Одним из перспективных решений является трехуровневая архитектура DC-DC преобразователя, которая может обеспечить впечатляющее повышение эффективности при одновременном снижении стоимости комплектующих и уменьшении размеров печатной платы.
Почему именно 3-уровневый DC-DC преобразователь?
2-уровневый понижающий контроллер использует два полевых транзистора (внешних или внутренних) и один индуктор для передачи мощности. Они называются 2-уровневыми контроллерами, потому что фазовый узел индуктора (V_SW) колеблется между VIN и землей — то есть, всего два уровня. В этой топологии полевые транзисторы должны блокировать все напряжение VIN в выключенном состоянии, а пульсации индуктора достигают своего максимума при коэффициенте заполнения 50%.
Рисунок 1: Типичная двухуровневая топология преобразователя постоянного тока
Трехуровневый (3N) понижающий преобразователь состоит из двух дополнительных ключей и обратного конденсатора по сравнению с обычным двухуровневым (2N) понижающим преобразователем. Ключи Q1 и Q4 имеют фазовый сдвиг, аналогично, Q2 и Q3 также имеют фазовый сдвиг. Переключающий узел (V_SW) переключается между VIN и VIN/2 или между VIN/2 и землей, отсюда и название «3 уровня»
Рисунок 2: Типичная 3-уровневая топология CC-CC
В установившемся режиме обратноходовой конденсатор поддерживает VIN/2, что снижает напряжение на ключах. Это позволяет использовать полевые транзисторы с более низким напряжением и лучшим коэффициентом качества, что приводит к снижению потерь проводимости и переключения пропорционально V².
Такая топология также позволяет использовать индуктор меньшего размера, поскольку индуктор испытывает только половину VIN. Пульсации индуктора возникают на частоте, вдвое превышающей частоту переключения полевого транзистора, что делает амплитуду пульсаций всего четверть от амплитуды пульсаций двухуровневого преобразователя, в результате чего снижаются потери в сердечнике индуктора и сопротивление постоянному току (DCR).
Рисунок 3: Пульсации индуктора в зависимости от коэффициента заполнения для 2- и 3-ступенчатых понижающих преобразователей
Возможности сокращения спецификации материалов
: Используя улучшенную тепловую и электрическую эффективность 3-уровневых схем, инженеры могут:
- Уменьшить размеры индукторов и конденсаторов без ущерба для производительности.
- Сократить количество компонентов за счет упрощения демпфирующих цепей и фильтрации электромагнитных помех.
- Выбрать MOSFET-транзисторы с более низким номинальным напряжением, которые более экономичны и имеют меньшие потери проводимости.
Примеры применения в реальных условиях:
многопортовые зарядные устройства USB-PD.
В мощных устройствах USB-PD (особенно с КПД >65 Вт) эффективность и контроль температуры имеют решающее значение. Трехуровневый преобразователь постоянного тока может работать на более высоких частотах переключения без потерь, что позволяет использовать более мелкие магнитные компоненты и обеспечивает более быструю переходную характеристику. Снижение тепловой нагрузки позволяет создавать более изящные корпуса без принудительной вентиляции, что напрямую снижает производственные и материальные затраты.
Рисунок 4: Схема многопортового зарядного устройства USB-PD с 3-уровневым преобразователем постоянного тока
Энергопотребляющие устройства для потребительского рынка:
В таких продуктах, как ноутбуки, коммуникационные станции и высококачественное портативное аудиооборудование, место на печатной плате часто является дефицитным ресурсом. Уменьшение размеров силового каскада не только снижает стоимость комплектующих, но и освобождает место для дополнительных функций, улучшения эстетики или уменьшения общего форм-фактора. Благодаря инновационной конструкции силового каскада, включающей 3-уровневый и 2-уровневый переключающие узлы через индуктор, эта архитектура позволяет использовать режимы понижения, понижения-повышения или повышения напряжения.
Рисунок 5: Потребляемая мощность с 3-уровневой DC-DC диаграммой
Преимущества снижения напряжения:
Поскольку каждый компонент в 3-уровневом преобразователе испытывает меньшие колебания напряжения, требования к снижению напряжения менее строгие. Например, в 2-уровневом понижающем преобразователе, понижающем напряжение с 24 В до 5 В, высоковольтный MOSFET может получать все 24 В в выключенном состоянии, что требует использования устройства с напряжением 30–40 В, более высоким сопротивлением R_DS(on) и большей стоимостью. В 3-уровневой топологии MOSFET получает только около половины (≈12 В), что позволяет использовать MOSFET с напряжением 15–30 В, гораздо более низким сопротивлением R_DS(on), лучшими характеристиками переключения и меньшей стоимостью.
Этот эффект распространяется на всю схему: снижение напряжения позволяет разработчикам выбирать из семейств компонентов с более низким напряжением и более высокими характеристиками, которые часто имеют лучший коэффициент качества (FOM) и меньшие потери проводимости и переключения. В результате получается меньший по размеру, более холодный и менее дорогой силовой каскад.
Преимущества, связанные с размером индуктора и эффективностью:
Поскольку пульсации тока в 3-уровневом преобразователе естественным образом уменьшаются, требуемый размер индуктора также уменьшается. Например, в 2-уровневом понижающем преобразователе, понижающем напряжение с 24 В до 12 В, индуктор должен контролировать полный переход от 24 В до 0 В в каждом цикле. Это приводит к более высоким пиковым значениям пульсаций тока, вынуждая разработчиков выбирать более высокие значения индуктивности и физически более крупные индукторы с большим объемом сердечника и медными обмотками. Более крупные индукторы не только увеличивают стоимость, но и вводят более высокое сопротивление постоянному току (DCR), что увеличивает потери проводимости и еще больше снижает эффективность.
В 3-уровневом понижающем преобразователе эффективное напряжение на индукторе уменьшается вдвое, поскольку переключения происходят между промежуточными узлами напряжения (приблизительно от 12 В до 0 В или от 24 В до 12 В). Это снижает пульсации тока почти на 50%, позволяя использовать меньшую индуктивность для достижения тех же пульсаций тока. Меньшие индукторы с более низким сопротивлением постоянному току напрямую приводят к снижению потерь проводимости, более быстрой переходной характеристике и более компактной конструкции. В то же время, меньшие пульсации снижают напряжение на выходном конденсаторе и повышают надежность системы. В результате достигается более высокая эффективность, меньшие габариты и более низкая общая стоимость системы, что делает 3-уровневую топологию особенно привлекательной для применений с высокими токами и ограниченным пространством.
Влияние на системном уровне
Переход к трехуровневой архитектуре CC-CC — это не просто изменение на уровне компонентов, а событие системного масштаба, которое может привести к измеримым преимуществам на всех этапах проектирования продукта
• Сниженные требования к теплоотводу
: Благодаря трехуровневой топологии снижаются потери на переключение и теплопроводность, в силовом каскаде выделяется меньше тепла. Например, в зарядном устройстве USB-PD мощностью 200 Вт тепловыделение может быть снижено на 1–2 Вт по сравнению с двухуровневой конструкцией. Это позволяет заменить громоздкий алюминиевый радиатор на более компактную штампованную металлическую деталь или даже полностью исключить его использование, устранив необходимость в термопрокладках или тепловых трубках, а также снизив затраты на комплектующие и упростив сборку.
• Меньшая площадь печатной платы, отведенная под преобразование энергии:
благодаря меньшим потерям и напряжению индукторы и конденсаторы могут быть физически меньше. В типичном адаптере для ноутбука площадь силового каскада может быть уменьшена на 20–30%, освобождая ценное пространство на плате для дополнительных портов, катушек беспроводной зарядки или улучшенной механической конструкции. Меньшие компоненты также позволяют увеличить плотность размещения компонентов, что упрощает достижение целевых показателей по размеру или весу корпуса.
• Повышение эффективности приводит к снижению эксплуатационных расходов для конечного пользователя.
В массово выпускаемых потребительских устройствах даже увеличение эффективности на 0,5–1% приводит к ощутимой экономии энергии в течение всего срока службы изделия. Например, зарядное устройство USB-PD мощностью 240 Вт с 3 уровнями КПД 95% будет расходовать на 12 Вт меньше энергии в день, чем устройство с 2 уровнями КПД 93% при использовании на полной нагрузке в течение восьми часов, что снизит затраты на электроэнергию и тепловыделение для конечного пользователя. Это особенно важно в корпоративных средах или центрах обработки данных, где могут быть развернуты десятки или сотни таких устройств.
Заключение:
Трехуровневый DC-DC преобразователь предлагает привлекательный способ максимизировать ценность в системах электропитания. За счет снижения стоимости комплектующих, уменьшения размеров компонентов и упрощения теплоотвода эта топология позволяет разработчикам создавать высокопроизводительные, экономически оптимизированные продукты, отвечающие требованиям современных приложений. По мере роста рынков USB-PD и других мощных устройств трехуровневый подход будет становиться все более привлекательным вариантом для инженеров, ориентированных как на производительность, так и на экономическую эффективность.
Алекс Чжоу, директор по маркетингу продукции компании Renesas
