Синхронная или асинхронная? Правильный выбор топологии DC/DC преобразователя повышает эффективность системы

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2016

Meng He, Maxim Integrated

Application Note 6129

Знаете ли вы, что повышение окружающей температуры на каждые 10 градусов сокращает время жизни компонентов на 50% [1]? Что снижение или колебания напряжения источников питания могут приводить к преждевременным отказам, и даже выгоранию деталей вашей системы? Несомненно, почти каждый согласится с тем, что источники питания для энергоемких приложений должны быть долговечными и эффективными. Но что насчет их топологии? Должна ли она быть синхронной или асинхронной? Посмотрим на преимущества и недостатки каждой.

Варианты питания вашего устройства

Каждой электронной системе нужен источник питания, и обычно напряжение источника питания выше, чем требуется приложению. Представьте, что у вас есть источник 9 В, и вам нужно понизить напряжение до необходимых вашей системе 5 В. В вашем распоряжении несколько вариантов:

1. Простой делитель напряжения с каким-либо элементарным регулятором, таким, как стабилитрон. Стабилитрон вместе с резистором, ограничивающим ток, понизят напряжение с 9 В до 5 В, при этом на резисторе упадет 4 В. В результате мы получим тепло и потери энергии.
    
2. 5-вольтовый линейный регулятор (LDO). Опять же, вы берете 9 В и получаете 5 В, а 4 В падает на регуляторе. Если схема потребляет 1 А, то на регуляторе рассеивается мощность 4 Вт. И опять вы можете сказать, что 4 Вт неиспользуемой мощности теряются в виде тепла.
    
3. DC/DC преобразователь. Здесь ключ, как правило, с ШИМ управлением, коммутирует подключенные к его выходу катушку индуктивности и конденсатор. Когда выходное напряжение достигает 5 В, коэффициент заполнения импульсов ШИМ падает почти до нуля. Ключ потребляет очень маленький ток, поэтому рассеиваемая мощность тоже мала. Это, безусловно, самый эффективный вариант.

Входные напряжения DC/DC преобразователя могут быть любыми из стандартного ряда 6, 9, 12, 24 или 48 В. Силовой трансформатор понижает 120 В переменного тока до стандартного уровня напряжения. Затем после выпрямления и фильтрации постоянное напряжение стабилизируется для коммерческого или промышленного использования. Например, установленные для систем телефонии 48 В, определяются напряжением батарей резервного питания. Если напряжение в сети переменного тока упадет, сразу же подключится резервная система. Совсем другая история – портативное оборудование. Эти устройства обычно работают от батарей, которые сразу дают постоянное напряжение, но им требуется стабилизированное напряжение. Поскольку напряжение батареи со временем уменьшается, его надо повышать, а уже потом стабилизировать. Так что, если ваша система работает от 3.3 В, вы должны поддерживать эти 3.3 В, даже когда напряжение батареи упадает.

При разработке источника питания вы можете выбрать, «как вам представляется», дешевое решение, вроде упомянутого выше простого делителя напряжения и стабилитрона. Заметим, что мы сказали «как представляется», дешевое, так как не принимали во внимание ничего, кроме перечня комплектующих изделий. Эти подходы содержат скрытые и дополнительные затраты на потери мощности, приводящие к большому тепловыделению и сокращению срока службы электронных компонентов системы. Заметим, что LDO регуляторы имеют очень низкие выходные шумы, но имеют такие недостатки, как высокая рассеиваемая мощность, большое падение напряжения и меньшее время работы от батарей.

В наши дни разработчики переключились на DC/DC преобразователи, чтобы получать оптимальное сочетание эффективности, тепловыделения, точности, реакции на переходные процессы и стоимости. Но путь проектирования оптимальной DC/DC системы питания может быть таким же сложным, как ориентирование на минном поле без карты. Рабочая температура преобразователей ограничивает их максимальную выходную мощность, и повышается с уменьшением размеров промышленного оборудования. Кроме того, большинство устройств, как правило, имеет очень слабое принудительное охлаждение или вообще его не имеет. Так какой же вариант схемы DC/DC лучше?

Варианты схем DC/DC: синхронная или асинхронная топология

Это два компромиссных варианта. Асинхронная топология старше, и отличается потерями мощности на внешнем диоде Шоттки. Эти потери равнозначны ухудшению КПД. Здесь мы рекомендуем синхронную топологию, поскольку она обеспечивает более высокий КПД и позволяет создавать более компактные конструкции за счет встроенного эффективного MOSFET. Это фундаментальное различие иллюстрируется Рисунком 1, где сравниваются структурные схемы асинхронного преобразователя и более интегрированного синхронного решения.

Рисунок 1.	Асинхронная топология DC/DC преобразователя (слева) использует внешний диод Шоттки. В синхронной топологии (справа) интегрирован MOSFET, заменяющий диод Шоттки.

