Четыре совета по проектированию для получения частоты переключений 2 МГц

Пэт Хантер (Pat Hunter), Энтони Фагнани (Anthony Fagnani)

Разработчики должны соблюдать множество требований по электромагнитной совместимости (ЭМС) для применений в автомобилях. А также важен правильной выбор частоты переключения (fSW) для источника питания для соблюдения этих требований. Большинство разработчиков выбирают fSW за пределами средневолнового радиовещательного диапазона частот — обычно 400 кГц или 2 МГц, где электромагнитные помехи (ЭМП) должны быть ограничены. Выбор варианта 2 МГц предпочтителен по многим причинам. Приведём некоторые ключевые соображения, касающиеся попыток работать на частоте 2 МГц с использованием в качестве примера TPS54116-Q1 — нового решения корпорации TI для питания памяти DDR.

Первый и самый важный фактор, который должен рассматриваться при работе с частотой переключения (fSW) 2 МГц, — это минимальное время пребывания конвертера во включённом состоянии. В вольтодобавочном конвертере при включении полевого МОП-транзистора высокой стороны этот транзистор должен оставаться включённым в течение минимального времени пребывания во включённом состоянии, прежде чем он сможет выключиться. При наличии контроля режима пикового тока минимальное время пребывания во включённом состоянии обычно ограничивается временем гашения сигнала измерения тока. Наибольшее минимальное время пребывания конвертера во включённом состоянии обычно имеет место при условии минимальной нагрузки, и для этого есть три причины.

При более значительных нагрузках в цепи имеются падения постоянного тока, увеличивающие рабочее время пребывания во включённом состоянии.

Время нарастания и время спада импульса в узле коммутации. В периоды «мёртвого» времени (время между выключением полевого МОП-транзистора низкой стороны и включением полевого МОП-транзистора высокой стороны и между выключением полевого МОП-транзистора высокой стороны и включением полевого МОП-транзистора низкой стороны) ток, проходящий через индуктор, заряжает и разряжает любую паразитную ёмкость в узле коммутации. При незначительных нагрузках в индукторе меньше тока, поэтому ёмкость заряжается и разряжается медленнее, что приводит к более длительным периодам времени подъёма и спада в узле коммутации. Более длительные периоды времени подъёма и спада приводят к увеличению эффективной длительности импульса.

«Мёртвое» время перехода «от низкой к высокой». Когда полевой МОП-транзистор низкой стороны выключается, и до того, как полевой МОП-транзистор высокой стороны снова включится, проходящий через индуктор ток заряжает напряжение в узле коммутации, пока паразитный диод полевого МОП-транзистора высокой стороны не зафиксирует напряжение узла коммутации. В результате узел коммутации имеет высокий уровень напряжения в период «мёртвого» времени с момента выключения полевого МОП-транзистора низкой стороны до момента включения полевого МОП-транзистора высокой стороны. Поскольку в этот период времени узел коммутации имеет высокий уровень напряжения, «мёртвое» время «от низкой к высокой» увеличивает эффективную минимальную длительность импульса.

На рисунке 1 можно увидеть, что, несмотря на то, что время пребывания во включённом состоянии такое же, длительность импульса больше.

 Длительность импульса при полной нагрузке

Рисунок 1. Длительность импульса при полной нагрузке по сравнению с длительностью при отсутствии нагрузки

Второй фактор, который должен рассматриваться при попытке работать на частоте 2 МГц, — это коэффициент преобразования минимального входного напряжения (Vin) в выходное напряжение (Vout). Это связано с минимальным временем пребывания конвертера во включённом состоянии, поскольку этот коэффициент задаёт время пребывания во включённом состоянии, при котором конвертер должен работать. Например, если конвертер имеет минимальное время пребывания во включённом состоянии 100 нс и работает на частоте 2 МГц, то, используя уравнение 1, минимальный коэффициент преобразования (Dmin), который он может поддерживать, составляет 20%. Если заданный коэффициент преобразования Vin в Vout требует времени пребывания во включённом состоянии меньше минимального времени пребывания во включённом состоянии, большинство конвертеров переходят в режим пропуска импульсов, чтобы сохранить выходное напряжение регулируемым. При пропуске импульсов fSW меняется и может вызвать помехи на частотах, где помехи должны ограничиваться.

