Синхронний комбінований перетворювач

1. Робота синхронного комбінованого перетворювача
2. Схема комбінованого перетворювача в режимі обмеження струму
3. висновок
4. література
5. Про компанію Texas Instruments

Комбінований DC / DC-перетворювач дозволяє отримати стабілізовану напругу, коли вхідний рівень може бути як нижче, так і вище вихідного. У статті описаний процес проектування такого перетворювача на чотирьох MOSFET-транзисторах і контролері LM5175 виробництва компанії Texas Instruments.

Наявне на сьогоднішній день різноманітність DC / DC-перетворювачів свідчить про важливість перетворення широкодіапазонного вхідної напруги в стабілізувати вихідну напругу [1]. Це завдання особливо актуальне в тому випадку, якщо вхідна напруга змінюється безперервно і може бути як вище, так і нижче вихідного. Спосіб конвертації в цьому випадку називають комбінованим перетворенням. Воно використовується при зарядці акумуляторів, в світлодіодному освітленні, в автомобільній електроніці [2].

Розглянемо аспекти створення і вибору схем комбінованих перетворювачів, зокрема - вибір компонентів, обчислення втрати потужності. На завершення коротко розповімо про програмному пакеті [3], який дозволяє спростити і прискорити процес проектування схеми перетворювача.

Робота синхронного комбінованого перетворювача

Комбінований перетворювач дозволяє забезпечити стабілізацію вихідної напруги при зміні вхідної напруги в великих межах. На малюнку 1 зображено синхронний (неинвертирующий) комбінований перетворювач на чотирьох транзисторах.

Мал. 1. Вихідний каскад синхронного комбінованого перетворювача на чотирьох транзисторах

Основна перевага комбінованого перетворювача - можливість досягнення максимального ККД в режимах понижуючого або підвищує перетворення незалежно від рівня вхідної напруги і навантаження. Даний перетворювач забезпечує позитивне вихідна напруга. На відміну від схожого, перемикається (инвертирующего) знижуюче-підвищувального перетворювача, він має менші втрати потужності і велику щільність потужності, розподілену в обсязі, в порівнянні з SEPIC (перетворювач з несиметрично навантаженої індуктивністю), обратноходового і каскадної топологиями.

Чотири потужних MOSFET-транзистора, показані на малюнку 1, розташовані у вигляді понижуючих і підвищують плечей повного моста. Переключають вузли транзисторів SW1 і SW2 з'єднані через дросель Lf. Синхронний процес понижуючого або підвищує перетворення відбувається тільки тоді, коли вхідна напруга знаходиться або вище, або нижче вихідної напруги. Верхній MOSFET-транзистор протилежної невключенного плеча служить в якості прохідного транзистора. Важливо відзначити, що коли вхідна напруга наближається до вихідного - включене у плані зниження чи підвищує плече досягає передбачуваного обмеження робочого циклу, викликаючи перехід в комбінований режим роботи. Режим роботи повинен змінюватися плавно і автономно, без різкої зміни конфігурації управління.

Контролер LM5175 [4], використовує унікальний алгоритм перемикання в комбінованому режимі, за допомогою чого понижувальний або підвищує плечі переключаються на зниженій частоті квазічередующімся чином, що дає істотні переваги в ефективності і зменшення втрат. Метод управління перетворювачем в режимі струмового обмеження у всьому діапазоні вихідних напруг, особливо в точці переходу з режиму підвищення в режим зниження (і навпаки), забезпечує плавний перехід. Потрібно тільки, щоб був встановлений датчик струму, який дозволив би контролювати струм, що протікає через дросель і транзистори. Швидкість наростання струму в дроселі залежить від різниці VIN і VOUT. Швидка зміна різниці VIN і VOUT призводить до апериодической перехідній характеристиці, що тягне за собою утворення перешкод з харчування (PSR). Джерелом перешкод є вихідний каскад перетворювача, в якому швидкі перемикання транзисторів викликають перехідні процеси.

Схема комбінованого перетворювача в режимі обмеження струму

На малюнку 2 показана схема синхронного комбінованого перетворювача з чотирма ключами. Схема складається з силового каскаду (чотири силових транзистора), ШІM-контролера, датчика струму. ШІM-контролер може працювати в режимі частотної модуляції, що дозволяє розширити спектр SSFM і знизити рівень електромагнітних завад (EMI) [5]. В кристал котроллер впроваджена захист від зниженого / підвищеної напруги харчування (UVLO). У ланцюг зворотного зв'язку включені компенсаційні ланцюжка.

