. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Jak na distribuci napájecího napětí
16. října 2015 - 5:15 | Pietro Scalia, Matthias Ulmann | Jak na distribuci napájecího napětí | Komentářů: 0  

Jak na distribuci napájecího napětí

Přiblížení hlavních úskalí a možných zdrojů problémů při distribuci napájecího napětí po soustavách telekomunikačních a datových sítí. Součástí článku je příklad návrhu regulátoru PoL pro aplikace v telekomunikačním sektoru.

Na každé distribuční soustavě telekomunikačních a datových sítí vznikají ztráty v důsledku jejich zatížení. Proto, pokud je na tzv. Intermediate Bus chceme minimalizovat, je vhodné obvyklé provozní napětí 3,3 V a 5V až 15V zvýšit. Vyšší IBV přináší výhody především v účinnosti izolovaných -48V DC/DC telekomunikačních převodnících. Ovšem naproti tomu, zejména v případě tzv. neregulovaných IBV (viz TI UCC28230), vznikají zcela nové požadavky na navazující PoL.

Účinnost PoL je značně ovlivněna hodnotou IBV a velmi malou střídou, kterou musí (obvykle) PWM regulátory pracovat. Z toho důvodu je mnohem praktičtější využít konverzi ve dvou fázích, kde je i po součtu celková účinnost vyšší, než v případě jediného konvertoru.

Tento článek přibližuje hlavní úskalí a možné zdroje problémů, kterým je v případě PoL pro tento druh aplikací nutné čelit. Součástí článku je kompletní příklad regulátoru, vytvořený krok za krokem od studia technické dokumentace až po finální návrh PoL pro aplikace v telekomunikačním sektoru.
Rozbor, návrh schéma a výběr součástek, spolu s návrhem prototypu desek tři hlavních PoL převodníků má sloužit jako referenční návrh a pomoc při konstrukci vlastního řešení.

Specifikace napájecího obvodu
Analýza každého obvodu začíná z technické specifikace, která v našem případě vychází z architektury rozvodné sítě a neregulovaného napětí mezi 7 a 14 V. Na blokovém schéma tradiční architektury IBV (obr. 1) můžeme vidět zjednodušení v případě převodu na 24 V, typických pro anténní vedení. Účinnost izolovaných DC/DC převodníků z obr. 1 je v rozsahu od 92 do 95 %, v závislosti na výstupním napětí IB. Výkon, který je IB schopen dodat, bude P = 280W, 100W v PoL.


Obr. 1: Blokové schéma IBA

V konkrétní aplikaci jsou pak zastoupeny obvykle tři hlavní PoL:

  • 0,7V ÷ 0,9V (VID) @ 6A (ASIC Multicore)
  • 6,3V @ 4A (Low Noise RF Amplifier)
  • 3,3V @ 16A (I/O).

Zejména první PoL, dodávající extrémně nízké výstupní napětí (ASIC využívá TI Voltage Identification Code pro snížení spotřeby), představuje velkou výzvou, neboť je třeba omezit až 14 V (maximální napětí IB). Jelikož střída takového regulátoru musí klesnout až na pouhých 5 %, vzniká v řídicím obvodu tlak na hodnoty tzv. mrtvých časů PWM regulátoru, které zde mohou představovat nepřijatelnou hodnotu. Druhý tlak je na celkovou účinnost obvodu a to opět kvůli extrémním provozním podmínkám prvního regulátoru a regulátoru pro I/O.

Volba PWM
Nové řešení PWM od Texas Instruments - TPS4030x (3 = 300kHz, 4 = 600kHz, 5 = 1.2MHz) splňuje všechny kritéria našeho zařízení a poskytuje požadované vlastnosti. Obvod je určen pro provoz při jmenovitém napětí 20V s integrovanými spínači do 27 V.

TPS4040x poskytují tzv. dopřednou kompenzaci, vhodnou pro IBA bez regulace a rychlou reakci na změnu vstupního napětí. Spínací časy TPS4030x jsou velmi nízké, typ. až 40 ns při 600 kHz. Nejmenší střída (úroveň plnění) se tedy při 300 kHz může pohybovat v rozmezí 2,7 až 3,3 %, 5,4 až 6,6 % při 600 kHz a 10,2 až 13,8 % při 1,2 MHz.

Pro přesné měření výstupního proudu integruje TPS4030x zdroj referenčního napětí s tolerancí 5%, který je dostupný na pinu LDRV. Integrovaný referenční zdroj se může pochlubit teplotním gradientem 3800 ppm/°C, takže nastavenou mezní hodnotu proudu udržuje v celém teplotním rozsahu obvodu. To nám v aplikaci dává možnost použít levnější a menší indukčnosti, nezvyšující výrobní náklady.
Zvýšení spínací frekvence podporuje snížení rozměrů i kusové ceny, ale naopak vyžaduje vyšší střídu.

Mezi další osvědčené postupy/řešení, implementované ve srovnatelných deskách specifických aplikací, patří:

  • Výstupní napětí je lepší filtrovat pouze pomocí keramických kondenzátorů, pokud to obvod umožňuje. S jejich pomocí se dosáhne mnohem menšího zvlnění, což je zejména u malých napětí, jako je 0,7 V, žádoucí.
  • Při změně zatížení o +/-50% je povolená změna výstupního napětí pouze 3%.
  • Dynamické VID, implementované pomocí externího 4-bitového přepínače s paralelními rezistory z řady E24, umožňuje konfiguraci výstupního napětí od 0,7 do 0,9 V.

I velmi náročné dynamické vlastnosti mohou být splněny bez použití velkých výstupních kapacit. Díky vysoké spínací frekvenci obvodů TPS4030x je možné použít pouze malé keramické kondenzátory. To zároveň dává i možnost využít dobré charakteristiky chybového zesilovače v pásmu 20 MHz (typ).

Přesto, že obvody TPS40303 na svém čipu integrují výkonové spínací prvky, díky moderní technologii nabízejí velmi malý odpor v sepnutém stavu (1,5/1,0 ohmů (HSD), 1,5/0,6 ohmů (LSD)). Ty jsou v zařízení odpovědné za minimální spínací ztráty a dobrou účinnost, zejména při vysokých výstupních proudech.


Obr. 2: Schéma PSU pro GAIA ASIC Core Voltage 0.7-0.9V@6A (PMP4709)

Volba NexFET
Výpočet výkonových ztrát tří měničů umožňuje vyhodnocení dosahované účinnosti pomocí dvou různých spínacích frekvencí a různých NexFETů. Tranzistory NexFET jsou unikátní technologií TI s malou kapacitou přechodů, pro vysoké spínací frekvence a dosahovaný výkon. Výpočet se provádí pro různé minimální a maximální hodnoty napětí IBV.

Při návrhu tří konvertorů byla použita tabulka jejich účinnosti a všechny jejich prvky byly vypočteny (pro konkrétní NexFET) pro různé hodnoty IBV. Ve dvou případech spínací frekvence (TPS40303, TPS304) pak i včetně ztrát v pasivních prvcích obvodu (použitými indukčnostmi jsou MSS1048 222NLC při 1V@6A, IHLP5050FDEC1R05M01 při 3,3V@16A a MSS1260-682MLD při 6,3V@4A).


Obr. 3: Převodní účinnost PoL pro GAIA Core Vout=0.7-0.9@6A Iout při minimálním a maximálním IBV

Výsledkem jsou různé spínací frekvence pro tři konkrétní převodníky:

  • 0,7 ÷ 0,9 V (VID) 6A @ fs = 300kHz (TPS40303) PMP4709 (schéma na obr. 2)
  • 6,3V @ 4A fs = 600kHz (TPS40306) PMP4711
  • 3,3 V @ 16A fs = 600kHz (TPS40306) PMP4713
  • 0,7V÷0,9V (VID) @ 6A fs=300kHz (TPS40303) PMP4709 (schéma na obr. 2)
  • 6,3V @ 4A fs=600kHz (TPS40306) PMP4711
  • 3,3V @ 16A fs=600kHz (TPS40306) PMP4713

Použité NexFETy:

  • Kladný - CSD16409Q3 byl zvolen pro svůj vysoký výkon (úbytek napětí na tranzistoru je pouze cca 60mV a téměř nezávislý na Vin)
  • Záporný - CSD16323Q3 byl zvolen pro svou podobnost k CSD16340Q3 a zároveň nízkou cenu (ztráta 237 až 287mW při 7 až 14 Vin).

Celkové rozměry PWM + FET jsou tvořeny 3x (3x3QFN)mm2 = 27 mm2. NexFETy byly tedy pro tuto aplikaci zvoleny především pro svůj ideální poměr rozměrů a dostupného výkonu. Samozřejmě kritéria výběru se mohou v jiných aplikacích značně lišit a je třeba vždy dosáhnout nejlepšího kompromisu mezi dostupným výkonem / účinností / teplotou a cenou.

Zároveň je vhodné zamyslet se nad flexibilitou navržené desky s plošnými spoji. Na jedné desce totiž může být umístěno i několik různých tvarů pouzder tranzistorů NexFET, jako je třeba SON5X6mm (kompatibilní s pouzdry Power Pack) a SON3X3mm. V každé konkrétní aplikaci je pak možné ověřit poměr výkon/cena a zvolit vhodný typ. Jak bylo uvedeno výše, deska použitá v tomto článku slouží zároveň i jako pomoc při vývoji a testech konkrétních prvků v dané aplikaci. Její kompletní dokumentace, tedy schéma, návrh desky i samotná prototypová deska je realizována jako referenční návrh týmu specialistů z TI.
Výsledkem je univerzální Demo pro obvody řady TPS4030x, které může být použito i v jiných projektech, s jinými NexFETy a jiným požadovaným poměrem proudu / ceny a výkonu.


Obr. 4: Průběh zesílení otevřené smyčky PSU pro I/O Vout=3.3@16A Iout (14,0V vstup). 62 deg fázového posunu na frekvenci 100,3 kHz

Výsledky měření
Na obr. 3 jsou uvedeny výsledky měření účinnosti na jednom ze tří konvertorů (výsledky ostatních jsou k dispozici u společnosti TI na dotaz). Účinnost byla měřena při minimálním a maximálním IBV 0,7 ÷ 0,9 V (VID) @ 6A ASIC PSU.

Na obr. 4 je průběh zesílení uvedeného konvertoru, který je důkazem vysoké rezervy na provozních 100 kHz. Za tím stojí především vynikajících dynamické vlastnosti obvodů TPS4030x.


Obr. 5: Tepelný obraz desky GAIA ASIC PSU při Vin=14V Vout=0.7V@6A Iout

Teplotní záznam na obr. 5 ukazuje maximální teplotu zdroje jen 44,1 °C, která je prakticky rovnoměrně rozložena mezi oba FETy a indukčnost.

Autoři: Pietro Scalia - EMEA Power Marketing Manager - Telecom a Matthias Ulmann - EMEA Design Services Engineer

Pietro Scalia je EMEA Power Marketing Manager ve společnosti Telecom se sídlem ve Freisingu (Německo). K TI se přidal v roce 2008, jako člen EMEA Design Services Group pro skupinu Power Management produktů. Po M.Sc.Degreee v oboru elektronického inženýrství (1991, Itálie) má několik pozic ve společnostech Italtel/Siemens (Power Design R & D), STMicroelectronics (Power Management Business Development) a Ericsson (Network Implementation), přičemž souběžně již sedm let vystupuje Contract Professor v Power Electronics. Je autorem řady aplikačních poznámek a mnoha konferencí na téma napájecích zdrojů, stejně tak je držitelem hned několika patentů v oblasti regulace výkonu.

Matthias Ulmann se narodil v roce 1980 v Ulmu (Německo). Na univerzitě v Ulmu rovněž v roce 2006 získal titul v oboru elektrotechniky a následně několik let pracoval v oblasti řízení motorů a solárních invertorů (se specializací na IGBT budiče). Poté se na jeden rok připojil programu vývoje analogových systémů a od roku 2010 pracuje rovněž v EMEA Design Services Group. Mezi jeho hlavní činnost patří návrh ne/izolovaných DC/DC měničů pro všechny typy aplikací.

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Power Management - Non-Isolated POL
Informace o obvodu TPS4030x







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

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
MRF24J40MA
MRF24J40MA je certifikovaný 2,4 GHz IEEE 802.15.4 bezdrátový modul transceiveru.
od 345 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