Современная сфера прикладной силовой электроники наполнена интересными задачами и возможностями для инноваций, в том числе и в области проектирования неизолированных преобразователей (стабилизаторов) напряжения постоянного тока для систем распределенного электропитания низковольтных нагрузок (Point-ofLoad или PoL). Главными трендами в решении этих задач по-прежнему остаются компактность и эффективность.
Организовать электропитание узлов радиоэлектронной аппаратуры можно несколькими способами: используя полностью централизованную, полностью децентрализованную (распределенную) конфигурации либо схему с частичной децентрализацией энергоснабжения [1, 2]. Для организации системы электропитания современной цифро-аналоговой радиоэлектронной аппаратуры, требующей несколько различных номиналов питающих напряжений, наиболее эффективна система распределенного электропитания с промежуточной шиной [3, 4], пример которой показан на рис. 1.
В такой системе имеется относительно мощный преобразователь напряжения, формирующий из входного сетевого напряжения или, например, из напряжения телекоммуникационной сети 48 В промежуточную шину номиналом 5 или 12 В, от которой в свою очередь питаются неизолированные PoL-преобразователи, обеспечивая энергоснабжение находящихся рядом с ними нагрузок.
Чаще всего PoL-преобразователи для систем распределенного электропитания с промежуточной шиной строятся по топологии понижающих Buck-преобразователей с синхронным выпрямлением, что обеспечивает их компактность, высокую эффективность и превосходные динамические характеристики.
Конструктивно PoL-преобразователи могут быть реализованы тремя основными способами — полностью на дискретных электронных компонентах, в виде силового модуля с внешним дросселем или с использованием полностью готового интегрированного решения. Примеры таких исполнений показаны на рис. 2. У каждого из этих вариантов есть свои слабые и сильные стороны.
Наибольшую гибкость проектирования, а иногда и самую низкую стоимость реализации обеспечивает, конечно, конструкция преобразователя, построенная собственными силами разработчика из дискретных компонентов, пример которой показан на рис. 2а [5]. В таком случае разработчик может учесть все особенности своего устройства в части электрических характеристик и топологии печатной платы и оптимизировать под эти цели преобразователь напряжения. Однако такой вариант, во-первых, связан с увеличением затрат времени на проектирование и с потенциальными рисками ошибок, а во-вторых, почти всегда занимает больше места на печатной плате конечного устройства.
Во многих случаях компромиссным вариантом может быть использование интегрального силового модуля совместно с внешним дросселем (рис. 2б). В этом случае силовой модуль уже содержит контроллер, драйвер и силовые ключи, а разработчику остается лишь дополнить это решение входными и выходными конденсаторами и подходящим внешним дросселем.
И наконец, наиболее удобное в использовании интегрированное решение (рис. 2в), уже включающее в себя как силовой дроссель, так и минимальный набор входных и выходных конденсаторов.
Компактность импульсных регуляторов в большой мере определяется их конструктивной компоновкой. Чтобы сэкономить полезную площадь на печатной плате, применяется объемный монтаж. Показательным примером трехмерной компоновки является размещение низкопрофильных активных и пассивных электронных компонентов непосредственно под силовым дросселем (рис. 3) [6].
Рассмотрим ключевые показатели, влияющие на эффективность использования неизолированных PoL-преобразователей в системах распределенного электропитания, на примере преобразователя Euler («Эйлер») [7]. Его основные технические характеристики:
- диапазон входного напряжения: 4,5–18 В;
- выходное напряжение: 0,765–7 В;
- выходной ток: до 3 А;
- габаритные размеры: 7,5×6,4×2,7 мм.
Компактность
Современная радиоэлектронная аппаратура предъявляет высокие требования к габаритным размерам электронных компонентов, в том числе и преобразователей напряжения. Кроме этого, повышение технологичности сборки радиоэлектронной аппаратуры предусматривает использование электронных компонентов, рассчитанных под автоматический поверхностный монтаж (SMT).
Преобразователь «Эйлер» представляет собой компактное SMT-решение в открытом исполнении с контактными площадками в виде LGA-матрицы (рис. 4).
Толщина преобразователя «Эйлер» составляет менее 3 мм, что позволяет разместить его в особо критичной к высоте компонентов электронной аппаратуре. За счет того, что часть электронных компонентов преобразователя «Эйлер» разместилась под его силовым дросселем [8], площадь, занимаемая преобразователем на печатной плате конечного устройства, не превышает 0,5 см2.
Коэффициент полезного действия (КПД)
Ключевым показателем эффективности преобразователей напряжения служит их КПД. Причем во многих случаях необходим не только высокий КПД преобразователя при полной или половинной нагрузке, немаловажен и низкий ток потребления преобразователя в выключенном состоянии по сигналу дистанционного управления, а также на холостом ходу и при малых нагрузках. На рис. 5а, б показана зависимость КПД преобразователя «Эйлер» от тока нагрузки при входном напряжении 5 и 12 В соответственно для различных выходных напряжений.
Достаточно высокий КПД преобразователя в начале графиков достигается за счет того, что его схема снижает частоту преобразования на малых нагрузках, что наглядно проиллюстрировано на рис. 6 для выходного напряжения 1,8 В при входном напряжении 5 В. Начало снижения частоты преобразования соответствует моменту перехода понижающего преобразователя из режима непрерывных токов в граничные.
Ток потребления преобразователя «Эйлер» в выключенном состоянии по сигналу дистанционного управления составляет всего 0,5 мкА при 5 В входного напряжения и 3,5 мкА при 12 В. Потребление на холостом ходу не превышает 1,5 мА при всех допустимых значениях входного и выходного напряжений.
Максимальная емкость нагрузки
В некоторых случаях нагрузка бывает зашунтирована батареей конденсаторов значительной емкости. В момент заряда существенной емкостной нагрузки многие PoL-преобразователи переходят в режим включения/выключения, расценивая ситуацию как короткое замыкание на своем выходе. При перегрузке во время заряда выходной емкости преобразователь «Эйлер» работает в режиме ограничения выходного тока, поэтому максимальная емкость выходных конденсаторов не ограничена, то есть теоретически в условиях хорошего охлаждения преобразователь «Эйлер» за конечное время зарядит любую конечную емкость. Однако следует учитывать, что режим перегрузки является для преобразователя все же аварийным, поэтому злоупотреблять им не следует. В качестве примера на рис. 7 показан процесс плавного заряда выходной емкости величиной 30 000 мкФ с подключенной к ней в параллель резистивной нагрузкой, потребляющей в установившемся режиме ток 3 А.
Пульсации выходного напряжения
В каждой конкретной системе распределенного электропитания предъявляются свои требования к качеству энергоснабжения конечных нагрузок, в том числе и к размаху пульсаций питающего напряжения. Размах пульсаций напряжения на выходе преобразователя в основном зависит от емкости и от типа его выходных конденсаторов. Минимально необходимую выходную емкость производители обычно указывают в документации на свою продукцию. Для преобразователя «Эйлер» минимальная внешняя выходная емкость составляет 44 мкФ, тип конденсаторов — керамический. На рис. 8 показаны пульсации выходного напряжения преобразователя «Эйлер», размах которых не превышает значения 10 мВ при входном напряжении 5 В, выходном напряжении 1,8 В и токе нагрузки 3 А с данной минимально необходимой емкостью.
Динамические характеристики
Ряд областей применения современной радиоэлектронной аппаратуры характеризуется ярко выраженным импульсным энергопотреблением. Например, ток потребления современных высокопроизводительных процессорных устройств напрямую зависит от динамической загрузки процессора и может меняться в очень широком диапазоне за короткие промежутки времени. Такая динамика нагрузки предъявляет к преобразователям напряжения достаточно жесткие требования по качеству их выходного напряжения при скачкообразном изменении выходного тока.
