Проектирование ультратонкого понижающего преобразователя
За последние 10 лет размеры многих электронных устройств заметно уменьшились. В наибольшей мере эта тенденция заметна в потребительской электронике, где сокращение размеров проявилось в уменьшении толщины изделий – они стали тоньше; при этом потребляемая ими мощность возросла. В результате увеличился рыночный спрос на более тонкие модули источников питания с большей плотностью мощности. В статье рассматривается возможность использования разных топологий неизолированных понижающих DC/DC-преобразователей в ультратонком модуле 48/28 В, рассчитанного на мощность 250 Вт.
Введение
Для сравнения были выбраны две из этих топологий, а именно двухфазная понижающая и трехуровневая понижающая. затем на основе этих топологий были разработаны, построены и протестированы преобразователи. В них использовались GaN-к лючи, чтобы в еще большей мере сократить размеры преобразователей и повысить эффективность по сравнению с той, которую обеспечивают MOSFET.
В статье описывается несколько топологий, и анализируются полученные экспериментальные результаты, а также определяется оптимальное решение для рассматриваемого приложения. Сначала обсуждаются ключевые проблемы проектирования, чтобы понять, почему лучшими решениями стали двухфазная понижающая и трехуровневая понижающая топологии.
Проблемы проектирования и топологии
Препятствием на пути уменьшения толщины понижающего преобразователя является использование магнитных компонентов. Разработчики, как правило, устанавливают их на печатную плату [1–2] или повышают коммутационную частоту, чтобы сократить их размеры [3–4]. В первом случае усложняется схема и сборка, а во втором требуются новые методы, чтобы уменьшить коммутационные потери во избежание падения КПД, из-за чего ухудшается тепловой режим. Все указанные проблемы препятствуют построению стандартного синхронного понижающего преобразователя.
Понижающий преобразователь с переключением при нулевом напряжении (ZVS) имеет минимальные потери на достаточно высоких частотах [3, 5], но основная сложность при использовании этой топологии заключается в сложном управлении. Многофазный преобразователь с жесткой коммутацией, состоящий из нескольких чередующихся синхронных понижающих каскадов, позволяет использовать дроссели меньшей толщины, распределяя выходную мощность, с которой, например, работает один большой дроссель в синхронном понижающем преобразователе, между несколькими дросселями малого размера. Однако такой подход не исключает потери эффективности и возникновении проблем с тепловым режимом этих дросселей. Поскольку магнитный поток каждого дросселя не меняется, требуется более высокая индуктивность, чтобы сохранить уровень пульсации тока на фазу в допустимых пределах, иначе высокий ток пульсации может вызвать большие потери.
В другой топологии ток пульсации дросселя многоуровневого преобразователя может достигать того же уровня, что и в случае использования синхронного понижающего преобразователя с меньшей коммутационной частотой и индуктивностью [7–9]. В результате появляется возможность уменьшить коммутационные потери и размер дросселя. Однако реализация бутстрепной цепи для питания драйвера верхнего ключа, управления пуском преобразователя, а также балансировки напряжения плавающего конденсатора в резонансной цепи может оказаться трудновыполнимой.
Гибридный синхронный понижающий преобразователь сочетает в себе многоуровневый преобразователь с синхронным понижающим преобразователем, что позволяет повысить КПД и уменьшить уровень ЭМП [10–11]. В отличие от стандартного многоуровневого преобразователя, эффективная частота, на которой работает дроссель, попрежнему равна коммутационной, что усложняет задачу по уменьшению размера дросселя.
Безиндуктивный преобразователь на коммутируемых конденсаторах исключает необходимость в дросселе и, таким образом, является идеальным устройством для реализации модуля малой толщины. Однако основные проблемы при использовании этого преобразователя заключаются в узких диапазонах значений коэффициента понижающего преобразования напряжения, с табилизации напряжения и в усложнении схемы при увеличении числа уровней напряжения [12].
Мы рассмотрим проектирование ультратонкого 250-Вт преобразователя 48/20 В на основе двухфазной и трехуровневой топологий. Проектные условия перечислены в таблице 1. И электрические характеристики, и ограничения на высоту компонентов диктуются требованиями приложения с игровым ноутбуком.
Для каждой топологии выбираются такие GaN-ключи, которые позволяют повысить КПД и плотность мощности [13]. Давайте сравним эффективность этих двух топологий.
