Выбор наилучшего DC/DC-преобразователя

Большое количество предлагаемых на рынке неизолированных DC/DC-преобразователей имеет разные опции, соответствующие источникам питания. У разработчиков есть выбор между функционально законченными модулями DC/DC-преобразователей и встраиваемыми решениями на основе ИС. Из-за стоимости и по ряду других причин встраиваемые решения становятся более популярными. Однако выбор оптимального встраиваемого DC/DC-преобразователя является непростой задачей.

Даже если разработчик ограничивается поиском требуемого решения среди изделий одного-единственного поставщика, ему приходится выбирать наилучшую комбинацию ИС и поддерживающих ее компонентов. При заданном наборе требований к входным и выходным параметрам источника питания отыщется более 50 возможных решений. Чтобы определить, какой из вариантов решений лучше всего подходит для конкретного приложения, разработчикам следует определить приоритеты для источников питания, например, такие как низкая стоимость, небольшое посадочное место или высокая эффективность.

К сожалению, эти приоритеты часто конфликтуют друг с другом, что усложняет поиск правильного решения. Для решения таких проблем поставщики полупроводниковых компонентов разрабатывают довольно сложные инструменты выбора требуемых изделий, выходящие за пределы простого параметрического поиска и справочных таблиц и переходящие в область проектирования источников питания. Примером таких инструментов является программный продукт WEBENCH Visualizer кампании National Semiconductor, позволяющий в режиме реального времени сравнивать большое количество вариантов различных источников питания. WEBENCH Visualizer представляет результаты поиска в графическом виде, что позволяет быстро найти компромисс среди многих вариантов решений. Описанный в статье пример выбора DC/DC-преобразователя демонстрирует возможности данной программы.

Ограничения инструментов выбора ИС

Перед началом проектирования источника питания инженер должен определиться с такими техническими параметрами как диапазон входных напряжений (VIN min, VIN max), выходным напряжением VOUT и током нагрузки IOUT. Затем разработчик должен выбрать регулятор напряжений. Это делается при помощи каталога параметров. Хороший каталог, представленный на веб-сайте производителя, позволяет провести поиск по первоначально указанным параметрам, таким как частота переключения, тип корпуса и другие типичные характеристики. Однако и после этого пользователю предстоит выбор из большого количества вариантов. Более того, жестко заданные значения параметров не могут определить все требования, поскольку они относятся к регулятору, а не ко всему источнику питания.

Например, в случае понижающих преобразователей, когда выходное напряжение незначительно отличается от входного, падение напряжения на источнике питания может оказаться слишком большим для поддержания заданного выходного напряжения в пределах диапазона рабочих характеристик регулятора. Такое падение напряжения следует рассчитать для каждого значения напряжения питания из списка. Для повышающих преобразователей пиковый ток переключения является функцией минимального входного напряжения, выходного напряжения и кпд регулятора. Эту величину также следует вычислить для каждого значения напряжения питания из списка.

Для контроллеров следует подобрать подходящие полевые транзисторы, соответствующие заданным в приложении значениям напряжения и тока, сохранив приемлемую эффективность источников питания. И в этом случае расчет ведется для каждого рассматриваемого варианта. И, наконец, пользователю желательно знать ключевые параметры выбранной модели, такие как перечень материалов и компонентов, из которых изготовлено изделие (ВОМ), посадочное место, эффективность и стоимость каждого варианта.

Определение всех этих параметров занимает немало времени. Необходимо выбрать ВОМ и провести расчеты токов и величины рассеяния мощности для всех возможных вариантов. Таким образом, для проведения хорошего параллельного сравнения вариантов по значимым параметрам моделей требуется большой объем работы. WEBENCH Visualizer кампании National Semiconductor автоматизирует процесс расчета значимых параметров, необходимых для параллельного сравнения. Эта программа использует для определения ВОМ и расчета рабочих характеристик оптимизированные алгоритмы, что позволяет получить интересующие данные в течение нескольких секунд и сравнить многие варианты моделей источников питания в реальном масштабе времени.

