česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 09. prosinec 2021

Účinný měnič se spínanými kapacitami, vysokou hustotou, a hlavně výkonem

DPS 3/2018 | Součástky - články
Autor: Jian Li, Jeff Zhang, Ya Liu a Marvin Macairan, Analog Devices

Výkonovou hustotu DC/DC měničů obvykle omezují rozměrné magnetické prvky, a to zejména v aplikacích s poměrně vysokým napětím na vstupu i výstupu. Velikost indukčnosti nebo transformátoru sice dokážeme snížit z titulu rostoucího spínacího kmitočtu, avšak za cenu klesající účinnosti měniče spojené se ztrátami při spínání. V lepším případě se pak magnetických obvodů zbavíme úplně, a využijeme přitom topologie měniče bez indukčností, tzn. se spínanými kapacitami, známé též jako nábojová pumpa. Nábojové pumpy dokáží bez negativního vlivu na dosahovanou účinnost navýšit hustotu výkonu v porovnání s klasickými měniči až desetinásobně. Ukládání a také přenos energie ze vstupu na výstup zde místo indukčnosti zajišťují kondenzátory CFLY. Navzdory všem výhodám návrhů s nábojovou pumpou však bude použití měničů se spínanými kapacitami zpravidla omezováno na aplikace s nízkou spotřebou. Důvodem jsou otázky spojené s náběhem napájení, ochranou, buzením hradla a také samotnou regulací.

Účinný měnič se spínanými kapacitami, vysokou hustotou, a hlavně výkonem

Integrovaný obvod LTC®7820 pro ovládání spínaných kapacit oproti tomu zvládá vyšší napětí, stejně tak i výkony, pracuje s pevným poměrem, a těží přitom z malého a také levného řešení určeného do výkonových aplikací s dílčími sběrnicemi bez galvanického oddělení a s ochranou proti poruše. Z vlastností obvodu LTC7820 vybíráme:

  • malé rozměry, vysokou hustotu výkonu a schopnost dosáhnout více než 500 W
  • maximální vstupní napětí pro napěťový dělič (2:1) 72 V
  • maximální vstupní napětí pro zdvojovač (1:2) nebo invertor (1:1) 36 V
  • široký napájecí rozsah VCC od 6 V až do 72 V
  • tlumené spínání se špičkovou účinností 99 % a nízkými EMI
  • pozvolný náběh do ustáleného stavu
  • snímání vstupního proudu a nadproudovou ochranu
  • integrované budiče hradel
  • ochranu pro případ zkratu na výstupu, přepětí či podpětí s nastavitelným časovačem a možností opakování
  • pouzdro typu QFN o rozměrech 4 × 5 mm s 28 vývody a teplotně rozšířenou působností

Ze 48 V na 24 V / 20 A a s hustotou výkonu 4000 W/in3

Zapojení s napěťovým děličem vystavěným na obvodu LTC7820, který na svém výstupu zajistí 480 W, vidíme na obr. 1. Vstupní napětí zde činí 48 V, zatímco na výstupu dostáváme 24 V při uvážení zatěžovacího proudu až 20 A. K zajištění funkce zde poslouží šestnáct keramických kondenzátorů CFLY s kapacitou 10 μF (velikost 1210). Řešení o rozměrech zhruba 23 × 16,5 × 5 mm zachycuje obr. 2. Výkonová hustota dosahuje celých 4000 W/in3.

Vysoce účinné

Protože v zapojení nemáme jedinou indukčnost, všechny čtyři MOSFETy budou spínat „měkce“, čímž do značné míry snižujeme ztráty spojované se spínáním. Jak vidíme na obr. 3, měnič může vykazovat vysokou účinnost – špičkově 99,3 % a při plném zatížení pak 98,4 %. Snímek z termokamery na obr. 4 už jen dokládá vyrovnaný návrh i v této oblasti, kdy při teplotě okolí 23 °C bez vynuceného proudění vzduchu obdržíme teplotu v horkém místě přibližně 82,3 °C.

