Vítejte, dnes je
sobota 23.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Moderní systémové desky obsahují stále větší množství napájecích zdrojů a vyžadují více úrovní napětí. Přesto jsou stále rozhodujícím parametrem velikost řešení, účinnost či tepelný výkon, včetně efektivity odvodu parazitního tepla. Především v případě pokročilých řešení napájení, kde je účinnost a výrobní efektivita řešena individuálně pro napájení konkrétní aplikace, nikoli pouze pro komerční napájecí zdroj. Efektivní návrh a správná optimalizace spínaných zdrojů jsou tak stále běžnějším a zároveň velice nezbytným úkolem dnešních systémových inženýrů. Bohužel se však často jedná o časově i technicky náročný úkol.
Pro zjednodušení procesu návrhu a zároveň zlepšení výsledné kvalitu designu a produktivity výroby byl vyvinut program LTpowerCAD™. Za jeho vývojem stojí řada odborníků a aplikačních inženýrů společnosti Linear Technology Corp. a cílem bylo vyvinout jednotný nástroj pro design a optimalizaci napájení. Program je pro PC k dispozici ke stažení zdarma [1]. Článek popisuje, jak se správnými výsledky udělat „na papíře“ návrh spínaného napájecího zdroje podle jeho klíčových parametrů a pouze v několika jednoduchých krocích.
Navrhnout a optimalizovat napájecí zdroj konvenčním přístupem, tzv. „paper design“, může být obtížné a časově náročné. Poté, co se podaří definovat základní specifikaci napájení celé aplikace, musí vývojář nejprve zvolit vhodnou topologii převodníku. Obvykle se rozhoduje mezi snižujícím (buck) převodníkem pro snížení velikosti výstupního napětí a mezi zvyšujícím (boost) převodníkem pro step up aplikace. Dále musí vybrat obvod pro power management, a to buď na základě předchozích zkušeností, nebo pomocí webových vyhledávacích nástrojů. V dalším kroku musí provést výpočet hodnot napájecích prvků, a to opět buď podle vlastních zkušeností, nebo podle vzorců uvedených v datovém listu. Následuje výběr výkonových prvků, jako jsou kondenzátory, indukčnosti a MOSFETy, obvykle dostupné v tisících nejrůznějších provedení. Dalším krokem pak bývá odhad účinnosti zdroje a ztrátového výkonu, při současném zajištění tepelného namáhání prvků, které vyhoví daným požadavkům. Avšak to ještě stále není konec příběhu – kompenzační smyčka designu je dalším náročným úkolem, protože vyžaduje komplikované modelování obvodu a vytvoření hodnot parametrů mimo typický rozsah obvodu. Nakonec je vytvořeno kompletní schéma zapojení a navržen prototyp DPS desky, která se odešle do výroby. Nyní přichází čas, kdy technik může napájecí desku poprvé zapnout a musí ověřit, zda výstup nekmitá, nebo že nedochází k přehřívání. Je jasné, že pro nezkušeného vývojáře je takový proces návrhu napájecího zdroje velmi náročným úkolem. Avšak takto konvenční přístup a návrh „na papíru“ je náročným úkolem i pro zkušené vývojáře s velkou pravděpodobností vzniku chyb, nepřesností, velké časové náročnosti a s minimální možností optimalizace výsledků. Navrhnout napájecí zdroj tak může trvat několik hodin, dní, nebo i déle.
Chceme li nejen ušetřit čas a úsilí, ale zároveň dosáhnout kvalitního návrhu daného řešení, můžeme použít návrhový nástroj LTpowerCAD, který byl vyvinut aplikačními specialisty napájecích zdrojů společnosti Linear Technology. Tento konstrukční nástroj poskytuje systematický a jednoduchý způsob, jakým lze vytvořit konstrukci napájecího zdroje podle jeho klíčových parametrů v pěti jednoduchých krocích:
Existuje řada příkladů stávajících konstrukcí, včetně ukázkových desek Linear Technology a schémat v datových listech a knihovně LTpowerCAD. I sami vývojáři mohou své návrhy ukládat pomocí tohoto nástroje a vytvořit si svou vlastní knihovnu řešení. Taková řešení mohou být kdykoliv využita jako rychlý výchozí bod pro budoucí návrhy napájení. Dále lze návrh LTpowerCAD exportovat jako obvod pro simulaci do LTspice® pro kontrolu časování, napájecích průběhů a přechodových stavů.
Použitím těchto výkonných nástrojů mohou vývojáři během několika minut navrhnout vysoce kvalitní obvody spínaných napájecích zdrojů, které by jim jinak trvaly řadu hodin, nebo i dnů. Navíc v řadě případů i s mnohem lepšími výsledky. Čas výroby prvního prototypu je díky tomu výrazně zkrácen.
Podívejme se nyní podrobněji na jednotlivé kroky v příkladu návrhu s LTpower- CAD. Dejme tomu, že vývojář dostane za úkol navrhnout napájecí zdroj se vstupem 10,8 až 13,2 V (12 ±10 %), a výstupem 1,0 V s proudem až 20 A. Jedná se o typický synchronní snižující konvertor typu step down.
Prvním krokem je nalezení klíčového napájecího obvodu nebo mikro modulu, kolem kterého lze celou aplikaci vytvořit. Volba IO nebo μModule® (mikro modulu) může vycházet z předchozích zkušeností nebo z vyhledávací stránky LTpowerCAD. Jak je vidět na obr. 2, na vyhledávací stránce LTpowerCAD může uživatel zadat základní specifikaci zdroje a určit volitelné funkce. Následně stačí kliknout na tlačítko „search“ a ze seznamu nabídnutých řešení jednoduše vybrat nejlepší řešení.
Na obr. 2, zcela v levé části seznamu IO získaných v rámci programu, jsou červené symboly „LT“ nebo zelené symboly „Excel“. Červené „LT“ symboly znamenají, že uvedený obvod je k dispozici v nástroji LTpowerCAD. Zelený symbol „Excel“ představuje dostupnost zjednodušeného návrhového nástroje na bázi Microsoft Excel. Pokud jsou oba symboly šedé, znamená to, že návrhové nástroje pro tento obvod zatím nejsou k dispozici.
V našem případě použijeme snižující regulátor LTC3833 v proudovém režimu s 12VIN a výstupem 1 V / 20 A. Jeho návrhový nástroj lze otevřít kliknutím na symbol červeného „LT“.
Druhým krokem je návrh a výběr součástek výkonového stupně, jako jsou výkonové indukčnosti, vstupní a výstupní kondenzátory, snímače proudu, a samozřejmě i výkonové tranzistory MOSFET. Při návrhu napájecího zdroje vývojář obvykle potřebuje začít s definicí spínací frekvence – fSW, podle ní pak vybere napájecí cívku, a následně i vstupní a výstupní kondenzátory. Výkonové MOSFETy mohou být vybrány / optimalizovány až ve třetím kroku.
Jakmile je návrhový nástroj otevřen, jak je vidět na obr. 3, zobrazí se v hlavním okně schéma s hodnotami parametrů konstrukce, spolu s hodnotami základních součástek. Návrhové hodnoty jsou zde uvedeny v buňkách (textová pole) se dvěma různými barvami pozadí. Žlutá barva reprezentuje hodnotu v buňce pocházející buď z konstrukčních specifikací, nebo byla vypočtena / doporučena nástrojem LTpowerCAD. Tyto hodnoty uživatel nemůže upravovat přímo. Oproti tomu modrá barva znamená, že hodnotu v buňce může uživatel libovolně upravovat. K těmto hodnotám má uživatel přímý přístup.
Jde o klíčové parametry obvodu, jako je například špičkový proud na indukčnosti. Pro každou část má však program integrované limity zadávaných parametrů. Jak je vidět na obr. 4, je li uživatelem zadaná hodnota mimo předpokládaný limit, poskytuje program automatické upozornění v podobě změny barvy pole. Oranžovou barvu má přitom „slabší“ varování, červená pak reprezentuje kritické varování, které by uživatele mělo donutit ke kontrole zadaných hodnot a úpravě designu. Hodnoty limitů a varování jsou přitom stanovovány specialisty daných aplikací pro související obvody. Je však třeba poznamenat, že se téměř vždy jedná o analogové řešení, což znamená, že v některých specifických případech, pokud je o správnosti parametrů vývojář přesvědčen a ví přesně, co dělá, je i provoz takového návrhu s varováním v praxi možný. Takové případy jsou však zcela na zvážení daného člověka.
Na schématu zdroje v LTpowerCAD mohou být všechny výkonové součástky, jako jsou především indukčnosti, kondenzátory a FETy, vybrány z integrované knihovny pomocí myši. V době psaní tohoto článku bylo v aplikaci dostupných více než pět tisíc součástek, a to od většiny běžných výrobců, přičemž další jsou stále přidávány. Vývojář však zadáním parametrů může vytvořit i nový knihovní prvek, který bude následně uložen v knihovně na lokálním počítači.
V našem případě je při 12 VIN a 1 V / / 20 A na výstupu snižujícího regulátoru nastavena spínací frekvence na 500 kHz. Z tohoto důvodu je hodnota indukčnosti 0,23 μH. Hodnota byla vypočtena tak, aby se na indukčnosti dosáhlo 40% špička špička zvlnění proudu vůči DC IO(max). Z knihovny byla proto vybrána indukčnost 0,22 μH / 1,1 mΩ. DC odpor vinutí indukčnosti (DCR) zde zároveň slouží pro snímání proudu. Hodnoty aktuálního proudu obvodem by měly být kontrolovány pro správné řízení výstupních signálů obvodu a nastavení proudových limitů. Program zobrazuje varování v případě, že snímací signál AC proudu je příliš malý, což by při provozu mohlo způsobit problém v poměru odstupu signálu od šumu, nebo v případě, že proudové omezení je nižší než cílová hodnota. Vstupní kondenzátory by měly být zvoleny tak, aby splňovaly jmenovitý proud RMS s minimální ztrátou vedení. Výstupní kondenzátory jsou naopak voleny s ohledem na minimalizaci zvlnění výstupního napětí a přechodných překmitů/podkmitů. Jejich výběr bude dokončen ještě později, při řešení kompenzační smyčky a změny výstupní zátěže. Výkonové MOSFETy vybereme v následujícím kroku při řešení účinnosti a odhadu ztrát a optimalizace.
Nyní vývojář může přejít k dalšímu kroku, kterým je optimalizace účinnosti konverze energie a energetických ztrát, kliknutím na záložku „Loss Estimation and Breakdown“. Jak je vidět na obr. 5, jakmile uživatel zvolí typ MOSFETů a klikne na tlačítko „Update“, dojde automaticky k aktualizaci provozních parametrů. Hodnoty účinnosti napájení a ztrátový výkon vs. hodnoty proudového zatížení jsou k dispozici pro danou úroveň vstupního napětí, které může být libovolně měněno pomocí posuvníku VIN. Podrobný rozpis v podobě koláčového grafu ztrátového výkonu poskytuje vývojáři možnost porozumět a přizpůsobit konstrukční parametry a jednotlivé prvky obvodu s cílem minimalizace určitých ztrát a optimalizace celkové účinnosti.
Odhad provozních ztrát je v aplikaci LTpowerCAD založen na celé řadě modelů součástek a nespočtu rovnic. Součástí jsou ztráty z výkonových MOSFETů, cívek, kondenzátorů a budiče gate. Nicméně, pro zobrazení hodnot v reálném čase jsou používány zjednodušené modely chování, namísto složitých fyzikálních modelů a náročných výpočtů. Všimněte si, že například AC ztráty indukčnosti ještě nejsou v LTpowerCAD modelovány vůbec, avšak vývojáři mají možnost její hodnotu zadat. Výsledkem je, že odhadovaná účinnost obvodu může být o několik procentních bodů vyšší než skutečná účinnost, dosažená na fyzické desce. I tak tento nástroj poskytuje rychlý odhad parametrů v reálném čase, které jeho uživatelům pomáhají vybírat a porovnávat různé možnosti návrhu, zejména pak v případě indukčnosti a výkonových MOSFETů.
Dalším krokem je návrh napětí zpětné vazby a optimalizace přenosového výkonu zatížení s ohledem na dobrou stabilitu obvodu. Tento krok bývá často vnímán jako jeden z nejnáročnějších konstrukčních úkolů při návrhu spínaného napájecího zdroje vůbec. Konstrukční nástroj LTpowerCAD však i tento krok výrazně zjednodušuje a usnadňuje.
Obrázek 6 ukazuje okno s návrhem smyčky a přenosovými parametry. Bodový graf zisku smyčky lze přímo v reálném čase nastavovat jednoduše úpravou hodnot korekčních R/C až k dosažení požadovaného pásma smyčky a rozpětí fáze. Podrobně jsou konstrukce smyčky popsány v literatuře [2]. Pro režim spínání výkonového měniče je obvykle doporučeno mít rozpětí fáze více než 45 stupňů (případně až 60 stupňů) na cross over frekvenci a zároveň alespoň 8dB útlum zisku na polovině hodnoty spínací frekvence fSW. V praxi existuje několik tabulek, včetně jedné vykreslující výstupní impedanci zdroje, s cílem poskytnout vývojářům při návrhu smyčky co možná nejvíce informací. Pro rozbor chování při změně zátěže je k dispozici možnost nastavení velikosti zátěže v uživatelem definovaných krocích a rychlost změny. Uživatel může „zmrazit“ vykreslování pro daný návrh, a pak jednoduše měnit návrhové hodnoty nebo porovnávat jiné součástky pro dosažení optimálních výsledků.
Pro dané podmínky přenosového zatížení (velikost kroku aktuálního zatížení a rychlost přeběhu) a VOUT překročení / pokles k úrovni cílového limitu, může uživatel nastavit smyčku a zkontrolovat šířku pásma smyčky, stabilitu i přenosový výkon. V případě, že tento stále nesplňuje požadovaný cíl, lze zvýšit hodnotu výstupních kondenzátorů (včetně tantalových a keramických kondenzátorů) a pak znovu nastavit smyčku, dokud není dosaženo cílové funkce. Vzhledem k tomu, že přenosové grafy zatížení LTpowerCAD jsou odvozeny od malých signálových modelů, jsou sice velmi rychlé, ale jsou tvořeny pouze prvním řádem aproximace. V důsledku toho je nutné ponechat dostatečné množství rezervy – alespoň 20 % až 30 % od krajní hodnoty.
Pro zajištění dobré přesnosti navržené smyčky byl každý z jednotlivých návrhových nástrojů LTpowerCAD ověřen na standardních demo deskách Linear Technology, včetně měření smyčky aplikačními inženýry společnosti před tím, než došlo k uvolnění nástroje. V praxi však může být výsledek ovlivněn řadou dalších vlastností, především rozptylem parazitických hodnot součástek, jako jsou například hodnoty ESR použitých kondenzátorů. Proto je nutné každý návrh ve finále ověřit výrobou testovacího prototypu.
V posledním kroku mohou vývojáři zobrazit souhrnnou stránku, která poskytuje komplexní přehled parametrů návrhu (obr. 7), stejně jako krátký seznam součástek (BOM) hlavních prvků obvodu a hrubý odhad celkové velikosti výsledné desky. Souhrnnou zprávu lze z programu i vytisknout.
Jako volitelný krok je k dispozici možnost exportovat celý návrh v LTpower- CAD do simulačního nástroje LTspice. Díky tomu je možná simulace celého obvodu v reálném čase a mnohem detailnější kontrola provozních parametrů klidového stavu, provozu se zátěží a přechodových stavů. Tato funkce je k dispozici po kliknutí na tlačítko LTspice na stránce schématu LTpowerCAD a sama zajistí export všech klíčových parametrů návrhu z LTpowerCAD k simulaci obvodu v LTspice (obr. 8).
Knihovna konstrukčních řešení LTpowerCAD je důležitou součástí programu, která uživatelům pomáhá dospět ke konečnému návrhu mnohem rychleji a s dobrými výsledky. Jak je vidět na obr. 9, na hlavní obrazovce se schématem, mohou vývojáři kliknutím na kontextové tlačítko „Solution Library“ získat k danému produktu Linear Technology celou řadu již ověřených návrhů. Tyto návrhy přitom mohou vycházet ze standardních demo desek Linear Technology, katalogový listů obvodů nebo jiných referenčních návrhů. Řada z nich byla testována a ověřena přímo v laboratoři Linear Technology, což umožňuje rychle vytvořit návrh konstrukce nového napájecího zdroje z jednoho ze stávajících ukázkových příkladů. Navíc i samotný vývojář může do lokální knihovny ukládat své návrhy, a vytvořit si tak vlastní knihovnu řešení pro budoucí použití.
Konstrukční nástroj LTpowerCAD II je programem pro PC se systémem Microsoft Windows. Uživatelé si mohou program zdarma stáhnout a nainstalovat jej na lokálním PC.
Ve srovnání s webovými návrhovými nástroji lze v LTpowerCAD využít plnou výpočetní kapacitu a zdroje lokálního počítače, aniž by se použití omezovalo na sdílené internetové a počítačové zdroje nebo byl problém s bezpečnostní zadávaných dat. Po instalaci uživatelé programu již k jeho spuštění nepotřebují připojení k Internetu.
Nicméně i tak mohou pravidelně kliknout na tlačítko „SYNC RELEASE“ na úvodní stránce programu, a zkontrolovat tak dostupnost aktualizace programů, jako jsou například nové nástroje a funkce, které lze získat bez nutnosti nové instalace LTpowerCAD.
Konstrukční nástroj LTpowerCAD poskytuje výkonné a snadno použitelné řešení návrhu klíčových parametrů napájecích zdrojů, a to v pouhých pěti jednoduchých krocích. Jeho standardní, případně uživatelské, knihovny hotových řešení umožňují vývojářům využít řadu již ověřených návrhů. Výsledný návrh může být navíc velice jednoduše exportován do simulátoru LTspice pro jeho detailní rozbor.
V aplikaci však existuje i celá řada dalších detailních funkcí, které se ani v tomto článku nepodařilo představit (viz odkazy). Stručně řečeno, konstrukční nástroj LTpowerCAD pomáhá vývojářům snadno a rychle navrhnout nové řešení s dobrými výsledky při minimálním úsilí a čase.
[2] Zhang, H.: „Modeling and Loop Compensation Design of Switching Mode Power Supplies,“ Linear Technology Application Note AN149.
[3] Zhang, H.: „Basic Concepts of Linear Regulator and Switching Mode Power Supplies,“ Linear Technology Application Note AN140.
