Buckconvertors snel implementeren voor fabrieksautomatisering, 5G en het IoT

Buck DC/DC-convertors worden op grote schaal gebruikt in tal van elektronische systemen, zoals 5G-basisstations, fabrieksautomatiseringsapparatuur (FA) en Internet of Things (IoT)-apparaten om hoge spanningen efficiënt te downconverteren. Bijvoorbeeld, een spanning zoals 12 volt gelijkstroom (V_DC) of 48 V_DC van een batterij of een stroomverdelingsbus moet vaak worden omgezet in een lagere spanning(en) om digitale IC's, analoge sensoren, radiofrequentie (RF) delen, en interface-apparatuur van stroom te voorzien.

Hoewel ontwerpers een discrete buck converter kunnen implementeren en deze voor een specifiek ontwerp kunnen optimaliseren in termen van prestatiekenmerken en printplaatlay-out, zijn er uitdagingen verbonden aan deze aanpak. Deze omvatten de keuze van de geschikte vermogens-MOSFET, het ontwerp van het terugkoppelings- en besturingsnetwerk, het ontwerp van de spoel, en de keuze tussen een asynchrone of een synchrone topologie. Ook moet het ontwerp talrijke beschermingsfuncties omvatten, maximale efficiëntie bieden en een kleine oplossing bieden. Tegelijkertijd worden ontwerpers onder druk gezet om de ontwerptijd te verkorten en de kosten te verlagen, waardoor de noodzaak ontstaat om meer geschikte alternatieven voor vermogenconvertors te vinden.

In plaats van de discrete route kunnen ontwerpers zich wenden tot geïntegreerde voedings-IC's die MOSFET's combineren met de noodzakelijke feedback- en regelcircuits die reeds zijn geoptimaliseerd voor hoogrendabele buckconvertors.

Dit artikel bespreekt de prestatieverschillen tussen asynchrone en synchrone buck DC/DC-convertors en hoe deze in de behoeften van specifieke toepassingen kunnen worden ingepast. Er wordt een voorbeeld gegeven van een geïntegreerde asynchrone buck-IC en een synchrone buckconvertor IC-oplossing van ROHM Semiconductor en er wordt ingegaan op implementatie-overwegingen, waaronder de keuze van de uitgangsspoel en -condensator en de printplaatlay-out. Evaluatieborden zijn in de discussie opgenomen om ontwerpers op weg te helpen.

Waarom een buckconvertor gebruiken?

In toepassingen die een paar ampère (A) stroom nodig hebben, biedt een buckconvertor een efficiënter alternatief voor een lineaire regelaar. Een lineaire regelaar kan een rendement hebben van ongeveer 60%, terwijl een asynchrone buckconvertor een rendement kan hebben van meer dan 85%.

Een asynchrone buckconvertor bestaat uit een MOSFET-schakelaar, een Schottky-diode, een condensator, een spoel, en een regelaar/driver-schakeling (niet afgebeeld) om de MOSFET in en uit te schakelen (Afbeelding 1). Een buckconvertor neemt de DC-ingangsspanning (V_IN) en zet deze om in een pulserende wisselstroom die wordt gelijkgericht door de diode, die vervolgens wordt gefilterd door de spoel en de condensator om een geregelde DC uitgangsspanning (_VO) te produceren. Deze topologie dankt haar naam aan het feit dat de spanning over de spoel de ingangsspanning tegenwerkt of "bucks".

Afbeelding 1: Asynchrone buckconvertortopologie, zonder de MOSFET regelaar/driver-schakeling. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

De regelaar/driver-schakeling registreert de uitgangsspanning en schakelt de MOSFET periodiek in en uit om de uitgangsspanning op het gewenste niveau te houden. Als de belasting varieert, varieert de regelaar/driver de tijd dat de MOSFET is ingeschakeld om meer of minder stroom naar de uitgang te leveren, afhankelijk van wat nodig is om de uitgangsspanning te handhaven (regelen). Het percentage van de tijd dat de MOSFET AAN is tijdens een volledige AAN/UIT-cyclus wordt de duty cycle genoemd. Hogere duty cycles ondersteunen dus hogere belastingsstromen.

Synchrone bucks

In toepassingen die een hoger rendement vereisen dan mogelijk is met een asynchrone buckconvertor, kunnen ontwerpers een synchrone buckconvertor gebruiken waarbij de Schottky-diode wordt vervangen door synchrone MOSFET-gelijkrichting (Afbeelding 2). De synchrone MOSFET (S₂) heeft een ON-weerstand die aanzienlijk lager is dan de weerstand van de Schottky, hetgeen resulteert in lagere verliezen en een hoger rendement, maar met een hogere kostprijs.

Een van de uitdagingen is dat er nu twee MOSFET's zijn die gecoördineerd aan en uit moeten worden gezet. Als beide MOSFET's tegelijk AAN staan, ontstaat er een kortsluiting die de ingangsspanning rechtstreeks met de aarde verbindt, waardoor de converter beschadigd of vernietigd wordt. Om dat te voorkomen wordt het besturingscircuit complexer, waardoor de kosten en ontwerptijd nog hoger worden in vergelijking met een asynchroon ontwerp.

