Журнал "Новости Электроники", номер 15, 2009 год.

Журнал "Новости Электроники", номер 15, 2009 год.DC/DC-конверторы SupIRBuck в распределенных системах электропитанияОлег Стариков (КОМПЭЛ), Андрей Никитин В статье рассматриваются вопросы применения синхронных понижающих DC/DC-конверторов SupIRBuck компании International Rectifier в распределенных системах элек-тропитания. Отдельное внимание уделяется достоинствам нового поколения конверторов Gen2, появившихся на рынке в феврале 2009 года.

Свыше десяти лет системы электропитания телекоммуникационного оборудования, систем сбора и обработки информации, промышленной электроники строятся, в большинстве случаев, на принципе сосредоточенной архитектуры, пример которой приведен на рисунке 1.

 

 

Рис. 1. Сосредоточенная архитектура системы электропитания

Сосредоточенная архитектура предполагала использование AC/DC-конвертора, который преобразовывал сетевое напряжение переменного тока в первичное напряжение постоянного тока (как правило, 18...36 В), которое затем преобразовывалось изолированными DC/DC-конверторами до более низких (вторичных) напряжений питания функциональных плат. Для подобной архитектуры было характерно следующее:

Вся система электропитания была выполнена в виде одного модуля (платы) или нескольких модулей, размещенных компактной группой.Использовался ограниченный ряд номиналов напряжения питания (обычно +5 В для цифровых микросхем и ±12В для аналоговых).По системе разводились (объединительной платой или проводным монтажом) только шины вторичного напряжения.Функциональные платы не имели собственных вторичных источников питания.

Подобная архитектура электропитания использовалась при компактном размещении крупных конструктивных единиц (стоек, блоков и т.п.), образующих систему.

Если же система была разнесена в пространстве, то использовалась распределенная архитектура электропитания. Пример такой архитектуры, (так, как ее понимали в то время), представлен на рисунке 2.

 

 

Рис. 2. Распределенная архитектура системы электропитания

В этом случае крупные конструктивные единицы (стойки, блоки) питались первичным постоянным напряжением и имели собственные модули вторичного электропитания. В пределах блока архитектура электропитания продолжала оставаться сосредоточенной.

Однако дальнейшее развитие индустрии электронных компонентов привело к тому, что рассмотренные архитектуры перестали соответствовать требованиям времени. К этому привели следующие причины:

Стала очевидной тенденция к снижению номиналов напряжений питания цифровых интегральных схем. Традиционная пятивольтовая логика стала вытесняться сначала сериями ИС, использующими питание 3,3В и, в дальнейшем, 2,5 и 1,8В.Получающие широкое распространение БИС программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA) и цифровых сигнальных процессоров используют несколько номиналов напряжений питания. Так, например, современные FPGA семейств Virtex и Spartan (компании Xilinx) используют три номинала: 1,2В для питания ядра (VCORE); 3,3В для питания ячеек ввода-вывода (VIO); 2,5В для питания вспомогательных схем (VAUX). Микросхемы внешней памяти часто используют питание 1,8В, а каналы обмена данными (CAN, RS232 и др.)- традиционные 5В. Иными словами, разнообразие номиналов питающих напряжений становится не исключением, а правилом.Существенное значение имеет временная циклограмма последовательности включения и отключения источников питания различных напряжений, часто отличающаяся для различных функциональных плат. Реализовать подобную циклограмму из единого модуля электропитания, как правило, не представляется возможным.Наконец, организовывать питание функциональных плат низковольтным напряжением из единого источника (например, через объединительную плату) нецелесообразно по ряду объективных причин: падение напряжения на проводниках, помехи на длинных линиях и т.д.

Исходя из этого, можно сформулировать главные отличительные особенности современных распределенных систем электропитания:

В качестве входного напряжения функциональных плат используется первичное напряжение постоянного тока, а в состав плат входят вторичные неизолированные DC/DC-конверторы, формирующие все необходимые напряжения для питания нагрузки.Поскольку вторичный DC/DC-конвертор обеспечивает питанием единственную функциональную плату (или ее функциональный фрагмент), то появляется возможность расположить конвертор в непосредственной близости от нагрузки. Это позволяет минимизировать длину проводников, подводящих питание к нагрузке, и падение напряжения на них, а также ограничить распространение радиопомех.

Вторичные DC/DC-конверторы, устанавливаемые в непосредственной близости от нагрузки, получили название PoL DC/DC-конверторы (Point of Load - точка нагрузки). Варианты современных архитектур распределенного электропитания, использующие PoL-конверторы, представлены на рисунке 3.

 

 

Рис. 3. Распределенные архитектуры систем электропитания, использующие DC/DC-конверторы Point-of-Load

Первый вариант применяется, если в системе используется относительно низковольтное (до 20 В) первичное постоянное напряжение. В этом случае первичный DC/DC-конвертор размещен в модуле питания, а функциональные платы содержат только PoL-конверторы.

