Modulele de putere sunt de succes, dar cu o alegere înţeleaptă

30 APRILIE 2015

Modulele de putere sunt calea de urmat atunci când se doreşte valorificarea experienţei experţilor în consum energetic şi lansarea rapidă a proiectului dvs. pe piaţă, dar alegerea acestor module trebuie făcută cu înţelepciune. Alegerea arhitecturii modulelor de putere poate afecta puternic performanţele surselor dvs. de tensiune.

de Jian Yin, Intersil Corporation

Introducere

Proiectanţii de sisteme se află mereu sub o presiune enormă, fie că evaluează stabilizatoarele în comutaţie coborâtoare de tensiune la nivel de siliciu (controler cu FET), fie modulele de putere unde integrarea şi uşurinţa de utilizare a unor subsisteme de

Figura 1: Modulele de putere înalt integrate necesită numai condensatoare de intrare şi ieşire, şi poate doar câteva componente externe adiţionale pentru a răspunde cerinţelor proiectantului unui sistem.

surse de tensiune poate fi preferată. Proiectanţii au primit sarcina de a integra mai multă putere şi caracteristici în dispozitive cu factor de formă mai mic, afectând astfel negativ caracteristicile electrice şi termice ale sistemului.
Există diferite obstacole pe care proiectanţii de sisteme trebuie să le depăşească pe calea către integrarea dorită. Acestea includ probabilitatea crescută de influenţare prin zgomot, deoarece componentele sunt foarte apropiate, precum şi disiparea căldurii, ţinând cont de energia tot mai mare gestionată pe dispozitive cu amprentă tot mai mică.
Din fericire, proiectanţii de module de putere continuă să inoveze pentru a răspunde acestor cerinţe prin diferite abordări de topologii şi arhitecturi care extrag maximul de performanţă din cele mai mici circuite.
Cu toate acestea, inovaţiile pun în sarcina proiectanţilor necesitatea unui modul de putere optim, astfel că trebuie mare atenţie în alegerea soluţiilor. Tehnicile utilizate de diferite soluţii de module de putere pot afecta puternic costul global al sistemului, precum şi parametrii de performanţă cheie precum disiparea de căldură, răspunsul tranzitoriu, tensiunea de riplu şi chiar şi uşurinţa de utilizare. Este foarte mult un caz de “atenţie cumpărător”.

Figura 2: Capsula modulului de putere ISL8203M măsoară numai 6,5mm × 9mm × 1,85mm.

Tabel 1: ISL8203M este cel mai compact modul de putere industrial de 6A

Modular vs. Discret

Pentru inginerii proiectanţi, există numeroase motive pentru a opta pentru module de putere în loc de a proiecta un convertor de putere la nivel de componente, nu doar că sunt uşor de utilizat şi reduc timpul până la lansarea pe piaţă. Adăugând numai condensatoare de intrare şi de ieşire, clienţii modulelor de putere pot termina proiectul uşor şi rapid, cu încrederea că performanţele de bază şi cerinţele de spaţiu sunt respectate. Modulul de putere este un sistem de convertor de putere complet într-o capsulă ce include un controler PWM, MOSFET-uri de comutaţie sincrone, inductoare şi componente pasive, după cum se poate observa în figura 1.
De exemplu, modulul de putere ISL8203M de la Intersil are o capsulă cu un profil redus la 1,83mm, ceea ce este similar cu înălţimea unui condensator 1206. De asemenea, el furnizează performanţe excelente termice şi electrice pentru a răspunde cerinţelor clienţilor. Normal că sunt suficiente cunoştinţele, dar modul în care a fost proiectat modulul poate afecta puternic parametri mai nuanţaţi, caracteristici şi capabilităţi.

Descrierea ISL8203M

ISL8203M este un modul de putere DC-DC complet ce a fost optimizat pentru a genera tensiuni de ieşire reduse în domeniul de la 0,8V la 5V, făcându-l ideal pentru orice aplicaţii de joasă putere şi joasă tensiune. Domeniul de intrare al tensiunii de alimentare este de la 2,85V la 6V. Cele două canale sunt defazate cu 180° pentru curentul RMS de intrare şi reducerea EMI. Fiecare canal este capabil de un curent de ieşire de 3A. Aceste canale pot fi combinate pentru a forma o singură ieşire de 6A în modul de partajare curent. Câtă vreme se află în mod de partajare curent, intercalarea dintre cele două canale reduce riplul tensiunii de intrare şi ieşire.
ISL8203M are o grosime de numai 1,83mm cu o amprentă de 6,5mm × 9mm, după cum se poate observa în figura 2. Circuitul are profilul de capsulă cel mai compact pentru un domeniu dat de tensiune/curent de intrare şi ieşire, vedeţi Tabelul 1, iar volumul global al capsulei este de numai 106mm3, ceea ce este dramatic mai mic decât toate celelalte soluţii de module de putere. Cu toate că ISL8203M dispune de o capsulă foarte compactă, el furnizează un randament foarte bun după cum se poate observa în figura 3.

