Spojte FETy eGaN® s DSC a na 300W zdroji naměříte 33 × 23 mm

Výkonu není nikdy dost. Co když jsme ale při návrhu standardního spínaného zdroje napájení nemilosrdně omezováni velikostí dostupného místa? V tom případě nezbývá než se vydat cestou dalšího zvyšování výkonové hustoty. V EPC ukazují, jak na to.

Výkon roste, objem ne

Představte si modul určený pro DC/DC systémy snižující ze vstupních 48 V na výsledných 12 V. Výstup lze zatížit až 25 A, zatímco s účinností se stále pohybujeme okolo 95 %, příp. se s klesajícím vstupním napětím dostáváme ještě o dvě procenta výše. Zdroj, který pro účely datových center, serverů, ale i dalších výpočetních systémů zajišťuje třista wattů, není ničím neobvyklým. Co když ale bude muset měřit pouze 33 × 22,9 × 9 mm (1/16th Brick)? Po vynásobení by to pak znamenalo hustotu výkonu převyšující 730 wattů na jeden krychlový palec.

Jak něčeho podobného efektivně dosáhnout, ukázala letos v červenci [1] společnost Efficient Power Conversion známá též pod zkratkou EPC. Pravidelní čtenáři již správně tuší, že bez výkonových tranzistorů eGaN® FET se nepohneme z místa ani tentokrát. V našem případě půjde o jejich nejnovější generaci, přesněji modely EPC2053, které navzdory svým rozměrům 3,5 × 2,0 mm pracují trvale s napětím VDS až 100 V, odporem v sepnutém stavu RDS(on) 3,8 mΩ, a pokud jde o proud tekoucí „kolektorem“, výchozí hladinu 48 A povyšují v pulzním režimu dokonce na 246 A (300 μs). Na stránkách DPS Elektronika od A do Z jsme je do širších souvislostí zasadili v [2].

Řízení ano, ale číslicově

Během vývoje silové části zdroje provozovaného v místě zátěže (POL) bude nutné řešit spoustu otázek týkajících se nejen spínacích prvků, včetně jejich náležitého buzení, ale také indukčností. V dále rozšířitelném návrhu, jehož zjednodušené schéma zachycuje obr. 1, autoři vsadili na synchronně snižující topologii využívající dvou stupňů, takže se o výsledný proud podělí hned dvě cívky s nižšími nároky. Nad činností celého zdroje pak bdí 100MHz digitální signálový kontrolér DSC z dílny Microchipu, 16bitový obvod dsPIC33CK32MP102.

Obr. 1 Výchozí řešení miniaturního 300wattového zdroje staví na dvou stupních,
které lze za účelem zvyšování výkonu dále rozšiřovat [4]

Vývojový modul [3] se vstupním rozsahem 18–60 V, pevným spínacím kmitočtem 500 kHz a řadou doplňkových funkcí či ochran ponese označení EPC9143 a společně s pomocnou základní deskou EPC9531 pro účely programování, komunikace, měření a také řízení jej vidíme na obr. 2. Dlužno však dodat, že výsledek představuje referenční návrh určený zejména pro účely dalšího vývoje. Protože se nejedná o plnohodnotný modul s testy na EMI ani „posvěcením“ ze strany FCC, nelze jej v této fázi ještě osazovat v koncových zařízeních.

Obr. 2 „Zelený“ modul EPC9143 se zřetelnou čtveřicí tranzistorů eGaN® FET vlevo od obou indukčností
a také řídicím DSC na straně spojů, posazený na pomocné vývojové desce [3]

Obr. 3 Účinnost číslicově řízeného systému vyjádřená pro různá výstupní napětí a VIN = 48 V [3]