Применение WEBENCH Visualizer

Для примера рассмотрим приложение, требующее применения понижающего преобразователя с входным диапазоном напряжений 14…22 В, выходным напряжением 3,3 В при токе 2 А. На рисунке 1 показана диаграмма, на которой приведены расчетные значения посадочного места компонента, эффективность и стоимость ВОМ для 48 различных вариантов источников питания, удовлетворяющих таким входным и выходным критериям.

Рис. 1. Диаграмма эффективности, величины посадочного места и стоимости ВОМ для 48 вариантов источников питания

Ось у диаграммы соответствует величине посадочного места компонента, ось х — эффективности, а размер кругов соответствует стоимости ВОМ. Полученные результаты существенно различаются: площадь посадочного места варьируется в диапазоне 286—752 мм2, эффективность — 77—91%, а стоимость ВОМ — 2,46—5,52 долл.

Следует заметить, что модели с небольшими посадочными местами, как правило, отличаются низкой эффективностью, а модели с высоким кпд характеризуются большой площадью посадочного места. Это происходит из-за разницы в частоте переключения. Если увязать размер круга с частотой переключения, получится диаграмма, показанная на рисунке 2.

Рис. 2. Диаграмма эффективности, величины посадочного места и частоты переключения для 48 вариантов источников питания

Из рисунка видно, что большая часть моделей, обладающих более высокой частотой переключения (большой размер кругов), находится в нижнем левом углу диаграммы, где расположены источники питания с небольшими размерами посадочных мест, но низкой эффективностью. Если посмотреть в верхний правый угол диаграммы, где расположены модели с большими размерами посадочных мест и с высокой эффективностью, то можно увидеть, что частота переключения ниже (круги меньших размеров). Такие результаты напрямую связаны с потерями на переключение по переменному току.

Рис. 3. Диаграмма потерь на переключение в виде функции от времени спада и нарастания. Оранжевые прямоугольники показывают зоны рассеяния мощности, где ток и напряжение не равны нулю. При снижении частоты переключения процентная доля этих зон в периоде переключения уменьшается

На рисунке 3 показаны диаграммы тока и напряжения в полевом транзисторе за период переключения типового регулятора понижающего преобразователя. В течение времени нарастания и спада, когда ключ включается и выключается, напряжение и ток через транзистор не равны нулю. При этом происходит рассеяние мощности, равное произведению тока на напряжение, как это показано на рисунке оранжевыми прямоугольниками. Времена спада и нарастания сигнала почти не зависят от частоты переключения и являются практически постоянной величиной. С ростом частоты и уменьшением периода переключения времена спада и нарастания занимают все большую часть периода переключения, что ведет к снижению эффективности. И, наоборот, чем меньше частота переключения и длиннее его период, тем меньшую часть периода переключения занимают времена спада и нарастания, а эффективность выше.

Рис. 4. Для поддержания пикового тока постоянным при снижении частоты переключения индуктивность следует увеличивать. Это ведет к увеличению посадочного места катушки индуктивности

На низких частотах переключения необходимо оптимизировать размер посадочного места компонента. В основном, он определяется размером катушки индуктивности. Как показано на рисунке 4, пульсирующий ток через катушку, а, значит, и пиковый ток переключения пропорциональны времени включения и обратно пропорциональны индуктивности в соответствии с уравнением:

,

где dI — пульсирующий ток через катушку индуктивности; L — индуктивность; V — напряжение, приложенное к катушке; t — время включения ключа. При уменьшении частоты время включения увеличивается, и пиковый ток переключения также возрастает при условии, что индуктивность осталась неизменной. Для поддержания заданного значения пикового тока переключения индуктивность необходимо увеличить, что ведет к росту посадочного места катушки индуктивности.

Из рисунка 2 видно, что самые подходящие модели расположены в нижнем правом углу, поскольку именно в этой области находятся источники питания с высокой эффективностью и малыми размерами посадочных мест. Но, этого трудно достичь из-за фундаментальных противоречий. Анализируя рисунок, можно также отметить еще одну закономерность: если двигаться в направлении нижнего левого угла, размеры посадочных мест моделей становятся меньше, а их цена снижается. В основном, это связано с тем, что при снижении размеров пассивных компонентов они становятся дешевле.

