Kiedy projektujemy układy elektroniczne, zwłaszcza posiadające części analogowe, często pojawia się konieczność zapewnienia symetrycznego napięcia zasilania (dwa napięcia o równej wartości bezwzględnej, ale o przeciwnych znakach, względem wspólnego punktu odniesienia), np. dla wzmacniaczy operacyjnych, układów pomiarowych, przetworników.
Jeżeli projektowany układ ma być zasilany z pojedynczego napięcia o niewielkiej wartości, wygenerowanie zasilania o odwrotnej polaryzacji może wymagać zastosowania drogich i dość sporych zintegrowanych przetwornic DC/DC albo dodatkowej przetwornicy, która także znacząco może wpłynąć na koszty, złożoność sekcji zasilającej bądź na EMC.
Podobnie, jeżeli układ ma być składową częścią rozproszonego systemu, dobrym pomysłem może okazać się zastosowanie izolacji funkcjonalnej na niektórych interfejsach, np. w celu uniknięcia tzw. „pętli masy”. Wtedy takie rozwiązanie wymaga często zastosowania izolowanej przetwornicy DC/DC lub topologii flyback, których zastosowanie wiąże się z podobnymi konsekwencjami.
W obu przypadkach, a także wielu innych, zastosowanie może znaleźć przetwornica o dość nietypowej topologii „Coupled-inductor Buck Converter” zwana również Fly-Buck™ (nazwa Fly-Buck™ jest znakiem towarowym firmy Texas Instruments). Jest to rozwinięcie dobrze znanej topologii buck.
Topologia
Synchroniczne przetwornice obniżające napięcie, tzw. „buck-converter”, przez lata dowiodły swojej użyteczności jako zasilacze w wielu dziedzinach i są obecnie kluczowymi elementami układów zasilających. Bazująca na powyższym rozwiązaniu izolowana przetwornica obniżająca napięcie, nazywana też przetwornicą Fly-Buck™, zyskuje popularność ze względu na:
- swoją prostotę,
- łatwość wdrożenia,
- niski koszt zestawienia materiałów (BOM),
- dobre właściwości EMC.
Topologia Fly‑Buck™ wywodzi się z klasycznej topologii buck. Różni się od niej tym, że zamiast pojedynczego dławika wykorzystuje dławik sprzężony z kilkoma uzwojeniami. Dzięki temu, oprócz podstawowego nieizolowanego wyjścia obniżającego napięcie, można w prosty sposób uzyskać dodatkowe wyjścia izolowane. Każde takie wyjście wymaga jedynie uzwojenia, diody prostowniczej i kondensatora wyjściowego. W efekcie można w prosty i ekonomiczny sposób generować wiele izolowanych lub nieizolowanych wyjść.
Wartość napięcia wyjściowego wtórnego zależy od napięcia wyjściowego pierwotnego oraz stosunku liczby uzwojeń sprężonego dławika. Napięcie wyjściowe wtórne będzie obniżone o spadek napięcia na diodzie prostowniczej, dlatego należy zwrócić uwagę na dobór odpowiednich komponentów. Wydajność prądowa przetwornicy (zwykle kilkaset miliamperów) jest rozdzielana na wszystkie wyjścia napięciowe.
Dla niskich poziomów mocy (<15 W), gdzie ścisła regulacja napięcia wtórnego nie jest wymagana, przetwornica Fly-Buck™ wydaje się być atrakcyjną alternatywą. Przy zastosowaniu scalonych konwerterów poprzez zintegrowane tranzystory przełączające i brak zewnętrznej pętli sprzężenia zwrotnego stanowi ona prostsze rozwiązanie niż przetwornica flyback. Oferuje również podstawowe, nieizolowane wyjście obniżające napięcie bez dodatkowych kosztów. Skutkuje to prostszą konstrukcją w zastosowaniach wymagających zarówno wyjść izolowanych jak i nieizolowanych.
Ograniczeniem do zastosowania może być konieczność utrzymania napięcia wejściowego powyżej dwukrotności napięcia wyjściowego po stronie pierwotnej. Wynika to z potrzeby utrzymania współczynnika wypełnienia poniżej 50% dla stabilnej pracy układu.
Kontroler
Nie każdy konwerter Buck może pracować w topologii Fly‑Buck™, ponieważ w jego konstrukcji jako dolny klucz stosowana jest dioda. W „czasie wyłączenia” prąd pierwotny, który płynie w kierunku zaporowym z powodu odbitego prądu po stronie wtórnej, może mieć ujemną wartość. Dioda w przetwornicy typu Buck zablokuje ten prąd, co uniemożliwi dopływ energii do uzwojenia wtórnego. W rezultacie wtórne napięcie wyjściowe ulegnie spadkowi.