Двухфазная топология
Для проектирования ультратонкого преобразователя применяется двухфазная топология (см. рис. 1). В качестве четырех ключей были выбраны 100-В, 5,6-мОм компоненты EPC2045 [14]. Для управления использовался двухфазный контроллер LM5143 с интегрированным драйвером затвора от Texas Instruments.
Таблица 1
Проектные условия для построения ультратонкого преобразователя
Значения индуктивности и коммутационной частоты выбираются исходя из уравнения (1):
где D – коэффициент заполнения Q1; fSW – коммутационная частота; ΔIL – ток пульсации дросселя (пик–пик).
Хотя каждому дросселю требуется меньший номинальный ток, благодаря чему допускается использование низкопрофильного дросселя, необходимо повысить индуктивность, чтобы ограничить пульсацию тока и, следовательно, уменьшить потери в сердечнике. В рассматриваемом случае был выбран 3,5-мм, 10-мкГн дроссель IHLP5050CE-01 от Vishay, а коммутационная частота равнялась 400 кГц, чтобы потери мощности были наименьшими. Величина индуктивности 10 мкГн позволяет сократить пульсацию тока примерно до 30% от выходного тока на фазу и уменьшить потери в сердечнике по сравнению с компонентами, у которых индуктивность меньше.
В таблице 2 представлены значения параметров и расчетная величина потерь дросселей [15]. У этих дросселей высока рассеиваемая мощность. заметим, что дальнейшее увеличение индуктивности с целью уменьшить пульсацию тока позволяет сократить потери дросселя. Однако с учетом ограничений по высоте и номинальной величине тока эту возможность нельзя было осуществить с использованием стандартных серийных дросселей на момент реализации рассматриваемой схемы.
Таким образом, применение многофазной топологии ограничено при создании ультратонкого силового модуля: хотя требуемый номинальный ток стал меньше, величина магнитного потока осталась той же. Следовательно, чтобы потери в сердечнике каждого дросселя были малы, необходима более высокая индуктивность.
Рисунок 1
Рисунок 2
Упрощенная структурная схема двухфазного преобразователя
Прототип двухфазного 250-Вт преобразователя 48/20 В на GaN-ключах
Таблица 2
Значения параметров и расчетная величина потерь дросселей в двухуровневом преобразователе
На рисунке 2 показан прототип двухфазного преобразователя. Его фазы должны быть как можно более симметричными во избежание неравного распределения тока между ними. Все компоненты находятся на верхней стороне печатной платы, а их высота ограничена 3,5 мм.
Рисунок 3
Рисунок 4
Упрощенная структурная схема трехуровневого преобразователя
Моменты коммутации ключей трехуровневого DC/DC-преобразователя при D < 50%
Трехуровневая топология
На рисунке 3 показана трехуровневая топология ультратонкого преобразователя, а на рисунке 4 – моменты коммутации ключей при коэффициенте заполнения не более 50%. Ключи Q1 и Q4 являются комплементарными, как и пара ключей Q2 и Q3.
В идеальном случае у ключей Q1 и Q4 – тот же коэффициент заполнения, и они на 180° смещены по фазе относительно друг друга. В нормальном режиме среднее напряжение плавающего конденсатора VFLY = ½VIN, поэтому всем четырем GaN-ключам достаточно иметь нормируемое напряжение ½VIN. Таким образом, можно использовать GaN-ключи с меньшим номинальным напряжением, что уменьшает их потери.
В качестве ключей Q2– Q 4 были выбраны 40 -В, 2,8-мОм компоненты EPC2055 с тем же размером, что и у 100-В, 5,6-мОм EPC2045 двухфазного преобразователя. Однако в качестве Q1 был выбран 100-В, 2,8-мОм компонент EPC2218, т. к. он должен блокировать полное входное напряжение в течение короткого периода времени при запуске.
Анализ временной диаграммы показывает, что дроссель работает на частоте, вдвое превышающей коммутационную. Связь между выходной индуктивностью и коммутационной частотой определяется уравнением (2):
где D – коэффициент заполнения для ключей Q1 и Q2; D < 50%.
По сравнению со стандартным двухуровневым синхронным понижающим преобразователем, у которого выходная индуктивность определяется уравнением (1), величина индуктивности, необходимая для использования в трехуровневом преобразователе при том же значении ΔIL, намного меньше, что упрощает выбор низкопрофильного дросселя. Сравнение этой топологии с двухфазной осуществляется при той же коммутационной частоте 400 кГц и той же высоте дросселя 3,5 мм.
