Het ontwerpen van SMPS (Switched Mode Power Supply ofwel schakelende voedingen) wordt steeds minder gebruikelijk nu modules met geïntegreerde spoelen steeds beter en kleiner worden. Wie zijn eigen SMPS-ontwerpen maakt, moet rekening houden met kosten, ruimte en EMC. In deze korte reeks artikelen willen we je enkele richtlijnen geven over verschillende aspecten van buck, boost en buck/boost SMPS-ontwerpen, zodat je er zonder problemen een kunt kiezen, ontwikkelen en integreren in je ontwerpen.
Deel 3: Voorbeeld SMPS Schema
Deel 1 en 2 gemist? Geen probleem, hier is de link naar deel 1 en de link naar deel 2.
SMPS Overwegingen
Voor de voeding van een GPRS-modem is een 3,8 V SMPS nodig. Het modem wordt één keer per dag ingeschakeld om gegevens over te brengen en wordt daarna weer uitgeschakeld. De beschikbare voedingsspanning ligt tussen de 10 en 16 VDC. De SMPS moet efficiënt zijn bij belastingen van ongeveer 300 mA en moet minstens 2 A kunnen leveren. De rimpelspanning van de uitgang moet ook heel laag zijn; 50 mVPK-PK tot 200 kHz, 10 mVPK-PK van 200 kHz tot 400 kHz en 2 mVPK-PK vanaf 400 kHz.
Omdat de uitgangsspanning altijd lager is dan de ingangsspanning, is het logisch dat we een buck-type converter gebruiken. We willen de SMPS in- en uitschakelen, dus een ‘enable’-ingang zou mooi zijn. Als de regelaar geen ‘enable’-ingang heeft, voegen we een externe schakelaar voor de regelaar toe.
De voorwaarde voor vermogensefficiëntie betekent dat we spoelen en condensatoren met een lager verlies gebruiken dan waarmee de regelaar is gespecificeerd. De rendementsgetallen die in het gegevensblad worden vermeld, zijn meestal afkomstig van een evaluatiekit. Hierdoor blijft er ruimte voor verbetering door betere spoelen en condensatoren te kiezen. Dit is ook nodig om te voldoen aan de eis voor de rimpelspanning aan de uitgang.
Omdat het modem niet continu aan staat, is de ruststroom een minder groot probleem dan de uitschakelstroom en de efficiëntie. De uitschakelstroom wordt verbruikt als het product is ingeschakeld, dus bijna 24/7. Een uitschakelstroom van 100 µA verbruikt 8,64 J in 24 uur, genoeg om 300 mA te leveren gedurende 29 seconden.
Liever lui dan moe
Ik ben lui. Als ik een SMPS IC zoek, ga ik naar de Power Management sectie van de Texas Instruments website. Deze heeft een uitgebreide producttabel met veel filtermogelijkheden. Ik voer de getallen voor VIN,MIN , VIN,MAX , IOUT,MAX , VOUT,MIN , VOUT,MAX , IQ in en selecteer de ‘enable’ functie. Dan sorteer ik de resultaten op prijs, de laagste eerst. Toen ik dit artikel schreef, kwam de TLV62130(A) als beste uit de bus.
De TLV62130(A) spanningsregelaar met geïntegreerde schakelaars heeft een rendement van ± 90% bij een uitgangsstroom van 300 mA.
De schakelfrequentie van de TLV62130(A) kan worden ingesteld op 2,5 MHz of 1,25 MHz. Hoewel het gebruik van 2,5 MHz verleidelijk is voor het filteren van ruis, zou de efficiëntie van de regelaar dalen tot 85%. Dit zou een ernstig efficiëntieverlies betekenen.
Om de efficiëntie verder te verbeteren en hoge uitgangsstromen te kunnen maken, kiezen we een spoel met een ESR van 14 mOhm. De spoel in de tweede filtertrap heeft een ESR van 10 mOhm. Voor de laagste uitgangsruis kiezen we twee aluminium polymeer uitgangscondensatoren met een ‘worst case’ ESR van 20 mOhm, wat verbazingwekkend is voor een elektrolytische condensator. De relatief hoge lekstroom van deze condensatoren kan het totale rendement met 0,3% verlagen, maar hun superieure filtereigenschappen als gevolg van de lage ESR zijn in dit geval doorslaggevend.
Berekeningen
In de TLV62130(A) datasheet staan een aantal formules voor het berekenen van uitgangsspanning, rimpel- en piekstroom, soft start condensator, stabiliteit, enz. Ik zet deze vergelijkingen meestal in een Excel-sheet voor een overzicht van de beoogde instellingen van de oplossing.
Ingangsfilter
Tijdens normaal gebruik, waarbij 300 mA uitgangsstroom wordt verbruikt, zal de ingangsstroom 127 mA of minder zijn. Daarom hoeft het ingangsfilter niet groot of krachtig te zijn. De rimpelspanning aan de ingang van de regelaar wordt onder ±125 mVPK-PK gehouden, zelfs in de slechtst denkbare omstandigheden.
De grafiek laat een simulatie zien van de impedantie die de TLV62130(A) ziet aan zijn ingang. Het bevat eenvoudige RLC-modellen voor condensatoren, een eenvoudig RL-model voor de ferrietkraal en inductie voor PCB-sporen. Het schatten van deze inductie kan je doen met behulp van de Saturn PCB Toolkit.
Omdat de ferrietkraal weinig zelfinductie heeft, is er in het lage frequentiegebied geen impedantiepiek waarneembaar. Als de impedantiepiek bij 8,3 MHz niet goed aanvoelt, kunnen we een condensator van 1 µF aan het ingangsfilter toevoegen om de impedantie van 400 kHz tot 25 MHz onder de 100 mOhm te houden. De condensator van 100 nF vergemakkelijkt, zoals we later zullen zien, het routen van de print bij hogere frequenties.
Spoel
De maximale stroom door de spoel is in dit geval niets om je zorgen over te maken. Zelfs bij de hoogste stroom door de switch in de TLV62130(A) is de inductie van de spoel nog maar 5% afgenomen. Dit kregen we cadeau bij het kiezen van een lage ESR-spoel voor de schakelende spoel. Het vermogensverlies in de spoel is slechts 56 mW bij een uitgangsstroom van 2 A. De SRF (Self-Resonant Frequency) van de spoel is bijna 50 maal de schakelfrequentie.
De rimpelstroom in de schakelende spoel is vrij hoog, 1,5 APK-PK. Het zou mooi zijn om hier een spoel met een hogere waarde te kunnen gebruiken, maar de TLV62130(A) staat zulke hoge waarden van de spoel niet toe in verband met de stabiliteit. De hoge rimpelstroom in combinatie met het feit dat de spoel een half afgeschermde spoel is, zou een nadelig effect kunnen hebben op de EMC-prestaties. Als dit het geval is, moet een volledig afgeschermde spoel worden gekozen.
Uitgangsfilter
Om aan de strenge eisen voor uitgangsruis te voldoen, bestaat het uitgangsfilter uit twee delen. De geselecteerde uitgangscondensatoren hebben ESR-waarden rond die van MLCC-condensatoren en zullen een goede rimpel- en ruisdemping bereiken. De condensatorwaarden zijn zo gekozen dat ze binnen de maximale capaciteit blijven die de regelaar toelaat. Zoals we later zullen zien, zal de condensator van 1 µF het routen van de print voor hogere frequenties vergemakkelijken.
De continue stijging van de uitgangsimpedantie vanaf 1 MHz wordt veroorzaakt door de ESL van de condensator van de tweede filtertrap en moet worden gecompenseerd. Dit wordt gedaan door de ontkoppelingscondensatoren die plaatselijk bij het GPRS-modem worden geplaatst. Deze lokale ontkoppeling verlaagt ook de schakelfrequentie van de belasting die door de regelaar wordt waargenomen.