DC-DC átalakítók Analóg és digitális rendszerek megvalósítása programozható mikroáramkörökkel eet.bme.hu

DC-DC átalakítók Analóg és digitális rendszerek megvalósítása programozható mikroáramkörökkel

eet.bme.hu

Gusztáv Hantos

2013. április 24.

Tartalom  DC-DC átalakítók fajtái  buck, boost, buck-boost átalakítók  egyéb speciális esetek

 Tervezési feladat  boost konverter MAX1771-el

eet.bme.hu

2013. április 24. © BME Department of Electron Devices, 2012.

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

eet.bme.hu


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

eet.bme.hu


4

DC-DC átalakítók osztályozása Ki- és bement elszigeteltsége Galvanikusan leválasztott

Nincs leválasztás Buck / Step-down

Flyback

Boost / Step-up

Forward

Buck-boost

Ćuk Charge pump

eet.bme.hu


5

Galvanikusan nem elszigetelt ki- és bemenetű DC-DC átalakítók

eet.bme.hu


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

eet.bme.hu


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

eet.bme.hu


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

eet.bme.hu


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

eet.bme.hu


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

eet.bme.hu


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 eet.bme.hu


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 eet.bme.hu


13

Galvanikusan elszigetelt ki- és bemenetű DC-DC átalakítók

eet.bme.hu


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 eet.bme.hu


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

eet.bme.hu


16

MAXIM MAX1771 Tervezési feladat

eet.bme.hu


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

eet.bme.hu


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

eet.bme.hu


19

MAX1771 alapkapcsolás

eet.bme.hu


20

MAX1771 lábkiosztás és értelmezés

eet.bme.hu


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

eet.bme.hu


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.) eet.bme.hu


23

MAX1771 Kimeneti feszültsége  FB → GND (non-bootstrapped üzemmód)

eet.bme.hu


24

MAX1771 Rsense  Worst-case táblázatok a komparálási feszültség és a 40...+80°C-ra kiterjesztett hőmérsékleti tartomány alapján  Dióda feszültsége 0,5V-nak feltételezve

eet.bme.hu


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≥

𝑉𝑖𝑛 𝑚𝑎𝑥 ∙2µ𝑠 ( ) 𝐼𝐿𝐼𝑀

 Nagyobb L értékek enyhén növelik a start-up időt,kisebb értékek pedig engedig hogy felfusson az áram magasabb értékekre Toff előtt → ripple növekedés kis terhelésnél

eet.bme.hu


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 (Rsense) 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

eet.bme.hu


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 → Qg  On-resistance → rDS(ON)  Reverse transfer capacitance → CRSS  Helyettesítő képben CRSS = CGD

 Normál üzemi fmax=350kHz, de bekapcsoláskor ~500kHz  Igate(max) = (500kHz) ∙ Qg=8,5mA  Ezt C2 bementi puffer kondenzátornak kell garantálnia 𝑄

17𝑛𝐶

 ∆𝑉 += 𝐶2𝑔 = 0,1𝜇𝐹 = 170𝑚𝑉 eet.bme.hu


28

MAX1771 egyéb külső komponensek  Gyors kapcsoló dióda szükséges, lehetőleg Schottky  1N5817-1N5822 sorozatból  Dióda átlagos áramának tűrése nagyobb mint Rsense 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

eet.bme.hu


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)

eet.bme.hu


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

eet.bme.hu


31

DC-DC átalakítók Analóg és digitális rendszerek megvalósítása programozható mikroáramkörökkel eet.bme.hu

Recommend Documents