Силовая электроника №6'2012

Источник питания как единое целое с нагрузкой

Андервуд Стив (Steve Underwood)


Перевод:
Анищенко Любовь


Распространенное семейство вторичных источников питания называют Point-to-Load, или же POL-источники. POL-источник может иметь любую топологию; идея в том, что он находится близко к нагрузке, то есть интегрирован на печатную плату и расположен близко к потребляющему большой ток узлу, например процессору. Такое решение целесообразно, когда токи питания большие, а напряжения маленькие, и падение напряжения на длинных шинах питания оказывается существенным. В подавляющем большинстве случаев POL-источник представляет собой простейший импульсный понижающий DC/DC-преобразователь без гальванической развязки, имеющий высокий КПД и минимальное количество элементов в конструкции.

Немного теории

Пример реализации POL-источника питания на модуле UVT020 от GE Energy показан на рис. 1. Выходное напряжение программируется внешними элементами в диапазоне 0,6–5,5 В, максимальный выходной ток составляет 20 А, размеры модуля 9×11×20 мм. Чтобы компенсировать падение напряжения на линиях между модулем и нагрузкой, цепь обратной связи имеет отдельный вход, напряжение на который можно подавать непосредственно со входных контактов нагрузки. Эффективно преобразовывать низкие напряжения при больших токах возможно только с использованием синхронных ключей, как показано на схеме простейшего импульсного понижающего преобразователя (рис. 2). Падение напряжений на открытых IGBT при токах в десятки ампер составляет сотни милливольт, в то время как падение на диоде было бы порядка 1 В. Контроллер (на схеме не показан) переключает верхний ключ с высокой частотой и отношением времени закрытого состояния ко времени открытого приблизительно равным отношению Vin/Vout. Нижний ключ открывается в моменты, когда напряжение на нем становится отрицательным, функционирующий таким образом транзистор иногда называют идеальным диодом. Больших выбросов высокочастотных помех при переключении ключей в данной схеме не возникает, благодаря чему ее можно использовать без дополнительных фильтров на входе и выходе, таких как синфазные трансформаторы и конденсаторы подавления ЭМП. Более того, индуктивность и конденсатор в преобразователе допустимо рассматривать не как элементы, в которых накапливается энергия, а как LC-фильтр с ШИМ-сигналом на входе, и, исходя из этой модели, получать верные расчетные значения напряжения в нагрузке.

 Типовая схема включения модуля UVT020

Рис. 1. Типовая схема включения модуля UVT020


 Устройство простейшего понижающего DC/DC-преобразователя

Рис. 2. Устройство простейшего понижающего DC/DC-преобразователя

Обзор некоторых моделей POL-преобразователей

Показанный на рис. 3 преобразователь хоть и не является самым современным, но удовлетворяет потребностям многих разработчиков и продолжает успешно выпускаться. Он выполнен в виде печатной платы, нижняя сторона которой имеет контактные площадки для поверхностного монтажа на плату потребителя. По расположению на плате основных элементов DC/DC-преобразователя можно определить их функции. В правой части расположены контакты входа. Рядом с ними керамические конденсаторы для подавления пульсаций входной цепи, затем два силовых транзистора, дроссель и керамические конденсаторы (рядом с выходными контактами в левой части платы). Управляющая ключами логика «спрятана» под дросселем. Электрическая мощность в данной конструкции передается от правого края платы к левому. Применение керамических конденсаторов обусловлено тем, что они, во-первых, имеют почти неограниченный по сравнению с электролитическими срок службы, во-вторых, способны пропускать большие пульсирующие токи при малых габаритах. Все компоненты охлаждаются атмосферным воздухом, радиаторы не применяются. Преобразователь существует в версиях с выходным током 6, 10 и 16 А. Интересной особенностью является диод, установленный параллельно нижнему ключу. Дело в том, что точно подобрать момент переключения синхронного ключа сложно. Открывшись чуть раньше, нижний ключ вместе с еще не закрывшимся верхним приведет к короткому замыканию входного напряжения на землю. Запаздывание открытия нижнего ключа будет сопровождаться возникновением на нем большого падения напряжения и выделением тепловой мощности. В данной схеме нижний ключ переключается с запаздыванием, а стоящий параллельно диод пропускает ток, пока ключ еще не открыт.

 Пример DC/DC POL-преобразователя

Рис. 3. Пример DC/DC POL-преобразователя

На рис. 4 показан другой преобразователь с похожей конструкцией. Наклейка, закрывавшая от посторонних глаз катушку индуктивности, удалена, и можно видеть обмотку, выполненную медной лентой с прямоугольным сечением. Одно из физических ограничений для конструкции трансформатора — омическое сопротивление обмотки. Обмотка с прямоугольным сечением заполняет просвет магнитопровода более эффективно и, по сравнению с традиционной круглой проволокой, позволяет получить большее поперечное сечение витка при прочих равных условиях. Помимо этого, плоское сечение провода снижает влияние скин-эффекта.

 Обмотка дросселя выполнена лентой с прямоугольным сечением

Рис. 4. Обмотка дросселя выполнена лентой с прямоугольным сечением

Оба преобразователя существуют на рынке уже 10 лет. На рис. 5 (для иллюстрации прогресса силовой полупроводниковой техники за минувшее десятилетие) показан старый преобразователь с выходным током 16 А на фоне одного из самых современных с выходным током 20 А.

 Устаревший преобразователь с выходным током 16 А на фоне современного преобразователя с выходным током 20 А

Рис. 5. Устаревший преобразователь с выходным током 16 А на фоне современного преобразователя с выходным током 20 А

Современные понижающие DC/DC POL-преобразователи

Запросы, которые рынок ставит перед производителями импульсных источников питания, были, есть и будут одни и те же: увеличение удельной мощности на единицу площади платы, повышение эффективности, высокая надежность и. конечно же, низкая стоимость. Некоторые из требований коррелируют друг с другом: увеличение эффективности означает меньшее тепловыделение, меньшую площадь радиаторов и, как следствие, возможность уменьшить линейные размеры, т. е. увеличить удельную мощность. Другие могут быть противоречивы: так, увеличение надежности и увеличение удельной мощности требуют изменения конструкции преобразователя противоположным образом. Как бы там ни было, усовершенствование преобразователей требует внедрения новых технологий и новых конструктивных решений.

На протяжении всего времени существования импульсных преобразователей их рабочие частоты увеличиваются, происходит это главным образом благодаря эволюции силовых полупроводников. Показанный на рис. 1, 6, 9 и 11 преобразователь UVT020 работает на фиксированной частоте 500 кГц. Увеличение частоты повышает потери на перемагничивание сердечника индуктивности и одновременно позволяет снизить число витков, а вместе с ним сопротивление обмотки и потери на нагрев. С увеличением частоты увеличиваются потери при переключении. В рассматриваемых низковольтных преобразователях потери на переключение не велики по сравнению со статическими потерями, вызванными постоянным падением напряжения на силовых ключах, обмотках и всех остальных полупроводниках. Результат этого компромисса в том, что увеличение частоты оказывается выгодным.

 Внешний вид преобразователя UVT020 GE

Рис. 6. Внешний вид преобразователя UVT020 GE

Форма сердечника индуктивности в современных импульсных понижающих DC/DC- преобразователях не похожа на ставшую классической Ш-образную. Энергия запасается внутри сердечника, поэтому чем больше физический объем сердечника, тем больше энергии он может передать в нагрузку за один рабочий цикл. В качестве примера удачной конструкции можно привести вынесенный над платой и заслоняющий собой ее большую часть сердечник преобразователя UVT020. Чем больше запасаемая в сердечнике энергия, тем больше индуктивность одного витка обмотки. В современных преобразователях обмотка может состоять из нескольких и даже одного витка. При этом «обмотка» теряет свой привычный вид: из намотанного на каркас лакированного обмоточного провода она превращается в штампованную металлическую деталь в форме скобы, просунутой в окно сердечника. Пайка такой скобы-обмотки к участкам сплошной металлизации на плате позволяет ее эффективно охлаждать, проблема межвитковых замыканий уходит в прошлое.

