Hvorfor og hvordan man bruger synkron Buck DC/DC-konvertere til at maksimere effektiviteten af nedkonvertering

Behovet for at sænke høje busspændinger til IC'er og andre belastninger vokser på tværs af en række systemer, herunder bilindustri, industriel automatisering, telekommunikation, computing, hvidevarer og forbrugerelektronik. Udfordringen for designere er at udføre denne nedkonvertering med maksimal effektivitet, minimal termisk belastning, til lave omkostninger og med den mindst mulige fodaftryk.

Konventionelle asynkrone buck-konvertere tilbyder en potentielt billig løsning, men har også lavere konverteringseffektiviteter, der ikke opfylder behovene i mange elektroniske systemer. Designere kan benytte synkrone DC/DC-konvertere og synkrone DC/DC-kontrollere for at udvikle kompakte løsninger, der leverer høj effektivitet.

Denne artikel beskriver kort præstationskravene til elektroniske systemer til højeffektiv DC/DC-konvertering og gennemgår forskellen mellem asynkron og synkron DC/DC-konverter. Derefter introducerer flere designmuligheder for synkron DC/DC-konverter fra Diodes, Inc., STMicroelectronics og ON Semiconductor sammen med evalueringskort og designvejledning, der kan starte udviklingen af højeffektive løsninger.

Hvorfor der er brug for synkron DC/DC-omformer

De voksende krav til højere effektivitet i alle typer elektroniske systemer kombineret med stigende systemkompleksiteter resulterer i en tilsvarende udvikling af elsystemarkitekturer og effektkonverteringstopologier. Med et voksende antal uafhængige spændingsdomæner, der understøtter øget funktionalitet, bruges distribuerede strømarkitekturer (DPA'er) i flere og flere elektroniske systemer.

I stedet for at have flere isolerede forsyninger til at drive de forskellige belastninger, har en DPA en isoleret AC/DC-strømforsyning, der producerer en relativt høj distributionsspænding, og flere, mindre buck-konverter, der nedkonverterer fordelingsspændingen til en lavere som krævet af hver individuel belastning (figur 1). Brugen af flere buck-konvertere giver fordelene ved mindre størrelse, højere effektivitet og bedre ydeevne.

Figur 1: Distribueret strømarkitektur, der viser den vigtigste isolerede AC / DC-strømforsyning (frontend) og de flere ikke-isolerede DC / DC-omformere, der driver lavspændingsbelastninger. (Billedkilde: DigiKey)

Processen med at vælge mellem asynkron og synkron buck-konverter er baseret på kompromiserne mellem pris og effektivitet. Hvis der kræves en laveste opløsningsomkostning, og lavere effektivitet og højere termisk belastning kan accepteres, kan en asynkron buck løsning foretrækkes. På den anden side, hvis effektivitet er prioriteret, og en køligere kørende løsning foretrækkes, er en synkron buck-konverter med højere omkostninger generelt det overlegne valg.

Synkron vs. asynkron buck-konverter

En typisk asynkron buck-konverteringsapplikation er vist i figur 2. Det LM2595 fra ON Semiconductor er et monolitisk integreret kredsløb, der inkluderer hovedafbryderen og kontrolkredsløbet. Det kompenseres internt for at minimere antallet af eksterne komponenter og forenkle strømforsyningens design. Det leverer en typisk konverteringseffektivitet på 81 % og spreder 19 % af effekten som varme, mens en synkron buck-løsning vil have en typisk konverteringseffektivitet på ca. 90 % og kun spreder 10 % af effekten som varme. Det betyder, at de termiske tab i en asynkron buck-konverter er næsten dobbelt så store som de termiske tab i en synkron buck-konverter. Derfor forenkler brugen af en synkron buck-konverter i høj grad udfordringer i termisk styring ved at reducere mængden af genereret varme.

Figur 2: Typisk asynkron buck-konverteringsapplikation, der viser output-ensretter (D1), outputfilteret (L1 og Cout) og feedback-netværket (Cff, R1 og R2). (Billedkilde: ON Semiconductor)

I en synkron buck-konverter, som f.eks ST1PS01 fra STMicroelectronics erstattes udgangsretteren med synkron MOSFET-berigtigelse (figur 3). Den lavere on-modstand for den synkrone MOSFET sammenlignet med udgangsretteren i en asynkron buck-konverter reducerer tab og resulterer i betydeligt højere konverteringseffektiviteter. Den synkrone MOSFET er intern til IC'en, hvilket eliminerer behovet for en ekstern ensretterdiode.