Однако в ряде приложений, в соответствии с различными нормативными документами, используется более высокое первичное напряжение. Например, 36...60 В - для телекоммуникационных приложений; 18...36 В - для промышленного оборудования; 42...53 В - для систем сбора и обработки информации. Поскольку максимальное входное напряжение PoL-конверторов обычно не превышает 15...20 В, то непосредственно на функциональных платах помимо PoL-конверторов используется понижающий DC/DС-конвертор (второй вариант). Причем в этом случае модуль питания может и не содержать понижающих DC/DC-конверторов (как это показано на рисунке).

Заметим, что при использовании в качестве PoL-конвертора импульсного понижающего регулятора, как правило, применяется синхронная схема. Напомним, что в классической схеме импульсного понижающего регулятора в верхнем плече выходного каскада используется транзистор в ключевом режиме, а в нижнем - внешний диод, через который замыкается цепь нагрузки в фазе разряда [1]. В синхронных регуляторах в нижнем плече также используется транзистор, работающий в противофазе с первым. Преимущества синхронных преобразователей применительно к малым выходным напряжениям и большим токам (типичный случай для PoL-конверторов) подробно рассмотрены в [2]. Главное преимущество: при токах нагрузки от 4 до 12 А мощность, рассеиваемая на диоде, от двух до шести раз превосходит мощность, рассеиваемую на транзисторе. Таким образом, применение синхронной схемы положительно сказывается на эффективности конвертора и существенно упрощает решения по отводу тепла.

 

Семейство SupIRBuck
DC/DC-конверторов Point-of-Load
компании IR 

В широком смысле термин "Point-of-Load" определяет скорее описанный выше способ применения DC/DC-конверторов, а не конкретный класс преобразователей. Однако многие производители выделяют из своей продукции линейки устройств, максимально соответствующие требованиям данных приложений.

Компания IR выпускает следующие компоненты для построения PoL-конверторов:

Интегрированные модули для DC/DC-конверторов семейства iPowIR;Микросхемы импульсных синхронных понижающих DC/DC-конверторы со встроенным ключом семейства SupIRBuck;Микросхемы импульсных синхронных ШИМ-контроллеров (для построения DC/DC-конверторов с внешним ключом).

Предметом данной статьи являются микросхемы семейства SupIRBuck.

В таблице 1 представлены микросхемы этого семейства.

Семейство конверторов SupIRBuck включает два поколения приборов:

IR381x, IR382x (анонсированы в ноябре 2007 года) и IR380x (выпущены на рынок в мае 2008 года).Gen2- линейки IR383x и IR384x, анонсированные в феврале 2009 года (микросхемы IR3830 и IR3832 готовятся к выпуску и уже упоминаются в [3]).

 

Первое поколение
DC/DC-конверторов SupIRBuck 

Первое поколение конверторов SupIRBuck позиционировалось для применения в качестве PoL-конверторов напряжения в серверном, телекоммуникационном и промышленном оборудовании с множеством распределенных низковольтных (0,7...5 В) сильноточных (от нескольких А и выше) нагрузок. Примерами таких нагрузок являются высокопроизводительные микропроцессоры, сигнальные и графические процессоры, СБИС FPGA, модули хранения данных и т.д.

Рассмотрим общие свойства трех линеек (IR380x, IR381x и IR382x) этого поколения:

Микросхемы представляют собой импульсные синхронные понижающие стабилизаторы напряжения с внутренним силовым Trench MOSFET-транзистором. Величина выходного напряжения регулируется и задается резистивным делителем в цепи обратной связи.Микросхемы выпускаются в компактном корпусе PowerQFN размера 5х6мм. По оценкам специалистов компании IR это позволяет на 70% сократить площадь фрагмента на печатной плате по сравнению с аналогичным вариантом устройства на дискретных компонентах.Микросхемы в рамках одной линейки имеют одинаковую цоколевку выводов. Это позволяет при необходимости увеличить ток нагрузки, например, заменить микросхему IR3802M на любую из ряда IR380xM без изменений печатной платы.Микросхемы разработаны на диапазон входных напряжений 2,5...21Вольт и обеспечивают выходное напряжение от 0,6В.Частота коммутации постоянна и равно 600кГц (для микросхем IR380xM).Максимальный выходной ток составляет 4 (для IR38x2M), 7 (для IR38x1M) и 12А (для IR38x0M). Вмикросхемах IR380xAM максимальный выходной ток увеличен на 2А за счет снижения частоты до 300кГц.Микросхемы имеют средства защиты (блокировки) при превышении максимально допустимого тока в нагрузке (OCP) и при перегревании кристалла (OTP).В микросхемах реализована функция плавного старта (Soft Start) с возможностью задания его продолжительности.В микросхемах реализована возможность монотонного запуска в условиях предварительно смещенной нагрузки (Pre-Bias).

Помимо этого в микросхемах IR381x реализована дополнительная функция следящего управления выходным напряжением (Tracking), а в микросхемах IR382x - функция мониторинга выходного напряжения (PGood). Микросхемы IR38x0 дополнительных функций не имеют.

