№15 / 2009 / статья 6

DC/DC-конверторы SupIRBuck в распределенных системах электропитания

Андрей Никитин, Олег Стариков (КОМПЭЛ)

Свыше десяти лет системы электропитания телекоммуникационного оборудования, систем сбора и обработки информации, промышленной электроники строятся, в большинстве случаев, на принципе сосредоточенной архитектуры, пример которой приведен на рисунке 1.

 

Сосредоточенная архитектура системы электропитания

 

Рис. 1. Сосредоточенная архитектура системы электропитания

Сосредоточенная архитектура предполагала использование AC/DC-конвертора, который преобразовывал сетевое напряжение переменного тока в первичное напряжение постоянного тока (как правило, 18…36 В), которое затем преобразовывалось изолированными DC/DC-конверторами до более низких (вторичных) напряжений питания функциональных плат. Для подобной архитектуры было характерно следующее:

  • Вся система электропитания была выполнена в виде одного модуля (платы) или нескольких модулей, размещенных компактной группой.
  • Использовался ограниченный ряд номиналов напряжения питания (обычно +5 В для цифровых микросхем и ±12В для аналоговых).
  • По системе разводились (объединительной платой или проводным монтажом) только шины вторичного напряжения.
  • Функциональные платы не имели собственных вторичных источников питания.

Подобная архитектура электропитания использовалась при компактном размещении крупных конструктивных единиц (стоек, блоков и т.п.), образующих систему.

Если же система была разнесена в пространстве, то использовалась распределенная архитектура электропитания. Пример такой архитектуры, (так, как ее понимали в то время), представлен на рисунке 2.

 

Распределенная архитектура системы электропитания

 

Рис. 2. Распределенная архитектура системы электропитания

В этом случае крупные конструктивные единицы (стойки, блоки) питались первичным постоянным напряжением и имели собственные модули вторичного электропитания. В пределах блока архитектура электропитания продолжала оставаться сосредоточенной.

Однако дальнейшее развитие индустрии электронных компонентов привело к тому, что рассмотренные архитектуры перестали соответствовать требованиям времени. К этому привели следующие причины:

  • Стала очевидной тенденция к снижению номиналов напряжений питания цифровых интегральных схем. Традиционная пятивольтовая логика стала вытесняться сначала сериями ИС, использующими питание 3,3В и, в дальнейшем, 2,5 и 1,8В.
  • Получающие широкое распространение БИС программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA) и цифровых сигнальных процессоров используют несколько номиналов напряжений питания. Так, например, современные FPGA семейств Virtex и Spartan (компании Xilinx) используют три номинала: 1,2В для питания ядра (VCORE); 3,3В для питания ячеек ввода-вывода (VIO); 2,5В для питания вспомогательных схем (VAUX). Микросхемы внешней памяти часто используют питание 1,8В, а каналы обмена данными (CAN, RS232 и др.)- традиционные 5В. Иными словами, разнообразие номиналов питающих напряжений становится не исключением, а правилом.
  • Существенное значение имеет временная циклограмма последовательности включения и отключения источников питания различных напряжений, часто отличающаяся для различных функциональных плат. Реализовать подобную циклограмму из единого модуля электропитания, как правило, не представляется возможным.
  • Наконец, организовывать питание функциональных плат низковольтным напряжением из единого источника (например, через объединительную плату) нецелесообразно по ряду объективных причин: падение напряжения на проводниках, помехи на длинных линиях и т.д.

Исходя из этого, можно сформулировать главные отличительные особенности современных распределенных систем электропитания:

  • В качестве входного напряжения функциональных плат используется первичное напряжение постоянного тока, а в состав плат входят вторичные неизолированные DC/DC-конверторы, формирующие все необходимые напряжения для питания нагрузки.
  • Поскольку вторичный DC/DC-конвертор обеспечивает питанием единственную функциональную плату (или ее функциональный фрагмент), то появляется возможность расположить конвертор в непосредственной близости от нагрузки. Это позволяет минимизировать длину проводников, подводящих питание к нагрузке, и падение напряжения на них, а также ограничить распространение радиопомех.

Вторичные DC/DC-конверторы, устанавливаемые в непосредственной близости от нагрузки, получили название PoL DC/DC-конверторы (Point of Load — точка нагрузки). Варианты современных архитектур распределенного электропитания, использующие PoL-конверторы, представлены на рисунке 3.

 

Распределенные архитектуры систем электропитания, использующие DC/DC-конверторы Point-of-Load

 

Рис. 3. Распределенные архитектуры систем электропитания, использующие DC/DC-конверторы Point-of-Load

Первый вариант применяется, если в системе используется относительно низковольтное (до 20 В) первичное постоянное напряжение. В этом случае первичный DC/DC-конвертор размещен в модуле питания, а функциональные платы содержат только PoL-конверторы.

Однако в ряде приложений, в соответствии с различными нормативными документами, используется более высокое первичное напряжение. Например, 36…60 В — для телекоммуникационных приложений; 18…36 В — для промышленного оборудования; 42…53 В — для систем сбора и обработки информации. Поскольку максимальное входное напряжение PoL-конверторов обычно не превышает 15…20 В, то непосредственно на функциональных платах помимо PoL-конверторов используется понижающий DC/DС-конвертор (второй вариант). Причем в этом случае модуль питания может и не содержать понижающих DC/DC-конверторов (как это показано на рисунке).

