Tehopiireissä voidaan uusilla CMOS-rakenteilla pienentää sisäistä resistanssia ja siten kutistaa kytkinhäviöitä. Itävaltalaisen ams:n artikkeli kertoo, mihin tämä perustuu.

DC-DC-muunninpiirien suunnittelussa on edistytty viime vuosina paljon kasvattamalla niiden kytkentätaajuutta. Tämä on johtanut parempaan suorituskykyyn – tarkempaan regulointiin ja nopeampaan vasteeseen jännitevaihteluissa – sekä muuntimien viemän tilan pienentymiseen.

Silti muunninsuunnitteluja on haitannut kaksi perustavaa heikkoutta, mitä tulee energiatehokkuuteen: tehokytkimen koon pienentämisellä on taipumus heikentää sen tehokkuutta ja tehon pienentäminen takaisinkytkentäosiin (feedback elements) heikentää muuntimen suorituskykyä.

Nyt uudet lähestymistavat tehomuuntimien valmistuksessa ja takaisinkytkennän toiminnassa ovat korjanneet DC-DC-muuntimien hyötysuhteen aiemmat rajoitukset. Tässä artikkelissa kuvataan näitä lähestymistapoja ja kuvataan niiden vaikutuksia pienitehoisten ja akkukäyttöisten laitteiden suunnitteluun.

DC-DC-muuntimen perustoiminta

Vaikka sekä buck- että boost-tyyppisten muuntimien valmistajat ovat omaksuneet useita eri topologioita yrittäessään optimoida piirien kokoa, nopeutta, hyötysuhdetta tai hintaa, ne kaikki sisältävät käytännössä samat peruselementit. Tulojännite muunnetaan syöttöjännitteeksi kahden kytkimen avulla (ks. kuva 1). Ohjain monitoroi lähtöjännitettä ja tätä feedback-palautteen avulla se määrittelee pulssinleveyden, joka vaaditaan halutun syöttöjännitteen tuottamiseen.

Kuva 1. Kun S1 (kytkin 1) on kiinni ja S2 auki, induktori L1 on varattu. S1:n ollessa auki ja S2:n kiinni L1:n varaus on purettu.

Useat tekijät tällaisessa DC-DC-muuntimessa aiheuttavat tehohäviöitä:

- epäihanteelliset ulkoiset komponentit kuten käämit ja kondensaattorit
- epäihanteelliset kytkimet, jotka aiheuttavat kytkinhäviöitä kun virtaa johdetaan niiden läpi, nämä hävikit ovat hallitsevia jatkuvassa toiminnassa (suurissa kuormissa)
- sisäinen kontrolliosat, jotka kuluttavat tehoa: näihin saattaa kuulua esimerkiksi virta-anturi ja referenssijännite (nämä hävikit ovat hallitsevia kevyissä virtakuormissa)

Tehomuuntimien suunnittelun perusrajoitukset

On olemassa yksinkertainen tapa vähentää kytkinhäviöitä jatkuvassa toiminnassa: kytkimien koon kasvattaminen. Mutta tätä ei haluta tehdä sovelluksissa, joissa tilaa on vähän käytössä. Piirin koon kasvattaminen myös tekee siitä kalliimman. Siksi on tarpeen tehdä kytkimistä riittävän suuria, jotta ne kestävät kuormahuiput ja hyötysuhteeltaan riittävän tehokkaita samalla, kun ne saadaan sopivat haluttuun piirikorttialaan ja materiaalikustannusten budjettiin.

Kevyillä kuormilla tärkeimpiä hävikkejä voidaan pienentää vähentämällä sisäisiin ohjainlohkoihin syötettyä tehoa, mutta tämä hidastaa piiriä ja heikentää sen tarkkuutta. Lisäksi toimintojen kuten nollakohtien (zero-crossing) havaitsemisen ja virran aistimisen täytyy toimia laadukkaasti tai koko muuntimen toiminta heikentyy.

Uusia valmistustekniikoita virranhallintaan

Yllä kuvattujen kompromissien perusluonteen määrittävät fysiikan lait. Tämän takia esimerkiksi suurempi tietyssä valmistusprosessissa valmistettu kytkin hukkaa vähemmän energiaa kytkentäoperaatioissa kuin samassa prosessissa valmistettu pienempi kytkin.

Parannettu prosessi voi kuitenkin tuottaa tehokkaamman pienemmän kytkimen, ja tähän muunninpiirien valmistajat nyt keskittyvät pienentääkseen aiemmin kuvattujen kompromissien vaikutuksia.

Esimerkiksi ams:n uusimmissa tehokytkimien sukupolvissa mosfet on toteutettu kennotyyppisellä waffle-rakenteella standardissa CMOS-prosessissa. Tätä rakennetta luonnehtii sen hyvin alhainen resistanssi ja jokaisen virtaa kuljettavan polun suuri liitäntöjen määrä. Molempien ominaisuuksien tarkoitus on pienentää kytkinhäviöitä.

AS3729B-mosfet hyötyy tästä uudesta rakenteesta. Se on tarkoitettu suurten, esimerkiksi tabletteja ja älypuhelimia ohjaavien sovellusprosessorien tehopiirien toteuttamiseen. Piiri tukee 8 ampeerin kuormahuippuja ja sen hyötysuhde on yli 90 prosenttia. Silti piirin koko on vain 1,615 x 1,615 millimetriä WLP-kotelossa.

Piirissä on kaksi kanavaa, joissa kuormapiikki voi olla neljä ampeeria (ks. kuva 2). Jokainen kytkinnapa on symmetrisesti liitetty kahteen nystyyn kotelossa. Tämä tarkoittaa, että yhden nystyn läpi virtaa enimmillään kahden ampeerin virta. Tämä suhteellinen alhainen virta napaa kohti auttaa pitämään kytkinhäviöt alhaisempina kuin mitä normaalisti 8 ampeerin kuormia kytkevältä mosfetilta odotetaan.

Kuva 2. AS3729B-tehopiirillä on symmetrinen kaksikanavainen rakenne.

Takaisinkytkentä

Jos halutaan pienentää kytkimen tehohäviöitä pienentämällä sen sisäisten osien resistanssia, tehokkain tapa pienentää häviöitä takaisinkytkentäsilmukassa olisi kääntää se pois päältä. Silmukka on kuitenkin muunninjärjestelmän peruskomponentti, joten sitä ei voi täysin kääntää off-asentoon.

Tämän takia muunnin pitää suunnitella niin, että sisäiset lohkot voidaan sammuttaa silloin kun niitä ei tarvita. Tarvittaessa ne pitää käynnistää ja saada käyttöön erittäin nopeasti.

Itse asiassa tämä toimintatapa mahdollistaa suuren virran syöttämisen näihin lohkoihin – joten ne voivat toimia suuremmalla nopeudella – niinä lyhyinä aikoina, jolloin niitä tarvitaan. Keskimääräinen tehohäviö voi silti olla alhainen, sillä kulutettu energia = teho*aika. Tämä lähestymistapa on osoittautunut paljon paremmaksi kuin menetelmä, jossa ohjainlohkoihin syötettyä virtaa pienennetään normaalissa toiminnassa.

Osittaista sammuttamista voidaan kuvata tavallisella buck-muuntimella, joka näkyy kuvassa 1. Kytkimet S1 ja S2 varaavat ja purkavat käämiä L1. Boost-muunnosprosessissa on kaksi tilaa:

1) S1:n ollessa kiinni ja S2:n auki virta johtuu käämiin (koska Vin>Vout) ja energiaa varastoidaan käämiin.
2) Kun S1 on auki ja S2 kiinni, käämiin varastoitua energiaa puretaan ja siihen johtuva virta putoaa (koska Vout>Vin).

Kun S1 on kiinni ja käämin virta nousee, muuntimen pitää aistia virta jotta se olisi valmis avaamaan kytkimen, kun virtaraja saavutetaan. Jos kytkin avataan liian aikaisin, piiri ei tue sille määriteltyä maksimikuormaa. Jos kytkin avataan liian myöhään, käämi saattaa vahingoittua. Tämä tarkoittaa, että virtaa haistelevan lohkon täytyy toimia hyvin tarkasti kaikissa olosuhteissa.

Kun S2-kytkin on suljettu ja käämin virta pienenee, tarkka nollakohdan havaitseminen estää negatiivista virtaa johtumasta, mikä heikentäisi järjestelmän tehokkuutta. Samaan aikaan kytkentäpisteen pitäisi tulla mahdollisimman lähellä nollaa ampeeria, mikä minimoisi kytkinhäviön ja kohinan. Näin nollakohta pitää havaita erittäin tarkasti kaikissa olosuhteissa.

Asiat tekee vielä monimutkaisemmaksi se, että pieniä hyötysuhteeltaan suorituskykyisiä tehopiirejä on mahdotonta ohentaa (TRIM). Siksi tehopiirin suunnittelussa täytyy varautua prosessivariaatioihin ja kahden eri komponentin erilaisuuteen.

Miten näissä hankalissa oloissa voidaan osa feedback-järjestelmästä kääntää pois päältä?

Itse asiassa todellinen haaste on se nopeus, jolla käämin virta nousee ja laskee. Kaavion U = L*di/dt mukaisesti muutoksen nopeus käämin virrassa on suoraan verrannollinen käämin jännitteeseen ja epäsuorasti verrannollinen käämin arvoon: di/dt = U/L.

Jännite U on tyypillisesti noin viisi volttia ja muunninsuunnitteluissa trendi vie käämin arvoa pienemmäksi ja pienemmäksi. Uusimmat myyntimet käyttävät käämejä, joiden arvo on 1µH tai jopa 0,5µH. Jos U = 2 V ja L = 0,5 µH, di/dt = 2V/0.5µH = käämin virta muuttuu 4A mikrosekunnissa.

Tämä on erittäin nopeaa. Virta muuttuu 4 milliampeeria joka nanosekunti! Tarvitaan siis erittäin nopeaa virrantunnistusta ja vastetta. Tämä taasen vaatii, että takaisinkytkentään syötetään vähintään muutaman milliampeerin virtaa. Syöttövirran pienentäminen liikaa heikentäisi näiden lohkojen suorituskykyä tavalla, jota ei voi hyväksyä.

Siksi on parempi kääntää nämä osat pois päältä kokonaan, kun niitä ei tarvita ja syöttää niihin kaikki niiden tarvitsema virta silloin kun niitö tarvitaan. Tämä tarkoittaa, että lohkojen pitää käynnistä erittäin nopeasti. Kun katsotaan uudestaan kuvaa 1, virranaistimislohko voidaan kääntää päälle ja pois, kun S1-kytkin käännetään päälle ja pois. Nollakohdan tunnistus voidaan kääntää päälle ja pois, kun S2 kytketään päälle ja pois.

AS3729B-piirillä tämä on toteutettu virran monitoroinnilla ja muilla tekniikoilla, jotka mahdollistavat takaisinkytkennän käyttöönoton alle 10 nanosekunnissa. Tällä pienellä viiveellä ei ole varsinaista vaikutusta toimintojen suorituskykyyn, mutta ratkaisun myötä säästetään kaikki se energia, joka olisi muuten kulunut näiden osien käynnissä pitämiseen silloinkin, kun niitä ei tarvita.

Uusilla tekniikoilla lähes 90 prosentin hyötysuhteeseen

Tehojärjestelmän suunnittelijan kannalta DC-DC-muuntimen tärkein ominaisuus ei ole sen sisäinen rakenne, vaan (normaalisti) sen hyötysuhde. Korkea hyötysuhde auttaa pidentämään akkukäyttöisen laitteen toiminta-aikaa latausten välillä ja lisäksi se auttaa välttämään ylimääräisen hukkalämmön tuottamista. Tämän päivän akkukäyttöisissä laitteissa suunnittelijat tyypillisesti määrittelevät monihyötysuhteen koko toiminta-alueella 80 prosenttiin, ja huippukuormilla noin 90 prosenttiin.

AS3729B-tehopiirillä kahden tärkeimmän tehohävikin lähteen pienentäminen on auttanut saavuttanut hyvin korkean hyötysuhteen. Kuten kuva 3 näyttää, hyötysuhde lähes koko toiminta-alueella on tyypillisesti lähellä 90 prosenttia.

Tämä osoittaa, että läpimurrot valmistustekniikassa ja edistysaskeleet ohjaussilmukan toiminnassa voivat pienentää muuntimeen koon ja hyötysuhteen välillä tehtävän kompromissin vaikutuksia. Näinkin pieni piiri voi käsitellä suuria virtoja hyvin tehokkaasti.

Kuva 3. Hyötysuhde lähtövirtaan verrattuna erilaisia YDK-käämejä käyttävissä järjestelmissä.