Новости при съвременните DC-DC и LDO преобразуватели

• Съвременно решение за комбинацията от противоречиви изисквания към ключовите и линейните преобразуватели са микромодулите с висока степен на интеграция
  
  
• Като резултат от кратките срокове за развой, производство и сертификация често се стига до избор на готови DC-DC блокове с минимална периферия
  
  
• Основни фактори при компонентите за авиокосмически приложения са размерите, теглото, надеждността и устойчивостта на йонизиращи лъчения

Димитър Колев

Изискванията към съвременните ключови (DC-DC) и линейни (LDO) преобразуватели растат непрекъснато и производителите правят всичко възможно да привлекат вниманието и задоволят изискванията на разработчиците и крайните потребители. Като при всяко захранване основните параметри са ефективност/коефициент на полезно действие, увеличаване на енергийната плътност (мощността за единица обем) и намаляване на необходимата за монтаж площ. Не по-малко важни са надеждността, комуникацията за наблюдение и контрол, различните видове защити – например от преходни процеси и грешно свързване. Последен в този списък, но често решаващ фактор е крайната цена на интегралната схема и всички компоненти около нея или на съответния завършен модул.

Съвременните комуникационни и информационни системи обикновено работят с по-ниски напрежения и все повече се приближават до максимално възможния КПД. Но това означава също и висока консумация и токове, като в същото време изискванията към намаляване на обема и теглото на продуктите непрекъснато се увеличават. Съвременно и възможно решение за подобна комбинация от противоречиви изисквания са например микромодулите с висока степен на интеграция, новите решения при проектирането и изработката на печатните платки, форсираното пасивно или активно водно охлаждане.

Областите на приложение са разнообразни – индустриална автоматизация, автомобилна електроника, корабно оборудване, железопътни сензори и инсталации, масова и потребителска електроника, санитарна и медицинска апаратура. Не трябва да забравяме и приложенията в специализираната екипировка за електрически измервания, както и авиокосмическия и военен хардуер. Всички изброени области имат много общи, но в същото време и ред коренно различни изисквания, които водят до създаване на огромно разнообразие от захранващи ИС, модули и завършени блокове, подходящи за съответната област.

В Таблица 1 са представени основните типове (топологии) DC-DC конвертори и типичните им базови параметри. Някои нови решения при ключовите и линейни захранвания, реализирани като

интегрални и хибридни интегрални схеми

са представени в Таблица 2.

Интересен пример е LTM4630 на ADI – микромодулно захранване, работещо в ключов режим, коeто дава възможност за единичен 36 А или 2х18 А изходи. Точността на изходното напрежение може да бъде 0,8/1,5%, или до 3%, ако се вземат предвид и преходните процеси. В корпуса са включени самият контролер, мощният FET транзистор, индуктор и други необходими компоненти. Възможността за външна компенсация, високата работна честота и токовият режим на работа осигуряват много бързо управление и стабилност, което е задължително изискване при захранване на FPGA, ASIC и процесорни модули. При синхронизирано и паралелно захранване на 4 модула е възможно реализиране на захранване с работен ток до 144 А. Когато има изискване за фиксирана работна честота и минимални пулсации, се използва режим "forced continious operation". Компонентът е реализиран в LGA корпус с размери 16x16x5,01 mm. Напълно съвместим e по изводи с LTM4620/A (26 A или 2х13 А) и LTM4628 (16 А или 2х8 А).

Подобен на LTM4630, но за по-големи мощности (до 300 W) и възможност за свързване в паралел е LTM4654. Входният обхват тук е 20 – 55 V, а изходното напрежение 4,5 – 18 V (Vout<Vin/2). Характерна особеност е способността на захранването да работи както като източник, така и като товар (source/sink). В корпуса са вградени всички необходими елементи, като мощният индуктор е открит и разположен върху корпуса. Осигурени са защити по късо съединение с регулируем рестарт, защити по ток и прегряване, вграден диод за прецизно измерване на температурата.

Други актуални реализации на понижаващи мощни захранвания са MCPF1412M06 на Microchip, TDA38825 на Infineon и MP5470B на MPS. Както се вижда от Фиг. 3, една характерна интегрална схема от този тип представлява цялостна захранваща система, с контролен интерфейс и памет, управляваща логика, собствен линеен регулатор и всичко необходимо за реализиране на поне два захранващи канала.

При изисквания за малки мощности и много нисък ток на покой интерес представляват Himalaya модулите MAX20343/MAX20344. Сред типичните им приложения са индустриални сензори, Ethernet и безжични мрежи с ниска консумация, мобилни и портативни устройства и измервателни прибори. Основните параметри са вход 0,5 – 5,5 V, регулируем изход 2,5 – 5,5 V / 2,5 W, вграден индуктор. Обикновено са им необходими само външни керамични кондензатори или кондензаторни стакове.

Корпусирани са в uSLIC с 20 извода и габарити 3,5х3,5х1,5 mm, а работният им температурен обхват е -40 +125°C, като разполагат с вградени защити по ток и температура. Интегралната схема е проектирана с оригинален алгоритъм за превключване между buck/buck – boost/boost режими на работа, с регулируема честота за максимален КПД до 95% дори и при малък товар. Сред характеристиките им са възможност за плавен старт и ток при покой от само 3,5 микроампера. MAX20343 използва и механизъм за активно разреждане при спиране на работа.

Подобни модули - MCPF1412M06 се произвеждат и от Microchip. Хибридната ИС се състои от PWM контролер, вградени MOSFET, вградена индуктивност и кондензатори, както и управляваща логика с I²C/PMBus. Резултатът е компактен и точен регулатор, с вход 4,5 – 16 V, изход 0,6 – 1,8 V и изходен ток до 12 A. Работният температурен диапазон е от -40 до +125°C, а габаритите – 5,9х4,9х1,6 mm.

