About / Advertise
Fem-sex olika spänningsnivåer är vanligt på ett modernt kretskort. Processorer och DSPer vill ofta ha två. Samtidigt går de från tomgång till att sluka ström på en bråkdel av en sekund. Att konstruera strömförsörjningen för detta är svårt, men det finns knep som underlättar.
Vad är synkron likriktning? Allmänt definieras synkron likriktning så här: Likriktardioderna på en spänningsomvandlares utgång ersätts eller kompletteras med transistorer som styrs så att de är bottnade (leder maximalt) när dioden annars skulle ha lett ström samt är strypta när dioden skulle ha spärrat. |
Peter Karlsson är analogkonstruktör och har många års erfarenhet av att lösa strömförsörjningsproblem på kretskort.
- Mitt första råd är att skilja huvudmatning och omvandling till lasterna från varandra. Konstruera en separat del med högre utspänning och gå in med en råspänning på, säg, 12 eller 24 V till delen som sköter omvandlingen. Det ger en enklare huvudomvandlare och större flexibilitet.
Det är viktigt att bygga in flexibilitet i systemet från början. Därför är det vettigt att lägga spänningsomvandlingen nära den krets som ska matas, så kallad point-of-load. I så fall behöver ju bara den lokala konstruktionen förändras om exempelvis en processor med kärnspänningen 2,5 V ska bytas ut mot en med lägre kärnspänning.
Att göra omvandlingen i ett steg nära kretsen som ska matas gör att effektförlusterna blir lägre än om omvandlingen sker i flera små steg.
Vad avgör då valet av DC/DC-omvandlare? Effektbehovet ger en fingervisning.
Är effektbehovet inte så stort kan man nöja sig med en enkel switchare. National Semiconductor har ett brett sortiment av sådana med inspänningsområdet 8 till 40 V, fasta eller justerbara utspänningar och en fast switchfrekvens på 260 kHz. Kretsarna är bara 5 x 6 mm, ytmonteras och har enkel kylning via kretskortet.
- Det är imponerande att en så liten krets klarar upp till 3 A, säger Peter Karlsson.
Kretsarna kräver dock yttre drosslar och yttre glättning i form av kondensatorer.
Krävs högre strömmar - 5 till 15 A - och omvandlingen sker från hög spänning till 5 V eller därunder bör man istället välja en synkront likriktande omvandlare (step-down).
- När utspänningen är riktigt låg duger det inte ens att använda schottkydioder för likriktningen. Det ger för dålig verkningsgrad ett ogynnsamt pulsbreddsförhållande. Istället använder man Mosfet-transistorer för likriktning.
Svårt med yttre transistorer
Två huvudalternativ finns - pwm-kretsar med eller utan inbyggda transistorer.
Omvandlare med inbyggda transistorer klarar 3 till 10 V in och måttliga lastströmmar, upp till 6 A. Konstruktioner med yttre switchar klarar betydligt högre inspänningar, 10 till 35 V, och lastströmmar uppåt 15 A.
Redan här kan man säga att den som ska konstruera med yttre transistorer har skaffat sig en rejäl utmaning.
De små transistorerna switchar snabbt - på något tiotal nanosekunder och med omvandlingsfrekvenser på 300 till 500 kHz - och en mycket hög spänningsderivata alstras. Den så kallade Millerkapacitansen är kopplingsväg till transistorns gate. När spänningen kopplar ner till den undre transistorns gate uppstår det en kortvarig kortslutning mellan transistorerna. Den undre transistorn börjar också leda ström vilket ger förlusteffekter. I värsta fall brinner transistorn upp.
Diskret lönar sig i volym
För att slippa genomledning mellan transistorerna måste man skapa en väntetid från det att den övre transistorn slutar leda till att den undre börjar leda. Under väntetiden tas strömmen omhand i en yttre diod.
- En intressant nyhet inom synkron likriktning är kretsar med predictive gate drive. De minimerar glappet mellan den övre och undre switchens till- och frånslag. Därmed behöver inte så mycket ström gå i dioden vilket minskar förluster och förbättrar EMC, säger Peter Karlsson.
Texas Instruments TPS 4008 är en sådan krets.
Trots nya finesser varnar Peter Karlsson för att konstruera med yttre transistorer.
- Om man kan undvika lösningar med externa transistorer är det bra. Visserligen finns det datablad på hur man konstruerar, men min erfarenhet säger att det är mycket svårt ändå, säger han.
Har man stort effektbehov men bara gör ett fåtal produkter kan det vara bättre att använda en komplett lösning i form av en DC/DC-modul.
- Fast det lönar sig att konstruera med diskreta komponenter om man ska tillverka mer än några hundra enheter under livscykeln, säger Vidar Wernöe, vd på Elektronikkonsult.
Konstruktionshjälp från expertis kan vara på sin plats då.
Ytterligare en sak att tänka på när man konstruerar med processorer eller signalprocessorer är att de ofta vill ha en spänning till kärnan och en till in- och utgångarna.
- Det är inte helt enkelt att ordna eftersom en processor ofta kräver att spänningarna följs åt då de sätts på och stängs av. Annars är det risk för att processorn hamnar i latch-up-mode eller på annat sätt inte fungerar, säger Peter Karlsson.
Inbyggd spänningsföljare
I stort finns det tre lösningar. Endera bygger man en egen diskret lösning som styr omvandlarna eller så väljer man att använda en krets som är tänkt för just detta, som Maxims MAX5040.
Tredje varianten är att använda en synkron likriktare med inbyggd tracking. Det ett ganska nytt och okänt alternativ som - på rätt plats - kan förenkla rejält. Texas Instruments TPS54680 är en sådan krets.
Stora processorer har dessutom andra egenheter. De drar mycket ström och skiftet från tomgång till full last kan gå på bara några hundratal nanosekunder. Det kräver snabb reglering så att inte den redan låga matningsspänningen sjunker utanför specifikationen.
- Snabba stegsvar kräver att man lägger mycket tid på en noggrann design av utfilter och kompensering i återkopplingen.
- Utmaningen när man konstruerar ett utfilter är att hitta kondensatorer med lågt ESR för snabbt stegsvar och relativt hög kapacitans som kan buffra med ström, säger Peter Karlsson.
Anna Wennberg
