Waarom en hoe synchrone buck DC/DC-convertors gebruiken om de downconversie-efficiëntie te maximaliseren

De behoefte om hoge busspanningen te verlagen tot lagere spanningen om IC's en andere belastingen van stroom te voorzien, neemt toe in een verscheidenheid van systemen, waaronder de automobielsector, industriële automatisering, telecommunicatie, informatica, huishoudelijke apparaten en consumentenelektronica. De uitdaging voor de ontwerpers bestaat erin deze downconversie uit te voeren met een maximaal rendement, een minimale thermische belasting, een lage kostprijs en een zo klein mogelijke omvang van de oplossing.

Conventionele asynchrone buck-convertors bieden een potentieel goedkope oplossing, maar hebben ook lagere omzettingsefficiënties die niet voldoen aan de behoeften van veel elektronische systemen. Ontwerpers kunnen zich wenden tot synchrone DC/DC-convertors en synchrone DC/DC-regelaars om compacte oplossingen met een hoog rendement te ontwikkelen.

Dit artikel beschrijft in het kort de prestatie-eisen van elektronische systemen voor hoogrendement DC/DC-conversie en bespreekt het verschil tussen asynchrone en synchrone DC/DC-convertors. Vervolgens worden diverse ontwerpopties voor synchrone DC/DC-convertors van Diodes, Inc., STMicroelectronics en ON Semiconductor voorgesteld, samen met evaluatieborden en ontwerprichtlijnen die een vliegende start kunnen betekenen voor de ontwikkeling van oplossingen met hoog rendement.

Waarom synchrone DC/DC-convertors nodig zijn

De toenemende eisen voor een hoger rendement in alle soorten elektronische systemen, in combinatie met een toenemende complexiteit van de systemen, leidt tot een overeenkomstige evolutie van de architecturen van elektriciteitssystemen en topologieën voor vermogensomzetting. Met een groeiend aantal onafhankelijke spanningsdomeinen ter ondersteuning van toenemende functionaliteit, worden gedistribueerde vermogensarchitecturen (DPA's) in steeds meer elektronische systemen gebruikt.

In plaats van verschillende geïsoleerde voedingen om de verschillende belastingen aan te drijven, heeft een DPA één geïsoleerde AC/DC-voeding die een relatief hoge distributiespanning produceert, en meerdere, kleinere "buck-convertors" die de distributiespanning omlaag converteren naar een lagere spanning zoals vereist door elke afzonderlijke belasting (Afbeelding 1). Het gebruik van meervoudige buck-convertors biedt de voordelen van kleinere afmetingen, hoger rendement en betere prestaties.

Afbeelding 1: Gedistribueerde vermogensarchitectuur met de belangrijkste geïsoleerde AC/DC-voeding (front-end) en de meervoudige niet-geïsoleerde DC/DC-convertors die laagspanningsbelastingen voeden. (Bron afbeelding: DigiKey)

De keuze tussen asynchrone en synchrone buck-convertors is gebaseerd op de afweging tussen kosten en rendement. Indien de kosten van een oplossing zo laag mogelijk moeten worden gehouden en een lager rendement en een hogere thermische belasting aanvaardbaar zijn, kan de voorkeur worden gegeven aan een asynchrone buck-oplossing. Anderzijds, als efficiëntie de prioriteit is en een koeler werkende oplossing de voorkeur heeft, is een duurdere synchrone buck-convertor over het algemeen de betere keuze.

Synchrone vs. asynchrone buck-convertors

Een typische toepassing van een asynchrone buck-convertor wordt getoond in Afbeelding 2. De LM2595 van ON Semiconductor is een monolithische geïntegreerde schakeling die de hoofdvermogensschakelaar en het besturingscircuit omvat. Hij wordt intern gecompenseerd om het aantal externe componenten tot een minimum te beperken en het ontwerp van de voeding te vereenvoudigen. Deze levert een typische omzettingsefficiëntie van 81% en dissipeert 19% van het vermogen als warmte, terwijl een synchrone buck-oplossing een typische omzettingsefficiëntie van ongeveer 90% zal hebben, waarbij slechts 10% van het vermogen als warmte wordt afgevoerd. Dat betekent dat de thermische verliezen in een asynchrone buck-convertor bijna twee keer zo groot zijn als de thermische verliezen in een synchrone buck-convertor. Het gebruik van een synchrone buck-convertor maakt het thermisch beheer dan ook een stuk eenvoudiger doordat de hoeveelheid opgewekte warmte wordt verminderd.

