Små step-down kraftmoduler förenklar konstruktörens val mellan att "tillverka eller köpa"? Val

Elektroniska enheter finns överallt och är inbäddade överallt, från Internet of Things (IoT), medicinska kliniska enheter och bärbara enheter till smarta byggnader, intelligenta givare och en mängd konsumentprodukter. Oavsett om deras primära kraftkälla är en AC-DC-omvandlare för elnätet, eller ett batteri, är utmaningen att förse dessa enheter med en eller flera väl fungerande DC-matningar med låg spänning och korrekt reglering. Förutom den primära funktionen att leverera en noggrann reglering – samtidigt som man ofta arbetar med ett stort inspänningsintervall - måste step-down DC-DC delsystemet i dessa enheter vara litet, effektivt, tyst och uppfylla stränga lagstadgade krav.

Konstruktörer har två tydliga alternativ för att tillhandahålla denna DC-kraft: De kan konstruera och bygga (tillverka) sitt eget DC-DC delsystem, eller så kan de välja att köpa en standardmodul som är komplett och färdig att användas. Att "tillverka" har sina fördelar när det gäller anpassning, men kan öka kostnaderna och förseningarna eftersom konstruktion av nätaggregat är en kombination av teknik, hantverk, konst och lite tur. Fram till nyligen var tröskeln för att "tillverka kontra att köpa" sådant att det var tekniskt och kostnadsmässigt vettigt att köpa nätaggregat för hög (>100 W) och medelhög effekt (>~10 W till <~100 W), medan det i det nedre effektsegmentet (<~10 W) ofta blev ett beslut att "tillverka". Konstruktörer kan tillverka sin egen step-down enhet med hjälp av en krets med LDO (Low-Dropout) eller en switchad regulatorkrets, samt några externa passiva komponenter.

Nu är dock beslutet att köpa mycket mer attraktivt och förnuftigt på grund av en kombination av alltmer utmanande krav på tidsåtgång för att komma ut på marknaden och innovationer i riktning mot små, kompletta moduler, även på lägre effektnivåer.

Artikeln behandlar de viktigaste parametrarna, prestandakraven och lösningarna för lägre DC-DC strömförsörjningar, och som exempel används step-down DC-DC kraftmodulerna Himalaya uSLIC från Maxim Integrated.

Grundläggande prestanda är bara början

Liksom andra strömkällor kännetecknas step-down DC-DC-regulatorer för låg effekt inledningsvis av några grundläggande parametrar: inspänningsområde, inställning av utspänning (fast eller justerbar) och maximal utström. Detta är grundparametrarna. Det finns ytterligare faktorer som berör kvaliteten, inklusive reglering och stabilitet vid varierande belastning, rippelström och transientprestanda. Det finns också värdefulla funktioner som låsning av underspänningar (UVLO), kortslutnings- och värmeskydd, överspänningsskydd (OVP) och överströmsskydd (OCP).

Listan över viktiga parametrar omfattar även driftseffektivitet. I vissa fall krävs en hög verkningsgrad för att uppfylla "miljökrav", även om dessa bestämmelser inte är lika stränga för källor med lägre effekt som för källor med medelhög och hög effekt. Högre effektivitet bidrar även till att förlänga drifttiden i batteridrivna tillämpningar och är viktigt vid nominell belastning och låg belastning samt i viloläge. Även när det finns en AC-matning som primärkälla och drifttiden inte bestäms av effektiviteten är det fortfarande viktigt att minimera energiavledningen och den termiska belastningen.

Överväganden kring elektromagnetiska störningar (EMI) är också en faktor som bestäms av regelverk på två sätt:

• För det första får DC-DC-regulatorer inte vara känsliga för "inkommande" elektromagnetiska störningar och brus, då detta kan påverka deras prestanda och det de strömförsörjer.
• De får inte vara källor till utstrålade och ledningsbundna elektromagnetiska störningar, där de tillåtna EMI-gränserna beror på slutanvändningen (t.ex. konsument, fordon, industri och medicin), effektområdet och frekvensen.

Att få en produkt certifierad för att uppfylla de olika kraven kring elektromagnetiska störningar är en komplicerad och tidskrävande process som kräver expertis inom både konstruktion och testning.

Ingen diskussion om de krav som ställs på effektregulatorernas funktioner kan bortse från två andra faktorer: storlek och kostnad. Generellt sett är mindre bättre och det krävs ofta, även om det kanske inte är högsta prioritet för produkter med större format. Lägre kostnader är förstås alltid välkommet, även om den relativa betydelsen avgörs av tillämpningens krav.

Nya bedömningskriterier för att "tillverka kontra köpa"

Det finns tydliga avvägningar mellan beslutet att tillverka eller köpa, inklusive de underliggande faktorernas relativa bedömning. Hur mycket är exempelvis en mindre lösning värd? Hur mycket bättre prestanda blir det längs en axel? En switchregulator på 2 MHz är mindre än modellen för 1 MHz med jämförbara grundspecifikationer, men dess verkningsgrad är sannolikt lägre på grund av ökade förluster vid den högre frekvensen.

Med tanke på de många till synes lättanvända, högeffektiva DC-DC-regulatorkretsarna som finns för lägre effektnivåer kan det tyckas att "tillverka" är ett förnuftigt beslut. I verkligheten är det dock så att detta i allt högre grad inte är fallet. Det beror på en rad faktorer, bland annat de många krav som ställs på kretsens prestanda och de risker som är förknippade med att "tillverka", inklusive att få den i produktion, utmaningarna med att skaffa de tillhörande passiva enheterna och de stränga kraven på provning/certifiering.

En induktor tydliggör situationen

Switchregulatorer kräver en liten induktans som inte kan tillverkas på kretsen, för att lagra energi. I princip är en induktor en nästan trivial komponent och dess ursprungliga modell kännetecknas enkelt av dess induktans och likströmsresistans. När konstruktören har värden för dessa två faktorer kan modelleringen och konstruktionen av DC-DC-regulatorn teoretiskt sätt fortsätta.

I praktiken är saker och ting inte lika enkla, och till och med en förenklad "förbättrad" modell av en induktor innehåller en egenkapacitans som en funktion av frekvensen (figur 1).

Figur 1: Även en enkel induktors ekvivalenta krets är komplicerad och dess modell ändras med frekvensen för induktorns drift. (Bildkälla: Springer Nature Switzerland AG)

Det finns ingen enda "korrekt" modell, och avancerade, mycket detaljerade modeller innehåller ytterligare parasitära element som är svåra att bedöma (figur 2).

Figur 2: När den frekvens vid vilken induktorn används ökar, utvecklar den ekvivalenta kretsen ännu fler finesser, varav en del beror på induktorns placering, närliggande komponenter och kretskortet. (Bildkälla: Sonnet Software, Inc.)

Induktorns fysiska storlek och placering komplicerar modellen, och även en liten förändring av dess position eller riktning ändrar modellens noggrannhet och påverkar prestanda, EMI och effektivitet. När switchfrekvenser sträcker sig in i megahertz-området måste modellerna i allt högre grad ta hänsyn till dessa ytterligare faktorer.

Det finns dessutom ett problem som erfarna konstruktörer kan intyga: ibland gör inköpsavdelningar eller produktionsanläggningar utbyten mot en liknande del istället för den specifika leverantör och modell som konstruktören har angett i stycklistan (BOM). Detta "oskyldiga" utbyte verkar inte vara något problem eftersom de olika enheternas toppspecifikationer är identiska. De mer subtila specifikationerna för komponenten kan dock skilja sig åt så att DC-DC-regulatorns prestanda ändras från det som byggdes, testades och godkändes, till något som inte fungerar som det testades och släpptes.

Av dessa och andra skäl är det alltmer riskabelt att välja alternativet "tillverka" genom att använda en av de många tillgängliga regulatorkretsarna och några få passiva komponenter när det gäller prestanda, överensstämmelse och tidsåtgång för att komma ut på marknaden. Det gör att det blir mycket attraktivt att "köpa" med hjälp av genomförbara alternativ.

Balansen tippar starkt mot "köpa"

Marknaden för att köpa i detta lägre effektområde har förändrats drastiskt under de senaste åren. Konstruktörer kan nu välja bland ett stort antal enheter i Himalaya uSLIC-familjen med step-down DC-DC-kraftmoduler från Maxim Integrated. Dessa moduler har inte de avvägningar eller kompromisser i fråga om prestanda, storlek och risk som är förknippade med beslutet om att "tillverka".

Himalaya uSLIC-familjen består av två enheter med fast utspänning, MAXM17630 (3,3 V utspänning) och MAXM17631 (5 V utspänning), samt den motståndsinställda, justerbara MAXM17632 (0,9 till 12 V utspänning) - alla med 1 A strömkapacitet. Var och en av dessa synkrona step-down DC-DC-moduler innehåller en integrerad styrenhet, MOSFET:ar, kompensationskomponenter och en induktor. Den inbyggda kompensationen i hela utspänningsområdet eliminerar behovet av externa kompensationskomponenter, som ofta är svåra att välja eftersom de måste anpassas till regulatorns driftlägen.

Modulerna fungerar inom ett brett inspänningsintervall från 4,5 till 36 V. Andra uSLIC-moduler finns för drift med inspänningar på upp till 60 V, vilket är användbart vid industriella konstruktioner. Noggrannheten för reglering av återkopplingsspänningen för modulfamiljen är ±1,2 %. Modulerna har ett skydd mot övertemperatur och är specificerade för en omgivande driftstemperatur på -40 °C till +125 °C.

Modulerna behöver bara några få icke-kritiska externa motstånd och billiga keramiska kondensatorer för att fungera och fastställa driftsegenskaperna (figur 3).

Figur 3: MAXM17631 ingår i Himalaya uSLIC-familjen av step-down DC-DC-kraftmoduler från Maxim som är lätta att konfigurera och använda. Notera avsaknaden av en synlig induktor. (Bildkälla: Maxim Integrated)

De består av "endast hårdvara" och har ingen programinitialisering eller konfigurationsport att ta hänsyn till. Även om de inte är kretsar, så ser de ut som sådana. Den interna induktorn är inkapslad i den lilla, lågprofilerade 3 × 3 x 1,75 mm kapslingen med 16 stift, med en integrerad termisk kudde på undersidan (figur 4).

Figur 4: Artiklarna i Himalaya uSLIC-familjen från Maxim har måtten 3 × 3 × 1,75 mm med 16 stift. Kapslingarna har även en termisk kudde på undersidan för att förenkla värmeavledningen. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Trots sin ringa storlek erbjuder modulerna Himalaya uSLIC hög prestanda, användarvänlighet och flexibilitet i konfigurationen. De har stöd för en justerbar driftfrekvens från 400 kHz till 2,2 MHz med möjlighet till extern klocksynkronisering. Du behöver dessutom inte oroa dig för att kraftmodulen kan vara en orsak till att stränga EMI-krav inte uppfylls, eftersom enheterna uppfyller kraven för CISPR 22 (EN 55022) klass B för lednings- och strålningsutsläpp (figur 5 och figur 6).

Figur 5: Medlemmarna i Himalaya uSLIC-familjen från Maxim uppfyller lätt gränsen för CISPR 22 (EN 55022) klass B för ledningsutsläpp. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Figur 6: Medlemmarna i Himalaya uSLIC-familjen från Maxim uppfyller också den tillåtna gränsen för utstrålning i klass B i CISPR 22 (EN 55022). (Bildkälla: Maxim Integrated)

De uppfyller även standarderna JESD22-B103, B104 och B111 för fall, stötar och vibrationer, men att göra detta i en konstruktion man väljer att "tillverka" är en ytterligare börda utöver att uppfylla kraven på elektrisk prestanda.

Varför inte använda en LDO i stället?

LDO-regulatorer (regulatorer med lågt bortfall) används i stor utsträckning i miljontals exemplar varje år och tillgodoser behoven i många tillämpningar. De är lätta att tillämpa och ger praktiskt taget inget brus. Men, deras verkningsgrad minskar när strömmen de levererar ökar och när spänningsdifferensen mellan matningen och utgången ökar. I många tillämpningar med lägre effekt kan de tyckas vara en ganska attraktiv lösning för att tillhandahålla en reglerad utspänning trots förlusten i verkningsgrad.

Detta är dock ofta inte fallet. Ta exemplet med en optisk närhetsgivare för begränsade utrymmen som kräver 5 V vid 80 mA från en DC-strömförsörjning på 24 V (dvs. 19,2 V DC till 30 V DC) (figur 7).

Figur 7: En liten uSLIC-modul kan användas för att på ett effektivt sätt ge de 5 V vid 80 mA som krävs i detta exempel för en kompakt optiskt baserad närhetsgivare. (Bildkälla: Maxim Integrated)

En sammanfattning av en jämförande analys med en vanlig LDO jämfört med uSLIC-kraftmodulen MAXM17532 - en enhet med 0,9 till 5,5 V utspänning, 100 mA - visar den dramatiska skillnaden (tabell 1).

Tabell 1: Energibesparingen vid användning av en uSLIC jämfört med en LDO är dramatisk, liksom skillnaden i total avledning, som är cirka 5 % av den mängd som uppnås vid användning av LDO-lösningen. (Bildkälla: Maxim Integrated)

USLIC:s kraftlösning är fyra gånger effektivare än LDO:n och minskar effektförlusten till 1/19 (ner till cirka 5 %) av LDO-lösningen med den nominella ingången på 24 V. Skillnaden är ännu större när DC-inspänningen är på 30 V (detaljerna i den här analysen och andra exempel finns i referens 1).

Komplett men fortfarande konfigurerbar

Även om uSLIC-enheterna är "förseglade" moduler som implementerar en arkitektur för styrning av toppströmsläge har användaren möjlighet att välja ett av tre driftlägen för dem. Detta gör det möjligt att välja de egenskaper för prestanda som bäst matchar tillämpningens prioriteringar och kompromisser och behöver inte väljas när delarna beställs, utan det görs av konstruktören vid behov genom lämplig anslutning av ett stift i kapslingen. På så sätt kan samma enhet användas i sina olika lägen i flera produkter och till och med i samma produkt, vilket förenklar stycklistan och möjliggör ändringar senare i konstruktionscykeln.

De tre lägena är:

- Läge för pulsbreddsmodulering (PWM): Den interna induktorns ström tillåts bli negativ. Det här driftläget är användbart i frekvenskänsliga tillämpningar och ger en fast switchfrekvens vid alla belastningar. Den ger dock lägre verkningsgrad vid låg belastning jämfört med de andra två lägena.

- Pulsfrekvensmodulering (PFM): Det här läget inaktiverar negativ utström för induktorn, vilket ger en högre verkningsgrad vid låg belastning på grund av den lägre viloström som dras från strömförsörjningen. Nackdelen är att utspänningens rippel är högre jämfört med de andra driftsformerna och att switchfrekvensen inte är konstant vid låg belastning.

- Osammanhängande ledningsläge (DCM): Det här läget ger också en hög verkningsgrad vid låg belastning och omfattar drift med konstant frekvens ner till lägre belastning än PFM-läget genom att inaktivera en negativ induktorström vid låg belastning. Den har en verkningsgrad som ligger mellan PWM- och PFM-lägena, och utspänningsripplet i DCM-läget är jämförbar med PWM-läget och relativt lägre jämfört med PFM-läge.

För dessa uSLIC-moduler kan användarna även ställa in faktorer som starttid genom att använda en extern valfri kondensator. Den här funktionen är användbar i konstruktioner med flera matningar där effektsekvensering och starttider är kritiska.

Moduler eliminerar karakteriseringsarbetet

En av de många uppgifter som ingenjörer som väljer alternativet "tillverka" ställs inför, är att utvärdera slutprodukten korrekt vid olika statiska och dynamiska driftsförhållanden och med många olika parametrar. Detta är ett tidskrävande arbete som även skapar många möjligheter till oavsiktliga misstag. Ett av de många kraven är att lasten måste kontrolleras noggrant och aktivt.

