Szybkie wdrażanie przetwornic obniżających w automatyce, 5G i IoT

Zintegrowane układy scalone przetwornicy obniżającej

Przykładem wysoce zintegrowanych układów scalonych przetwornicy obniżającej są urządzenia BD9G500EFJ-LA (asynchroniczna) i BD9F500QUZ (synchroniczna) firmy ROHM, dostępne odpowiednio w obudowach HTSOP-J8 i VMMP16LZ3030 (ilustracja 3). Przetwornica BD9G500EFJ-LA wytrzymuje napięcie 80V i jest przeznaczona do użytku z szynami zasilającymi 48V, które można znaleźć w stacjach bazowych 5G, serwerach i tym podobnych urządzeniach. Nadaje się również do systemów z szynami zasilanymi napięciem 60V, takich jak rowery elektryczne, elektronarzędzia, automatyka przemysłowa i urządzenia Internetu rzeczy (IoT). Jej maksymalny prąd wyjściowy wynosi 5A, a sprawność konwersji w przedziale prądów wyjściowych od 2 do 5A wynosi 85%. Niektóre z wbudowanych funkcji to miękki start, zabezpieczenie przed nadmiernym napięciem i prądem, termiczne zabezpieczenie wyłączające i blokada pracy przy zbyt niskim napięciu.

Ponieważ zasilający układ scalony synchronicznej przetwornicy obniżającej BD9F500QUZ ma napięcie przebicia 39V, projektanci systemów z szynami zasilającymi 24V mogą wykorzystać go do obniżenia kosztów układu poprzez zmniejszenie powierzchni montażowej i liczby komponentów w systemach automatyki przemysłowej, takich jak programowane sterowniki logiczne (PLC) i falowniki. Urządzenie BD9F500QUZ pozwala zmniejszyć rozmiar rozwiązania o około 60%, a maksymalna częstotliwość przełączania wynosząca 2,2MHz umożliwia zastosowanie małej cewki indukcyjnej o pojemności 1,5μH. Ta synchroniczna przetwornica obniżająca działa ze sprawnością dochodzącą do 90% przy prądzie wyjściowym 3A.

Połączenie wysokiej sprawności i termicznie wydajnej obudowy oznacza, że temperatura robocza wynosi około 60°C bez konieczności stosowania dodatkowego chłodzenia, co pozwala zaoszczędzić miejsce, zwiększyć niezawodność i obniżyć koszty. Wbudowane funkcje obejmują rozładowanie kondensatora wyjściowego, zabezpieczenie przed nadmiernym napięciem, nadmiernym prądem i zwarciem, wyłączanie termiczne oraz blokadę pracy przy zbyt niskim napięciu.

Dobór cewki indukcyjnej i kondensatora

Mimo że urządzenia BD9G500EFJ-LA i BD9F500QUZ zawierają zintegrowane tranzystory mocy MOSFET, projektanci wciąż muszą dobrać optymalną cewkę wyjściową i kondensator, które są ze sobą powiązane. Na przykład optymalna wartość indukcyjności jest istotna dla uzyskania najmniejszych łącznych rozmiarów cewki i kondensatora wyjściowego, a także odpowiednio niskiego tętnienia napięcia wyjściowego. Ważne są również wymagania dotyczące stanów nieustalonych, które różnią się w zależności od układu. Na charakterystykę stanu nieustalonego i dobór kondensatora wpływają: amplituda stanów nieustalonych obciążenia, ograniczenia odchylenia napięcia oraz impedancja kondensatora.

Projektanci mają do dyspozycji kilka technologii kondensatorów, z których każda oferuje inny zbiór kompromisów w zakresie kosztów i wydajności. Zwykle do zwiększenia pojemności wyjściowej w przetwornicach obniżających stosuje się wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC), ale w niektórych konstrukcjach korzystne jest zastosowanie aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych lub hybrydowych kondensatorów elektrolitycznych z polimerów przewodzących.

Firma ROHM uprościła proces doboru cewki i kondensatora, oferując projektantom arkusze danych dla omawianych zasilających układów scalonych, które zawierają kompletne przykładowe obwody aplikacyjne uwzględniające:

• Napięcie wejściowe, napięcie wyjściowe, częstotliwość przełączania i prąd wyjściowy
• Schemat obwodu
• Sugerowany wykaz materiałów (BOM) z wartościami, numerami katalogowymi i producentami
• Przebiegi robocze

Trzy szczegółowe obwody aplikacyjne dla przetwornicy BD9G500EFJ-LA, wszystkie o częstotliwości przełączania 200kHz, posiadają:

• wejście od 7 do 48V= z wyjściem 5,0V= przy 5A
• wejście od 7 do 36V= z wyjściem 3,3V= i 5A
• wejście od 18 do 60V= z wyjściem 12V= i 5A

Siedem szczegółowych obwodów aplikacyjnych dla przetwornicy BD9F500QUZ posiada:

• wejście od 12 do 24V= z wyjściem 3,3V= i 5A, o częstotliwości przełączania 1MHz
• wejście od 12 do 24V= z wyjściem 3,3V= i 5A, o częstotliwości przełączania 600kHz
• wejście 5V= z wyjściem 3,3V= i 5A, o częstotliwości przełączania 1MHz
• wejście 5V= z wyjściem 3,3V= i 5A, o częstotliwości przełączania 600kHz
• wejście 12V= z wyjściem 1,0V= i 5A, o częstotliwości przełączania 1MHz
• wejście 12V= z wyjściem 1,0V= i 5A, o częstotliwości przełączania 600kHz
• wejście 12V= z wyjściem 3,3V= i 3A, o częstotliwości przełączania 2,2MHz

Ponadto firma ROHM oferuje projektantom uwagi dotyczące zastosowań pt. „Typy kondensatorów używanych do wygładzania wyjścia regulatorów przełączających i związane z nimi środki ostrożności”

Płytki ewaluacyjne przyspieszają proces projektowania

Aby jeszcze bardziej przyspieszyć proces projektowania, firma ROHM oferuje płytki ewaluacyjne BD9G500EFJ-EVK-001 i BD9F500QUZ-EVK-001 odpowiednio dla przetwornic BD9G500EFJ-LA i BD9F500QUZ (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Płytki ewaluacyjne BD9G500EFJ-EVK-001 (po lewej) i BD9F500QUZ-EVK-001 (po prawej) dla układów scalonych przetwornic BD9G500EFJ-LA i BD9F500QUZ pomagają projektantom szybko sprawdzić, czy urządzenia te spełniają ich wymagania. (Źródło ilustracji: ROHM Semiconductor)

Przetwornica BD9G500EFJ-EVK-001 wytwarza napięcie wyjściowe 5V= przy napięciu wejściowym 48V=. Zakres napięć wejściowych przetwornicy BD9G500EFJ-LA wynosi od 7 do 76V=, a jej napięcie wyjściowe można konfigurować w zakresie od 1V= do 0,97 x VIN za pomocą rezystorów zewnętrznych. Za pomocą zewnętrznego rezystora można również ustawić częstotliwość pracy w zakresie od 100 do 650kHz.

Płytka ewaluacyjna BD9F500QUZ-EVK-001 wytwarza napięcie wyjściowe 1V= przy napięciu wejściowym 12V=. Zakres napięć wejściowych przetwornicy BD9F500QUZ wynosi od 4,5 do 36V=, a jej napięcie wyjściowe można konfigurować w zakresie od 0,6 do 14V= za pomocą rezystorów zewnętrznych. Omawiany zasilający układ scalony pozwala na wybranie jednej z trzech częstotliwości przełączania: 600kHz, 1MHz i 2,2MHz.

Zagadnienia dotyczące układu płytki

Oto niektóre z zagadnień dotyczących układu płytki drukowanej, które należy uwzględnić podczas korzystania z przetwornic BD9G500EFJ-LA i BD9F500QUZ:

1. Dioda zwrotna i kondensator wejściowy powinny znajdować się na tej samej warstwie płytki drukowanej co zacisk układu scalonego i jak najbliżej samego układu scalonego.
2. W miarę możliwości należy stosować przelotki termiczne w celu lepszego odprowadzania ciepła.
3. Cewkę indukcyjną i kondensator wyjściowy należy umieścić jak najbliżej układu scalonego.
4. Ścieżki obwodu powrotnego należy rozlokować z dala od źródeł zakłóceń, takich jak cewka indukcyjna i dioda.

Więcej szczegółów dotyczących rozmieszczenia można znaleźć w arkuszach danych poszczególnych urządzeń oraz w uwagach dotyczących zastosowań ROHM pt. „Techniki rozmieszczenia elementów na płytkach drukowanych przetwornic obniżających”

Podsumowanie

Asynchroniczne i synchroniczne przetwornice obniżające można wykorzystać w celu uzyskania wyższej sprawności konwersji w porównaniu z regulatorami liniowymi w różnych zastosowaniach automatyki przemysłowej, Internetu rzeczy i 5G. Chociaż możliwe jest zaprojektowanie niestandardowych przetwornic obniżających dla danego projektu, jest to zadanie złożone i czasochłonne.

Zamiast tego projektanci mogą zdecydować się na zasilające układy scalone, które łączą w sobie tranzystory mocy MOSFET oraz obwody sterujące, stanowiąc kompaktowe i ekonomiczne rozwiązania. Ponadto projektanci mają do dyspozycji szereg narzędzi przyspieszających wprowadzenie produktu na rynek, w tym uwagi dotyczące zastosowań opisujące sposób doboru kondensatorów i rozmieszczenia elementów na płytce drukowanej, szczegółowe przykładowe obwody aplikacyjne i płytki ewaluacyjne.

Rekomendowane artykuły

1. Podstawy: zrozumienie charakterystyk różnych rodzajów kondensatorów, pod kątem stosowania w odpowiedni i bezpieczny sposób
2. Prawidłowe stosowanie odpowiednich urządzeń zasilających w celu spełnienia wymagań dotyczących zasilania przemysłowego

Żródło: Szybkie wdrażanie przetwornic obniżających w automatyce przemysłowej, zastosowaniach 5G i Internecie rzeczy (IoT) © Digi-Key

Autor: Jeff Shepard

Kontakt w Polsce: Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl