Kitronik Arcade dla BBC micro: bit i MakeCode Arcade Wiele projektów elektronicznych, takich jak systemy zasilane bateryjnie, wymaga wydajnych przetworników DC/DC w celu utrzymania stabilnego napięcia wyjściowego podczas wahań napięcia wejściowego. Chociaż topologie z czterema przełącznikami ze step-down do step-up są powszechnym wyborem ze względu na ich elastyczność i gęstość mocy, istnieją poważne wyzwania projektowe przy rozszerzaniu tych systemów do zastosowań wysokoprądowych. Projektant musi dokładnie zrównoważyć architekturę wewnątrz regulatorów napięcia obniżającego i podwyższającego. W szczególności integracja cewek indukcyjnych i urządzeń do wykrywania prądu będzie znacząco wpływać na ogólny rozmiar, złożoność i wydajność obwodu.
W artykule przedstawiono krótki przegląd wyzwań i kompromisów stojących przed projektantami systemów elektroenergetycznych. Następnie zaprezentowano rozwiązania z linii produktów Analog Devices Buck and Boost Pressurizer oraz sposób, w jaki radzą sobie z tymi wyzwaniami i optymalizują projekt. Podkreślono zestawy ewaluacyjne i oprogramowanie, których projektanci mogą używać do przyspieszania tworzenia prototypów i rozwoju.
Zintegrowane kompromisy w wysokoprądowej konstrukcji obniżającej i podwyższającej
W czteroprzełącznikowej przetwornicy obniżającej napięcie na stopień mocy stopień mocy wymaga czterech tranzystorów MOSFET, cewki indukcyjnej i czujnika prądu. Sposób rozmieszczenia tych komponentów pomiędzy pakietami modułów i płytkami drukowanymi (PCB) jest podstawową decyzją architektoniczną projektantów.
Zewnętrzne rozmieszczenie cewek i rezystorów detekcyjnych na płytkach PCB daje projektantowi pełną kontrolę nad doborem komponentów. Rozmiar cewki indukcyjnej, materiał rdzenia i prąd nasycenia można dokładnie dopasować do zastosowania. Jednak ta elastyczność ma swoją cenę: zewnętrzne komponenty zajmują miejsce na płycie, komplikują układ i wymagają starannego okablowania, aby zminimalizować szumy na bieżącej ścieżce detekcji.
Zintegrowanie cewek indukcyjnych i rezystorów detekcyjnych w pakiecie modułu upraszcza projekt i układ, zmniejszając liczbę komponentów i powierzchnię płytki drukowanej. Istnieją jednak kompromisy: cewka jest ograniczona rozmiarem obudowy, co może ograniczać maksymalny prąd wyjściowy i wydajność cieplną.
Ponadto rezystor detekcyjny można zastąpić nieniszczącym schematem wykrywania prądu, całkowicie eliminując w ten sposób rezystor detekcyjny. Chociaż poprawia to efektywność energetyczną, skutkuje bardziej złożonymi projektami układów scalonych (IC) dla modułów obniżających i zwiększających.
Jak trzy serie modułów radzą sobie z wyzwaniami związanymi z integracją typu step-down i step-up
Jako część szerokiej linii produktów µ Module, firma Analog Devices oferuje szeroką gamę modułów DC/DC, które umożliwiają projektantom wybór pomiędzy tymi strategiami integracji. W artykule skupiono się na czteroprzełącznikowym module obniżającym napięcie (rysunek 1): LTM4607, LTM4605 i LTM4; LTM8055, LTM8056 i LTM8054; Oraz LTM4712. Każdy z nich dotyczy różnych obszarów w zakresie napięcia wejściowego i prądu wyjściowego.
Step-up z czterema przełącznikami µ Grafika modułu
Rysunek 1: Pokazano moduły µ obniżające i zwiększające z czterema przełącznikami, które są zbudowane w różny sposób dla różnych napięć wejściowych i prądów wyjściowych. Źródło obrazu: Urządzenia analogowe, zmodyfikowane przez Kentona Willistona)
Przetwornica DC/DC z zewnętrzną cewką indukcyjną i rezystorem detekcyjnym
Zintegrowane kontrolery i tranzystory MOSFET LTM4, LTM4605 i LTM4 w µ Pakietach modułów z cewkami mocy i rezystorami wykrywającymi prąd poza płytką drukowaną (rysunek 2). Taka struktura pozwala projektantom na elastyczny dobór wartości cewki indukcyjnej i rezystora cewki, aby spełnić określone wymagania aplikacji.
Schemat ideowy urządzeń analogowych LTM4, LTM4605 i LTM4
Rysunek 2: Opakowanie (po lewej) LTM4607, LTM4605 i LTM4 oraz schemat odpowiedniego poziomu mocy (po prawej) z wyróżnionymi zewnętrznymi cewkami i rezystorami indukcyjnymi. Źródło obrazu: urządzenia analogowe)
Obudowy LGA 15 mm x 15 mm x 2,82 mm kompatybilne z LTM4, LTM4605 i LTM4pin. LTM4605 jest przeznaczony do zastosowań niskonapięciowych z zakresem napięcia wejściowego od 4,5 V do 20 V i prądem wyjściowym 12 A (tryb obniżonego napięcia). LTM4607 i LTM4 rozszerzają zakres wejściowy przy 10 A (tryb obniżonego napięcia) do 36 V, przy czym LTM4 zapewnia najszerszy zakres napięcia wyjściowego od 0,8 V do 34 V.
Przetwornica DC/DC ze zintegrowaną cewką indukcyjną i rezystorem detekcyjnym
LTM8055, LTM8056 i LTM8054 (rysunek 3) integrują cewki indukcyjne mocy i rezystory wykrywające prąd w pakietach modułów µ, aby uprościć projektowanie i układ poprzez zmniejszenie liczby elementów zewnętrznych na płytce drukowanej.
Schemat ideowy urządzeń analogowych LTM8055, LTM8054 i LTM8056
Rysunek 3 przedstawia moduł (po lewej) urządzeń LTM8055, LTM8054 i LTM8056 oraz podkreśla schematyczny układ (po prawej) zintegrowanej cewki indukcyjnej i rezystora detekcyjnego. Źródło obrazu: urządzenia analogowe)
Spośród trzech różnych serii omawianych w tym artykule, ta seria ma najniższy prąd wyjściowy: 5,4 A dla LTM8054, 5,5 A dla LTM8056 i 8,5 A dla LTM8055 (wszystkie wartości w trybie obniżania). LTM8056 ma zakres wejściowy od 5 V do 60 V, co jest najszerszym z omawianych tutaj urządzeń, i ma maksymalne napięcie wyjściowe 48 V. LTM8054 to najbardziej kompaktowy model o wymiarach 15 mm x 11,25 mm i wysokości 3,42 mm, przeznaczony do projektów o ograniczonej przestrzeni. LTM8055 i LTM8056 mają obudowę o wymiarach 15 mm x 15 mm x 4,92 mm.
Przetwornica DC/DC ze zintegrowaną cewką indukcyjną i nieniszczącym wykrywaniem prądu
LTM4712 (rysunek 4) wykorzystuje różne metody wykrywania prądu. Zamiast stosowania oddzielnych rezystorów kontrolnych wykorzystuje autorskie rozwiązanie NDI zintegrowane z modułem. Eliminuje to straty mocy związane z dedykowanym rezystorem detekcyjnym.