Elektronika Praktyczna, luty 2013 - UlubionyKiosk

NOTATNIK KONSTRUKTORAPrzetwornice DC/DCProblemy techniczne przy zasilaniu wysokimnapięciem wejściowymW przetwornicach DC/DC stosuje się coraz wyższe częstotliwościprzełączania po to, aby zmniejszyć wymiary elementówindukcyjnych oraz kondensatorów wyjściowych i aby dzięki temumożna było zaoszczędzić miejsce na płytce drukowanej. Niestety,wyższa częstotliwość kluczowania utrudnia osiągnięcie niskiegonapięcia wyjściowego ze względu na krótki czas trwania impulsówPWM. W artykule zaprezentowano trzy przetwornice przykładowe, nabazie których zaprezentowano potencjalne korzyści oraz wyzwania,które stawia konstruktorowi praca z dużą częstotliwością.Wielu producentów układów scalonychdo przetwornic DC/DC pracujących z dużą częstotliwościąkluczowania agresywnie promujeswoje produkty jako główną korzyść podającniewielkie wymiary gotowego systemu zasilania.Przetwornica DC/DC pracująca z częstotliwościąkluczowania wynoszącą 1 lub 2 MHzjest świetną ideą, ale częstotliwość ta oddziałujena system zasilania na więcej sposobów, niżtylko zmniejszając jego wymiary i w pewnychwarunkach – podnosząc sprawność.Wybór aplikacjiAby pokazać konieczne do osiągnięcia kompromisywynikające z używania dużej częstotliwościkluczowania, zbudowano trzy niezależne,impulsowe źródła zasilania pracujące z częstotliwościamiprzełączania wynoszącymi: 100,300 i 750 kHz. We wszystkich tych zasilaczachzałożono napięcie wejściowe wynoszące 48 V,natomiast wyjściowe 5 V i prąd obciążenia 1 A.Dopuszczalne napięcie tętnień projektowanychprzetwornic ustalono na 50 mV, co wynosiokoło 1% napięcia wyjściowego. Ustalono również,że wartość szczyt-szczyt natężenia prąducewki będzie wynosiła 0,5 A. Zdecydowano sięna skonstruowanie każdej z omawianych przetwornicw oparciu o układ scalony TPS54160produkowany przez Texas Instruments. Jestto konwerter z wbudowanym tranzystoremkluczującym MOSFET, pracujący w konfiguracjistep-down z maksymalną częstotliwościąkluczowania 2,5 MHz. Dopuszczalne napięciewejściowe wynosi 60 V a maksymalny prądobciążenia 1,5 A. Układ TPS54160 wymagazewnętrznych elementów kompensujących.Częstotliwość kluczowania może być łatwoustalana przez konstruktora (również za pomocąelementów zewnętrznych). Układ jestprzeznaczony do stosowania w przetwornicachprzemysłowych pracujących przy podwyższonymnapięciu wejściowym.Wybór dławika i kondensatorawyjściowegoZmiana częstotliwości kluczowania wymagazmiany indukcyjności dławika oraz pojemnościkondensatora wyjściowego. Dla każdejz przetwornic wyznaczono wartości pojemnościi indukcyjności posługując się poniższymirównaniami.Indukcyjność dławika wyznaczono z równania:gdzie:– D: współczynnik wypełnienia = 5 V/48 V =0,104;– DI: 0,5 A pp.Pojemność kondensatora można wyznaczyćze wzoru:Dodatkowe informacje:http://power.ti.comhttp:// www.ti.com/sc/device/TPS54160gdzie:– DI: 0,5 A pp,– DV: 50 mV.Wyrażenie (2) uwzględnia, że zastosowanykondensator będzie miał pomijalnie małąrezystancję szeregową (ESR) – temu założeniuodpowiada zastosowanie kondensatora ceramicznego.Wszystkie kondensatory użyte w opisywanychprzetwornicach były kondensatorami ceramicznymize względu na niewielkie wymiaryi małą wartość ESR. Mnożnik „2” w równaniu(2) uwzględnia spadek pojemności związanyz polaryzacją kondensatora napięciem stałym.Do oceny sprawności poszczególnych przetwornicużyto obwodu pokazanego na rysunku1. Na schemacie przy niektórych komponentachnie ma wartości. Są to te elementy, którebyły modyfikowane dla każdej z częstotliwościkluczowania. Filtr wyjściowy zawiera dławik L1i kondensator C2. Wartości tych komponentówdla wykonanych trzech opracowań umieszczonow tabeli 1. Jak wspomniano, wyliczono je napodstawie wyrażeń 1a…2b. Należy zauważyć,że rezystancja stałoprądowa każdego dławikamaleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Dziejesię tak, ponieważ dławik używany przy wyższejczęstotliwości ma mniej zwojów, a tym samymjest mniejsza rezystancja drutu używanego dojego wykonania. Elementy pętli kompensacjiwzmacniacza błędu dobrano niezależnie dlakażdej częstotliwości przełączania. Obliczeniaumożliwiające dobranie tych elementów sąpoza ramami artykułu.Minimalny czas załączeniaPrzetwornice DC/DC są charakteryzowaneprzez minimalny, dający się kontrolować czaszałączenia, który jest utożsamiany z najkrótszymmożliwym do uzyskania impulsem obwodumodulacji PWM. W przetwornicy buckprocent czasu, w którym tranzystor MOSFETjest załączony w czasie cyklu przełączania jestnazywany współczynnikiem wypełnienia i odpowiadastosunkowi napięcia wyjściowego donapięcia wejściowego. Dla układu scalonegoTPS54160 współczynnik wypełnienia wynosi0,104 (5 V/48 V), a minimalny czas załączeniapodany w karcie katalogowej wynosi 130 ns.Minimalny czas trwania impulsu PWM skutkujenajmniejszym możliwym do osiągnięciawspółczynnikiem wypełnienia, który możebyć łatwo wyliczony przez wymnożenie minimalnegoczasu załączenia oraz częstotliwościkluczowania. Znając minimalny współczynnikwypełnienia, można oszacować najniższe napięciewyjściowe mnożąc napięcie wejścioweprzez niego. Najniższe napięcie wyjściowe jestrównież ograniczane przez napięcie referencyjneprzetwornicy, które w TPS54160 wynosi0,8 V.W tym przykładzie, napięcie wyjścioweo wartości 5 V może być generowane z częstotliwościąprzełączania 750 kHz (tabela 2). Jeśliczęstotliwość kluczowania wynosi 1 MHz, tonajniższe, możliwe do uzyskania w tej przetwornicynapięcie wyjściowe wzrasta do około6 V. Przy próbie uzyskania napięcia niższegood 6 V przetwornica będzie „gubiła impulsy”.Alternatywą jest obniżenie napięcia wejściowegolub częstotliwości kluczowania. Dlategoprzed wybraniem częstotliwości kluczowania,90 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2013