Vítejte, dnes je
sobota 23.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Napájet elektronické systémy dnes obnáší mnohem víc než jen pouhé přivedení nějaké dimenzované „hladiny“. Vždyť se také ustálilo slovní spojení „Power Management“ odkazující na postupy, které zde míváme přesně pod kontrolou. Nebo bychom alespoň měli mít.
Efektivní řízení napájení stálo dříve spíše v pozadí, což se ale s nástupem chytrých technologií, nositelných zařízení, elektrovozidel či datových center začíná rychle měnit. V principu jde stále o to samé, jen to budeme zase o něco přísněji sledovat a vzletně nazývat „moderními trendy“. Proč také ne. Elektronika je zkrátka všude, kam se podíváte, a pokud chce před ní někdo utéct, bude muset zanedlouho utíkat i před sebou samým.
Ale zpátky k zemi, třeba i té výkonové. Budoucnost zde patří návrhům, které neplýtvají místem, neruší a rušeny samy nebudou, nezatěžují zbytečně baterii a v neposlední řadě rovněž neublíží. Stejně to vidí také ve firmě Texas Instruments [1], až by se chtělo říct přímo „u zdroje“. Pojďte se společně s námi na jednotlivé okruhy blíže podívat. Přehled zde zároveň ilustrujeme vhodnými součástkami, takže je určitě z čeho vybírat.
Požadavky na možnosti elektronických systémů a jejich funkce neustále rostou, ovšem energie, kterou máme zrovna k dispozici, již nemusí stačit. Začínáme tedy u výkonové hustoty, tedy výkonu, který za daného omezení prostorem dokážeme zpracovat a nabídnout. Pomůže nám rostoucí účinnost, tzn. i menší ztráty a související nároky na chlazení, stejně jako vyšší spínací frekvence.
Z pohledu součástkové základny se pak budou hodit šikovnější prvky s vyšší mírou integrace, jako je třeba spínač zátěže TPS22992 (celým názvem 5,5V, 6A, 10mΩ spínač zátěže s nastavitelnou dobou náběhu a také nastavitelným, rychlým vybíjením výstupu) nebo tranzistor FET LMG3422R030 stavějící dle obr. 1 na technologiích nitridu galia (600V, 30mΩ GaN FET s vlastním budičem, ochranou a hlášením o teplotě), které v obou případech pamatují (nejen) na vlastní integrované buzení. Velké pole působnosti pro obvody GaN sledujeme třeba u AC/DC nabíječek nebo serverů a jejich zdrojů, ovšem otázce hustoty výkonu se dnes nevyhneme prakticky nikde. To by lidé nesměli chtít malé věci a s ještě nižší spotřebou, ale k tomu se ještě dostaneme.
S elektromagnetickými interferencemi, přirozeným nežádoucím produktem při spínání proudů a napětí, není radno si zahrávat, zvláště pak v průmyslových návrzích či systémech pro automobily. Mnohem lepší proto bude mít je od počátku přísně pod kontrolou. Kromě menších pasivních filtrů a jednoduššího zapojení si tak ušetříme i spoustu času.
Obvody LM25149-Q1, resp. LM25149 (42V synchronně snižující DC/DC kontrolér s mimořádně nízkým IQ a integrovaným aktivním filtrem EMI), již můžete znát z našeho časopisu [3]. Mezi novinkami od TI pak rovněž stojí za zmínku měnič LMQ66430-Q1 (36V, 3A synchronně snižující měnič pro automobilový průmysl s nízkým rušením EMI a proudem IQ 1,5 μA), jehož nedílnou součástí budou i klíčové kapacity. Vývojáři tak průmyslovým standardům vyhoví zase o něco snáz.
Pokud má elektronické zařízení vydržet dlouho v provozu, navíc bez rizika vybité baterie po delší době nečinnosti, příp. i skladování, je zapotřebí úzkostně sledovat jeho klidovou spotřebu, proud IQ, který systém odebírá v pohotovostním režimu. Týkat se to může chytrých hodinek, monitorovacích zařízení ve zdravotnictví nebo např. detektorů kouře, tedy návrhů, které většinu času netráví jakoukoli aktivitou a čekají pouze na kratičká probuzení.
Ilustračním příkladem vhodného zdroje se stává obvod TPS61094 (obousměrný snižující/zvyšující měnič s režimem Bypass a klidovou spotřebou 60 nA) na obr. 2, který rovněž umožňuje nabíjet podpůrné superkapacity. Na webových stránkách DPS Elektronika od A do Z jsme jej zmiňovali již dříve v [5].
A zase to rušení. Na vině mohou být různé „zdroje“ a prakticky jakákoli součástka. Smyslem je tedy potlačit nechtěné projevy, které si v návrhu s integrovanými obvody sami buď vyrábíme, nebo se k nám rovněž dostávají odjinud. Vždyť zde také máme spoustu precizních, a tudíž i citlivých aplikací stavějících na analogově-číslicových převodnících, front-endech či zdrojích taktovacího signálu, které nesmíme za žádnou cenu ohrozit.
Pro napájení vysokofrekvenční techniky se může hodit obvod TPS7A94 (1A stabilizátor napětí pro vf aplikace s mimořádně nízkým šumem a vysokým činitelem PSRR), který v jeho typickém zapojení vidíme pracovat na obr. 3. V době přípravy článku byla součástka stále ve fázi „Preview“.
Ačkoli otázky spojené s izolací přichází na řadu až jako poslední, rozhodně tím nijak nesnižujeme jejich význam. Ochranná bariéra je tu a tam prostě zapotřebí a zase tolik nerozlišujeme, zda půjde o samotné napájení, signály nebo vše dohromady.
V podobě dalšího z obvodů od Texas Instruments, které do sériové výroby teprve míří, UCC14240-Q1 (1,5W, 24VIN, 3kVRMS nastavitelný izolovaný DC/DC modul s integrovaným transformátorem, vhodný pro automobilový průmysl), vývojáři kupříkladu dostanou drobné řešení v pouzdrech typu SSOP, které mohou dle blokového diagramu na obr. 4 použít v elektrovozidlech k napájení budičů hradel tranzistorů IGBT nebo SiC.
[1] 5 trends shaping the future of power management, https://news.ti.com/blog/2022/04/06/5-trends-shaping-futurepower-management
[2] Obvody LMG3422R030, https://www.ti.com/product/LMG3422R030
[3] Rozruch ve spektru se nekoná. Poděkujte filtru AEF, https://www.dps-az.cz/vyvoj/id:80026/rozruchve-spektru-se-nekonapodekujte-filtru-aef
[4] Obvody TPS61094, https://www.ti.com/product/TPS61094
[5] Chytrá měřidla napájí měniče od TI. A také superkapacity, https://www.dps-az.cz/vyvoj/novinky/id:83079/chytra-meridlanapaji-menice-od-ti-a-takesuperkapacity
[6] Obvody TPS7A94, https://www.ti.com/product/TPS7A94
[7] Obvody UCC14240-Q1, https://www.ti.com/product/UCC14240-Q1