Поскольку многие регуляторы напряжения имеют регулируемую частоту, можно оптимизировать работу источника питания, устанавливая более низкую частоту переключения и выбирая пассивные компоненты с меньшим рассеянием мощности, что повышает эффективность. В такой программе как WEBENCH Designer этот выбор осуществляется при помощи одной кнопки, предназначенной для проведения оптимизации и достижения высокой эффективности.

На рисунке 5 показана линейка моделей, выбранных по критерию высокой эффективности. Из рисунка видно, что многие современные модели имеют эффективность 90—93%. В то же самое время диапазон варьирования размеров посадочных мест компонентов также увеличился, и его верхняя граница составляет 1800 мм2. При высокой эффективности с этим обстоятельством приходится мириться. Несколько моделей в правой части рисунка, характеризующихся высокой эффективностью, использует контроллеры с внешними полевыми транзисторами.

Рис. 5. Диаграмма, показывающая оптимизацию моделей источников питания по критерию высокой эффективности. Ось у диаграммы соответствует величине посадочного места компонента, ось х — эффективности, а размер кругов показывает стоимость ВОМ

Такие модели могут быть эффективными за счет выбора полевых транзисторов с низким сопротивлением RDS(ON), что позволит снизить потери по постоянному току. При этом потери по переменному току будут небольшими благодаря низкой частоте переключения. Однако при этом из-за трудностей выбора полевых транзисторов могут усложниться схемы контроллеров по сравнению со схемами с интегрированными ключами, а также сложнее станет разводка печатной платы.

Модели в правой части рисунка имеют во вторичной цепи синхронные ключи, реализованные на полевых транзисторах, а не на диодах Шоттки. У полевых транзисторов с низким значением RDS(ON) меньше рассеивается мощность по сравнению с диодами, у которых высокий фиксированный уровень падения напряжения в диапазоне 0,4…0,5 В при токах и напряжениях, характерных для работы данных моделей.

Если сместиться в левую часть диаграммы в сторону снижения эффективности, можно заметить, что некоторые модели не соответствуют общей тенденции уменьшения размеров посадочных мест. Это связано с тем, что данные модели используют компоненты, которые работают с фиксированной частотой, превышающей частоту для моделей в правой части диаграммы. Можно также отметить группу моделей в верхнем левом углу, использующих ключи, которые изготовлены по устаревшим технологиям и имеют низкую эффективность и большие размеры посадочных мест. Данные модели до сих пор считаются востребованными, поскольку некоторые пользователи успешно используют их на протяжении долгого времени, даже идя на очевидные жертвы в виде низкой эффективности и больших габаритов.

В противоположном конце спектра можно найти модели с малым размером посадочных мест. На рисунке 6 показаны результаты такого типа оптимизации, проведенной при увеличении частоты и выборе компонентов меньшего размера. Из рисунка видно, что в результате этой оптимизации размеры посадочных мест действительно уменьшились до 244 мм2. В то же время эффективность самой миниатюрной модели уменьшилась приблизительно до 72%.

После анализа всех вариантов источников питания для нашего примера были определены пределы оптимизации по критериям размеров посадочных мест, стоимости и эффективности. Эти результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1. Варианты моделей понижающего преобразователя с одним оптимизируемым параметром

Оптимизируемый параметр	Размер посадочного места, мм2	Эффективность, %	Стоимость ВОМ, долл.
Минимальный размер посадочного места	244	72	2,69
Минимальная стоимость	425	80	2,31
Максимальная эффективность	1246	93	5,06

Как видно из этих результатов, основные отмеченные выше тенденции остались в силе. Модель с минимальным размером посадочного места имеет наименьшую эффективность, а самая высокая эффективность — у модели максимальных размеров. При этом самая дешевая модель занимает некое промежуточное положение.

Задача разработчика заключается в выборе наилучшей модели или в поиске компромисса между параметрами. Таким образом, очевидно, что применение современных средств визуализации и оптимизации, например WEBENCH Designer компании National Semiconductor, позволяет разработчику источников питания быстро проанализировать огромное количество вариантов и найти требуемую модель в течение нескольких минут. В противном случае для решения этой задачи могло бы понадобиться много дней работы, если это вообще было бы возможно.