Podstawy

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

Podstawy

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