Afbeelding 2: Typische toepassing van een asynchrone buck-convertor met de uitgangsgelijkrichter (D1), het uitgangsfilter (L1 en Cout), en het terugkoppelingsnetwerk (Cff, R1 en R2). (Afbeelding: ON Semiconductor)

In een synchrone buck-convertor, zoals de ST1PS01 van STMicroelectronics, wordt de uitgangsgelijkrichter vervangen door synchrone MOSFET-gelijkrichting (Afbeelding 3). De lagere "aan"-weerstand van de synchrone MOSFET in vergelijking met de uitgangsgelijkrichter in een asynchrone buck-convertor vermindert de verliezen en leidt tot een aanzienlijk hoger omzettingsrendement. De synchrone MOSFET is in het IC ingebouwd, zodat er geen externe gelijkrichterdiode nodig is.

Afbeelding 3: Synchrone buck-toepassingsschakeling die de eliminatie van de externe uitgangsgelijkrichterdiode toont. Uitgangsfiltering en terugkoppelingscomponenten zijn nog steeds vereist. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Er is een prijs verbonden aan het hogere rendement en de lagere thermische belasting die mogelijk worden gemaakt door een synchrone buck-convertor. Met een enkele vermogensschakelende MOSFET en een diode voor de gelijkrichting zijn asynchrone buck-convertorregelaars veel eenvoudiger (en kleiner), aangezien zij geen rekening hoeven te houden met de mogelijkheid van kruisgeleiding of "doorschieten", en er geen synchrone FET is die moet worden geregeld. Een synchrone buck-topologie vereist een gecompliceerdere driver en anti-kruisgeleidingsschakeling om beide schakelaars te bedienen (Afbeelding 4). Ervoor zorgen dat beide MOSFET's niet tegelijk inschakelen en een directe kortsluiting veroorzaken, vergt meer complexiteit en resulteert in grotere en duurdere IC's.

Afbeelding 4: Blokschema van de synchrone buck-converter-IC met de twee geïntegreerde MOSFET's (naast de pen met de aanduiding "SW") en de toegevoegde driver/anti-kruisgeleidingsschakeling. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Hoewel pulsbreedtemodulatie-gestuurde synchrone buck-convertors efficiënter zijn onder matige of volledige belasting, leveren asynchrone buck-converters vaak een hogere conversie-efficiëntie onder lichte belasting. Dat is echter steeds minder het geval nu de nieuwste implementaties van synchrone buck-convertors meerdere bedrijfsmodi omvatten die ontwerpers in staat stellen het rendement bij lage belasting te optimaliseren.

Synchrone buck voor 5 volt en 12 volt stroomverdeling

Voor ontwerpers die gebruik maken van 5 en 12 volt stroomverdeling in consumentenproducten en huishoudelijke apparaten, biedt Diodes, Inc. de AP62600, een 6 ampère (A) synchrone buck-convertor met een breed ingangsbereik van 4,5 tot 18 volt. Het apparaat integreert een 36 milliohm (mΩ) hoog-zijdige vermogen-MOSFET en een 14 mΩ laag-zijdige vermogen-MOSFET voor een zeer efficiënte step-down DC/DC-omzetting.

De AP62600 heeft een minimum aan externe componenten nodig als gevolg van zijn constante aan-tijd (COT) regeling. Hij biedt ook een snelle transiëntrespons, eenvoudige lusstabilisatie en een lage uitgangsrimpel. Het ontwerp van de AP62600 is geoptimaliseerd om elektromagnetische interferentie (EMI) te verminderen. Het apparaat heeft een eigen gatedriverprogramma om het overgaan van schakelknooppunten te weerstaan zonder de in- en uitschakeltijden van de MOSFET op te offeren, waardoor de hoogfrequent uitgestraalde EMI-ruis die wordt veroorzaakt door het schakelen van de MOSFET, wordt verminderd. Het apparaat is beschikbaar in een V-QFN2030-12 (Type A) pakket.