W niektórych scalonych przetwornicach typu Buck (na przykład w trybie PFM) klucz po „dolnej stronie” wyłącza się, jeśli wykryty zostanie ujemny prąd cewki, zwiększając w ten sposób sprawność przy małym obciążeniu. W takich przypadkach tranzystor emuluje zachowanie diody, co sprawia, że takie układy nie nadają się do topologii Fly-Buck™. W niektórych scalonych konwerterach można wyłączyć tryb emulacji diody, aby konwerter pracował w trybie wymuszonej modulacji szerokości impulsu (PWM). Takie układy mogą pracować w topologii Fly-Buck™.
Część układów nie może być zastosowana ze względu na sterowanie w trybie prądowym oparte na kontroli prądu po „dolnej stronie”. Prąd strony pierwotnej w stanie wyłączenia zachowuje się inaczej niż w przypadku przetwornicy Buck, dlatego układ, który miałby pracować w topologii Fly-Buck™, powinien posiadać ograniczenie prądowe oparte na kluczu po „górnej stronie”. Przebieg prądu w przetwornicy Fly-Buck™ w „czasie włączenia” jest podobny do przebiegu prądu w zwykłej przetwornicy obniżającej napięcie.
Aby zabezpieczyć konwerter w szczególnej sytuacji, w której strona pierwotna nie jest obciążona, a strona wtórna jest zwarta, należy zastosować układ scalony z ujemnym zabezpieczeniem nadprądowym. Oznacza to zabezpieczenie, które monitoruje napięcie na kluczu „dolnej strony” w chwili, gdy przetwornica pobiera prąd wsteczny przez ten klucz.
Jeśli prąd ten przekroczy określoną ujemną wartość graniczną, obwód sterujący może wyłączyć klucz po „dolnej stronie”, chroniąc układ przed uszkodzeniem.
Do kontrolerów nadających się do takiego zastosowania należą m.in.:
- LM5160,
- TPS55010
- oraz LM25017.
Dławik
W topologii Fly-Buck™ dławik jest elementem kluczowym i musi być dobrany dokładnie pod konkretną aplikację. Oprócz oczywistych parametrów, takich jak indukcyjność dławika oraz prąd nasycenia (podobnie jak w topologii Buck), istotny jest stosunek liczby uzwojeń. Wpływa to bezpośrednio na stosunek napięcia wyjściowego wtórnego do napięcia wyjściowego pierwotnego.
Innym istotnym parametrem jest napięcie izolacji pomiędzy uzwojeniami. Na szczęście obecnie producenci poszli projektantom na rękę i dostępne są dławiki o przeróżnych właściwościach dedykowane do przetwornicy w tej topologii.
Pozostałe komponenty
Kolejnym istotnym elementem jest dioda prostownicza wtórnego napięcia wyjściowego. Należy zwrócić uwagę, by była wystarczająco szybka i miała możliwie najmniejsze napięcie przewodzenia. Inne komponenty układu podlegają podobnym kryteriom doboru jak dla topologii Buck.
Layout
W przypadku topologii Buck, aby uniknąć nadmiernej emisji ze względu na duże di/dt, należy skupić się na optymalizacji powierzchni pętli prądu wejściowego Iin, składającej się z pinu wejściowego, kondensatora wejściowego, kluczy przełączających i masy.
Pętla prądu wyjściowego Iout, składająca się z klucza przełączającego, dławika, kondensatora wyjściowego i ścieżki powrotu do masy, przenosi zasadniczo prąd stały o niskich tętnieniach. Ważne jest, aby wszystkie ścieżki przepływu prądu były możliwie krótkie, aby uzyskać niskie spadki napięcia, niskie straty i niski błąd regulacji. Powierzchnia pętli wyjściowej nie jest tak istotna, jak pętla prądu wejściowego.
W przypadku topologii Fly-Buck™ pętla prądu wyjściowego charakteryzuje się zupełnie innym przepływem. Oprócz prądu magnesowania cewki pierwotnej, pętla ta zawiera również prąd odbity z uzwojeń wtórnych Iout, który ma na swojej drodze jedynie indukcyjność rozproszenia dławika sprzężonego. Dlatego też ma znacznie wyższy współczynnik di/dt. Ważne jest więc zminimalizowanie obszaru pętli wyjściowej pierwotnej.