Deze regelkring in een synchrone buck heeft een "dode tijd" tussen de schakelovergangen, waarbij beide schakelaars voor een zeer korte periode UIT staan om gelijktijdige geleiding te voorkomen. Gelukkig voor ontwerpers zijn er voedings-IC's beschikbaar waarin de vermogens-MOSFET's en het regelcircuit zijn geïntegreerd die nodig zijn om buck converters te produceren.

Afbeelding 2: Synchrone buckconvertortopologie met de vervanging van de Schottky diode door een synchrone gelijkrichtende MOSFET (S₂). (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Geïntegreerde buckconvertor IC's

Voorbeelden van sterk geïntegreerde buckconvertor IC's zijn de BD9G500EFJ-LA (asynchroon) en BD9F500QUZ (synchroon) van ROHM, die respectievelijk in een HTSOP-J8- en een VMMP16LZ3030-pakket worden geleverd (Afbeelding 3). De BD9G500EFJ-LA heeft een weerstandsspanning van 80 volt en is bedoeld voor gebruik met 48 V-voedingsbussen die worden aangetroffen in 5G-basisstations, servers en soortgelijke toepassingen. Hij is ook geschikt voor systemen met 60 V-voedingsbussen zoals elektrische fietsen, elektrisch gereedschap, FA en IoT-apparaten. Hij kan tot 5 A uitgangsstroom leveren en heeft een omzettingsefficiëntie van 85% over zijn uitgangsstroombereik van 2 tot 5 A. Ingebouwde functies zijn onder meer soft start, overspanning, overstroom, thermische uitschakeling en onderspanning lockout-beveiliging.

Figuur 3: Het BD9G500EFJ-LA asynchrone buckconvertor IC wordt geleverd in een HTSOP-J8-pakket en het BD9F500QUZ synchrone buck-IC wordt geleverd in een VMMP16LZ3030-pakket. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

Aangezien de BD9F500QUZ synchrone buck-voeding een doorslagspanning van 39 volt heeft, kunnen ontwerpers van systemen met 24 V-voedingsbussen deze gebruiken om de systeemkosten te verlagen door het montageoppervlak te verkleinen en het aantal componenten in FA-systemen zoals programmeerbare logische controllers (PLC's) en inverters te verminderen. De BD9F500QUZ verkleint de oplossing met ongeveer 60%, en de maximale schakelfrequentie van 2,2 MHz maakt het gebruik van een kleine spoel van 1,5 microhenry (μH) mogelijk. Deze synchrone buck werkt met een rendement tot 90% bij een uitgangsstroom van 3 A.

De combinatie van hoge efficiëntie en thermisch efficiënte verpakking betekent dat de bedrijfstemperatuur rond de 60 graden Celsius (°C) ligt zonder dat er een koellichaam nodig is, waardoor ruimte wordt bespaard, de betrouwbaarheid wordt verbeterd en de kosten worden verlaagd. Ingebouwde functies zijn onder meer ontladingsfunctie voor de uitgangscapaciteit, overspanning, overstroom, kortsluiting, thermische uitschakeling en onderspanningsbeveiliging.

Keuze van de spoel en de condensator

Hoewel de BD9G500EFJ-LA en BD9F500QUZ geïntegreerde vermogens-MOSFET's hebben, moeten ontwerpers nog steeds de optimale uitgangsspoel en -condensator kiezen, die met elkaar in verband staan. De optimale waarde van de inductantie is bijvoorbeeld belangrijk om de kleinste gecombineerde afmetingen voor de spoel en de uitgangscondensator te verkrijgen, alsmede een voldoende lage rimpel in de uitgangsspanning. Ook de transiënte vereisten zijn belangrijk en variëren van systeem tot systeem. De belastingsveranderingsamplitude, de beperkingen van de spanningsafwijking, en de condensatorimpedantie beïnvloeden allen de transiënte prestaties en condensatorkeuze.

Ontwerpers beschikken over verschillende condensatortechnologieën, die elk hun eigen kosten en prestaties hebben. Gewoonlijk worden meerlagige keramische condensatoren (MLCCs) gebruikt voor de uitgangscapaciteit in buck converters, maar sommige ontwerpen kunnen baat hebben bij het gebruik van aluminium elektrolytische condensatoren of hybride elektrolytische condensatoren van geleidend polymeer.