Er is een 'power-good'-indicator die gebruikers waarschuwt voor eventuele foutcondities. Een programmeerbare zachte opstartmodus regelt de inschakelstroom bij het opstarten, zodat ontwerpers vermogenssequenties kunnen implementeren bij gebruik van meerdere AP62600's voor de voeding van grote geïntegreerde apparaten, zoals door de gebruiker te programmeren gate arrays (FPGA's), toepassingsspecifieke IC's (ASIC's), digitale signaalprocessors (DSP's) en microprocessorunits (MPU's).

De AP62600 biedt ontwerpers de keuze uit drie bedrijfsmodi om te voldoen aan de specifieke behoeften van individuele toepassingen (Afbeelding 5). Met gepulseerde frequentiemodulatie (PFM) kan voor alle belastingen een hoog rendement worden bereikt. Andere beschikbare modi zijn pulsbreedtemodulatie (PWM) om de beste rimpelprestaties te verkrijgen, en een ultrasone modus (USM) die hoorbare ruis voorkomt bij lichte belasting.

Afbeelding 5: De AP62600 biedt ontwerpers de keuze uit drie bedrijfsmodi om aan de behoeften van individuele toepassingen te voldoen: PFM, USM, en PWM. (Afbeelding bron: Diodes, Inc.)

Om ontwerpers te helpen de AP62600 in gebruik te nemen, biedt Diodes, Inc. het AP62600SJ-EVM-evaluatiebord aan (Afbeelding 6). De AP62600SJ-EVM heeft een eenvoudige layout en geeft toegang tot de juiste signalen via testpunten.

Afbeelding 6: Het AP62600SJ-EVM-evaluatiebord biedt een eenvoudige en gemakkelijke evaluatieomgeving voor de AP62600. (Bron afbeelding: DigiKey)

Synchrone buck voor 24 volt bussen

De L6983CQTR van STMicroelectronics heeft een ingangsbereik van 3,5 tot 38 volt en levert een uitgangsstroom van maximaal 3 A. Ontwerpers kunnen de L6983 gebruiken in een breed scala van toepassingen, waaronder 24 volt industriële voedingssystemen, 24 volt batterijgevoede apparatuur, gedecentraliseerde intelligente knooppunten, sensors, en altijd-aan- en ruisarme toepassingen.

De L6983 is gebaseerd op een piekstroom-mode architectuur met interne compensatie en is verpakt in een 3 mm x 3 mm QFN16, waardoor de complexiteit van het ontwerp en de afmetingen tot een minimum worden beperkt. De L6983 is beschikbaar in zowel een laagverbruikmodus (LCM) als een lage-ruismodus (LNM) versie. LCM maximaliseert het rendement bij lichte belasting met gecontroleerde uitgangsspanningsrimpel, waardoor het toestel geschikt is voor batterijgevoede toepassingen. LNM maakt de schakelfrequentie constant en minimaliseert de uitgangsspanningsrimpel bij lichte belasting, waardoor wordt voldaan aan de specificatie voor ruisgevoelige toepassingen. Met de L6983 kan de schakelfrequentie worden gekozen in het bereik van 200 kilohertz (kHz) tot 2,3 megahertz (MHz) met optioneel gespreid spectrum voor verbeterde EMC.

STMicroelectronics biedt het STEVAL-ISA209V1-evaluatiebord aan om ontwerpers in staat te stellen de mogelijkheden van de L6983 synchrone monolithische step-down regulator te verkennen en hun ontwerpen een vliegende start te geven.

Synchrone buck-controller voor computer- en telecommunicatieontwerpen

De NCP1034DR2G van ON Semiconductor is een hoogspannings-PWM-controller die is ontworpen voor krachtige synchrone buck-DC/DC-toepassingen met ingangsspanningen tot 100 volt. Dit apparaat is ontworpen voor gebruik in 48 volt niet-geïsoleerde stroomomzetting in ingebedde telecommunicatie-, netwerk- en computertoepassingen. De NCP1034 stuurt een paar externe N-kanaals MOSFET's aan, zoals getoond in Afbeelding 7.

Afbeelding 7: Typisch toepassingscircuit voor de NCP1036 synchrone buck-controller-IC met de hoog- en laag-zijdige MOSFETS (Q1 en Q2, respectievelijk). (Afbeelding: ON Semiconductor)

De NCP1036 heeft een programmeerbare schakelfrequentie van 25 kHz tot 500 kHz en een synchronisatiepen waarmee de schakelfrequentie extern kan worden geregeld. Door beide frequentieregelaars aan te bieden, kunnen ontwerpers de optimale waarde voor elke specifieke toepassing selecteren en de werking van meerdere NCP1034-regelaars synchroniseren. Het apparaat bevat ook een door de gebruiker programmeerbare onderspanningsvergrendeling en hikstroombegrenzing. Voor laagspanningsontwerpen kan een intern getrimde referentiespanning van 1,25 volt worden gebruikt voor een nauwkeurigere regeling van de uitgangsspanning.

Vier onderspanningsvergrendelingscircuits zijn opgenomen om zowel het toestel als het systeem te beschermen. Drie zijn gewijd aan specifieke functies; twee beschermen de externe high-side en low-side drivers, en één beschermt het IC tegen voortijdig starten voordat VCC onder een ingestelde drempelwaarde is. Het vierde onderspanningsvergrendelingscircuit kan door de ontwerper worden geprogrammeerd met behulp van een externe weerstandsdeler: zolang VCC onder de door de gebruiker ingestelde drempelwaarde ligt, blijft de controller uitgeschakeld.

Om ontwerpers op weg te helpen met de NCP1034, biedt ON Semiconductor het NCP1034BCK5VGEVB-evaluatiebord (Afbeelding 8). Dit evalbord werd ontworpen met verschillende opties om een verscheidenheid van systeembehoeften te ondersteunen. Het IC wordt gevoed door een lineaire regelaar, en de ontwerper kan kiezen of hij dit doet met behulp van een Zenerdiode of een hoogspanningstransistor door de juiste weerstand te kiezen. Ontwerpers kunnen ook kiezen tussen compensatie van het tweede type (spanningsmode) of het derde type (stroommode), selecteerbare keramische of elektrolytische uitgangscondensators, en verschillende ingangscapaciteitswaarden. Er zijn twee header-pennen: één voor een gemakkelijke aansluiting op een externe synchronisatiepulsbron, zodat de printplaat rechtstreeks kan worden verbonden met het andere NCP1034-demobord; de andere voor een verbinding met de SS/SD-pen die kan worden gebruikt om de controller uit te schakelen door hem met de massa te verbinden.

Afbeelding 8: Het NCP1034BCK5VGEVB-evalbord bevat meerdere opties om ontwerpers te helpen snel met nieuwe ontwerpen te beginnen. (Bron afbeelding: DigiKey)

Conclusie

De noodzaak om hoge busspanningen te verlagen tot lagere spanningen om IC's en andere belastingen van stroom te voorzien, wordt steeds groter in een verscheidenheid van systemen, waaronder de automobielsector, industriële automatisering, telecommunicatie, informatica, witgoed en consumentenelektronica.

Zoals aangetoond, kunnen ontwerpers gebruik maken van synchrone buck vermogensconvertor om deze down-conversie te implementeren met een maximale efficiëntie, minimale thermische belasting, tegen lage kosten en met de kleinst mogelijke oplossingsgrootte.

Aanbevolen lectuur

1. Niet-synchrone buck-convertors bieden hogere efficiëntie bij lichtere belastingen
2. Het genereren van meerdere uitgangen uit een enkele synchrone buck-convertor is eenvoudig