Z tego samego powodu pętla wtórnego prądu wyjściowego, składająca się z wtórnego uzwojenia dławika, diody prostowniczej i wtórnego kondensatora wyjściowego, również musi zostać zminimalizowana, ponieważ przepływa przez nią wysoki prąd di/dt.
Należy ponadto pamiętać, że uzwojenie wtórne również posiada węzeł przełączający SW2, który jest węzłem o wysokim napięciu dv/dt. Dlatego jego powierzchnia, podobnie jak węzła po stronie pierwotnej SW1, powinna być możliwie najmniejsza.
Przykład
Do wizualizacji został wykorzystany model przetwornicy Fly-Buck™ oparty na układzie LM5160 i udostępniony przez TI do symulacji oraz oprogramowaniu PSpice for TI.
Symulowany model został zmodyfikowany tak, aby uzyskać wymagane parametry, czyli napięcie wyjściowe symetryczne ±9V o wydajności prądowej 300mA na „stronę”. Zastosowano dławik sprzężony 750315811 firmy WE o indukcyjności 60uH, przekładni uzwojeń 1:1 oraz prądzie saturacji 2,1A. Zmodyfikowano również konfigurację wtórnego obwodu wyjściowego, aby uzyskać ujemne napięcie względem masy oraz podzielnik rezystancyjny w układzie sprzężenia zwrotnego układu przetwornicy, aby dostosować wartości napięć wyjściowych.
Symulowano start przetwornicy przy narastaniu napięcia wejściowego od 0 do 24V w czasie 100us. Jak widać z wykresu, oba napięcia wyjściowe uzyskały docelową wartość po około 1ms. Czas ten wynika głównie z zastosowania układu „soft-start” z dołączoną pojemnością C13 o wartości 5nF. Na poniższym wykresie można także dostrzec zmiany współczynnika wypełnienia podczas ładowania pojemności oraz że napięcia w punktach SW1 oraz SW2 niemal się pokrywają.
Każdy z kanałów przetwornicy został obciążony rezystancją wartości 30R, aby zasymulować pobór prądu o wartości 300mA na kanał. Można zauważyć, że wartość napięcia Vout2 jest nieznacznie niższa od napięcia Vout1. Wynika to ze spadku napięcia na diodzie D10, która pełni funkcje prostownika we wtórnym obwodzie wyjściowym, stąd też nieco mniejszy prąd Vout2.
Jak widać, przy takim obciążeniu układ pracuje stabilnie, a napięcia wyjściowe mają oczekiwaną wartość.
Przy obciążeniu wyjść przetwornicy rezystancją 8R, co ma na celu symulację przeciążenia, wyraźnie widać, że wartości napięć wyjściowych są niższe od nominalnych. Można zauważyć ponadto większe tętnienia i mniejszą stabilność. Wraz ze wzrostem prądu wyjściowego dostrzegamy większy wpływ spadku napięcia na diodzie prostowniczej na wartość napięcia wyjściowego wtórnego.
Obciążając układ jeszcze bardziej, można zauważyć zadziałanie zabezpieczenia nadprądowego wbudowanego w układ LM5160.
W przeprowadzonych symulacjach widać, że w nominalnych warunkach układ pracuje stabilnie i według założeń. W skrajnych sytuacjach również zachowuje się przewidywalnie, co pozwala stwierdzić, że w rzeczywistej aplikacji to rozwiązanie także się sprawdzi.
Podsumowanie
Jak się okazuje, w dość łatwy sposób można uzyskać jedno lub więcej izolowanych wyjść z synchronicznej przetwornicy obniżającej napięcie poprzez dodanie sprzężonych uzwojeń do dławika mocy i układów prostownika z diody oraz kondensatora dla każdego z wyjść. Napięcie na każdym z izolowanych wyjść będzie „podążało” za regulowanym napięciem wyjściowym strony pierwotnej skalowanym przez przekładnię uzwojeń dławika.
Wynika z tego, że dodatkowe wyjścia są regulowane pośrednio, a elementy pasożytnicze rzeczywistych podzespołów mogą pogorszyć parametry tych wyjść. Jednak Istnieje szereg aplikacji dla których to nie będzie problemem. Dość łatwym sposobem na poprawę tych parametrów jest zastosowanie dodatkowych liniowych stabilizatorów, szczególnie w zastosowaniach wymagających bardzo ścisłej regulacji.
Zostaw komentarz