Разпределено токозахранване

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2008

Отмина времето, когато стабилизираните постоянни напрежения се създаваха само в един блок (Centralized Power Architecture) на електронните апаратури и не се обръщаше сериозно внимание на консумираната електроенергия. Днес многократно увеличената и продължаваща да нараства тяхна сложност заедно с все по-голямото им количество във  всички сфери на човешката дейност постави остро въпроса за получаването на малки стабилизирани напрежения и големи токове при минимални загуби на енергия. Ефективен начин за това е всеки блок на апаратурата (и дори на интегралните схеми в нея) да работи с минимално възможното си захранващо напрежение. Това определя необходимостта от множество напрежения, надхвърлящи в някои случаи 6, част от които допълнително се променят в процеса на работа. Разпределеното захранване осигурява тези напрежения и стабилизацията им без това да са единствените изисквания към него. За намаляване на разсейваната мощност върху захранването то трябва да има колкото е възможно по-голям коефициент на полезно действие. Производствените толеранси на напреженията трябва да са малки, както и размерите и цената захранването. Освен всичко това все повече блокове на апаратури изискват при промяна на консумирания от тях ток преходният процес на възстановяване на захранващото ги напрежение да е максимално къс и с минимален отскок. И не на последно място твърде много са случаите, когато задължително трябва да се спазва определена последователност на установяване на напреженията при включване на апаратурата, а понякога и на тяхното отпадане при изключването й.
В статията се разглеждат разновидностите на разпределеното захранване заедно с ИС и модули за реализацията им.

Видове разпределено захранване
Първото исторически появило се разпределено захранване, известно като класическа структура (Distributed Power Architecture, DPA) е дадено на фиг. 1а. Нестабилизираното постоянно напрежение VIN се получава от мрежов токоизправител или акумулатор и постъпва на входовете на всички ключови стабилизатори с галванично разделяне на изхода от входа (Isolated DC/DC) IDC, всеки от които осигурява едно от стабилизираните постоянни напрежения Vo1 – Von. Приложенията на DPA са при неголям брой на стабилизираните напрежения и когато няма строги изисквания към размерите и цената на апаратурата.
Структурата с междинна шина (Intermediate Bus Architecture) IBA на фиг. 1б е второто поколение разпределено захранване и е най-разпространената. Наименованието й се дължи на формирането чрез предварителното стъпало (IDC) на стабилизирано напрежение VINS, което по "междинна шина" се подава на понижаващи стабилизатори за осигуряване на напреженията Vo1 – Von. На печатната платка стабилизаторите се монтират непосредствено до захранвания блок (Load), откъдето е наименованието им Point of Load (PoL). Обикновено те са ключови стабилизатори без галванично разделяне (Non-Isolated Buck DC/DC Converter), но се използват и линейни стабилизатори с малка разлика между изходното и входното напрежение (Low Drop Out) LDO. В практиката твърде често само ключовите стабилизатори се наричат PоL, а линейните носят собственото си наименование LDO, въпреки че и те се разполагат до товара.
Основните приложения на IBA са за захранване на цифрови схеми и на първо място на микропроцесори, микроконтролери, програмируеми логически матрици (FPGA), памети (особено DDR) и ИС със специфични приложения (ASIC). Това налага някои по-особени изисквания към изходните напрежения на PоL. Все по-често някои от тях трябва да са под 1 V (долната граница засега е 0,6 V) и да се променят в границите 0,5-3% (в зависимост от захранваните схеми) поради всякакви външни въздействия. Например захранващото напрежение +1,2 V на микропроцесор допуска толеранс от порядъка на ±2%, т.е. ±24 mV, а има ASIC работещи с 1V±0,5%. Когато PоL са понижаващи ключови стабилизатори изходното им напрежение е желателно да е не повече от 10 пъти по-малко от входното им VINS. Неспазването на това условие затруднява и дори може да направи невъзможно реализацията на PоL. Поради това все по-често се използват малки стойности на VINS = +12 V, а причината за това е, че коефициентът на запълване на импулсите е равен на отношението на изходното и входното им напрежение. Например при входно напрежение +5 V и изходно напрежение +0,8 V коефициентът е 0,16 и за работна честота на стабилизатора 2 MHz това означава продължителност на реалните импулси под 80 ns, докто времената на превключване на мощните MOS транзистори рядко са под 100 ns.
Последователността на включване на напреженията Vo1-Von (Sequencing) при използване на ключови стабилизатори все по-често се обединява с т. нар. следване (Tracking), което изисква всеки PоL да имат специален вход Track (фиг. 1б) Той е свързан към външно напрежение VT, което нараства плавно с определена скорост (обикновено около 0,1 V/ms). Със същата скорост нарастват и изходните напрежения на PоL, което става по два начина. Първият е Coincident Tracking и при него всички напрежения нарастват с еднаква скорост (фиг. 2а). Включването на PоL става в момента t0, а в t1 се достига номиналното напрежение Vo1 на най-нисковолтовия стабилизатор и той захранва съответния товар. По аналогичен начин в t2 се установява Vo2, а в t3 – напрежението Vо3. Вторият и по-рядко използван начин е известен като Radiometric Tracking (фиг. 2б) и при него най-малкото напрежение нараства най-бавно и всички се установяват едновременно. Този тип следване се използва в PоL на Texas Instruments. Друга възможност за следване, използвана от Linear Technology и MAXIM  е дадена на фиг. 1в. Стабилизаторът PоL3 е с най-голямо изходно напрежение и работи като водещ (Master), а останалите са водените (Slave), а действието отново съответства на фиг. 2а.
Друга характерна особеност също е свързана с използването на ключови стабилизатори като PоL. Дори когато те са еднакви реалните им работни честоти се различават поради производствените толеранси и тъй като са нелинейни устройства на общия им вход може да се получи напрежение с честота, равна на разликата на работните честоти. Например два PоL имат според каталога работна честота 300 kHz, но реално единият е с 303 kHz, а другият – със 298 kHz. Резултатът е получаване на входа, т.е. на изхода на IDC на напрежение с честота 5 kHz, което реално не може да бъде филтрирано и да попречи на нормалната работа на PоL. Това може да се избегне чрез синхронизиране на работата на всички PоL с външен генератор. Нещо повече, той може да е многофазен (има няколко изхода с дефазирани едно спрямо друго напрежения с еднаква честота), така че неизбежните напрежения на пулсациите на различните PоL частично да се компенсират. Например две синусоиди с еднаква честота и дефазирани една спрямо друга на 180° се изваждат и при равенство на амплитудите им резултатът е 0. Нерядко производителите на ИС на PоL предлагат специализирани ИС на такива генератори. Пример е четирифазният генератор LТС6902 на Linear Technology, предназначен за PоL с четири ИС LTM4601.
Няколко са основните предимства на IBA. На първо място омичното съпротивление на много късите проводници между PoL и товара реално не влияе – напрежението върху товара е практически равно на това на изхода на PoL и остава постоянно при промени на тока. Късите проводници имат пренебрежимо малка собствена индуктивност, която не предизвиква нежелано удължаване на преходните процеси. Важно предимство на IBA спрямо DPA е лесното осигуряване на желана последователност на установяване на напреженията Vo1-Von. И не на последно място значително по-малка е вероятността от нежелано влияние между товарите през захранването.
За намаляване на разсейваната мощност може предварителното стъпало да бъде понижаващ стабилизатор преобразувател на постоянно в постоянно напрежение без стабилизация на VINS, което е предпоставка за по-малки размери, по-голям к.п.д. и по-ниска цена. Обикновено той се означава като Isolated m:1 Converter, където m = VIN/VINS показва колко пъти намалява напрежението и има стойности между 1 и 32 (типични от 4 до 7). Използва се и наименованието Intermediate Bus Converter (IBC), при което отношението VINS/VIN се отбелязва с К и се нарича K Factor или Transformation Ratio (например К=1/5). Схемата на този тип захранване е аналогична на фиг. 1б, а наименованието е структура с нестабилизирана междинна шина (Unregulated IBA) UIBA. При използването на структурата и проектирането на нейните PoL трябва да се има предвид, че Vo може да са най-много 10-12 пъти по-малки от VINS. Характерни приложения на UIBA са за осигуряване на захранването на комуникационни и индустриални съоръжения от популярното напрежение 36-55 V.
За случаите на VIN в границите 36-72 V е подходяща структурата с частично стабилизирана междинна шина (Quasiregulated IBA) QIBA. Тя отново има схемата на фиг. 1б, но при  VIN до 55-60 V блокът IDC не стабилизира VINS, а при по-голямо VIN осигурява стабилна негова стойност около 10 V.
Едно сравнение на основните качества на четирите вида разпределено захранване е дадено в табл. 1. То се отнася за платка с цифрови сигнални процесори (DSP), консумираща мощност 80 W.
Сред многобройните проблеми при използването на PoL, независимо от тяхната схема, два са особено съществени. Първият е свързан с неизбежния отскок на стабилизираното напрежение при рязка промяна на изходния ток (фиг. 3). За намаляването му трябва на входа и изхода на PoL да има кондензатори с достатъчно голям капацитет и малко съпротивление на загубите ESR (в добрите каталози на PoL се дават подробни сведения за това). Вторият проблем е особено големият отскок на тока при включване на напрежението VINS, който може да се намали и дори отстрани чрез бавен старт (Slow Start).

Предварителни стъпала
Първата им разновидност със стабилизирано изходно напрежение няма принципни различия от класическите ключови стабилизатори с галванично разделяне, каквито се използват за тези стъпала без да има нужда от специални ИС. Не така стои въпросът със стъпалата без стабилизация, произвеждани специално за системи с разпределено захранване. Пример е серията Bus Convertor Module (BCM) на Vicor с означение B048FxxxTXX, съдържаща 11 модула. Те работят с VIN = 38-55 V, при негова стойност 48 V имат изходно напрежение между 1,5 и 48 V (ххх в означението е неговата стойност, умножена с 10), осигуряват максимална мощност върху товара между 140 и 300 W (xx е стойността й, разделена на 10), а к.п.д. е между 91,1 и 96,4%. Типичната  схема на свързване на модула е дадена на фиг. 4, но на нея не е отбелязан изходният кондензатор, чийто максимален капацитет в зависимост от модула е между 100 и 100 000 mF. Серията има разновидност от 3 модула с VIN между 330 и 365 V или от 360 до 400 V и номинално изходно напрежение 11 или 12 V.

Интегрални линейни стабилизатори
По принцип се използват масово произвеждани LDO обикновено с максималното изходно напрежение 5,5 V, а минималното в зависимост от модела е между 0,5 и 2,2V. Поради естеството на LDO и за осигуряване на достатъчно малки размери на корпуса, техният максимален изходен ток IOUT е в границите от няколко стотици mA до 5 А. Съществено предимство са много малките променливи съставки в изходното напрежение (Output Noise) VRMS, обикновено няколко десетки ?V. Това създава възможност за захранване на всякакви аналогови схеми, включително усилватели и генератори. Последното определя основните области на приложението им без да се изключват вече споменатите за PoL. Почти винаги LDO се призвеждат като серия от ИС за фиксирани VOUT и една със задаването му чрез външен делител.
В табл. 2 са дадени основните параметри на няколко LDO, особено подходящи за PoL. Буквите “хх” са цифри, различни за всяка ИС от серията, а VOUT са границите на изходното напрежение. С VDO е отбелязана минимално допустимата разлика между входното напрежение VIN и VOUT, която по принцип намалява с понижаване на IOUT. Параметърът LR е относителната промяна в % на VOUT при изменение на IOUT с 1 А. От практическа гледна точка е  полезно да се има предвид, че вече има LDO (например сериите в последните 2 реда на табл. 2) с изходен MOS транизстор, който не позволява нежелан ток от изхода към входа (Reverse Current) на ИС. Друга особеност на някои LDO, работещи с много малки VIN, е необходимостта от второ захранващо напрежение (обикновено се изначава с VBIAS) за нормалната работа на вградения усилвател на грешката. Пример е MIC47100 от табл. 2, типичното свързване на който е дадено на фиг. 5.

