Микромодули на постояннотокови захранвания

Стефан Куцаров

Захранващите модули за осигуряване на едно или повече стабилизирани постоянни напрежения от нестабилизирано входно напрежение (DC/DC Converter) от десетилетия са важна съставна част на електронните апаратури.

Класическият стремеж за намаляване на размерите и теглото и най-вече бързо нарастващият относителен дял на преносимите устройства се проявява особено ярко при захранващите модули – докато през 1990 г. за получаване на изходен ток 1 А обемът им е бил около 10 000 mm3, то през 2016 г. вече е под 10 mm3 и продължава да намалява.

Напоследък използваните захранвания от типа “система в един корпус” (System-in-Package, SiP) постепенно започнаха да се реализират като микромодули (Micromodule, module, mmodule, microSiP module) - ММ.

Английският термин mmodule се ползва главно от производителя Linear Technology, докато Texas Instruments нарича някои от своите модели наномодули (Nanomodule). Използва се и наименованието преобразуватели с вградена бобина (Converter with Integrated Inductor).

Не съществува критерий под какви размери един модул може да се нарича "микро", но като първа стъпка може да се приеме, че двата му най-големи размера не надхвърлят 25,4 mm, т. е. 1х1 инч.

В част от ММ е запазен негласно възприетият принцип да се произвеждат серии с даден корпус и максимална изходна мощност POUT, но различни стабилизирани изходни напрежения VOUT.

Реално развитието на ММ е през последните 5-6 години, като в статията са разгледани модели, представени на пазара след януари 2015 г., но в таблица са дадени и кратки сведения за продължаващите да се произвеждат по-ранни серии, главно от 2014 г.

Същност и особености на микромодулите
Те са само ключови стабилизатори (Switched Mode Power Supply), поради чиито доказани предимства ММ не се реализират чрез линейни стабилизатори. В корпуса им са включени задължителните интегрална схема (ИС) и бобина, а в зависимост от модела към тях могат да са прибавени някои от останалите елементи.

Сред предимствата на ММ спрямо класическите модули е и намаляването на времето за производството им, което е сред предпоставките за по-ниска цена. Към това се прибавят по-малкото тегло и брой външни елементи, което обуславя и малка заемана площ.

Естеството на масовите захранвания определя широкото използване на понижаващи ключови стабилизатори (Buck Regulator), които са в основата на реализацията на ММ. Не са много другите познати структури на ключови стабилизатори, намерили място в ММ, и това определя по-скромното им отразяване в статията.

Над 80% от ММ са без галванично разделяне на входа от изхода (Non-Isolated Power Module) и в каталозите това обикновено се подразбира. Микромодулите с галванично разделяне са все още сравнително редки поради по-трудната реализация на необходимия трансформатор, но този недостатък постепенно се преодолява.

В зависимост от стойността на VOUT по време на експлоатацията има две категории ММ – фиксирано и задавано чрез един или два външни резистора.

Идея за структурата на ММ се получава от фиг. 1, която е на LTM4623 от табл. 5 с означени основни блокове – радиатор, бобина, ИС на управляващия контролер, пасивни елементи и мощни MOS транзистори.

Основните свързвания на ММ са изяснени чрез примерната схема на фиг. 2. Класическите изводи за входното нестабилизирано напрежение VIN и стабилното изходно VOUT са изводи VIN и VOUT, към които задължително се свързват кондензатори с малко ESR.

Този на входа трябва да е керамичен (често два или повече в паралел), да издържа пулсиращия ток на VIN и да се монтира максимално между изводи VIN и силовата маса PGND. Освен керамичен за COUT на изхода се допуска полимерен или танталов кондензатор, както и тяхна комбинация с керамични.

Към някои ММ, например от ред 4 в табл. 1, има изисквания за минималния и максималния капацитет на двата кондензатора, а нерядко производителите дават съвети за избора им. Разрешението за работа на ММ сe осигурява от вход EN (от Enable), означаван още с ON/OFF и RUN, а при изключването чрез него се разрежда COUT.

Сред предимствата на ММ е малката им постояннотокова консумация в изключено състояние – например токът на дадения на ред 7 в табл. 1 е типично 33 mA. Освен чрез собствения си вграден генератор, чиято честота fSW може да е фиксирана или да се задава чрез външен резистор, част от ММ могат и да се синхронизират с външен ШИМ (PWM) генератор в определени граници около fSW.

На фиг. 2 тази възможност е изключена чрез свързването на извод SYNC към VIN. На изхода с отворен дрейн PG (Power Good) се осигурява съответното логическо ниво при наличието на VOUT. Този извод и EN са с хистерезис, чиято стойност е няколко % от напрежението на прага им на задействане.

Плавният старт SS (Soft Start) осигурява постепенно нарастване на VOUT след подаване на VIN, чиято скорост се определя от CSS (капацитетът му обикновено се препоръчва в документацията на ММ). Пример за действието на SS в WPMDH1100xx1S на Wuerth Elektronik е даден на фиг. 3.

Съществен е и фактът, че някои ММ имат максимален COUT, надхвърлянето на който не гарантира определено време за SS. Обикновено има отделна маса за управляващите сигнали SGND и споменатата силова маса PGND.

Схемата на фиг. 2 е представител на тези със задаване на VOUT чрез външни елементи, които в случая са RSET-CFF към извод FB (Feedback), а в документацията има формула за изчисляване на RSET при зададено VOUT.

Масово разпространени са и ММ с резистивен делител, както и такива без кондензатора срещу самовъзбуждане, който по принцип е предназначен за специфични работни условия. Важна особеност е, че в ММ с повече от едно VOUT стойността на всяко се задава с отделни резистори.

Добре известната опасност от самовъзбуждане на усилвателя на грешка в постояннотоковите стабилизатори е причина за въвеждането в него на компенсиращи вериги. В ММ на фиг. 2 това се осигурява чрез показаната връзка на извод COMP, но той (в зависимост от ММ) не винаги съществува.

Чрез извод VSENSE на ММ се подава VOUT, а извод SW е специфичен само за някои ММ с предназначение контрол на формата на напрежението в генератора им. Някои ММ (например даденият на ред 5 в табл. 1) имат вграден диод за регистриране на температурата на мощните им транзистори и съответно измерването й чрез външна схема.

При ММ с повече от едно VOUT съществуват някои особености, които позволяват самостоятелна работа на всеки от стабилизаторите им – например освен отделни изводи за всяко от VOUT те имат и такива за EN и PG.

В документацията на тези микромодули се дават достатъчно сведения за свързване на външните елементи за получаване на определена последователност на включване и изключване на напреженията.

Още по-добър ефект се постига чрез вграден в ММ интерфейс, например PMBus – при този на ред 10 от табл. 1, който работи и с SMBus (двупроводен I2C). Интерфейсът обикновено разширява и други възможности на ММ, например в споменатия може да се променя прагът на задействане на PG.

Съществуват ММ с двуполярен изходен ток (Sink and Source Capability), означаван като ±IOUT - пример са дадените 5 модела на ред 4 от табл. 1. За сравнително редките случаи на захранване на два товара без замасени изводи е XRP9710 на Exar.

За специфични приложения, където захранването трябва да представлява източник на малък шум (например за някои индустриални сензорни системи), се предлагат ММ с подходящ допълнителен вграден линеен стабилизатор.

От такъв в ММ (ред 7 от табл. 1) се осигурява 5,1V/10 mA, а при LTM8058 на Linear Technology - програмируемо VOUT между 1,2 и 12 V и максимален IOUT от 0,3 А.
В ММ се ползват добре познатите защити от класическите ключови стабилизатори.

Максималнотоковата защита (Overcurrent Protection) ОСР не позволява IOUT да надхвърли с повече от няколко десетки % максималната си стойност и обикновено представлява измерване на тока през бобината при всеки период на fSW, а начинът на ограничаването му е в зависимост от схемата на ММ.

Например в този на ред 7 от табл. 1 могат да се задават 3 стойности с допълнителна възможност за ограничаване на разсейваната мощност при продължително късо съединение на изхода (Hiccup mode protection).

Защитата от изходни пренапрежения (Overvoltage Protection) OVP изключва VOUT, когато надхвърли също с няколко десетки % максималната си стойност и след зададено от схемата на ММ време се опитва да го включи.

