Systemy zasilania na 2 MHz – wady i zalety

Projektanci aplikacji motoryzacyjnych muszą spełnić wiele wymagań dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Jednym z wyzwań, jakiemu muszą sprostać jest dobór odpowiedniej częstotliwości przełączania w układach zasilających (fsw), aby móc sprostać tym wymaganiom. Z racji wymagań, stawianym pasmom 400 kHz i 2 MHz, projektanci najczęściej wybierają właśnie te częstotliwości. Popularną częstotliwością jest 2 MHz. W niniejszym artykule postaramy się Państwu przybliżyć dlaczego. Układem, który posłuży za przykład będzie nowy synchroniczny konwerter DC/DC od Texas Instruments, oznaczony jako TPS54116-Q1. Na podstawie informacji zawartych przez producenta, można wyznaczyć kilka punktów, istotnych dla projektanta, przy tworzeniu systemów zasilających, dla wrażliwych aplikacji. Najpierw jednak o samym układzie. Przeznaczony jest do pracy w aplikacjach motoryzacyjnych i przemysłowych. Wysoki stopień zintegrowania pozwala uprościć budowane aplikacji oraz zmniejszyć ich gabaryty (np. poprzez zmniejszenie cewek). Zastosowaniem mają być głównie systemy zasilające pamięci DDR2, DDR3 i DDR3L. Akceptowalne napięcie wejściowe mieści się w zakresie od niecałych 3 V do 6 V. Jego wydajność liczona jest na 4 A i posiadać ma dodatkowe wyprowadzenia i funkcje, pozwalające na redukcję wymiarów gotowego układu zasilającego o 50%, w porównaniu do klasycznych rozwiązań. Pracować ma w trybie prądowym, oraz z częstotliwością przełączania do 2.5 MHz. Jest to wartość nieprzypadkowa. Ale o tym więcej za chwilę. Posiada zintegrowany wydajny tranzystor MOSFET. Dostępny ma być w obudowie WQFN o wymiarach 4 na 4 mm, w cenie od 2.50 USD przy zamówieniach hurtowych. Wracając do tematu systemów zasilających, pracujących z częstotliwością przełączania 2 MHz; ważnym parametrem dla układów takich jest minimalny czas załączenia. W konwerterach obniżających napięcie, tranzystor MOSFET musi zdążyć się włączyć o odpowiednio długo utrzymać ten stan. W trybie sterowania prądowego, czas ten jest zwykle ograniczony poprzez wygaszania się sygnału pochodzącego od czujnika prądowego. Czas ten może ulec zmianie, odpowiednio wzrastając. Może być kilka powodów powstawania tego stanu rzeczy, jak np.:

• Przy spadku napięcia wywołanym bardzo dużym obciążeniem,
• W przypadku złego dobrania tranzystorów z ich czasem załączania i wyłączania, gdy w grę wchodzą czasy martwe. Pojawia się też wpływ pojemności pasożytniczych, pochodzących od cewki. Przy małych obciążeniach, cykl ładowania i rozładowywania pojemności jest wolniejszy, co może powodować wydłużenie czasu załączania i wyłączania się tranzystora.
• W przypadku zakłóceń napięciowych w okresie trwania tzw czasu martwego. Kiedy tranzystor „low-side” wyłączy się, a „high-side” włączy, prąd przepływający przez cewkę powodować może wzrost napięcia w torze zasilającym, do czasu zadziałania diody zwrotna drugiego z tranzystorów.

Inną istotną kwestią miałby być współczynnik napięcia zasilającego (wejściowego) do wyjściowego. Jest to też oczywiście związane z minimalnym czasem włączenia. Wartość tę oczywiście można wyliczyć. Wiemy wtedy, jaki współczynnik możemy osiągnąć, zachowując minimalny czas włączenia. Jeśli jednak otrzymana wartość będzie mniejsza, niż wymagany minimalny czas włączenia, większość konwerterów wejdzie w tryb zwany przeskakiwaniem pulsu („pulse-skip mode”). W takim wypadku częstotliwość przełączania może się zmieniać i odbiegać od założonych 2 MHz. Wprowadza to też spore zakłócenia i szumy do układów zasilanych, co w przypadku elementów wrażliwych, takim jak pamięci, może spowodować niepożądane działanie i błędy dla całego systemu. Podsumowując: (1) Należy zadbać o poprawny współczynnik napięcia zasilającego do wyjściowego, a także jakość zasilania. Zwykle, współczynnik te wynosi około 20%. Co oznacza, że aby osiągnąć 3.6 V, należało by skorzystać z napięcia wejściowego 18 V. Natomiast przy bezpośrednim podpięciu do akumulatora, zakłócenia tam istniejące mogą dodatkowo wprowadzać niepożądane działanie konwertera i losowe działanie się trybu przeskakiwania (zwłaszcza w przypadku gdy pojawiają się szpilki napięciowe). (2) Ważnym jest też odpowiedni dobór elementów. Regulatory podłączone pod 3.3 lub 5 V mogą bez problemu pracować z częstotliwościami 2 MHz. Przy ich minimalnym czasie włączenia 125 ns, współczynnik wynosi 25%. Co przy 3.3 V napięcia wejściowego da bezproblemowe 0.825 V na wyjściu, a z 5 V otrzymamy 1.25 V. Warto też zwracać uwagę na straty powstające w rdzeniach cewek. Rosną one wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania. Należy więc dobierać cewkę i jej rdzeń stosownie do warunków pracy. Są na rynku rdzenie stworzone z myślą właśnie o pracy na wyższych częstotliwościach, generując małe straty. Wprawdzie komponenty będą mniejsze przy systemach pracujących z częstotliwością 2 MHz, niż przy 400 kHz, lecz często straty będą większe. Sporym wyzwaniem jest też odpowiedni dobór tranzystorów MOSFET, uwzględniając czasy ich załączenia i wyłączenia, czasy martwe, itd. (to o czym pisaliśmy wyżej). Nieodpowiedni ich dobór może spowodować spore straty, zwłaszcza w porównaniu do podobnej konstrukcji pracującej przy częstotliwości 400 kHz (nawet 5-krotnie większe straty). (3) Większe straty powodują, że całość będzie się bardziej nagrzewać. Średnia temperatura wcale nie musi rosnąć o kosmiczne wartości (może to być np. 9 stopni Celsjusza, przy wyborze większej częstotliwości), lecz należy odpowiednio do tego przygotować projekt płytki PCB. (4) Warto też zwrócić uwagę na samego komponenty sterujące (konwertery scalone). Nie zawsze układ jest w stanie pracować z tą częstotliwością, mimo że jest to teoretycznie możliwe przy określonych warunkach. Może się zdarzyć, że w niesprzyjających warunkach (np. napięcia), wartość ta nie będzie osiągalna. © Texas Instrumens