Sådan implementerer man hurtigt buck-konvertere til fabriksautomatisering, 5G og IoT

Buck DC/DC-konvertere er meget udbredt på tværs af mange elektroniske systemer, såsom 5G-basestationer, fabriksautomatiseringsudstyr (FA) og Internet of Things (IoT) enheder til effektivt at konvertere høje spændinger. For eksempel skal en spænding som 12 volt DC (V_DC) eller 48 V_DC fra et batteri eller en strømfordelingsbus ofte konverteres til en lavere spænding(er) for at forsyne digitale IC'er, analoge sensorer, RF-sektioner og interface-enheder med strøm.

Mens designere kan implementere en diskret buck-konverter og optimere den til et specifikt design med hensyn til ydeevne egenskaber og bestyrelsen layout, der er udfordringer at tage denne tilgang. Disse omfatter valg af passende MOSFET-effekt, udformningen af feedback- og kontrolnetværket, induktordesign og valget mellem en asynkron eller en synkron topologi. Designet skal også omfatte mange beskyttelsesfunktioner, levere maksimal effektivitet og en lille størrelse på løsningen. Samtidig er designerne presset til at afkorte designtiden og sænke omkostningerne, hvilket resulterer i et behov for at finde mere egnede alternativer til spændingskonvertere.

I stedet for den diskrete rute, kan designere henvende sig til integrerede strømforsyning IC'er, der kombinerer MOSFET'er med den nødvendige feedback og kontrol kredsløb, der allerede er optimeret til højeffektive buck-konverter.

Denne artikel gennemgår præstationsafvejninger mellem asynkrone og synkroniserede buck DC/DC-konverteringsenheder, og hvordan de kortlægger behovene for specifikke applikationer. Den præsenterer et eksempel på et integreret asynkron buck-IC og en synkron buck-konverter IC-løsning fra ROHM Semiconductor og diskuterer overvejelser om implementering, herunder valg af udgangsspole og kondensator samt layoutet på printkortet. Evalueringskort er med i diskussionen for at hjælpe designerne i gang.

Hvorfor bruge en buck-konverter?

I applikationer, der har brug for få ampere (A) strøm, er en buck-konverter et mere effektivt alternativ til en lineær regulator. En lineær regulator kan have en effektivitet på ca. 60 %, mens en asynkron buck-konverter kan have en effektivitet på over 85 %.

En grundlæggende asynkron buck-konverter består af en MOSFET-kontakt, en Schottky-diode, en kondensator, en spole og et controller/driver-kredsløb (ikke vist) til at tænde og slukke for MOSFET'en (figur 1). En buck-konverter tager DC-indgangsspændingen (V_IN) og konverterer den til en pulserende AC-strøm, der ensrettes af dioden, som derefter filtreres af spolen og kondensatoren for at producere en reguleret DC-udgangsspænding (V_O). Denne topologi har fået sit navn fra det faktum, at spændingen over induktoren er modsat eller "modvirker" indgangsspændingen.

Figur 1: Asynkron buck-konverter topologi, ikke inklusive MOSFET-controller/driver-kredsløb. (Billedkilde: ROHM Semiconductor)

Controller/driver-kredsløbet registrerer udgangsspændingen og tænder og slukker periodisk for MOSFET'en for at opretholde udgangsspændingen på det ønskede niveau. Da belastningen varierer, varierer controlleren/driveren, hvor lang tid MOSFET'en er ON for at levere mere eller mindre strøm til outputtet efter behov for at opretholde (regulere) outputspændingen. Den procentdel af tiden, som MOSFET'en er ON under en komplet ON/OFF-cyklus, kaldes driftscyklus. Som sådan understøtter højere driftscyklusser højere belastningsstrømme.

Synkron bucks

I applikationer, der har brug for højere virkningsgrader, end det er muligt med en asynkron buck, kan designere henvende sig til en synkron buck konverter, hvor Schottky-dioden er erstattet af en synkron MOSFET korrektion (figur 2). Den synkrone MOSFET (S₂) har en ON-modstand, der er betydeligt lavere end modstanden i Schottky, hvilket resulterer i lavere tab og højere effektivitet, men med højere omkostninger.

En udfordring er, at der nu er to MOSFET'er, der skal switche ON og OFF i koordination. Hvis begge MOSFET'er er ON på samme tid, skaber det en kortslutning, der forbinder indgangsspændingen direkte til jord, hvilket beskadiger eller ødelægger konverteren. Forhindre, at der sker øger kompleksiteten af kontrolkredsløbet, yderligere tilføje til omkostningerne og design tid i forhold til en asynkron design.

