Architektúry a aktuálny aplikačný záber neizolovaných DC/DC SMPS - II. časť

II. časť

Aplikácie a obvodové riešenia

Spínané meniče napätia umožňujú vzhľadom na princíp činnosti vysokoúčinnú konverziu elektrickej energie v širokom rozsahu odoberaného prúdu, vzhľadom na vyššie pracovné frekvencie vyžadujú menej objemné reaktančné prvky a umožňujú pracovať so širokým rozsahom napájacích napätí. Aj napriek komplexnejšej stavbe a potrebe EMI odrušenia sú stále viac prevažujúcim typom meničov napätia. Založené sú na riadenom spínaní jedného z dvoch typov reaktančných prvkov – cievky alebo kondenzátora. V úvodnej časti boli opísané základné obvodové architektúry neizolovaných spínaných DC/DC meničov napätia s použitím týchto prvkov. Z týchto principiálnych zapojení sú odvodené všetky, spravidla integrované obvodové riešenia spínaných meničov napätia. Poskytujú funkcie spojené so spoľahlivou prevádzkou napájaného systému – stabilizáciu výstupného napätia, obmedzenie prúdovej spotreby, tepelnú ochranu, monitorovanie napájacieho napätia, ako aj služby inteligentného power managementu ako logging chybových stavov, generovanie reštartovacieho signálu pre napájaný mikrokontrolérový systém a ďalšie. V komplexných systémoch sú neizolované DC/DC meniče teda súčasťou systému správy napájania. Od konkrétnej aplikácie sa odvíjajú požiadavky na účinnosť a stabilitu konverzie, rozmery a cenu.

Obvodové architektúry neizolovaných DC/DC meničov vzhľadom na uvedené funkcionality môžu nadobúdať pomerne zložité štruktúry, ich integrácia, v mnohých prípadoch vrátane výkonových prvkov, však zjednodušuje návrh systémov, v ktorých sú aplikované, v niektorých prípadoch až na úroveň niekoľkých prvkov (mikromodul TPSM82480 (TI) obsahuje vo svojej štruktúre i spínané cievky a pri svojich rozmeroch 7,9 × 3,6 × 1,55 mm poskytuje výstupný prúd až 6 A) [1].

Veľkosť napätia regulovaného na výstupe meniča je definovaná podľa požiadaviek napájaného systému:

• pevne nastavená hodnota, typicky 3,3 V; 5 V atď. – pod jedným typovým označením sa môže nachádzať viacero prvkov s rôznym výstupným napätím,
• zvonka bitovo nastaviteľná hodnota – pre všeobecné použitie, ale aj pre systémy s dynamickou optimalizáciou napájania,
• softvérovo bitovo nastaviteľná hodnota – pre riadené komplexné napájacie systémy,
• plynulo nastaviteľná použitím externého potenciometra, resp. trimra – pre všeobecné použitie,
• výstupné napätie regulované na základe požadovaného profilu – typicky pri systémoch nabíjania akumulátorov.

Správa nabíjania akumulátorov

Systémy správy nabíjania a ochrany elektrochemických akumulátorov, spravidla na báze Li-Ion, NiMH, ale aj Pb, obsahujú obvykle spínaný regulátor napätia, riadený nabíjacím profilom príslušného akumulátora tak, aby bol optimálne nabíjaný za súčasného monitorovania prevádzkových podmienok. Vo svojej štruktúre obsahujú spravidla znižujúci (buck) menič, zriedkavo aj znižujúco-zvyšujúci (buck-boost). Všeobecný nabíjací systém zahŕňa monitorovanie napätia článku a reguláciu nabíjacieho prúdu podľa príslušného profilu (obr. 1). Ďalšími funkcionalitami sú monitorovanie teploty a teplotná kompenzácia, mód udržiavania (trickle), automatické spustenie nabíjania na základe nastavenej hysterézie, balancovanie článkov a ďalšie [2].

Integrované obvody správy nabíjania akumulátorov zahŕňajú množstvo ďalších funkcionalít spojených s ochranou akumulátora i napájaného systému, monitorovaním prevádzky s dataloggingom, ako aj generovaním signálov pre nadradený systém. Príkladmi komerčných obvodov automatizovanej správy nabíjania Li-Ion/Pol článkov sú MCP73831/2 (Microchip, 0,5 A) (obr. 2), BQ24100 (TI, 2 A) (obr. 3) a mnohé ďalšie.

Power banks

Power banka je zásobník elektrickej energie uloženej v elektrochemickom článku, pričom zabezpečuje dve základné funkcionality:

• nabíjanie zabudovaného, spravidla Li-Ion akumulátora použitím špecializovaného obvodu pre nabíjanie metódou CC-CV,
• DC/DC menič, umožňujúci konverziu napätia akumulátora, resp. batérie akumulátorov na požadované napätie.

Obvyklou aplikáciou je power banka pre prenosné mobilné aplikácie, u ktorej je vstupným zdrojom sieťový adaptér alebo prenosné zariadenie s μUSB portom, ako sú počítač či smartfón, a spotrebičom je iné mobilné zariadenie, ako smartfón, tablet alebo mp3 prehrávač, pripojené prostredníctvom USB portu. Power banky vyšších cenových kategórií obsahujú precíznejšie obvody power managementu (obr. 4), ktoré okrem dohliadania na prúdové, napäťové a teplotné limity riadia prioritu nabíjania/ napájania a poskytujú indikáciu prevádzkových stavov. K takýmto obvodom patrí napríklad skupina ACT2800 (Active- Semi) (obr. 5).

Jednočlánkové napájanie spotrebičov

Vzhľadom na veľmi nízku cenu súčasných DC/DC meničov a značnú cenu Li-Ion akumulátorov je v mnohých prípadoch cenovo výhodnejšie zariadenie napájať jediným elektrochemickým článkom AA/AAA so zaradeným zvyšujúcim DC/DC meničom (obr. 6). K najčastejším spotrebičom patria mediálne zariadenia vrátane dnes už ustupujúcich mp3 playerov a LED svetelné zdroje vrátane solárnych lámp (obr. 10).

Záložné zdroje

Vývoj superkondenzátorov otvoril nové možnosti ich použitia pre záložné napájanie, ako aj pre vyvažovanie špičiek. Príkladom aplikácie je vyvažovanie krátkodobých špičiek na prúdovo obmedzených zberniciach, ako napríklad USB, kde superkondenzátor v spojení s obvodmi nabíjacieho managementu umožňuje „vychytať“ krátkodobé prúdové špičky pripojeného zariadenia.

K moderným obvodom správy nabíjania superkondenzátorov patria LTC3128 a LTC4425 (LT), zabezpečujúce funkcionality nabíjania banky superkondenzátorov s aktívnym vyvažovaním a prúdovým obmedzením napájacieho zdroja (obr. 7).

Štruktúra obvodu zahŕňa oscilátor pracovnej frekvencie 1,2 MHz, buck/boost menič, prúdový obmedzovač, MOSFET s veľmi nízkym Ron a napäťový obmedzovač pre ochranu banky superkondenzátorov. Čas nabíjania banky superkondenzátorov je funkciou nabíjacieho prúdu, napájacieho a požadovaného výstupného napätia a je možné ho odčítať z grafických závislostí uvedených výrobcom. Zaradením ďalšieho meniča je možné stabilizovať napájacie napätie aplikácie v čase úmernom výkonu záťaže a účinnosti meniča. Ak využiteľná energia uložená v superkondenzátore v rámci pracovného rozsahu napätí je

potom čas napájania aplikácie je

Uvedené vzťahy platia pri ideálnych podmienkach, reálne je však potrebné uvažovať s ďalšími parametrami, ako sú teplota a nerovnomerná prúdová spotreba aplikácie.

Energy harvesters

Zberač energie (energy harvester) je elektronické zariadenie, umožňujúce transformáciu mechanickej, tepelnej, elektromagnetickej alebo inej energie dostupnej aplikovanému systému na formu, ktorou je systém napájaný v požadovanom rozsahu.

Vývoj bezdrôtovo napájanej elektroniky reflektuje vo vzájomnej spätnej väzbe na aktuálny vývoj v oblasti micro/ nanoenergy harvesters – mikrovýkonových zberačov energie. Transformovaná energia je akumulovaná vo forme elektrostatického náboja v mikrokondenzátore alebo indukovaného magnetického poľa v cievke. Okamžitý zberaný výkon je spravidla desiatky μW, čo vyžaduje precízny power management. Aplikačný rozsah zahŕňa bezdrôtové senzorové siete pre medicínske účely, HVAC monitoring v automobilových a iných systémoch, sledovanie pohybu objektov, priemyselnú automatizáciu i spotrebnú elektroniku. Primárnym zdrojom je najčastejšie solárne žiarenie, mechanické vibrácie, resp. pohyb alebo tepelné žiarenie.

Integrované riešenia zberu a správy napájania sú často viacfunkčné a konfigurovateľné pre rôzne zdroje energie. Zberač energie na báze LTC3588-1 (LT) umožňuje zber vibračnej (obr. 8) a solárnej (obr. 9) energie a vo svojej štruktúre zahŕňa nízkostratový mostíkový usmerňovač, vysokoúčinný znižujúci DC/DC menič, správu nabíjania zásobníkového kondenzátora a konfigurovateľné riadenie výstupného napätia.

Solárne exteriérové lampy v obvyklej konfigurácii obsahujú zvyšujúci DC/DC menič zberajúci náboj generovaný solárnym panelom, akumulátor a LED. Cenovo nenákladné aplikácie s obvodom YX8018 využívajú jeho interne zabudovanú Schottkyho diódu medzi vývodmi CE a GND pre automatické prepínanie medzi nabíjaním a svietením (obr. 10).

Symetrické napájacie zdroje a zdroje záporného napájacieho napätia

Symetrické napájanie je doménou i analógovej elektroniky využívajúcej operačné zosilňovače, komparátory, AD/DA prevodníky, výkonové budiče a ďalšie prvky. Štandardne je realizované použitím symetrického napájacieho zdroja obsahujúceho dvojité sekundárne vinutie transformátora, nasledované usmerňovačom, filtrom a stabilizátorom. Súčasné riešenia spínaných meničov umožňujú použiť nesymetrický napájací zdroj a zaradením invertujúcej nábojovej pumpy získať druhú vetvu symetrického napájania. V prípade použitia znižujúco-zvyšujúceho meniča v prvom stupni a regulovaného invertora obvod umožňuje použitie širokého rozsahu napájacích napätí a zároveň stabilizáciu výstupného napätia obidvoch napäťových vetiev (obr. 11). Závisí však na náročnosti aplikácie kvôli obmedzeným šumovým vlastnostiam spínaných meničov. Výrazné zlepšenie umožňuje kvalitná filtrácia a zaradenie lineárneho stabilizátora, pre náročné aplikácie s prístrojovými zosilňovačmi sú však používané aj iné obvodové riešenia.

Napäťové prispôsobenie komunikačných portov

Vývoj komunikačných zberníc, príslušných protokolov a hardvéru využívajúceho tieto zbernice bol viackrát postavený pred otázku kompatibility napäťových úrovní rozhraní. Klasickým príkladom je sériové komunikačné rozhranie štandardu RS-232, ktoré prežilo prakticky všetky generácie polovodičových výpočtových prostriedkov. Keďže zbernica štandardne využíva symetricky definované logické úrovne a využívajú ju aj zariadenia s nesymetrickým napájaním, zaraďované sú medzi ne prevodníky napäťových úrovní. Úspešným prvkom na trhu je obvod MAX232 (Maxim Integrated) (obr. 12), s filozofiou prebratou aj mnohými ďalšími výrobcami. Obsahuje dva TTL/CMOS vstupy i výstupy a rovnako aj príslušné RS232 vstupy/výstupy. Prispôsobenie napäťových úrovní zabezpečujú dva spínané meniče napätia typu nábojová pumpa. Prvý pracuje ako napäťová násobička z úrovne +5 na +10 V a druhá ako napäťový invertor z úrovne +10 na −10 V. Riešenie pri minimálnom počte externých prvkov zabezpečuje napäťový prevod signálov vysielača i prijímača použitím jediného napájacieho zdroja, spoločného s aplikáciou.

Napájanie jadier mikroprocesorov

Od čias, keď bol mikroprocesor s periférnymi obvodmi napájaný spoločným 5/12 V zdrojom (prvé PC/XT 8086/87), prešlo už niekoľko generácií mikropočítačov. Jadrá mikroprocesorov sú taktované GHz frekvenciami, preto z dôvodu zníženia energetickej spotreby pri takých vysokých výpočtových výkonoch sú napájané čím najnižším napätím, spravidla v rozsahu 0,8–1,8 V. Charakteristickými črtami meničov napätia pre procesory sú okrem veľmi malých napätí aj veľké prúdy dosahujúce desiatky A a možnosť konfigurácie výstupného napätia pre konkrétny mikroprocesor, s krokom v desiatkach mV. Na procesorových doskách sú lokalizované bezprostredne pri pätici mikroprocesora (obr. 13).

Okrem riadiaceho PWM kontroléra obsahujú externé spínacie tranzistory, masívne indukčné cievky s feritovým jadrom a vysokokapacitné hliníkové elektrolytické kondenzátory s nízkym ESR. Menič pracuje v synchrónnom 2- až 4-fázovom režime (obr. 14).

Rozsah aplikácií neizolovaných spínaných meničov, či už so spínanou indukčnou cievkou alebo spínaným kondenzátorom, nemožno vyčerpávajúco opísať. Vo výpočtovej a automatizačnej technike sú súčasťou komplexného power managementu riadeného mikrokontrolérom, poskytujúcom nadriadenému systému stavové informácie, logging i riadiace signály. Postupným vývojom sa stali dominantným typom meničov, pričom lineárne stabilizátory si zachovali svoje miesto v tých obvodových pozíciách, v ktorých sú využité ich nesporne lepšie, napríklad šumové vlastnosti.

Neizolované DC/DC meniče napätia sú vyrábané pre široké spektrum napájacích i výstupných napätí, výstupných prúdov a obsahujú rôznorodé funkcie power managementu, splňujúc tak požiadavky najrôznejších analógových i digitálnych, spotrebných i náročných medicínskych aplikácií.