Redresarea sincronă ridică performanțele surselor de alimentare

31 MAI 2012

Cerințele actuale de alimentare cu putere la tensiuni multiple mai mici și curenți mari, eficiență foarte mare (peste 95%) și implicit disipația mică de căldură (radiatoare mici și răcire prin convecție), densitatea mare de putere pe unitatea de volum, componente cu gabarit mai mic (radiatoare, transformatoare, capacitoare), au condus la proiectarea unor surse de alimentare bazate pe componente performante și ușor de utilizat în proiectare. În final, s-au atins și alte deziderate: fabricația mai simplă și fiabilitatea foarte ridicată, dar și scăderea costurilor. Idei valoroase sunt materializate prin tehnologii noi de către fabricanții de componente electronice ce sunt oferite pe piață la prețuri competitive, însoțite de un puternic sprijin în proiectare prin note de aplicații și plăci de evaluare.

Figura 1: Redresarea sincronă înlocuiește diodele Schottky prin MOSFET-uri cu rezistenţă RDS (on) mică (mΩ). Scade disipaţia de căldură I2×RDS(on), cresc eficienţa (cu 3-4%) și fiabilitatea, scăzând gabaritul. La utilizarea diodelor Schottky se ia în considerare timpul de revenire la blocare și curentul rezidual.

Redresarea sincronă (SR) s-a aplicat începând cu anii ‘90, dar extinderea s-a făcut după apariția noilor MOSFET-uri cu rezistenţa în conducţie RDS(on) foarte mică și scăderea sarcinii electrice totale de comandă pe poartă (gate charge QG) pentru a avea timpi mici de comutare (ton / toff) a puterii.
Redresarea cu diode se înlocuiește cu un circuit lucrând în comutație, ce comandă două tranzistoare MOSFET, pentru a realiza o redresare sincronă ce emulează o diodă redresoare.

Figura 2: Configuraţie simplificată de convertor buck cu redresare sincronă fără izolare

Comanda se face succesiv, astfel ca un singur MOSFET să fie în conducție, curentul (iD) circulând doar într-o direcție (figura 2). Deși componentele costă mai mult decât la redresarea cu diode Schottky, se câștigă la considerente de disipație termică și de gabarit, costul total fiind mai mic. Creșterea eficienţei se bazează pe diminuarea pierde­rilor, care în cazul unui convertor DC/DC cu redresare sincronă, apar prin:
• conducție în MOSFET: I2×RDS(on);
• conducție directă, dar și curent rezidual în diode;
• rezistența DC echivalentă a inductorului;
• rezistența echivalentă serie (ESR) în capacitor;
• sarcina electrică în poarta MOSFET;
• tranzițiile de putere în MOSFET;
• traseele de cupru ale circuitului PCB;
• consumul circuitului de control PWM.
Sursa de alimentare trebuie să aibă un circuit de comandă cu 2 moduri de lucru, funcţie de sarcină: modul Pulse-Width Modulation (PWM) pentru sarcini grele şi modul Pulse-skipping (SKIP) când se cer curenți mici în sarcină.

Figura 3: Portofoliul Texas Instruments de soluţii pentru alimentare cu putere orientate la aplicaţii (POL).

Comutând automat în modul SKIP se împiedică pornirea pentru unul sau mai multe cicluri de comutare, pentru a preveni ca tensiunea de ieșire să crească peste cea nominală. Comparativ cu modul PWM, riplul la ieșire va fi mai mare. Frecvența de skipping fPS este o funcție de L, C, Vin, Vout și bucla de control.
Dacă curentul prin sarcină este mic, curentul de descărcare (iD) prin inductorul L tinde la zero. Curentul prin inductorul L și MOSFET 2 (SR-MOSFET= redresor sincron), în timpul tON când acesta este deschis, poate să devină discontinuu sau să schimbe direcția la sarcini mici. În a doua jumătate de ciclu ar putea să apară un curent invers (iR) prin MOSFET 1 (un MOSFET este bidirecțional), iar pe durata timpului mort curentul va curge prin dioda parazită. Dacă sursa de ali­mentare nu are sarcină permanentă se alege în proiectare un circuit de comandă a comutării care monitorizează sensul curentului în inductor și impiedică inversarea, când curentul a ajuns zero. Deși, la o sarcină mică se blochează SR-MOSFET, dioda din corpul acestui MOSFET va avea pierderi mai mari în conducție decât o diodă Schottky. De aceea, se recomandă adăugarea în paralel cu SR-MOSFET o diodă Schottky (are pierderi mai mici).
Firme mari producătoare de semiconductoare au soluţii de proiectare în funcţie de puterea necesară și de costuri pentru orice tip de sursă de alimentare.
Texas Instruments oferă un portofoliu mare de soluții de alimentare cu putere, orientate la aplicații (POL – Point-of-Load), non-izolate, DC / DC, cu rezolvări legate de dimensiune, eficienţă, performanță sau constrângeri de cost.

