. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Jak na vysokou účinnost u nových step-down převodníků

Jak na vysokou účinnost u nových step-down převodníků

Společnost Texas Instruments představila novou řadu step-down převodníků, pracujících na 6 MHz. Jak s těmito obvody zacházet a jak dosáhnout až 90% účinnosti?

Nová rodina step-down převodníků firmy Texas Instruments je určena pro pracovní frekvenci 6 MHz. Díky tomu je možné nabídnout nejlepší regulaci napětí s řešením maximálně kompaktního provedení, které je až o 50% menší, než předchozí generace step-down regulátorů, pracujících na frekvenci 3 MHz. To je ideální například pro moderní chytré telefony a aplikace, kde jsou celkové rozměry kritické více než kde jinde.


Obr. 1: 6 MHz step down converter TPS6262x od Texas Instruments: řešení celkové velikosti a uspořádání

Toto řešení omezení velikosti celkového návrhu je výsledkem více než tří let vývoje, který na trh přinesl zbrusu novou generaci step-down převodníků. Ty se však mohou pochlubit vynikajícími vlastnostmi i v řadě dalších klíčových parametrů, zejména poté v dosahované účinnosti.

Velikost čipu doprovází potřebu vysoké frekvence

Za účelem omezení celkové velikosti řešení, tlačí průmysl neustále na výrobce polovodičových čipů s cílem omezit velikost a počet externích komponent. Tím je samozřejmě doprovázeno i omezení velikosti výsledných aplikací, což je tím hlavním cílem současného trendu. V oboru spínaných převodníků jsou typické vstupní a výstupní kondenzátory, stejně jako výstupní filtrační indukčnosti, omezeny právě použitím vyšší pracovní frekvence. Z hodnot 10 uF a 1,5 uH, užívaných u 3 MHz generace, jsou nově využitelné hodnoty jen 2 uF a 0,7 uH u 6 MHz generace, což samozřejmě znamená i značný rozdíl v celkových mechanických rozměrech.

Použití malých externích komponent má však i své nevýhody, neboť poskytují menší schopnosti filtrace jak na vstupu, tak i na výstupu z převodníku. Aby v důsledku toho nedošlo k degradaci výstupního napětí vlivem nadměrného zvlnění, jelikož ani vstupní napájecí baterie nemá nulovou impedanci a výstupní napětí je naprosto vždy omezeno maximální hodnotou zvlnění, měla by být pracovní frekvence co možná nejvyšší. Pro zachování konstantní hodnoty filtrace je tak u nové technologie step-down převodníků využíváno pracovní frekvence 6 MHz namísto předchozích 3 MHz.

Nevýhoda řešení s vysokou spínací frekvencí

Spínané převodníky vykazují ztráty vzhledem k jejich činnosti spínání. Tyto ztráty, které většinou přispívají k degradaci celkové účinnosti jsou tří typů:

  • Prvním a nejdůležitějším typem ztrát jsou ztráty, vznikající na kapacitě přechodu Gate-Source výkonových tranzistorů FET, které je potřeba nabít a vybít při každém cyklu. Klasicky jsou vyjádřeny jako množství náboje, uloženého v těchto kapacitách, vynásobeného frekvencí a napájecím napětí. Jsou tedy přímo úměrné spínací pracovní frekvenci:
kde Cgate je součet kapacit tranzistorových vstupů, Vin je napětí baterie na vstupu zdroje a f představuje spínací frekvenci.


Obr. 2: Proud kapacitou Cgs generuje na výstupu převodníku kapacitní ztráty

  • Druhý typ ztrát vzniká v důsledku toku proudu v tzv. back gate diodě, nacházející se na výstupech tranzistorů FET, během změny jeho stavu. Na této diodě vznikají ztráty rovněž jednou za cyklus a i tyto jsou tedy přímo úměrné pracovní frekvenci. Tento ztrátový výkon jednoduše vyjádříme následujícím vztahem:
kde Vdiode je závěrné napětí na back gate diodě, Iload je výstupní proud, tdead reprezentuje dead time a T spínací periodu.
  • Třetí typ ztrát vychází z přechodového stavu na výstupech FET. Během přechodových stavů, kdy na výstupních tranzistorech FET dochází k periodickému vypínání a zapínání, musí značná část výstupního proudu protékat druhou polovinou spínaného výstupu. Ten má však v tuto dobu mnohem vyšší sériový odpor, což podmiňuje poklesy napájení v průběhu těchto přechodových stavů. Tento typ ztrát je těžké snadno vyjádřit jediným vztahem. Je však jisté, že v první řadě bude přímo úměrný vstupnímu napětí, výstupnímu proudu a samozřejmě i spínacímu času. Vzhledem k tomu, že se tyto přechodové stavy opakují vždy jednou za cyklus, zvyšuje se i tento ztrátový výkon s pracovní frekvencí.

Z popisu mechanismů těchto tří typů ztrát lze pochopit, že zvýšení spínací frekvence z 3 MHz na 6 MHz znamená zdvojnásobení hodnoty celkových ztrát energie a tím i degradaci výsledné účinnosti.

Návrh vysoké spínací frekvence při současném udržení účinnosti na přijatelné úrovni

Úpravou návrhu zdroje je potřeba dosáhnout zachování účinnosti na přijatelné úrovni i v případě, že vysoká spínací frekvence inklinuje k degradaci účinnosti v důsledku tří výše jmenovaných ztrát.

První zlepšení vychází z nové generace tzv. Wafer Chip Scale Package, tedy rozložení pouzdra obvodu, které vykazuje mnohem nižší parazitní indukčnost na rozhraní mezi křemíkovým čipem a PCB. Tyto parazitní indukčnosti obvykle dosahují hodnoty zhruba 5 nH pro stará QFM pouzdra a méně než 1 nH pro moderní provedení. Spínací proud procházející výstupními FETy generuje mnoho rušení, především v rezonujících spojích, vznikajícím mezi parazitní indukčností a výstupní kapacitou. Toto rušení má následně značný potenciál, při amplitudě vyšší než je absolutní jmenovité napětí čipu, vést k poškození celého obvodu. Rovněž je i zdrojem nežádoucího elektromagnetického rušení (EMI). Musí být tedy pod kontrolou již v době návrhu.

Amplituda šumu na parazitních rezonančních vedeních je vysoká, rovněž v závislosti na pracovní frekvenci výstupních tranzistorů typu FET. Menší vlastní parazitní indukčnost v obvodech spínání napájení umožňuje dosažení rychlejších náběžných a sestupných hran. To pomáhá udržet úroveň šumu celého systému na konstantní úrovni, ve srovnání s předchozími generacemi spínaných regulátorů. Vyšší spínací rychlost výstupních výkonových tranzistorů typu FET, používaných u 6 MHz rodiny step-down konvertorů, snižují ztráty v účinnosti tím, že spínací mechanismus zavádí a kompenzuje zvýšení ztrát výkonu způsobených vyšší frekvencí.

Rovněž jsou účinně řešeny i ztráty vznikající na již zmíněné back gate diodě. Pomocí inteligentní implementace krátkých časových prodlev mezi spínacími akcemi, tedy vytvořením tzv. mrtvých dob, během kterých dojde ke snížení vzniklých ztrát omezením kritických časových úseků z 5 ns až na pouhé 2 ns. Přechodem ze stávající 3 MHz architektury na novou 6 MHz vznikají tyto ztráty logicky dvakrát tak často, ovšem jejich účinky trvají jen 2 ns, místo 5 ns. Toho je možné dosáhnout jen díky propracovanému designu, takže celková ztráta obvodu je téměř konstantní při přechodu z jedné generace na druhou.


Obr. 3: TPS6262x SW pin – náběžná a sestupná hrana

Další ztráty, vznikající na již zmíněných parazitních kapacitách G-S přechodů výkonových tranzistorů, jsou s úspěchem snadno řešené použitím tranzistoru vodivosti typu N pro spínání proudu v koncovém stupni. Tedy namísto standardního FET vodivosti typu P, používaného ve většině spínaných regulátorů. Zapnutí a vypnutí tranzistoru typu N FET však vyžaduje mnohem složitější řídicí obvody. Nicméně N FET polovodiče jsou podstatně menší než typ P FET, při zachování shodného sériového odporu. Jeho použitím v obvodu regulátoru je snížena vstupní parazitní kapacita přechodu G-S a účinně tak omezen celkový ztrátový výkon. Kompenzací snížených kapacitních ztrát výkonových tranzistorů je však zvýšená pracovní frekvence.


Obr. 4: Použití tranzistorů typu N FET namísto standardního P FET pomáhá omezit ztráty na vstupních kapacitách


Obr. 5: Průběh degradace účinnosti PWM regulátoru na 6 MHz při použití obvodu TPS62674

Závěr

Nově představená generace 6 MHz step-down převodníků od Texas Instruments, umožňuje dosažení takové účinnosti, která je srovnatelná s obvody TPS6262x/TPS6265x, nebo dokonce vyšší než u jejich posledního zástupce - TPS62674 s pracovní frekvencí 3 MHz. Návrháři mohou pomocí těchto vysoce výkonných integrovaných obvodů získat ideální řešení pro omezení celkových rozměrů, které potřebují, aniž by přitom jakkoliv omezovali životnost napájecí baterie.

Nová generace rodiny 6 MHz obvodů od TI obsahuje kompletní řadu produktů, lišících se především rozsahem výstupního proudu a jmenovitým výstupním napětím.


Obr. 6: Přehled základních vlastností obvodů řady TPS6262x

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Domovská stránka firmy Texas Instruments v českém jazyce
Přehled distributorů

TPS6262x - 6 MHz, 90% Efficiency Step-Down Converter
Datasheet obvodu TPS62620







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (1):

Zobrazit starší 30 dnů (1)...

host
1. Dne 05. 05. 2015 v 16:03 zaslal host
fifa 15 android gameplay
Good respond in return of this query with genuine arguments and telling the whole thing concerning that.|


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
USB teploměr a vlhkoměr
Digitální USB teploměr a vlhkoměr s možností připojení externího čidla, funkcí termostatu se zasíláním e-mailu i přenosem dat na webový server.
Skladem od 600 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007