Преимущества использования микромодулей с ЧИМ в приложениях с ограниченными размерами.

Приложениям с ограничениями на занимаемое пространство, к которым относятся, например, портативные устройства, требуются DC/DC-преобразователи с определенным набором характеристик. Для эксплуатации в небольшом пространстве необходимы миниатюрные DC/DC-преобразователи с отличными тепловыми характеристиками. В этой статье подробно рассматриваются проблемы, возникающие при электропитании приложений с малым занимаемым объемом, и способы их решения.

ПРИЛОЖЕНИЯ С ОГРАНИЧЕННЫМ ОБЪЕМОМ

Чтобы лучше понять требования к промышленным приложениям с ограниченным занимаемым пространством, давайте подробно рассмотрим систему видеонаблюдения с ее функциональными блоками.

Описание приложения

Приложение состоит из источника питания, DC/DC-преобразователя, датчика изображения, блока микроконтроллера (МК) и WiFi-устройств. Иа вход DC/DC-преобразователя поступает напряжение 5 В от батареи или с порта USB, а на выходе преобразователь формирует напряжение 3,3 В, обеспечивая стабильное регулируемое питание для МК (см. рис. 1). Микроконтроллер обрабатывает данные, инициирует последующие действия и отправляет команды датчику и WiFi-модулю. Ведомый ВЧ-модуль отправляет данные с датчика изображения через Wi-Fi главному приемнику. Эти данные обрабатываются и отображаются на дисплее.

Рис. 1. Структурная схема приложения с камерой для видеонаблюдения

В таблице перечислены наиболее важные задачи, которые учитываются при разработке DC/DC-преобразователя в приложении с ограничениями на занимаемое пространство, и способы их решения с помощью компактных силовых модулей.

Таблица. Проблемы проектирования DC/DC-преобразователей и способы их решения

Задача	Решение
Ограниченное пространство на печатной плате и строгие требования к электропитанию	силовые модули очень малых размеров с высокой плотностью мощности
Ограниченный срок службы батареи	очень низкий ток покоя и высокий КПД
Термочувствительность	высокий КПД
Надежная эксплуатация изделия в течение продолжительного срока службы	хорошо испытанная технология (синхронный понижающий преобразователь в надежном корпусе, отвечающий самым высоким стандартам)
Обеспечение очень малых ЭМП	встраиваемый экранированный дроссель; оптимизированная топология печатной платы; токовые контуры малой площади
Жесткая линейная регулировочная характеристика	строгий допуск на выходное напряжение и малые пульсации
Скачкообразное изменение динамической нагрузки	быстрый переходный процесс

Чтобы реализовать перечисленные в таблице решения для DC/DC-преобра-зователей, необходимо лучше понять процесс их проектирования.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПАКТНЫХ МИКРОМОДУЛЕЙ

Давайте рассмотрим пример проектирования системы безопасности с видеокамерой. При проектировании дискретного преобразователя требуется предпринять как минимум следующие действия:

• разработать схему DC/DC-преобразователя:
• выбрать топологию;
• выбрать контроллер ИС;
• рассчитать и выбрать силовые компоненты (MOSFET, диод, дроссель);
• рассчитать и выбрать входные и выходные конденсаторы;
• разработать испытательный стенд;
• обеспечить стабильное регулирование во всем диапазоне входного/выходного напряжения и тока нагрузки;
• выполнить трассировку соединений на печатной плате, обеспечив требуемое подавление ЭМП и хорошие тепловые характеристики;
• осуществить проверку всей системы, чтобы упростить процесс изготовления изделия;
• выполнить предварительные испытания на соответствие требованиям к ЭМП и безопасности;
• продумать логистическую цепочку и вопросы безопасного производства.

Силовые модули MagI³C прошли все упомянутые этапы проектирования дискретных DC/DC-преобразователей. Электромагнитные помехи и тепловые характеристики можно заранее оценить с помощью REDEXPERT - онлайн-средства проектирования. Разработчики имеют возможность выбрать модуль на основе электрических характеристик приложения, не проходя все упомянутые выше этапы проектирования. Таким образом, использование этих модулей ускоряет проектирование источника питания для приложения по сравнению с разработкой дискретного DC/DC-преобразователя.

Использование модуля питания из семейства VDMM сокращает общее время вывода на рынок, позволяя сэкономить расходы на проектирование. DC/DC модули питания обеспечивают высокую удельную мощность при минимальном занимаемом объеме. Далее мы рассмотрим основные принципы коммутации DC/DC силовых модулей, позволяющие решить большинство упомянутых проблем.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ С ОГРАНИЧЕННЫМИ РАЗМЕРАМИ

Изменение нагрузки

Приложения с батарейным питанием, к которым относятся портативные устройства, не всегда работают с полной нагрузкой. Например, потребляемый ток измерительной системы выше при измерениях и ниже между ними.

следовательно, управление питанием должно быть достаточно гибким, чтобы обеспечить отличные характеристики при любой нагрузке. При малой нагрузке приложение находится в режиме останова или ожидания и, следовательно, характеризуется пониженным энергопотреблением. При максимальной нагрузке приложение работает в номинальных условиях и характеризуется номинальным энергопотреблением.

Таким образом, управление питанием должно осуществляться с учетом нагрузки, чтобы обеспечить максимальную эффективность и работоспособность.

КПД и коммутационная характеристика

На рисунках 2-3 показана эффективность силового модуля MicroModule MagI³C 171010550 от WE на 1,2 A для иллюстрации разных режимов нагрузки. На рисунке 2 представлена типовая характеристика стандартного понижающего преобразователя в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Режим ШИМ широко используется в большинстве промышленных источников питания. Этот режим подходит для приложений такого типа, поскольку они работают в условиях большой нагрузки наибольшую часть срока службы. Однако у датчиков, например, нагрузка преимущественно небольшая. Следовательно, чтобы обеспечить оптимальное функционирование, следует изменить коммутационную характеристику.