Figura 4: Placa de evaluare National Semiconductor conţine controlerul PWM LM5035C și izolatorul digital Silicon Labs Si8420 ISOpro™. Se demonstrează funcţionarea cu Vin = 36V… 75V și la tensiuni tranzitorii pe intrare de max. 100V cerute uzual de echipamente de comunicaţii Vout = 3.3V, Iout = 0…30A, eficienţa 92%@15A și protecţiile hiccup-mode pe ieșire.

Gama de soluţii cuprinde de la dispozitive discrete, la soluţii integrate care conţin și circuitul magnetic. Pentru căutarea rapidă apelați la www.ti.com/power unde se introduc: tensiunea de intrare, tensiunea de ieșire și curentul de ieșire și se obțin soluții pentru proiectarea sursei de alimentare.
1. Soluţii integrate de putere (Integrated Power Solutions SIMPLE SWITCHER®) – densitatea mare de putere este uşor de atins prin convertoare DC / DC, ce integrează partea magnetică.
Se face economie de spațiu pe placa de circuit, obținând o dimensiune optimizată cu puțin efort de proiectare.
2. Convertoare DC / DC Step-Down – tehnologia MOSFET integrată a atins niveluri ridicate ale densităţii pentru a asigura o eficienţă mai mare, la dimensiuni mai mici. Convertoarele DC / DC de la TI oferă multe soluţii până la 25 A.
3. Unităţi de gestionare a puterii (PMU) – multiple convertoare DC / DC într-un singur pachet simplifică proiectarea sursei de putere prin reducerea numărului de componente. Unitățile TI
integrează convertoarele inductive step-down cu regulatoare liniare și alte circuite analogice, cum ar fi încărcătoare de baterie și o interfață I2C pentru a economisi spațiu.
4. Convertoare Step-Up-Boost – cele mai multe specificaţii dau limita de curent pentru comutatoarele MOSFET de putere integrate. O estimare aprox. a curentului efectiv este în funcţie de ciclul de lucru și poate fi estimată cu formula:
Iout = 0,65 × Iswitch (min) × (VIN / VOUT)
5. Convertoare DC / DC Buck-Boost – un convertor trebuie să fie capabil de a asigura tensiunea de ieșire pentru toate gamele posibile ale tensiunii la intrare, chiar dacă Vin este mai mare sau mai mică decât Vout. Convertoarele buck-boost cu un singur inductor integrează 4 MOSFET-uri de putere pe un cip, cu economie de spațiu și o tranziţie insesizabilă între moduri de operare.
6. Pompe de încărcare (Charge pumps) – familia TI de pompe de încărcare (low voltage charge pumps) oferă o soluție low-noise pentru ridicarea de tensiune fără utilizarea unui inductor. Pompa de încărcare atinge eficienţă maximă de 90% și este utilă pentru curenți de ieșire sub 300 mA.
7. Regulatoare liniare cu răspuns tranzitoriu rapid (LDO) – regulatoare liniare care oferă curenţi de 10mA …7,5A. Selecția are în vedere capacitatea minimă necesară la ieșire, precum și alte beneficii, cum ar fi curent pasiv scăzut, răspuns rapid la tranziții sau zgomot redus.
8. Controlere DC / DC – comandă redresarea sincronă, iar curentul de ieșire real este stabilit de MOSFET-uri externe, ce permit proiectantului optimizarea eficienţei și performanța. Puterni­cele drivere MOSFET din controlerele TI pot comanda mai multe MOSFET-uri. Trebuie luată în considerare seria NexFET™ de MOSFET-uri de putere cu cele mai bune performanțe RDS (on) și sarcină electrică de comandă (gate charge QG).
9. Module plug-in de Putere – module non-izolate și complet integrate montate pe placa de circuit. Modulele cu montarea verticală au cea mai mică amprentă. Pentru montarea pe suprafaţă și variante de montare orizontală prin pini și găuri în PCB, sunt disponibile multe produse de serie.

Texas Instruments a achiziționat în anul 2011, firma National Semiconductor – un lider în domeniul circuitelor analogice și de semnal mixat, mărindu-se oferta de componente și soluții de rezolvare a cerințelor pentru surse de alimentare.
Componentele sunt fabricate sub aceleași coduri și sunt însoțite de plăci de evaluare pentru a permite proiectanților să verifice toate funcționalitățile.
Ex. LM5035C Evaluation Board în formatul standard industrial, conține circuitul LM5035B Half Bridge PWM Controler și izolatorul digital Silicon Labs’ Si8420 ISOpro™ în locul trafurilor de puls, eliminând limitările de frecvență și de timpi tranzitorii. Izolatoarele digitale cresc eficiența și scad suprafața ocupată pe cablaj.

Autor:

Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro

ECAS ELECTRO www.ecas.ro este distribuitor al firmelor:
Texas Instruments – www.ti.com
National Semiconductor – www.national.com
Silicon Laboratories – www.silabs.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre