Miniaturizace konstrukce správy napájení s vysoce integrovanými obvody

Požadavky na miniaturizaci nutí konstruktéry k výběru nejmenších možných pasivních součástek a integrovaných obvodů. Použité komponenty se musí kromě malých rozměrů vyznačovat rovněž optimalizovaným tepelným managementem a nízkými úrovněmi elektromagnetického vyzařování. Aby nedocházelo k jejich přehřívání, musí být také energeticky účinné. Jedině tak lze zajistit vyšší úrovně integrace a kompaktní řešení.

Příklad aplikace

Od konstruktérů se vyžaduje, aby vyvíjeli produkty, které jsou nejenom menší, ale také spolehlivě funkční i v prostředí s výskytem elektrického rušení. Důsledkem stále větší automatizace je rostoucí koncentrace strojů s elektrickým pohonem, jako jsou motory, které mohou vytvářet vysoká rušivá napětí. Přechodové špičky napětí poškozují citlivé obvody a mohou narušovat přesnost odečtů hodnot ze senzorů, zvláště při používání analogových signálů. Trendem je převádění analogových signálů na digitální co možná nejdříve po měření. To však stále vyžaduje použití analogově-digitálních (ADC) a digitálně-analogových (DAC) převodníků citlivých na přechodové jevy. Účinky přechodových jevů lze zmírnit izolací, tedy elektrickým nebo galvanickým oddělením signálů. Izolace rovněž zabraňuje poškození připojených obvodů a je nutná pro získání certifikace elektrické bezpečnosti. Izolace mezi senzorem, odpovídajícím ADC převodníkem a hostitelským mikrořadičem má pro ochranu zásadní význam. V případě sledování stavu je senzor umístěn přímo na motoru, který je pravděpodobně napájen ze sítě, a představuje tak potenciální cestu pro přenos bludných napětí zpět do hostitele. Izolace chrání mikrořadič před škodlivými napěťovými špičkami nebo únikovými proudy ze senzoru nebo ADC převodníku. V tomto případě je rovněž třeba, aby ADC převodník měl izolovaný zdroj napájení. Dosažení této úrovně izolace vyžaduje oddělení silových a signálových vodičů. Typickým řešením je použití izolovaného DC-DC převodníku a integrovaných obvodů pro izolaci digitálního signálu (obr. 1).

Snižování počtu součástek a rozměrů desek

Integrací převodu a řízení napájecího napětí, izolací napájení a digitálního signálu (SPI) do jednoho integrovaného obvodu lze dosáhnout významné úspory místa na desce a snížení počtu součástek. Příkladem obvodu, který integruje všechny tyto funkce do jednoho kompaktního pouzdra typu LFCSP o rozměrech 7 × 9 mm, je ADP1031 od firmy Analog Devices.

Tento obvod podporuje široký rozsah napájecího napětí (4,5–60 V) a obsahuje v rámci řídicí jednotky pro napájení s nízkým výkonem (PMU) tři DC-DC převodníky včetně izolovaného blokujícího (flyback) měniče, invertujícího a snižujícího měniče. Celkový výstupní výkon činí až 2,0 W při energetické účinnosti 80–90 %. Architekturu integrovaného obvodu doplňují čtyři obousměrné izolované vysokorychlostní kanály, podpora rozhraní SPI a tři izolované víceúčelové V/V kanály využívající patentovanou technologii iCoupler společnosti Analog Devices (obr. 2).

Řídicí jednotka napájení podporuje postupný náběh a je kromě několika programovatelných blokujících a invertujících měničů vybavena ochranou před nadproudem na vstupu a přepětím na výstupu. Obvod ADP1031 obsahuje interní MOSFET spínač pro blokující měnič a vyžaduje k provozu kromě transformátoru blokujícího měniče s poměrem 1 : 1 jen minimální počet externích pasivních součástek. Izolační napětí mezi všemi třemi doménami napájení činí 300 V. Obvod ADP1031 rovněž umožňuje řízení rychlosti přeběhu měniče za účelem snížení elektromagnetického rušení a dodržování úrovní vyzařování podle normy CISPR11 (EN 55011) Class B.

ADP1031 je optimalizován pro použití s obvodem Analog Devices AD5758 − jednokanálovým integrovaným 16bitovým DAC převodníkem (obr. 3). Společné použití obvodů ADP1031 a AD5758 urychluje proces návrhu, protože vyhovuje základním certifikačním požadavkům na izolační napětí 300 V a odstraňuje rizika, která jsou s návrhem spojena.

Volba indukčnosti a transformátoru

Při optimalizaci návrhu blokujícího měniče pro obvod ADP1031 je třeba zvážit volbu transformátoru. Zapojení obvodu ADP1031 odstraňuje nutnost zpětnovazebního vinutí, transformátor tedy může být tvořen jednoduchým primárním a sekundárním vinutím. Toto zjednodušení umožňuje používat menší transformátory s nižším stejnosměrným odporem a nižší únikovou indukčností. Možnost použití běžně prodávaných transformátorů tak značně usnadňuje proces návrhu. Volba kvalitně navrženého miniaturního transformátoru s nízkou únikovou indukčností a stejnosměrným odporem může významně ovlivnit charakteristiky elektromagnetického rušení a energetickou účinnost. Požadovaný poměr transformátoru je dán volbou vstupního a výstupního napětí. Coilcraft, specializovaný dodavatel transformátorů, vyvinul ve spolupráci s firmou Analog Devices dva transformátory určené pro použití s obvodem ADP1031–a Coilcraft YA9293. Oba mají poměr 1 : 1, rozsah vstupního napětí 4,5–60 V a efektivní hodnotu izolačního napětí 2 250 V. Oddělení vinutí a ochrana před plazivými výboji odpovídá požadavkům na základní izolaci. Transformátory rovněž splňují požadavky normy AEC-Q200 Grade 1, takže jsou vhodné pro použití i v automobilových aplikacích při teplotách okolí od –40 do +125 °C. Jmenovitá úniková indukčnost činí 1,2 μH u transformátoru WA8478 a 1,62 μH u YA9293. Coilcraft rovněž nabízí cívku PA6594-AE 47 μH optimalizovanou pro použití s integrovaným snižujícím měničem integrovaného 16bitového DAC převodníku Analog Devices AD5758. Indukčnost PA6594-AE má kompaktní provedení s výškou pouhých 1,8 mm.

Závěr

Volba obvodu integrujícího více funkcí do jednoho pouzdra může spolu s optimalizovanými pasivními součástkami pomoci při zmenšování desek plošných spojů, což má při současném tlaku na miniaturizaci konstrukcí zásadní význam. Integrovaný obvod ADP1031, který kombinuje oddělené řízení napájení a sériovou komunikaci v pouzdře o rozměrech 7 × 9 mm, těmto požadavkům vychází vstříc.

Jeho použití s optimalizovanými transformátory Coilcraft umožňuje vytvářet vysoce výkonná řešení s malými rozměry.