Účinný měnič se spínanými kapacitami, vysokou hustotou, a hlavně výkonem 1

Vyvážit znamená předcházet špičkám

Kromě strhující účinnosti a také teplotních charakteristik obvody LTC7820 nabídnou rovněž chráněný postup, kdy nejprve dochází k vyvážení (pre‑balance) s cílem minimalizovat v aplikacích s děliči napětí nárazové proudy. Regulační obvod LTC7820 sleduje před spínáním napětí na vývodu VLOW SENSE a v rámci své struktury je porovnává s VHIGH SENSE/2. Bude‑li napětí na pinu VLOW SENSE výrazně nižší než VHIGH SENSE/2, proudový zdroj dodá vývodu VLOW proud o velikosti 93 mA za účelem jeho navýšení. Dostáváme‑li zase na vývodu VLOW SENSE napětí mnohem vyšší, než je VHIGH SENSE/2, vstupuje do hry další proudový zdroj – nora odbírající z VLOW 50 mA s cílem stáhnout vše níže. Pokud však máme napětí na VLOW SENSE poblíž úrovně VHIGH SENSE/2, tzn. V rámci předem definovaného okna, není aktivní ani jeden z proudových zdrojů a obvod LTC7820 začíná spínat.

Na obr. 5 si povšimněte mimořádně velkých proudových špiček, které se na vstupu vyskytují při rozběhu bez předchozího vyvážení. Budou totiž bohatě stačit k poškození MOSFETů a také kondenzátorů. To na obr. 6 již nepozorujeme žádné nárazové průtoky, protože jsme poměry dopředu vyrovnali.

Účinný měnič se spínanými kapacitami, vysokou hustotou, a hlavně výkonem 2

Pevná odezva na změnu zátěže

Navzdory tomu, že napěťový dělič vystavěný s obvody LTC7820 vystupuje jako měnič s otevřenou smyčkou, jeho odezva na změny zátěže bude z důvodu vysoké účinnosti opravdu vyrovnaná. Při plném zatížení totiž výstupní napětí dle obr. 7 poklesne pouze o 1,7 %.

Účinný měnič se spínanými kapacitami, vysokou hustotou, a hlavně výkonem 3

Ochranné prvky

K zajištění vysoké spolehlivosti měniče nezapomínají obvody LTC7820 ani na nezbytné ochrany. Nadproudovou pojistku bude řešit rezistor snímající na straně s vyšším napětím. Precizní komparátor typu rail‑to‑rail pak sleduje rozdílové napětí mezi vývody ISENSE+ a ISENSE– s Kelvinovým propojením se snímacím rezistorem. Dostaneme‑li napětí na ISENSE+ o 50 mV větší, než je ISENSE–, aktivuje se nadproudová ochrana, vývod FAULT bude stažen k zemi a obvod LTC7820 přestává spínat a v závislosti na nastavení pinu TIMER vstupuje do režimu Retry.

Další ochranu nám zprostředkovává okénkový komparátor OV/UV. Za běžného provozu by se mělo napětí na VLOW SENSE blížit polovině VHIGH SENSE. Okénkový komparátor tedy sleduje VLOW SENSE a porovnává je s VHIGH SENSE/2. Napětí hysterezního okna lze nastavit a bude zde rovno napětí na vývodu HYS_PRGM. Pokud tedy k pinu HYS_PRGM zapojíme rezistor o velikosti 100 k, musí pro případ spouštění a také běžného provozu zůstat napětí VHIGH SENSE/2 uvnitř okna VLOW SENSE ±1 V. V opačném případě je vyhlášena chyba a obvod LTC7820 spínat přestane.

Závěr

V článku jsme představili obvod LTC7820, regulační prvek se spínanými kapacitami, pracující s pevným poměrem, vyšším napětím a stejně tak i výkony. Bez potřeby jakékoli indukčnosti vyhovuje požadavkům na hustotu výkonu sběrnicových měničů, výkonných systémů distribuovaného napájení, komunikačních systémů a také průmyslových aplikací.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik