Rostoucí ceny energií na celém světě spolu se vzrůstajícími provozními náklady, spojovanými s provozem elektronických zařízení, ovlivňují stále více zákazníků při jejich rozhodování o nákupu nejrůznějšího vybavení včetně spotřebního zboží. Vůbec tedy nepřekvapí, že R&D inženýři (Research and Development – výzkum a vývoj, pozn. překl.) nepřetržitě hledají způsoby, jak snížit vlastní spotřebu svých zařízení. V minulosti to platilo zejména pro bateriově napájené aplikace, jejichž účinnost výrazným způsobem ovlivňovala dobu provozuschopnosti daného zařízení. V poslední době se však tento trend rozšířil na celou řadu dalších, univerzálně napájených, spotřebních systémů. Označení „Green“ tak již není pouze „slovem, které frčí“ ale obchodním trendem, kterému by se současné napájecí zdroje měly podřídit. Zásadní potřeba změn v otázce používaných architektur nebo technologií s menší spotřebou znamená postupné navyšování účinnosti takových systémů a také udržení nebo dokonce zlepšení dosahovaných parametrů (výkonu). Abychom tedy dosáhli větší míry účinnosti, příp. také dalších funkcí, podporujících vylepšení dosahovaných vlastností, budeme v tomto článku klást důraz na DC/DC regulační obvody, podepřené nejnovější generací výkonových MOSFETů NexFET^TM. 

Současný trh nabízí mnoho neizolovaných, DC/DC regulačních obvodů, pracujících z 3.3 V, 5 V nebo 12 V hladiny a snižujících na napěťové úrovně procesorů a jejich jádra. Existující řešení, která se v minulosti osvědčila, však již nemusí splňovat požadavky, definované současnými, vysoce výkonnými procesory. S postupující integrací a souvisejícím zvyšováním výkonu začínáme pracovat s procesorovými jádry a jejich napětím pod 1 V, přičemž proudová spotřeba se mohla zvýšit až několikanásobně. Takovému technologickému rozmachu však musí odpovídat i jednoduše dostupná řešení napájecích zdrojů v duchu POL (pod označením Point-of-Load, zkráceně POL, rozumíme jednotlivé, v našem případě spínané, ale také lineární napájecí struktury, odrážející náročné požadavky moderních aplikací, umístěné poblíž místa – bodu jejich zátěže, pozn. překl.). Abychom tedy mohli poukázat na výhody, plynoucí z nasazení nejnovějších regulačních obvodů a technologií pro MOSFETy, budeme se takovým otázkám věnovat podrobněji. Zmíněné moderní systémy pak zvládají podporu rozměrných keramických, blokovacích a filtračních kapacit, nárazové proudy po zapnutí, aktivní potlačení EMI v souladu se schvalovacími požadavky FCC a zajišťují nekompromisní přesnost napěťové regulace včetně přednabité „banky“ kondenzátorů, využívaných během náběhu napájecího napětí, kterou sice zmiňujeme jako poslední, rozhodně však ne jako zanedbatelný rys. Ke všemu ještě přidejme vysokou účinnost, malé rozměry a také zvýšenou spolehlivost.

Další generace regulačních obvodů a jejich technologií

DC/DC regulační obvody, jako například rodina TPS4030x, byly optimalizovány s cílem zvýšit účinnost a zajistit pokročilé prvky, vyžadované současnými procesory s větším počtem napájecích hladin. Struktury TPS4030x nabídnou solidní budiče, které s rychle spínajícími vnějšími MOSFETy sníží nežádoucí prodlevy s cílem vykázat vysokou míru účinnosti v celém rozsahu připojované zátěže. Bootstrap obvod s integrovanou diodou rovněž umožňuje nasazení MOSFETu s kanálem typu N a malým R_DS(ON) na pozici high side spínače. Rodina synchronních, snižujících obvodů TPS4030x (viz obr. 1) pracuje se vstupy v rozmezí od 3 V až do 20 V a s přehledem tak podporuje sběrnicová napětí 3.3 V, 5 V nebo 12 V. Také zde hovoříme o architektuře, využívající řízení v napěťovém režimu. Pod označením FSS (Frequency Spread Spectrum) zase rozumíme určité kolísání spínacího kmitočtu, vedoucí k výraznému potlačení rušivých špiček (EMI) a mnohem jednoduššímu naplnění příslušných standardů.

Regulační obvody rovněž podporují flexibilitu celého návrhu a nabízí mnoho uživatelsky definovatelných funkcí, včetně soft startu (kondenzátor, připojený k pinu EN/SS), úrovní pro ochranu před nadproudy (OCP, rezistor, připojený k pinu LDRV/OC) nebo kompenzace smyčky. Během obvyklé činnosti bude rezistorem nastavená napěťová úroveň pro OCP porovnávána s napěťovým úbytkem na vodivém MOSFETu low side s cílem zjistit, zda se již vyskytly podmínky, definované pro nadproud. Kontrolér pak vstupuje do speciálního restartovacího režimu, trvajícího až do doby, než bude problém odstraněn.

Obr. 1: Přehled zapracovaných prvků pro TPS4030x

EMI a otázka návrhu

Je obecně známo, že všechny výhody výkonové konverze napájecích zdrojů, provozovaných ve spínaném režimu (SMPS, Switch-Mode Power Supply) degraduje rušení, způsobené pulsy s velkými změnami dv/dt a di/dt. Když tradiční postupy pro zmírnění EMI při dosahování požadované úrovně rušení selhávají, přichází na scénu FSS (Frequency Spread Spectrum), díky kterému můžeme nezbytného omezení energie dosáhnout. Použijeme – li např. rodinu obvodů TPS40303x, získáme potřebné vlastnosti v rámci FSS zapojením rezistoru o velikosti 267 kΩ ± 10 % mezi piny BP a EN/SS. Bude – li takový režim povolen, dojde k rozprostření kmitočtu interního oscilátoru přes 12 % okno (min.) a to za přispění 25 kHz modulační frekvence s trojúhelníkovým průběhem. Modulací spínacího kmitočtu jsme vyrobili postranní pásma. Vyzářený výkon na základním spínacím kmitočtu včetně jeho harmonických složek se tak rozloží na menší části, rozptýlené na spoustě postranních kmitočtů. Ve výsledku tak výrazně omezíme špičkové EMI rušení a mnohem jednodušeji naplníme příslušné směrnice v souvislosti s vyzářeným spektrem. Využijeme – li takové možnosti, můžeme v souvislosti s EMI a jejich energií dosáhnout na vyšších kmitočtech snížení až o 10 dB (viz obr. 2).

Obr. 2: Potlačení EMI špiček o ~10 dB díky FSS (Frequency Spread Spectrum, fsm = 600 kHz; fm = 25 kHz)

Posloupnost a předpětí během spouštění

Většina výrobců procesorů poskytuje přesné instrukce pro načasování spouštěcí posloupnosti jádra a také I/O. Pochopíme – li takové systémové požadavky, můžeme následně zvolit náležité postupy. Setkáváme se zde s několika výraznými metodami pro spouštění a také vypínání víceúrovňových napájecích systémů – sekvenční, poměrovou nebo simultánní. Mnoho aplikací při svém spouštění rovněž vyžaduje určitou podporu předpětí.

Sekvenční přístup lze volit v případě, kdy bude při náběhu vyžadován krátký časový interval mezi napětím pro jádro a I/O. Můžeme tak činit v libovolném pořadí. Nejjednodušší způsob, jak toho s obvody TPS4030x dosáhnout, spočívá v prostém propojení pinu PGOOD jednoho regulačního obvodu s pinem EN/SS dalšího prvku.

Poměrový přístup zase vyřešíme jednoduchým spřažením pinů EN/SS dvou nebo více měničů dohromady. Taková přímočará metoda prostřednictvím složených proudových zdrojů zajistí nabíjení jednoho společného kondenzátoru, určeného pro soft start. Všechny regulační obvody zde využívají totožného sklonu charakteristiky a regulace tak může být dosaženo ve stejném čase.

Vyžaduje – li náš systém předpětí, může být napětí pro I/O přivedeno ještě před aktivací zdroje pro jádro, tj. musí existovat minimální prodleva mezi napětím pro jádro a I/O. Na obr. 3 vidíme příklad takových spouštěcích průběhů s předpětím. Pro tyto případy doporučují výrobci procesorů použít diody, kterými předepneme napětí pro jádro a to ještě před jeho plným náběhem. Mezi napětím pro jádro a I/O tak udržíme minimální deltu.

Využíváme – li synchronní, snižující DC/DC měnič, musíme se ujistit, že low side MOSFET udržujeme během náběhu vypnutý, jinak by předpětí, kterého se již jádru dostává, dostalo volný průchod přímo na zem, protože DC/DC měnič by již nějakým způsobem pracoval. Teoreticky bychom tak mohli zničit připojené vnější diody (Bypass). Když pak ale dojde k aktivaci měniče, určeného pro jádro, může napětí na žádanou hladinu začít narůstat z již předem připravené úrovně. Opět zde odkazujeme na obr. 3, kde vidíme příklad takových spouštěcích průběhů s předpětím.

Stejný scénář se může pochopitelně odehrát také v případě, bude – li „banka“ kondenzátorů zůstávat přednabitá během poruchy, při které dochází ke zkratu zdrojového napájení. Ve víceúrovňových systémech to pak může způsobit vážné poškození ESD struktury připojených procesorů. Doporučovaný postup tedy spočívá v nasazení regulačních obvodů, podporujících předpětí, přičemž synchronní MOSFET bude během náběhu vyřazen z činnosti. Pokud to situace bude vyžadovat, můžeme se při udržování průtoku proudu také spolehnout na vestavěnou diodu FETu.

Obr. 3: Možnost náběhu napájení s předpětím. Vidíme zde dva napájecí stupně spolu s neaktivovaným, synchronním FETem. Směr průtoku proudu vyznačují příslušné šipky.

Výkonové MOSFETy NexFET a nové úrovně v otázce dosahovaných parametrů

V 80tých letech minulého století byla při výrobě MOSFETů dominantní planární technologie (viz obr. 4). Do konce 90tých let minulého století pak již většina výrobců přešla na struktury Trench a to z důvodu jejich neodmyslitelných výhod v podobě specifického odporu v sepnutém stavu. Obvykle se počítalo s tím, že malý odpor R_DS(ON) umožní vývojářům v jejich POL (Point-of-Load) aplikacích dosáhnout vysoké proudové hustoty. Záporem takového přístupu se však staly velké kapacity, vznikající mezi hradlem a drainem (Millerova kapacita) a hradlem a sourcem. Takové velké kapacity si pak v případě spínání prvku vyžádaly spoustu náboje. Během spínání tak na budiči daného regulačního obvodu i připojených MOSFETech vznikaly obrovské ztráty. Vývojáři proto váhali se zvyšováním spínacího kmitočtu a obětovali tak dosahovanou účinnost svého návrhu.

V roce 2007 jsme se ale začali setkávat s výkonovými MOSFETy NexFET. Na základě srovnání se strukturami TrenchFET® (Vishay) dostáváme v případě NexFETů srovnatelné specifikace v otázce odporu v sepnutém stavu, ale zároveň výrazně potlačujeme související kapacity. Ve věci FOM a současných technologií se tak dostáváme přibližně na 50 procent a to jak pro R_DS(ON) x Q_g tak i R_DS(ON) x Q_gd. Díky tomu pak můžeme s technologií NexFET dosahovat na daném kmitočtu větší účinnosti. Zmíněná technologie se rovněž zasazuje o zploštění křivky výkonových ztrát a umožňuje tak dosáhnout na vyšší spínací kmitočty, resp. zlepšení v otázce výkonové hustoty.

Obr. 4: Vývoj MOSFETů zachycuje planární technologii (80tá léta), Trench (90tá léta) a NexFET (2007) – povšimněte si prosím menší plochy pro kapacity Cgs a Cgd.

Přesvědčivé závěry

Spojením nejnovějších DC/DC regulačních obvodů s výkonovými MOSFETy NexFET můžeme dosáhnout prvotřídních výkonů (viz obr. 5), přičemž zároveň zajistíme pokročilé vlastnosti, vyžadované současnými procesory s větším počtem napájecích hladin. S výstupním spínacím kmitočtem 600 kHz a zatěžovacími proudy 20 A dosahujeme účinnosti více než 90 %. Malé ztráty během spínání, podmíněné použitým kontrolérem a také připojenými NexFETy, pak stojí za relativně plochým průběhem dosahované účinnosti v rámci všech povolených zátěží. Vysoká výkonnost bude dokonce zachována i v případě vzrůstajícího vstupního napětí z 3.3 V na 12 V hladinu. Pro 12 V a menší zatížení pod hranicí 5 A však často zaznamenáme o něco nižší účinnost. Technologie NexFET omezuje spínací ztráty a s nimi spojené negativní důsledky práce s vyšším napětím.

Obr. 5: Grafické znázornění účinnosti obvodu TPS40304 s NexFETy na 600 kHz; vstupní napětí 3.3 V, 5 V a 12 V; 1.2 V @ 20 A; CSD16323Q3 a CSD16321Q5

Literatura:

• Datasheet TPS40303/4/5 – SLUS964
  
• SEM1600 Topic 2: Sequencing Power Supplies in Multiple Voltage Rail Environments
  
• SEM1800 Topic 2: Understanding Noise-Spreading Techniques and their Effects in Switch-Mode Power Applications

Něco o autorech:

• Jeffrey Duane Sherman pracuje jako Product Marketing Engineer v obchodním oddělení Texas Instruments, zaměřeném na výkonové stupně, kde odpovídá za propagaci a související marketing všech produktů pro výkonové stupně, včetně výkonových MOSFETů NexFET. Jeff má v oblasti výkonového managementu a napájecích zdrojů více než 20letou praxi, napsal v této věci spoustu článků na různé náměty a je rovněž držitelem dvou patentů. Své BSEE a MBA získal studiem na University of Michigan v Ann Arbor (Michigan), MSEE pak na Northeastern University v Bostonu (Massachusetts).
• Dipl. Ing. (FH) Dirk Gehrke pracuje od roku 2006 jako Business Development & Marketing Manager pro výkonová řešení, starající se o evropské zákazníky. S Texas Instruments začal spolupracovat již v roce 1998 a vystupoval jako Field Application Engineer (FAE) ve Spojeném království, Francii a také ve Spojených státech. V roce 1999 se přesunul do německého Freisingu, kde se specializoval na výkonový management, napájecí zdroje a související produkty. Během jeho působení v TI pomohl definovat několik nových technologií, publikoval celou řadu článků, za tři další aplikace mu byl přiznán patent a rovněž se podílel na vývoji digitálního, grafického uživatelského rozhraní pro výkonové řízení. Dirk vystudoval sdělovací techniku na FH Dortmund, kde také získal svůj diplom.