Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Tektronix
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania - czy małe może być lepsze?

ghost666 09 Sie 2019 16:03 885 3
  • Rzadko zadawane pytania - czy małe może być lepsze?
    Pytanie: W jaki sposób stabilizatory z μModule mieszczą się w tak kompaktowych obudowach?

    Odpowiedź: To wszystko dzięki temu, że wiele elementów jest zintegrowanych wewnątrz modułu.

    Moduły mocy są obecne na rynku już od wielu lat. Moduł mocy jest scalonym w jednej obudowie, zwykle impulsowym zasilaczem, który można po prostu przylutować do płytki drukowanej i realizuje on swoje zadanie polegające na przekształceniu napięcia wejściowego na stabilizowane napięcie wyjściowe. W porównaniu ze scalonymi kontrolerami przetwornicy, w których zazwyczaj scalony tylko kontroler i ewentualnie sterownik klucza, zintegrowany moduł mocy oferuje również integrację wielu innych elementów pasywnych. Zazwyczaj termin „moduł mocy” jest używany, gdy zintegrowana jest cewka przetwornicy. Rysunek 2 przedstawia niezbędne komponenty konwertera obniżającego napięcie. Linie przerywane wyznaczają granice scalonego stabilizatora impulsowego i modułu mocy. Projekt całego obwodu konwersji napięcia dla tych modułów przejmuje na siebie producent modułu mocy, więc użytkownik nie musi być ekspertem w dziedzinie systemów zasilania. Oprócz tego istnieją inne zalety takiego rozwiązania. Dzięki wysokiemu stopniowi integracji w module rozmiar zasilacza impulsowego może być wyjątkowo mały.

    Mniejsze przetwornice DC/DC o zredukowanym poziomie szumów

    Stabilizatory impulsowe wytwarzają promieniowanie elektromagnetyczne (EMI), ponieważ ich działanie wymaga dużych nachyleń prądu - wysokiego dI/dt przy stosunkowo wysokiej częstotliwości. Zgodność elektromagnetyczna jest często obowiązkowym badaniem dla takich układów i stanowi krytyczne wyzwanie projektowe np. dla systemów przetwarzania sygnałów w sprzęcie medycznym, radiowych urządzeniach nadawczo-odbiorczych oraz systemach testowych i pomiarowych, zwłaszcza jeśli w tym samym urządzeniu znajduje się przetwornica impulsowa. Na przykład, jeśli system nie jest odporny na zakłócenia elektromagnetyczne lub stabilizator impulsowy w układzie wpłynie na integralność szybkich sygnałów cyfrowych lub radiowych, debugowanie i przeprojektowanie urządzenia nie tylko wydłuży cykle projektowe, ale również podniesie koszty z powodu konieczności ponownego badania na zgodność EMI. Co więcej, szansa na pojawienie się szumu elektromagnetycznego jest bardziej wyraźna w gęściej upakowanych płytkach drukowanych, gdzie regulatory impulsowe - przetwornice DC/DC - znajdują się w pobliżu wrażliwych na zakłócenia elementów i czułych ścieżek sygnałowych.

    Zamiast polegać na niewygodnych technikach ograniczania zakłóceń EMI - takich jak obniżanie częstotliwości kluczowania przetwornicy, dodawanie obwodów filtrujących na PCB lub instalowanie ekranowania - lepszym rozwiązaniem jest tłumienie szumu u źródła: redukcja poziomu zakłóceń generowanych przez samą przetwornicę DC/DC podczas działania. Aby uzyskać bardziej kompaktowe rozwiązanie DC\DC, wszystkie komponenty, w tym tranzystory MOSFET, cewki indukcyjne, układy scalone DC-do-DC i komponenty wspierające, mogą być umieszczone w niewielkiej obudowie zalanej wspólnie żywicą. W ten sposób, jak pokazano na rysunku 1 powstaje właśnie moduł zasilania, przypominający swoim wyglądem układ scalony.

    Rzadko zadawane pytania - czy małe może być lepsze?
    Rys.1. Układ LTM8074 wykorzystujący architekturę Silent Switcher - kompletne rozwiązanie niskoszumnego źródła zasilania w kompaktowej obudowie.


    Oprócz generacji niższego poziomu szumów podczas przetwarzania DC/DC, co pomaga w spełnieniu wymagań zgodności EMI, takich jak zapisane w normie EN 55022 Klasa B, oferuje także niewielkie wymiary i pozwala na zminimalizowanie elementów na płytce drukowanej, takich jak kondensatory wyjściowe. Dzięki szybkiemu przejściowemu stabilizatorowi impulsowemu DC/DC, zależność od pojemności wyjściowej jest zmniejszona. Oznacza to, że konstrukcja jest uproszczona poprzez zoptymalizowaną kompensację wewnętrznej pętli sprzężenia zwrotnego, która zapewnia wystarczające marginesy stabilności w szerokim zakresie warunków pracy dzięki szerokiemu zakresowi kondensatorów wyjściowych.

    Rzadko zadawane pytania - czy małe może być lepsze?
    Rys.2. Stabilizator impulsowy step-down o architekturze buck w postaci wysoce zintegrowanego modułu z zintegrowaną indukcyjnością.

    Rzadko zadawane pytania - czy małe może być lepsze?
    Rys.3. Z minimalną pojemnością wyjściową (ceramiczne kondensatory 2 μF i 4.7 μF) przy napięciu wejściowym 12 V i wyjściowym 3,3 V, układ LTM8074 wykazuje bardzo szybką odpowiedź na skoki obciążenia.


    LTM8074 oferuje maksymalny prąd wyjściowy równy 1,2 A, przy zasilaniu do 40 V w kompaktowej obudowie BGA o wymiarach 4 mm × 4 mm × 1,82 mm i rastrze wyprowadzeń 0,65 mm. Całkowity rozmiar rozwiązania wynosi około 60 mm² dla napięcia wejściowego od 3,2 V do 40 V, i napięcia wyjściowego 3,3 V. Taka konstrukcja wymaga tylko dwóch kondensatorów 0805 i dwóch rezystorów 0603. Niski profil i lekkie opakowanie (0,08 g) pozwala na montaż urządzenia np. z tyłu płytki drukowanej, gdzie góra jest często bardzo gęsto zapełniona elementami elektronicznymi. Architektura Silent Switcher minimalizuje emisję EMI, umożliwiając LTM8074 spełnienie wymagań klasy B CISPR22 i zmniejszenie podatności innych wrażliwych obwodów na zakłócenia elektromagnetyczne.

    Zwykle nie można zintegrować wszystkich zewnętrznych komponentów w jednej obudowie. Jest ku temu prosty powód. Jeśli na przykład niektóre ustawienia, takie jak częstotliwość przełączania lub czas miękkiego startu, powinny być regulowane, obwód musi być poinformowany, co robić. Można to zrobić w sposób cyfrowy. Oznaczałoby to jednak konieczność użycia mikrokontrolera i pamięci nieulotnej wraz ze zwiększeniem kosztów całego systemu. Typowym sposobem obejścia tego problemu jest użycie zewnętrznych elementów pasywnych do zadania tych ustawień, na przykład w postaci opornika lub dzielnika rezystancyjnego. Natomiast elementy, takie jak kondensatory wejściowe i wyjściowe są często zintegrowane z modułem mocy, ale czasami są wymagane dodatkowo zewnętrznie. Rysunek 4 przedstawia obwód z nowym LTM8074 od Analog Devices.

    Rzadko zadawane pytania - czy małe może być lepsze?
    Rys.4. Moduł LTM8074 z napięciem wejściowym do 40 V i prądem pracy do 1,2 A - wszystko w obudowie o wymiarach 4 mm x 4 mm.


    Dzięki zastosowaniu tylko jednego zewnętrznego rezystora do ustawiania pożądanego napięcia wyjściowego, komplikacja układu jest zmniejszona, a aplikacja zapewnia nadal pewną elastyczność. Jeśli soft-start nie jest wymagany w układzie, żaden zewnętrzny kondensator nie musi być podłączony do odpowiedniego styku modułu. Wszystkie te możliwości umożliwiają przetwarzanie napięcia na wyjątkowo małym obszarze płytki drukowanej. Przy wielkości obudowy modułu LTM8074 4 mm × 4 mm i minimalnej potrzebie elementów zewnętrznych, kompletny zasilacz może pracować tylko na powierzchni płyty o wielkości około 8 mm × 8 mm - przy napięciu wejściowym do 40 V i dopuszczalnym prąd wyjściowy do 1,2 A. Rysunek 5 przedstawia przykładowy układ z minimalną liczbą niezbędnych komponentów zewnętrznych.

    Rzadko zadawane pytania - czy małe może być lepsze?
    Rys.5. Przykładowe ułożenie elementów wraz z modułem zasilania na płytce - system zasilania zajmuje obszar zaledwie 8 mm x 8 mm.


    W przypadku małych zasilaczy bardzo ważne jest zapewnienie szczególnie wysokiej wydajności konwersji, w przeciwnym razie mogą wystąpić problemy z rozpraszaniem ciepła. Nowy LTM8074 o niezwykle kompaktowych rozmiarach jest idealnym rozwiązaniem. Dzięki zintegrowanej technologii Silent Switcher może być nawet używana w obwodach, które są szczególnie wrażliwe na zakłócenia i zazwyczaj wykorzystują liniowe stabilizatory napięcia. Wysoce zintegrowane moduły mocy są nie tylko odpowiednie do uproszczenia konstrukcji zasilaczy impulsowych, ale są również przydatne do umożliwienia wydajnej konwersji napięcia w wyjątkowo małej przestrzeni.

    Najważniejsze cechy zasilaczy µModule od Analog Devices to:

    * Niższy poziom szumu w zasilania (dzięki wykorzystaniu technologii Silent Switcher)
    * Ultracienkie obudowy
    * 6-stronne wydajne chłodzenie (CoP)
    * Precyzyjna stabilizacja VOUT w funkcji napięcia zasilania, obciążenia i temperatury
    * Ekstremalne testy niezawodności
    * Minimalizacja pętli masy
    * Wiele pinów zasilania
    * Ekstremalne testy temperaturowe modułu

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-167.html

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9291 postów o ocenie 6873, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Tektronix
  • #2
    Armadon
    Poziom 12  
    Wszystko ładnie pięknie ale niestety jest jeden problem - cena.
    W 90% przypadków to właśnie ten parametr zdecyduje o zastosowaniu zwykłej (aczkolwiek dobrze zaprojektowanej) przetworki impulsowej która może zajmie więcej miejsca i będzie miała trochę gorsze parametry ale jakoś się zmieści w założonych normach i będzie 5-10 razy tańsza.
  • Tektronix
  • #3
    krisRaba
    Poziom 27  
    Dokładnie. Ale z drugiej strony są zastosowania, gdzie walczysz o każdy mm2, a cena może nie grać aż takiej roli..
    Choć oczywiście fajnie by było, gdyby były tańsze :-)
  • #4
    Jogesh
    Poziom 28  
    Fajnie wiedzieć, że sa takie elementy. Ogólnie bardzo mi się podobają różne układy firmy AD, tylko odstrasza cena produktów tej firmy. Choć stosowałem na większa skalę ich scalak do interfejsu RS485 z optoizolacją.
    Ostatnio stosuję przetwornice Microchipa i jak na razie sprawdzają się.