วิธีการใช้ Buck Converters อย่างรวดเร็วสำหรับระบบอัตโนมัติในโรงงาน, 5G และ IoT
Contributed By DigiKey's North American Editors
2022-05-24
ตัวแปลงบั๊ก DC/DC ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมาก เช่น สถานีฐาน 5G อุปกรณ์อัตโนมัติในโรงงาน (FA) และอุปกรณ์ Internet of Things (IoT) เพื่อลดการแปลงไฟฟ้าแรงสูงอย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น แรงดันไฟฟ้า เช่น กระแสตรง 12 โวลต์ (VDC) หรือ 48 VDC จากแบตเตอรี่หรือบัสจ่ายไฟมักจะต้องแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเป็นไอซีดิจิตอลกำลัง เซ็นเซอร์อนาล็อก ส่วนความถี่วิทยุ (RF) และอุปกรณ์อินเทอร์เฟซ
ในขณะที่นักออกแบบสามารถใช้ตัวแปลงบั๊กแบบแยกส่วนและปรับให้เหมาะสมสำหรับการออกแบบเฉพาะในแง่ของคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพและเลย์เอาต์ของบอร์ด แต่ก็มีความท้าทายในการใช้แนวทางนี้ ซึ่งรวมถึงการเลือก MOSFET กำลังที่เหมาะสม การออกแบบเครือข่ายป้อนกลับและการควบคุม การออกแบบตัวเหนี่ยวนำ และตัวเลือกระหว่างโทโพโลยีแบบอะซิงโครนัสหรือซิงโครนัส นอกจากนี้ การออกแบบยังต้องรวมฟังก์ชันการป้องกันจำนวนมาก ให้ประสิทธิภาพสูงสุด และขนาดโซลูชันที่เล็ก ในเวลาเดียวกัน นักออกแบบกำลังถูกผลักดันให้ลดเวลาในการออกแบบและลดต้นทุน ส่งผลให้ต้องค้นหาทางเลือกอื่นในการแปลงพลังงานที่เหมาะสมกว่า
แทนที่จะใช้เส้นทางที่ไม่ต่อเนื่อง นักออกแบบสามารถหันไปใช้ IC ของแหล่งจ่ายไฟแบบรวมที่รวม MOSFET เข้ากับฟีดแบ็คและวงจรควบคุมที่จำเป็นซึ่งได้รับการปรับให้เหมาะสมแล้วสำหรับตัวแปลงบั๊กที่มีประสิทธิภาพสูง
บทความนี้ทบทวนประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนระหว่างตัวแปลง DC/DC แบบอะซิงโครนัสและแบบบั๊กแบบซิงโครนัส และวิธีการจับคู่กับความต้องการของการใช้งานเฉพาะ นำเสนอตัวอย่าง IC แบบอะซิงโครนัสแบบบูรณาการและโซลูชัน IC ตัวแปลงสัญญาณแบบซิงโครนัสจาก ROHM Semiconductor และอภิปรายข้อควรพิจารณาในการใช้งาน รวมถึงการเลือกตัวเหนี่ยวนำเอาต์พุตและตัวเก็บประจุ และโครงร่างบอร์ดพีซี กระดานประเมินผลจะรวมอยู่ในการอภิปรายเพื่อช่วยนักออกแบบในการเริ่มต้น
ทำไมต้องใช้ตัวแปลงบั๊ก?