Основната разлика при предпазването на микромодулите от прегряване в сравнение с това на интегралните схеми е, че ММ могат да имат сравнително отдалечени зони с по-ниска допустима максимална работна температура от други, поради което следенето трябва да се извършва в зоната, която трябва да е с най-малка температура.

При превишаването й се изключва VOUT. Възстановяването става автоматично при намаляване на температурата под друга стойност. Практически всички ММ се изключват при VIN под минималното за нормална работа (Undervoltage Lockout) UVLO и автоматично възстановяват действието си при връщането му в работния обхват. В някои ММ (например №13 в табл. 1) прагът на UVLO се задава чрез външен делител.

Характерни параметри, свързвания и корпуси
Входното напрежение VIN по принцип е в широки граници и с отношение на максималното към минималното най-често между 2 и 4, но в някои случаи (напр. редове 6 и 13 на табл. 1 и ред 4 на табл. 4) то достига 10. Терминът входен обхват означава VINmax:VINmin с популярни стойности 2:1 и 4:1.

Познатото създаване на смущения при работата на ключовите стабилизатори налага в редица случаи между източника на нестабилизираното напрежение и входа VIN на ММ да се свързват LC филтри, типичен пример за какъвто е на фиг. 4.

Обикновено производителите на ММ дават в каталога им стойностите на елементите на филтъра за удовлетворяване на изискванията на съответния стандарт (обикновено EN55022 Class B и по-рядко EN55022 Class A).

Съществуват разновидности на филтрите без кондензатора С2 и такива с две бобини (вж. модула на ред 3 от табл. 3). В някои ММ се препоръчват филтри като този на фиг. 4, свързвани между изхода на модула и товара му.

Специфична особеност на VOUT е наличието на ММ с фиксирани негови стойности и с останали негови параметри, които позволяват непосредственото им използване вместо линейните стабилизатори от сериите LM78xx и LM79хх.

На фиг. 5а е представено свързването на ММ от ред 14 на табл. 1 (в зависимост от захранвания блок може да са необходими и CIN и COUT), а на фиг. 5б е пример за двойно захранване.

Сравнително по-рядко се предлагат ММ с възможност за донастройка на фиксираното им VOUT с десетина или малко повече процента – пример е серията на ред 3 от табл. 3, където това се прави чрез външен резистор. Същността на независимото задаване на няколко VOUT се вижда от фиг. 5в, на която е представен микромодулът от ред 5 на табл. 1.

Параметърът IOUT е максималният изходен ток, който е в сила до определена околна температура, след която намалява. Същото е положението и с максималната POUT, като в документацията на някои ММ се дава обобщена графична зависимост на двата параметъра от околната температура (Temperature Derating Curve).

Като пример на фиг. 6 е тази на ММ от ред 1 на табл. 1, според която параметрите се запазват до околна температура 60°С и при максималната от 85°С са 40% от нея. В много ММ като параметър POUT не съществува, а се отбелязва, че тя е вътрешно ограничена.

Полезно е да се добави, че в някои ММ (напр. на ред 10 в табл. 1) се ползва принудително въздушно охлаждане за запазване на IOUT и POUT до по-висока температура и съответно се дава семейство графики за различни скорости на въздушния поток.

За параметъра ефективност (Efficiency) на ММ е в сила същото определение, както при всички постояннотокови стабилизатори (h=100POUT/PIN,% при PIN – входна мощност) и тъй като стойността й зависи от VOUT и IOUT в документацията се дават съответните графики, а като числен параметър - нейният максимум.

При ползването на ММ трябва да се има предвид, че за някои модели е задължително да имат товар на изхода си, който да осигурява даден в документацията им минимален изходен ток – например този на ред 11 от табл. 1 изисква 0.02IOUT.

Захранването на аналогови схеми и особено на работещи със слаби сигнали обикновено поставя изисквания към пулсациите върху VOUT (означавани с Output Ripple and Noise), които невинаги се дават като параметър. Например тези на ММ на ред 14 в табл. 1 са с типично 30 mV от връх до връх при наличието на керамичен кондензатор 10 mF в изхода.

Понижаващи модули без галванично разделяне
Микромодулите от този тип (Non-Isolated Switching Regulator) са с най-голям относителен дял, тъй като при портативни устройства разделянето не е необходимо, а при тези с мрежово захранване може да се осигури от токоизправителя.