Обсудим энергетический КПД. В последние годы поставщики аналоговых ИС начали выпускать синхронные DC/DC преобразователи, чтобы уменьшить потери мощности, возникающие в асинхронных схемах с их внешними диодами Шоттки. Теперь синхронный преобразователь содержит силовой MOSFET нижнего плеча, заменяющий внешний диод Шоттки с большими потерями. Рассеиваемая этим MOSFET мощность зависит от сопротивления открытого канала R_ON, в то время как потери мощности на диоде Шоттки определяются его прямым напряжением V_D. При одинаковой величине тока в обеих схемах падение напряжения на MOSFET обычно меньше, чем на диоде, в результате чего в схеме с MOSFET рассеиваемая мощность ниже.

Рассеиваемая на диоде мощность для асинхронного решения вычисляется по формуле:

Мощность P_FET, рассеиваемая на MOSFET в синхронной схеме равна:

Тем не менее, существуют мнения, что асинхронные понижающие преобразователи имеют более высокий КПД при малых нагрузках и больших коэффициентах заполнения [2], и что не существует единственного преобразователя, который имел бы оптимальный КПД во всем диапазоне нагрузок. Разработчики систем питания опять вынуждены выбирать меньшее из двух зол?

Рисунок 2.	Характер токов в синхронном и асинхронном преобразователях.

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим, чем, в первую очередь, обусловлена высокая эффективность асинхронного преобразователя при легких нагрузках. Ток катушки индуктивности в асинхронном преобразователе течет только в одну сторону и никогда не бывает отрицательным; в синхронных преобразователях ток протекает в обе стороны, и в этом заключается его недостаток (Рисунок 2).

Рисунок 3.	Многорежимная работа понижающих DC/DC преобразователей Himalaya фирмы Maxim Integrated.

Чтобы исключить это двунаправленное протекание тока в синхронных преобразователях, вводят различные режимы для получения «псевдо-асинхронной» работы при легкой нагрузке. Современные DC/DC преобразователи поддерживают три режима (Рисунок 3):

1. PWM @ CCM: широтно-импульсная модуляция  (pulse width modulation – PWM) в режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode – CCM). Здесь преобразователь работает на постоянной частоте, а ток дросселя I_L может становиться отрицательным. Этот режим позволяет преобразователю, сохраняя минимальный уровень пульсаций выходного напряжения, быстро отзываться на любые изменения нагрузки, даже при ее уменьшении до нуля. Однако режим PWM @ CCM дает наименьший КПД при малых нагрузках.
    
2. PWM @ DCM: широтно-импульсная модуляция в режиме прерывистой проводимости (discontinuous conduction mode – DCM). Этот подход также основан на постоянной частоте переключения, но КПД при малых нагрузках улучшается благодаря исключению протекания тока I_L в отрицательном направлении. Отсутствие отрицательных токов при малых нагрузках придает такому решению сходство с асинхронным.
    
3. PFM с состоянием сна: частотно-импульсная модуляция (pulse frequency modulation – PFM) со спящим режимом. Этот подход повышает КПД за счет исключения протекания тока I_L в отрицательном направлении, а также отключения обоих МОП транзисторов для пропуска импульсов при малых нагрузках. Во время пропуска импульсов преобразователь переходит в спящий режим, когда все неиспользуемые внутренние схемы отключаются для снижения потребляемого тока. Режим позволяет получить наилучший возможный КПД благодаря наибольшей эффективности при малых нагрузках. Платой за это является небольшое увеличение пульсаций выходного напряжения.

В диапазоне токов нагрузки от среднего до максимального все режимы работают одинаково. Различия начинают проявляться тогда, когда ток нагрузки становится меньше половины размаха тока дросселя.

Вы предполагаете, что основную часть времени ваша система будет находиться в режиме ожидания (то есть, работать с малой нагрузкой), а срок службы батареи имеет критическое значение? Тогда выбирайте режим частотно-импульсной модуляции, так как при малой нагрузке он дает возможность получить наивысший КПД. Здесь, правда, есть одна тонкость: необходимо убедиться, что увеличение выходных пульсаций и замедление переходных процессов при PFM не повлияют на работу системы в ждущем режиме.

Первостепенное значение для вашего приложения имеет переходная характеристика при легкой нагрузке? Тогда лучшим выбором будет PWM @ CCM, поскольку он обеспечивает наилучшие характеристики переходного режима, даже при нулевой нагрузке.

Разумным компромиссом между этими двумя режимами является режим PWM @ DCM.

Заключительные мысли

Технологии двигаются вперед. Замена внешнего диода Шоттки встроенным эффективным MOSFET, в сочетании с многорежимной работой, обеспечивают в современных синхронных решениях превосходный КПД при минимальных размерах устройств. Настало время принять новую синхронную технологию для повышения эффективности использования мощности в ваших следующих проектах. Это проще, круче и лучше.

Ссылки