Формула

В автомобильных применениях, где источник питания подключается к аккумулятору, время пребывания во включённом состоянии должно поддерживать преобразование из типового диапазона Vin от 6 до 18 В. Применив уравнение 2 при максимальном входном напряжении 18 В и коэффициенте преобразования 20%, получим минимальное выходное напряжение 3,6 В. При прямом подключении к аккумулятору могут возникать большие всплески напряжения (такие как во время сброса нагрузки), превышающие этот типовой диапазон. В зависимости от требований применения конвертеру может быть разрешено или не разрешено пропускать импульсы во время всплесков входного напряжения.

Формула

Регулятору, подключённому к шине с напряжением 3,3 или 5 В, легче работать при 2 МГц. Например, TPS54116-Q1 имеет максимальное минимальное время пребывания во включённом состоянии 125 нс, поэтому при 2 МГц минимальный рабочий цикл составляет 25%. Минимальное выходное напряжение, которое может поддерживаться от входа 3,3 В, составляет 0,825 В; от шины 5 В — 1,25 В. Полный анализ минимального выходного напряжения в заданном применении должен также включать допуск по Vin и fSW.

Третий фактор, который должен рассматриваться при попытке работать на частоте 2 МГц, — это потери переменного тока в индукторе. Потери переменного тока увеличиваются вместе с fSW, поэтому это нужно учитывать при выборе индуктора для 2 МГц. В некоторых индукторах используется материал сердечника, предназначенный для более низких потерь переменного тока для обеспечения большей эффективности при более высоких частотах. Большинство поставщиков индукторов предоставляют инструмент для подсчета потерь переменного тока в их индукторах.

Четвёртый фактор, который должен рассматриваться при попытке работать на частоте 2 МГц, — это компромисс между размером и эффективностью. При выборе fSW для преобразователя (конвертера) постоянного тока в постоянный следует найти компромисс между размером и эффективностью. Размер индуктора и некоторые потери конвертера увеличиваются вместе с fSW. При конкретном сравнении 400 кГц с 2 МГц в конфигурации с частотой 2 МГц будет использоваться в 5 раз меньшая индуктивность, но будут иметься в 5 раз большие коммутационные потери. В 5 раз меньшая индуктивность означает меньший размер индуктора.

Два основных вида потерь в конвертере, связанных с fSW, — это коммутационные потери в полевом МОП-транзисторе высокой стороны и потери «мёртвого» времени. Уравнение 3 — это основной расчёт этих потерь, который можно использовать для дальнейшего анализа эффекта увеличения потерь при более высокой fSW. Например, при 5 В на входе, нагрузке 4 А, времени подъёма 3 нс, времени спада 2 нс, падении напряжения на паразитном диоде 0,7 В и «мёртвом» времени 20 нс расчётная потеря мощности составляет 325 мВт при частоте 2 МГц и 65 мВт при частоте 400 кГц.

Формула

Добавочные потери мощности вызывают повышение рабочей температуры соединения. Применив уравнение 4 при RΘJA = 35°C/Вт из TPS54116-Q1EVM-830, получим повышение соединения интегральной схемы только на 9 °C. Тепловые характеристики могут отличаться при разных компоновках ППМ.

Формула

Несмотря на то, что в техническом описании указана частота 2 МГц, вовсе не подразумевается, что 2 МГц достижимы при всех режимах работы. Переключение с частотой 2 МГц имеет достоинства и недостатки, и всегда существует компромисс между размером ваших решений конвертера постоянного тока в постоянный и эффективностью.

Формула

Закажите оценочный модуль TPS54116-Q1EVM-830 и сразу начинайте проектировать свою конфигурацию для частоты 2 МГц в программе WEBENCH®Power Designer