אופטימיזציה של נצילות ממיר DC/DC‏ Buck-Boost‏ עם זרם גבוה

תכנים אלקטרוניים רבים, כגון מערכות מוזנות-סוללות, דורשים ממירי DC/DC חסונים כדי לשמור על מתח יציאה יציב כאשר מתח הכניסה משתנה. בעוד שטופולוגיית Buck-Boost‏ עם ארבעה מתגים היא בחירה פופולרית בשל גמישותה וצפיפות ההספק שלה, מידרוג מערכות אלו עבור יישומי זרם גבוה מציג אתגרי תכנון משמעותיים. על המתכננים לשקול בקפידה את פשרות הארכיטקטורה ביחס לאינטגרציה בתוך ה-Buck-Boost. ספציפית, אינטגרציה של משרנים ומנגנוני חישת זרם יכולה להשפיע משמעותית על הגודל, המורכבות והנצילות הכוללים של המעגל.

מאמר זה מעניק סקירה קצרה של האתגרים והפשרות העומדות בפני מתכנני מערכות הספקת-כוח. לאחר מכן המאמר מציג פתרונות מתוך מגוון מייצבי Buck-Boost של Analog Devices‏ ומראה כיצד הם יכולים להתמודד עם אתגרים אלה ולמטב את התכנים. המאמר מדגיש גם ערכות הערכה ותוכנות שבהן המתכננים יכולים להשתמש כדי להאיץ את בניית האב-טיפוס והפיתוח.

פשרות אינטגרציה בתכני Buck-Boost‏ עם זרם גבוה

בממיר Buck-Boost‏ בעל ארבעה מתגים, דרגת ההספק דורשת ארבעה MOSFETs, משרן הספק ומנגנון חישת זרם. אופן חלוקת הרכיבים הללו בין מארז המודול לבין לוח המעגלים המודפסים (PCB) היא ההחלטה הארכיטקטונית המרכזית עבור המתכננים.

הצבת המשרן ונגד החישה חיצונית על לוח ה-PCB‏ מעניקה למתכננים בקרה מלאה על בחירת הרכיבים. ניתן להתאים במדויק את גודל המשרן, חומר הליבה וזרם הרוויה ליישום. עם זאת, גמישות זו גובה מחיר: רכיבים חיצוניים צורכים מקום על הלוח לוח, מסבכים את הפרישה ודורשים ניתוב זהיר כדי למזער רעש בנתיב חישת הזרם.

שילוב המשרן ונגד החישה במארז המודול מפשט את התכנון והפרישה, מפחית את מספר הרכיבים ומקטין את חתימת-השטח של לוח המעגלים המודפסים. הפשרה כאן היא שהמשרן מוגבל על ידי ממדי המארז, אשר יכולים להגביל את זרם היציאה המקסימלי ואת הביצועים התרמיים.

ניתן גם לבטל לחלוטין את נגד החישה על ידי החלפתו בשיטת חישת זרם ללא-הפסדים. זה משפר את נצילות ההספק, וכתוצאה מכך נוצר תכן מעגל משולב (IC) מורכב יותר עבור מודול Buck-Boost‏.

כיצד שלוש משפחות מודולים מתמודדות עם אתגרי אינטגרציית Buck-Boost‏

כחלק ממגוון מוצרי µModule‏ הרחב שלה, Analog Devices מציעה מגוון מודולי DC/DC המאפשרים למתכננים לבחור בין אסטרטגיות אינטגרציה אלו. מאמר זה מתמקד במודולי Buck-Boost‏ בעלי ארבעה מתגים (איור 1): LTM4607‏, LTM4605‏, ו-LTM4609‏; ה-LTM8055‏, LTM8056‏, LTM8054‏ ו-LTM4712‏. כל אחד מאלה מכוון לתחום שונה של מתח הכניסה ולמרחב זרם היציאה.

איור 1: מוצגים µModules‏ Buck-Boost‏ בעלי ארבעה מתגים, הנוקטים בגישות ארכיטקטוניות שונות עבור מתחי כניסה וזרמי יציאה שונים. (מקור התמונה: Analog Devices, התאמה על ידי Kenton Williston)

ממיר DC/DC עם משרן חיצוני ונגד חישה

ה-LTM4607, LTM4605 ו-LTM4609 משלבים את הבקר ואת ה-MOSFETs‏ בתוך מארז ה-µModule, כאשר משרן ההספק ונגד חישת הזרם ממוקמים חיצונית על גבי לוח PCB‏ (איור 2). ארכיטקטורה זו מעניקה למתכננים גמישות בבחירת ערכי המשרן ונגדי חישה כדי להתאים לדרישות יישום ספציפיות.