Заметим, что при использовании в качестве PoL-конвертора импульсного понижающего регулятора, как правило, применяется синхронная схема. Напомним, что в классической схеме импульсного понижающего регулятора в верхнем плече выходного каскада используется транзистор в ключевом режиме, а в нижнем — внешний диод, через который замыкается цепь нагрузки в фазе разряда [1]. В синхронных регуляторах в нижнем плече также используется транзистор, работающий в противофазе с первым. Преимущества синхронных преобразователей применительно к малым выходным напряжениям и большим токам (типичный случай для PoL-конверторов) подробно рассмотрены в [2]. Главное преимущество: при токах нагрузки от 4 до 12 А мощность, рассеиваемая на диоде, от двух до шести раз превосходит мощность, рассеиваемую на транзисторе. Таким образом, применение синхронной схемы положительно сказывается на эффективности конвертора и существенно упрощает решения по отводу тепла.

 

Семейство SupIRBuck
DC/DC-конверторов Point-of-Load
компании IR 

В широком смысле термин "Point-of-Load" определяет скорее описанный выше способ применения DC/DC-конверторов, а не конкретный класс преобразователей. Однако многие производители выделяют из своей продукции линейки устройств, максимально соответствующие требованиям данных приложений.

Компания IR выпускает следующие компоненты для построения PoL-конверторов:

  • Интегрированные модули для DC/DC-конверторов семейства iPowIR;
  • Микросхемы импульсных синхронных понижающих DC/DC-конверторы со встроенным ключом семейства SupIRBuck;
  • Микросхемы импульсных синхронных ШИМ-контроллеров (для построения DC/DC-конверторов с внешним ключом).

Предметом данной статьи являются микросхемы семейства SupIRBuck.

В таблице 1 представлены микросхемы этого семейства.

Семейство конверторов SupIRBuck включает два поколения приборов:

  • IR381x, IR382x (анонсированы в ноябре 2007 года) и IR380x (выпущены на рынок в мае 2008 года).
  • Gen2- линейки IR383x и IR384x, анонсированные в феврале 2009 года (микросхемы IR3830 и IR3832 готовятся к выпуску и уже упоминаются в [3]).

 

Первое поколение
DC/DC-конверторов SupIRBuck 

Первое поколение конверторов SupIRBuck позиционировалось для применения в качестве PoL-конверторов напряжения в серверном, телекоммуникационном и промышленном оборудовании с множеством распределенных низковольтных (0,7…5 В) сильноточных (от нескольких А и выше) нагрузок. Примерами таких нагрузок являются высокопроизводительные микропроцессоры, сигнальные и графические процессоры, СБИС FPGA, модули хранения данных и т.д.

Рассмотрим общие свойства трех линеек (IR380x, IR381x и IR382x) этого поколения:

  • Микросхемы представляют собой импульсные синхронные понижающие стабилизаторы напряжения с внутренним силовым Trench MOSFET-транзистором. Величина выходного напряжения регулируется и задается резистивным делителем в цепи обратной связи.
  • Микросхемы выпускаются в компактном корпусе PowerQFN размера 5х6мм. По оценкам специалистов компании IR это позволяет на 70% сократить площадь фрагмента на печатной плате по сравнению с аналогичным вариантом устройства на дискретных компонентах.
  • Микросхемы в рамках одной линейки имеют одинаковую цоколевку выводов. Это позволяет при необходимости увеличить ток нагрузки, например, заменить микросхему IR3802M на любую из ряда IR380xM без изменений печатной платы.
  • Микросхемы разработаны на диапазон входных напряжений 2,5…21Вольт и обеспечивают выходное напряжение от 0,6В.
  • Частота коммутации постоянна и равно 600кГц (для микросхем IR380xM).
  • Максимальный выходной ток составляет 4 (для IR38x2M), 7 (для IR38x1M) и 12А (для IR38x0M). Вмикросхемах IR380xAM максимальный выходной ток увеличен на 2А за счет снижения частоты до 300кГц.
  • Микросхемы имеют средства защиты (блокировки) при превышении максимально допустимого тока в нагрузке (OCP) и при перегревании кристалла (OTP).
  • В микросхемах реализована функция плавного старта (Soft Start) с возможностью задания его продолжительности.
  • В микросхемах реализована возможность монотонного запуска в условиях предварительно смещенной нагрузки (Pre-Bias).

Помимо этого в микросхемах IR381x реализована дополнительная функция следящего управления выходным напряжением (Tracking), а в микросхемах IR382x — функция мониторинга выходного напряжения (PGood). Микросхемы IR38x0 дополнительных функций не имеют.

 

Второе поколение
DC/DC-конверторов SupIRBuck 

Как отмечалось выше, второе поколение Gen2 включает две линейки IR383x (с функцией Tracking, как развитие IR381x) и IR384x (с функцией Power Good, как развитие IR382x). Рассмотрим основные отличия микросхем поколения Gen2 от изделий предшествующего поколения:

  • Частота коммутации изменяется от 250 до 1500кГц и задается внешним резистором. Более высокая частота коммутации дает возможность использовать катушки индуктивности и конденсаторы меньших номиналов и, соответственно, меньших габаритов, что позволяет дополнительно уменьшить площадь, занимаемую конвертором не печатной плате.
  • Бутстрепный диод интегрирован в корпус микросхемы (в отличие от конверторов первого поколения), что уменьшает число внешних компонентов и упрощает схему и, как следствие, опять же уменьшает площадь на печатной плате. В качестве примера на рисунке 4 приведены типовые схемы включения микросхемы IR3842 и ее прототипа IR3822. Более ярким цветом выделены элементы, которые отсутствуют при использовании конвертора IR3842.

 

Типовые схемы включения конверторов IR3822 и IR3842

 

Рис. 4. Типовые схемы включения конверторов IR3822 и IR3842

  • Примерно на 2% увеличен коэффициент полезного действия (при прочих равных условиях), что снижает нагрев корпуса микросхемы и позволяет упростить решения по отводу тепла. На рисунке 5 приведены тепловизионные фотографии PoL-конверторов IR3822 и IR3842 при одинаковых режимах работы.

 

Тепловизионные фотографии

 

Рис. 5. Тепловизионные фотографии PoL-конверторов IR3822 и IR3842

  • Величина максимального входного напряжения снижена с 21 до 16В. Однако более высокий (до 92%) коэффициент заполнения рабочего цикла (Max Duty Cycle) обеспечивает возможность получения более высокого выходного напряжения (14,5В против 12 у микросхем первого поколения).
  • Наличие входов Enable и Sequence позволяет использовать DC/DC-конвертор в системах электропитания со сложной циклограммой включения и отключения нескольких источников питания.

 

Сервисные функции
DC/DC-конверторов SupIRBuck

Рассмотрим кратко сервисные функции конверторов SupIRBuck первого и второго поколений. Защита от перегрева кристалла (OTP). Все конверторы семейства SupIRBuck имеют встроенные схемы, отключающие нагрузку при нагревании кристалла до температуры выше 140°С. При этом закрываются оба транзистора выходного каскада. Разблокировка происходит при снижении температуры ниже 120°С.

Защита от перегрузки по току (OCP). В конверторах SupIRBuck применено оригинальное схемное решение защиты от токовой перегрузки. В качестве датчика тока не используется токоизмерительный резистор. В конверторах SupIRBuck в этом качестве используется канал MOSFET-транзистора синхронного выпрямителя. Такое решение снижает потери мощности и увеличивает эффективность преобразователя и, кроме того, снижает стоимость конечного решения за счет исключения из схемы токоизмерительного резистора. Токовая защита не является прецизионной, она носит предохранительный характер и срабатывание происходит при 50-процентном превышении тока в нагрузке. Через некоторое время делается попытка отключить блокировку и вновь провести измерение выходного тока. Если перегрузка все так же будет иметь место, нагрузка вновь будет отключена и через некоторое время будет сделана новая попытка, до тех пор, пока не будет устранена причина перегрузки.

Запуск в условиях предварительно-смещенной нагрузки (Pre-Bias). В некоторых схемах во время подачи питания нагрузка может находиться под остаточным напряжением. В этих случаях при включении питания важно обеспечить монотонность возрастающего напряжения и исключить броски тока. Транзистор нижнего плеча (синхронный выпрямитель) работает в противофазе транзистору верхнего плеча (коммутирующему элементу), поэтому при подаче питания выпрямитель будет шунтировать остаточное напряжение на нагрузке через дроссель выходного LC-фильтра. Вследствие этого выходное напряжение будет иметь рывки, что недопустимо. У преобразователей SupIRBuck эта проблема решается блокировкой работы синхронного выпрямителя в период плавного запуска схемы.

Функция плавного старта (Soft Start). Данная функция также реализована во всех контроллерах семейства SupIRBuck. Рост напряжения на выходе схемы не носит резкий характер, а происходит постепенно, что исключает нежелательные броски тока в нагрузке. Продолжительность плавного старта определяется номиналом конденсатора, подключенного ко входу SS/-SD.

Функция мониторинга выходного напряжения (PowerGood). Конверторы IR382x и IR384x оснащены схемой мониторинга напряжения. Выход PowerGood переходит в низкое состояние, если напряжение питания микросхемы станет меньше порогового значения. В противном случае выход PGOOD будет находиться в высокоимпедансном состоянии, сигнализируя о корректности уровня выходного напряжения. Функция PowerGood (а также Tracking и SEQ) могут использоваться для организации упорядоченного запуска нескольких преобразователей в системе электропитания.

 

Литература

1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. — М.: Солон-Пресс, 2005.

2. Бокок Г. Закономерные тенденции синхронного выпрямления. — Современная электроника, №1, 2005.

3. Point-of-Load. Product Selection Guide// материал компании IR, 2009.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: power.vesti@compel.ru

Наши информационные каналы