Däremot kan konstruktionsteamet hoppa över detta steg när Himalaya uSLIC-moduler från Maxim används. Eftersom enheterna är kompletta är de fullständigt karakteriserade från inspänningsstift till utspänningsmatningar i deras datablad. Förutom tabeller med elektriska egenskaper finns det över hundra diagram som definierar prestanda och omfattar faktorer som t.ex. verkningsgrad kontra belastningsström, utspänning kontra belastningsström, utspänningens rippel, transientsvar vid belastning, prestanda vid start och avstängning samt Bode-plottar, allt i en stor mängd driftsförhållanden, inklusive den alltid lika viktiga temperaturen. Det finns dessutom kraftfulla konstruktions- och simuleringsverktyg som gör det lättare att införliva en moduls beteende i en större simulering av hela systemet.

Komma igång snabbt

Även om uSLIC-modulerna från Maxim är lätta att använda och levereras med fullt karakteriserad prestanda och simuleringsmodeller, kan konstruktörerna fortfarande ha behov av att få en "praktisk" känsla för kapaciteten och utveckla en bekvämlighetsfaktor med dessa små enheter. Eftersom uSLIC:erna är så små erbjuder Maxim utvärderingskortet MAXM17630EVKIT# för att skynda på utvärderingen (figur 8). Kortet har tre intilliggande oberoende sektioner, en vardera för modulerna MAXM17630, MAXM17631 och MAXM17632.

Figur 8: Maxims utvärderingskort MAXM17630EVKIT# ger direkt stöd för konfiguration och bedömning av modulerna MAXM17630, MAXM17631 och MAXM17632 via tre intilliggande och oberoende sektioner. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Den gör det möjligt för användaren att köra och utvärdera användningen av uSLIC i något av de grundläggande driftlägena (PWM, PFM och DCM), synkronisera med en extern klocka vid behov, aktivera och inaktivera en modul samt ändra UVLO-inställningar. Vid den första inställningen konfigureras modulen MAXM17630 (3,3 V vid 1 A) för att arbeta vid en switchfrekvens på 900 kHz i inspänningsintervall från 4,5 till 36 V. Modulen MAXM17631 (5 V vid 1 A) är konfigurerad för att arbeta med en switchfrekvens på 1250 MHz i ett inspänningsintervall på 7 till 36 V, och den justerbara modulen MAXM17632 är inställd för drift med 13 V vid 1 A och en switchfrekvens på 2150 MHz i ett inspänningsintervall från 20 till 36 V.

Utvärderingskortets schema tillsammans med layout och mask för kretskortets övre och undre del beskrivs i databladet. Allt som krävs för att använda utvärderingskortet är en strömförsörjning på 0 till 36 VDC vid 1 A, en digital multimeter och belastningsmotstånd som sänka upp till 1 A vid 3,3, 5 och 12 V. Satsens kretskortslayouter är också konstruerade för att begränsa strålningsutsläppen från kraftomvandlarens switchande noder, vilket medför ett strålningsutsläpp som ligger under gränserna för klass B i CISPR22.

Kortet tar även höjd för att ett utvärderingsarrangemang inte är detsamma som den slutgiltiga konfigurationen vid konstruktionen. Av denna anledning finns det möjlighet till valfria elektrolytkondensatorer som dämpar de toppar och svängningar på inspänningen som kan uppstå vid inkoppling utan att slå av strömmen, eller på grund av långa ingångskablar som ofta är en del av utvärderingskonfigurationen men som inte kommer att förekomma vid verklig användning. Dessa kablar löper mellan inspänningskällan och satsens kretsar och kan framkalla svängningar i inspänningen på grund av sin induktans. Elektrolytkondensatorns ekvivalenta seriemotstånd (ESR) hjälper till att dämpa de svängningar som de kan orsaka.

Slutsats

Modulerna Himalaya uSLIC från Maxim visar tydligt att balansen mellan "tillverka kontra köpa" nu till stor väger över för att köpa, även vid relativt låga effektnivåer för step-down DC-DC-omvandlare. Den lilla storleken, fullt karakteriserade prestanda, överensstämmelse med bestämmelser om EMI och verkningsgrad, samt förenkling av slutproduktens stycklista gör att valet av dem är ett logiskt beslut.

Referenser:

1. "Attuppfylla behoven av effektivitet och effektavledning i tillämpningar med begränsat utrymme"
2. "Hur strömförsörjer man små industriella givare på ett effektivt sätt"
3. Tillämpningsmeddelande 6417, "Riktlinjer för montering av uSLIC-kapslingar"