Przetwornice synchroniczne
Obecnie przetwornice impulsowe są
Tu możliwości chłodzenia są bardzo ograni−
przewodzenia. Istotny wpływ ma również re−
stosowane coraz częściej i wypierają
czone i należy redukować wszelkie niepo−
zystancja cewki.
klasyczne zasilacze transformatorowe
trzebne straty. A jednym z większych proble−
Zastosowany tranzystor powinien mieć
z kolejnych obszarów zastosowań.
mów jest też czas pracy baterii (akumulato−
jak najmniejszą rezystancję w stanie otwarcia
rów) w komputerach przenośnych. A czas ten
(RDSon) i jak najlepsze charakterystyki dyna−
Stała tendencja do obniżania napięcia zasila−
zależy w istotnym stopniu od sprawności we−
miczne. Należy też zastosować cewkę o ma−
jącego układów elektronicznych stawia przed
wnętrznych stabilizatorów, obniżających na−
łej rezystancji. Spełnienie tych wymagań nie
konstruktorami przetwornic coraz większe
pięcie baterii (zwykle 6...9V) do 5V, 3,3V,
jest specjalnie trudne: można zastosować
wymagania. Wjednym z wcześniejszych nu−
2,7V, a ostatnio nawet 1,6...1,2V, zależnie od
tranzystor o rezystancji w stanie otwarcia
merów EdWomówiona była sprawa zasila−
zastosowanego procesora.
20...30 miliomów, a nawet mniejszej. Można
nia procesorów komputerowych. Współcze−
Zastosowanie zasilaczy impulsowych
też połączyć równolegle kilka tranzystorów.
sne procesory zawierają miliony tranzysto−
(przetwornic) zdecydowanie polepsza sytua−
Przy małych napięciach wyjściowych głów−
rów, pracują przy częstotliwościach zegara
cję. Przetwornice obniżające mają sprawność
ną przyczyną strat okazuje się wtedy spadek
taktującego większych niż 1000MHz i przy
przekraczająca 90%, ale tylko wtedy, gdy na−
napięcia na diodzie Schottky’ego. Teoretycz−
napięciu zasilającym niewiele większym od
pięcie wyjściowe nie jest bardzo niskie. Wkla−
nie powinien on wynosić 0,3...0,4V, jednak
1V pobierają już nie kilka, tylko kilkanaście,
sycznej przetwornicy obniżającej kluczową
w praktyce, przy dużych prądach może się−
a nawet ponad 20 amperów prądu. Moc tra−
rolę odgrywają dwa elementy przełączające:
gać 0,6V, czy nawet 0,7V. Aby znacząco zre−
cona w postaci ciepła w strukturze mikropro−
tranzystor i dioda. Aby zmniejszyć straty
dukować straty w tej diodzie, należy ją zastą−
cesora może przekraczać 20W. Różne sposo−
z reguły stosuje się tu tranzystor MOSFET
pić... tranzystorem MOSFET. Spadek napię−
by chłodzenia procesorów (patrz artykuł Czy
i diodę Schottky’ego – patrz rysunek 2.
cia na (dobrze dobranym) otwartym tranzy−
nadchodzi era lodówkokomputerów? w EdW
storze jest mniejszy. Ilustruje to rysunek 4.
10/2000 str. 89) zapewniają bezpieczną pracę
procesora, a przy chłodzeniu struktury za po−
mocą ciekłego azotu, procesor może praco−
wać przy częstotliwości taktowania nawet
dwa razy większej od nominalnej, co oczywi−
ście daje wzrost mocy obliczeniowej.
Stosowanie procesorów i innych elemen−
tów elektronicznych o bardzo niskich napię−
Rys. 2
ciach zasilania, a za to dużym poborze prądu,
stawia przed konstruktorami zasilaczy szcze−
Gdy tranzystor jest otwarty, prąd płynie
gólne wymagania. Przy niskich napięciach
przez cewkę L i przez obciążenie. Wcewce
wyjściowych i dużych prądach wyjściowych
przy przepływie prądu gromadzi się energia –
Rys. 4
nie mogą być stosowane klasyczne stabilizato−
patrz rysunek 3a. Gdy tranzystor zostaje zatka−
ry liniowe (o pracy ciągłej). Rysunek 1 poka−
ny, źródłem zasilania staje się cewka − energia
Idea modyfikacji pokazana jest na rysunku
zuje przykładową sytuację przy zastosowaniu
w niej zmagazynowana przekazywana jest do
5. Uzyskuje się w ten sposób tak zwaną prze−
takiego stabilizatora. Jak widać, straty mocy
obciążenia, a prąd płynie w obwodzie cewka −
twornicę synchroniczną. Nietrudno zrozumieć
w stabilizatorze byłyby prawie 3−krotnie więk−
obciążenie − dioda. Ilustruje to rysunek 3b.
zasadę pracy. Drugi tranzystor sterowany jest na
sze, niż moc dostarczana do obciążenia. Spraw−
przemian z pierwszym. Gdy przewodzi
ność jest zatrważająco mała i wynosi 26%.
tranzystor T2, spadek napięcia na nim
jest znacznie mniejszy, niż spadek napię−
cia na diodzie Schottky’ego. Wrezultacie
straty są znacznie mniejsze – sprawność
przetwornicy znacząco rośnie.
Na pierwszy rzut oka wszystko jest
jasne i proste. Wnikliwi Czytelnicy za−
uważą jednak w układzie kilka „haczy−
Rys. 3
ków” i postawią kilka ważnych pytań.
Rys. 1
Cewka i kondensator wyjściowy tworzą
Rys. 5
Najgorszym problemem nie jest cena
też filtr, dzięki któremu tętnienia napięcia
zmarnowanej energii. Wwielu przypadkach
wyjściowego są stosunkowo małe. Wartość
można byłoby sobie pozwolić na taki koszt.
napięcia wyjściowego można łatwo regulo−
A w dużych komputerach, na przykład kla−
wać przez zmianę współczynnika wypełnie−
sycznych PC−tach, można się także uporać
nia przebiegu sterującego bramką tranzystora
z odprowadzeniem tak dużych ilości ciepła.
MOSFET.
Sytuacja znacznie komplikuje się w przy−
Główną przyczyną strat jest tu spadek na−
padku urządzeń przenośnych, np. laptopów.
pięcia na tranzystorze i diodzie, podczas ich
64
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Grudzień 2002
Szczegóły, szczegóły
ne niewielką przerwą, o czasie co najmniej
znaleźć na stronach internetowych producen−
Po pierwsze w tranzystorze MOSFET N prąd
kilkudziesięciu nanosekund.
tów przeznaczonych do tego układów scalo−
ma płynąć od drenu do źródła, a tu wygląda,
Przerwa ta jest niezbędna ze względu na
nych. Oto kilka przykładów: Philips –
że w tranzystorze T2 będzie odwrotnie. Po
rozrzut parametrów tranzystorów, jednak jej
TEA1207T, National Semiconductor –
drugie każdy MOSFET ma pasożytniczą dio−
wprowadzenie ma negatywne konsekwencje.
LM2651, Motorola – MC33470, Analog De−
dę, włączoną równolegle do kanału.
Jak wiadomo, cewki „nie znoszą” przerw
vices – ADP3161, Linear Technology –
Rzeczywiście, prąd płynie przez otwarty
w przepływie prądu. Na otwarcie obwodu re−
LTC1700, IR (International Rectifier) –
tranzystor T2 „nieprawomyślnie”, od źródła
agują powstaniem dużego napięcia samo−
IR1175 czy Fairchild Semiconductor –
do drenu. Jest to dopuszczalne i nie ma żad−
indukcji. Wtym przypadku podczas krótkiej
FAN5240.
