W jaki sposób używać synchronicznych przetwornic prądu stałego, aby zmaksymalizować sprawność obniżania
Wyzwaniem dla projektantów jest przeprowadzenie obniżenia napięcia z maksymalną sprawnością, minimalnym obciążeniem termicznym, przy niskich kosztach i jak najmniejszym rozmiarze rozwiązania.
Synchroniczne i asynchroniczne przetwornice obniżające
Typowe zastosowanie asynchronicznej przetwornicy obniżającej przedstawiono na ilustracji 2. Urządzenie LM2595 firmy ON Semiconductor jest monolitycznym układem scalonym, który zawiera przełącznik główny zasilania i obwód sterujący. Zawiera on wewnętrzną kompensację w celu zminimalizowania liczby komponentów zewnętrznych i uproszczenia konstrukcji zasilacza. Zapewnia on typową sprawność konwersji na poziomie 81% i rozprasza 19% mocy w postaci ciepła, podczas gdy synchroniczne rozwiązanie obniżające będzie miało typową sprawność konwersji około 90%, rozpraszając tylko 10% mocy w postaci ciepła. Oznacza to, że straty cieplne w asynchronicznej przetwornicy obniżającej są prawie dwukrotnie wyższe od strat termicznych w synchronicznej przetwornicy obniżającej. Dlatego zastosowanie synchronicznej przetwornicy obniżającej znacznie upraszcza odprowadzanie ciepła przez ograniczenie ilości generowanego ciepła.
Ilustracja 2: Typowe zastosowanie asynchronicznej przetwornicy obniżającej napięcie z prostownikiem wyjściowym (D1), filtrem wyjściowym (L1 i Cout) oraz siecią sprzężenia zwrotnego (Cff, R1 i R2). (Źródło ilustracji: ©ON Semiconductor)\
W synchronicznej przetwornicy obniżającej napięcie, takiej jak ST1PS01 od firmy STMicroelectronics, prostownik wyjściowy jest zastąpiony synchronicznym układem prostowniczym MOSFET (ilustracja 3). Niższa rezystancja włączenia synchronicznego układu MOSFET w porównaniu z prostownikiem wyjściowym w asynchronicznej przetwornicy obniżającej ogranicza straty i pozwala uzyskać znacznie wyższe sprawności konwersji. Synchroniczny układ MOSFET jest częścią obwodu scalonego, eliminując potrzebę zewnętrznej diody prostowniczej.
Ilustracja 3: Obwód zastosowania synchronicznej przetwornicy obniżającej ilustrujący wyeliminowanie zewnętrznej, wyjściowej diody prostowniczej. Zewnętrzne komponenty filtrowania i sprzężenia zwrotnego są nadal wymagane. (Źródło obrazu: © STMicroelectronics)
Istnieje jednak koszt wyższej sprawności i niższego obciążenia cieplnego uzyskiwanych dzięki synchronicznej przetwornicy obniżającej. Posiadające pojedynczy, przełączający tranzystor mocy MOSFET i diodę prostowniczą kontrolery asynchronicznej przetwornicy obniżającej są znacznie prostsze (i mniejsze), ponieważ nie trzeba uwzględniać możliwości przewodzenia krzyżowego, czy przewodzenia jednoczesnego i nie ma synchronicznego układu FET, którym trzeba sterować. Topologia synchronicznej przetwornicy obniżającej wymaga bardziej skomplikowanego układu sterującego i zapobiegającego przewodzeniu krzyżowemu do sterowania oboma przełącznikami (ilustracja 4). Zapewnienie, aby oba tranzystory MOSFET nie włączały się jednocześnie i nie tworzyły bezpośredniego zwarcia, wymaga większej złożoności i skutkuje większymi i droższymi układami scalonymi.
Ilustracja 4: Schemat blokowy układu scalonego synchronicznej przetwornicy obniżającej przedstawiający dwa zintegrowane tranzystory MOSFET (przy wtyku oznaczonym „SW”) i dodany obwód sterujący/zapobiegający przewodzeniu krzyżowemu. (Źródło obrazu: © STMicroelectronics)
Chociaż synchroniczne przetwornice obniżające sterowane modulacją szerokości impulsu mają wyższą sprawność w warunkach umiarkowanego lub pełnego obciążenia, asynchroniczne przetwornice obniżające często zapewniają wyższą sprawność konwersji w warunkach niewielkiego obciążenia. Staje się to jednak coraz rzadsze, ponieważ najnowsze realizacje synchronicznych przetwornic obniżających obejmują wiele trybów pracy, które umożliwiają projektantom optymalizację sprawności przy niskim obciążeniu.