (f_SW) esetén.
Tekintsünk meg egy alkalmazást V_IN(MAX) = 60 V, V_OUT = 3,3 V, I_OUT(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 (t_ON(MIN)) megfelel a legnagyobb bemeneti feszültségnek (V_IN(MAX)). Ennek a t_ON(MIN)-nek a meghatározásához ajánlatos a 3. egyenletet pontosabbá tenni. A V_SW(BOT) és V_SW(TOP) értékeket, a Buck-konverter két teljesítmény-MOSFET-jének feszültségeséseivel, valamint a V_IN V_IN(MAX)-szal való helyettesítésével megkapjuk:

A 4. egyenletet alkalmazva V_IN(MAX), f_SW = 1 MHz mellett, 61 ns t_ON(MIN) értéket kapunk. A V_SW(BOT) és V_SW(TOP) esetében az LT8641 adatlapján az R_DS(ON)(BOT) és R_DS(ON)(TOP) számára megadott értékeket használtuk, tudva azt is, hogy

V_SW(BOT) = R_DS(ON)(BOT) × I_OUT(MAX)
és V_SW(TOP) = R_DS(ON)(TOP) × I_OUT(MAX).

A Buck-konverterek ritkán tudják garantálni a t_ON(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
V_IN(MAX) = 60 V, V_OUT = 3,3 V és I_OUT(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.

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.

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 (V_INT).
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 V_IN/V_OUT és a magas f_SW 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 f_SW értékét és nagyobb induktivitásméretet választhatunk.
Bár az f_SW 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.

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 (f_SW) értékét. Ezzel megkapjuk az 5. egyenletet, amelyet szintén az LT8641 adatlapjának 16. oldalán találunk.

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

Ezért a megadott alkalmazási feltételek mellett az LT8641 biztonságosan működne akár 2,12 MHz-es kapcsolási frekvencia (f_SW) 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

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: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com