Съвременни компоненти за разпределено захранване

Стефан Куцаров

Непрекъснатото нарастване на възможностите на електронните системи неизбежно води до усложняване на структурата им, което, заедно с изискванията за все по-малки захранващи напрежения, е причина за нарастване на консумирания от захранващия източник ток и съответно на създавания от него пад на напрежение върху свързващите проводници.

За ограничаване на този проблем в началото на 80-те години на миналия век възниква идеята за разпределено захранване с популярни термини Distributed Power Architecture (DPA) и Distributed Power System (DPS), като първият реализиращ го прибор е пуснат в продажба през 1984 г. Същността на разпределеното захранване при електронните системи е подробно описана в бр. 7/2008 на списание Инженеринг ревю, а в бр. 4/2012 са разгледани особеностите на разпределеното цифрово захранване.

Приложенията на тази технология продължават да се разширяват, което определя постоянната поява на нови компоненти за реализацията им. Съществена особеност е, че основният тип компоненти при създаването на разпределено захранване са модулите, благодарение на малките им размери, ниска цена и дълъг експлоатационен срок.

Тези качества се дължат на реализацията им с интегрални схеми (ИС), на които в статията е отделено по-малко място. В съответствие със заглавието на статията в нея с малки изключения са разгледани компоненти, пуснати на пазара след 01.01.2012 г.

Разпределеното захранване
Структурата на DPA в устройствата с мрежово захранване, ползвани в съвременните компютърни и комуникационни системи, в индустрията и медицината, е показана на фиг. 1.

Мрежовото напрежение ULINE обикновено е в широки граници, например 80-265 V и чрез преобразувателя на променливо в постоянно напрежение AC/DC (AC/DC Front-End Power Supply) от него се получава нестабилизираното постоянно напрежение UDC1 между няколко десетки и няколко стотици V, като популярни стойности са 24 и 48 V.

Блокът DC/DC с галванично разделяне (Isolated DC/DC Converter, Intermediated Bus Converter или IBC, IBA Converter) го преобразува в по-ниското UDC2 (типични стойности между 5 и 14 V) и от него всеки преобразувател без галванично разделяне (Non-isolated Point-оf-Load DC/DC Converter) POL осигурява на товара си стабилизирано напрежение ULi. Частта от фиг. 1 без блока AC/DC е съвременната и масово използвана структура с междинна шина (Intermediate Bus Architecture) IBA с типичен брой изходи от 1 до 4 (типични стойности на напреженията 1.2, 1.5, 1.8, 2.5, 3.3 и 5 V) и по-рядко повече.

Значителни са и самостоятелните приложения на IBA в устройства, захранвани с UDC1 от постояннотокова мрежа, например класическите проводникови комуникационни мрежи. Основните предимства на DPA са възможността за захранване на товари с големи токове и малки напрежения, осигуряването на къси и с малки отскоци преходни процеси, разпределяне на няколко места на отделяната топлина, намаляването на размерите и цената на устройствата. Не по-малко важно е, че при повреда на един или повече POL останалите продължават да работят.

Преобразуватели на променливо в постоянно напрежение
Все още наричани и токоизправители (Rectifier), към техните основни функции (токоизправяне и изглаждане на пулсациите) в разпределеното захранване практически задължително се прибавя корекция на фактора на мощност (PFC) с цел максималното му приближаване до 1 и съответно свеждане до минимум нежеланото доставяне на реактивна енергия на устройствата.

За целта преобразувателите съдържат отделен блок за PFC, съвременните ИС за чиято реализация са разгледани в статията „Интегрални схеми за корекция на фактора на мощност” в бр. 7/2014 на списание Инженеринг ревю. Те практически винаги са под формата на модули, като към работата им няма никакви специфични изисквания от гледна точка на DPA.

Независимо от това не са рядкост производителите, които отбелязват в каталозите, че те са подходящи и за системи с POL. В общ случай при избора на преобразуватели AC/DC се препоръчват такива за комуникационни системи (вкл. базови станции на GSM мрежите), индустриални апаратури и офис оборудване.

Типичен пример е серията MVAC250 от 8 модула на Murata Power Solutions за изходни напрежения 12, 24 и 50 V и изходни токове между 0,4 и 20,8 А (максимална изходна мощност 250 W), както и серията VIA PFM на Vicor за 24 и 48 V при максимална мощност 400 W.

Съществуват и преобразуватели на напрежението от постояннотокови мрежи или други източници, които също се означават като Front-End Power Supply. Пример е PSD-1100-12 на Cui Inc за VDC1=40-72 V, VDC2=12 V и мощност върху товара 1100 W.

Преобразуватели DC/DC с галванично разделяне
Според зависимостта на UDC2 от UDC1 съществуват 3 типа IBC, които в статията ще бъдат означени като тип А, В и С.
Преобразувателите тип А (Fixed Ratio IBC) са с фиксирано предавателно отношение (Transfer Ratio) TR, което означава неизменно UDC1:UDC2 с типични стойности 4:1 и 5:1, т. е. изходното напрежение е нестабилизирано и 4 или 5 пъти по-малко от входното.

Независимо от този недостатък те са най-масово използваните поради най-големия им коефициент на полезно действие h със стойности, достигащи 98% (такъв процент от входната електрическа мощност се получава на изхода). Резултатът е голяма плътност на монтажа на модулите при малки размери и ниска цена.

Тип В са стабилизираните модули (Fully Regulated IBC, Regulated IBC) с практически неизменно UDC2 при промени на UDC1. Това се оценява чрез параметъра коефициент на стабилизация по вход (Line Regulation) LR, който показва с колко процента се изменя UDC2 при промяна на UDC1 между минималната и максималната си стойност (типично няколко десети от процента) или с колко mV е това изменение (обикновено няколко десетки).

Принципът на действие на модулите е същият, както на ключовите стабилизатори с галванично разделяне (Isolated DC-DC Converter) в електронните апаратури, а подробности за новостите при тях могат да бъдат открити в статията „Преобразуватели на променливо в постоянно напрежение за РСВ монтаж” в бр. 6/2015 на списание Инженеринг ревю. Освен стабилното UDC2 предимство е и широкият обхват на UDC1 – типично 36-75 V за масово използваните модули с UDC1=48 V. Недостатъците са най-малкият КПД и по-големите размери и цена.

Между тези два типа е тип С на полустабилизираните модули (Semi-Regulated IBC) с типичен LR между 5% и 10% и h около 95%, които могат да работят практически в същия обхват на UDC1, както стабилизираните IBC, но са с по-ниска от тях цена от тях.

Обикновено модулите на IBC се предлагат в серии с различни UDC1 (най-често 24 и 48V), UDC2, максимална изходна мощност Ро и изходен ток Io, като в някои модули последният има задължителна минимална стойност за нормална работа. Максималният Io зависи от околната температура по същия начин, както максималната разсейвана мощност на електронните апаратури - стойността му е в сила до определена температура, след която намалява по линеен закон.

Тези в една серия обикновено имат еднакви размери и за тях е в сила неписаното правило, че модулите с по-малко UDC2 са с намален h. Част от сериите съдържат и модули с равни по абсолютна стойност положително и отрицателно UDC2, означавано като ±UDC2 (токовете им са съответно ±Io).

Характерни примери на модули са дадени в табл. 1, където UISOL е максимално допустимото постоянно напрежение на изолацията между входа и изхода и URIPL е сумата от напрежението на пулсациите и това на шума в изхода на модула, измерена от връх до връх.

Коефициентът на стабилизация по изход (Load Regulation) LdR е изменението на UDC2 (отново в % и mV) при промени на Io в определени граници, отразени в документацията – например на IBC от ред 2 те са между 1% и 100% от максималния Iо.

Нарастващите приложения на IBC в системи с експлоатационен срок над 10 години налагат за все повече модули да се дава параметърът средно време между две повреди (MTBF), което е реалното време за безотказна работа след пускането в експлоатация. Прецизното му определяне изисква добавяне на вероятността (Confidence Level) за неговата валидност, която е около 90%.

В зависимост от модела IВC могат да разполагат с различни защити, например самовъзстановяваща се при късо съединение на изхода и от UDC2 над определена стойност (по-голяма с няколко десетки % от максималното напрежение). Все повече IBC притежават и допълнителни функции, например включването и изключването им чрез постоянно напрежение с определени логически нива.

В техническата документация обикновено се дават и типични схеми за свързване на модулите, например кондензатори между изводите на UDC1 и UDC2 с техните капацитети и максимално допустимият капацитет на товара. Трябва да се прибави, че постепенно нараства количеството на IBC с вграден интерфейс PMBus за управляване и за регулиране на част от параметрите, например UDC2.

Такъв е даденият на ред 3 от табл. 1. Съществуват и модули с допълнителен процесор за разширяване на възможностите за управление, пример за което са DBQ Series и DVQ Series на Murata Power Solutions от по 3 модула с параметри (в зависимост от модела UL=3.3, 5 и 12 V и IL=35 и 60 А.

Външното оформление на модулите може да е със и без корпус - този на фиг. 2а е от ред 2 на табл. 1, а фиг. 2б е на IBC от ред 4.

Модули на аналогови POL
Поддържането на неизменно напрежение UL върху товара изисква свързването на фиг. 3а, където S+ и S- се означават и като SENSE+ и SENSE-, а масата GND - и като -UL. При близки до POL товари се ползва непосредствено съединяване на +UL към S+ и на GND към S-. В аналоговите POL напрежението на входа S+ се обработва без промяна на характера му, като в зависимост от начина на предаване на електрическата енергия от UDC2 към товара има два вида.

POL без галванично разделяне (Non-Isolated Point-of-Load DC/DC Converter, niPOL, Non-Isolated POL). Те са преобладаващият в практиката вид (дял над 90%) и се реализират в съответствие с класическата опростена блокова схема (фиг. 3б) на понижаващ ключов стабилизатор (Buck Converter, Step-Down Converter) c ULВ табл. 2 са дадени основните параметри на аналогови POL, като UUVLO (от Under-Voltage Lock-Out) e стойността на UDC2 за автоматично изключване на модулите (при нея и по-малка не може да се осигури нормалната им работа).

С dUL е означена точността на установяване на UL, а максималните ток и мощност върху товара са съответно IL и PL. И при POL стойността на h е правопропорционална на UL. От табл. 2 се вижда, че съществуват модули с размери на ИС, а този на ред 3 е основно за военни и космически системи, поради което има широки граници на температурата ТС на металния си корпус.

Практическа особеност е възможността на част от модулите за паралелно свързване на изходите им (това се указва в документацията) и ток през товара, равен на сумата от изходните им токове, идея за което е дадена на фиг. 4 – EN е разрешаващ вход, а чрез делителя се задава UL.

Съществуват и модули с два (ред 2) и четири (ред 3) еднакви POL в корпуса си, които самостоятелно могат да осигуряват различни UL на товарите си, всички да са свързани паралелно към един товар или едновременно да се ползват двете възможности.

Пример за разположението на отделните POL в корпуса на модула от ред 3 даден на фиг. 5. Освен с UVLO има множество модели и с други защити, най-често от недопустимо големи UL и IL и от превишаване на температурата в модула.

POL с галванично разделяне. То е между товара и UDC2 и благодарение на него се осигурява принципната възможност за получаване на UDC2>UDC1 (Boost Converter) и големи стойности на Io. Пример е модулът на ред 8 от табл. 2.

Модули на цифрови POL
Тази бързо добиваща популярност последна разновидност (Digital Point-of-Load Regulator) dPOL носи наименованието си от факта, че UL не се обработва като аналогов сигнал (както на фиг. 3б), а се превръща в цифров. Така блоковете EA, SG, REF и PWM се заместват с контролер (DCon на фиг. 6а), който осигурява необходимата обработка и съответно стабилизацията на UL. Основната причина за използване на dPOL е задаването чрез двоични числа на вход Contr (обикновено от интерфейс) на UL, IL, праговете на задействане на различните защити и хистерезисът им (разликата между по-големия праг на изключване на dPOL и по-малкия на включването му) и някои други параметри в зависимост от конкретния модул.

Към това се прибавят множество други възможности, които непрекъснато се разширяват с появата на нови dPOL, поради което някои производители вече ги наричат интелигентни POL. Сред тях са управлението на температурата на модула, включването в определена последователност и с различна скорост на захранващите напрежения на блоковете на системите, ползване на специфични алгоритми за поддържане на висок КПД в различни режими на работа, по-голяма плътност на монтажа на елементите в модулите.

Към това се прибавят по-краткото време за възстановяване на UL след рязка промяна на IL, особено характерно за цифрови товари, например разновидностите на процесори и памети. Структурата на dPOL улеснява и въвеждането на нови видове по-ефективни компенсации – пример е Dynamic Loop Compensation на Ericsson (dPOL на ред 4 от табл. 3), която увеличава с 25% стойността на IL.

Основните приложения на dPOL са в токозахранващи блокове от произволен тип и особено в базови станции, рутери и комутатори на телекомуникационни мрежи, в сървъри, устройства за съхранение и индустриални компютри. Пример за използването на dPOL за захранване на памет Mem, цифров сигнален процесор DSP и програмируема логическа матрица FPLA е показан на фиг.6б. Управляващата шина BUS може да е някой от съществуващите интерфейси или да е свързана към специализиран (за dPOL) контролер (следващия раздел).

Интерфейсът (или интерфейсите) зависи от модула, но най-масов е споменатият PMBus, към който понякога се прибавя SMBus и по-рядко е приложението на I2C (вж. последната колона на табл. 3). В документацията на dPOL обикновено се дават достатъчно сведения за ползването на вградения интерфейс, на първо място списък на командите и свързването на адресните входове.

За свързване на захранваните блокове към dPOL се ползва фиг. 3а, като има модули (например този на ред 2 от табл. 3) с два успоредни блока PTr за увеличаване на IL.

В табл. 3 са представени основните параметри на модули на цифрови POL, като в зависимост от производителя може да има значителни различия в електрическите параметри и корпусите (напр. едно- и двуредови за платки с отвори и за SMD монтаж) на тези от една серия.

Вече твърде често вместо допустимите граници на околната температура се дават тези на температурата на печатната платка TPCB или на бобината TL на модула. Специфичен параметър е стъпката на задаване на изходното напрежение (Output Voltage Set-Point Resolution) ULstep, която е при смяна с един разред на управляващото число. Например нейна стойност 0,025%FS при UL=3,3 V означава (0,025/100)x3,3 V=0,825 mV.

Контролери за POL
Те представляват самостоятелни ИС и поради споменатото вече преобразуване на управляваните аналогови величини в цифрови се означават като Digital POL Controller. Трябва да се има предвид, че наличието на този термин в наименованието на ИС не е задължително - понякога възможността за работа на даден контролер в POL се споменава само в частта от техническата документация с описание на действието или в областите на приложение.

Същността на свързването им се изяснява от фиг. 7, която е разширение на дадената на фиг. 6а. Входовете US+ и US- съответстват на FB и са за следене на получаваното върху изходния кондензатор Со напрежение UL, а чрез кондензатора на RC-групата успоредно на L на входовете CS+/CS- постъпва напрежение, пропорционално на IL и чрез него се осъществява максималнотоковата защита.

За поддържане на UL с достатъчна точност преобразуващия го в число вграден АЦП обикновено е между 10 и 16b. Чрез транзистора Т се следи температурата на модула, а в ИС е вграден друг за контрол на вътрешната й температура. При превишаване на една от двете над определена граница модулът се изключва чрез подходящо логическо ниво на изход PWM.

В нормален работен режим на изхода има правоъгълни импулси, чиито коефициент на запълване d се променя в зависимост от UL с цел неговото стабилизиране. Чрез входната шина BUS се управлява работата на модула, към което само в някои контролери се прибавя и задаване на част от параметрите му. Съществуват модели, в които UL се установява чрез резистор между извод на ИС и маса.

В табл. 4 са основните параметри на типични контролери, като UIN е работното им напрежение, равно на UDC2 на модула, в който са вградени, а UL е неговото изходно напрежение. С IIN е означен консумираният от ИС ток, а нормалната й работа е между праговете UUVLO и UOVLO на UL – под първия и над втория тя се изключва и UL се нулира.

Към това трябва да се прибави, че при включване на модулите към захранващото им напрежение стойността на UL плавно нараства и при достигане на около 90% (в зависимост от модела) от UL на извод на ИС се получава логическо ниво за Power-Good. С fSW е означена честотата на импулсите на изход PWM, която в някои модели може да се задава чрез резистор.

Мерната единица %/V на LR означава процентното изменение на UL при промяна на UIN с 1 V. Контролерът на ред 4 е част от серия от 12 ИС с различни UL между 0,85 V и 5 V, а блокът PTr е друга ИС, съдържаща драйвер и мощни MOS транзистори. Например драйверът ZSPM9000 осигурява IL=30A и hmax=91,2%.

При ползване на повече от един POL в дадено устройство обикновено е необходимо при включването му изходните им напрежения да се появяват в определена последователност, което в документацията на контролерите се нарича Sequencing и Output Voltage Sequencing.

То се осигурява, като във всеки POL се програмира времето за установяване на неговото напрежение. За скъсяване на преходните процеси при смяна на IL и UL в някои контролери (например дадения на ред 2 в табл. 4) е вграден специален алгоритъм.

Интегрални POL
Представляват аналогови POL в по-голямата си част предназначени за реализация на понижаващи ключови стабилизатори (ИС на редове 1-3 и 5 на табл. 5) и по-рядко на линейни стабилизатори с малка разлика UDO=UDC2-UL (Low Dropout Regulator), например 44 mV при IL=0,5 A за този на ред 4 и 780 mV при 50 mA на ред 6.

Основните блокове на ключовите стабилизатори са дадени на фиг. 3б с ползване в PTr на два MOS транзистора за реализация на синхронен стабилизатор, а схемата на свързване на двата типа е тази на фиг.3а. В документацията практически винаги се дават една или повече практически схеми на свързване, пример за каквато (на POL от ред 1) е фиг. 8 – чрез RTOP-RBOTTOM се установява UL, което е характерно за сериите ИС на POL, докато в POL с фиксирано UL делителят е вграден в ИС.

Чрез RFREQ се задава стойността на fSW. Кондензаторът CBST осигурява нормалната работа на MOS транзисторите и RCOMP-CCOMP е верига за честотна компенсация. В зависимост от модела POL могат да имат температурна защита, разрешаващ вход EN за включването им чрез подходящо логическо ниво на него, изход Power Good.

Основните параметри на интегрални POL са в табл. 5, където ICC е консумираният от ИС ток (Quiescent Current) и напрежението UUVLO се отнася за UDC2. Освен IL съществена характеристика на изхода е съпротивлението в проводящо състояние RON на MOS транзисторите.

Полезно е да се има предвид, че много производители дават в техническата документация подробни сведения за избора и изчисляването на външните елементи и множество графики за преходните процеси на UL при различни работни режими.