Таблица 3
Значения параметров и расчетная величина потери дросселя в трехуровневом преобразователе
В качестве дросселя был выбран компонент 7443762504022 компании Würth с индуктивностью 2,4 мкГн. значения его параметров и расчетные потери приведены в таблице 3. У этого дросселя намного меньше рассеиваемая мощность, чем у того, который применяется в двухфазном преобразователе. заметим, что потери в дросселе следует умножить на два, т. к. в двухфазном преобразователе используются два компонента.
чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами GaN-ключей с меньшим номинальным напряжением, напряжение плавающего конденсатора поддерживается на уровне ½VIN во избежание падения чрезмерного напряжения на GaN-к лючах. Таким образом, плавающий конденсатор должен ограничить пульсацию напряжения ΔVCfly_пик-пик достаточно малой величиной согласно уравнению (3):
При этом номинальные значения напряжения и тока определяются уравнениями (4–5):
Учитывая, что емкость керамического конденсатора уменьшается с ростом на нем напряжения [16], было параллельно установлено шесть 2,2-мкФ, 50-В конденсаторов X5R GRM188R61H225KE11D, обеспечивших эффективную емкость 2,2 мкФ при напряжении 24 В и токонесущей способности 12 А.
Для управления трехуровневым преобразователем требуется не только стабилизация выходного напряжения, но и балансировка с помощью плавающего конденсатора в нормальном режиме эксплуатации и при запуске. В качестве контроллера трехуровневого преобразователя был выбран цифровой сигнальный контроллер dsPIC33CK32MP102 компании Microchip.
Прототип трехуровневого преобразователя показан на рисунке 5. Все компоненты находятся на верхней стороне печатной платы, а их высота ограничена 3,5 мм.
Оценка функционирования
Мы испытали два преобразователя одинаковой толщины и с одинаковыми номинальными мощностями. На рисунке 6 показаны коммутационные сигналы двухфазного и трехуровневого преобразователей 48/20 В при выходном токе 12,5 А.
Из рисунка 6 видно, что у трехуровневого преобразователя вдвое больше частота и коэффициент заполнения для ключа, а амплитуда примерно в два раза меньше. Измеренная величина ΔVCfly_пик-пик равна 6 В, а расчетное значение, полученное с помощью уравнения (3), составляет 5,9 В.
Суммарные КПД двух преобразователей, включая расход мощности на управление при входном напряжении 48 В и выходном 20 В, показаны на рисунке 7. При той же коммутационной частоте 400 кГц пиковый КПД трехуровневого преобразователя достигает 98%, что на 1% больше, чем у двухфазного преобразователя, благодаря чему потери уменьшаются на 37% при полной нагрузке. Это обстоятельство объясняется тем, что в трехуровневом преобразователе используются 40-В GaN-ключи с меньшим значением RDS(on) и дроссель, у которого значительно меньше активное сопротивление. Кроме того, потери в сердечнике дросселя ниже благодаря большей частоте и меньшей пульсации тока.
На рисунке 8 показаны тепловизионные изображения двух рассматриваемых преобразователей, работающих на полную мощность в режиме охлаждения воздухом со скоростью 800 фут/мин. Видно, что у большинства компонентов трехуровневого преобразователя температура повышается в меньшей мере.
Рисунок 5
Рисунок 6
Фото трехуровневого 250-Вт преобразователя 48/20 В на базе GaN-ключа
Сигналы коммутационного узла: а) двухфазного и б) трехуровневого преобразователей 48/20 В при выходном токе 12,5 А
Рисунок 7
Рисунок 8
Суммарный КПД трехуровневого и двухфазного преобразователей 48/20 В
Тепловые характеристики: а) двухфазного и б) трехуровневого преобразователей 48/20 В, полученные при выходном токе 12,5 А. Измерения проводились после установления теплового режима в режиме обдува воздухом со скоростью 800 фут/мин
Выводы
Мы рассмотрели основные трудности проектирования и преимущества стандартных понижающих DC/DC-топологий, использующихся для построения ультратонких 250-Вт преобразователей 48/20 В. Для разработки понижающих преобразователей с компонентами, высота которых не превышает 3,5 мм, были выбраны двухфазная и трехуровневая топологии.
Пиковый КПД трехуровневого преобразователя достигает 98%. Этот преобразователь эффективнее двухфазного с теми же ограничениями по высоте компонентов и размерами GaN-ключей. Многоуровневая топология позволяет использовать тонкий дроссель с малой индуктивностью. Применение ключей eGaN не только позволяет уменьшить занимаемую площадь, но и повысить общую эффективность при более высоких коммутационных частотах.