Bevezetés a DC/DC konvertertechnikákba és -topológiába

Az energiaátalakítás számtalan alkalmazási terület létfontosságú része, a szórakoztatórendszerektől a beépített akkumulátorral rendelkező IIoT-érzékelőkig. Számos alapvető kapcsolási és kiépítési mód áll rendelkezésre a DC/DC és az AC/DC energiaátalakításra – a konkrét megoldások kiválasztása az igényelt feszültségtől és árammennyiségtől függ. Írásunkban az energiaátalakítás alapvető fogalmait járjuk körül, és bemutatjuk az elterjedtebb diszkrét és moduláris felépítésű topológiákat. Ezenfelül érintjük a szigetelés és a feszültségszabályozás legfontosabb szempontjait is.

Energiaátalakítás lépten-nyomon

Szinte minden manapság használt technikai eszközben megtalálhatók energiaátalakítási funkciók. Vegyük például az okostelefonokat. Általában 3,7 voltos névleges kimeneti feszültségű lítiumakkumulátorokat tartalmaznak, azonban a telefonban található integrált áramköri elemek különböző feszültségen (legtöbbször 1,8; 3,3 vagy 5 V-on) működnek. Energiakonverziós funkció látja el ezeket az alkatrészeket a számukra megfelelő feszültséggel, lefelé vagy felfelé alakítva az akkumulátor kimeneti feszültségét.
Szintén mindenki által ismert, hétköznapi példa a jól megszokott USB-s power bank, amit milliók hordanak maguknál, hogy kéznél legyen, ha egy kis extra töltésre van szükségük. Ezekben is egy egyszerű lítiumakkumulátor található, amelynek 3,7 V-os feszültségét egy egyenáramú konverter alakítja át az USB-portok szabványos, 5 V-os kimeneti feszültségévé. Az okoshangszóróktól a televíziókon keresztül a laptopokig minden, a háztartásokban használt készülékben szükséges a tápellátásból származó feszültség átalakítása a belső áramkörök működtetéséhez.
Az AC/DC és a DC/DC átalakításra két különböző, egymástól élesen elkülönülő technika használatos: lineáris és kapcsolóüzemű. A lineáris technikát korábban széleskörűen alkalmazták hálózati árammal működő berendezések esetében, azonban ez a megoldás a működéshez szükséges alkatrészek (transzformátorok, kiegyenlítő [simító] kondenzátorok) nagy mérete miatt meglehetősen nehézkes. Bár a lineáris szabályozók egyes speciális DC/DC konverziós alkalmazás esetében még használatban vannak, manapság a legtöbb alkalmazási területen a kapcsolóüzemű megközelítés az elterjedt.
A kapcsolóüzemű DC/DC átalakítók működése induktivitásokban vagy kondenzátorokban történő energiatároláson alapul. A lineáris megközelítéssel ellentétben a kapcsolóüzemű konverterek képesek a bemeneti feszültségnél kisebb és nagyobb feszültséget is előállítani. Az 1. ábrán egy kapcsolóüzemű DC/DC átalakító alapfelépítése látható.

1. ábra Egy DC/DC átalakító funkcionális működési diagramja (forrás: Murata)

Egy impulzusszélesség-modulált (Pulse Width Modulation – PWM) jelet egy félvezető eszközre kapcsolójelként betáplálunk. A PWM-bemenet munkaciklusa (jel-szünet arány) és frekvenciája közvetlen hatással van a konverzió hatékonyságára, a terhelésszabályozásra és a kimeneti feszültségre. Lényegében a PWM-jel és a félvezető kapcsolóelem egy töltéspumpáló áramkört alkot, amely egy induktivitásban vagy kondenzátorban energiát tárol el bekapcsolt (ON) fázisban. A PWM-jel OFF fázisában ez az energia felszabadul és kiegyenlítődik. A kimeneti feszültség szabályozása a PWM-jelre vonatkozóan történik. A bemeneti és kimeneti oldalak szétválasztásához a kondenzátor mellett induktív elemként egy transzformátort használunk.
Az évek során a DC/DC átalakítók számos kialakítása terjedt el, amelyekből néhányat az alábbiakban röviden bemutatunk.

A legelterjedtebb DC/DC konvertertopológiák

Step-Down vagy Buck konverter
Az aszinkron buck konvertertopológiával a bemeneti feszültség alacsonyabb kimeneti feszültséggé kerül átalakításra (például 5 V-ról 3,3 V-ra). A 2. ábrán az áramköri kialakítás egyszerű magyarázata látható.

2. ábra A buck konverterek működési elve (forrás: Murata)

A 2. ábra SW1 kapcsolója általában egy PWM-jellel vezérelt tranzisztor, az SW2 pedig egy dióda. Az SW1 zárt állapotában az áram egy induktivitáson halad keresztül, amely energiát tárol el. Az SW1 kikapcsolt fázisában az áram az SW2-vel jelölt diódán folyik keresztül, amely kimeneti feszültséget biztosít.
A buck konverter kimeneti feszültsége a PWM-jel által vezérelt munkaciklusok számától függ, ahogy az a 3. ábráról leolvasható.

3. ábra A munkaciklusok hatása a kimeneti feszültségre (forrás: Murata)

Szinkron buck konvertertopológia esetén a diódát egy másik kapcsolóelemre (tipikusan FET-re) cserélik, amelyet egy fázison kívüli kapcsolójel táplál. A FET-ek használata jellemzően alacsonyabb előremeneti ellenállást biztosít, így csökkentve az áramköri veszteséget.

Step-Up vagy Boost konverter
Ahogyan a neve is jelzi, egy boost konverter a bemeneti feszültségnél magasabb kimeneti feszültséget állít elő. Az, hogy mennyivel magasabbat, különböző tényezőktől függ, de praktikus felhasználás szempontjából maximálisan ötszörös érték érhető el. Megfelelő feszültségszabályozás inkább a háromszoros értéket nem meghaladó felkonvertálás esetében garantálható, lásd a 4. ábrán.

4. ábra Egy boost konverter alapvető koncepciója (forrás: Recom)

A 2. ábrán látható buck konverter kialakításához képest az S1 kapcsolótranzisztor, az L1 induktivitás és a D1 dióda (amely kapcsolóként szerepel a 2. ábrán) valamelyest eltérő módon helyezkednek el az áramkörben. Az L1 induktivitásban az S1 bekapcsolt állapota során eltárolt energia az S1 kikapcsolt fázisában hozzáadódik a bemeneti kondenzátoron keresztülhaladt bemeneti feszültséghez, és a kimeneti kondenzátorhoz kerül továbbításra. A buck és a boost konverterek egyaránt kevés elemből állnak, ami igen magas, jellemzően akár 97%-os energiahatékonyságot biztosít.
A fent ismertetett buck és boost konvertertopológiák egyike sem izolált, ami azt eredményezi, hogy bármilyen bemeneti feszültség megjelenhet a kimeneten. Amennyiben a DC/DC konverter betáplálása egy hálózati váltóáramú áramforrásból történik, egy meghibásodás a váltóáramú hálózati feszültség kimeneten történő megjelenését eredményezheti, ami akár végzetes következményekkel is járhat. Számos alkalmazási terület – például orvosi és egészségügyi felhasználás – megköveteli a bemenet és a kimenet galvanikus leválasztását. A galvanikus leválasztás egyik módja a földelés különválasztása, kapcsolóüzemű szabályzóban transzformátor használata, például egy izolált flyback konverter formájában (lásd az 5. ábrán).

5. ábra Egy izolált flyback konverter egyszerűsített sematikus kiépítése
(forrás: Wikipedia)

Izolált flyback konverter
Egy izolált flyback konverterben a transzformátor egyidejűleg látja el az energiatároló induktivitás szerepét és biztosítja a leválasztást. Ez a topológia alacsony alkatrészszámával talán a DC/DC átalakítók legegyszerűbb változata. Használata általában a kis teljesítményű (<50 W) alkalmazásokra korlátozódik, amelyek jól tolerálják az aránylag magas hullámáramot. Mivel a transzformáció elsődleges és másodlagos veszteséget is termel, a legtöbb flyback konverter nehezen ér el 90%-nál magasabb energiahatékonyságot. Azonban a buck és a boost topológiákkal ellentétben egy transzformátor használatával lehetővé válik a munkaciklusok számának növelése és csökkentése egy nagyobb kimeneti feszültségtartomány elérése érdekében. Ezenfelül másodlagos tekercsek használatával több különböző feszültségszint kialakítása is lehetséges.

Ellenütemű (push-pull), félhidas 
(Half Bridge) és egészhidas (Full Bridge) konverterek
A push-pull, half bridge és full bridge konverterek további példái a kapcsolóüzemű topológiáknak. A push-pull elrendezés nagyobb teljesítményű alkalmazásokhoz használható – két kapcsolóegységet használ, elosztva közöttük az áramot. Ez a topológia osztott, középen megcsapolt elsődleges és másodlagos tekercseket használ, amikhez drágább transzformátor használata szükséges. A half-bridge és a full-bridge topológiák hasonlóak a push-pull topológiához, azonban csak egy primer tekercset igényelnek a működéshez. A félhidas konverterek két, az egészhidas konverterek pedig négy kapcsolóegységet használnak (lásd a 6. ábrát).

6. ábra Az egészhidas (full bridge) izolált DC/DC konverter egyszerűsített sematikus felépítése

Kimenetszabályozás
A megfelelő DC/DC konvertertopológia kiválasztása mellett fontos szempont a kimeneti feszültség szabályozási módjának kérdése. A kimenet minden terhelési szint esetén pontos szabályozásának biztosítása különösen fontos a dinamikusan változó számítási terhelésű processzorok esetében. A kimeneti feszültségnek a PWM kapcsolási funkcióhoz történő visszacsatolása segíti a munkaciklusok számának gyors és pontos szabályozását. Napjainkban ezt a funkciót a legtöbb DC/DC konverter vezérlő IC-je tartalmazza, ez a feladat nem izolált topológiákkal könnyedén kivitelezhető.
A bemeneti és kimeneti oldal izolációja azonban extra alkatrészeket igényel, növelve ezzel az előállítási költséget. A népszerű izolált visszacsatolási módszerek egy extra transzformátor és egy optocsatoló beépítését igénylik. A további alkatrészek nem csupán az anyag- és gyártási költséget növelik, de több helyet is igényelnek a nyomtatott áramkörökön, ami nem előnyös napjaink helytakarékos tervezési irányvonalában. Az anyagköltség mellett az extra alkatrészek tovább növelik a beszerzés és a logisztika komplexitását, és fontos szempont az is, hogy több alkatrész használata a végtermék megbízhatóságára nézve is hatással van.

DC/DC konverter IC-k és modulok
Egy mostanában napvilágot látott újszerű megoldás elsődleges oldali érzékeléssel kínál egy sokkal egyszerűbb szabályozási eljárást. A vezérlő áramkör a flyback „OFF” ciklusában a transzformátoron keresztül érzékeli a másodlagos kimeneti jel „visszhangját”. Az optocsatoló nélküli flyback konverterek egyik kiváló példája a Maxim MAX17687 típusú áramköre – lásd a 7. ábrát. A MAX17687 vezérlő két chip-be integrált MOSFET-et tartalmaz, amelyek 3,2 A csúcsáramot képesek kezelni, a primeroldali érzékelőtechnológiának köszönhetően a kimeneti feszültség +/- 1,2% pontossággal szabályozható. Az IC PWM-jelfrekvenciája 100 és 500 kHz között programozható, a konverzió jellemzően 90%-nál magasabb hatásfokú. A komplett flyback DC/DC konvertermodulok egyik képviselője az open-frame, furatszerelt beültetésű, izolált Murata UWS-Q12 sorozat.

7. ábra Egy optocsatoló nélküli, minimális komponensszámú, 16 és 60 V
közötti feszültségű bemeneti forrásból 12 V / 750 mA kimenetet előállító flyback konverter IC – a Maxim MAX17687 (forrás: Maxim)

8. ábra A Murata UWS-Q12 (forrás: Murata)

A modulok vonzó alternatívát jelentenek a diszkrét DC/DC konverterek tervezésével szemben. Először is jelentős mennyiségű tervezési munkával csökkentik a fejlesztési folyamatot, potenciálisan jelentős mennyiségű mérnöki munkaórát megtakarítva. A gyártási költségek szempontjából fontos tényező, hogy csökkentik az alkatrészszámot, így egyszerűsítik a beszerzési logisztikát. Nem elhanyagolható az sem, hogy a modulok általában már rendelkeznek EMC/EMI-megfelelőségi tanúsítvánnyal, és megfelelnek az orvosi célú felhasználás biztonsági szabványainak is, ami tovább egyszerűsíti a termékek jóváhagyási folyamatát.
A kompakt, 91%-os hatékonyságú UWS-Q12 sorozat biztosítja a leggyakrabban használt 3,3, 5, 12, 15 vagy 24 V névleges kimeneti feszültségszinteket 9 és 36 V közötti bemeneti feszültségről, mindezt akár 54 wattos teljesítményig. Átfogó önvédelmi funkciókat is tartalmaz, mint például bemeneti alulfeszültség vagy a túlmelegedés elleni védelem.
A régi lineáris szabályzók leváltására kínál kényelmes megoldást a 1,5 A-es, beépíthető Traco TSR 1.5E sorozat, amely nem izolált buck/step-down topológiát használva állít elő széles tartományban kimeneti feszültséget, akár 97%-os hatékonysággal. A sorozat egyes eszközei által nyújtott feszültségszintek: 3,3 V DC (a 7803 helyett), 5 V DC (a 7805 helyett) és 12 V DC (a 7812 helyett).
A Texas Instruments a buck konvertertopológiát adaptálja saját DCS-Control technológiájával (direct control and seamless transition – közvetlen vezérlés – gördülékeny átmenet). A módosított DCS-topológiával lényegesen jobb átmenetreakció, szabályozás és hullámkarakterisztika érhető el, mint a szinkron buck-kiépítés használatával. A Texas Instruments a konvertert egyaránt szállítja vezérlő IC-ként TPS6282x néven, és konvertermodulként beépített induktivitással. A 9. ábrán látható az integrált FET-ekkel és induktivitással ellátott, nem izolált buck konvertermodul sematikus felépítése.

9. ábra A TPS6282x vezérlő IC-t használó TI TPSM82821 step-down/buck konvertermodul sematikus felépítése (forrás: TI)

Energiaátalakítás könnyedén
Írásunkban a legelterjedtebb DC/DC energiaátalakító topológiákat jártuk körbe, miközben néhány konkrét terméket is bemutattunk. A közkedvelt konverter IC-k hely- és költségtakarékos megoldást kínálnak az egyenáramú átalakításra. A kis teljesítményű, beépített kapcsolótranzisztorokat vagy FET-eket tartalmazó konverter IC-k rendkívül népszerűek, és gyakran kerülnek felhasználásra számos ipari, kereskedelmi és fogyasztói termékben. A vezérlő IC-vel, induktivitással és minden egyéb szükséges alkatrésszel ellátott DC/DC konvertermodulok könnyen beszerezhetők és egyszerűen integrálhatók a végtermékekbe.

Szerző: Mark Patrick –
Mouser Electronics

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com