ROHM heeft het selectieproces van inductoren en condensatoren vereenvoudigd door ontwerpers complete applicatievoorbeeldcircuits aan te bieden in de datasheets voor deze voedings-IC's, inclusief:

• Ingangsspanning, uitgangsspanning, schakelfrequentie en uitgangsstroom
• Schema van het circuit
• Voorgestelde materiaallijst (BOM) met waarden, onderdeelnummers en fabrikanten
• Werkende golfvormen

Drie gedetailleerde toepassingscircuits voor de BD9G500EFJ-LA, alle met een schakelfrequentie van 200 kilohertz (kHz), omvatten:

• 7 tot 48 V_DC-ingang met een uitgang van 5,0 V_DC bij 5 A
• 7 tot 36 V_DC-ingang met een uitgang van 3,3 V_DC en 5 A
• 18 tot 60 V_DC-ingang met een uitgang van 12 V_DC en 5 A

Zeven gedetailleerde toepassingscircuits voor de BD9F500QUZ omvatten:

• 12 tot 24 V_DC ingang met een uitgang van 3,3 V_DC en 5 A, met een schakelfrequentie van 1 MHz
• 12 tot 24 V_DC-ingang met een uitgang van 3,3 V_DC en 5 A, met een schakelfrequentie van 600 kHz
• 5 V_DC-ingang met een uitgang van 3,3 V_DC en 5 A, met een schakelfrequentie van 1 MHz
• 5 V_DC-ingang met een uitgang van 3,3 V_DC en 5 A, met een schakelfrequentie van 600 kHz
• 12 V_DC-ingang met een uitgang van 1,0 V_DC en 5 A, met een schakelfrequentie van 1 MHz
• 12 V_DC-ingang met een uitgang van 1,0 V_DC en 5 A, met een schakelfrequentie van 600 kHz
• 12 V_DC-ingang met een uitgang van 3,3 V_DC en 3 A, met een schakelfrequentie van 2,2 MHz

Bovendien biedt ROHM ontwerpers een toepassingsnota over "Soorten condensatoren die worden gebruikt voor het afvlakken van de uitgang van schakelende regelaars en hun voorzorgsmaatregelen".

Eval boards versnellen het ontwerpproces

Om het ontwerpproces verder te versnellen, biedt ROHM de BD9G500EFJ-EVK-001 en BD9F500QUZ-EVK-001-evalborden voor respectievelijk de BD9G500EFJ-LA en BD9F500QUZ (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De BD9G500EFJ-EVK-001 (links) en BD9F500QUZ-EVK-001 (rechts) evalborden voor respectievelijk de BD9G500EFJ-LA en BD9F500QUZ-buckconvertor IC's, helpen ontwerpers snel te garanderen dat de apparaten aan hun eisen voldoen. (Bron afbeelding: ROHM Semiconductor)

De BD9G500EFJ-EVK-001 produceert een uitgang van 5 V_DC uit een ingang van 48 V_DC. Het bereik van de ingangsspanning van de BD9G500EFJ-LA is 7 tot 76 V_DC, en de uitgangsspanning kan worden geconfigureerd van 1 V_DC tot 0,97 x V_IN met externe weerstanden. Een externe weerstand kan ook worden gebruikt om de werkfrequentie in te stellen tussen 100 en 650 kHz.

Het BD9F500QUZ-EVK-001-evalbord produceert een uitgang van 1 V_DC uit een 12 V_DC ingang. Het ingangsspanningsbereik van de BD9F500QUZ is 4,5 tot 36 V_DC, en de uitgangsspanning kan worden geconfigureerd van 0,6 tot 14 V_DC met externe weerstanden. Dit voedings-IC heeft drie selecteerbare schakelfrequenties: 600 kHz, 1 MHz en 2,2 MHz.

Overwegingen bij de lay-out van de printplaat

Bij gebruik van de BD9G500EFJ-LA en BD9F500QUZ gelden de volgende algemene overwegingen voor de layout van de printplaat:

1. De vrijloopdiode en de ingangscondensator moeten zich op dezelfde printplaat bevinden als het IC-aansluitpunt en zo dicht mogelijk bij het IC.
2. Waar mogelijk moeten thermische vlakken worden aangebracht om de warmteafvoer te verbeteren.
3. Plaats de spoel en de uitgangscondensator zo dicht mogelijk bij het IC.
4. Houd de retourstroomdraden uit de buurt van ruisbronnen, zoals de spoel en de diode.

Meer specifieke layout details kunnen gevonden worden in de datasheets voor de respectievelijke apparaten en in ROHM's toepassingsnotitie over "PCB-lay-outtechnieken van buckconvertor".

Conclusie

Zoals aangetoond, kunnen asynchrone en synchrone buckconvertors worden gebruikt om hogere omzettingsefficiënties te leveren in vergelijking met lineaire regelaars in een verscheidenheid van FA-, IoT- en 5G-toepassingen. Hoewel het mogelijk is om aangepaste buckconvertors te ontwerpen voor een bepaald ontwerp, is dit een complexe en tijdrovende taak.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers kiezen voor voedings-IC's waarin de vermogens-MOSFET samen met de besturings- en aandrijvingsschakelingen zijn geïntegreerd om compacte en kosteneffectieve oplossingen te produceren. Ook is een verscheidenheid van hulpmiddelen beschikbaar voor ontwerpers om de doorlooptijd te verkorten, met inbegrip van toepassingsnotities over condensatorselectie en printplaatlay-out, gedetailleerde toepassingsvoorbeeldcircuits en evalborden.

Aanbevolen lectuur

1. Grondbeginselen: Begrijp de eigenschappen van condensatortypes om ze op een juiste en veilige manier te gebruiken
2. Hoe de juiste voedingsapparaten correct toepassen om te voldoen aan de vereisten voor industriële stroomvoorziening