Návrh diskrétního buck převodníku není jednoduchou záležitostí, protože musí vykazovat robustní výkonnostní charakteristiky, které jsou nutností v průmyslových a 5G aplikacích pro zaručení spolehlivosti celého systému. Je nutné vybrat vhodný výkonový MOSFET tranzistor, provést výpočet induktoru a zvolit asynchronní nebo synchronní topologii. Výsledný buck převodník musí obsahovat ochranné funkce,  vykazovat maximální účinnost a zároveň udržet malou velikost. Místo diskrétního návrhu lze použít integrované řešení, které již obsahuje potřebné MOSFETy s nezbytnými zpětnovazebními a řídicími obvody.

Tento článek vysvětluje rozdíl mezi asynchronními a synchronními buck DC/DC převodníky a jejich použití v konkrétních aplikacích. Uvedeme si příklad integrovaného buck DC/DC převodníku od ROHM Semiconductor a jeho implementaci do obvodu, včetně výběru výstupní tlumivky a kondenzátoru a rozložení desky.

Proč používat převodník typu Buck?

V aplikacích, které potřebují proud několik ampérů, poskytuje buck převodník účinnější alternativu k lineárnímu regulátoru. Lineární regulátor může mít účinnost asi 60 %, zatímco asynchronní buck převodník může mít účinnost až 85 %. Základní asynchronní buck převodník se skládá z MOSFET tranzistoru, Schottkyho diody, kondenzátoru, induktoru a budiče (není zobrazeno na obrázku) pro zapínání a vypínání MOSFETu (obrázek 1).

Převodník převádí vstupní napětí V_IN na pulzující střídavý proud, který je usměrněn diodou. Tento proud je pak filtrován induktorem a kondenzátorem, aby se vytvořilo regulované stejnosměrné výstupní napětí V_O. Tato topologie získala svůj název podle skutečnosti, že napětí na induktoru je proti vstupnímu napětí opačné čili „buck“.

Obrázek 1: Topologie asynchronního buck převodníku, nezahrnuje obvody budiče MOSFETu. (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor)

Obvod budiče snímá výstupní napětí a periodicky zapíná a vypíná MOSFET tak, aby se výstupní napětí udrželo na požadované úrovni. Jak se zatížení mění, budič (regulátor) mění dobu, po kterou je MOSFET zapnutý, aby dodal více či méně proudu na výstup podle potřeby k udržení (regulaci) výstupního napětí. Procento času, po které je MOSFET zapnut během jednoho úplného cyklu se nazývá pracovní cyklus. Vyšší pracovní cykly se používají k dosažení vyšších proudů zátěže.

Synchronní Buck převodníky

V aplikacích, které vyžadují vyšší účinnost, než jaké je možné dosáhnout asynchronním buck převodníkem, se používá typ synchronní. Tam je Schottkyho dioda nahrazena synchronním MOSFET usměrňovacím obvodem (obrázek 2). Synchronní MOSFET (S₂) má odpor v sepnutém stavu výrazně nižší než odpor Schottkyho diody, a to má za následek nižší ztráty a vyšší účinnost.

Komplikací jsou dva MOSFETy, které je nutné zapínat a vypínat koordinovaně (složitější řízení). Pokud oba MOSFETy budou sepnuté současně, vytvoří se zkrat spojující vstupní napětí přímo se zemí, a tím se poškodí nebo zničí převodník. Řídicí obvod v synchronním bloku zahrnuje tzv. „mrtvý čas“. To je doba, kdy jsou oba spínače na velmi krátkou dobu vypnuty, aby se zabránilo zkratu.

Obrázek 2: Topologie synchronního buck převodníku znázorňující nahrazení Schottkyho diody synchronním usměrňovacím obvodem MOSFET (S₂ ). (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor)

Integrované řešení převodníku

Příklady vysoce integrovaných převodníku jsou BD9G500EFJ-LA (asynchronní) a BD9F500QUZ (synchronní), které se dodávají v pouzdru HTSOP-J8 a VMMP16LX3030 (obrázek 3). BD9G500EFJ-LA je určen pro napájecí sběrnice 48V, které se nacházejí v základnových stanicích 5G, serverech a podobných aplikacích. Je také vhodný pro systémy s napájecími sběrnicemi 60 V, jako jsou elektrická kola, elektrické nářadí a zařízení IoT. Převodník je schopen dodávat až 5 A a má účinnost až 85 % v rozsahu výstupního proudu 2 až 5 A. Mezi vestavěné funkce patří měkký start, ochrana proti přepětí, nadproudu, tepelného vypnutí a proti podpětí.

Obrázek 3: IC asynchronního buck převodníku BD9G500EFJ-LA se dodává v pouzdře HTSOP-J8 a synchronní obvod BD9F500QUZ se dodává v pouzdře VMMP16LX3030. (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor)

Vzhledem k tomu, že obvod synchronního napájecího zdroje BD9F500QUZ má průrazné napětí 39 V, lze ho použít k návrhu 24V systémů. BD9F500QUZ redukuje velikost vstupního napětí asi o 60 % a maximální spínací frekvence 2,2 MHz umožňuje použití malého 1,5 μH induktoru. Tento synchronní převodník pracuje s účinností až 90 % a je schopen dodat výstupní proud až 3 A.

Kombinace vysoké účinnosti a tepelně účinného pouzdra znamená, že jeho provozní teplota je kolem 60 °C bez potřeby jakéhokoli chladiče. Integrované řešení zahrnuje funkci vybití výstupního kondenzátoru, ochranu proti přepětí, nadproudu, zkratu, tepelnému vypnutí a podpětí.

Výběr induktoru a kondenzátoru

Zatímco BD9G500EFJ-LA a BD9F500QUZ mají integrované výkonové MOSFETy, je stále nutné vybrat optimální výstupní induktor a kondenzátor. Optimální hodnota indukčnosti je důležitá pro získání nejmenších kombinace induktoru a výstupního kondenzátoru a také pro dostatečně nízké zvlnění výstupního napětí. Amplituda zátěžového přechodového jevu, odchylka napětí a impedance kondenzátoru ovlivňují výkon přechodových jevů a tudíž i výběr kondenzátoru.

K dispozici je několik technologií kondenzátorů, z nichž každá nabízí kompromis mezi cenou a výkonem. Obvykle se pro výstupní kondenzátory v buck převodnících používají vícevrstvé keramické kondenzátory (MLCC), ale některé konstrukce vyžadují použití hliníkových elektrolytických kondenzátorů nebo hybridních elektrolytických kondenzátorů s vodivým polymerem.

ROHM zjednodušil proces výběru induktoru a kondenzátoru tím, že nabízí kompletní schéma obvodu aplikace v datasheetech. Datové listy obsahují:

• Vstupní napětí, výstupní napětí, spínací frekvence a výstupní proud
• Schéma obvodu
• Doporučený kusovník (BOM) s hodnotami, identifikační čísla součástek a jejich výrobce
• Provozní průběhy

Tři aplikační obvody pro BD9G500EFJ-LA, všechny se spínací frekvencí 200 kHz zahrnují:

• Vstup 7 až 48 V_DC s výstupem 5,0 V_DC při 5 A
• Vstup 7 až 36 V_DC s výstupem 3,3 V_DC a 5 A
• Vstup 18 až 60 V_DC s výstupem 12 V_DC a 5 A

Sedm aplikačních obvodů pro BD9F500QUZ zahrnuje:

• Vstup 12 až 24 V_DC s výstupem 3,3 V_DC a 5 A, se spínací frekvencí 1 MHz
• Vstup 12 až 24 V_DC s výstupem 3,3 V_DC a 5 A, se spínací frekvencí 600 kHz
• Vstup 5 V_DC s výstupem 3,3 V_DC a 5 A, se spínací frekvencí 1 MHz
• Vstup 5 V_DC s výstupem 3,3 V_DC a 5 A, se spínací frekvencí 600 kHz
• Vstup 12 V_DC s výstupem 1,0 V_DC a 5 A, se spínací frekvencí 1 MHz
• Vstup 12 V_DC s výstupem 1,0 V_DC a 5 A, se spínací frekvencí 600 kHz
• Vstup 12 V_DC s výstupem 3,3 V_DC a 3 A, se spínací frekvencí 2,2 MHz

Kromě toho ROHM nabízí aplikační poznámku „ Typy kondenzátorů používaných pro vyhlazování výstupu spínacích regulátorů a jejich preventivní opatření “.

Vývojové desky urychlují vývoj

Pro urychlení vývoje  nabízí ROHM vývojové desky BD9G500EFJ-EVK-001 a BD9F500QUZ-EVK-001 (obrázek 4).

Obrázek 4: Vývojové desky BD9G500EFJ-EVK-001 (vlevo) a BD9F500QUZ-EVK-001 (vpravo) pomáhají konstruktérům rychle zajistit, aby zařízení splňovala jejich požadavky. (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor)

BD9G500EFJ-EVK-001 převádí vstupní napětí 48V_DC na výstupní napětí 5 V_DC. Rozsah vstupního napětí BD9G500EFJ-LA může být 7 až 76 V_DC a jeho výstupní napětí je konfigurovatelné od 1 V_DC do 0,97 x V_IN pomocí externích rezistorů. Pro nastavení pracovní frekvence mezi 100 a 650 kHz se také používá externí rezistor. Vývojová deska BD9F500QUZ-EVK-001 převádí vstupní napětí 12V_DC na výstupní napětí 1 V_DC. Rozsah vstupního napětí BD9F500QUZ může být 4,5 až 36 V_DC a jeho výstupní napětí je konfigurovatelné od 0,6 do 14 V_DC pomocí externích rezistorů. Tento integrovaný obvod má tři volitelné spínací frekvence; 600 kHz, 1 MHz a 2,2 MHz.

Rozložení desky

Obecné úvahy o rozložení desky při použití BD9G500EFJ-LA a BD9F500QUZ:

1. Dioda a vstupní kondenzátor by měly být na stejné vrstvě desky jako terminál IC a co nejblíže integrovanému obvodu.
2. Kdykoli je to možné, měly by být zahrnuty tepelné průchody, aby se zlepšil odvod tepla.
3. Umístění induktoru a výstupního kondenzátoru co nejblíže k integrovanému obvodu.
4. Trasa obvodu zpětné cesty by měla být mimo zdroj šumu, čili dál od induktoru a diody.

Konkrétní podrobnosti o rozložení lze nalézt v technických listech příslušných součástek a v aplikační poznámce ROHM „ Techniky rozvržení desek plošných spojů Buck převodníků “.

Závěr

Asynchronní a synchronní buck převodníky lze použít k zajištění vyšší účinnosti ve srovnání s lineárními regulátory v různých průmyslových, IoT a 5G aplikacích. Návrh diskrétního řešení je složitý a časově náročný úkol. Místo toho lze použít integrované obvody napájení, které již obsahují výkonový MOSFET tranzistor spolu s řídicími a obvody a tvoří kompaktní a nákladově efektivní řešení. K dispozici je mnoho aplikačních poznámek k výběru kondenzátoru a rozvržení desky plošných spojů, podrobných příkladů obvodů a v neposlední řadě jsou k dispozici vývojové desky.

Doporučené odkazy

• Základy: Pochopte vlastnosti typů kondenzátorů, abyste je mohli vhodně a bezpečně používat
• Jak správně použít napájecí obvody, aby splňovaly požadavky na průmyslové zdroje napájení

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.