Kitronik Arcade per BBC micro: bit e MakeCode Arcade Molti progetti elettronici, come i sistemi alimentati a batteria, richiedono potenti convertitori CC/CC per mantenere una tensione di uscita stabile durante le fluttuazioni della tensione di ingresso. Sebbene le topologie da step-down a step-up a quattro switch siano una scelta comune grazie alla loro flessibilità e densità di potenza, ci sono sfide progettuali significative quando si estendono questi sistemi ad applicazioni ad alta corrente. Il progettista deve bilanciare attentamente l'architettura all'interno dei regolatori di tensione step-down e step-up. Nello specifico, l'integrazione di induttori e dispositivi di rilevamento della corrente influenzerà in modo significativo le dimensioni, la complessità e l'efficienza complessive del circuito.
Questo documento fornisce una breve panoramica delle sfide e dei compromessi affrontati dai progettisti di sistemi energetici. Successivamente, vengono presentate le soluzioni della linea di prodotti Buck e Boost Pressurizer di Analog Devices e il modo in cui affrontano queste sfide e ottimizzano la progettazione. Vengono evidenziati kit di valutazione e software che i progettisti possono utilizzare per accelerare la prototipazione e lo sviluppo.
Compromessi integrati nel design step-down-step-up ad alta corrente
In un convertitore step-down-step-up a quattro interruttori, lo stadio di potenza richiede quattro MOSFET, un induttore di potenza e un dispositivo di rilevamento della corrente. Il modo in cui allocare questi componenti tra i pacchetti di moduli e i circuiti stampati (PCB) è una decisione architettonica fondamentale per i progettisti.
Il posizionamento esterno degli induttori e dei resistori di rilevamento sui PCB offre al progettista il controllo completo sulla selezione dei componenti. Le dimensioni dell'induttore, il materiale del nucleo e la corrente di saturazione possono essere adattati con precisione all'applicazione. Tuttavia, questa flessibilità ha un costo: i componenti esterni occupano spazio sulla scheda, complicano il layout e richiedono un cablaggio accurato per ridurre al minimo il rumore nel percorso di rilevamento della corrente.
L'integrazione di induttori e resistori di rilevamento nel pacchetto del modulo semplifica la progettazione e il layout, riducendo il numero di componenti e l'ingombro del PCB. Esistono tuttavia dei compromessi: l'induttore è limitato dalle dimensioni del contenitore, che possono limitare la corrente di uscita massima e le prestazioni termiche.
Inoltre, il resistore di rilevamento può essere sostituito con uno schema di rilevamento della corrente non distruttivo, eliminando così completamente il resistore di rilevamento. Sebbene ciò migliori l'efficienza energetica, si traduce in progetti di circuiti integrati (IC) più complessi per i moduli step-down-boost.
In che modo le tre serie di moduli affrontano le sfide dell'integrazione step-down e step-up
Nell'ambito della sua vasta linea di prodotti µ Module, Analog Devices offre un'ampia gamma di moduli CC/CC che consentono ai progettisti di scegliere tra queste strategie di integrazione. Questo documento si concentra sul modulo step-down-boost a quattro switch (Figura 1): LTM4607, LTM4605 e LTM4; LTM8055, LTM8056 e LTM8054; E LTM4712. Ciascuno è per aree diverse all'interno degli intervalli di tensione di ingresso e corrente di uscita.
Step-down - step-up a quattro interruttori Grafica del modulo µ
Figura 1: Vengono mostrati i moduli µ step-down - step-up a quattro interruttori, costruiti in modi diversi per diverse tensioni di ingresso e correnti di uscita. Fonte immagine: Analog Devices, modificato da Kenton Williston)
Convertitore DC/DC con induttore esterno e resistenza di rilevamento
Controller e MOSFET integrati LTM4, LTM4605 e LTM4 in pacchetti µ Module con induttori di potenza e resistori di rilevamento della corrente esterni alla scheda di circuito (Figura 2). Questa struttura consente ai progettisti di selezionare in modo flessibile i valori dell'induttore e del resistore dell'induttore per soddisfare requisiti applicativi specifici.
Diagramma schematico dei dispositivi analogici LTM4, LTM4605 e LTM4
Figura 2: Packaging (a sinistra) di LTM4607, LTM4605 e LTM4 e schema del livello di potenza corrispondente (a destra) con induttori esterni e resistori di induzione evidenziati. Fonte immagine: dispositivi analogici)
Package LGA da 15 mm x 15 mm x 2,82 mm compatibili con LTM4, LTM4605 e LTM4pin. L'LTM4605 è progettato per applicazioni a bassa tensione con un intervallo di tensione di ingresso compreso tra 4,5 V e 20 V e una corrente di uscita di 12 A (modalità di tensione ridotta). LTM4607 e LTM4 estendono l'intervallo di ingresso da 10 A (modalità a tensione ridotta) a 36 V, con LTM4 l'intervallo di tensione di uscita più ampio da 0,8 V a 34 V.
Convertitore DC/DC con induttore integrato e resistenza di rilevamento
LTM8055, LTM8056 e LTM8054 (Figura 3) integrano induttori di potenza e resistori di rilevamento della corrente nei package µ Module per semplificare la progettazione e il layout riducendo il numero di componenti esterni sul PCB.
Diagramma schematico dei dispositivi analogici LTM8055, LTM8054 e LTM8056
La Figura 3 mostra il modulo (a sinistra) dei dispositivi LTM8055, LTM8054 e LTM8056 ed evidenzia il layout schematico (a destra) dell'induttore integrato e del resistore di rilevamento. Fonte immagine: dispositivi analogici)
Delle tre diverse serie discusse in questo documento, questa serie ha la corrente di uscita più bassa: 5,4 A per LTM8054, 5,5 A per LTM8056 e 8,5 A per LTM8055 (tutti i valori in modalità step-down). L'LTM8056 ha un intervallo di ingresso compreso tra 5 V e 60 V, che è il più ampio tra i dispositivi qui discussi, e ha una tensione di uscita massima di 48 V. L'LTM8054 è il più compatto, con ingombro di 15 mm x 11,25 mm e altezza di 3,42 mm per progetti con vincoli di spazio. L'LTM8055 e l'LTM8056 sono incapsulati in 15 mm x 15 mm x 4,92 mm.
Convertitore DC/DC con induttore integrato e rilevamento della corrente non distruttivo
LTM4712 (Figura 4) utilizza diversi metodi di rilevamento della corrente. Invece di utilizzare resistori di ispezione separati, utilizza una soluzione NDI proprietaria integrata nel modulo. Ciò elimina la perdita di potenza associata al resistore di rilevamento dedicato.