Efficiënte buck-converters

Voor veelzijdige point-of-load oplossingen

Diodes Incorporated heeft onlangs twee nieuwe synchrone buck-converters aangekondigd. Met een continue uitgangsstroom van respectievelijk 5 A en 8 A bieden de AP62500 en AP62800 de flexibiliteit die ingenieurs nodig hebben om point-of-load (POL)-oplossingen te ontwikkelen die zijn geoptimaliseerd voor efficiëntie of grootte.

De nieuwe buck-converter-IC’s van Diodes maken het mogelijk om met een minimaal aantal componenten een voedingsmodule te maken voor gebruik in consumentenproducten voor de massamarkt. De goedkope IC’s zijn bedoeld voor het verzorgen van een gestabiliseerde spanning in het bereik van 0,6… 7 V voor televisietoestellen en monitoren, witgoed en kleine huishoudelijke apparaten, FPGA-, DSP- en ASIC-schakelingen, home audio, netwerksystemen, gameconsoles, consumentenelektronica en laders.|
Beide buck-converters hebben een breed ingangsspanningsbereik. Bij de AP62500 is dat 4,5 V tot 18 V en bij de AP62800 4,5 V tot 17 V. Hierdoor zijn beide geschikt voor 5V- en 12V-railtoepassingen.  Er kunnen drie verschillende schakelfrequenties worden geselecteerd (400 kHz, 800 kHz en 1,2 MHz), waardoor ingenieurs prioriteit kunnen geven aan verhoogde conversie-efficiëntie of zich kunnen concentreren op een compacte vormfactor. Bovendien hebben de apparaten drie selecteerbare bedrijfsmodi; pulsfrequentiemodulatie (PFM) voor verbeterde efficiëntie bij lichte belasting, pulsbreedtemodulatie (PWM) voor verminderde uitgangsspanningsrimpel en ultrasoon (USM) om hoorbaar frequentiebereik te vermijden en ervoor te zorgen dat de schakelfrequentie boven de 20 kHz blijft.

Applicatieschema
Als je de schakeling in afbeelding 1 bekijkt, valt als eerste het geringe aantal componenten op dat nodig is voor deze schakeling. Zelfs de schakelelementen die nodig zijn om de stroom te schakelen zijn in het IC ingebouwd. Hierdoor kan de voeding zeer compact gebouwd worden. Zelfs de koeling kan zeer minimaal zijn. De RDS_ON van de gebruikte FET’s is behoorlijk laag. Voor de high-side MOSFET is deze 47 mΩ voor de AP62500 en 22 mΩ voor AP62800. Voor de low-side MOSFET is dit 18 mΩ voor AP62500 en 10 mΩ voor AP62800. Dit helpt om de efficiëntieniveaus van de step-down conversie te verbeteren. De ultra-lage ruststroom (I_Q) in de PFM-mode (typisch 195 μA) is ook opvallend, waardoor de efficiëntie bij geringe belastingen verder wordt verbeterd.
Afbeelding 2 toont het inwendige van het IC. Met behulp van de EN-ingang is de schakeling in en uit te schakelen. Is deze ingang aan massa gelegd, dan is de voeding uitgeschakeld en is het stroomverbruik slechts 1 μA. Wordt de EN-ingang logisch hoog, dan start de ingebouwde soft-start met een inschakeltijd van 1 ms om overschrijding van de uitgangsspanning en inschakelstroom te voorkomen. De softstarttijd is ook programmeerbaar door een externe condensator van SS/TR naar GND aan te sluiten.

Fraai is de ingebouwde detectieschakeling die in werking treedt wanneer de ingangsspanning te laag is (UVLO). In dat geval schakelt de voeding uit en worden beide MOSFETS in de hoogohmige positie gezet. De waarde waarop de UVLO in werking treedt is 3,95 V. Is dit te laag, dan kan met een spanningsdeler aangesloten op de EN-ingang een eigen waarde ingesteld worden.
Het is IC is ook uitgerust met een schakeling die bij te hoge stromen in werking treedt (OCP). Ook is het IC beveiligd tegen te hoge temperaturen.
Met de weerstanden R1 en R2 (zie afbeelding 1) wordt de uitgangsspanning ingesteld. Met een simpele formule die in de datasheet te vinden is, kan berekend worden wat de waarde voor beide weerstanden moet zijn. Om het u gemakkelijk te maken, is ook een tabel opgenomen met de waarden voor deze weerstanden voor diverse spanningen. Ook treft u in de datasheet de formule aan voor het berekenen van de spoel L en wordt geadviseerd wat voor condensatoren er gebruikt moeten worden.

Pulsbreedtemodulatie (PWM)
Wanneer de Mode-ingang verbonden is met Vcc maakt de schakeling gebruik van een constante aan-tijdregeling voor een snelle transiënterespons en eenvoudige lusstabilisatie. Aan het begin van elke cyclus schakelt een eenmalige puls de high-side MOSFET Q1 in voor een vaste aan-tijd. Wanneer Q1 is ingeschakeld, stijgt de inductorstroom lineair en laadt het apparaat de uitgangscondensator op. Q1 wordt uitgeschakeld nadat de vaste inschakeltijd is verstreken en de low-side MOSFET Q2 wordt ingeschakeld. Zodra de uitgangsspanning onder de uitgangsregeling zakt, wordt Q2 uitgeschakeld. De one-shot timer wordt dan gereset en Q1 gaat weer aan. De aan-tijd is omgekeerd evenredig met de ingangsspanning en recht evenredig met de uitgangsspanning.

Pulsfrequentiemodulatie
Pulsfrequentiemodulatie (PFM) is bedoeld als de voeding slechts gering belast wordt. Deze mode voor een nog hogere efficiëntie wordt ingeschakeld door de MODE-pin te koppelen aan GND. Bij lichte belasting verlaagt de regelaar automatisch de schakelfrequentie. Naarmate de uitgangsstroom afneemt, neemt ook de inductorstroom af. De inductorstroom, I_L, bereikt uiteindelijk 0 A en markeert de grens tussen de continue geleidingsmodus (CCM) en de discontinue toestandsmodus (DCM). Gedurende deze tijd zijn zowel Q1 als Q2 uitgeschakeld en wordt de belastingsstroom alleen geleverd door de uitgangscondensator. Wanneer VFB lager wordt dan 0,6 V, begint de volgende cyclus en wordt Q1 ingeschakeld.
Evenzo, naarmate de uitgangsbelasting toeneemt van geringe belasting naar zware belasting, neemt de schakelfrequentie toe om de regeling van de uitgangsspanning te behouden.

De ultrasone mode
De ultrasone mode (USM) is ook voor geringe belastingen en wordt ingeschakeld als de MODE-pin blijft zweven. De USM-mode is vergelijkbaar met de PFM-mode, maar met één belangrijk verschil. In tegenstelling tot de PFM-mode zorgt de USM-mode er voor dat  de schakelfrequentie niet onder de 22 kHz daalt. Dit voorkomt dat de voeding in het hoorbare frequentiebereik schakelt.
In de USM-mode kijkt de schakeling naar de tijd waarin de regel niet ingeschakeld is. Wanneer de regelaar detecteert dat er in de afgelopen 35 µs niet is geschakeld, wordt Q2 voor een vaste tijd ingeschakeld om een schakelactie op SW te forceren. Hierdoor wordt voorkomen dat de periodetijd te lang wordt en dus de schakelfrequentie in het hoorbare gebied onder de 20 kHz daalt.

Tot slot
De buck-converters worden geleverd in een 12-pins V-QFN2030-behuizing. De afmetingen hiervan zijn slechts 2 x 3 mm en de hoogte is 0,8 mm. Voor een IC die een stroom van 8 A kan leveren, is dit gerust heel klein te noemen. In afbeelding 3 is deze behuizing te zien, alsmede de aansluitingen. Hiervan kunnen we zeggen dat dit verre van standaard is. Deze aansluitingen zijn dusdanig ontworpen dat de warmteafgifte naar de print zo groot mogelijk is. Een belangrijk deel van de koeling vindt namelijk via de printbanen plaats. Hierdoor is het dan ook verstandig om extra aandacht aan het ontwerp van de print te besteden. Ook het printmateriaal en dan vooral de dikte van de koperlaag vraagt extra aandacht. In de datasheet wordt gesproken van printmateriaal met een koperlaag van minimaal 2 oz. Dit komt overeen met een dikte van de koperlaag van 2.8 mils of 70 microns.
Zoals al gezegd, zijn de IC’s zeer gunstig geprijsd. Diodes noemt op hun site een prijs van $ 0,325
bij een hoeveelheid van 1.000 stuks voor de AP62500 en $ 0,570 voor de AP62800. Dit maakt ze dan ook zeer geschikt voor producten die voor de consumentenmarkt bedoeld zijn.