Hur man snabbt implementerar Buck-omvandlare för fabriksautomation, 5G och IoT

Buck DC/DC-omvandlare används ofta i många elektroniska system, t.ex. 5G-basstationer, utrustning för fabriksautomatisering och IoT-enheter (Internet of Things) för att omvandla höga spänningar på ett effektivt sätt. En spänning som exempelvis 12 V_DC eller 48 V_DC från ett batteri eller en strömfördelningsbuss behöver ofta omvandlas till en lägre spänning för att driva digitala integrerade kretsar, analoga givare, radiofrekvenssektioner (RF) och gränssnittsenheter.

Även om konstruktörer kan implementera en diskret buck-omvandlare och optimera den för en specifik konstruktion vad det gäller prestanda och kretskortslayout, så finns det utmaningar med detta tillvägagångssätt. De inkluderar valet av lämplig effekt-MOSFET, utformning av återkopplings- och styrnätverk, konstruktion av induktorn och valet mellan en asynkron eller synkron topologi. Konstruktionen måste dessutom innehålla ett antal skyddsfunktioner, ge maximal effektivitet och ha ett litet format. Samtidigt pressas konstruktörerna att förkorta konstruktionstiden och sänka kostnaderna, vilket leder till ett behov av att hitta mer lämpliga alternativ till effektomvandlare.

Istället för den diskreta vägen kan konstruktörerna använda sig av integrerade strömförsörjningskretsar som kombinerar MOSFET:ar med den nödvändiga återkopplingen och styrkretsen som redan är optimerad för högeffektiva buck-omvandlare.

Artikeln granskar skillnaderna i prestanda mellan asynkrona och synkrona buck DC/DC-omvandlare och hur de motsvarar behoven i specifika tillämpningar. Den presenterar ett exempel på en integrerad asynkron buck-omvandlarkrets och en synkron buck-omvandlarkrets från ROHM Semiconductor och går igenom överväganden kring implementering, inklusive val av induktor och kondensator på utgången samt kretskortets layout. Utvärderingskort är en del av genomgången för att göra det lättare för konstruktörerna att komma igång.

Varför använda en buck-omvandlare?

I tillämpningar som behöver några ampere ström är en buck-omvandlare ett mer effektivt alternativ än en linjär regulator. En linjär regulator kan ha en verkningsgrad på cirka 60 %, medan en asynkron buck-omvandlare kan ha en verkningsgrad på över 85 %.

En grundläggande asynkron buck-omvandlare består av en MOSFET-switch, en Schottky-diod, en kondensator, en induktor och en styr-/drivkrets (ej avbildad) för att slå på och av MOSFET:en (figur 1). En buck-omvandlare tar likspänningsmatningen (V_IN) och omvandlar den till en pulserande växelström som likriktas av dioden, som sedan filtreras av induktorn och kondensatorn för att skapa en reglerad likspänning på utgången (V_O). Topologin har fått sitt namn från det faktum att spänningen över induktorn motsätter sig ("buck") inspänningen.

Figur 1: Topologi för en asynkron buck-omvandlare, utan MOSFET:ens styrkrets/drivkrets. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Styrkretsen känner av utspänningen och slår regelbundet på och av MOSFET:en för att hålla utspänningen på önskad nivå. När belastningen varierar, förändrar styrenheten/drivkretsen den tid som MOSFET:en är på för att leverera mer eller mindre ström till utgången efter behov för att bibehålla (reglera) utspänningen. Den procentuella andel av tiden som MOSFET:en är på under en fullständig ON/OFF-cykel kallas för arbetscykel. Högre arbetscykler ger högre belastningsströmmar.

Synkrona buck-omvandlare

I tillämpningar som kräver högre verkningsgrader än vad som är möjligt med en asynkron buck-omvandlare kan konstruktörerna vända sig till en synkron buck-omvandlare där Schottky-dioden ersätts av en synkron MOSFET-likriktning (figur 2). Den synkrona MOSFET:en (S₂) har en resistans vid PÅ som är betydligt lägre än Schottky-resistansen, vilket ger lägre förluster och högre verkningsgrad, men till en högre kostnad.

En av utmaningarna är att det nu finns två MOSFET:ar som måste slås PÅ och AV i samordning. Om båda MOSFET:arna är på samtidigt skapas en kortslutning som kopplar inspänningen direkt till jord, vilket skadar eller förstör omvandlaren. Att förhindra detta ökar komplexiteten hos styrkretsen, vilket ytterligare ökar kostnaden och konstruktionstiden jämfört med en asynkron konstruktion.

