Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Jak działa przetwornica SIMO? - przykłady i omówienie

W numerze 2/2019 przedstawiony był, pokazany na rysunku B, prosty układ elektroniczny. Jest to nietypowa przetwornica indukcyjna z jedną cewką i trzema wyjściami (SBB0, SBB1, SBB2). W literaturze takie przetwornice nazywane są SIMO od Single Inductor Multiple Output, co znaczy pojedyncza cewka, wiele wyjść.
Article Image

Tego rodzaju przetwornice potrzebne są w nowoczesnym sprzęcie mobilnym, gdzie poszczególne obwody, bloki i moduły zasilane są napięciem o różnej wartości. Wcześniej w tego rodzaju sprzęcie stosowano klasyczne rozwiązania, gdzie kilka potrzebnych napięć wytwarzane było z napięcia jednej baterii litowej (akumulatora), głównie za pomocą kilku liniowych stabilizatorów LDO.

Na rysunku C (na podstawie materiałów Maxim) pokazany jest przykład systemu zasilania urządzenia mobilnego o wypadkowej sprawności energetycznej rzędu 70% z wykorzystaniem jednej przetwornicy indukcyjnej (BUCK i jednej cewki) oraz kilku stabilizatorów LDO.

Rys.B Schemat przetwornicy SIMO (Single Inductor Multiple Output)
Rys.C Schemat przetwornicy SIMO - zasilanie urządzenia mobilnego

Wykorzystanie stabilizatorów liniowych związane jest ze znacznymi stratami, co oznacza skrócenie czasu pracy z jednego ładowania akumulatora. Zastosowanie przetwarzania impulsowego pozwala znacząco zmniejszyć straty i wydłużyć czas pracy urządzenia.

Jednak potrzebne jest kilka napięć. Użycie kilku oddzielnych przetwornic impulsowych, każda z oddzielną cewką, jest możliwe (np. w kostce MAX77714), ale często jest niepożądane z kilku powodów, m.in. kosztów oraz objętości i liczby elementów. Dlatego głównie do omawianego właśnie celu opracowano specjalizowane przetwornice impulsowe SIMO z jedną tylko cewką, które jednak dają kilka napięć wyjściowych.

Rys.D Schemat koncepcji na bazie kostki MAX77650 (3 przetwornice SIMO)

Rysunek D ilustruje realizację tej koncepcji na bazie kostki MAX77650 ze sprawnością bliską 80%. Pokrewnym przykładem jest właśnie rysunek B, gdzie jedna scalona przetwornica wytwarza wszystkie potrzebne napięcia. Co ciekawe, poszczególne wyjścia mogą pracować jako przetwornica obniżająca (buck, step-down), a inne jednocześnie jako przetwornica podwyższająca (boost, step-up).

Rys.E MAXIM MAX77650(77651) - uproszczony układ aplikacyjny

Przykładem realizacji takiej koncepcji mogą być kostki MAXIM MAX77650/77651. Rysunek E przedstawia uproszczony układ aplikacyjny. Natomiast wewnętrzny schemat blokowy pokazany jest na rysunku F.

Pytania i wątpliwości może wzbudzić zasada pracy. Zacznijmy od przypomnienia, że w wielu przetwornicach wykorzystywana jest „półanalogowa” regulacja wypełnienia impulsów, czyli powszechnie znana modulacja PWM. Zmiana współczynnika wypełnienia przebiegu prostokątnego powoduje zmiany wartości napięcia wyjściowego. Ale regulację można też zrealizować inaczej.

Na przykład istnieją przetwornice z modulacją zwaną PFM (Pulse Frequency Modulation) lub PDM (Pulse Density Modulation). Czas trwania impulsów jest stały, a zależnie od obciążenia zmienia się częstotliwość ich występowania (gęstość impulsów w czasie).

Rys.F MAXIM MAX77650(77651) wewnętrzny schemat blokowy

W skrajnym przypadku, przy bardzo małym obciążeniu wyjścia, impulsy mogą się pojawiać bardzo rzadko, a potrzebne napięcie wyjściowe utrzymuje kondensator o odpowiednio dużej wartości. Zamiast pojedynczego impulsu pojawiającego się co dłuższy czas, wykorzystuje się raczej „niedużą paczkę impulsów” – taki tryb pracy nazywany jest burst mode i bywa wykorzystywany przy bardzo małym obciążeniu wyjścia, np. w trybie oczekiwania standby.

W omawianych teraz przetwornicach SIMO mogą być stosowane różne kombinacje wspomnianych i jeszcze innych sposobów modulacji. Pewne jest to, że jedna cewka obsługuje kilka wyjść, co można potraktować jako sekwencyjną pracę kilku przetwornic w trybie burst. Ponieważ jedna cewka musi tu obsłużyć kilka wyjść, co ważne o różnym zapotrzebowaniu na energię i prąd, wykorzystana jest praca w trybie nieciągłego prądu DCM (praca w trybie CCM byłaby utrudniona).

Mówiąc najprościej, w każdym cyklu pracy cewka pobiera ze źródła zasilania porcję energii i całą tę energię przekazuje na aktywne w danej chwili wyjście.

Ilustruje to pochodzący z katalogu MAX17270 (stabilizatora SIMO o identycznej zasadzie pracy, ale znacznie prostszej wersji) rysunek G, pokazujący przebiegi napięcia na trzech wyjściach oraz przebieg prądu cewki przy małym i dużym obciążeniu wyjść.

Rys.G MAX17270 - przebiegi napięcia na wyjściach oraz przebieg prądu cewki

Przykładem bardziej rozbudowanego układu tego typu są kostki MAX77640/77641 oraz MAX77650/77651, zawierające dodatkowo programowany stabilizator liniowy LDO oraz pomocnicze obwody, między innymi do inteligentnego sterowania trzema diodami LED. Innym interesującym przykładem wielowyjściowej przetwornicy jednocewkowej może być Texas Instruments TPS65120...TPS65124.

Zadanie było bardzo trudne, niemniej nadesłaliście liczne odpowiedzi, w większości prawidłowe, zawierające stwierdzenie, że chodzi o przetwornicę SIMO. Niektórych zmyliła obecność trzech wyjść, sugerująca związek z silnikami.

Niektóre nietrafne odpowiedzi to:
- Pokazany schemat przedstawia sterowaną cyfrowo przetwornicę indukcyjną. Układ służy do zasilania wysokonapięciowego silnika krokowego.
- Jest to układ do sterowania 3-fazowymi silnikami bezszczotkowymi DC.
- Przetwornica buck-boost z 3 synchronicznymi niezależnymi od siebie wyjściami PWM. Przypuszczam, że jest to schemat falownika do silnika 3-fazowego podłączonego w topologii gwiazdy. Przetwornica pozwala na zasilanie silników z niższego napięcia i z 1 fazy.

Tematyka materiału: przetwornice SIMO
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich maj 2019
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
maj 2019
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo