Varför och hur man använder synkrona DC/DC-buck-omvandlare för att maximera effektiviteten i spänningssänkningen

Behovet av att sänka höga busspänningar till lägre driftspänningar för kretsar och andra laster ökar i en mängd olika system, inklusive fordonsindustri, industriell automation, telekommunikation, databehandling, vitvaror och konsumentelektronik. Utmaningen för konstruktörer är att genomföra denna nedstegning med maximal verkningsgrad, minimal termisk belastning, till låg kostnad och i minsta möjliga fysiska format.

Konventionella asynkrona buck-omvandlare erbjuder en potentiellt billig lösning, men har också lägre omvandlingsverkningsgrad som inte uppfyller kraven från många elektroniska system. Konstruktörer kan då välja synkrona DC/DC-omvandlare och synkrona DC/DC-styrningar för att utveckla kompakta lösningar som ger hög effektivitet.

Denna artikel beskriver kort prestandakraven för elektroniska system för högeffektiv DC/DC-omvandling och granskar skillnaden mellan asynkrona och synkrona DC/DC-omvandlare. Därefter presenteras flera konstruktionsalternativ för synkrona DC/DC-omvandlare från Diodes, Inc., STMicroelectronics och ON Semiconductor ihop med utvärderingskort och konstruktionsriktlinjer som underlättar snabbstart av utveckling av konstruktioner med hög verkningsgrad.

Varför synkrona DC/DC-omvandlare behövs

De växande kraven på högre verkningsgrad i alla typer av elektroniska system i kombination med ökande systemkomplexitet, resulterar i en motsvarande utveckling av kraftsystemarkitekturer och topologier för kraftomvandling. Med ett allt större antal oberoende spänningsdomäner som stödjer en ökande funktionalitet, används DPA:er för distribuerad effekt i fler och fler elektroniska system.

Istället för att ha flera isolerade matningar för att driva de olika lasterna, har en DPA en isolerad AC/DC-matning som producerar en relativt hög distributionsspänning, och flera, mindre buck-omvandlare som stegar ned distributionsspänningen till en ännu lägre spänning enligt varje enskild lasts behov (figur 1). Användning av flera buck-omvandlare erbjuder fördelarna av mindre storlek, högre verkningsgrad och bättre prestanda.

Figur 1: Distribuerad effektarkitektur som visar den huvudsakliga isolerade AC/DC-strömförsörjningen (frontend) och de flera icke-isolerade DC/DC-omvandlarna som driver lågspänningslaster. (Bildkälla: DigiKey)

Processen att välja mellan asynkrona och synkrona omvandlare baseras på avvägningar mellan kostnad och verkningsgrad. Om framförallt en billig lösning krävs, och sämre verkningsgrad och högre termisk belastning kan accepteras, kan en asynkron lösning vara att föredra. Om å andra sidan verkningsgraden prioriteras och en mindre het lösning är att föredra, är en dyrare synkron buck-omvandlare i allmänhet det bästa valet.

Synkrona kontra asynkrona omvandlare

En typisk asynkron buck-omvandlare visas i figur 2. Modellen LM2595 från ON Semiconductor är en monolitisk integrerad krets som inkluderar huvudeffektbrytaren och styrkretsarna. Den är kompenserad internt för att minimera antalet externa komponenter och förenkla strömförsörjningens konstruktion. Den levererar en typisk omvandlingsverkningsgrad på 81 % och släpper ut 19 % av effekten som värme, medan en synkron lösning har en typisk omvandlingsverkningsgrad på cirka 90 %, och endast 10 % avleds som värme. Det betyder att de termiska förlusterna i en asynkron buck-omvandlare är nästan dubbelt så stora som de termiska förlusterna i en synkron buck-omvandlare. Därför underlättar användning av en synkron buck-omvandlare ordentligt de termiska övervägandena, genom att mindre värme genereras.

Figur 2: Typisk asynkron buck-omvandling som visar utgångslikriktaren (D1), utgångsfiltret (L1 och Cout) och återkopplingsnätverket (Cff, R1 och R2). (Bildkälla: ON Semiconductor)

I en synkron omvandlare, exempelvis ST1PS01 från STMicroelectronics ersätts utgångslikriktaren med synkron MOSFET-korrigering (figur 3). Den lägre "on"-resistansen för den synkrona MOSFET:en jämfört med utgångslikriktaren i en asynkron buck-omvandlare, minskar förlusterna och resulterar i betydligt högre omvandlingsverkningsgrad. Den synkrona MOSFET:en finns integrerad i kretsen, vilket eliminerar behovet av en extern likriktardiod.