От експлоатационна гледна точка съществено тяхно предимство е много дългият срок на безотказна работа. Типичните стойности на параметъра MTBF, невинаги давани в документацията, са над 106 часа при максимален изходен ток.

Модули с IOUT Ј 5А. Основните параметри на характерни модули са дадени в табл. 1, която показва някои съществени особености на тази най-голяма група ММ. В нея има модели с VIN за работа с литиеви акумулатори и галванични елементи с една клетка и други за класическите 48-волтови стационарни комуникационни системи.

Преобладават ММ с допълнителни изводи за различни управления и съответно гъвкавост в експлоатацията на устройствата. Най-голям е относителният дял на ММ с едно VOUT и голямо разнообразие на модели: програмируемо чрез резистор или фиксирано, като последната категория обикновено е серия с масово използваните напрежения и еднакви други параметри.

Голямо е разнообразието по отношение на максималния изходен ток с долна граница около 0,5 А и горна над 50 А. Преобладават моделите с максимална ефективност над 90% и достигаща 96%, което е предпоставка за отделяне на малко топлина при работа. В значителна част от ММ са взети мерки за промяна на вида на модулацията в процеса на работа с цел осигуряване на максимална ефективност h.

Например при малък изходен ток ММ на ред 3 в табл. 1 автоматично преминава от основната ШИМ (PWM) в честотноимпулсна модулация (PFM), а чрез допълнителната функция на извод EN на този на ред 2 или на извод SYNC/MODE на ММ на ред 4 може да се избира непрекъснат или прекъснат режим на модулация.

Категорията ММ с фиксирано VOUT, към която в табл. 1 спадат № 1, 7, 11 и 14, осигурява на първо място предимства при споменатата замяна на остарелите ИС на линейни стабилизатори с токове над няколко десети от ампера - например работа без радиатор поради по-големия h.

Тези ММ са подходящи за индустриални системи за управление, за захранване на интерфейсни и микроконтролерни конфигурации, на отдалечени от основното захранване товари (Point-of-Load), на блокове с цифрови сигнални процесори, програмируеми логически матрици и ASIC.

Особеност на ММ на ред 7 е съчетаването на възможността за програмиране на част от параметрите без ползване на външни елементи или на интерфейс – например чрез свързване към захранващото напрежение, маса или оставяне свободен на определен извод се установява една от трите стойности на параметър.

Категорията микромодули с програмируемо VOUT са с още по-разнообразни приложения, като към споменатите се прибавят всички аспекти на телекомуникационните системи, IoT, медицински апаратури, системи за разпределено захранване, управление на електродвигатели, автоматизирани измервателни системи, носима (wearable) електроника и др.

Една от характерните особености на ММ е, че при задаване на VOUT чрез резистивен делител към извод FB трябва пулсациите върху постоянното напрежение на извода да са до определена стойност, докато за задаване чрез резистор между извода и маса този проблем не съществува.

От многобройните други особености на ММ, описани в документацията им, тук се дават само няколко примера. Микромодулът на ред 4 на табл. 1 има защита и от недопустимо голямо VIN, а вграденият специфичен източник на стабилно постоянно напрежение е предназначен за осигуряване на опорното напрежение на памети DDR.

Скоростите на нарастване при включване и на намаляване при изключване на четирите VOUT на ММ на ред 5 могат да се задават независимо едно от друго. Богати възможности за приложения осигуряват вградените интерфейси в ММ на ред 10, а в този на ред 12 се дава пример за оптималния обхват на fSR в зависимост от VOUT.

В последния ММ е предвиден извод за познатото от класическите захранвания компенсиране на пада на напрежение върху проводниците на отдалечен товар. Даденият на предпоследния ред е част от серия от девет ММ със значително потиснато ниво на излъчваните смущения.

Модули с IOUT>5А. В структурата им няма принципни различия в сравнение с ММ за по-малки токове, но логично при конструкцията са взети по-сериозни мерки за охлаждане, например в микромодула на ред 4 от табл. 2 бобината се използва и като радиатор.

