Kaikkialla tarvittavien DC/DC-muunnosten tekniikat ovat kehittyneet huimasti viime vuosina. Muunnin-IC on tilankäytön ja materiaalikulujen kannalta tehokas toteutustapa. Pienitehoiset muunninpiirit, jotka integroivat myös puolijohdekytkimet, ovat erittäin suosittuja. DC/DC-muunninmoduulit puolestaan sisältävät ohjainpiirin, kelan ja kaikki lisäkomponentit, joten ne voidaan integroida lopputuotteeseen hyvin helposti.

Tehon muuntaminen on keskeinen toiminto lukuisissa eri sovelluksissa aina tieto- ja viihdejärjestelmistä akkukäyttöisiin IIoT-antureihin asti. DC/DC- ja AC/DC-tehonmuunnoksiin käytetään yleisesti eri rakenteisia peruskytkentöjä. Käytettävä topologia riippuu tarvittavasta jännitteestä ja tehotasosta.

Seuraavassa käsitellään tehon muuntamisen peruskäsitteitä ja esitellään suosituimpia rakenteita, joita käytetään erilliskomponentteihin perustuvissa ratkaisuissa ja moduulipohjaisessa suunnittelussa. Samalla käydään läpi myös eristykseen ja jännitteen regulointiin liittyvät kriittiset näkökohdat.

Tehonmuunnoksia kaikkialla

Tehonmuunnoksiin perustuvia toimintoja löytyy useimmista suosittujen laitteiden tekniikoista. Hyvä esimerkki on älypuhelin. Siinä on todennäköisesti litiumakku, jonka nimellisjännite on 3,7 V. Puhelimen lukuisat mikropiirit ja niihin liittyvät toiminnot voivat toimia useilla eri jännitetasoilla, joista suosituimpia ovat 1,8 V, 3,3 V ja 5,0 V. Tehonmuunnosten avulla 3,7 voltin jännite muunnetaan sopivalle tasolle, joko akun nimellisjännitteen ylä- tai alapuolelle.

Toinen samankaltainen esimerkki on rakenteeltaan vaatimaton USB-virtapankki. Niitä myydään miljoonittain kannettavien laitteiden käyttäjien avuksi. Tämäkin laite käyttää yhtä litium-polymeerikennoa, joka antaa 3,7 voltin jännitteen. DC/DC-muuntimen avulla lähtöjännite nostetaan USB-standardin mukaiselle 5,0 voltin tasolle.

Samaan tapaan älykkäät kaiuttimet, televisiot, läppärit ja kodinkoneet ovat laitteita, joiden syöttöjännitteet on muunnettava sopiville tasoille, joita laitteiden sisäiset piirit voivat hyödyntää.

AC/DC- ja DC/DC-muunnokset perustuvat kahteen selvästi erilaiseen tekniikkaan, lineaariseen säätöön tai hakkuritekniikkaan. Lineaarista menetelmää käytettiin aiemmin laajasti verkkovirralla toimivissa laitteissa, mutta sen huono puoli on tarve massiivisiin komponentteihin kuten isoihin muuntajiin ja suodatuskondensaattoreihin. Lineaarista säätöä käytetään edelleen joissakin erityisissä DC/DC-muunnoksissa, mutta useimmat sovellukset hyödyntävät nykyään hakkuritekniikkaan perustuvia regulaattoreja.

Hakkuripohjainen DC/DC-muunnos perustuu energian varastointiin kelaan tai kondensaattoriin. Lineaarisesta toiminnasta poiketen hakkuriregulaattori voi tarjota lähtöjännitteen, joka on suurempi tai pienempi kuin tulojännite. Kuvassa 1 on esitetty hakkuripohjaisen DC/DC-muuntimen perusrakenne.

Kuva 1. Hakkuripohjaisen DC/DC-muuntimen toiminnallinen lohkokaavio (lähde: Murata).

Pulssinleveysmoduloitu PWM-signaali syötetään ohjauksena puolijohdepohjaiselle kytkimelle. PWM-tulon pulssisuhde ja taajuus vaikuttavat suoraan muunnoksen hyötysuhteeseen, kuorman regulointiin ja lähtöjännitteeseen.

