Architektúry a aktuálny aplikačný záber neizolovaných DC/DC SMPS

I. časť

Základné pojmy a architektúry

Spínané elektronické zdroje v technickej praxi zapustili hlboké korene a ich aplikačný strom sa neustále rozvetvuje v súvislosti s novými aplikačnými požiadavkami. Patria do dynamicky sa rozvíjajúcich oblastí elektrotechniky a elektroniky, pričom ich vlastnosti umožňujú spĺňať náročné požiadavky na účinnosť, stabilitu konverzie, miniaturizáciu, znižovanie hmotnosti i ceny, ako aj integrovať funkcionality ochrany a správy napájania. Aplikačný záber zahŕňa napájacie zdroje počítačov a rôznych priemyselných a medicínskych aplikácií, obvodov spotrebnej elektroniky, napájacie a nabíjacie obvody mobilných zariadení – mobilných telefónov, notebookov, meračov tlaku a pod.

Spínaný napájací zdroj (Switched-mode power supply (SMPS)) je elektronický zdroj, ktorého základom je spínaný regulátor umožňujúci efektívnu konverziu napätia/prúdu zdroja energie na požadované výstupné napätie/prúd. Neizolovaný SMPS predstavuje architektúru, ktorej výstupný obvod nie je galvanicky oddelený od vstupného, napájacieho obvodu. Nie je veľmi namieste hodnotiť vzájomné výhody izolovaných a neizolovaných SMPS, pretože ich aplikačný záber je značne odlišný a mnohé z týchto výhod sú v konkrétnych aplikáciách bezpredmetné. Neizolovaný SMPS umožňuje kompaktnejšiu štruktúru a systémovú architektúru typu POL (point of load). Základnými črtami POL sú distribúcia napájacieho zdroja do celého systému (pri DPS spravidla prostredníctvom vnútorných napájacích vrstiev – power planes) a konverzia napätia zdroja na požadované napätie realizovaná až v blízkosti miesta napájania podsystému.

Charakteristickými vlastnosťami neizolovaných SMPS sú vysokoúčinná konverzia v širokom rozsahu odoberaného prúdu (v určitej časti pracovnej oblasti aj vyše 95 %), následkom napäťového prevodu nie je výkonová strata taká veľká ako pri lineárnych stabilizačných obvodoch, pri výkonových typoch podstatne menší objem a hmotnosť, široký rozsah napájacích napätí a potreba podstatne menších kondenzátorov na vyhladenie napätia vďaka vyšším pracovným frekvenciám. Napriek nepomerne komplexnejšej stavbe v porovnaní s lineárnymi umožňujú vysokú mieru integrácie stavebných prvkov. Pre spoľahlivú stabilizáciu výstupného napätia v závislosti od výstupného prúdu v definovanom rozsahu zaťaženia je však pri tomto type meničov potrebné brať do úvahy aplikáciou dovolené zvlnenie výstupného napätia a šum. Účinnosť konverzie je definovaná ako výkonový prenos, výkon prenesený na výstup meniča znížený o stratový výkon meniča počas konverzie.

Základnými stavebnými prvkami týchto meničov sú šírkový modulátor (PWM driver) riadený signálom chybového zosilňovača (error amplifier), ktorý je výsledkom porovnávania aktuálnej hodnoty výstupného napätia s referenčným (obr. 1). PWM signálom sú riadené spínacie prvky tak, aby regulátor umožňoval s dostatočne rýchlou odozvou reagovať na zmeny napäťovo-prúdových pomerov obvodu.

Základom regulácie je impulzne šírková modulácia (PWM – pulse-width modulation), ktorá umožňuje reflektovať na zmeny parametrov riadiacich veličín zmenou šírky impulzu. Charakteristickým parametrom SMPS je činiteľ plnenia (duty cycle), resp. strieda periodického, spravidla digitálneho signálu, ako pomer šírky impulzu voči perióde: D = t_on / T, D_% = 100 t_on / T. Priemerná hodnota napätia signálu

čo v prípade pravouhlého signálu s periódou T nadobúda tvar

kde t_on je interval, počas ktorého napätie nadobúda maximálnu hodnotu.

Spínané meniče s indukčnou cievkou

Meniče, ktorých základom je indukčná cievka [1–3], využívajú jav elektromagnetickej indukcie v cievke. Pripojením ideálnej cievky s indukčnosťou L do obvodu so zdrojom napätia U ňou potečie prúd s rýchlosťou jeho nárastu úmernou tomuto napätiu podľa

čo v prípade lineárnej závislosti nadobúda tvar

Zmena veľkosti tečúceho prúdu úmerná uplynulému času

má preto smernicu

V prvej fáze činnosti je cievka pripojená k zdroju napätia a narastá v nej prúd, pričom energia sa akumuluje v jej magnetickom poli, W = ½ L I². V druhej fáze je cievka odpojená od zdroja a pôsobením jej magnetického poľa vzniká indukované napätie (Faradayov zákon):

Prerušením obvodu ideálnym spínacím prvkom dôjde pri ideálnej cievke k zmene veľkosti toku prúdu s nekonečnou smernicou

Znižujúce meniče (buck, step-down)

V základnom zapojení je indukčná cievka striedavo pripájaná k zdroju napájania a nulovému potenciálu, pričom ak ostane ponechaná v prvom stave, po doznení prechodového deja je výstupný potenciál rovný napájaciemu (obr. 2, 3).

V stave, keď je cievka pripojená k vstupnému zdroju napätia, je smernica nárastu prúdu cievkou (U_in – U_o ) / L a po jej odpojení –U_o / L. Porovnaním zmien tečúcich prúdov v rovnovážnom stave

dostaneme napäťovú prenosovú funkciu

nezávislú od L cievky.

Zvyšujúce meniče (boost, step-up)

Nespornou prednosťou zvyšujúceho spínaného meniča napätia v porovnaní s lineárnym je možnosť jeho použitia v prenosných zariadeniach s obmedzeným napätím, spravidla elektrochemického zdroja energie. V základnom zapojení je indukčná cievka striedavo pripájaná k spotrebiču elektrickej energie a nulovému potenciálu, pričom ak ostane ponechaná v prvom stave, po doznení prechodového deja je výstupný potenciál opäť rovný napájaciemu (obr. 4, 5). V stave, keď je cievka pripojená iba k vstupnému zdroju napätia, je smernica nárastu prúdu cievkou U_in / L a po jej prepnutí – (U_in – U_o ) / L. Porovnaním zmien tečúcich prúdov v rovnovážnom stave

dostaneme napäťovú prenosovú funkciu

Znižujúco-zvyšujúce meniče (buck-boost)

V porovnaní s meničmi typu buck a boost je pri tomto type indukčná cievka striedavo pripájaná k zdroju a spotrebiču elektrickej energie (obr. 6). V stave, keď je cievka pripojená iba k vstupnému zdroju napätia, je smernica nárastu prúdu cievkou U_in / L a po jej prepnutí –U₀ / L. Porovnaním zmien tečúcich prúdov v rovnovážnom stave

dostaneme napäťovú prenosovú funkciu

Účinok meniča je teda invertujúci a v závislosti od striedy spínania indukčnej cievky znižujúco-zvyšujúci, s bodom prechodu pri D = 0,5.

Uvedené tri architektúry nezahŕňajú celý záber používaných typov, sú však základnými a východiskovými pre zapojenia typu CUK, SEPIC, ZETA a ďalšie. Spolu so spínacími prvkami sú teda indukčná cievka a výstupný kondenzátor základnými prvkami týchto meničov. Pre názornosť je možné povedať, že indukčná cievka plní funkciu čerpadla energie a kondenzátor jej zásobníka (buffer). V uvedených obvodových konfiguráciách tvorí časť spínacieho obvodu Schottkyho dióda a tieto zapojenia sú nazývané ako asynchrónne. Naproti tomu synchrónne SMPS obsahujú namiesto tejto diódy aktívny spínací prvok, spínací tranzistor. Neizolované spínané meniče do výstupných zaťažovacích prúdov približne 5 A sú spravidla vyrábané s integrovanými spínacími prvkami, obvykle tranzistormi typu MOS [1–3].

Spínané meniče s kondenzátorom (charge pump)

Napäťové meniče typu charge pump (nábojová pumpa) neobsahujú indukčnú cievku, ale využívajú spínaný kondenzátor. Výkon je teda zo zdroja napájania prenášaný iba prostredníctvom riadeného nabíjania a vybíjania kondenzátora. Obvodové architektúry umožňujú znižujúce, zvyšujúce i znižujúco-zvyšujúce zapojenia, ktoré vzhľadom na absenciu indukčnej cievky umožňujú aj kompaktnejšiu štruktúru. Výrobcovia integrovaných riešení sa však museli vyrovnať s principiálnym problémom horších šumových vlastností týchto typov spínaných meničov. Taktiež, vzhľadom na princíp činnosti, účinnosť konverzie je najvyššia pre režim násobenia, delenia a invertovania vstupného napätia [4].

Deliaca nábojová pumpa

Základný princíp spočíva v dvojfázovom režime, v ktorom počas prvej fázy je spínaný kondenzátor (C_F, v anglickej literatúre nazývaný ako flying capacitor) pripojený do série s výstupným kondenzátorom na zdroj napájania a v druhej fáze je k nemu pripojený paralelne (obr. 7), čím je dosiahnutá polovičná hodnota výstupného napätia, U₀ = ½ U_in, napäťový prenos je ½ [5].

Násobiaca nábojová pumpa

V principiálnom zapojení podľa obr. 8 je spínaný kondenzátor po fáze čerpania náboja zo zdroja napájania v druhej fáze činnosti reverzne pripojený medzi zdroj napájania a výstup meniča, čím sa jeho napätie (v ideálnom prípade presne napätie zdroja) pripočíta k výstupnému napätiu, U₀ = 2U_in, napäťový prenos je 2 [6].

Invertujúca nábojová pumpa

Dvojfázový režim tohto meniča napätia spočíva v prvej fáze v pripojení spínaného kondenzátora k zdroju napájania a v druhej fáze v jeho pripojení k výstupu meniča s opačnou polaritou (obr. 9), U₀ = –U_in, napäťový prenos je –1.

Počas jedného cyklu meniča je prenesený náboj s veľkosťou ΔQ = C_F (U_i – U₀ ). Ak je menič synchronizovaný oscilátorom s pracovnou frekvenciou f, umožňuje dodať prúd I = ΔQ / T = f ΔQ = f C_F (U_i –U₀ ).

Uvedené tri konfigurácie napäťových meničov typu nábojovej pumpy poskytujú polovičné, násobené, resp. invertované napätie zdroja napájania. Výstupné napätie je však spravidla požadované ako regulované a stabilizované voči zmenám vstupného napätia a výstupného prúdu. To je realizované viacerými spôsobmi, medzi ktoré patrí vynechávanie spínacích cyklov (Skip-Mode Regulation) a riadené čerpanie náboja spínaného kondenzátora pri konštantnej frekvencii (Constant-Frequency Mode Regulation) [4, 7].

Spínané neizolované meniče s indukčnou cievkou našli využitie v prakticky celej škále elektronických aplikácií od spotrebných až po najnáročnejšie priemyselné a medicínske. Ich základné princípy sú východiskovými pre stavbu komplexnejších izolovaných meničov napätia pre široký rozsah napätí a výkonov. Spínané neizolované meniče typu nábojovej pumpy sú pre elektronické aplikácie vyrábané spravidla pre malé zaťažovacie prúdy, umožňujú však kompaktnejší dizajn. Uvedený článok predstavuje prierez základnými architektúrami neizolovaných DC/DC meničov napätia, jeho pokračovanie bude zamerané na súčasný aplikačný záber týchto perspektívnych typov meničov.