איור 2: מוצג המארז (משמאל) עבור LTM4607, LTM4605 ו-LTM4609, יחד עם סכמת דרגת ההספק המתאימה (מימין) המדגישה את המשרן החיצוני ואת נגד החישה. (מקור התמונה: Analog Devices)

ה-LTM4607, LTM4605 ו-LTM4609 מגיעים במארזי LGA תואמי-פינים בגודל 15 מ"מ × 15 מ"מ × 2.82 מ"מ. ה-LTM4605 מתוכנן עבור יישומים במתח נמוך, עם תחום מתחי כניסה של V‏ 4.5‏ עד V‏ 20‏ וזרם יציאה של A‏ 12‏ (אופן Buck‏). ה-LTM4607 וה-LTM4609 מרחיבים את תחום הכניסות עד V‏ 36‏ ב-A‏ 10‏ (אופן Buck‏), כאשר ה-LTM4609‏ מספק את תחום מתחי היציאה הרחב ביותר מבין השלושה, מ-V‏ 0.8‏ עד V‏ 34‏.

ממיר DC/DC עם משרן משולב ונגד חישה

ה-LTM8055, LTM8056 ו-LTM8054 (איור 3) משלבים את משרן ההספק ואת נגד חישת הזרם במארז µModule, ובכך מפשטים את התכנון והפרישה על ידי צמצום מספר הרכיבים החיצוניים בלוח ה-PCB‏.

איור 3: מוצג המודול (משמאל) עבור התקני LTM8055, LTM8054 ו-LTM8056, לצד הפרישה הסכמטית (מימין) המדגישה את המשרן המשולב ואת נגד החישה. (מקור התמונה: Analog Devices)

מבין שלוש המשפחות השונות הנידונות כאן, למשפחה זו יש את זרם היציאה הנמוך ביותר: A‏ 5.4‏ עבור ה-LTM8054‏, A‏ 5.5‏ עבור ה-LTM8056‏, ו-A‏ 8.5‏ עבור ה-LTM8055‏ (באופן Buck‏). ל-LTM8056 יש תחום כניסות של V‏ 5‏ עד V‏ 60‏, הרחב ביותר ביותר מבין ההתקנים הנידונים כאן, ויש לו את מתח היציאה הגבוה ביותר של V‏ 48‏. ה-LTM8054 הוא הקומפקטי ביותר, עם מידות של 15 מ"מ × 11.25 מ"מ וגובה של 3.42 מ"מ עבור תכנים מוגבלי-מקום. ה-LTM8055 וה-LTM8056 מגיעים במארז של 15 מ"מ × 15 מ"מ × 4.92 מ"מ.

ממיר DC/DC עם משרן משולב וחישת זרם ללא-הפסדים

ה-LTM4712 (איור 4) נוקט גישה שונה לחישת הזרם. במקום נגד חישה בדיד, הוא משתמש בשיטת חישת זרם קניינית ללא-הפסדים המשולבת בתוך המודול. זה מבטל את הפסדי ההספק הנלווים עם נגד חישה ייעודי.

איור 4: מוצג מודול LTM4712 (משמאל) לצד תרשים סכמטי שלו (מימין), המדגיש את המשרן המשולב וחישת הזרם ללא-הפסדים. (מקור התמונה: Analog Devices)

משרן ההספק משולב באמצעות טכנולוגיית רכיב-על-מארז במארז BGA בגודל 16 × 16 × 8.34 מ"מ. ה-LTM4712 מקבל כניסה של V‏ 5‏ עד V‏ 36‏ ומספק V‏ 1‏ עד V‏ 36‏ עם A‏ 12‏ באופן Buck‏.

מפרט והשוואת נצילות של ממיר DC/DC

טבלה 1 מסכמת את המפרטים העיקריים של שבעת התקני µModule הנידונים כאן.

טבלה 1: מוצגים המפרטים העיקריים עבור התקני µModule הנידונים. (מקור התמונה: Analog Devices‏)

השוואה בין הנצילות של ה-LTM8055, LTM4607 ו-LTM4712 (איור 5) מתארת את ההשפעה המעשית של ההבדלי הארכיטקטורה שלהם. ההשוואה היא על פני שלושה תנאי פעולה: כניסת V‏ 6‏ (אופן Boost‏), כניסת V‏ 12‏ (אופן Buck-Boost‏), וכניסת V‏ 24‏ (אופן Buck‏), כולם מספקים יציאת V‏ 12‏.

איור 5: השוואה של הנצילות על פני שלושה מתחי כניסה מראה כיצד ה-LTM8055, LTM4607 ו-LTM4712 מתפקדים באופני Boost, Buck-Boost‏ ו-Buck. (מקור התמונה: Analog Devices)

פעולה במקביל, ייצוב זרם קבוע וכניסות יתירות

הסעיפים הקודמים כיסו את הפעולה הבסיסית של שלוש משפחות Buck-Boost‏ של µModule. ניתן להגדיר התקנים אלה גם עבור יישומים מתקדמים יותר, כגון פעולה במקביל עבור זרם גבוה יותר, ייצוב זרם קבוע והספק כניסה יתיר. ה-LTM4712 ממחיש את כל שלוש היכולות.

מתכננים השוקלים תכנים במקביל יכולים לנצל את בקרת אופן זרם שיא של ה-LTM4712. בקרת מחזור-אחר-מחזור מהירה זו מעניקה הגנה אמינה, ומאפשרת שיתוף זרם מצוין כאשר משתמשים בתצורות במקביל עבור יישומים עם זרם גבוה יותר.

בתרחיש עם ארבעה מודולים במקביל, ניתן להגדיר אותם בהפרש פאזה של 90° המציע סירוג (Interleaving‏) אופטימלי. בנוסף, ניתן לחבר יציאת שעון ממודול אחד לכניסת SYNC של מודול שני כדי לאפשר סנכרון תדרים.

ערכת ההערכה EVAL-LTM4712-A2Z‏ (איור 6) מדגימה יכולת זו באמצעות ארבעה מודולי LTM4712. לוח זה הוא פלטפורמה שימושית עבור ניסויים בשיתוף זרם, אימות ביצועים תרמיים ודחיפת מעגלי אב-טיפוס.

הלוח מפעיל את ארבעת מודולי LTM4712 בתצורה מסורגת (Interleaved‏) במקביל, המייצרת V‏ 12‏ ב-A‏ 48‏ מכניסה של V‏ 5‏ עד V‏ 36‏, עם A‏ 48‏ מלא הזמין באופני Buck‏ ו-Buck-Boost‏, ו-A‏ 24‏ באופן Boost‏. הוא כולל גם מאפיין זרם קבוע אופציונלי המספק זרם מדויק ומיוצב לעומס משתנה.

איור 6: לוח ההערכה EVAL-LTM4712-A2Z כולל ארבעה מודולי LTM4712 בתצורה במקביל עבור יציאת A‏ 48‏ באופני Buck‏ ו-Buck-Boost‏ . (מקור התמונה: Analog Devices)

אופן זרם קבוע זמין גם במודולי LTM4712‏ אינדיבידואליים. בתצורה זו מתפתח מתח פרופורציונלי לזרם העומס על פני נגד חישה חיצוני. כאשר מתח זה מגיע לסף שנקבע על ידי פין הבקרה, המודול מפחית אוטומטית את מתח היציאה שלו כדי לשמור על הזרם ברמת היעד. מאפיין זה הוא שימושי עבור יישומים כמו דחיפת LED או טעינת סוללות, שבהם שמירה על זרם מדויק היא קריטית יותר מאשר שמירה על מתח קבוע.

ה-LTM4712 תומך גם בתצורות כניסה יתירות, שבהן שני מודולים המופעלים על ידי מקורות עצמאיים חולקים יציאה משותף. זה שימושי עבור מערכות הדורשות ספקי-כוח גיבוי או כאלה המקבלות מקורות כניסה שונים כדי לתמוך בעומס משותף. בתרחיש זה, שני מודולים מחוברים במקביל, כאשר פיני הקיזוז של המודולים קשורים יחד. אם אחת מהכניסות נופלת, המודול הנותר שומר על ייצוב היציאה.

לוחות הערכה וכלי תכנון עבור המרת DC/DC

כדי לעזור למתכננים בצעדיהם הראשונים, Analog Devices מציעה ערכות הערכה עבור ה-µModules שלה. לדוגמה, ה-DC3189A‏ (איור 7) הוא פלטפורמה בעלת מודול יחיד עבור הערכת ה-LTM4712 על פני מלוא תחום הכניסות שלו מ-V‏ 5‏ עד V‏ 36‏ ויציאות מ-V‏ 1‏ עד V‏ 36‏.

איור 7: לוח ההערכה DC3189A מספק פלטפורמה בעלת מודול יחיד עבור הערכת ה-LTM4712. (מקור התמונה: Analog Devices)

קיימים גם כלי תוכנה להאצת תהליך התכנון. כלי התכנון LTpowerCAD‏ מסייע בבחירת רכיבים, הערכת נצילות, קיזוז חוג וניתוח טרנזיינטי עומס. ניתן לייצא תכנים ל-LTspice‏ לצורך סימולציה בתחום הזמן וניתוח דינמי.

סיכום

מייצבי Buck-Boost מודרניים מציעים למפתחים אפשרויות רבות בעת מידרוג המרת DC/DC במגוון רחב של יישומים עם זרם גבוה. ממירי µModule בעלי ארבעה מתגים של Analog Devices כוללים תחומי כניסה ויציאה רחבים ואפשרויות אינטגרציה גמישות. מודולים אלה, הנתמכים על ידי לוחות הערכה ותוכנות, מאפשרים למתכננים לבחור וליישם במהירות את הארכיטקטורה המתאימה ביותר לצורכי התכן שלהם.