Pohjimmiltaan PWM ja puolijohdekytkin muodostavat varauspumpun, joka varastoi energiaa kelaan tai kondensaattoriin ON-jakson aikana. Tämä energia vapautetaan ja tasasuunnataan PWM-signaalin OFF-jakson aikana. Reguloitua lähtöjännitettä hyödynnetään PWM-singaalin muodostuksessa. Tulo- ja lähtöasteiden väliseen eristykseen päästään käyttämällä kondensaattorin lisäksi muuntajaa induktiivisena elementtinä.

Muuntimien suosituimmat topologiat

Vuosien varrella useat erilaiset DC/DC-muunnosten topologiat ovat tulleet suosituiksi. Seuraavassa kuvataan niiden rakenteet lyhyesti.

Step-down buck -muunnin

Asynkroninen buck-muunnin muuntaa tulojännitteen alemmalle tasolle, esimerkiksi 5 voltin DC-jännitteen 3,3 voltin tasajännitteeksi. Sen yksinkertaistettu rakennekaavio on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2. Tasajännitettä alaspäin muuntavan buck-muuntimen toimintaperiaate (lähde: Murata).

Kuvassa 2 kytkin SW1 on yleensä PWM-signaalilla ohjattu transistori ja SW2 on diodi. Kun SW1 on suljettu eli ON-asennossa, virta kulkee kelan läpi varastoiden energiaa. Kun SW1 on asennossa OFF, energia vapautuu virtana SW2:n edustaman diodin läpi ja tuottaa lähtöjännitteen.

Buck-muuntimen lähtöjännite riippuu kytkevän PWM-signaalin pulssisuhteesta (duty cycle), kuten kuvassa 3 on esitetty.

Kuva 3. Pulssisuhteen vaikutus lähtöjännitteeseen (lähde: Murata).

Synkronisessa buck-topologiassa diodi korvataan toisenlaisella kytkinelementillä, tyypillisesti FET-transistorilla, jota syötetään epätahtisella kytkentäsignaalilla. FET tarjoaa tyypillisesti diodia alhaisemman myötäresistanssin, mikä vähentää häviöitä.

Step-up- eli boost-muunnin

Kuten nimestäkin voi päätellä boost-muuntimen lähtöjännite on korkeampi kuin tulojännite. Kuinka paljon korkeampi lähtötaso on, riippuu useista tekijöistä, mutta useimpiin käytännön kohteisiin lähdön maksimitaso voi olla jopa viisinkertainen tulojännitteeseen nähden. Enintään kolminkertaisen lähtötason käyttäminen on kuitenkin suositeltavaa lähtöjännitteen laadukkaan regulaation saavuttamiseksi (kuva 4).

Kuva 4. Ylöspäin muuntavan boost-muuntimen perusrakenne (lähde: Recom).

Kuvan 2 buck-muuntimen rakenteeseen verrattuna kytkintransistori S1, kela L1 ja diodi D1 (joka oli kytkin kuvassa 1) on sijoitettu hieman eri tavalla. Energia alkaa varastoitua kelaan L1, kun kytkin S1 on asennossa ON. Ja kun kytkin S1 on OFF-asennossa, energiaa aletaan johtaa edelleen lähtökondensaattoriin.

Buck- ja boost-muuntimissa käytetään vain muutamia komponentteja ja tämän lähestymistavan ansiosta hyötysuhde on hyvin korkea, jopa 97 prosenttia.

Edellä esitetyt buck- ja boost-muuntimien rakenteet eivät ole eristettyjä. Tämä tarkoittaa, että mikä tahansa tulojännite voi esiintyä lähdössä. Jos DC/DC-muunnin saa virtaa AC-verkkojännitteestä, vikaantuminen voi aiheuttaa verkkojännitteen ilmestymisen lähtöön, mikä voi olla hengenvaarallista.

Eristetty flyback-muunnin

Monet sovellukset vaativat galvaanisen eristyksen tulon ja lähdön välille, esimerkiksi lääketieteen ja terveydenhuollon sovellukset. Yksi tapa galvaanisen eristyksen muodostamiseen kohteissa, joissa ei ole yhteistä maatasoa, on käyttää muuntajaa. Kuvassa 5 on esitetty tähän pohjautuva eristetty flyback-muunnin.

Kuva 5. Eristetyn flyback-muuntimen yksinkertaistettu rakennekaavio (lähde: Wikipedia).

