DC-DC átalakítók Analóg és digitális rendszerek megvalósítása programozható mikroáramkörökkel Gusztáv Hantos 2013. április 24.
Tartalom DC-DC átalakítók fajtái buck, boost, buck-boost átalakítók egyéb speciális esetek Tervezési feladat boost konverter MAX1771-el 2013. április 24. 2
Mire jók a DC-DC konverterek Egyenáramú alkalmazásokban feszültség szint váltásra Transzformátor nem alkalmazható Jó hatásfok Kis méretű alkatrészek Tipikus alkalmazások Automotive környezetben (kamionokban) 24V 12V Autórádió, CB, CD lejátszó Gyújtás vezérlő 12V 400V Alaplapokon 5V <2V Core feszültség előállítása Audio erősítők 12V +/-40V Szinuszos inverter 12V ~350-500V Napelemes alkalmazások 2013. április 24. 3
Disszipatív stab. vs DC-DC konv. A disszipatív feszültség stabilizátorokkal szemben nagy előnyük: Jó hatásfok 80-99% (nagy teljesítmény magas hatásfok) Azéles tartományban megválasztható kimeneti feszültség Galvanikusan leválasztható kimenet Hátrányok: EMC (RF, AD/DA, kisjelű alkalmazások érzékenyek) Be-és kimeneti zaj bemenet nem DC-t vesz fel kimenet nem tökéletes DC Bonyolultabb, több komponenst igényel frekvencia növelésével csökkenthetőek a passzív alkatrészek méretei, a kapcsolási veszteségek rovására érzékeny eszközök meghajtásánál a kimenet tovább simítandó disszipatív stabilizátor hazsnálatával 2013. április 24. 4
DC-DC átalakítók osztályozása Ki- és bement elszigeteltsége Nincs leválasztás Galvanikusan leválasztott Buck / Step-down Boost / Step-up Flyback Forward Buck-boost Ćuk Charge pump 2013. április 24. 5
Galvanikusan nem elszigetelt ki- és bemenetű DC-DC átalakítók 2013. április 24. 6
Buck / Step-down konverter Tápfeszültségnél alacsonyabb kimeneti feszültség Egyszerű felépítés: 2 kapcsoló elem: Tranzisztor (MOSFET) és flywheel diode (Schottky) Induktivitás, kimeneti szűrő Állandó frekvenciával kapcsol a MOSFET Kitöltési tényezővel szabályoz Folyamatos, nem folyamatos üzemmód Tekercs árama >0 vagy =0 (néha) Kis teljesítmény igénynél 2013. április 24. 7
Boost / Step-up konverter Tápfeszültségnél magasabb kimeneti feszültség Buck-hoz hasonló felépítés 2 kapcsoló elem: tranzisztor és dióda Induktivitás (kimeneti szűrő kondenzátor) Kitöltési tényezővel szabályoz szintén Induktivitás áramától függően Folyamatos (>0) / nem folyamatos üzem (=0) Nem folyamatos üzem csak a minimális induktivitás fontosságának demonstrálására javasolt 2013. április 24. 8
Buck-boost konverter I. Bemeneti feszültségnél kisebb és nagyobb kimeneti feszültség is előállítható vele Akár több nagyságrenddel nagyobb vagy ~0V Fő alkotó elemeiben megegyezik az eddigiekkel Két alapvető topológia létezik rá Invertáló kapcsolás Buck konverterhez hasonló Buck után kapcsolt boost konverter Kétszer annyi komponens Megnövekedett veszteségek 2013. április 24. 9
Buck-boost konverter II. Kitöltési tényezőtől függő üzemmód 50% alatt buck, 50% felett boost Minél tovább van zárva a kapcsoló elem, annál nagyobb lesz az induktivitás árama, így nyitáskor állapotban annál nagyobb abszolút értelemben vett feszültséget fog produkálni az induktivitás, ami a kimeneti feszültség Vigyázat! A kimeneti feszültség polaritása ellenkező a bementéhez képest! Lehetséges hátránya a konverternek, hogy nincs kitüntetett földpontja! Bonyíltja az áramkör tervezést 2013. április 24. 10
Ćuk konverter I. Nevét megalkotójáról kapta: Slobodan Ćuk-ról Szintén invertált kimeneti polaritás Képes előállítani a bemenetnél kisebb és nagyobb kimeneti feszültségeket is (buck-boost szerű működés) Fő energia tároló eleme kapacitás, szemben a legtöbb átalakítóval, ahol ez induktivitás 2 induktiviás 2 kapacitás Kapcsoló elem (MOSFET) és egy dióda (Schottky) Különböző variációk léteznek rá Például: közös vasmagos tekercsek (hatásfok, output ripple miatt) EMC szempontból előnyös, hogy a teljes kimeneti teljesítmény egy soros kapacitáson áramlik át 2013. április 24. 11
Ćuk konverter II. Szintén képes folyamatos és nem folyamatos üzemmódban működni Kapcsoló zárva: Induktivitás energiát kezd tárolni Kapcsoló kinyit: Mint a boost konverternél, bemenetinél nagyobb feszültség tölti a soros kapacitást a diódán át Újra zárva: Soros kapacitás kisül a terhelés felé, a második tekercsen át, és töltve a kimeneti kapacitást Kimeneti oldalon LC szűrő Eközben már újra áram alatt a bemeneti tekercs 2013. április 24. 12
Charge-pump konverter Speciális átalakító, kizárólag kapacitást használ töltéstároló elemként Tipikus kapcsolás frekvencia: 10kHz-10MHz Magas hatásfok: 90-95% Egyszerű kapcsolástechnika Két ütemű működés 1. ütemben kapacitás töltés 2. ütemben újrakonfigurálás, bemenettel sorba kapcsolt kapacitás Előáll N-szer a bemeneti feszültség, akár invertáltja, vagy tört hányada a vezérléstől függően 2013. április 24. 13
Galvanikusan elszigetelt ki- és bemenetű DC-DC átalakítók 2013. április 24. 14
Flyback konverter AC-DC és DC-DC alkalmazásokban is használható Buck-boost konverteren alapul Tekercs szét lett bontva egy transzformátorrá galv. leválasztás Ki- és bemeneti oldal feszültségének aránya ezzel is hanglható Dióda nélkül is használható flyback tansformer (plazma lámpa) Ára van a leválasztásnak Megoldandó a visszacsatoló jel Optocsatoló, plusz tekercs a szekunderen MTBF szempontjából előnytelen az optocsatoló, de pontosabb Korszerű eszközökben primer oldalon mérik a szekunder oldali paramétereket 2013. április 24. 15
Forward konverter Képes előállítani a bemenetnél kisebb és nagyobb kimeneti feszültségeket is Transzformátor használ Galvanikus leválasztás Step-up/Step-down működés a primer/szekunder menetszám arányától függően Flyback-nél jobb hatásfok 2013. április 24. 16
MAXIM MAX1771 Tervezési feladat 2013. április 24. 17
MAX1771 áttekintése I. Változtatható kimenetű Step-up vezérlő IC 90% hatásfok 30mA - 2A ig PFM vezérlés (Pulse frequency modulation) 110µA supply current ~10mA PWM vezérlők esetén 300kHz-ig használható kisméretű külső alkatrészek SMD induktivitások 2-16,5V bemeneti feszültség 12V-os preset kimeneti feszültség 100mV current-limit threshold feszültség minden terhelés mellett MAX770-MAX773 hasonlóak csak intelligens 100 vagy 200mV thresholddal 2013. április 24. 18
MAX1771 áttekintése II. Külső N-channel MOSFET a kapcsoló elem 24W-ig képes kezelni a kimeneti terhelést Kisebb terhelésekhez built-in FET a MAX756/MAX757-ben Alkalmazási területek Pozitív LCD-bias generátorok Flash memória programozók High-power RF Power-Amp tápegység Akkumulátoros eszközök Palmtop/Hand-Held eszközök Hordozható kommunikációs eszközök 2013. április 24. 19
MAX1771 alapkapcsolás 2013. április 24. 20
MAX1771 lábkiosztás és értelmezés 2013. április 24. 21
MAX1771 alapkapcsolások Tápfeszültség csökkentés előnyös Kontroller által felvett áram is kisebb MOSFET gate kapacitás töltés/kisütése miatt 5V tápfeszültség alatt bootsrapped üzemmód javasolt Saját kimeneti feszültségéről üzemel MOSFET gate feszültsége túl alacsony lenne máskülönben 2013. április 24. 22
MAX1771 current-limited PFM Egyesíti a tradícionális PFM vezérlők minimális supply current és a PWM vezérlők nagy terhelések melletti előnyös tulajdonságait Sense resistor tekercs csúcs áramának detektálására 100mV (200mV nagyobb teljesítményű variánsoknál) Csúcs áram detektálás + maximum on-time (16µs) + minimum on-time (2,3µs) A minimum off-time után kikapcsolva marad a vezérlés ha a kimeneti feszültség komparálási szinten belül van Vagy bekapcsol: 16µs-ig maximum, vagy normál esetben amíg a tekercs ez időn belül el nem éri a csúcs áramát (100mV komparálási szintet) Változó frekvenciával üzemelő eszközt kapunk Terhelésfüggő és bemeneti feszültség függő Kimeneti szűrő kondenzátor (low E.S.R.) 2013. április 24. 23
MAX1771 Kimeneti feszültsége FB GND (non-bootstrapped üzemmód) 2013. április 24. 24
MAX1771 R sense Worst-case táblázatok a komparálási feszültség és a - 40...+80 C-ra kiterjesztett hőmérsékleti tartomány alapján Dióda feszültsége 0,5V-nak feltételezve 2013. április 24. 25
MAX1771 választandó induktivitás I. Praktikusan 10-300µH között 22µH Nagy kimeneti-bemeneti feszültség különbség esetén mindig nem-folyamatos üzemmódban lesz a vezérlő ha nem elég nagy a tekercs induktivitása limitált kimeneti áram Olyan tekercs választandó, ahol legalább 2µs kell, hogy a maximális árama kialakuljon L V in ( max ) 2µs I LIM Nagyobb L értékek enyhén növelik a start-up időt,kisebb értékek pedig engedig hogy felfusson az áram magasabb értékekre T off előtt ripple növekedés kis terhelésnél 2013. április 24. 26
MAX1771 választandó induktivitás II. Ferritmagos vagy hasonló tulajdonságú tekercs ajánlott Termikus öregedésre nem hajlamos, megbízhatóbbak és nagyobb jósági tényezővel bírnak magas hőmerésékleten/frekvencián is FIGYELEM! A tekercs maximális árama (R sense ) ne legyen nagyobb mint a szaturációs árama! Megjegyzés: 20%-os szaturáció még elfogadott általában (az a pont ahol a névleges induktivitás 80%-a még meg van) Jó hatásfok elérése érdekében alacsony soros ellenállású tekercs használandó, tipikusan 20mΩ alatti érték Kisugárzott elektromágneses zaj minimalizálása érdekében toroid, fazék vasmag vagy árnyékolt tekercs használatos 2013. április 24. 27
MAX1771 N-FET (Si9410DY) Logic-level vagy low-threshold N-channel MOSFET Meredek bekapcsolás érdekében 8V alatti meghajtó feszültségek esetén Bootstrapped üzemben is javasolt bekapcsoláskor 3 fontos paraméter Total gate charge Q g On-resistance r DS(ON) Reverse transfer capacitance C RSS Helyettesítő képben C RSS = C GD Normál üzemi f max =350kHz, de bekapcsoláskor ~500kHz I gate(max) = (500kHz) Q g =8,5mA Ezt C2 bementi puffer kondenzátornak kell garantálnia V + = Q g C2 = 17nC 0,1μF = 170mV 2013. április 24. 28
MAX1771 egyéb külső komponensek Gyors kapcsoló dióda szükséges, lehetőleg Schottky 1N5817-1N5822 sorozatból Dióda átlagos áramának tűrése nagyobb mint R sense árama Nagyhőmérsékletű üzemben magas szivárgás High-speed Si diódák helyette Kimeneti szűrő ELKO Low E.S.R. Hatásfokot és kimeneti hullámzást erősen befolyásolja!!! Bemeneti szűrő kerámia lehetőleg 100nF Referencia láb 100nF (100µA max) Feed Forward kapacitás 47pF-220pF Alacsonyabb értékek jobbak, gyorsabban érvényre jut a kimeneti szabályzás 2013. április 24. 29
MAX1771 Layout Nagy áramok és gyors kapcsolások miatt fontos a megfelelő layout! Földhurkok elkerülendőek (mint mindig) Csillag elrendezés Input/output szűrő kondik közös föld pontra! Vezeték hosszak minimálizálása, C2 bemeneti szűrő minél közelebb az IC lábaihoz! Ha nem elég kicsi a zaj V+ lábon, hamisan triggerelheti az EXT lábat, ekkor tovább növelendő a C2 (4,7µF) 2013. április 24. 30
Irodalom http://en.wikipedia.org/wiki/buck_converter http://en.wikipedia.org/wiki/boost_converter http://en.wikipedia.org/wiki/buck%e2%80%93boost_conver ter http://en.wikipedia.org/wiki/%c4%86uk_converter http://en.wikipedia.org/wiki/charge_pump http://en.wikipedia.org/wiki/flyback_converter http://en.wikipedia.org/wiki/forward_converter www.jaycar.com.au/images_uploaded/dcdcconv.pdf http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/max1771.pdf 2013. április 24. 31