Figur 3: Synkron tillämpningskrets som visar elimineringen av den externa likriktardioden. Utgångsfiltrering och återkopplingskomponenter krävs fortfarande. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Det finns en kostnad för den högre effektiviteten och den lägre termiska belastningen som möjliggörs med en synkron buck-omvandlare. Med en enda effektswitchande MOSFET och en diod för likriktning, blir asynkrona omvandlarstyrningar mycket enklare (och mindre) eftersom de inte behöver hantera riskerna för korsledning eller "genombrott" och det finns ingen synkron FET att kontrollera. En synkron buck-topologi kräver en mer komplicerad drivkrets och kretsar för att motverka korsöverledning för att styra båda switcharna (figur 4). För att båda MOSFET-enheterna inte ska slås på samtidigt och skapa en direkt kortslutning, krävs en större komplexitet, vilket resulterar i större och dyrare IC:ar.

Figur 4: IC-blockschema för synkron buck-omvandlare som visar de två integrerade MOSFET-enheterna (bredvid pinnen märkt SW) och den tillagda kretsen för drivning och motverkande av korsöverledning (Bildkälla: STMicroelectronics)

Även om pulsbreddsmodulationsstyrda synkrona omvandlare är effektivare under förhållanden med måttlig eller full last, levererar asynkrona omvandlare ofta högre omvandlingsverkningsgrad under lätta lastförhållanden. Detta blir dock allt mindre fallet, eftersom de senaste utförandena av synkrona buck-omvandlare innehåller flera funktionslägen som gör det möjligt för konstruktörer att optimera låga lastverkningsgrader.

Synkron buck-omvandling för 5 och 12 volts energidistribution

För konstruktörer som använder 5 och 12 volts strömdistribution i konsumentprodukter och vitvaror, erbjuder Diodes, Inc. AP62600, en 6 A synkron buck-omvandlare med ett brett ingångsintervall på 4,5 - 18 volt. Enheten integrerar en högeffekt-MOSFET på 36 milliohm och en MOSFET med en låg effekt på 14 milliohm för att ge DC/DC-omvandling med hög verkningsgrad.

AP62600 behöver minimalt med externa komponenter som en följd av dess "constant on-time"-styrning (COT). Den ger också ett snabbt transientsvar, enkel loopstabilisering och lågt utspänningsrippel. AP62600-konstruktionen är optimerad för reduktion av elektromagnetisk interferens (EMI). Enheten har ett patenterat gate-drivkretssystem för att motverka switchnodsutringning, utan att offra MOSFET:ens till- och frånslagstider, vilket minskar det högfrekventa utstrålade EMI-bruset som orsakas av MOSFET-switchningen. Enheten finns i en V-QFN2030-12-kapsling (typ A).

Det ingår en power-good-indikator som varnar användarna om eventuella felförhållanden som kan uppstå. Ett programmerbart mjuk-startläge reglerar startströmmen vid uppstart, vilket gör det möjligt för konstruktörer att implementera strömsekvensering när de vill använda flera AP62600-enheter för att försörja stora integrerade komponenter, såsom FPGA:er, applikationsspecifika kretsar (ASICs), digitala signalprocessorer (DSP) och microprocessore.

AP62600 ger konstruktörer möjlighet att välja mellan tre driftlägen för att uppfylla de specifika behoven i enskilda tillämpningar (figur 5). Hög verkningsgrad kan uppnås för alla laster med PFM-drift (pulsed frequency modulation). Andra tillgängliga lägen inkluderar pulsbreddsmodulering (PWM) för att få bästa rippelprestanda och ett ultraljudsläge (USM) som undviker hörbart ljud vid lätta laster.

Figur 5: AP62600 ger konstruktörer möjlighet att välja mellan tre driftslägen för att tillgodose behoven hos enskilda tillämpningar: PFM, USM och PWM. (Bildkälla: Diodes, Inc.)

För att hjälpa konstruktörer att börja använda AP62600 erbjuder Diodes, Inc.:s utvärderingskort AP62600SJ-EVM (figur 6). AP62600SJ-EVM har en enkel layout och ger åtkomst till önskade signaler via testpunkter.

Figur 6: utvärderingskortet AP62600SJ-EVM ger en enkel och bekväm utvärderingsmiljö för AP62600. (Bildkälla: DigiKey)

Synkron buck-omvandling för 24-voltsbussar

L6983CQTR från STMicroelectronics har ett ingångsomfång på 3,5 till 38 volt och kan mata upp till 3 A utström. Konstruktörer kan använda L6983:an i en lång rad tillämpningar, såsom 24 volts industriella kraftsystem, 24 volts batteridriven utrustning, decentraliserade intelligenta noder, sensorer och ständigt påslagna och lågbrusiga apparater.