Мал. 2. Схема комбінованого перетворювача з чотирма ключами і контролером в струмовому режимі

Даний посібник призначено для прискорення процесу розробки [3] і служить для аналізу і проектування комбінованого перетворювача з чотирма ключами. Рекомендується послідовно переходити від специфікації перетворювача до вибору компонентів, потім - до огляду характеристик (ефективності, що розсіюється на потужності, і графіку Боде), після чого в разі необхідності виконувати повторне проектування. Взявши ШІМ-контролер LM5175 в якості основи, розглянемо поетапне проектування перетворювача, що працює на частоті 400 кГц, який забезпечує вихідну напругу 12 В / 6 А при вхідній напрузі 6 ... 42 В.

Етап 1: Основні параметри

На малюнку 3 показаний перший етап. На даному етапі розробник повинен ввести основні параметри перетворювача - діапазон вхідної напруги, рівень вихідної напруги, струм навантаження і частоту перемикання.

Мал. 3. Введення даних для автоматичного генерування схеми: етапи 1 ... 3 - робочі специфікації, дросель і токочувствітельние резистори

Етап 2: Дросель фільтра

На цьому етапі проводиться розрахунок індуктивності дроселя Lа. Рівень індуктивності залежить від діапазону вхідної напруги і належного рівня струму пульсації (пила). Формула (1) визначає рівень необхідної індуктивності в точках пульсації струму 30% і 80%.

(1)

Роботу дроселя характеризують три основних параметри: опір на постійному струмі (DCR), струм насичення (ISAT) і втрати в осерді. Зазвичай дросель виготовляється на осерді з cпрессованного залізного порошку. Такий сердечник може працювати на частотах до 400 кГц. Їх перевага полягає в поступовому зниженні індуктивності в міру збільшення струму. Дроселі з феритовим сердечником мають більш низькі втрати, але їх не рекомендується застосовувати, так як на максимальному струмі на початку насичення можливе різке падіння індуктивності.

Етап 3: Датчик струму

Датчик струму може бути побудований на основі трансформатора струму, датчика Холла або звичайного резистивного шунта. В даному випадку описується датчик струму на основі резистивного шунта. Рівень опору датчика розраховується за параметрами порогового значення напруги контролера і максимального струму (пила) протікає через дросель. Формула (2), представлена ​​для LM5175, визначає поріг 80 мВ в точці мінімуму в підвищує режимі і 160 мВ в точці максимуму в підвищує режимі. Потужність шунта досягає максимуму при найнижчому значенні вхідної напруги, коли коефіцієнт підвищення досягає максимального значення. Використання резисторів типорозмірів 1225 і 2512 дозволяє отримати шунт мінімальних габаритів.

(2)

Формула (3) дозволяє розрахувати ємність конденсатора Cslope. Вона визначає компенсацію нахилу струму пилки. У режимі BUCK до швидкості наростання струму дроселя додається компенсаційна складова, додаючи інформацію про збільшення швидкості наростання. У режимі BOOST компенсаційна складова змінює інформацію про швидкість наростання струму в бік зниження.

(3)

Етапи 4 і 5: Розрахунок фільтра. Вхідний і вихідний конденсатори

На малюнку 4 представлені графіки фазо-частотних характеристик перетворювача. Дані графіки побудовані виходячи з значень фільтруючих конденсаторів, причому у всіх режимах роботи DC / DC-перетворювача.

Мал. 4. Введення даних для етапів 4 ... 7: вибір ємності фільтра, схема компенсатора і аналіз графіка Боде

Використання керамічних конденсаторів з типом діелектриків X5R або X7R дозволяє створювати пристрої з високою щільністю монтажу. В окремих випадках при необхідної великої місткості можливе використання двох типів компонентів - паралельне з'єднання електричних і керамічних конденсаторів. А в пристроях з високою щільністю монтажу використання керамічних конденсаторів з діелектриками X5R і X7R дозволяє зменшити ємність електричного конденсатора і, отже, його розміри будуть менше. Формула (4) показує приблизну оцінку ємностей з урахуванням напруги пікових пульсацій, але без урахування послідовного опору (ESR) компонента.