Следующий шаг по сокращению площади платы преобразователя — это применение микросхемы-контроллера, требующей минимума внешних элементов. Чем меньше дискретных элементов, тем меньше площадь платы и тем больше среднее время наработки на отказ, поскольку каждый дополнительный компонент и каждая точка пайки вносят свой маленький вклад в показатель отказов. Монтаж платы преобразователя на плату пользователя как SMD-компонента, без использования выводов, проводов и разъемов, оказался очень удачным решением. Увеличилась механическая прочность соединения, его паразитическая индуктивность и сопротивление стали близки к нулю, а коэффициент теплового расширения стеклотекстолита, из которого сделана плата преобразователя, в точности равен коэффициенту теплового расширения стеклотекстолита, из которого сделана плата пользователя.

Эти решения и технологии, будучи применены в преобразователе UVT020, позволили, по сравнению с более ранней моделью преобразователя ATH010 со сходными параметрами, увеличить выходной ток с 16 до 20 А (на 25%) при одновременном сокращении площади платы на 45%. При этом количество элементов сократилось с 52 до 29. Современные методы анализа позволяют спрогнозировать среднее время наработки на отказ. Расчет по алгоритму Telecordia SR-332 метод 1 случай 3 для преобразователя ATH010 при токе 10 А и температуре окружающей среды +25 °С дает значение 15 726 000 ч. Расчет по тому же алгоритму для преобразователя UVT020 при токе 16 А и температуре окружающей среды +40 °С дает значение 15 455 614 ч. Удивительным является то, что во втором случае преобразуется мощность на 60% больше, чем в первом, на плате, площадь которой меньше на 45%, при более высокой температуре окружающей среды, а значения времени наработки на отказ для обоих преобразователей оказываются одинаковы! Весь фокус — в меньшем количестве элементов.

DC/DC POL-преобразователь в принципиальной схеме электронного устройства

Как правило, разработчики для увеличения стабильности цепей питания устанавливают дополнительные конденсаторы на входе и выходе DC/DC POL-модулей. Входной ток DC/DC-преобразователя не постоянный, он возрастает до значения выходного тока, когда верхний ключ открыт, и падает до нуля, когда верхний ключ закрыт, из-за этого на его входных клеммах всегда есть пульсации напряжения. Чем больше емкость дополнительных конденсаторов, тем меньше пульсации, однако когда их емкость оказывается больше некоторого значения, использование LC-фильтра дает больший эффект, чем дальнейшее увеличение одной только емкости. Дополнительные конденсаторы на выходе DC/DC-преобразователя ставят исходя из двух соображений: во-первых, на выходе преобразователя присутствуют пульсации от переключения его силовых ключей, а во-вторых, ток, потребляемый нагрузкой, может также быть пульсирующим. В большинстве случаев конечной целью является сокращение амплитуды пульсаций до 2–3% от уровня напряжения. Влияние конденсаторов различного номинала на амплитуду пульсации напряжения в выходной цепи преобразователя UVT020 показано на графике (рис. 7).

 Графики зависимости пульсаций выходного напряжения от емкости дополнительного внешнего конденсатора

Рис. 7. Графики зависимости пульсаций выходного напряжения от емкости дополнительного внешнего конденсатора (преобразователь UVT020, напряжение питания 12 В)

Чем больше рабочая частота DC/DC-преобразователя, тем меньше требуется номинал дополнительных конденсаторов или индуктивности в LC-фильтре, меньше их габариты и стоимость. Рабочая частота преобразователя UVT020 фиксирована и составляет 500 кГц, производитель поднял ее до этого уровня с 250 кГц у аналогичных преобразователей предыдущего семейства.

Другой плюс высокой рабочей частоты — в более быстром отклике преобразователя на изменение тока нагрузки. Чтобы увеличить или уменьшить выходной ток, преобразователь должен изменить значение рабочего цикла, т. е. отношение времени, когда верхний ключ открыт, ко времени, когда он закрыт. Поэтому характерное время, спустя которое можно ждать от преобразователя изменения параметров работы в ответ на изменившиеся параметры нагрузки, — это время одного рабочего цикла. Для частоты 250 кГц оно составляет 1/250 кГц = 4 мкс.

В реальности импульсные преобразователи отвечают на изменение тока нагрузки значительно медленнее, чем в приведенной оценке. Быстрое увеличение тока нагрузки вызывает кратковременное падение напряжения на выходе, а быстрое уменьшение — выброс. Дополнительный конденсатор на выходе, с одной стороны, сглаживает эти скачки, но с другой — он-то и является причиной, по которой обратная связь в преобразователе работает с задержкой. Чем больше дополнительный конденсатор, тем медленнее на нем изменяется напряжение при изменении тока нагрузки и, стало быть, медленнее работает обратная связь преобразователя. Интегрированные в POL-источниках питания конденсаторы очень небольшие, внешние дополнительные конденсаторы могут превышать их номинал на два порядка. Если рассматривать выходной конденсатор как фильтр на входе цепи обратной связи, то получится, что быстродействие обратной связи может уменьшаться в 100 раз. Когда нагрузкой служат светодиоды или любой другой прибор с постоянным потреблением, проблема быстродействия обратной связи пропадает. Для всех остальных случаев инженеры GE Energy придумали специальную, настраиваемую внешними элементами обратную связь. На схемах включения преобразователя UVT020 (рис. 1, 11) можно видеть вход TRIM, подключенный через RC-ячейку Ctune Rtune. Варьируя значения этих элементов, можно настраивать скорость отклика преобразователя на изменение выходного тока. Таким образом, разработчик получает возможность использовать внешний конденсатор и одновременно сохранить быстродействие обратной связи преобразователя. Результатом является уменьшение необходимой емкости дополнительного конденсатора.

DC/DC POL-преобразователь на печатной плате в составе электронного устройства

Для конечного пользователя электронного устройства высокий КПД преобразователей в его составе означает меньшее энергопотребление, большее время автономной работы от аккумулятора, меньшие счета за электроэнергию и сокращение выбросов CO2 в атмосферу. Для инженера КПД источников питания — это, прежде всего, не процент эффективно использованной энергии, а процент пропавшей — той, которая превратилась в тепло, которое нужно как-то отводить.

Различные компоненты в составе DC/DC-преобразователя накладывают разные ограничения на максимальную рабочую температуру. Для ферритов температура Кюри составляет порядка 220 градусов. Выше этой температуры магнитные домены настолько подвижны, что перестают ориентироваться вдоль линий магнитного поля. Феррит превращается в парамагнетик с магнитной проницаемостью немногим больше единицы. Индуктивность дросселя падает на много порядков, провод обмотки становится просто короткозамкнутой перемычкой. Максимальная рабочая температура для полупроводников составляет +150 °С. Чтобы поддерживать температуру полупроводникового кристалла на таком уровне, с учетом теплового сопротивления «кристалл–подложка» и «подложка–окружающая среда», температура корпуса элемента должна быть +120 °С, а температура платы преобразователя — еще ниже. Неприятный эффект состоит в том, что с ростом температуры электрическое сопротивление и медных проводников, и каналов силовых транзисторов увеличивается, то есть КПД преобразователя падает, и он начинает нагреваться быстрее. Проблема отвода тепла для POL-преобразователей стоит особенно остро, поскольку они имеют малые габариты, не имеют радиаторов и работают в тесном соседстве с другими элементами электронного устройства, которые также выделяют тепло и нагревают окружающий воздух.

Охлаждение модулей POL-преобразователей происходит всеми возможными путями. Элементы на плате располагаются таким образом, что слабые конвекционные потоки воздуха уносят с их поверхностей максимум тепла. При наличии принудительного обдува занимающий значительную часть конструкции дроссель может служить радиатором. Толстые проводники обмотки отводят тепло от участков металлизации на плате и рассеивают его. Печатная плата преобразователя проектируется таким образом, что ее охлаждение может осуществляться за счет отвода тепла в плату устройства, на которой преобразователь установлен. Контактные площадки расположенных на верхней части платы силовых транзисторов сшиты переходными отверстиями с контактными площадками на нижней стороне платы, которые припаяны к участкам металлизации на плате электронного устройства (рис. 8). Переходные отверстия хорошо проводят тепло, поскольку толщина металла на их стенках много больше толщины металлизации на плате (распространенное значение 100 мкм при толщине металлизации 18 мкм).

 Охлаждение модуля UVT020 атмосферным воздухом и через контактные площадки платы

Рис. 8. Охлаждение модуля UVT020 атмосферным воздухом и через контактные площадки платы

Некоторые особенности конструкции преобразователей GE Energy

В простейшем случае понижающий DC/DC-преобразователь имеет всего три контакта: вход, выход и общую землю. В качестве дополнительных интерфейсов могут присутствовать отдельный вход для напряжения обратной связи, вход выключения, выход «напряжение в норме». Иногда земля входа и земля выхода могут быть разными, но электрически соединенными внутри преобразователя контактами. Как можно видеть на рис. 9, преобразователь UVT020 имеет 17 контактных площадок. Некоторые из них используются при испытаниях преобразователя во время производства и не несут полезных для пользователя функций. Часть контактов предназначена для сохранения совместимости с преобразователем UDT020, имеющим цифровой интерфейс для диагностики и управления. Цифровая и аналоговая версии преобразователя выпускаются в одинаковых взаимозаменяемых корпусах. Преобразователь без цифрового интерфейса, оказавшись на месте цифрового, сможет работать в обычном режиме, с той разницей, что последовательного интерфейса данных в нем нет (рис. 10).

 Контактная площадка LGA (Land Greed Array) модуля UVT020

Рис. 9. Контактная площадка LGA (Land Greed Array) модуля UVT020


 Совместимость контактных площадок модуля

Рис. 10. Совместимость контактных площадок модуля на 12 А без цифрового интерфейса и модуля на 20 А с цифровым интерфейсом

Буква D в обозначении UDT020 означает Digital, цифровой. Посредством цифрового интерфейса из преобразователя можно считывать данные о входном и выходном напряжении, токе нагрузки, температуре. Возможность считывать температуру преобразователя становится очень интересна, когда на плате их установлено больше одного. Из разницы в температурах можно делать выводы об эффективности охлаждения разных частей платы, ошибках в конструкции системы охлаждения. Имеется функция установки порогового тока нагрузки, при превышении которого преобразователь выставляет флаг на сигнальном выходе. Это может использоваться для отслеживания активности нагрузки. Типовая схема включения преобразователя UDT020 показана на рис. 11. Адресные входы ADDR0 и ADDR1 при помощи двух резисторов с разными номиналами позволяют задавать для модуля один из 64 адресов.

 Типовая схема включения преобразователя с цифровым интерфейсом PMBus

Рис. 11. Типовая схема включения преобразователя с цифровым интерфейсом PMBus

Преобразователи GE Energy — выбор профессионалов

Выбирая DC/DC-преобразователь одного из лидеров рынка, вы приобретаете результат многолетней работы лучших инженеров и конструкторов. GE Energy постоянно следит за веяниями рынка и потребностями разработчиков и предлагает продукты, отвечающие самым строгим требованиям. Все компоненты, используемые в составе преобразователей, проходят перед применением в серийном модуле тщательный контроль и испытания. Компания не делает преобразователи как отдельные элементы, устанавливаемые на пустую плату, для демонстрации великолепных характеристик в лабораторных условиях: преобразователи GE Energy создаются для использования в реальных электронных устройствах, с учетом всех типичных сложностей при разработке и условий эксплуатации.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_06_72.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо