Přechodové napětí pro zvýšení účinnost převodu energie

autor článku: Frederik Dostal, Analog Devices

Otázka: Jak zvýšíme účinnost DC/DC měniče s vysokým vstupním a nízkým výstupním napětím?

FAQ 149 1

 

 

Odpověď:

Pro aplikace vyžadující převod z vysoké napěťové úrovně na úroveň velmi nízkou existují různá řešení. Jedním zajímavým příkladem je převod 48 V na 3,3 V. Takový požadavek se nevyskytuje často pouze v informačních technologiích, ale také v telekomunikačních zařízeních.

 FAQ 149 2

Obr. 1 Převod napětí z 48 V na 3,3 V v jediném kroku

Pokud použijeme snižující měnič s převodem v jediném kroku tak, jak je ukázáno na obr. 1, objeví se problém nízkých hodnot střídy. Střída se rovná poměru mezi délkou času, po který je hlavní spínač měniče sepnut a délkou periody vzniklého pulzujícího napětí. U snižujícího měniče platí pro střídu vzorec:

střída = výstupní napětí / vstupní napětí

Při Uvst = 48 V a Uvýst = 3,3 V dostáváme střídu přibližně 7 %.

To znamená, že při spínacím kmitočtu 1 MHz (délka periody 1000 ns) je spínač Q1 v sepnutém stavu pouze 70 ns. Potom je Q1 rozepnut na dobu 930 ns a Q2 je sepnut. Pro takový obvod je třeba vybrat spínací regulátor tak, aby umožňoval činnost s nejnižším časem v sepnutém stavu 70 ns nebo méně. Když se podaří nalézt součástku, která tento požadavek splňuje, vyvstane jiný problém. U výkonových měničů se snižující topologií obvykle dojde ke snížení účinnosti převodu, pokud pracují s velmi nízkou střídou. Důvodem je to, že doba na uložení energie do indukčnosti je velice krátká, přičemž indukčnost musí dodávat energii po velmi dlouhou dobu, po kterou je hlavní spínač rozepnut. To vede typicky k vysokým hodnotám špičkového proudu v obvodu. Snížení špičkového proudu je možné použitím relativně vysoké indukčnosti L1 vzhledem k tomu, že v sepnutém stavu spínače Q1 je na L1 vysoké rozdílové napětí.

V našem příkladu vidíme, že na indukčnosti je v době sepnutého spínače Q1 napětí asi 44,7 V, 48 V je na vstupním uzlu spínače a 3,3 V na výstupu. Pro proud indukčností platí následující vztah:
iL = 1/L∫uL dt

Pokud je na indukčnosti velké napětí, hodnota proudu vzrůstá po danou dobu při dané indukčnosti. Ke snížení špičkové hodnoty proudu je třeba zvolit vyšší hodnotu indukčnosti, ale větší indukčnost dále přispívá ke zvýšeným ztrátám v obvodu. Při existujících napěťových poměrech dosahuje energeticky účinný µModule® LTM8027 Analog Devices při výstupním proudu 4 A účinnosti pouze asi 80 %.

FAQ 149 3

Obr. 2 Převod napětí ze 48 V na 3,3 V ve dvou krocích, s přechodovou hladinou 12 V

Ke zvýšení účinnosti se v dnešní době často využívá řešení cestou vytvoření přechodové napěťové hladiny. Kaskádové uspořádání dvou snižujících měničů je vidět na obr. 2. V prvním kroku je napětí 48 V převedeno na 12 V. Toto napětí je následně převedeno na 3,3 V v kroku druhém. µModule LTM8027 má při převodu ze 48 V na 12 V účinnost více než 92 %. Druhý stupeň pro převod z 12 V na 3,3 V, osazený měničem LTM4624, dosahuje účinnosti 90 %. Ve výsledku přináší toto uspořádání celkovou účinnost 83 %, tedy o 3 % vyšší ve srovnání s řešením převodu v jediném kroku na obr. 1.

To je docela překvapující zjištění vzhledem k tomu, že veškerý výkon na výstupu 3,3 V musí projít obvody dvou samostatných měničů. Účinnost obvodu na obr. 1 je nižší v důsledku velmi nízké střídy a následkem toho vysokých hodnot špičkového proudu. Zvýšení účinnosti o 3 % se na první pohled může jevit jako nevýznamné, představuje však snížení množství ztrátového tepla o 15 % - tepla, které je nutné odvést ze systému.

Při srovnání architektury sestupného převodu v jednom kroku s architekturou s přechodovou napájecí sběrnicí existuje vedle energetické účinnosti více hledisek, která jsou třeba vzít v úvahu. Záměrem tohoto článku je nicméně pouze poskytnout pohled na důležité stránky účinnosti převodu. Jiné řešení tohoto elementárního zadání přináší nový hybridní sestupný kontrolér LTC7821 cestou kombinace funkce nábojové pumpy s funkcí sestupného převodu s indukčností. Při tomto řešení je střída rovna 2 x Uvýst/Uvst , a díky tomu může být dosaženo velkého snižujícího poměru při velmi vysokých hodnotách účinnosti.

Vytvoření přechodové napěťové úrovně může být docela praktickým způsobem jak zvýšit celkovou účinnost převodu určitého napájecího systému. Mnoho vývojového úsilí je také věnováno zvýšení účinnosti převodu jednostupňového řešení dle obr. 1 s takto nízkou střídou. Lze například použít velmi rychlé spínací prvky na bázi GaN, které snižují spínací ztráty a v důsledku zvyšují účinnost převodu. V současnosti jsou ale taková řešení dražší než kaskádové uspořádání na obr. 2.