Denna styrkrets i en synkron buck-omvandlare har en "dödtid" mellan switchningsövergångarna där båda switcharna är avstängda under en mycket kort period för att förhindra samtidig ledning. Lyckligtvis finns det strömförsörjningskretsar som integrerar de effekt-MOSFET:ar och styrkretsar som krävs för att skape en buck-omvandlare.

Figur 2: Topologi för en synkron buck-omvandlare som visar att Schottky-dioden har ersatts med en MOSFET för synkron likriktning (S₂). (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Integrerade buck-omvandlarkretsar

BD9G500EFJ-LA (asynkron) och BD9F500QUZ (synkron) från ROHM, som levereras i en HTSOP-J8 respektive en VMMP16LZ3030-kapsling (figur 3), är exempel på högintegrerade buck-omvandlare. BD9G500EFJ-LA har en spänningstålighet på 80 V och är avsedd för användning med strömförsörjningsbussar på 48 V som finns i 5G-basstationer, servrar och liknande tillämpningar. Den är även lämplig för system med strömbussar på 60 V såsom elcyklar, elverktyg, FA och IoT-enheter. Den kan ge en utström på upp till 5 A och har en verkningsgrad på 85 % inom sitt utströmsområde från 2 till 5 A. Inbyggda funktioner inkluderar mjukstart, överspänningsskydd, överströmsskydd, termisk avstängning och underspänningsskydd.

Figur 3: Den asynkrona buck-omvandlarkretsen BD9G500EFJ-LA levereras i en HTSOP-J8-kapsling och den synkrona buck-omvandlarkretsen BD9F500QUZ levereras i en VMMP16LZ3030-kapsling. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Eftersom den synkrona buck-omvandlarkretsen BD9F500QUZ har en genombrottsspänning på 39 V kan konstruktörer av system med 24 V strömförsörjningsbussar använda den för att sänka systemkostnaderna genom att minska monteringsytan och komponentantalet i FA-system, såsom programmerbara logikstyrningar (PLC:er) och växelriktare. BD9F500QUZ minskar lösningsstorleken med cirka 60 %, och den maximala kopplingsfrekvensen på 2,2 MHz gör det möjligt att använda en liten induktans på 1,5 μH. Den här synkrona buck-omvandlaren har en verkningsgrad på upp till 90 % med en utgångsström på 3 A.

Kombinationen av hög effektivitet och en termiskt effektiv kapsling innebär att driftstemperaturen är cirka 60 °C utan behov av kylning, vilket sparar utrymme, förbättrar tillförlitligheten och sänker kostnaderna. Inbyggda funktioner inkluderar urladdningsfunktion för utgångskondensatorn, överspänningsskydd, överströmsskydd, kortslutningsskydd, termisk avstängning och underspänningsskydd.

Val av induktor och kondensator

Även om BD9G500EFJ-LA och BD9F500QUZ har integrerade effekt-MOSFET:ar, så måste konstruktörerna ändå välja den optimala induktorn och kondensatorn för utgången, som är relaterade till varandra. Det optimala värdet på induktansen är exempelvis viktigt för att få de minsta kombinerade storlekarna för utgångens induktor och kondensator samt tillräckligt låg rippel på utgångsspänningen. Transientkrav är också viktigt och varierar från system till system. Lastens transientamplitud, begränsningar i spänningsavvikelse och kondensatorns impedans påverkar transientprestanda och val av kondensator.

Konstruktörer kan välja på flera kondensatortekniker, som alla erbjuder olika kostnads- och prestandafördelar. Vanligtvis används keramiska kondensatorer med flera lager (MLCC) för utgångskapaciteten i buck-omvandlare, men vissa konstruktioner kan dra nytta av elektrolytkondensatorer av aluminium eller hybridelektrolytkondensatorer av ledande polymerer.

ROHM har förenklat processen för val av induktorer och kondensatorer genom att erbjuda konstruktörer kompletta kretsexempel i databladen för dessa strömförsörjningskretsar, inklusive:

• Inspänning, utspänning, switchfrekvens och utström
• Kretsschema
• Förslag på materialförteckning (BOM) med värden, artikelnummer och tillverkare.
• Vågformer vid drift

Tre detaljerade tillämpningskretsar för BD9G500EFJ-LA, alla med en switchfrekvens på 200 kHz, inkluderar:

• 7 till 48 V_DC inspänning med en utspänning på 5 V_DC vid 5 A
• 7 till 36 V_DC inspänning med en utspänning på 5 V_DC och 5 A
• 18 till 60 V_DC inspänning med en utspänning på 5 V_DC och 5 A

Sju detaljerade tillämpningskretsar för BD9F500QUZ inkluderar:

• 12 till 24 V_DC inspänning med en utspänning på 5 V_DC och 5 A, med en switchfrekvens på 1 MHz
• 12 till 24 V_DC inspänning med en utspänning på 5 V_DC och 5 A, med en switchfrekvens på 600 kHz
• 5 V_DC inspänning med en utspänning på 3,3 V_DC och 5 A, med en switchfrekvens på 1 MHz
• 5 V_DC inspänning med en utspänning på 3,3 V_DC och 5 A, med en switchfrekvens på 600 kHz
• 12 V_DC inspänning med en utspänning på 1 V_DC och 5 A, med en switchfrekvens på 1 MHz
• 12 V_DC inspänning med en utspänning på 1 V_DC och 5 A, med en switchfrekvens på 600 kHz
• 12 V_DC inspänning med en utspänning på 3,3 V_DC och 3 A, med en switchfrekvens på 2,2 MHz

ROHM erbjuder dessutom konstruktörer en tillämpningsanvisning om "Typer av kondensatorer som används för glättning av switchregulatorer och deras försiktighetsåtgärder".

Utvärderingskort påskyndar konstruktionsprocessen

För att ytterligare påskynda konstruktionsprocessen erbjuder ROHM utvärderingskortn BD9G500EFJ-EVK-001 och BD9F500QUZ-EVK-001 för BD9G500EFJ-LA samt BD9F500QUZ (figur 4).

Figur 4: Utvärderingskorten BD9G500EFJ-EVK-001 (vänster) och BD9F500QUZ-EVK-001 (höger) för buck-omvandlarkretsarna BD9G500EFJ-LA samt BD9F500QUZ hjälper konstruktörer att snabbt konstatera att enheterna uppfyller deras krav. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

BD9G500EFJ-EVK-001 har en utspänning på 5 V_DC från en inspänning på 48 V_DC. Inspänningsområdet för BD9G500EFJ-LA är 7 till 76 V_DC, och dess utspänning kan konfigureras från 1 V_DC till 0,97 x V_IN med externa resistorer. En extern resistor kan även användas för att ställa in driftfrekvensen mellan 100 och 650 kHz.

Utvärderingskortet BD9F500QUZ-EVK-001 har en utspänning på 1 V_DC från en inspänning på 12 V_DC. Inspänningsområdet för BD9F500QUZ är 4,5 till 36 V_DC, och dess utspänning kan konfigureras från 0,6 till 14 V_DC med externa resistorer. Denna strömförsörjningskrets har tre valbara switchfrekvenser: 600 kHz, 1 MHz och 2,2 MHz.

Överväganden kring kretskortets layout

Allmänna överväganden kring kretskortets layout vid användning av BD9G500EFJ-LA eller BD9F500QUZ inkluderar:

1. Frihjulsdioden och inspänningskondensatorn måste finnas i samma kretskortslager som den integrerade kretsens anslutningar och så nära kretsen som möjligt.
2. Termiska genomgående lödöar bör inkluderas där det är möjligt för att förbättra värmeavledningen.
3. Placera induktorn och utspänningskondensatorn så nära den integrerade kretsen som möjligt.
4. Håll returbanans kretsbanor borta från störningskällor, som exempelvis induktorn och dioden.

Mer specifik information om layouten finns i databladen för respektive enhet och i ROHM:s tillämpningsanvisning "Tekniker för kretskortslayout för buck-omvandlare".

Sammanfattning

Som framgår kan asynkrona och synkrona buck-omvandlare användas för att ge högre omvandlingseffektivitet jämfört med linjära regulatorer i en rad olika FA-, IoT- och 5G-tillämpningar. Även om det är möjligt att konstruera anpassade buck-omvandlare för en viss konstruktion är det en komplicerad och tidskrävande uppgift.

Konstruktörerna kan istället välja strömförsörjningskretsar som integrerar effekt-MOSFET:en tillsammans med styr- och drivkretsen för att skapa kompakta och kostnadseffektiva lösningar. Det finns dessutom en mängd olika tillgängliga konstruktörsverktyg för att påskynda tiden till marknaden, bland annat tillämpningsanvisningar om kondensatorval och kretskortslayout, detaljerade kretsexempel för tillämpningar och utvärderingskort.

Rekommenderad läsning

1. Grundfakta: Förstå egenskaperna hos olika kondensatortyper för att använda dem på ett lämpligt och säkert sätt
2. Hur man väljer rätt kraftkomponenter för att möta kraven för industriell strömförsörjning