Figura 3: Randamentul ISL8203M sub diferite condiţii de curent şi tensiune de ieşire. (a): o ieşire de 3A la tensiune de intrare de 5Vin (b): ieşire de 6A în paralel 5Vin

Capsulele de module mici oferă performanţe termice excelente

ISL8203M utilizează o capsulă QFN (quad-flat, no-leads), unde componenta internă este lipită direct pe cadrul conductor din cupru, conform figurii 4. De asemenea, legăturile cu

Figura 4: Structura internă a ISL8203M.

fire pot fi aplicate pe partea superioară a componentei interne, pentru conectarea electrică la cadrul conductor. Apoi forma poate fi umplută prin turnare pentru a completa etanşarea capsulei.
Această structură permite căldurii generate de componentele interne să fie disipată direct prin cupru în cadrul conductor care are o conductivitate termică de ~385 W/mK. Această valoare este de aproape de 1000 de ori mai mare decât conductivi­tatea termică a plăcii de circuit imprimat (PCB) care are o conductivitate termică tipică de ~0,343 W/mK. Ca rezultat, cadrul conductor bazat pe cupru poate ajuta la disiparea căldurii mult mai eficient decât un modul bazat pe PCB. De asemenea, de vreme ce cadrul conductor din cupru poate fi de şase ori mai subţire decât cuprul de 1oz pe un PCB tipic, cadrul conductor al modulului poate ajuta la disiparea căldurii pe o suprafaţă mare, accelerând în acest fel eficienţa transferului de căldură.

Figura 5: În cazul cel mai defavorabil, convertind 5Vin în 3,3Vout la 6A – fără flux de aer şi temperatură ambientală de 25°C – ISL8203M atinge o temperatură maximă de numai 66,8°C.

La nivel global, performanţele termice ale modulu­lui pot fi mai bune decât ale unei soluţii discrete în care componentele sunt lipite direct pe placa PCB a sistemului.
Este important de remarcat că materialul de turnat poate avea în structură un efect de disipare a căldurii similar cadrului conductor din cupru. Cu toate că materialul de umplere are o conductivitate termică mai mică, totuşi căldura poate fi transferată orizontal şi apoi disipată prin cadrul conductor din cupru. Materialul de turnat creşte suprafaţa efectivă de transfer de căldură de la componenta de putere internă, şi astfel descreşte rezistenţa termică de la componenta internă la mediu. Acesta este un alt avantaj al modulelor de putere – abilitatea de a manipula o putere ridicată într-o capsulă mică prin comparaţie cu componentele discrete.
Haideţi să aruncăm o primire mai apropiată la performanţele termice ale ISL8203M montat pe o placă de evaluare standard cu 4 straturi de cupru de 2oz. pe nivelele superior şi inferior, şi de 1oz. pe straturile din mijloc, după cum se poate observa în figura 5. În cazul scenariului cel mai defavorabil cu tensiune de intrare 5Vin la 3,3Vout/6A fără flux de aer şi o temperatură ambientală de 25°C, temperatura maximă a modulului este de numai 66,8°C.

Pentru răspuns tranzitoriu, modulele de putere în mod curent ating performanţe mai bune

Există în general două tipuri de scheme de control utilizate în aplicaţiile de module: mod curent şi mod tensiune. Pentru a asigura un răspuns tranzitoriu rapid sub diferite condiţii de sarcină, ISL8203M utilizează o schemă de control de mod curent pentru a stabiliza tensiunea de ieşire, vedeţi figura 6. Semnalul de detecţie a curentului din schemă este derivat din tensiunea pe rezistenţa conductivă a FET-ului (Rdson) a convertorului sincronizat ridicător de tensiune.

Figura 6: Diagrama de control în modurile curent şi tensiune. (a): ISL8203 – diagrama simplificată a controlului în mod curent (b): Diagrama tipică a controlului în mod tensiune

Acesta este apoi introdus într-un amplificator de curent, a cărei ieşire este supusă unei compensări de pantă înainte de a fi comparată cu ieşirea din amplificatorul de eroare pentru a ge­nera ceea ce devine acum semnalul PWM. Prin driver, semnalul PWM poate controla convertorul sincronizat ridicător de tensiune pentru a obţine stabilizarea de tensiune necesară. Compensarea pe amplificatorul de eroare este necesară pentru a a mări câştigul în buclă şi limita de fază pentru a obţine stabilitate şi performanţe mai bune.
Structura controlului în mod tensiune este mai simplă decât controlul în mod curent. Ea înlocuieşte zona punctată din figura 6 (a) cu un semnal tip dinţi de ferăstrău la o frecvenţă fixă prezentată în (b). Acest semnal utilizat în locul semnalului de detecţie al curentului din cazul de mod curent, este apoi comparat cu ieşirea amplificatorului de eroare pentru a genera semnalul PWM necesar.

Figura 7: Diagramele Bode în buclă deschisă pentru controlul în mod tensiune şi în mod curent. (a): Câştig în buclă deschisă pentru modurile de tensiune şi de curent (b): Fază în buclă deschisă pentru modurile de tensiune şi de curent

Controlul în mod tensiune este de asemenea uşor de înţeles. După cum se poate observa în figura 7, sistemul său în buclă deschisă este un sistem de ordinul 2, cu inductorul şi condensatorul de ieşire formând polii complecși. În mod clar, faza sa normalizată Tv(s), arătată în figura 7 (b) cade foarte repede cu 180° pe frecvenţa de rezonanţă de 20kHz a polilor complecși. Acest sistem depinde de componentele de compensare pentru a îmbunătăţi limita de fază pentru a obţine stabilizare. Altfel, are o limită de fază de numai 10° cu frecvenţa de trecere la 50kHz, după cum se vede în figura 7 (b). Pentru stabilitatea buclei este necesară o limită de fază mai mare (tipic mai mare de 40°).
Dacă folosim acelaşi sistem de control în mod tensiune şi îl modificăm în bucla de curent din figura 6 (a), el devine un sistem de control în mod curent. Diagrama Bode a sistemului în bucla deschisă este prezentată în figura 7 ca Tc(s).
Acest sistem este aproape de un sistem de ordin 1 la domeniul de frecvenţă joasă, astfel că frecvenţa este ridicată dramatic de la 20kHz la 500KHz, precum în figura 7 (b). Chiar fără componente de compensare, acesta este un sistem stabil. Dacă este adăugată o compensare simplă de tip II pentru a îmbunătăţi amplificarea la frecvenţă scăzută şi pentru a împinge frecvenţa de trecere la aproximativ 50KHz, limita de fază a controlului în mod curent poate fi de aproape 80°, ceea ce este suficient pentru stabilitate. Astfel, pentru controlul în mod curent, compensarea este relativ simplă faţă de modul tensiune, şi poate acoperi o gamă largă de diferite condensatoare de ieşire din cauza creşterii fazei în buclă deschisă.
Pentru aplicaţiile cu module de putere, compensarea este fixată în capsulă, astfel încât în cazul în care condensatorii de ieşire sunt schimbaţi pentru diferite aplicaţii particularizate, polii complecși în controlul în mod tensiune vor fi deplasaţi semnificativ. Compensarea poate să nu acopere plaja largă de schimbare a condensatoarelor de ieşire deoarece faza sa în buclă deschisă este prea mică pe frecvenţa de rezonanţă LC. De aceea în numeroase cazuri, ea poate cauza limite de fază insuficiente atunci când condiţiile de sarcină se schimbă. Pentru a evita acest lucru, modulul în mod tensiune trebuie să micşoreze lăţimea de bandă a buclei (frecvenţa de trecere) pentru a asigura o limită de fază suficientă pentru stabilitate la diverse condiţii de sarcină prin comparaţie cu controlul în mod curent. Dezavantajul reducerii acestei lăţimi de bandă este o performanţă mai scăzută a răspunsului tranzitoriu.

Figura 8: Diagramele Bode ale controalelor în mod tensiune şi curent în aplicaţia pe module (5Vin la 1Vout/3A, cu acelaşi condensator ceramic COUT =2×10µF + condensator cu tantal 47µF). (a): O ieşire de 3A a ISL8203M (b): Un modul în mod tensiune al unui competitor

Figura 9: Răspunsul tranzitoriu pe sarcina de ieşire cu aceeaşi condensatori de ieşire (5Vin la 1Vout 0 – 3A, COUT = 2 × 10µF ceramic + 47µF tantal; viteza de creştere a curentului de sarcină de 1A/µs). (a): O ieşire de 3A a ISL8203M (b): Ieşirea pentru un modul de putere al unui competitor

Pentru a arăta această diferenţă critică în performanţele tranzitorii, am selectat un modul de putere de 4A al unui competitor cu control în mod tensiune pentru a-l compara cu ISL8203M.
Diagramele Bode pentru aceste două module de putere vă sunt prezentate în figura 8.
Dacă selectăm aceleaşi condensatoare de ieşire pentru test, cu ambele limite de fază de ~60°, lăţimea de bandă a buclei ISL8203M pentru o ieşire de 3A a fost mult mai mare decât celălalt modul, aceasta însemnând de fapt că ISL8203M are performanţe tranzitorii mult mai bune, după cum se poate observa în figura 9. În aceleaşi condiţii de testare, ISL8203M are o variaţie vârf-la-vârf de 240mV şi un timp de recuperare de numai 25µs, în vreme ce celălalt modul cu mod de tensiune are o variaţie vârf-la-vârf de 275mV şi un timp de recuperare mai mare, şi anume 70µs.

Figura 10: ISL8203M poate fi rapid şi uşor programat să opereze în paralel.

Operarea în paralel furnizează un riplu de ieşire redus

În final, ISL8203M poate opera cu ieşire dublă de 3A sau cu o singură ieşire de 6A.
Atunci când funcţionează la 6A, cele două ieşiri de 3A pot fi legate în paralel precum este prezentat în figura 10. Cu intercalarea fazei dintre cele două ieşiri la 180°, riplurile de intrare şi ieşire pot fi reduse dramatic. După cum se poate observa în figura 11, riplul de ieşire la legarea în paralel este de numai 11mV, în vreme ce riplul pentru modulul competitor comparat este de 36mV, în aceleaşi condiţii de test.

Figura 11: Performanţele riplului de ieşire cu aceeaşi condensator de ieşire (5Vin la 1Vout 4A, COUT= 2 × 4.7µF ceramic + 68µF POSCAP; viteza de variaţie a curentului de sarcină de 1A/µs). (a): Riplu ISL8203M la 4A cu două ieşiri în paralel (b): Riplu pentru modulul cu o singură ieşire 4A al competitorului

Mai important, pentru un riplu de ieşire dat, ISL8203M necesită mai puţin de jumătate din capacitatea de ieşire comparativ cu modulul cu o singură fază, conducând astfel de economii semnificative.

Concluzie

ISL8203M este furnizat într-o capsulă compactă, dar care respectă cerinţele de performanţă termice şi electrice ale clienţilor. La o evaluare standard a modulului, acesta nu necesită radiator de căldură şi flux de aer, furnizând sarcinii o putere totală de 20W, cu modulul ajungând la o temperatură maximă de numai 66,8°C.

Schema sa de control în mod curent permite ISL8203M să obţină performanţe tranzitorii bune cu variaţie vârf-la-vârf excelentă şi un timp de recuperare de o treime faţă de modulele de putere ale competitorilor. Modul special paralel al ISL8203M permite furnizarea a 6 A, cu un riplu de ieşire extrem de redus şi cele două ieşiri intercalate la 180°. Această caracteristică aduce şi o economie semnificativă la nivel de componente pentru o limită de riplu dată.
Cu toate aceste caracteristici de performanţă superioare, ISL8203M este un bun candidat pentru orice aplicaţie de joasă putere, joasă tensiune, precum testare şi măsurare, infrastructură de comunicaţii şi sisteme de control industrial, toate necesitând densitate ridicată de putere şi bune performanţe.
Pentru a răspunde provocărilor de proiectare a subsistemelor de putere pentru aceste sisteme, mulţi proiectanţi utilizează module de putere în locul proiectelor tradiţionale discrete cu punct de sarcină. Acest lucru se întâmplă mai ales atunci când factorii de motivaţie sunt timpul până la lansarea pe piaţă, constrângerile dimensionale, siguranţa în funcţionare şi capabilităţile de proiectare.

Mai multe despre modulele de putere ISL203M puteţi afla la adresa www.intersil.com/products/ISL8203M

Despre autor:
Jian Yin este Applications Engineering Manager pentru Produse Industriale şi de Infrastructură la Intersil Corporation.
El este responsabil pentru proiectarea şi dezvoltarea modulelor de putere analogice şi digitale şi de întreg suportul pentru aplicaţiile clienţilor. Domnul Yin este beneficiarul a opt brevete U.S. (inclusiv în aşteptare), şi a publicat peste 50 de articole şi docu­mente tehnice. Înainte de a se alătura Intersil, domnul Yin a fost Senior Engineer la Monolithic Power Systems şi inginer de proiectare de module la Linear Technology Corporation, unde a proiectat şi lansat pe piaţă mai mult de 9 modulde de putere. Domnul Yin este doctor în inginerie electrică, titlu obţinut la Virginia Polytechnic Institute and State University.

www.intersil.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