Интегрални ключови стабилизатори
Разделят се на 2 основни групи, първата от които включва PoL с непроменящи се в процеса на работата им параметри. Особеностите на тази група позволяват някои ИС да имат изходен ток до 25 А и сравнително лесно изводите им да се свързват успоредно за увеличаване на тока на PoL до 200 А. Не трябва да се забравя, че к.п.д., чиито големи стойности са едно от основните предимства спрямо линейните стабилизатори, зависи силно от IOUT. В подробните каталози има съответните графики, един пример за които е даден на фиг. 6. Съществено значение има и работната честота fOSC, тъй като по-големите й стойности позволяват по-малки по стойност, размери и тегло външни бобина и кондензатори. Често ИС имат извод за свързване на резистор за задаване на желана стойност на fOSC. Не са малко и ИС с вход за включването и изключването им с логически сигнал и изход (Power Good), на който има съответния логически сигнал при VOUT в определени граници (обикновено са до ±10%) около номиналната стойност.
В табл. 3 са дадени типични примери за такива ИС, които притежават и други характерни особености на PoL, а последната колона показва площта на ИС. Честотата fOSC на LTC3416 се задава чрез външен резистор, а функцията следене се осигурява при постоянно напрежение на извод Track до +0,8 V, след което се изключва. Чрез външни резистори може да се осигури един от начините, дадени на фиг. 2. Характерна особеност на MAX1945R е наличието на многофункционален вход SYNC – при замасяването му се получава fOSC = 500 kHz, при свързването към VIN честотата е 1 MHz, а при подаване на правоъгълни импулси с честота 400 – 1200 kHz се получава fOSC със същата стойност. Освен това има изход SYNCOUT с дефазирани на 180° импулси с fOSC, който заедно със SYNC осигурява възможност за синхронизация с други ИС от същия вид и на синхронни стабилизатори. Същите възможности има и МАХ8566, но синхронизацията е в границите на fOSC, дадени в табл. 3. Без синхронизация стойността на fOSC се задава чрез външен резистор. На последния ред е ИС за по-големи входно напрежение и изходен ток, чрез която при това могат да се реализират до 8-фазни стабилизатори с максимален IOUT равен на броят на фазите по 25 А. Характерни особености на (ред 6 на табл. 3) са голямото VOUT и вграденият LDO с програмируемо изходно напрежение. Подобен е контролерът FAN5069 с параметри в последния ред на табл. 3.
Съществуват и контролери, които заедно с ИС на обикновен понижаващ стабилизатор реализират PoL, пример за което е LTC2927 на Linear Technology. Добре е да се има предвид, че производителите на контролери обикновено препоръчват кой да е използваният стабилизатор. Високоволтовият контролер LM5033 работи с VIN между 15 и 100 V и заедно с една или две ИС LM5100 може да реализира PoL съответно с полумостова и мостова схема. За вече твърде разпространените памети DDR е предназначен двойният контролер MAX8538, който работи с VIN от 4,5 до 23 V и с външни елементи реализира понижаващ ключов стабилизатор с VOUT между 0,8 и 3,6 V.
Твърде модерното програмиране по цифров път (чрез интерфейс) на някои от параметрите на аналогови схеми не отминава и PoL. Това е втората група на програмируемите PoL, в основата на които са две ИС – цифров контролер (Digital Controller) и драйвер (Driver). Към последния са прибавени външни MOS транзистори и останалите необходими елементи за реализирането на синхронен понижаващ преобразувател.  Тези PoL притежават всички свойства на първата група, като задължително се програмират изходното напрежение и работната честота и се контролира температурата на контролера или на външните елементи (обикновено бобината) на преобразувателя. При достигане на зададената стойност на последната се задейства топлинната защита. В някои случаи се програмира и токът на задействане на максималнотоковата защита, както и скоростта на нарастване на изходното напрежение при включване и на намаляване при изключване. Самото програмиране се извършва чрез PMBus, а в зависимост от контролера той може да управлява до 4 преобразувателя.
На фиг. 7 е дадена идея за структурата на програмируем PoL, използващ контролера UCD9111 и драйвера UCD7230 на Texas Instruments. С DICS са отбелязани външните елементи, а DATA и CLK са входовете на контролера за 2-проводния PMBus. Последният програмира VOUT в границите 0,4-5,5 V чрез промяна на продължителността на импулсите на изход DPWMA, а стабилността му се осигурява от обратната връзка през делителя R1 – R2. Честотата на импулсите се програмира между 250 kHz и 1 MHz. На изход ILIM на контролера има импулси с програмируема продължителност, които чрез RC филтър се превръщат в напрежение за задаване на тока на задействане на максималнотоковата защита. Токът IOUT се следи чрез резистора Rs. При превишаване на зададения ток защитата се задейства чрез напрежение на изход АО на контролера и на изход CLF на драйвера се получава съответният логически сигнал. Температурата в контролера се следи от вграден сензор, а към извод TEMP може да се включва външен. За работата на контролера в системи той може да има един от 24 възможни адреса, като желаният се задава чрез постоянни напрежения на входове ADDR0 и ADDR1. Контролерът може да работи и с драйвера UCD9112.
Друга двойка са контролерът UCD9240 и синхронен понижаващ преобразувател от серията PTD (например PTD08A10W) също на TI. Чрез синхронизиране на работата на n контролера (n Ј 8) могат да се реализират n-фазни PoL. Програмирането отново е с PMBus, а желан от възможните 12 адреса се избира чрез съпротивлението на външен резистор, свързван към съответния изход на контролера. Програмират се същите величини, както в предната двойка, но могат да се контролират до 8 външни температури и има възможност за управление на работата на вентилатор.
И накрая контролерът LTC7510 и понижаващият преобразувател LTC443-1 на Linear Technology позволяват реализацията на PoL с програмиране на VOUT между 0,7 V и VСС – 0,9 V (максималното захранващо напрежение VСС е 5,5 V), на честотата между 150 kHz и 2 MHz и токът на максималнотоковата защита отново чрез PMBus. Възможна е реализация на 2-фазни и 4-фазни PoL.

Модули
Представляват печатна платка с монтирани върху нея всички елементи на PoL и снабдена с изводи за свързване към други устройства. Част от водещите производители в света са обединени в две организации (Point-of- Load Alliance, POLA и Distributed-pоwer Open Alliance, DOSA) и са създали стандарти за изводите и размерите на PoL, което чрез така осигурената взаимозаменяемост улеснява конструирането на апаратури и сервизното им обслужване.  Непрекъснато нараства количеството на модулите за монтиране върху печатни платки, като има разновидности за вертикален и повърхнинен (SMD) монтаж. Често те са капсуловани и външен вид приличат на големи ИС, но не са малко и моделите без капсуловане. Изходните напрежения на модулите може да са фабрично фиксирани или да се задават чрез един или два външни резистора. Обикновено модулите се реализират с ключови стабилизатори, но в зависимост от предназначението може да съдържат и един линеен. Пример за схемната реализация на модул от първия вид е даден на фиг. 8. Твърде често модулите могат да се включват и изключват чрез външен транзистор, управляван от някое от стандартните логически нива. Като пример на фиг. 9 е дадено управлението на модулите на Beta Dyne. По принцип същите изводи могат да се използват и за последователно включване във времето на няколко модула (установеното изходно напрежение на един включва следващия). Специфична особеност на не малко модули (отбелязвана в каталога и техните Application Notes) е опасността от самовъзбуждане при големи IOUT. Тя се избягва чрез допълнителни външни кондензатори на входа и изхода.
Същността на параметрите на модулите е както на ИС. Обикновено се произвеждат серии, отделните модели с които се различават само по стойностите на VOUT и к.п.д. Напрежението с малки изключения е положително, а к.п.д.  слабо нараства с увеличаването му и малко повече при намаляване на VIN. За запзаване на максималния IOUT до по-висока околна температура Та освен поставянето на радиатори в някои модели се прибягва до форсирано въздушно охлаждане. В тези случаи в каталозите се дава семейство характеристики (Derating Curves) IOUT(Tа) при различно количество на охлаждащия въздух, измервано в литри за минута (LFM). По принцип те са в сила за вертикално монтирани модули и движение на въздушния поток отдолу нагоре. Характеристиките на фиг. 3 също са важни, дават се в някои каталози и са един от критериите за избор на модул. Вместо тях често като параметър се използва максималниятг отскок на VOUT (Dynamic Load Stability, DLS или Over/Undershoot) при определено изменение на IOUT (обикновено от 10 до 100% или от 50 до 100% от максималаната му стойност). Също специфичен параметър е средното време на работа между две повреди (Mean Time Between Failures) MTBF, което вече надхвърля 100 години (типичните стойности са между 106 и 1,5.107 часа).
В табл. 4 са дадени основните параметри на модули, обикновено произвеждани в серии, всяка съдържаща определен брой с фиксирано VOUT и един с програмиране на стойността му. Все още са малко модулите с програмиране посредством двоично число, пример за което е PTK Series на фирмата Astrodyne.

Микромодули
Наименованието им показва техните малки размери, които заедно с теглото приближават до тези на ИС. Като пример на фиг. 10 е показано захранване с 4 микромодула LMT4601, осигуряващи напрежения 1,5V, 1,8V и 2,5 V с IOUT по 12 А и 3,3V/10А при VIN между 8 и 16 V. По принцип микромодулите са капсуловани и предназначени за монтаж върху печатни платки, често тип SMD. Подобно на модулите те изискват прибавянето на кондензатори на входа и изхода и могат да се свързват успоредно за увеличаване на изходния ток.




Top