Zapojte expandér a znásobujte výkon zvyšujícího měniče

Mezi vývojáři se obecně ví, že vícestupňové řešení vyžadované zvyšujícími měniči k dosažení velkého výstupního napětí pracuje na vstupu s nízkým napětím, uvažuje vysoké zvyšující poměry, příp. též podporuje velké zatěžovací proudy. Zvyšující návrhy s větším počtem stupňů vynikají nad svými jednostupňovými protějšky v řadě věcí včetně lepší účinnosti, zdokonalené odezvy na přechodové děje a také, pokud se jedná o menší velikosti kapacity na vstupu i výstupu (to je způsobeno sníženou střídavou složkou proudu tekoucího indukčností a stejně tak i vstupními a výstupními kapacitami). Ve výsledku tak počítáme s menším teplotním namáháním součástek napříč celou výkonovou částí zvyšujícího zdroje.

Jednoduchá součást návrhu vícestupňového zvyšujícího měniče zahrnuje přivedení vstupního napájení a také výstupních větví tak, abychom zmenšili rozměry i cenu vstupních či výstupních filtrů. Problematická část pak zahrnuje připojení výstupů zesilovačů odchylky a zpětnovazebních vývodů dílčích kontrolérů pro zajištění vyváženého sdílení proudu a také správné synchronizace stupně. Oba signály jsou totiž nesmírně citlivé na rušení a navzdory velmi pečlivému návrhu layoutu mohou být přesto stiženy prudkými změnami proudu a napětí, o které v zapojeních se zvyšujícími měniči nebývá nouze. Některé kontroléry pro zvyšující zdroje přichází s vícestupňovou architekturou řešící takový problém, spousta však nikoli.

V případě kontrolérů, které nemají vlastní vícestupňové obvody, se nabízí možnosti expandéru LT8551 [1] pro vícestupňové zvyšující měniče řešícího zmíněný problém na základě souběžné činnosti se spínacími prvky primárního kontroléru, jejichž stavy rovněž detekuje. Obvod LT8551 zde proto duplikuje jejich funkci, měří proud tekoucí indukčností primární části a přizpůsobuje velikost proudu protékajícího indukčností u každého přidaného stupně.

Prvky LT8551 se díky svému vysokému vstupnímu či výstupnímu napětí až do 80 V a také schopnosti řešit zvyšující měniče s opravdu vysokými výkony, a to včetně těch s možností toku proudu v obou směrech, skvěle hodí pro automobilové i průmyslové aplikace.

Princip činnosti měniče

Na obr. 1 a obr. 2 vidíme kompletní řešení s expandérem pro vícestupňové měniče založené na obvodech LT8551. Abychom si mohli jejich funkci lépe vysvětlit, rozdělili jsme rozšiřující prvek U1 na tři podobvody – U1.1, U1.2 a U1.3. Rozhraní v podobě U1.1 komunikuje s primárním kontrolérem U2 a všemi vnějšími signály. Výkonové stupně U1.2 a U1.3 pak zajišťují samotnou konverzi napájení a také řízení spínačů složených z tranzistorů MOSFET. Veškeré tři části obvodu U1 zachycené na prvních dvou obrázcích jsou přitom součástí kontroléru LT8551.

Primární kontrolér U2 snímá výstupní napětí prostřednictvím svého vývodu (FB). Rovněž zde završuje funkci při řízení v režimu špičkového proudu díky svému pinu ITH coby výstupu zesilovače odchylky. Veškeré vysokoimpedanční obvody (kromě vývodu FB) a také části citlivé na rušení (vyjma pinu ITH) přináleží U2 a nejsou spojeny s vnějšími součástkami, což se také podepisuje pod kompaktním řešením i layouty chráněnými před rušením.

Namísto typických signálů zpětné vazby a zesilovače odchylky využívaných při zvyšování počtu stupňů obvody LT8551 zapracovaly složité, ale zároveň odolnější postupy pro detekci stavu spínače. Za účelem řízení čtyř stupňů zahrnujících výkonové části řešené s U1.2 a U1.3 počítá dílčí obvod U1.1 s robustními napěťovými signály BG a TG pro buzení hradla a také signálem spínacího uzlu SW primárního kontroléru. U1 přitom rovnoměrně vyvažuje proudy tekoucí indukčností mezi všemi stupni, tj. v případě rozšiřující i výchozí části. Dosahuje toho na základě měření výstupních proudů každého kanálu prostřednictvím příslušných vývodů ISPx a ISNx pro snímání proudu a také pinů ISP a ISN zapojených k vývodům SENSE+ a SENSE- obvodu U2. Do řízení jsou rovněž zahrnuty signály INTVCC a bootstrap napětí (BOOST).

Schéma zapojení na obr. 1 a obr. 2 ukazuje minimální sestavu pro zvyšující měnič skládající se až z pěti stupňů. Obvod LT8551 je možné nasadit při rozšiřování možností prakticky jakéhokoli jednostupňového zvyšujícího kontroléru s uvážením až 18 jedinečných stupňů. Odpovídajícím způsobem je rovněž znásoben výstupní výkon. V zapojeních s více než pěti stupni bude jeden obvod LT8551 sloužit jako master, zatímco další prvky LT8551 pak na pozici slave. Signál CLK1 u masteru synchronizuje primární a slave kontroléry, přičemž CLK2 definuje posuny pro následující stupně, kterých může být až 18. Ani to však ještě nemusí nutně omezovat celkový počet kanálů. Pokud totiž mohou sdílet stejný posun, nebude množství výkonových stupňů prakticky nijak omezeno.

Výkonová trasa v konfiguraci dle obr. 1 a obr. 2 zahrnuje MOSFETy Q1 až Q20 s kanálem N, indukčnosti L1 až L5 a také vstupní či výstupní filtraci. Účinnost měniče s maximálním výstupním proudem 30 A, výstupním napětím VOUT = 48 V a vstupním napětím VIN = 24 V sledujeme na obr. 3. Zatěžovací proud se může snížit na nižší úroveň, než je tomu při VIN, takže omezíme vstupní proud i tepelné namáhání. Příslušný pokles u proudu tekoucího zátěží vidíme na obr. 4. Obvod LT8551 nabízí vlastní struktury pro vyvažování proudu tekoucího indukčností s možností znamenitého sdílení proudu mezi dílčími stupni (od ±6 % max. až do ±10 %).

Abychom zvláště při vyšších napětích omezili tepelné namáhání obou kontrolérů, použijeme pomocný zdroj napájení (AUX) – viz také dokumentace. Fotografii vývojové desky DC2896A-B s vyznačenou primární částí a také rozšiřujícími stupni zachycuje obr. 5. Termosnímek pomocných stupňů vidíme na obr. 6.

Závěr

Expandér LT8551 znamená pro vývojáře pracující na zdrojích napájení flexibilní pomůcku, se kterou dokážou navrhnout velmi výkonné a stejně tak i účinné zvyšující měniče. Stačí pouze navyšovat počet spínaných stupňů, dokud nedosáhneme požadovaného výkonu. Vysoký kmitočet (až 1 MHz) pomáhá při zmenšování velikosti výkonových součástek, zatímco vestavěné budiče hradla společně s přesným sledováním a také vyvažováním proudu tekoucího indukčností umožňují předejít saturaci a rovnoměrně rozložit tepelné ztráty po povrchu desky.