nych niekorzystnych konsekwencji. Podobna
przerwy, gdy oba tranzystory są zatkane, du−
sytuacja występuje w tranzystorach polo−
że napięcie samoindukcji nie powstanie, po−
wych złączowych (JFET), gdzie nawet moż−
nieważ prąd popłynie przez pasożytniczą
na bezkarnie zamieniać wyprowadzenia dre−
diodę tranzystora T2. Wydawałoby się, że
nu i źródła. WMOSFET−ach nie dokonuje się
jest to świetne rozwiązanie – w króciutkiej
podobnej zamiany ze względu na obecność
chwili po wyłączeniu tranzystora T1 prąd
pasożytniczej diody. Niemniej MOSFET zo−
płynie przez wewnętrzną diodę MOSFET−
staje otwarty dla przepływu prądu w obie
a T2, a w chwilę potem otworzy się T2,
strony przez podanie znacznego dodatniego
przejmie cały prąd i napięcie na tranzystorze
napięcia na jego bramkę. Spadek napięcia na
radykalnie zmniejszy się.
otwartym tranzystorze jest rzędu 0,05...0,4V,
Niestety, w obszarze tej pasożytniczej
Rys. 8
zależnie od wartości prądu. Tak mały spadek
diody podczas przepływu prądu zostałby
napięcia na przewodzącym tranzystorze nie
zmagazynowany stosunkowo duży ładunek,
Rys. 9
dopuszcza do przepływu prądu przez paso−
który później musiałby być usunięty, gdy T2
żytniczą diodę zawartą w tym tranzystorze.
zostanie wyłączony. Pasożytnicza dioda
Jest to „zwykła” dioda, więc przy napięciach
MOSFET−a nie ma dobrych parametrów
w kierunku przewodzenia poniżej 0,5V, prąd
w tym zakresie, co zaowocowałoby powsta−
przez nią praktycznie nie płynie. Ilustruje to
niem dodatkowych, zupełnie niepotrzebnych
rysunek 6.
strat mocy w czasie odzyskiwania przez tę
diodę właściwości zaworowych. Aby popra−
wić właściwości, w przetwornicy synchro−
nicznej tego typu dodaje się równolegle do
pasożytniczej diody MOSFET−a T2 diodę
Schottky’ego, która jest szybsza, bo groma−
dzi znacznie mniej ładunku – patrz rysunek
7. Przewodzi ona tylko w bardzo krótkim
Rys. 6
okresie czasu, gdy oba tranzystory są zatka−
ne, więc może to być dioda o małym prądzie
Jeszcze bardziej dociekliwi Czytelnicy
średnim.
niewątpliwie zwrócą uwagę na kolejne ogra−
niczenia. Wukładzie z rysunków 4 i 6 trzeba
Rys. 7
Rys. 10
skutecznie wykluczyć możliwość jednocze−
snego przewodzenia obu tranzystorów nawet
Idea
wykorzystania
przewodzącego
przez drobne ułamki sekund, bo oznaczałoby
MOSFET−a może być zrealizowana nawet do
to możliwość ich uszkodzenia i duże straty
prostowania napięcia z transformatora siecio−
energii. Jest to bardzo ważne, zwłaszcza ze
wego. Przykład pokazuje rysunek 10.
względu na fakt, że poszczególne egzempla−
Obecnie pokazane sposoby okazują się eko−
rze, a tym bardziej typy tranzystorów mają
nomicznie uzasadnione tylko w przetworni−
różne pojemności międzyelektrodowe i różne
cach o najniższych napięciach wyjściowych,
napięcia progowe, przez co czasy włączania
Na podobnej zasadzie można zbudować
rzędu 1...3,3V.
i wyłączania będą różne. Aby wykluczyć
inne odmiany przetwornic.
możliwość przewodzenia obu tranzystorów
Bardzo uproszczone przykłady są pokaza−
nawet przez bardzo krótki czas, impulsy ste−
ne na rysunkach 8 i 9. Więcej informacji na
rujące obu tranzystorów muszą być oddzielo−
temat przetwornic synchronicznych można
Tomasz Fertak
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Grudzień 2002
65