Figur 3: Synkron buck applikationskredsløb, der viser eliminering af den eksterne udgangsretterdiode. Outputfiltrering og feedback-komponenter er stadig påkrævet. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Der er en omkostning for højere effektivitet og lavere termisk belastning muliggjort med en synkron buck-konverter. Med en enkelt strømafbryder-MOSFET og en diode til afhjælpning er asynkrone buck-konverter-controllere meget enklere (og mindre), da de ikke behøver at håndtere muligheden for krydskonduktion eller "shoot-through", og der er ingen synkron FET at styre. En synkron buck-topopologi kræver en mere kompliceret driver- og antikors-ledningskredsløb for at styre begge kontakter (figur 4). At sikre, at begge MOSFET'er ikke tændes på samme tid og skabe en direkte kortslutning, kræver mere kompleksitet og resulterer i større og dyrere IC'er.

Figur 4: IC-blokdiagram for synkron buck-konvertering, der viser de to integrerede MOSFET'er (ved siden af stiften mærket 'SW') og det tilføjede Driver / anti-cross-ledningskredsløb. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Selvom pulsbreddemodulationsstyrede synkrone buck-konverter er mere effektive under moderat eller fuld belastning, leverer asynkrone buck-konvertere ofte højere konverteringseffektiviteter under lette belastningsforhold. Dette bliver imidlertid mindre og mindre tilfældet, da de seneste implementeringer af synkron buck-konverter inkluderer flere driftstilstande, der gør det muligt for designere at optimere effektivitet med lav belastning.

Synkron buck til 5 volt og 12 volt strømfordeling

For designere, der bruger 5 og 12 volt strømfordeling i forbrugsprodukter og hvidevarer, tilbyder Diodes, Inc. AP62600, en 6 ampere (A) synkron buck-konverter med et bredt inputområde på 4,5 til 18 volt. Enheden integrerer en MOSFET med høj sideeffekt på 36 milliohm (mΩ) og en MOSFET med en lav effekt på 14 mΩ for at tilvejebringe højeffektiv nedstrøms DC/DC-konvertering.

AP62600 har brug for minimale eksterne komponenter som et resultat af dens konstant on-time (COT) kontrol. Det leverer også en hurtig forbigående reaktion, nem loopstabilisering og lav udgangsspænding. AP62600-designet er optimeret til EMI-reduktion (elektromagnetisk interferens). Enheden har en proprietær gate driver-ordning, der modstår at skifte node-ringning uden at ofre MOSFET on- og off-tid, hvilket reducerer højfrekvent udstrålet EMI forårsaget af MOSFET-skift. Enheden fås i en V-QFN2030-12 (type A) pakke.

Der er en power-good indikator, der advarer brugerne om eventuelle fejltilstande, der måtte opstå. En programmerbar soft-start-tilstand styrer startstrømmen ved opstart, hvilket gør det muligt for designere at implementere strømsekventering, når de bruger flere AP62600s til at levere store integrerede enheder, såsom FPGA'er (Field Programmable Gate Arrays), applikationsspecifikke IC'er (ASIC'er), digitale signalprocessorer (DSP'er) og mikroprocessorenheder (MPU'er).

AP62600 giver designere et valg mellem tre driftsformer for at imødekomme de specifikke behov for individuelle applikationer (figur 5). Høj effektivitet kan realiseres på tværs af alle belastninger med PFM-drift (pulserende frekvensmodulation). Andre tilgængelige tilstande inkluderer pulsbreddemodulation (PWM) for at få den bedste rippleydelse og en ultralydstilstand (USM), som undgår hørbar støj ved lette belastninger.

Figur 5: AP62600 giver designere et valg mellem tre driftsformer for at imødekomme behovene i individuelle applikationer: PFM, USM og PWM. (Billedkilde: Diodes, Inc.)

For at hjælpe designere med at begynde at bruge AP62600 tilbyder Diodes, Inc. AP62600SJ-EVM evalueringskort (figur 6). AP62600SJ-EVM har et enkelt layout og giver adgang til de relevante signaler gennem testpunkter.

Figur 6: AP62600SJ-EVM-evalueringskortet giver et enkelt og praktisk evalueringsmiljø til AP62600. (Billedkilde: DigiKey)

Synkron buck til 24 volt busser

Det L6983CQTR fra STMicroelectronics har et 3,5 til 38 volt inputområde og leverer op til 3 A udgangsstrøm. Designere kan bruge L6983 i en lang række applikationer, herunder 24 volt industrielle energisystemer, 24 volt batteridrevet udstyr, decentrale intelligente noder, sensorer og applikationer, der altid er tændt og støjsvage.

L6983 er baseret på en topstrømstilstandsarkitektur med intern kompensation og er pakket i en 3 mm x 3 mm QFN16, hvorved designkompleksitet og størrelse minimeres. L6983 er tilgængelig både i versioner med lavt forbrugstilstand (LCM) og lavt støjniveau (LNM). LCM maksimerer effektiviteten ved lette belastninger med kontrolleret udgangsspænding, hvilket gør enheden egnet til batteridrevne applikationer. LNM gør switch-frekvensen konstant og minimerer udgangsspændingens krusning til lette belastningsoperationer og imødekommer specifikationen for applikationer følsomme overfor støj. L6983 gør det muligt at vælge switch-frekvensen i området 200 kilohertz (kHz) til 2,3 megahertz (MHz) med valgfrit spredningsspektrum for forbedret EMC.

STMicroelectronics tilbyder STEVAL-ISA209V1 evalueringskort, der gør det muligt for designere at udforske funktionerne i den synkron monolitiske regulator L6983 og starte deres design.

Synkron buck-controller til design af computere og telekommunikation

NCP1034DR2G fra ON Semiconductor er en højspændings PWM-controller designet til højtydende synkron buck DC/DC-applikationer med indgangsspændinger op til 100 volt. Denne enhed er designet til brug i 48 volt ikke-isoleret strømkonvertering i indlejrede telekommunikations-, netværks- og computerapplikationer. NCP1034 føder et par eksterne N−kanal MOSFET'er som vist i figur 7.

Figur 7: Typisk applikationskredsløb til NCP1036 synkron buck controller IC, der viser MOSFETS på høj og lav side (henholdsvis Q1 og Q2). (Billedkilde: ON Semiconductor)

NCP1036 har en programmerbar switch-frekvens fra 25 kHz til 500 kHz og en synkroniseringsstift, der gør det muligt at styre switch-frekvensen eksternt. Tilvejebringelse af begge disse frekvensstyringer gør det muligt for designere at vælge den optimale værdi for hver specifik applikation og synkronisere driften af flere NCP1034-controllere. Enheden inkluderer også programmerbar underspænding og beskyttelse af hickup strømgrænse. Til lavspændingsdesign kan en internt trimmet 1,25 volt referencespænding bruges til mere præcis regulering af udgangsspænding.

Fire underspændings låsekredse er inkluderet for at beskytte både enheden og systemet. Tre er dedikeret til specifikke funktioner; to beskytter de eksterne drivere til høj og lav side, og en beskytter IC mod at starte for tidligt, før VCC er under en indstillet tærskel. Det fjerde underspændingsl åsekredsløb kan programmeres af designeren ved hjælp af en ekstern modstandsdeler: Så længe VCC er under den brugerindstillede tærskelværdi, forbliver controlleren slukket.

For at hjælpe designere i gang med at bruge NCP1034 tilbyder ON Semiconductor NCP1034BCK5VGEVB evalueringskort (figur 8). Dette evalueringskort blev designet med flere muligheder for at understøtte en række systembehov. Der er en lineær regulator, der driver IC, og designeren kan vælge, om den gør det ved hjælp af enten en Zener-diode eller en højspændingstransistor ved at vælge den passende modstand. Designere har også et valg af kompensation for anden type (spændingstilstand) eller tredje type (strømtilstand), valgbare keramiske eller elektrolytiske udgangskondensatorer og forskellige kapacitansværdier for indgang. Der er to hovedstifter: En til nem tilslutning til en ekstern synkroniseringsimpuls kilde, så kortet kan tilsluttes direkte til det andet NCP1034 demo-kort; den anden til at oprette forbindelse til SS/SD-stiften, der kan bruges til at lukke controlleren ved at slutte den til jorden.

Figur 8: NCP1034BCK5VGEVB eval board indeholder flere muligheder for at hjælpe designere med hurtigt at starte nye designs. (Billedkilde: DigiKey)

Konklusion

Behovet for at nedskære høje busspændinger til lavere spændinger til strøm IC'er og andre belastninger er i stigende grad påkrævet på tværs af en række forskellige systemer, herunder bilindustrien, industriel automatisering, telekommunikation, computing, hvidevarer og forbrugerelektronik.

Som vist kan designere henvende sig til synkrone buck-strømkonverter for at implementere denne nedkonvertering med maksimal effektivitet, minimal termisk belastning til lave omkostninger og med den mindst mulige løsningsstørrelse.

Anbefalet læsning

1. Non-synkron buck-konvertere tilbyder højere effektivitet ved lettere belastninger
2. Generering af flere udgange fra en enkelt synkron buck-konverter er enkel