Интересен подход е избран при LTM8060F, който представлява 4-канално ключово захранване. В този вариант чипът е напълно екраниран с метална кутия, която работи като Фарадеев кафез и значително намалява излъчваните смущения, както и предпазва от външни смущения – Фиг. 4.

Подобно решение предлага и MPS MP5470, която ИС осигурява 4 канала 3А/3А/2А/2А buck топология – Фиг. 5.

Зареждането без проводници и конектори продължава да е модерно и търсено, а понякога се оказва и единствено възможно решение. Контролерите и захранванията за безжично зареждане могат да се нарекат DC-DC конвертори (с AC радио част) – например ИС STM STWLC89/38(TX), STWBC2HP/86JR(TX), както и подобни на TI BQ500212A(TX) и BQ51013C(RX). Контролерите могат да работят с мощности до 30 W и са съвместими с Qi (WPC 1.2).

ОЕМ DC-DC модули

Като резултат от кратките срокове за развой, производство и сертификация често се стига до избор на готови DC-DC блокове с минимална периферия. Друг проблем е също натрупването на опит при базовото проектиране на захранвания за специфични приложения, както и масовото им производство със съответна цена, качество и гарантирани срокове на доставка. В Табл. 3 са разгледани новостите в продуктовата програма на някои от основните производители на DC-DC модули.

 Нека започнем с нещо относително ново – използването на 400/800 V HVDC батерии за захранвания в компютърни и автомобилни приложения. Типичен пример тук е захранващият модул BCM6135 на Vicor с висока степен на интеграция. Той прилича на класически PWM контролер + гейт драйвери + MOSFET транзистори, но всъщност представлява интегриран резонансен усилвател с фиксиран високочестотен трансформатор. Основната технология е SAC (Sine Amplitude Converter), DC-DC с фиксиран делител (K-factor 1/8), ZVS+ZCS (soft switching). Преобразуването се извършва чрез HF AC преобразувател – трансформатор – синхронен изправител. Включени са и управление и телеметрия (Pmbus), както и защитни механизми. Поведението на този завършен захранващ блок опитва да емулира 48 V батерия – има много ниско изходно съпротивление, кратко време за реакция (транзиенти до 8 MA/s !!!). Освен това BCM6135 e симетричен – може да работи като понижаващ (400/800 V – 48 V), но и като повишаващ (48 V – 400/800 V) конвертор. Сред характеристиките му са висока ефективност – 97%, изолация от 4 kV, паралелна работа за мулти-kW системи, защити по напрежение (OV/UV), по ток, по късо съединение и температура. Схема на свързване е представена на Фиг. 6.

Типичната топология на подобно решение в компютърни системи е 400 V HVDC BMC6136 (делител 1/8) – 48 V DCM/POL конвертори – CPU/GPU. В автомобилните тя е 800 V BCM6135 (делител 1/16) – 48 V подсистема – товари (ECU/pumps/steering/infotainment/ADAS). В Табл. 4 е представено сравнение между различни модули на същия производител и съответните области на приложение.

В приложения, където се изискват по-малки мощности, по-ниски или по-високи входни напрежения, регулиране на напрежението и интеграция на ниво чип, интерес представляват някои решения на Power Integrations/InnoSwitch3-AQ, TI, ADI и др. Едно примерно сравнение е представено в Таблица 5.

За автомобилни и други подобни приложения са предназначени завършените модули на Recom. На Фиг. 7 e показан външният вид на RMOD2000/4000-EW с мощност 2/4 kW, входно напрежение 180 – 950 V, изходни напрежения 14, 28, 56 V, контролен интерфейс J1939, изолация от 3 kV и габарити 316x254x83 mm. Модулите покриват стандарти EN62477-1, EN/ISO 114521, ECE R10, поддържат активно или пасивно охлаждане и климатични категории IP67/68/69 според ISO20563.

Не могат да бъдат подминати и приложенията за възобновяема енергия, където се използват подобни конвертори и модули на производители като Aimtec, Meanwell, Mornsun и др. Серията AM15W-50012/15/24-SA40PLZ на Aimtec обхваща 15-ватови захранвания с широк обхват на входните напрежения от 100 до 1000 V, работни токове от 0,6 до 1,25 A, работен температурен интервал от -40 до +70°C и изолация до 4 kV. При необходимост от по-големи мощности може да се използват AM50W-LPZ/50W или AM150-WLPZ/120W. Те предлагат същия работен обхват, но осигуряват по висока мощност/работен ток, както и по-голямо разнообразие от изходни напрежения – 12, 15, 24, 28, 32 и 48 V.

Друга специфична област на приложение са железопътните системи. Тук има по-високи изисквания към електромагнитна съвместимост, шок и вибрации, защита при пожар, както и климатична защита. Поддържат се стандарти EN50155, EN61373, EN45545-2, IEC/EN/UL60950-1 и работен температурен диапазон от -40 до +75°C без промяна в ефективността. Типични примери са модулите Traco TMR10-WIR и Recom RPA20-FR, RP100/150Q-RW и RPA300H-RW. Характерна схема на свързване е представена на Фиг. 8.

За финал ще отбележим компонентите, специализирани за авиокосмически приложения. Добър пример са модулите на Vicor, серии PRM и VTM, представени в Таблица 6. Основни фактори тук са размерите и теглото, надеждността, както и устойчивостта на йонизиращи лъчения.