 

Второе поколение
DC/DC-конверторов SupIRBuck 

Как отмечалось выше, второе поколение Gen2 включает две линейки IR383x (с функцией Tracking, как развитие IR381x) и IR384x (с функцией Power Good, как развитие IR382x). Рассмотрим основные отличия микросхем поколения Gen2 от изделий предшествующего поколения:

Частота коммутации изменяется от 250 до 1500кГц и задается внешним резистором. Более высокая частота коммутации дает возможность использовать катушки индуктивности и конденсаторы меньших номиналов и, соответственно, меньших габаритов, что позволяет дополнительно уменьшить площадь, занимаемую конвертором не печатной плате.Бутстрепный диод интегрирован в корпус микросхемы (в отличие от конверторов первого поколения), что уменьшает число внешних компонентов и упрощает схему и, как следствие, опять же уменьшает площадь на печатной плате. В качестве примера на рисунке 4 приведены типовые схемы включения микросхемы IR3842 и ее прототипа IR3822. Более ярким цветом выделены элементы, которые отсутствуют при использовании конвертора IR3842.

 

 

Рис. 4. Типовые схемы включения конверторов IR3822 и IR3842

Примерно на 2% увеличен коэффициент полезного действия (при прочих равных условиях), что снижает нагрев корпуса микросхемы и позволяет упростить решения по отводу тепла. На рисунке 5 приведены тепловизионные фотографии PoL-конверторов IR3822 и IR3842 при одинаковых режимах работы.

 

 

Рис. 5. Тепловизионные фотографии PoL-конверторов IR3822 и IR3842

Величина максимального входного напряжения снижена с 21 до 16В. Однако более высокий (до 92%) коэффициент заполнения рабочего цикла (Max Duty Cycle) обеспечивает возможность получения более высокого выходного напряжения (14,5В против 12 у микросхем первого поколения).Наличие входов Enable и Sequence позволяет использовать DC/DC-конвертор в системах электропитания со сложной циклограммой включения и отключения нескольких источников питания.

 

Сервисные функции
DC/DC-конверторов SupIRBuck

Рассмотрим кратко сервисные функции конверторов SupIRBuck первого и второго поколений. Защита от перегрева кристалла (OTP). Все конверторы семейства SupIRBuck имеют встроенные схемы, отключающие нагрузку при нагревании кристалла до температуры выше 140°С. При этом закрываются оба транзистора выходного каскада. Разблокировка происходит при снижении температуры ниже 120°С.

Защита от перегрузки по току (OCP). В конверторах SupIRBuck применено оригинальное схемное решение защиты от токовой перегрузки. В качестве датчика тока не используется токоизмерительный резистор. В конверторах SupIRBuck в этом качестве используется канал MOSFET-транзистора синхронного выпрямителя. Такое решение снижает потери мощности и увеличивает эффективность преобразователя и, кроме того, снижает стоимость конечного решения за счет исключения из схемы токоизмерительного резистора. Токовая защита не является прецизионной, она носит предохранительный характер и срабатывание происходит при 50-процентном превышении тока в нагрузке. Через некоторое время делается попытка отключить блокировку и вновь провести измерение выходного тока. Если перегрузка все так же будет иметь место, нагрузка вновь будет отключена и через некоторое время будет сделана новая попытка, до тех пор, пока не будет устранена причина перегрузки.

Запуск в условиях предварительно-смещенной нагрузки (Pre-Bias). В некоторых схемах во время подачи питания нагрузка может находиться под остаточным напряжением. В этих случаях при включении питания важно обеспечить монотонность возрастающего напряжения и исключить броски тока. Транзистор нижнего плеча (синхронный выпрямитель) работает в противофазе транзистору верхнего плеча (коммутирующему элементу), поэтому при подаче питания выпрямитель будет шунтировать остаточное напряжение на нагрузке через дроссель выходного LC-фильтра. Вследствие этого выходное напряжение будет иметь рывки, что недопустимо. У преобразователей SupIRBuck эта проблема решается блокировкой работы синхронного выпрямителя в период плавного запуска схемы.

Функция плавного старта (Soft Start). Данная функция также реализована во всех контроллерах семейства SupIRBuck. Рост напряжения на выходе схемы не носит резкий характер, а происходит постепенно, что исключает нежелательные броски тока в нагрузке. Продолжительность плавного старта определяется номиналом конденсатора, подключенного ко входу SS/-SD.

Функция мониторинга выходного напряжения (PowerGood). Конверторы IR382x и IR384x оснащены схемой мониторинга напряжения. Выход PowerGood переходит в низкое состояние, если напряжение питания микросхемы станет меньше порогового значения. В противном случае выход PGOOD будет находиться в высокоимпедансном состоянии, сигнализируя о корректности уровня выходного напряжения. Функция PowerGood (а также Tracking и SEQ) могут использоваться для организации упорядоченного запуска нескольких преобразователей в системе электропитания.

 

Литература

1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: Солон-Пресс, 2005.

2. Бокок Г. Закономерные тенденции синхронного выпрямления. - Современная электроника, ╧1, 2005.

3. Point-of-Load. Product Selection Guide// материал компании IR, 2009.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Вернуться к содержанию номера







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.