L6983:an är baserad på en toppströmlägesarkitektur med intern kompensation och är kapslad i en 3 x 3 mm QFN16, vilket minimerar konstruktionens komplexitet och storlek. L6983:an finns både i utföranden med lågförbrukningsläge (LCM) och lågbrusläge (LNM). LCM:en maximerar effektiviteten vid lätta laster med kontrollerat utspänningsrippel, vilket gör enheten lämplig för batteridrivna tillämpningar. LNM:en gör switchningsfrekvensen konstant och minimerar utgångsspänningen för lätta laster och uppfyller specifikationen för bruskänsliga tillämpningar. L6983:an gör att switchningsfrekvensen kan väljas i intervallet 200 kHz till 2,3 MHz, med valfritt spridspektrum för förbättrad EMC.

STMicroelectronics erbjuder STEVAL-ISA209V1-utvärderingskortet för att underlätta för konstruktörer att utforska funktionerna hos den synkrona monolitiska step-down-regulatorn L6983 och komma igång snabbt med sina konstruktioner.

Synkron buck-styrning för dator- och telekomkonstruktioner

NCP1034DR2G från ON Semiconductor är en PWM-högspänningsstyrning som är utformad för synkrona DC/DC-tillämpningar med hög prestanda och för ingångsspänningar upp till 100 volt. Denna enhet är konstruerad för användning med 48 volt oisolerad kraftomvandling i inbäddade telekommunikations-, nätverks- och datortillämpningar. NCP1034 driver ett par externa MOSFET med N-kanal som visas i figur 7.

Figur 7: Typisk tillämpningskrets för den synkrona buck-styrningskretsen NCP1036 som visar MOSFET-enheterna på högsida och lågsida (Q1 respektive Q2). (Bildkälla: ON Semiconductor)

NCP1036 har en programmerbar switchningsfrekvens från 25 kHz till 500 kHz och en synkroniseringspinne som gör att switchningsfrekvensen kan styras externt. Genom att ha båda dessa frekvenskontroller, kan konstruktörer välja det optimala värdet för varje specifik tillämpning och synkronisera driften av flera NCP1034-styrningar. Enheten inkluderar också användarprogrammerbar underspänningsspärr och hiccup-strömgräns. För lågspänningskonstruktioner kan en internt trimmad 1,25 volt referensspänning användas för mer exakt reglering av utspänningen.

Fyra underspänningslåskretsar ingår för att skydda både komponenten och systemet. Tre är dedikerade till specifika funktioner; två skyddar de externa hög- och lågsidesdrivkretsarna och en skyddar IC:n från att starta för tidigt innan Vcc är under ett inställt tröskelvärde. Den fjärde underspänningslåsningskretsen kan programmeras av konstruktören med hjälp av en extern motståndsdelare: så länge Vcc ligger under det användarinställda tröskelvärdet förblir styrenheten avslagen.

För att hjälpa konstruktörer komma igång med NCP1034 erbjuder ON Semiconductor utvärderingskortet NCP1034BCK5VGEVB (figur 8). Detta utvärderingskort har utvecklats med flera alternativ för att stödja en mängd olika systembehov. Det finns en linjärregulator som driver IC:n och konstruktören kan välja om detta ska ske med antingen en zenerdiod eller en högspänningstransistor genom att välja ett lämpligt motstånd. Konstruktörer har också valet mellan andratypskompensation (spänningsläge) eller tredjetypskompensation (strömläge), valbara keramiska eller elektrolytiska utgångskondensatorer och olika ingångskapacitansvärden. Det finns två stiftlistpinnar: en för enkel anslutning till en extern synkroniseringspulskälla så att kortet kan anslutas direkt till det andra NCP1034-demo-kortet; den andra för att ansluta till SS/SD-pinnen som kan användas för att stänga av styrenheten genom att ansluta den till jord.

Figur 8: utvärderingskortet NCP1034BCK5VGEVB innehåller flera alternativ för att hjälpa konstruktörer att snabbt att komma igång med nya konstruktioner. (Bildkälla: DigiKey)

Slutsats

Behovet av att stega ner höga busspänningar för att få lägre drivspänningar för IC:ar och andra laster krävs alltmer i en mängd olika system inklusive fordonsindustri, industriell automation, telekommunikation, datorer, vitvaror och konsumentelektronik.

Som artikeln visat, kan konstruktörer använda sig av synkrona buck-omvandlare för att implementera denna nedstegning med bästa möjliga verkningsgrad, minsta möjliga termiska belastning, lägsta kostnad och i minsta möjliga fysiska format.

Rekommenderad läsning

1. Icke-synkrona buck-omvandlare erbjuder högre verkningsgrad vid lättare laster
2. Att generera flera utsignaler från en enda synkron buck-omvandlare är enkelt