Eristetyssä flyback-muuntimessa muuntaja toimii sekä energiaa varastoivana induktanssina että eristimenä. Tämä rakenne on ehkä yksinkertaisin kaikista DC/DC-muuntimista vähäisen komponenttimääränsä ansiosta. Käyttökohteet rajoittuvat tyypillisesti pienitehoisiin sovelluksiin (< 50 W) ja sellaisiin, jotka sietävät suhteellisen suuria aaltoiluvirtoja.

Muuntaja aiheuttaa häviöitä ensiön ja toision välillä, joten useimmat flyback-muuntimet kamppailevat saavuttaakseen yli 90 prosentin hyötysuhteen. Toisin kuin buck- ja boost-rakenteissa, muuntajan käyttö mahdollistaa kierrossuhteen lisäämisen tai vähentämisen, jolloin saavutetaan laajempi valikoima mahdollisia lähtöjännitteitä. Lisäksi ylimääräisten toisiokäämien avulla voidaan syöttää käyttökohteisiin useita lähtöjännitteitä.

Push-pull-, puolisilta- ja täyssiltamuuntimet

Push-pull-, puolisilta- ja täyssiltamuuntimet ovat esimerkkejä muista eristetyistä kytkentärakenteista, joita yleisesti käytetään. Push-pull-rakenteessa käytetään kahta kytkinkomponenttia, jotka jakavat virran keskenään. Rakenne soveltuu suuritehoisiin kohteisiin. Siinä käytetään keskiulosotolla varustettuja ensiö- ja toisiokäämejä, mikä tarkoittaa kalliimpaa muuntajaa.

Puolisilta- ja täyssiltarakenteet ovat samanlaisia kuin push-pull, mutta ne tarvitsevat vain yhden ensiökäämin. Puolisillassa on kaksi kytkinelementtiä ja täyssillassa neljä (kuva 6).

Kuva 6. Täyssiltaan perustuva eristetty DC/DC-muunnin yksinkertaistettuna kaaviona.

Lähdön regulointi

Sen lisäksi, että DC/DC-muuntimen suunnittelu perustuu tiettyyn topologiaan, lähtöjännitteen säätötavan valinta on tärkeä näkökohta. Lähdön vakaa regulointi on kaikissa kuormitustilanteissa erityisen tärkeää prosessoreille, joiden dynaaminen laskentakuormitus muuttuu nopeasti.

Lähtöjännitteen takaisinkytkentä PWM-toiminnolle pulssisuhteen muuttamiseksi on saavutettava nopeasti ja tarkasti. Nykyään useimmat DC/DC-muuntimien ohjauspiirit sisältävät tämän toiminnon. Tehtävä on helppo toteuttaa eristämättömässä rakenteessa.

Tulon ja lähdön välisen eristyksen ylläpitäminen edellyttää kuitenkin lisäkomponentteja, jotka kohottavat materiaalikuluja (BOM). Suosittuja menetelmiä takaisinkytkennän aikaansaamiseksi ovat ylimääräisen muuntajan tai optoerottimen käyttö.

Lisäkomponenttien tarve merkitsee suurempien BOM-kulujen lisäksi myös laajemman piirilevyalan tarvetta. Ja nykyajan tilarajoitteisissa kohteissa piirilevyala tulisi pitää minimissä. Lisäksi materiaalikulujen ohella komponenttien hankinnan ja logistiikan haasteet muuttuvat sitä monimutkaisemmiksi, mitä enemmän suunnittelussa käytetään komponentteja. Komponenttien lisääminen vaikuttaa myös lopputuotteen luotettavuuteen.

DC/DC-muunninpiirit ja -moduulit

Maximin äskettäin kehittämä innovatiivinen ratkaisu hyödyntää ensiöpuolen tunnistusta ja tarjoaa paljon muita yksinkertaisemman regulointimenetelmän. Flyback-muuntimen OFF-vaiheen aikana ohjauspiiri tunnistaa toisiopuolen lähtöjännitteen muuntajan kautta. Esimerkki tällaisesta ’ilman optoa’ toimivasta ohjauspiiristä MAX17687 nähdään kuvan 7 piirikaaviossa.

Kuva 7. Esimerkki ’ilman optoa’ toimivasta, minimaalisen määrän komponentteja vaativasta flyback-muuntimesta, joka tuottaa 12 V / 750 mA lähdön 16 - 60 V lähteestä. Ohjauspiirinä on Maximin MAX17687 (lähde: Maxim).

MAX17687-ohjauspiiri sisältää kaksi sirulle integroitua MOSFET-kytkintä, jotka pystyvät ohjaamaan 3,2 ampeerin ensiöhuippuvirtaa. Ensiöpuolen tunnistustekniikalla lähtöjännite vakautetaan +/- 1,2 % sisälle. Mikropiirin PWM-taajuus on ohjelmoitavissa välillä 100 – 500 kHz, ja muunnoksen hyötysuhde on tyypillisesti yli 90 prosenttia.

Hyvä esimerkki täydellisestä flyback-muunninmoduulista puolestaan on reikien läpi asennettava Muratan avointen moduulien sarja UWS-Q12.

Moduulit tarjoavat houkuttelevan vaihtoehdon erillisen DC/DC-muuntimen suunnittelulle. Ensinnäkin kehitysprosessista poistuu huomattava määrä suunnittelutyötä, mikä saattaa merkittävästi lyhentää suunnitteluaikaa. Materiaalikulujen näkökulmasta ratkaisu on myös edullinen, sillä se vähentää komponenttien lukumäärää ja yksinkertaistaa niiden logistiikkaa. Lisäksi moduulit on yleensä jo valmiiksi sertifioitu EMC/EMI-normien ja lääketieteellisten turvastandardien mukaisiksi, mikä entisestään lyhentää lopputuotteiden hyväksyntää.

Hyötysuhteeltaan 91 prosenttiin yltävä kompakti UWS-Q12-moduulisarja tarjoaa suositut nimellislähtöjännitteet 3,3 V, 5 V, 12 V, 15 V ja 24 V, ja se voi tuottaa jopa 54 wattia 9-36 voltin tulojännitteestä. Ominaisuuksiin kuuluu kattava valikoima itsesuojaustoimintoja eri vikatilanteita kuten tulon alijännitettä ja ylikuumenemista vastaan.

Kuva 8. Muratan UWS-Q12-muunninmoduuli (lähde: Murata).

Kätevä tapa korvata energiatehottomat vanhat lineaariregulaattorit on Tracon TSR 1.5E -sarja. Kyseessä on suoraan piirilevyn reikiin ’pudotettava’ kolminastainen komponentti, joka hyödyntää eristettyä buck-down-rakennetta ja yltää jopa 97% hyötysuhteeseen laajalla tulojännitealueella. Sarjan regulaattorit tarjoavat jännitearvot 3,3 VDC (korvaa 7803:n), 5 VDC (korvaa 7805:n) ja 12 VDC (korvaa 7812:n).

Texas Instruments puolestaan on mukauttanut omaa DCS-Control-teknologiaansa (Direct Control and Seamless transition) buck-muuntimien topologiaan. Muokattu DCS-rakenne yltää merkittävästi parempaan transienttivasteeseen sekä säätö- ja aaltoiluominaisuuksiin kuin synkroninen buck-lähestymistapa.

TI voi toimittaa sekä muuntimen ohjauspiirin TPS6282x että muunninmoduulin, joka sisältää myös tarvittavan kelan. Kuvassa 9 nähdään toiminnallinen lohkokaavio eristämättömästä buck-muunninmoduulista, jossa on integroidut FETit ja tarvittava induktanssi.

Kuva 9. Toiminnallinen lohkokaavio TI:n step-down buck -muunninmoduulista TPSM82821, joka perustuu TPS6282x-ohjauspiiriin (lähde: TI).

Tehonmuunnos helposti

Edellä on käsitelty joitakin suosituimmista DC/DC-muunninten topologioista ja esitelty muutamia esimerkkejä käytännön tuotteista. Muunnin-IC:n käyttäminen on tilankäytön ja materiaalikulujen kannalta tehokas ja suosittu menetelmä DC/DC-muunnosten toteuttamiseksi.

Pienitehoiset muunninpiirit, jotka integroivat myös kytkentätransistoreja tai fettejä, ovat erittäin suosittuja lukuisissa teollisissa sovelluksissa sekä kaupallisissa laitteissa ja kulutustuotteissa.

Kaiken tarvittavan eli ohjainpiirin, kelan ja kaikki lisäkomponentit sisältävät DC/DC-muunninmoduulit puolestaan voidaan hankkia ja integroida lopputuotteeseen hyvin helposti.