ในการใช้งานที่ต้องการกระแสไฟไม่กี่แอมแปร์ (A) ตัวแปลงบั๊กจะเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพมากกว่าสำหรับตัวควบคุมเชิงเส้น ตัวควบคุมเชิงเส้นอาจมีประสิทธิภาพประมาณ 60% ในขณะที่ตัวแปลงบั๊กแบบอะซิงโครนัสสามารถมีประสิทธิภาพ 85%+
ตัวแปลงบั๊กแบบอะซิงโครนัสพื้นฐานประกอบด้วยสวิตช์ MOSFET, ไดโอด Schottky, ตัวเก็บประจุ, ตัวเหนี่ยวนำ และวงจรควบคุม/ไดรเวอร์ (ไม่แสดง) เพื่อเปิดและปิด MOSFET (รูปที่ 1) ตัวแปลงบั๊กใช้แรงดันไฟฟ้าอินพุต DC (VIN) และแปลงเป็นกระแสไฟ AC แบบพัลซิ่งที่แก้ไขโดยไดโอด จากนั้นกรองโดยตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเพื่อสร้างแรงดันเอาต์พุต DC ที่มีการควบคุม (VO) โทโพโลยีนี้ได้ชื่อมาจากความจริงที่ว่าแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเหนี่ยวนำตรงข้ามหรือ 'บั๊ค' แรงดันไฟฟ้าขาเข้า
รูปที่ 1: โทโพโลยีตัวแปลงบั๊กแบบอะซิงโครนัส ไม่รวมคอนโทรลเลอร์/วงจรไดรเวอร์ MOSFET (ที่มาของภาพ: ROHM Semiconductor)
วงจรควบคุม/วงจรขับจะตรวจจับแรงดันไฟขาออกและเปิดและปิด MOSFET เป็นระยะๆ เพื่อรักษาแรงดันไฟขาออกไว้ที่ระดับที่ต้องการ เนื่องจากโหลดแตกต่างกันไป คอนโทรลเลอร์/ไดรเวอร์จะแตกต่างกันไปตามระยะเวลาที่ MOSFET เปิดอยู่ เพื่อส่งกระแสไฟไปยังเอาต์พุตมากหรือน้อยตามความจำเป็นเพื่อรักษา (ควบคุม) แรงดันเอาต์พุต เปอร์เซ็นต์ของเวลาที่ MOSFET เปิดอยู่ในระหว่างรอบการเปิด/ปิดที่สมบูรณ์หนึ่งครั้งเรียกว่ารอบการทำงาน ด้วยเหตุนี้ รอบการทำงานที่สูงขึ้นจึงรองรับกระแสโหลดที่สูงขึ้น
เหรียญซิงโครนัส
ในแอปพลิเคชันที่ต้องการประสิทธิภาพที่สูงกว่าที่เป็นไปได้ด้วยบั๊กแบบอะซิงโครนัส นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้ตัวแปลงบั๊กแบบซิงโครนัสโดยที่ไดโอด Schottky ถูกแทนที่ด้วยการแก้ไข MOSFET แบบซิงโครนัส (รูปที่ 2) MOSFET แบบซิงโครนัส (S2) มีความต้านทาน ON ต่ำกว่าความต้านทานของ Schottky อย่างมาก ส่งผลให้สูญเสียน้อยลงและมีประสิทธิภาพสูงขึ้น แต่มีราคาสูงกว่า
ความท้าทายประการหนึ่งคือขณะนี้มี MOSFET สองตัวที่ต้องเปิดและปิดโดยประสานงานกัน หาก MOSFET ทั้งสองเปิดพร้อมกัน จะทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรที่เชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้ากับกราวด์โดยตรง ทำให้คอนเวอร์เตอร์เสียหายหรือเสียหาย การป้องกันไม่ให้เกิดขึ้นจะเพิ่มความซับซ้อนของวงจรควบคุม ส่งผลให้ต้นทุนและเวลาในการออกแบบเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับการออกแบบแบบอะซิงโครนัส
วงจรควบคุมในซิงโครนัสบั๊กนี้รวม 'เวลาหยุดทำงาน' ระหว่างการเปลี่ยนการเปลี่ยนภาพโดยที่สวิตช์ทั้งสองปิดอยู่ในช่วงเวลาสั้น ๆ เพื่อป้องกันการนำไฟฟ้าพร้อมกัน โชคดีสำหรับนักออกแบบ มีไอซีจ่ายไฟที่รวม MOSFET กำลังไฟฟ้าและวงจรควบคุมที่จำเป็นในการผลิตตัวแปลงบั๊ก
รูปที่ 2: โทโพโลยีตัวแปลงบั๊กซิงโครนัสแสดงการเปลี่ยนไดโอด Schottky ด้วย MOSFET การแก้ไขแบบซิงโครนัส (S2) (ที่มาของภาพ: ROHM Semiconductor)
ไอซีตัวแปลงบั๊กในตัว
ตัวอย่างของไอซีตัวแปลงบั๊กแบบบูรณาการอย่างสูงคือ BD9G500EFJ-LA (อะซิงโครนัส) จาก ROHM และ BD9F500QUZ (ซิงโครนัส) ซึ่งมาในแพ็คเกจ HTSOP-J8 และ VMMP16LZ3030 ตามลำดับ (ภาพที่ 3) BD9G500EFJ-LA มีแรงดันไฟฟ้าที่ทนต่อ 80 โวลต์ และมีไว้สำหรับใช้กับพาวเวอร์บัส 48 V ที่พบในสถานีฐาน 5G เซิร์ฟเวอร์ และการใช้งานที่คล้ายกัน นอกจากนี้ยังเหมาะสำหรับระบบที่มีบัสส่งกำลัง 60 V เช่น จักรยานไฟฟ้า เครื่องมือไฟฟ้า FA และอุปกรณ์ IoT สามารถส่งกระแสไฟขาออกได้ถึง 5 A และมีประสิทธิภาพการแปลง 85% จากช่วงกระแสไฟขาออกที่ 2 ถึง 5 A คุณสมบัติในตัว ได้แก่ การสตาร์ทแบบนุ่มนวล แรงดันไฟเกิน กระแสไฟเกิน การปิดระบบด้วยความร้อน และการป้องกันไฟตก
รูปที่ 3: IC ตัวแปลงบั๊กแบบอะซิงโครนัส BD9G500EFJ-LA มาในแพ็คเกจ HTSOP-J8 และ IC บั๊กซิงโครนัส BD9F500QUZ มาในแพ็คเกจ VMMP16LZ3030 (ที่มาของภาพ: ROHM Semiconductor)
เนื่องจาก IC แหล่งจ่ายไฟแบบซิงโครนัส BD9F500QUZ มีแรงดันพังที่ 39 โวลต์ ผู้ออกแบบระบบที่มีพาวเวอร์บัส 24 V สามารถใช้เพื่อลดต้นทุนของระบบโดยการลดพื้นที่ติดตั้งและจำนวนส่วนประกอบในระบบ FA เช่น Programmable Logic Controller (PLC) และ อินเวอร์เตอร์ BD9F500QUZ ลดขนาดโซลูชันลงประมาณ 60% และความถี่สวิตชิ่งสูงสุด 2.2 MHz ช่วยให้สามารถใช้ตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็ก 1.5 ไมโครเฮนรี่ (μH) บั๊กซิงโครนัสนี้ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด 90% โดยมีกระแสไฟขาออก 3 A
การผสมผสานระหว่างบรรจุภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพสูงและระบายความร้อนได้ดีทำให้อุณหภูมิในการทำงานอยู่ที่ประมาณ 60 องศาเซลเซียส (°C) โดยไม่ต้องใช้ฮีทซิงค์ จึงช่วยประหยัดพื้นที่ เพิ่มความน่าเชื่อถือ และลดต้นทุน คุณสมบัติในตัวรวมถึงฟังก์ชั่นการคายประจุตัวเก็บประจุเอาท์พุท, แรงดันไฟเกิน, กระแสไฟเกิน, ไฟฟ้าลัดวงจร, การปิดเครื่องด้วยความร้อน และการป้องกันแรงดันไฟฟ้าตก
การเลือกตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ
ในขณะที่ BD9G500EFJ-LA และ BD9F500QUZ มี MOSFET กำลังไฟฟ้าในตัว นักออกแบบยังคงต้องเลือกตัวเหนี่ยวนำเอาต์พุตและตัวเก็บประจุที่เหมาะสมที่สุดซึ่งมีความสัมพันธ์กัน ตัวอย่างเช่น ค่าที่เหมาะสมที่สุดของการเหนี่ยวนำเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้ได้ขนาดรวมที่เล็กที่สุดสำหรับตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเอาต์พุต รวมถึงแรงดันไฟขาออกที่ต่ำเพียงพอ ข้อกำหนดชั่วคราวก็มีความสำคัญเช่นกันและแตกต่างกันไปในแต่ละระบบ แอมพลิจูดโหลดชั่วคราว ข้อจำกัดความเบี่ยงเบนของแรงดันไฟ และอิมพีแดนซ์ของตัวเก็บประจุทั้งหมดส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพชั่วคราวและการเลือกตัวเก็บประจุ
นักออกแบบมีเทคโนโลยีคาปาซิเตอร์หลายตัวที่พร้อมใช้ ซึ่งแต่ละตัวมีชุดการประนีประนอมด้านต้นทุนและประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน โดยปกติ ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น (MLCC) จะใช้สำหรับความจุเอาต์พุตในตัวแปลงบั๊ก แต่การออกแบบบางอย่างอาจได้รับประโยชน์จากการใช้ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์หรือตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ไฮบริดแบบไฮบริดที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า
ROHM ได้ลดความซับซ้อนของกระบวนการเลือกตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ โดยนำเสนอวงจรตัวอย่างการใช้งานที่สมบูรณ์ให้กับนักออกแบบในเอกสารข้อมูลสำหรับไอซีพาวเวอร์ซัพพลายเหล่านี้ ได้แก่:
- แรงดันไฟขาเข้า แรงดันไฟขาออก ความถี่สวิตชิ่ง และกระแสไฟขาออก
- แผนผังวงจร
- รายการวัสดุที่แนะนำ (BOM) พร้อมค่า หมายเลขชิ้นส่วน และผู้ผลิต
- รูปคลื่นปฏิบัติการ
วงจรการใช้งานโดยละเอียดสามวงจรสำหรับ BD9G500EFJ-LA ทั้งหมดนี้มีความถี่การสลับ 200 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) รวมถึง:
- 7 ถึง 48 VDC อินพุตที่มีเอาต์พุต 5.0 VDC ที่ 5 A
- 7 ถึง 36 VDC อินพุตที่มีเอาต์พุต 3.3 VDC และ 5 A
- 18 ถึง 60 VDC อินพุตที่มีเอาต์พุต 12 VDC และ 5 A
วงจรการใช้งานโดยละเอียดเจ็ดวงจรสำหรับ BD9F500QUZ ประกอบด้วย:
- 12 ถึง 24 VDC อินพุตที่มีเอาต์พุต 3.3 VDC และ 5 A ด้วยความถี่สวิตชิ่ง 1 MHz
- 12 ถึง 24 VDC อินพุตที่มีเอาต์พุต 3.3 VDC และ 5 A พร้อมความถี่สวิตชิ่ง 600 kHz
- 5 VDC อินพุตที่มีเอาต์พุต 3.3 VDC และ 5 A ด้วยความถี่สวิตชิ่ง 1 MHz
- 5 VDC อินพุตที่มีเอาต์พุต 3.3 VDC และ 5 A พร้อมความถี่สวิตชิ่ง 600 kHz
- 12 VDC อินพุตที่มีเอาต์พุต 1.0 VDC และ 5 A ด้วยความถี่สวิตชิ่ง 1 MHz
- 12 VDC อินพุตที่มีเอาต์พุต 1.0 VDC และ 5 A พร้อมความถี่สวิตชิ่ง 600 kHz
- 12 VDC อินพุตที่มีเอาต์พุต 3.3 VDC และ 3 A ด้วยความถี่สวิตชิ่ง 2.2 MHz
นอกจากนี้ ROHM ยังเสนอบันทึกการใช้งานให้กับนักออกแบบเกี่ยวกับ “ประเภทของตัวเก็บประจุที่ใช้สำหรับการปรับเอาต์พุตให้เรียบของตัวควบคุมสวิตช์และข้อควรระวัง”
บอร์ด Eval เร่งกระบวนการออกแบบ
เพื่อเร่งกระบวนการออกแบบให้เร็วขึ้น ROHM ขอเสนอBD9G500EFJ-EVK-001 และ BD9F500QUZ-EVK-001 แผงประเมินผลสำหรับ BD9G500EFJ-LA และ BD9F500QUZ ตามลำดับ (ภาพที่ 4)
รูปที่ 4: BD9G500EFJ-EVK-001 (ซ้าย) และ BD9F500QUZ-EVK-001 (ขวา) บอร์ด eval สำหรับ BD9G500EFJ-LA และ BD9F500QUZ buck converter ICs ตามลำดับ ช่วยให้นักออกแบบมั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ตรงตามข้อกำหนดอย่างรวดเร็ว (ที่มาของภาพ: ROHM Semiconductor)
BD9G500EFJ-EVK-001 สร้าง 5 VDC เอาต์พุตจาก 48 VDC ป้อนข้อมูล ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตของ BD9G500EFJ-LA คือ 7 ถึง 76 VDC และแรงดันไฟขาออกสามารถกำหนดค่าได้ตั้งแต่ 1 VDC ถึง 0.97 x VIN ด้วยตัวต้านทานภายนอก ตัวต้านทานภายนอกยังสามารถใช้เพื่อตั้งค่าความถี่ในการทำงานระหว่าง 100 ถึง 650 kHz
บอร์ดประเมินผล BD9F500QUZ-EVK-001 ให้เอาต์พุต 1 VDC จาก 12 VDC input ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตของ BD9F500QUZ คือ 4.5 ถึง 36 VDC และแรงดันไฟขาออกสามารถกำหนดค่าได้ตั้งแต่ 0.6 ถึง 14 VDC ด้วยตัวต้านทานภายนอก IC ของแหล่งจ่ายไฟนี้มีความถี่สวิตชิ่งที่เลือกได้สามแบบ 600 kHz, 1 MHz และ 2.2 MHz
ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับการจัดวางบอร์ด
ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับเค้าโครงบอร์ดพีซีทั่วไปเมื่อใช้ BD9G500EFJ-LA และ BD9F500QUZ ได้แก่:
- ไดโอดอิสระและตัวเก็บประจุอินพุตควรอยู่บนเลเยอร์บอร์ดพีซีเดียวกันกับเทอร์มินัล IC และใกล้กับ IC มากที่สุด
- ควรมีการรวมจุดความร้อนไว้ทุกครั้งที่ทำได้เพื่อปรับปรุงการกระจายความร้อน
- วางตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเอาต์พุตให้ใกล้กับ IC มากที่สุด
- เก็บร่องรอยวงจรเส้นทางกลับให้ห่างจากแหล่งกำเนิดเสียง เช่น ตัวเหนี่ยวนำและไดโอด
รายละเอียดเลย์เอาต์ที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้นสามารถพบได้ในเอกสารข้อมูลสำหรับอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องและในหมายเหตุการใช้งานของ ROHM ในเรื่อง “เทคนิคเค้าโครง PCB ของตัวแปลงบั๊ก”
สรุป
ดังที่แสดงไว้ สามารถใช้ตัวแปลงบั๊กแบบอะซิงโครนัสและซิงโครนัสเพื่อมอบประสิทธิภาพการแปลงที่สูงขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับตัวควบคุมเชิงเส้นในการใช้งาน FA, IoT และ 5G ที่หลากหลาย แม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะออกแบบตัวแปลงบั๊กแบบกำหนดเองสำหรับการออกแบบที่กำหนด แต่ก็เป็นงานที่ซับซ้อนและใช้เวลานาน
ในทางกลับกัน นักออกแบบสามารถเลือกใช้ IC ของพาวเวอร์ซัพพลายที่รวมเอา MOSFET กำลังไฟฟ้าเข้ากับวงจรควบคุมและไดรฟ์เพื่อสร้างโซลูชันที่กะทัดรัดและคุ้มค่า นอกจากนี้ยังมีเครื่องมือที่หลากหลายสำหรับนักออกแบบเพื่อเร่งเวลาในการออกสู่ตลาด รวมถึงบันทึกการใช้งานเกี่ยวกับการเลือกตัวเก็บประจุและเลย์เอาต์ของบอร์ดพีซี วงจรตัวอย่างการใช้งานโดยละเอียด และแผง eval
บทความที่แนะนำ

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.