Рис. 2. КПД силового модуля MagI3C 171010550 от WE в принудительном режиме ШИМ в зависимости от разных условий нагрузки

Рис. 3. Эффективность силового модуля MagI³C 171010550 от WE в режиме ЧИМ/ШИМ

Режим частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) обеспечивает заметно более высокие значения КПД при уменьшении нагрузочного тока. Использование этого режима продлевает срок службы батареи в устройствах с батарейным питанием.

По кривой серого цвета с V_выx = 1,8 В видно, что переход между режимами ШИМ и ЧИМ составляет около 400 мА. Точка, в которой происходит переход, зависит от значений выходного и входного напряжений.

РЕЖИМ ЧИМ

Описание характеристик коммутации

На рисунке 4 сравнивается ток дросселя модуля 171010550 от WE при ШИМ и ЧИМ. При ЧИМ ток дросселя переключается сериями (пакетами) импульсов. И нагрузка, и выходной конденсатор получают питание в момент подачи импульса. При останове (интервал между двумя импульсами) разомкнуты оба переключателя (на высокой и низкой сторонах), благодаря чему выходной конденсатор полностью обеспечивает ток нагрузки. Следовательно, потребление энергии модулем между двумя импульсами резко падает, пока система обратной связи не запустит следующий импульс. В свою очередь, КПД в режиме ЧИМ значительно выше по сравнению с традиционным режимом ШИМ из-за меньших коммутационных потерь. Время останова обратно пропорционально току нагрузки, т. е. если ток нагрузки увеличивается, временной интервал между двумя соседними импульсами уменьшается. Модуль переключается из режима ЧИМ в ШИМ, когда время останова приближается к нулю, возвращаясь к режиму коммутации с постоянной частотой 4 МГц.

Рис. 4. Сравнение режимов ШИМ и ЧИМ силового модуля MagI3C 171010550 от WE

Пиковый ток дросселя в Чим-режиме выше, чем в Шим, что позволяет передавать то же количество энергии в нагрузку за определенное время при меньших потерях внутри преобразователя. Потери в модуле во время останова отсутствуют, в отличие от режима Шим.

Пульсации выходного напряжения

Если выходное напряжение выше определенного значения, оба переключателя разомкнуты. во время останова только выходной конденсатор обеспечивает ток нагрузки, что приводит к спаду выходного напряжения. когда оно опускается до определенного значения, начинается следующая серия (пакет) импульсов. результирующая величина пульсации зависит от порогового значения, которое устанавливается контроллером ис.Пульсации выходного напряжения в режиме Чим можно уменьшить, увеличив выходную емкость. максимальное значение выходной емкости указано в соответствующем техническом описании силового модуля.

МАСШТАБИРОВАНИЕ СИЛОВЫХ МОДУЛЕЙ

Для удовлетворения многих требований приложений с ограничениями на занимаемый объем требуется целое семейство DC/DC модулей питания. У каждой модели семейства - своя специализация, что позволяет гибко использовать разные конструктивные и производственные параметры.

На рисунке 5 показаны модели семейства VDMM MagI³C в разных конструктивных и производственных исполнениях.

Рис. 5. Размеры масштабирования с помощью силовых модулей MagI3C от WE

Масштабирование корпусов при той же занимаемой площади

Благодаря совместимости выводов и корпусов у разработчика имеется возможность выбрать силовой модуль для приложения с током в диапазоне 600 мА...1 А, заменив одну модель другой. макет остается неизменным в обоих случаях. Чтобы оснастить приложение функцией Power Good, придется немного изменить компоновку для монтажа модуля MagI³C171010501 от WE (см. красный участок на рисунке 5), который почти совместим по выводам.

Масштабирование мощности

Современным приложениям постоянно требуется мощность более высокого уровня при меньшей занимаемой площади на печатной плате. В этом случае у разработчика имеется возможность выбрать миниатюрный модуль с током в диапазоне 600 мА.1,2 А (см. серый участок на рисунке 5).

Повыводное масштабирование

Для 100% замены одного модуля другим на выбор предлагаются модели MagI³C от WE с током от 600 мА (171960501) до 1 A (171010502) (см. синий участок на рисунке 5).

Масштабирование функций

В зависимости от конкретных требований к источнику питания имеется возможность выбрать между мониторингом выходного напряжения с помощью модуля 171010501 MagI³C от WE и активным контролем КПД с помощью модуля 171010502 MagI³C от WE (см. оранжевый участок на рисунке 5).

ВЫВОДЫ

Таким образом, силовые модули серии MagI³C представляют собой проверенные, испытанные, надежные и компактные решения для проектов с ограниченным пространством и ограниченным бюджетом. В этих модулях воплощены последние технологические достижения в виде комбинации режимов Чим/Шим, которая обеспечивает более высокий КПД при сравнительно легких нагрузках и оптимальный КПД во всем диапазоне нагрузок.

Эти модули идеально подходят для приложений с батарейным питанием. Например, приложения с датчиками интернета вещей, которые только время от времени считывают и передают данные, получают преимущества в результате автоматического перехода из режима Чим в режим Шим между пассивным и активным состояниями. иногда использование таких модулей решает, казалось бы, невозможную задачу увеличить плотность мощности при той же занимаемой площади!

Опубликовано в журнале "Электронные Компоненты" №6, 2021 г.

Подробнее:

MagI³C-VDMM Variable Step Down MicroModule