(4)

Знаючи рівень ємності і ESR, шляхом зворотних обчислень отримаємо відповідні напруги пікових пульсацій:

(5)

У режимі BUCK середньоквадратичний струм через конденсатор (і напруга пульсації) досягає максимального значення при 50% -му робочому циклі. У режимі BOOST найбільше значення вихідного середньоквадратичного струму, що протікає через конденсатор, спостерігається при максимальному робочому циклі. Формули для визначення середньоквадратичних струмів мають такий вигляд:

(6)

Етап 6: розрахунок Soft start, частоти генератора, рівня блокування харчування UVLO

Ємність паливного запуску (Soft start) визначається за такою формулою:

(7)

Розрахунок задає ємності для частоти генерації обчислюється за допомогою формули (8), де Gd - коефіцієнт провідності, пов'язаний з контролером:

(8)

Розрахунок резистивного подільника, що визначає рівень захисту від зниженої напруги живлення, обчислюється за формулою (9), де VUV (ON) - рівень напруги вбудованого компаратора UVLO (1,23 В - On, 0,79 В - Off):

(9)

Етап 7: Розрахунок компенсаційної ланцюга зворотного зв'язку

Стійкість роботи перетворювача визначається фазо-частотної характеристикою (BODE).

Частота, відповідна нулю функції компенсації, визначається розрахунком RC і CC1, забезпечуючи підвищення запасу по фазі. Полюс, обумовлений CC2, розташований близько нуля функції вихідного конденсатора (ESR) або половинної частоти перемикання, якщо вона нижче нуля. Цей полюс забезпечує ослаблення шуму і зменшення рівня вихідних пульсацій. Значення елементів компенсації розраховуються за формулою (10):

(10)

Для підвищення смуги пропускання слід збільшити опір резистора RC. При цьому потрібно скорегувати значення CC1, так як даний конденсатор впливає на рівень запасу по фазі. Без компенсації перетворювач має нуль функції на частоті, рівній fRHPZ (0 Дб). Зазвичай запасу по фазі на даній частоті не вистачає, що може привести до нестабільної роботи перетворювача. Ситуація ускладнюється ще більше, так як дана частота входить в область роботи перетворювача в режимі BOOST. Для поліпшення роботи перетворювача в даному режимі вноситься додаткова частотна компенсація. Для розрахунку компенсуючих ланцюжків вводиться частота fcross. Значення fcross вибирається приблизно на 50% нижче fRHPZ. Дана корекція дозволить отримати додатковий запас по фазі. Описане співвідношення виражається формулою (11):

(11)

У режимі струмообмеження (BOOST) частота перемикання транзисторів теж може знизитися до частоти fcross, але зменшення Ку і поліпшення ФЧХ (нижче fcross) підсилювача помилки за рахунок компенсації дозволяє знизити ймовірність порушення перетворювача.

Етап 8: Оцінка ККД

Етап 8, показаний на малюнку 5, являє собою розрахунок ККД і потужності, що розсіюється на елементах схеми. Особливу увагу приділимо характеристикам MOSFET-транзисторів: внутрішньому опору каналу RDS (ON), заряду затвора, крутості характеристики, пороговому напрузі «затвор-стік». Також розглянемо параметри вбудованого діода: пряме падіння напруги на діоді, час розсмоктування зарядів.

Мал. 5. Етап 8: специфікації MOSFET, графік ефективності та аналіз втрат потужності

У режимі BOOST рівень струму в дроселі вище, ніж в режимі BUCK. Відповідно, MOSFET-транзистори в підвищує плечі повинні мати меншу RDS (ON), ніж транзистори в зменшуючому плечі.

За допомогою формул (12) і (13) обчислюються статичні і динамічні втрати і втрати на заряд затвора:

(12)

(13)

Додаткові втрати вносить сердечник в дроселі, опір обмотки дроселя на постійному струмі, «мертвий час» (час, коли всі транзистори знаходяться в стані "OFF"), вимірювальний шунт. Якщо враховувати втрати в цілому, то ККД комбінованого перетворювача з чотирма транзисторами і стабілізованою вихідною напругою 12 В досягає 96%.

висновок

Комбіновані перетворювачі для промислових і автомобільних додатків відповідають особливим вимогам по потужності. Крім цього, до переваг синхронного комбінованого перетворювача з чотирма ключами можна віднести простоту експлуатації, високу продуктивність, компактний розмір і низьку вартість комплектуючих. Програмний калькулятор початкового проектування є зручним інструментом для прискореного проектування і розрахунку схеми перетворювача.

література

1. Wide VIN power converter solutions;
2. Automotive cold-crank waveforms, ISO 7637-2: 2011 року;
3. LM5175 quick-start design tool;
4. LM5175 buck-boost controller;
5. LM5175EVM-HD 400 kHz high density buck-boost converter reference design.

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

Про компанію Texas Instruments

В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як і компанії Unitrode, Power Trend і Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ отримала доступ до постачання всієї номенклатури вироблених компанією TI компонентів, технологій та налагоджувальних засобів, а також ... читати далі