Часто изготовители преобразователей напряжения включают в документацию осциллограммы переходного процесса, иллюстрирующие реакцию выходного напряжения PoL-преобразователя на воздействие импульсной нагрузки. При анализе величины переходного отклонения выходного напряжения на фронтах наброса и сброса тока нагрузки на таких осциллограммах следует обращать внимание не только на размах изменения тока нагрузки в процентах от максимальной мощности преобразователя, но и на минимальное значение динамической нагрузки во время испытаний и на скорость изменения импульсного тока. Большинство производителей PoL-преобразователей проводят испытания своей продукции на динамическую нагрузку в достаточно щадящих условиях, чтобы продемонстрировать приемлемые показатели стабильности выходного напряжения, — например, задают размах изменения нагрузки в диапазоне всего 25 или 50%, сброс нагрузки осуществляют не до холостого хода, а фронты изменения тока устанавливают достаточно пологими, продолжительностью в десятки и сотни микросекунд. Во многих практических приложениях ни один из перечисленных подходов к испытаниям не является приемлемым — изменение выходного тока преобразователя может происходить за микро- и даже наносекунды, мощность, потребляемая нагрузкой во время пауз, может быть близка к нулю, а во время рабочего импульса составлять 70–100% от максимальной мощности преобразователя. Для того чтобы объективно оценить качество отработки преобразователем импульсной нагрузки, необходимо либо запрашивать у техподдержки производителя осциллограммы переходных процессов выходного напряжения преобразователя в требуемом для системы электропитания режиме, либо проводить такие измерения самостоятельно.
На рис. 9а показано переходное отклонение выходного напряжения преобразователя «Эйлер» при скачкообразном изменении тока нагрузки от холостого хода до 3 А и обратно для входного напряжения 5 В, выходного напряжения 1,8 В с рекомендуемой производителем минимальной выходной емкостью 44 мкФ. Провалы и выбросы выходного напряжения преобразователя в этих условиях достигают примерно ±13% (±240 мВ в абсолютном выражении), что может быть недопустимо для некоторых приложений. Установка дополнительного полимерного конденсатора емкостью 470 мкФ на выход преобразователя снизила переходное отклонение выходного напряжения до приемлемых ±4% (рис. 9б).
Реализация последовательного появления нескольких питающих напряжений
Для таких сложных электронных компонентов, как ПЛИС, ЦП и ЦПОС, различные напряжения питания должны подаваться в строго определенном порядке [9, 10], а несоблюдение требуемых последовательностей может привести к нарушению нормальной работы системы или даже к повреждению ее компонентов. Большинство PoL-преобразователей имеют вывод управления, позволяющий внешнему устройству дистанционно включать и выключать их выходное напряжение в заданном порядке (рис. 10а). Кроме этого, в некоторых случаях достаточно задать последовательность появления выходных напряжений нескольких PoL-преобразователей установкой различных времен их мягкого запуска по выводу SS (Soft Start), если таковой имеется (рис. 10б).
При использовании PoL-преобразователей напряжения в системах распределенного электропитания разработчик должен обращать внимание на все имеющиеся в его распоряжении факторы, учитывать все требования, предъявляемые в техническом задании на построение системы, и принимать решение по выбору PoL-преобразователей только комплексно, рассмотрев преимущества и недостатки всех возможных вариантов.
Литература
- Негреба О. Л. Некоторые аспекты организации систем электропитания АФАР. Часть 1 // Силовая электроника. 2018. № 5.
- Лукин А. В. Распределенные системы электропитания // Электронные компоненты. 1997. № 7.
- Ануфриев В. Малогабаритные модули питания и системы электропитания на их основе // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 2.
- Натан В., Дмитриев С., Современные архитектуры распределенного питания полупроводников (PoL — Point of Load).
- TPS40400EVM-351. Evaluation Module for TPS40400 PMBus Synchronous Buck Controller.
- BMR461 series PoL Regulators. Technical Specification. Flex Power Modules.
- Серия EULER. Импульсный стабилизатор напряжения без гальванической развязки с интегрированным дросселем.
- Негреба О. Л. Патент на полезную модель № 201058.
- Шаропин Ю., Будаев В. Основы построения систем питания ПЛИС // Компоненты и технологии. 2006. № 8.
- Методы обеспечения заданной последовательности подачи питающих напряжений в бортовой аппаратуре космических аппаратов // Вестник электроники. 2017. № 3, 4.
Если вы не нашли ответ на интересующий вас вопрос, вы можете задать его нам. Мы ответим вам в кратчайшее время.