Dette kontrol-kredsløb i en synkron buck inkorporerer "dødtid" mellem switch-overgange, hvor begge afbrydere er OFF for en meget kort periode for at forhindre samtidig forbindelse. Heldigvis for designere, ser trømforsyning IC'er tilgængelige, der integrerer effekt-MOSFET'er og control kredsløb, som er nødvendige for at producere buck-konvertere.

Figur 2: Topologi for synkron buck-konverter, der viser udskiftning af Schottky-dioden med en MOSFET (S₂) til synkron rektifikation. (Billedkilde: ROHM Semiconductor)

Integrerede buck-konverter-komponenter

Eksempler på højt integrerede buck- konverter IC'er er ROHM's BD9G500EFJ-LA (asynkrone) og BD9F500QUZ (synkrone) enheder, som kommer i en HTSOP-J8 og en VMMP16LZ3030 pakke, henholdsvis (figur 3). BD9G500EFJ-LA har en 80 volt holdespænding og er beregnet til brug med 48 V spændings-busser, som findes i 5G basestationer, servere og lignende applikationer. Den er også velegnet til systemer med 60 V spændings-busser som elektriske cykler, elværktøj, FA og IoT-enheder. Den kan levere op til 5 A udgangsstrøm og har en konverteringseffektivitet på 85 % over dens udgangsstrømområde på 2 til 5 A. Indbyggede funktioner omfatter blød start, overspænding, overstrøm, termisk nedlukning og beskyttelse mod underspænding.

Figur 3: Den BD9G500EFJ-LA asynkron buck konverter IC kommer i en HTSOP-J8 pakke og BD9F500QUZ synkron buck-IC kommer i en VMMP16LZ3030 pakke. (Billedkilde: ROHM Semiconductor)

Da BD9F500QUZ synkron buck-strømforsyning IC har en gennemslagsspænding på 39 volt, kan designere af systemer med 24 V spændings-busser udnytte det til at sænke systemomkostningerne ved at reducere monteringsareal og komponenttælling i FA-systemer såsom programmerbare logiske controllere (PLC'er) og vekselrettere. BD9F500QUZ reducerer opløsningens størrelse med omkring 60 %, og den maksimale switch-frekvens på 2,2 MHz gør det muligt at bruge en lille 1,5 μH induktor. Denne synkron buck fungerer med op til 90 % effektivitet med en udgangsstrøm på 3 A.

Kombinationen af højeffektiv og termisk effektiv emballage betyder, at dens driftstemperatur er omkring 60 grader Celsius (°C) uden behov for opvarmning, hvilket sparer plads, forbedrer pålideligheden og sænker omkostningerne. Indbyggede funktioner inkluderer output kondensator udladningsfunktion, overspænding, overstrøm, kortslutning, termisk nedlukning og underspændings lockout beskyttelse.

Valg af induktor og kondensator

Mens BD9G500EFJ-LA og BD9F500QUZ har integreret effekt-MOSFET'er, er designere stadig nødt til at vælge den optimale output induktor og kondensator, som er indbyrdes forbundne. For eksempel er den optimale værdi af induktansen vigtig for at opnå de mindste kombinerede størrelser for induktoren og output-kondensatoren samt tilstrækkeligt lav output-spændings-ripple. Overgangskrav er også vigtige og varierer fra system til system. Belastningstransient amplitude, spændingsafvigelsesbegrænsninger og kondensatorimpedans påvirker alle transient ydeevne og kondensatorvalg.

Designere har flere kondensatorteknologier til rådighed, som hver tilbyder et andet sæt af omkostninger og performance tradeoffs. Normalt bruges flerlags keramiske kondensatorer (MLCC'er) til outputkapacitans i buck-konvertere, men nogle design kan drage fordel af at bruge aluminiumelektrolytiske kondensatorer eller ledende polymerhybridelektrolytiske kondensatorer.

ROHM har forenklet processen med valg af induktor og kondensator ved at tilbyde konstruktører komplette applikations eksempelkredsløb i databladene for disse strømforsyningskomponenter, herunder:

• Indgangsspænding, udgangsspænding, swich-frekvens og udgangsstrøm
• Kredsløbsdiagram
• Foreslået materialeliste (stykliste) med værdier, varenumre og fabrikanter
• Drifts bølgeformer

Tre detaljerede applikationskredsløb til BD9G500EFJ-LA, alle med en 200 kilohertz (kHz) switch-frekvens, omfatter:

• 7 til 48 V_DC indgang med en udgang på 5,0 V_DC ved 5 A
• 7 til 36 V_DC-indgang med en udgang på 3,3 V_DC og 5 A
• 18 til 60 V_DC indgang med en udgang på 12 V_DC og 5 A

Syv detaljerede applikationskredsløb til BD9F500QUZ inkluderer:

• 12 til 24 V_DC-indgang med en udgang på 3,3 V_DC og 5 A med en 1 MHz switch-frekvens
• 12 til 24 V_DC-indgang med en udgang på 3,3 V_DC og 5 A med en 600 kHz switch-frekvens
• 5 V_DC-indgang med en udgang på 3,3 V_DC og 5 A med en 1 MHz switch-frekvens
• 5 V_DC-indgang med en udgang på 3,3 V_DC og 5 A med en 600 kHz switch-frekvens
• 12 V_DC-indgang med en udgang på 1,0 V_DC og 5 A med en 1 MHz switch-frekvens
• 12 V_DC-indgang med en udgang på 1,0 V_DC og 5 A med en 600 kHz switch-frekvens
• 12 V_DC-indgang med en udgang på 3,3 V_DC og 3 A med en 2,2 MHz switch-frekvens

Derudover tilbyder ROHM designere en applikationsnote om, "Types of Capacitors Used for Output Smoothing of Switching Regulators and their Precautions".

Evalueringskort fremskynder designprocessen

For yderligere at fremskynde designprocessen tilbyder ROHM henholdsvis BD9G500EFJ-EVK-001 og BD9F500QUZ-EVK-001 evalueringskort til BD9G500EFJ-LA og BD9F500QUZ (figur 4).

Figur 4: BD9G500EFJ-EVK-001 (til venstre) og BD9F500QUZ-EVK-001 (til højre) evalueringskort for henholdsvis BD9G500EFJ-LA og BD9F500QUZ buck-konverter IC'er hjælper designere med hurtigt at sikre, at enhederne opfylder deres krav. (Billedkilde: ROHM Semiconductor)

BD9G500EFJ-EVK-001 producerer en 5 V_DC-udgang fra en 48 V_DC indgang. Indgangsspændingsområdet for BD9G500EFJ-LA er 7 til 76 V_DC, og udgangsspændingen kan konfigureres fra 1 V_DC til 0,97 x V_IN med eksterne modstande. En ekstern modstand kan også bruges til at indstille driftsfrekvensen mellem 100 og 650 kHz.

BD9F500QUZ-EVK-001 bestyrelsen producerer et output på 1 V_DC fra en 12 V_DC input. Indgangsspændingsområdet for BD9F500QUZ er 4,5 til 36 V_DC, og udgangsspændingen kan konfigureres fra 0,6 til 14 V_DC med eksterne modstande. Denne strømforsyningskomponent har tre valgbare switch-frekvenser: 600 kHz, 1 MHz og 2,2 MHz.

Overvejelser vedrørende kortlayout

Generelle pc-kortlayout overvejelser, når du bruger BD9G500EFJ-LA og BD9F500QUZ omfatter:

1. Den fritløbsdiode og indgangskondensatoren bør være på samme pc-kortlag som IC-terminalen og så tæt som muligt på IC.
2. Termiske vias bør inkluderes, når det er muligt, for at forbedre varmeafledningen.
3. Placer induktoren og udgangskondensatoren så tæt på IC'en som muligt.
4. Hold returvejskredsløbsspor væk fra støjkilder, såsom induktoren og dioden.

Mere specifikke layoutdetaljer kan findes i databladene for de respektive enheder og i ROHM's applikationsnote om "PCB Layout Techniques of Buck Converter".

Konklusion

Som vist kan asynkrone og synkrone buck-konvertere bruges til at levere højere konverteringseffektivitet sammenlignet med lineære regulatorer i en række FA-, IoT- og 5G-applikationer. Selv om det er muligt at designe brugerdefinerede buck-konvertere til et givet design, er det en kompleks og tidskrævende opgave.

I stedet kan designere vælge strømforsyning IC'er, der integrerer en effekt-MOSFET sammen med control og drev kredsløb til at producere kompakte og omkostningseffektive løsninger. Også, en række værktøjer er tilgængelige for designere til at fremskynde tid til markedet, herunder ansøgning noter om kondensator udvælgelse og pc-kort layout, detaljeret ansøgning eksempel kredsløb, og evalueringspaneler.

Anbefalet læsning

1. Grundlæggende: Forstå egenskaberne ved kondensatortyper for at bruge dem hensigtsmæssigt og sikkert
2. Sådan bruges de rigtige strømenheder korrekt, for at imødekomme industrielle strømforsyningskrav