Když k návrhu kompaktnějšího zdroje stačí jediná indukčnost

Skoro v každém elektronickém zapojení dnes potřebujeme několik odlišných napájecích napětí. Pro různé požadované napěťové úrovně je pak zapotřebí navrhnout vhodnou architekturu sloužící k řízení napájení.

Zpravidla se použije několik měničů napětí, které budou při své činnosti využívat principů spínaného regulátoru. V takovém případě potřebuje každý ze zmíněných spínaných regulátorů nějakou indukčnost. Pro výsledný produkt je ale často důležité, abychom si vystačili s nejmenší možnou zastavěnou plochou na desce a na minimální možné úrovni zůstaly též související náklady.

Oblíbený způsob, jak toho dosáhnout, vede přes integraci. Pro spínané regulátory a také lineární stabilizátory o nízkém výkonu jsou integrované obvody (IO) dobrou volbou. K dispozici zde máme spoustu kombinovaných IO – spínaných regulátorů s vysokou mírou integrace, které se často označují jako PMIC, tedy „power management integrated circuit“. Na obr. 1 vidíme ukázku DC/DC měniče s vysokou mírou integrace, obvodu ADP5014 [1].

Obr. 1  Integrovaný obvod ADP5014 jako ilustrace DC/DC měniče pro výrobu až čtyř výstupních napětí z jednoho napětí vstupního (zjednodušené znázornění)

Abychom snížili rozměry obvodu znázorněného na obr. 1 ještě více, lze indukčnosti začlenit přímo do pouzdra. Třeba jako u řešení dle obr. 2 s obvodem LTM4668 [2]. Má čtyři kanály a vyžaduje pouze minimum vnějších součástek, protože indukčnosti, které obvykle bývají docela velké, jsou integrovány přímo v rámci pouzdra. Rodina modulů LTM nabízí vysokou hustotu výkonu, výjimečné vlastnosti z pohledu EMC a bude také neobyčejně robustní. V porovnání s návrhem složeným z vnějších součástek však může vyjít dráž.

Obr. 2  Kompaktní řešení s integrovanými indukčnostmi a využitím obvodu LTM4668 (zjednodušené znázornění)

A pak zde máme třetí řešení, podobné konceptu dle obr. 1, které je ale tvořeno měničem s technologií SIMO (single-inductor multiple output). Jedna indukčnost zde bude sloužit jako prvek pro ukládání energie (konkrétně se jedná o proud), zatímco ji sdílí všechny kanály. Existuje přitom spousta různých verzí. Indukčnost lze „nabít“ v jednom okamžiku a energie pak bude částečně odebírána různými kanály. V jiném případě je indukčnost nabita a poté zcela vybita jedním kanálem. Následně se prázdné úložiště přesouvá k dalšímu kanálu, kde se opět nabíjí a vybíjí, a poté zase k navazujícímu kanálu, dokud nejsou všechny výstupy obsloužené.

V závislosti na konkrétní implementaci bude mít napájecí zdroj i různé vlastnosti. Obecně vzato zmíněné řešení pracuje dobře s relativně nízkými výkony. Zvolené interní MOSFETy a také návrh s jedinou vnější indukčností jsou optimalizovány právě pro malou spotřebu.

Integrované spínací prvky v rámci obvodu MAX77655 [3], které umožňují pro všechny kanály používat jedinou indukčnost, se rovněž nebrání konverzi dostupného napětí na vyšší nebo i nižší úroveň. Příslušný provozní režim zde bude umožněn vhodným řízením integrovaných MOSFETů.

Díky měniči s technologií SIMO znázorněnému na obr. 3 je možné účinně vyrábět větší počet napětí, a to jen s jedinou indukčností sloužící k ukládání energie. Mohou tak vznikat kompaktnější architektury napájecích zdrojů, zatímco se dále snižuje i jejich cena.

Obr. 3  Měnič MAX77655 s technologií SIMO vyrábí čtyři napětí a používá k tomu pouze jeden integrovaný obvod a stejně tak i jedinou indukčnost (opět zjednodušené znázornění)

Odkazy:

[1] https://www.analog.com/en/products/adp5014.html

[2] https://www.analog.com/en/products/ltm4668.html

[3] https://www.analog.com/en/products/max77655.html