Cum să implementați rapid convertoare de coborâre pentru automatizarea fabricilor, 5G și IoT

Convertoarele c.c./c.c. de coborâre sunt utilizate pe scară largă în multe sisteme electronice, cum ar fi stațiile de bază 5G, echipamentele pentru automatizarea fabricilor (FA) și dispozitivele pentru Internetul lucrurilor (IoT), pentru a converti eficient în mod descendent tensiunile înalte. De exemplu, o tensiune, cum ar fi de 12 volți curent continuu (V _c.c.) sau 48 V _c.c. de la o baterie sau de la o magistrală de distribuție a energiei electrice, trebuie adesea convertită la o tensiune mai mică (tensiuni mai mici) pentru a alimenta circuitele integrate digitale, senzorii analogici, secțiunile de radiofrecvență (RF) și dispozitivele de interfață.

În timp ce proiectanții pot implementa un convertor de coborâre discret și îl pot optimiza pentru un proiect specific în ceea ce privește caracteristicile de performanță și dispunerea plăcii de circuite, această abordare se confruntă cu o serie de provocări. Acestea includ selectarea MOSFET-ului de putere adecvat, proiectarea rețelei de reacție și de control, proiectarea inductorului și opțiunea de a alege între o topologie asincronă sau una sincronă. De asemenea, designul trebuie să includă numeroase funcții de protecție, să ofere eficiență maximă și o soluție de dimensiuni reduse. În același timp, proiectanții sunt forțați să scurteze timpul de proiectare și să reducă costurile, ceea ce duce la necesitatea de a găsi alternative mai potrivite pentru convertoarele de energie.

În locul căii discrete, proiectanții pot apela la circuite integrate de alimentare care combină MOSFET-urile cu circuitele de reacție și de control necesare, care sunt deja optimizate pentru convertoare de coborâre de înaltă eficiență.

Acest articol trece în revistă compromisurile privind performanța dintre convertoarele c.c./c.c. asincrone și sincrone de coborâre și modul în care acestea corespund nevoilor aplicațiilor specifice. Acesta prezintă un exemplu de soluție integrată de circuit integrat asincron de coborâre și un convertor sincron de coborâre de la ROHM Semiconductor și discută considerentele legate de implementare, inclusiv selectarea inductorului de ieșire al circuitului și condensatoarele și dispunerea plăcii de circuite imprimate. În cadrul discuției sunt incluse plăcile de evaluare, pentru a-i ajuta pe proiectanți în activitățile lor de proiectare.

De ce să folosiți un convertor de coborâre?

În aplicațiile care au nevoie de un curent de câțiva amperi (A), un convertor de coborâre reprezintă o alternativă mai eficientă la regulatoarele de tensiune liniare. Un regulator liniar poate avea o eficiență de aproximativ 60%, în timp ce un convertor asincron de coborâre poate avea o eficiență de peste 85%.

Un convertor asincron de coborâre de bază este format dintr-un comutator MOSFET, o diodă Schottky, un condensator, un inductor și un circuit de control/de comandă (nu este prezentat) pentru activarea și dezactivarea MOSFET-ului (figura 1). Un convertor de coborâre preia tensiunea de intrare de curent continuu (V_IN) și o convertește în c.a. pulsatoriu rectificat de diodă, care este apoi filtrat de inductor și condensator pentru a produce o tensiune de ieșire c.c. regulată (_VO). Numele acestei topologii vine de la faptul că tensiunea de la nivelul inductorului se opune tensiunii de intrare sau trece prin convertorul de coborâre.

Figura 1: Topologia convertorului asincron de coborâre, care nu include circuitul de control/de comandă MOSFET. (Sursa imaginii: ROHM Semiconductor)

Circuitul de control/de comandă detectează tensiunea de ieșire și pornește și oprește periodic MOSFET-ul pentru a menține tensiunea de ieșire la nivelul dorit. Pe măsură ce sarcina variază, circuitul de control/de comandă variază timpul în care MOSFET-ul este activat pentru a furniza mai mult sau mai puțin curent la ieșire, în funcție de cum este necesar pentru a menține (regla) tensiunea de ieșire. Procentul de timp în care MOSFET-ul este activat în timpul unui ciclu complet de activare/dezactivare se numește ciclu de funcționare. Ca atare, ciclurile de funcționare mai mari suportă curenți de sarcină mai mari.

Convertoare sincrone de coborâre

În cazul aplicațiilor care au nevoie de randamente mai mari decât cele care pot fi obținute cu un convertor asincron de coborâre, proiectanții pot apela la un convertor sincron de coborâre în care dioda Schottky este înlocuită cu o redresare MOSFET sincronă (figura 2). MOSFET-ul sincron (S₂) are o rezistență la pornire semnificativ mai mică decât rezistența Schottky, ceea ce duce la pierderi mai mici și la o eficiență mai mare, dar cu un cost mai mare.

O provocare este că acum există două MOSFET-uri care trebuie să fie activate și dezactivate în mod coordonat. Dacă ambele MOSFET-uri sunt activate în același timp, se creează un scurtcircuit care conectează tensiunea de intrare direct la masă, deteriorând sau distrugând convertorul. Împiedicarea acestui lucru crește complexitatea circuitului de control, ceea ce sporește și mai mult costurile și timpul de proiectare în comparație cu o proiectare asincronă.

Acest circuit de control al unui convertor asincron de coborâre încorporează un „timp mort” între tranzițiile de comutare, când ambele comutatoare sunt aduse în poziția oprit pentru o perioadă foarte scurtă de timp pentru prevenirea conducției simultane. Din fericire pentru proiectanți, sunt disponibile circuite integrate de alimentare care integrează MOSFET-urile de putere și circuitele de control necesare pentru a produce convertoare de coborâre.

Figura 2: Topologia convertorului sincron de coborâre, care arată înlocuirea diodei Schottky cu un MOSFET de redresare sincronă (S₂). (Sursa imaginii: ROHM Semiconductor)

Circuite integrate pentru convertorul de coborâre integrat

Exemple de circuite integrate pentru convertorul de coborâre cu nivel ridicat de integrare sunt dispozitivele BD9G500EFJ-LA (asincrone) și BD9F500QUZ (sincrone) de la ROHM, care vin într-un pachet HTSOP-J8 și, respectiv, VMMP16LZ3030 (figura 3). BD9G500EFJ-LA are o tensiune de rezistență de 80 de volți și este destinat utilizării cu magistralele de alimentare de 48 V care se găsesc în stațiile de bază 5G, servere și aplicații similare. Este, de asemenea, potrivit pentru sistemele cu magistrale de alimentare de 60 V, cum ar fi bicicletele electrice, instrumentele electrice, FA și dispozitivele IoT. Acesta poate furniza până la 5 A de curent de ieșire și are o eficiență de conversie de 85% în intervalul său de curent de ieșire de 2 până la 5 A. Caracteristicile încorporate includ pornire treptată, protecție la supratensiune, supracurent, oprire termică și blocare la subtensiune.

Figura 3: Circuitul integrat pentru convertorul asincron de coborâre BD9G500EFJ-LA vine într-un pachet HTSOP-J8, iar circuitul integrat pentru convertorul sincron de coborâre BD9F500QUZ vine într-un pachet VMMP16LZ3030. (Sursa imaginii: ROHM Semiconductor)

Deoarece circuitul integrat de alimentare cu convertor sincron de coborâre BD9F500QUZ are o tensiune de străpungere de 39 de volți, proiectanții de sisteme cu magistrale de alimentare de 24 V îl pot utiliza pentru a reduce costurile sistemului prin reducerea suprafeței de montare și a numărului de componente în sistemele FA, cum ar fi controlerele logice programabile (PLC) și invertoarele. BD9F500QUZ reduce dimensiunea soluției cu aproximativ 60%, iar frecvența de comutare maximă de 2,2 MHz permite utilizarea unui inductor mic de 1,5 microhenri (μH). Acest convertor sincron de coborâre funcționează la o eficiență de până la 90% cu un curent de ieșire de 3 A.

Combinația dintre eficiența ridicată și ambalajul eficient din punct de vedere termic înseamnă că temperatura de funcționare este de aproximativ 60 de grade Celsius (°C), fără a fi nevoie de disipare termică, economisind astfel spațiu, îmbunătățind fiabilitatea și reducând costurile. Caracteristicile încorporate includ funcția de descărcare a condensatorului de ieșire, protecție la supratensiune, supracurent, scurtcircuit, oprire termică și blocare la subtensiune.

Selectarea inductorului și a condensatorului

Deși BD9G500EFJ-LA și BD9F500QUZ au MOSFET-uri de putere integrate, totuși, proiectanții trebuie să selecteze inductorul și condensatorul de ieșire optimi, care sunt interdependenți. De exemplu, valoarea optimă a inductanței este importantă pentru obținerea celor mai mici dimensiuni combinate ale inductorului și condensatorului de ieșire, precum și a unei ondulații a tensiunii de ieșire suficient de scăzute. Cerințele legate de performanțele tranzitorii sunt, de asemenea, importante și variază de la un sistem la altul. Amplitudinea tranzitorie a sarcinii, limitările de deviație a tensiunii și impedanța condensatorului au impact asupra performanțele tranzitorii și asupra selecției condensatorului.

Proiectanții au la dispoziție mai multe tehnologii de condensatoare, fiecare dintre acestea oferind un set diferit de compromisuri legate de cost și performanță. De obicei, condensatoarele ceramice multi-strat (MLCC) sunt utilizate pentru capacitatea de ieșire în convertoarele de coborâre, dar unele modele pot beneficia de utilizarea condensatoarelor electrolitice din aluminiu sau a condensatoarelor electrolitice hibride cu polimer conductiv.

ROHM a simplificat procesul de selectare a inductorilor și condensatoarelor, oferind proiectanților exemple de circuite complete de aplicații în fișele tehnice pentru aceste circuite integrate de alimentare, inclusiv:

• Tensiunea de intrare, tensiunea de ieșire, frecvența de comutare și curentul de ieșire
• Schema circuitului
• Lista de materiale (BOM) sugerată, cu valori, numere de catalog și producători
• Forme de undă de funcționare

Trei circuite de aplicație detaliate pentru BD9G500EFJ-LA, toate cu o frecvență de comutare de 200 kilohertzi (kHz), includ:

• Intrare de la 7 la 48 V _c.c. cu o ieșire de 5,0 V _c.c. la 5 A
• Intrare de la 7 la 36 V _c.c. cu o ieșire de 3,3 V _c.c. și 5 A
• Intrare de la 18 la 60 V _c.c. cu o ieșire de 12 V _c.c. și 5 A

Șapte circuite de aplicație detaliate pentru BD9F500QUZ includ:

• Intrare de la 12 la 24 V _c.c. cu o ieșire de 3,3 V _c.c. și 5 A, cu o frecvență de comutare de 1 MHz
• Intrare de la 12 la 24 V _c.c. cu o ieșire de 3,3 V _c.c. și 5 A, cu o frecvență de comutare de 600 kHz
• Intrare de 5 V _c.c. cu o ieșire de 3,3 V _c.c. și 5 A, cu o frecvență de comutare de 1 MHz
• Intrare de 5 V _c.c. cu o ieșire de 3,3 V _c.c. și 5 A, cu o frecvență de comutare de 600 kHz
• Intrare de 12 V _c.c. cu o ieșire de 1,0 V _c.c. și 5 A, cu o frecvență de comutare de 1 MHz
• Intrare de 12 V _c.c. cu o ieșire de 1,0 V _c.c. și 5 A, cu o frecvență de comutare de 600 kHz
• Intrare de 12 V _c.c. cu o ieșire de 3,3 V _c.c. și 3 A, cu o frecvență de comutare de 2,2 MHz

În plus, ROHM oferă proiectanților o notă de aplicație privind „Tipurile de condensatoare utilizate pentru uniformizarea ieșirii regulatoarelor de comutare și măsurile de precauție aferente”.

Plăcile de evaluare accelerează procesul de proiectare

Pentru a accelera și mai mult procesul de proiectare, ROHM oferă plăcile de evaluare BD9G500EFJ-EVK-001 și BD9F500QUZ-EVK-001 pentru BD9G500EFJ-LA și, respectiv,BD9F500QUZ (figura 4).

Figura 4: Plăcile de evaluare BD9G500EFJ-EVK-001 (stânga) și BD9F500QUZ-EVK-001 (dreapta) pentru circuitele integrate pentru convertoarele de coborâre BD9G500EFJ-LA și, respectiv, BD9F500QUZ, ajută proiectanții să se asigure rapid de faptul că dispozitivele îndeplinesc cerințele. (Sursa imaginii: ROHM Semiconductor)

BD9G500EFJ-EVK-001 produce o ieșire de 5 V _c.c. de la o intrare de 48 V_c.c. Intervalul de tensiuni de intrare a BD9G500EFJ-LA este de la 7 la 76 V_c.c., iar tensiunea de ieșire este configurabilă de la 1 V_c.c. la 0,97 x V_IN cu rezistoare externe. De asemenea, se poate utiliza un rezistor extern pentru a seta frecvența de funcționare între 100 și 650 kHz.

Placa de evaluare BD9F500QUZ-EVK-001 produce o ieșire de 1 V _c.c. de la o intrare de 12 V_c.c. Intervalul de tensiuni de intrare a BD9F500QUZ este de la 4,5 la 36 V_c.c., iar tensiunea de ieșire este configurabilă de la 0,6 la 14 V_c.c. cu rezistoare externe. Acest circuit integrat de alimentare are trei frecvențe de comutare selectabile: 600 kHz, 1 MHz și 2,2 MHz.

Considerente privind dispunerea plăcii

Considerente generale privind dispunerea plăcii de circuite imprimate atunci când se utilizează BD9G500EFJ-LA și BD9F500QUZ includ:

1. Dioda cu mers liber și condensatorul de intrare trebuie să se afle pe același strat al plăcii de circuite imprimate ca terminalul circuitului integrat și cât mai aproape posibil de circuitul integrat.
2. Trebuie incluse conducte termice ori de câte ori este posibil, pentru a îmbunătăți disiparea căldurii.
3. Așezați inductorul și condensatorul de ieșire cât mai aproape posibil de circuitul integrat.
4. Păstrați traseele circuitului de cale de retur departe de sursele de zgomot, cum ar fi inductorul și dioda.

Mai multe detalii specifice privind dispunerea pot fi găsite în fișele tehnice ale dispozitivelor respective și în nota de aplicație ROHM privind „Tehnicile de dispunere a convertorului de coborâre pe PCB".

Concluzie

După cum se arată, convertoarele asincrone și sincrone de coborâre pot fi utilizate pentru a oferi eficiențe de conversie mai mari în comparație cu regulatoarele liniare într-o varietate de aplicații FA, IoT și 5G. Deși proiectarea convertoarelor de coborâre personalizate pentru un anumit proiect este posibilă, aceasta este o sarcină complexă și consumatoare de timp.

În schimb, proiectanții pot opta pentru circuite integrate de alimentare care integrează MOSFET-ul de putere împreună cu circuitele de control și de comandă pentru a produce soluții compacte și rentabile. De asemenea, proiectanții au la dispoziție o varietate de instrumente pentru a accelera timpul de lansare pe piață, inclusiv note de aplicație privind selecția condensatoarelor și dispunerea plăcii de circuite imprimate, exemple de circuite detaliate de aplicații și plăci de evaluare.

Lectură recomandată

1. Noțiuni fundamentele: înțelegerea caracteristicilor tipurilor de condensatoare pentru utilizarea corectă și sigură a acestora
2. Cum să aplicați corect dispozitivele de alimentare adecvate pentru a îndeplini cerințele surselor de alimentare industriale