Съществуват и някои особености при реализацията, например в ММ на редове 1 и 5 се ползва модулация с фиксирано време на отпушените мощни транзистори (Constant-On-Time) за скъсяване на преходните процеси. Към приложенията на ММ за токове до 5 А тук се прибавят мощни процесори и FPGA, силови индустриални системи, широкоформатни монитори и др. По-малкият брой микромодули в табл. 2 в сравнение с табл. 1 отразява техния относителен дял.

Успоредно свързване на изходите. Целта му е осигуряване върху товара на ток IL, по-голям от IOUT на един изход на ММ. Използват се ММ с токово управление (Current Mode Controlled) и описана в документацията им възможност за такова свързване (Parallel Channel Operation). Примери са получаването на IL=10 A и IL=50 А чрез двата канала съответно на LTM4634 и LTM4650 на Linear Technology. Друг пример е ММ с 4 изхода на ред 5 от табл.1.

Съществуват микромодули с многофазно действие (Multiphase Operation), което означава дефазирани едни спрямо други тактови импулси на свързваните канали, например при 6-фазно действие те са през 60° и се получава IL=6IOUT.

Това действие е в сила за свързване на изходите на няколко еднакви ММ, например при тези на редове 3 и 4 се осигурява ток съответно до 300 А и 240 А, а LTM4650 и LTM4650-1 са с по 2 изхода и един товар може да бъде захранван с до шест ММ.

Друга възможност за успоредно свързване на два ММ от ред 2 на табл. 2 е реализирано благодарение на вграденото в тях специфично програмно управление.

Понижаващи модули с галванично разделяне
Разделянето се осъществява по класическия начин чрез трансформатор, чиито необходими малки размери определят стойности на постоянното изолационно напрежение между входа и изхода (Voltage Isolation from Input to Output, VDC Isolation) VISOL между 1 kV и 2,25 kV.

Към него някои производители прибавят и стойности от други тестове, например максималното импулсно напрежение (Surge Immunity) и това, дължащо се на преходни процеси (Fast Transient and Burst Immunity).

Останалите основни параметри са както при ММ без галванично разделяне, като съществени особености са, че h обикновено е до десетина % по-малка, типичните стойности на IOUT и POUT също са по-малки и възможностите за управление липсват или се свеждат до EN.

За практиката е важно, че обикновено се предлагат серии със значителен брой модули за различни VIN.

Освен класическото използване в устройства с мрежово захранване характерни приложения са в комуникационни мрежи, индустрията и прибори със специално предназначение.

Типични примери на ММ са дадени в табл. 3, към които трябва да се прибави серията PHP1-M на производителя CUI Inc с VISOL= 2 kV, POUT=1 W и типична h=75%. Тя включва два ММ с VIN=12 V и 15 V и VOUT=5 V, три повишаващи (3.3V/5V, 5V/12V и 5V/15V) и един само за галванично разделяне с 5V/5V.

Други видове модули
Съществува неголям брой ММ извън класическите понижаващи, които имат своите специфични области на приложение и примери за тях са дадени в табл. 4. Впечатляващо голямата серия на ред 1 съдържа две групи с изолационно напрежение 1 kV и 3 kV, всяка включваща 48 понижаващи и повишаващи модула и такива с VOUT=VIN.

Модулът на ред 2 е с два еднакви стабилизатора SEPIC свързани така, че единият да осигурява положително VOUT, а другият – отрицателно, и стойността на всяко се задава чрез външен резистор.

За двуполярен изходен ток (излизащ, означаван като положителен и отрицателен влизащ) е ММ на ред 3 с два специфични управляващи входа – чрез напрежение на CTRL1 се намалява максималният IOUT, а чрез резистор или термистор на CTRL2 това се извършва като функция на напрежението.

Серията на ред 4 е с VISOL=3 kV и съдържа един понижаващ стабилизатор 12V/5V, един повишаващ 12V/15V и два 5V/5V и 12V/12V. Голямата серия от ред 5 има ММ с VOUT през 0,1 V в дадения обхват и впечатляващо малки размери.

Съществуват приложения (измервателни прибори, индустриални управления, системи за обмен на данни, някои интерфейсни модули и микроконтролери), позволяващи работа с нестабилизирано постояннотоково захранване. Такова се осигурява от серията на ред 6, която работи без външни елементи.

Продължават да се произвеждат микромодули, създадени преди 2015 г., примери за каквито са дадени в табл. 5.