U spínaných zdrojů je to však obtížnější z toho důvodu, že k jejich funkci je nevyhnutelně nutné použít cívky a dost velké a hlavně kvalitní kondenzátory s nízkými parazitními parametry, které nelze jednoduše a s uspokojitelnou přesností integrovat. Proto je vždy nutné integrovaný (řídící obvod) doplnit o externí tlumivky a kondenzátory. Naopak moderní technologie (například SMARTMOS firmy Freescale) již umožňují na chip integrovat i výkonové spínací tranzistory, které bylo ještě nedávno nutné též připojovat externě.

Protože v nabídce Freescalu je mnoho různých typů mikrokontrolérů (MCU), signálových procesorů (DSP), mikroprocesorů (CPU), které často vyžadují několik různých napájecí (napájení jádra, vstupů/výstupů apod.), je zde i mnoho vhodných integrovaných obvodů pro spínané DC/DC měniče s možností i digitální regulace. Ty však samozřejmě lze použít i v jiných libovolných aplikacích, kde potřebujeme jedno i více nízkých napájecích napětí, relativně velké proudy a zároveň jednoduché zapojení blížící se z pohledu uživatele lineárním zdrojům.

Použití spínaných DC/DC měničů

• Napájení zařízení a obvodů s vysokým proudovým odběrem
• Bateriově napájené aplikace (vstupní napětí stabilizátoru od 0.9 V)
• Stabilizace napájecího napětí, kde je velmi malý nebo žádný rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím (Vin=Vout)
• Miniaturizace výkonových zdrojů
• Napájení DSP, mikroprocesorů a výkonných MCU
• Napájení DDR a podobných pamětí
• apod.

Základy principu funkce spínaných zdrojů

Aspektů a vlivů, které je nutné zahrnout v potaz při návrhu spínaných zdrojů a měničů jen velmi mnoho, což dělá z návrhu kvalitního zapojení dost složitou záležitost. Také pro tuto oblast existují specialisté, kteří mají značné zkušenosti a znají celou problematiku do detailu. Ti jsou pak schopni navrhnout opravdu spolehlivý spínaný měnič i z diskrétních součástek a malých IO, který beze zbytku využívá vysoké účinnosti, málo zvlněného a dobře stabilizovaného výstupního napětí a dosahuje dlouhé životnosti. Pro ty ostatní elektroniky, návrháře a konstruktéry v této oblasti méně zkušené jsou tu komplexní integrované obvody různých výrobců a k nim určené návody a vzorová zapojení, kde s použitím uvedených vzorců lze k danému obvodu získat potřebné hodnoty externích součástek, hlavně rezistorů, cívek a kondenzátorů, které je nutné připojit/přidat.

Z pohledu základní funkce a konstrukce spínaných měničů jsou nejběžnější, nikoliv však jediné, následující typy zapojení:

• BUCK - snižující a propustný měnič (step-down and forward converter); výstupní napětí U2 =< U1 vstupní napětí
• BOOST - zvyšující měnič (step-up converter); U2 > U1
• BUCK-BOOST - invertující a blokující měnič (invering nd blocking converter); U2 =< -U1

Jednotlivé typy se v základu vlastně liší různým zapojením základních prvků spínaného měniče, tj. spínače (tranzistor), cívky a rekuperační diody, které vždy doplňuje výstupní kondenzátor. Ten je vždy na stejném místě, paralelně k zátěži. S ohledem na to, že dále popisované IO Freescale jsou určeny pro zapojení snižujícího měniče BUCK, budeme se zde dále zabývat pouze ním.

Měnič typu BUCK

BUCK je dá se říct nejpoužívanější typ měniče v běžné elektronice. Jde o snižující a propustný měnič, což prakticky říká, že výstupní napětí je nižší nebo maximálně rovné napětí vstupnímu a spínací prvek, který reguluje průměrnou hodnotu a napětí na výstupu, je připojen přímo v cestě mezi vstupním napětím a cívkou sloužící k ukládání energie. Úplně základní myšlenka BUCK měniče je na následujícím obrázku 2.

K regulaci výstupního napětí dochází střídavým rychlým přepínáním přepínače switch mezi pozicemi A a B, kde v pozici A prochází přes cívku s indukčností L a zátěž s odporem R proud ze vstupního zdroje Vin, přičemž cívka jímá a ukládá v sobě energii (cívka se nabíjí). S časem roste proud cívkou procházející a tedy roste i výstupní napětí Vo . Energie cívky se poté využije při přepnutí přepínače do polohy B, kde se cívka chová krátkodobě jako zdroj se stejnou orientací napětí vůči rezistoru R, jako má samotný zdroj VIN. Jak se cívka vybíjí zároveň klesá proud v obvodu a tím i napětí Vo (VOUT). Průměrná hodnota výstupního napětí je tedy úměrná střídě přepínání přepínače switch mezi polohami A a B a zvlnění napětí a proudové zatížení součástek je pak úměrné frekvenci spínání FS. Prakticky jde o filtrovanou pulsně-šířkovou modulaci (PWM). Z popisu vyplývá, že je nutné, aby spínaný zdroj měl vždy připojenou nějakou odporovou zátěž, protože ta je součástí funkce měniče a na ní se převádí spínaný proud obvodem na výstupní napětí Vo. Hodnotu indukčnosti lze spočítat z následujících vzorců:

, kde a

Jak je z principu patrné, výstupní napětí je silně zvlněné. Proto se k jeho stabilizaci za cívku paralelně k zátěži připojuje výstupní kondenzátor C (někdy značen jako Co nebo COUT), který se při přepínači v poloze A nabíjí napěťově a při přepnutí do polohy B kompenzuje klesající proud/energii vybíjené cívky. Minimální velikost výstupního kondenzátoru lze spočítat podle vzorce:

Takovéto zapojení bez jakékoliv regulace by způsobilo, že při změně odporu zátěže, tzn. při změně proudu odebíraného ze zdroje, by kolísalo i samotné napětí. Proto je vždy implementováno zpětnovazební měření výstupního napětí a jeho porovnání s napěťovou referencí, přičemž naměřený rozdíl je dnes již digitálně zpracován a výsledkem je změna střídy spínání (PWM) tak, aby bylo dosaženo konstantního zvoleného výstupního napětí. Tzn. při zvýšeném proudovém odběru je nutné prodloužit čas přepínače v pozici A a naopak při nižším odběru tento čas zkrátit.

V současné době je snaha výrobců i uživatelů co nejvíce prvků výše popsaného zapojení měniče implementovat společně přímo na jeden chip integrovaného obvodu. Běžné dnes je, že řídící elektronika vytvářející spínací PWM signál, výkonové spínací tranzistory, kompletní porovnávací napěťový komparátor i oscilátor pilovitého napětí pro generování PWM spínacího signálu, jsou integrovány přímo v součástce a tedy uživatel se o ně nemusí moc starat. Nutné je doplnit jen vnější indukčnost v podobě cívky L, výstupní filtrační kondenzátor Co s co nejnižším ESR (parazitním odporem) a zpětnovazební sít tvořenou odpory R1, R2, R3, R4 a kondenzátorem C2. Ta určuje spínací bod komparátoru tvořeného operačním zesilovačem s kondenzátorem CF a referenčním napětí Vref (viz obrázek 5.)

Zajímavé zapojení s obvodem Freescale

V nabídce Freescale lze najít 11 různých integrovaných obvodů ve čtyřech řadách určených pro vytvoření spínaného měniče typu BUCK:

• MC3470x - rychlý univerzální integrovaný spínaný zdroj pro napájení DSP, MCU a Power QUICC? s integrovanými MOSFETy, nastavitelnou spínací frekvencí od 200 do 400 kHz, digitálně (I2C) doladitelným výstupním napětím a watchdogem, který je určený pro vstupní napětí 2.8 až 6.0V.
  


• MC34710 - jednoduchý integrovaný spínaný zdroj pro běžné aplikace a MCU s binárním přepínáním výstupního napětí 0.7 až 5.0V pro zatížení až 1 A vytvářeného ze vstupního napětí 13 až 32 V.
  


• MC3471x - dvoukanálový 1 MHz spínaný zdroj s integrovanými MOSFETy, teplotními, napěťovými i proudovými ochranami a programovatelným softstartem primárně určený pro napájení rychlých DDR pamětí a procesorů; ze vstupního napětí 3.0 až 6.0 V vytváří výstupní napětí 0.7 až 3.6V
  


• MPC187x0 - Power Management IC - inteligentní integrovaný napájecí zdroj s 5 nezávislými výstupy digitálně řízenými prostřednictvím sériového rozhraní pro náročné bateriově (alkalické, Li-Ion nebo NiMH) napájené aplikace s rozsahem vstupních napětí 0.9 až 4.2 V
  


• MC3399x - vícevýstupový integrovaný napájecí zdroj pro vstupní napětí 6.0 až 26.5 V (není vhodný pro nové aplikace)

Jak bylo popsáno výše, základními prvky jsou cívka a kondenzátor C, které lze vypočítat podle výše uvedených vzorců po dosazení zadaných hodnot a z nichž vychází hodnoty L = 4.0 mikroH (zvolí se standardní hodnota 4.7 mikroH) a minimální hodnota C = 8.3 mikroF. To je však hodnota pro ideální kondenzátor, který má nulový parazitní odpor ESR. V praxi však jeho hodnota dosahuje desítek i stovek miliohmů, čímž na něm vzniklý úbytek napětí zvyšuje výsledné zvlnění napětí. Proto se pro jeho minimalizaci používá paralelní kombinace několika kondenzátorů s nízkým ESR a celkově vyšší hodnota výstupní kapacity. Paralelní kombinace kondenzátorů na obrázku 9. pak "vytváří" ESR jen 58 miliohmů a výsledné zvlnění 2.7 mV.

Výpočet dalších hodnot součástek a podrobně popsaný postup a problematiku návrhu pak najdete v aplikačním manuálu firmy Freescale - AN1989.pdf.

Závěr

Na stránkách firmy Freescale (www.freescale.com) lze nalézt několik takovýchto reálných aplikací s integrovanými zdroji, včetně teoretického rozboru zvolených hodnot součástek nebo i praktické informace k požadavkům na umístění jednotlivých prvků na desce plošných spojů. Tyto zdroje nejsou vhodné jen pokud potřebujete kvalitní vícenapěťový zdroj pro procesorovou techniku Freescale, ale také pro jakýkoli jiný mikrokontrolér, signálový procesor nebo FPGA. Samozřejmě tyto integrované obvody nelze použít pro hlavní napájecí spínané zdroje zařízení poskytující stejnosměrné napětí ze zásuvkových střídavých 230 V. Pro tyto účely existují a slouží jiné integrované obvody mnoho specializovaných výrobců.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy Freescale - www.freescale.com
• Doc. Ing. Miroslav Husák, CSc.: "Napájecí zdroje v elektronice", vydavatelství ČVUT, Praha 2000, ISBN 80-01-01764-8
• Ing. Alexandr Krejčiřík: "Moderní spínané zdroje", nakladatelství BEN, Praha 1999, ISBN 80-86056-78-3
• http://services.eng.uts.edu.au/~venkat/pe_html/ch07s1/ch07s1p1.htm