Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.
DC-DC kapcsolóüzemű feszültség átalakítók - New Japan Radio Corp.
2013 december 6.
Összefoglalás :
A DC/DC konverterek napjaink telepes táplálású elektronikai készülékeinek elengedhetetlen alapelemei, hiszen ezen az eszközök áramkörei gyakorta különböző tápfeszültséget igényelnek, de helyhiány miatt általában nincs lehetőség több elem használatára. A megoldás DC-DC átalakítók használata lehet, melyek segítségével akár a telepfeszültségnél nagyobb feszültség is nyerhető. A kimenet általában szabályozott, mely nagyon előnyös, amikor a telepfeszültség a tárolt energia elvesztésekor csökkenni kezd. Azokat a DC/DC átalakítókat, melyek a bemeneti feszültségnél kisebb kimeneti feszültséggel rendelkeznek, „step-down”, vagy „buck” konverternek, a nagyobb feszültséget előállító verziókat pedig „step-up”, vagy „boost” konvertereknek hívjuk.
A feszültség átalakítók általános áttekintése
A telepfeszültségtől eltérő feszültségeket többféle módon állíthatunk elő, például ellenállás alapú feszültségosztóval, vagy lineáris feszültségszabályzók használatával, de ezen megoldások csak a telep feszültségénél kisebb értékek előállítására alkalmasak és a hatásfokuk is alacsony, mivel amennyiben a feszültségesés magas és az áramerősség nagy, a felesleges energia hő formájában disszipálódik. Sokkal kifizetődőbb a kapcsolóüzemű DC/DC átalakítók használata, melyek az energiát ideiglenesen mágneses, vagy elektromos térben tárolva, és azt a megfelelő időben felszabadítva, a kimeneten a bemenettől eltérő feszültséget állítanak elő. A hatásfok jelentősen nagyobb, ami a telep élettartamának növekedéséhez vezet.
Step Down / Buck átalakítók
A bemeneti feszültségnél (Vin) a kimeneten alacsonyabb feszültséget (Vout) előállító DC/DC konvertereket „step-down”, vagy „buck” konvertereknek nevezi a szakirodalom. A működési elvük az első ábrán látható ideális áramkör segítségével értelmezhető.
Az áramköri képen látható kapcsoló reprezentálja azt a komponenst, ami a telep folyamatos le- és visszakapcsolásáról gondoskodik, és ami valójában egy MOSFET vagy egy IGBT. Az induktivitás az energia tárolására szolgál, a telep bekapcsolása utáni tranziens a mágneses mező felépülése folytán feszültségesést indukál, mely a terhelésre jutó feszültséget csökkenti. Ha a kapcsoló a tér felépülésének befejeződése előtt újra kinyit, a kimenetre jutó feszültség folyamatosan a telep feszültsége alatt marad. Ebben a pillanatban a flyback dióda kinyit, újra zárt áramkör jön létre, és az induktivitás mágneses terében tárolt energia újra elektromos energiává alakul és áramot hajt át a terhelésen. Addig, amíg a kikapcsolt állapot rövidebb, mint a tekercs mágneses mezejének leépülési ideje, a terhelésen az induktivitás folyamatos áramot hajt át, a kimeneti feszültség átlagértéke pedig a bemeneti feszültség értéke alatt marad. A párhuzamosan kapcsolt kondenzátor a kapcsolgatás miatti folyamatos fluktuáció keltette ripple feszültség simítására szolgál.
Amennyiben működés közben az induktivitás árama sohasem csökken nullára, folyamatos működési módról beszélünk. Amennyiben a tekercsben tárolt energia nem elegendő a kikapcsolási fázis teljes hossza alatt az áram fenntartásához, az időnként nullára csökken, szakaszos üzemben működik a DC/DC konverter. A különbségek a második és harmadik ábrán láthatók:
Szinkron DC/DC konverterek
A buck konvertereknek létezik egy a hagyományos áramköri elrendezésből származtatott továbbfejlesztett változata is, ahol a flyback diódát egy a felső kapcsoló működésével ellentétes fázisú kiegészítő vezérléssel ellátott második kapcsolóeszköz (alsó kapcsoló) helyettesíti. Ez az eszköz is a valóságban egy MOSFET vagy IGBT eszköz, melynek RDSON értéke a flyback diódáénál nagyságrenddel kisebb, így az eredetileg a diódán eső feszültség miatti veszteségek minimalizálhatók. Természetesen mindkét esetben a veszteség az aktív ciklusidő (duty cycle) hosszával arányos. Másik előnye ennek az elrendezésnek az eszköz bidirekcionális volta. Azonban az előnyöknek ára van, a jobb jellemzők drágább áramköri megoldásokkal párosulnak.
Vezérlési módok
A kapcsolóüzem leggyakrabban használt vezérlési módja a fix frekvenciájú impulzusszélesség moduláció (PWM-Pulse Width Modulation), mely biztosítja az alsó és felső kapcsolók ellenfázisú, kiegészítő vezérlését.Másik gyakran használt vezérlési mód a hiszterézis feszültség vezérlés. Ebben az esetben nincs szükség oszcillátorra, úgyhogy nincs szükség olyan problémák, mint például a frekvencia kompenzáció megoldására sem. A rendszer egy komparátort használ, melybe alsó és felső feszültség határértékek vannak beállítva. Ebben az esetben a DC/DC konverter kimenetén fellépő ripple feszültség kerül visszacsatolásra a komparátor bemenetére. Amikor a feszültség értéke eléri a felső határértéket, a felső oldali kapcsoló kikapcsol, ezzel egyidejűleg az alsó kapcsoló bekapcsol, a kimeneti feszültség értéke, a visszacsatolt ripple csökkenni kezd egészen az alsó határértékig, amikor is a folyamat ellentétesen újra elindul. Az állandó időre bekapcsolt (COT-Constant On Time) feszültség átalakítóknak sincs szükségük oszcillátorra, itt is a visszacsatolt ripple feszültség indítja a kapcsolást, de itt a felső oldali kapcsoló állandó ideig marad bekapcsolva. Ennek a kialakításnak az előnye a nagyobb hatásfok még kis terhelésnél is, valamint a gyors tranziens válasz. Azonban ezeknél a megoldásoknál a kimeneten elhelyezett kondenzátornak magas ESR értékkel kell rendelkezni az elegendően nagy ripple feszültség eléréséhez, ami a kimenetet zavar érzékennyé teszi.
4. ábra COT vezérlésű buck konverter
Beépített áramkörvédelmi megoldások
Az átalakítók megbízhatóságának növelésére a gyártók számos védelmi megoldást dolgoztak ki. A hagyományosan alkalmazható külső, automatikusan helyre nem álló védelmek (olvadóbiztosítók, megszakítók) és a regenerálódó túláram- és túlmelegedés védelmi megoldások (pl. PolySwitch) mellett a DC/DC konverter IC-k belső védelmekkel is fel vannak szerelve. A ciklusonkénti (Cycle-by-cycle) áramhatároló védelmi mód érzékelve a túlterhelést limitálja az aktív ciklusidőt (duty cycle). Ebben az esetben a magas oldali kapcsoló minden ciklusban ugyan, de csak rövid ideig van bekapcsolva, emiatt a buck dióda nagyon hosszú ideig vezeti a terhelés áramát, ami a magas RDSON érték miatt a hő menedzsment problémáját veti fel. Hacsak a dióda és az illeszkedő hűtőborda nincs felülméretezve, a túlterhelés az élettartam csökkenéséhez vezet. A „hiccup” (csuklás) módú áramkorlátozó védelem megoldást jelenthet, mert túlterhelés esetén a konverter fix hosszúságú alvó módba kerül, ahonnan való visszatérés egy finom indítási kísérlettel indul. Ha a túlterhelés fennáll még ekkor is, újabb védelmi ciklus indul, tehát a konverternek van ideje lehűlni. Mivel az átalakító túlterheléskor indulások és hosszabb nyugalmi állapotok sorozatát szenvedi el, az ilyen üzemmód a csukláshoz hasonlít, innen a védelem neve is (hiccup = csuklás).
A New Japan Radio NJW4150 kapcsolóüzemű feszültségszabályzó IC-je egy buck konverter, mely 34V, 450mA MOSFET-et tartalmaz. Alkalmas nagy frekvenciás üzemre, széles bemeneti feszültségtartománnyal és kis ESR értékű MLCC kondenzátorral való használatra. Az eszköz néhány külső áramköri elemet igényel és alkalmas méretcsökkenés realizálására. Alkalmazási területe az autó elektronikai kiegészítők, valamint ipari vagy irodai készülékek tápellátása.
Egy másik termék a NJW4153 buck konverter 40V/1A MOSFET-el, melyet 4.6V-40V bemeneti feszültségtartomány jellemez. Az induktivitás áramát érzékelve a kimeneti feszültség kerül visszacsatolásra (current mode control). Alkalmazási területe elsősorban mikroprocesszorok tápellátása, ahol a gyors tranziens válasz elengedhetetlen.
Step Up / Boost konverterek
Azokat a DC/DC konvertereket, melyeknek a kimeneti feszültsége a bemeneti feszültségük felett van, step–up, vagy boost konvertereknek nevezzük. Az ideális kapcsolásuk és a működési alapelvük az alább ábrán tekinthető át:
Amikor a kapcsoló bekapcsolt állapotban van, az induktivitás elkezd töltődni, mágneses tere felépül, miközben a terhelésre jutó feszültség nulla. A kapcsoló kikapcsolásakor a tekercsben tárolt mágneses energia ismét elektromos energiává alakul és a telep mellett másodlagos feszültségforrásként táplálja az áramkört, a diódán keresztül a telep feszültségénél nagyobb feszültséggel kezdik el táplálni a terhelést és tölteni a kimeneti kondenzátort. Amikor a kapcsoló ismét kikapcsol, a kondenzátor elkezd kisülni. Ha a kapcsolgatás elég gyors ahhoz, hogy a kondenzátor ne süljön teljesen ki, a következő ciklus előtt, akkor a terhelésre jutó feszültség értéke mindig a bemeneti feszültség felett marad.
Az egyik népszerű boost konverter a New Japan Radio NJW4131 IC-je, mely 40V/1.4A vagy 40V/1A MOSFET-el van ellátva. Széles 4.0V-35V bemeneti feszültségtartománnyal rendelkezik és néhány külső áramköri elem felhasználásával kiváló megoldás lehet autó kiegészítők, irodai eszközök tápellátására, valamit LED vezérlésére is. Beépített túláram és túlmelegedés elleni védelemmel van ellátva.
Kérem, hogy kérdéseivel és egyedi igényeihez igazodó megoldásokért keresse a szerzőt.
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | Elektronet 2013/8 | Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, 2013. (22. évf.) 8. sz. 24-25. old. |
| 2 | Elektronet online | DC/DC kapcsolóüzemű feszültségátalakítók |
| 3 | English version | DC-DC switching power supply regulators from new japan radio corporation |
| 4 | TechStory M2M | DC/DC kapcsolóüzemű feszültségátalakítók működése |
| 5 | Jövő Gyára 2018/2 | 2018. 2.sz. 33-34.o. |
| 6 | Magyar Elektronika online | DC/DC kapcsolóüzemű feszültségátalakítók a New Japan Radio Corporation-től |
| 6 | Magyar Elektronika 2019/4 | 2019. 4.sz. 25-26.o. |