Высокоэффективные контроллеры компании Maxim для понижающих DC/DC-преобразователей - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Инженерные решения

466
Высокоэффективные контроллеры компании Maxim для понижающих DC/DC-преобразователей

Назначение таких преобразователей – это организация шин питания, как общих, так и локальных, например, для организации питания типа PoL(англ. PoL– Point-of-Load, источник питания, расположенный в непосредственной близости от нагрузки). Понятно, что тут DC/DC-преобразователи просто вне конкуренции. Используемые для тих целей микросхемы позволяют разработать источник питания, обладающие не только стабильным значением выходного напряжения, а и малогабаритные, не требующие, благодаря своему высокому КПД, даже на относительно высоких токах в 3.5…5 А радиаторов или иных конструктивных ухищрений для отвода тепла. Еще одним достоинством таких преобразователей является их высокая всеядность к входному напряжению, диапазон которого, в отличие от других типов стабилизаторов напряжения, может быть весьма широк.

 

Почему важен именно весь диапазон входных напряжений?

Верхний его предел – это понятно, это один из фундаментальных камней для выбора ИМС контроллера. Но дело в том, что если вам известно номинальное выходное напряжение вашего преобразователя, то вы можете его обеспечить только в том случае, если между минимальным входным напряжением и необходимым вам выходным будет иметь место некоторая минимально допустимая разность напряжений ΔV. Лучше выбирать контроллер понижающего преобразователя, имеющий самое минимальное допустимое значение ΔV, так как при этом, как правило, и рисков меньше и коэффициент полезного действия преобразователя будет выше.

Весь диапазон рабочих токов важен по той причине, что не все ИМС преобразователей могут оказаться работоспособны во всем необходимом вам диапазоне токов нагрузки. Особенно проблематично обеспечить должную работоспособность преобразователей средней мощности с максимальным током в диапазоне 3…5 А на малых токах нагрузки, например, в 200 мА. Здесь они могут выйти из режима. Это связано с тем, что преобразователь уже не в состоянии работать на столь малых длительностях импульса и контроллер выключится, либо что происходит чаще, он может перейти в хаотический режим с генерацией пачек коротких импульсов. Последнее приведет к возрастанию уровня излучаемых помех. При широком диапазоне токов нагрузки желательно выбирать многорежимные преобразователи, о которых речь пойдет ниже.

 

Излучаемые помехи

Что же касается излучаемых помех, а точнее о выполнении требований по электромагнитной совместимости, то часто, увлекшись разработкой схемотехники, мы забываем о таких последствиях, как собственное электромагнитное излучение импульсного преобразователя и его поведении уже в виде законченного узла. То есть, мы должны оценить, как его работа скажется на выполнении требований по электромагнитной совместимости уже конечного изделия. Для успешного решения вопросов в части электромагнитной совместимости при использовании в одном нескольких преобразователей полезно выбрать преобразователи не просто с фиксированной рабочей частотой, которая вам необходима, а с возможностью ее синхронизации. Такой подход позволяет избежать наличия интермодуляционных составляющих, которые весьма трудны для подавления ввиду того, что их основные гармоники лежат в нижней части спектра [1]. Еще одно преимущество входа внешней частоты или синхронизации это возможность введения модуляции, то есть использования технология размазывания спектра – spread-spectrum.

 

Занимаемая площадь и цепи обратной связи

Что касается занимаемой площади, то тут важны два фактора. Собственно, тип корпуса ИМС, габариты дросселя, как самого объемного элемента, число элементов внешней обвески и занимаемая ими площадь. Во внешней обвеске ИМС, кроме дросселя, могут также оказаться достаточно габаритные электролитические конденсаторы, а также достаточно мощный и достаточно габаритный диод Шоттки. Кроме того, не все ИМС преобразователей содержат встроенный ключ или ключи.

Для многофункциональных DC/DC-преобразователей есть еще одна проблема – это правильный выбор элементов компенсации в цепях обратной связи, отвечающих за надлежащую работу петли регулирования (loop-компенсация). А именно, задания АЧХ замкнутой петли, которая бы обеспечила фазовую устойчивость и устранила влияния пульсаций и помех, влияющих на его функционирование преобразователя, не приведя при этом к недопустимой реакции в виде отклика на сброс/наброс нагрузки или скачек входного напряжения. По собственному опыту автора статьи, разработчики часто не вникают в тонкости этого сложного процесса, а просто слепо используют данные из спецификаций. Для того, чтобы вы осознали всю сложность данного вопроса обратитесь, например, к переводу [2] справочного материала ANP16 «LoopCompensationofVoltage-ModeBuckConverters» от компании SipexCorp.

 

DC/DC-преобразователи семейства Himalaya

Пример одних из последних предложений компании Maximв части высокоэффективных понижающих ИМС – это DC/DC-преобразователи семейства Himalaya(по обозначению компании Maxim– HimalayaSynchronousBuckConverterFamily), представлен в табл.1.

В чем неоспоримые достоинства предлагаемых для рассмотрения ИМС?

Как видно даже и краткого перечня ИМС контроллеров семейства MAX175xx, приведенного в табл.1, все они имеют широкий диапазон входных напряжений и достаточный диапазон для выбора по величине рабочего тока, тем самым, перекрывая большой спектр возможных приложений. Рабочий диапазон температур от -40°С до +125°С, при погрешностивыходногонапряжениянепревышающей ±1,1 %, также удовлетворит большинству применений. При этом почти все ИМС контроллеров имеют широкий диапазон установки рабочей частоты переключения и допускают ее синхронизацию, что позволяет не только оптимизировать конечные решения по уровню излучаемых помех, но и выбрать подходящий дроссель. Как известно величина индуктивности дросселя для заданного значения номинального выходного напряжения VOUTсвязана с рабочей частотой преобразователя выражением:

 

L=VOUT/fSW.

 

Таким образом, чем выше рабочая частота преобразователя fSW– тем меньше требуема индуктивность дросселя (L) и, следовательно, его габариты. А это, наряду с типом исполнения ИМС в части корпуса, является определяющим фактором для решения вопроса по площади размещения законченного преобразователя на печатной плате. Что касается исполнения рассматриваемых ИМС, то в основном они выполнены в миниатюрных корпусах размерами от 4х4 мм для TQFN20, до 3x2 мм для TDFN10 с вариантами исполнения соответствующими требованиям Директивы RoHS. ИМС в корпусах типа TQFN20 и TDFN10 имеют суффиксы EP, это означает, что здесь предусмотрена возможность отвода тепла от кристалла через специальную теплоотводящую площадку снизу корпуса, в спецификациях она означена как «Exposedpad». Для отвода тепла она подключается к фольге печатной платы (общий провод).

Хотелось бы обратить внимание на одно важное свойство, предлагаемых для рассмотрения регулируемых относительно выходного напряжения преобразователей. Для должного функционирования их входное напряжение всего на 10% должно превышать выходное, а для ИМС MAX17502 и MAX17501 всего лишь на 8%, в некоторых случаях допустимо даже ΔV=0.3 В. Это, несомненно, наилучшие в настоящее время результаты в отрасли. Самое последнее пополнение семейства – это еще один сдвоенный, но в отличие от MAX17558, с уже встроенными ключами двухрежимный (PWMили PFM) контроллер MAX17521 (60 В, 1 A) и сверхминиатюрный MAX17542 (42 В, 1 A) в корпусе TDFN10.

Поскольку представленные в табл.1 преобразователи схожи, то в качестве примера более подробно рассмотрим высокоэффективную ИМС понижающего DC/DC-преобразователя средней мощности с внутренней компенсацией – MAX17504 [3]. Основные, параметры этой ИМС, были приведены в табл.1. Обратим внимание на то, что осталось за кадром. Во-первых, эта ИМС преобразователя, как и все остальные, за исключением самого мощного контроллера MAX17506, являются синхронными, то есть, имеет уже встроенный двухтактный выход, и не требуют использования разрядного диода для сброса энергии накопительного дросселя. Только самый мощный из представленных в табл.1 преобразователей, а именно ИМС MAX17506, использует для этой цели дополнительный внешний транзистор нижнего плеча, а сдвоенный MAX17558 (в табл.1 не указан) предназначен для управления внешними ключами. КПД преобразователя MAX17504, как и большинства из рассматриваемых ИМС в данной статье, превышает 90%, а его типовой потребляемый ток в режиме ожидания не превышает 2.8 мкА. Функциональная схема ИМС MAX17504 представлена на рис.1,а, а типовая схема включения на рис.1,б.

Состав преобразователя

Кроме, уже упомянутого двухтактного выходного каскада, преобразователь MAX17504 сдержит:

- стабилизатор напряжением +5 В для питания внутренних цепей (LDO);

- генератор (OSCILLATOR), частота которого задается внешним резистором, подключенным к выводу RT.

Этот генератор может быть синхронизирован внешним сигналом, поданным на вход SYNC; плавный пуск преобразователя осуществляется с помощью конденсатора, установленного по выводу SS.

Кроме этого преобразователь имеет выход RESET, позволяющий осуществить сброс внешних устройств (опция «PowerGood»). ИМС имеет защиту от перегрузки по току и пониженного напряжения (величина задается или по умолчанию или внешним делителем по входу EN/UVLO) и, естественно, вход обратной связи (вывод FB) для установки необходимого уровня выходного напряжения, которое задается, как и обычно, внешним делителем.

Имеется возможность выбора одного из трех режимов работы контроллера:

-PWM (англ. PWM – pulse-width modulation, широтно-импульсная модуляция, ШИМ);

-PWMс переходом в PFM (англ. PFM – pulse-frequency modulation, частотно-импульсная модуляция, ЧИМ);

-DCM (англ. DCM– discontinuouscurrentmode, режим разрывных токов).

Выбор режима осуществляется по входу MODE. В режиме PFM в отличие от PWM при малых нагрузках для обеспечения большего кпд обратные токи через дроссель исключаются путем пропуска тактов, а в режиме DCM ключ нижнего плеча вообще отключен. Изложенное выше касается не только относительно мощных представителей этой серии, но и контроллеров, рассчитанных на небольшие токи, например, MAX17501 (60 В, 500 мА). Иллюстрация зависимости КПД преобразователя с выходным напряжением 5 В от тока нагрузки для этих режимов приведена на рис.2 (рис.2,а -- Режим PWM; рис.2,б -- Режим PFM; рис.2,в -- Режим DCM).

Еще одной характерной и немаловажной особенностью большинства представленных в табл.1 преобразователей, является наличие встроенной компенсации (как описанной выше Loop-компенсации, так и компенсация наклона Slope-компенсация). Это позволяет обеспечить возможность работы преобразователя с керамическими конденсаторами большой емкости, то есть они не чувствительны к низким значениям ESR, как большинство их собратьев по классу. Встроенная компенсация гарантирует устойчивость схемы и избавляет вас от проблем с ее расчетом и оптимизацией, уменьшая число внешних элементов.

Кроме того, ИМС снабжены защитой от перегрева кристалла, срабатывающей при температуре +165°С, а возможность перевода ее в режим полного выключения транзисторов верхнего и нижнего плеча выходного каскада, гарантирует, собственно, такой сверхминимальный ток потребления в 2.8 мкА в выключенном режиме.

 

Инструменты для проектирования преобразователей

Компания Maxim, как изготовитель, заботящийся о своих клиентах, инструмент для проектирования преобразователя под конкретное применение предоставляет в комплекте on-lineинструментов «EE-Sim Design Generation and Simulation Tool». Работа с ним была подробно расписана автором ранее в публикации [4]. В качестве примера проектирования на рис.3приведена практическая схема реализации понижающего DC/DC-преобразователя с использованием ИМС контроллера MAX17504 (номиналы элементов R5=1 ГОм и C6=1 Ф на рис.3формальные, они используются условно для целей моделирования). Ее проектирование детально рассмотрено в [3], но остановимся на ряде важных моментов и проведем ее сравнение с ближайшим аналогом.

Данный понижающий импульсный стабилизатор напряжения с выходным напряжением 5 В и током нагрузки от 200 мА до 3.5 А. Преобразователь рассчитан на работу в широком диапазоне входного напряжения VINот 7.5 до 60 В. Частота переключения fSWвыбрана равной 550 кГц, для этого режима резистор к выводу RTне подключается, а вывод CFостается свободным, при меньшей частоте она соединяется через конденсатор с выводом FB(зависимость емкости этого конденсатора от частоты приведена в [3]). Это связано с особенностями построения петли loop-компенсации. Время плавного старта задано равным 2 мс – определяется выбором номиналом конденсатора C3, подключенного к выводу SS. Типовой уровень срабатывания защиты от перегрузки по току этой схемы равен 5.1 A и является фиксированным, что в некоторых случаях может считаться недостатком. Учитывая широкий диапазон токов нагрузки, контроллер включен в режим PWM(ШИМ) с переходом в PFM (ЧИМ).

Необходимый уровень выходного напряжения 5 В, как обычно, задан делителем – в рассматриваемом случае из резисторов R3, R4. Кроме этого здесь добавлен еще один делитель напряжения по входу, задающему порог срабатывания защиты по минимально допустимому входному напряжению. С учетом того, что минимальный уровень входного напряжения для проектируемого преобразователя согласно условиям проектирования составляет 7.5 В, он определен с запасом на уровне 6.5 В. В этом случае учитывается не возможность работы контроллера с низким входным напряжением, а исключается аварийная ситуация по основной шине питания изделия, что несомненно очень полезно и удобно.

 

Сравнение преобразователей

Чтобы оценить достоинства рассматриваемых контроллеров, автором статьи с использованием программного инструмента WEBENCH Design от Texas Instruments [5] была проведена сравнительная разработка аналогичного преобразователя с использованием ИМС TPS54360DD (60 В, 3,5 A), как наиболее оптимального решения из всех предложенных. Результаты (схема представлена на рис.4) показали, что при заданных входных и выходных параметров, аналогичный преобразователь имеет проблемы в области малых токов. Аналог сохраняет работоспособность лишь до тока нагрузки в 0.35 А, а вариант на MAX17504 работоспособен при токе 100 мА и даже менее (согласно [3] до 10мА, см. рис.2,б) и, кроме того, имеет при малых нагрузках более высокий КПД.

На рис.4 показан результат сравнительного проектирования DC/DC-преобразователя на ИМС TPS54360 (из итогового файла WEBENCH Design) на основе исходных параметров и условий аналогичных для MAX17504

Для реализации преобразователя на ИМС TPS54360DD, как мы видим из результатов проектирования (рис.4), нам потребуется 17 компонентов, в том числе достаточно габаритный высоковольтный диод Шоттки типа STPS20M100Sс прямым током 20А, против 9 элементов для варианта на ИМС MAX17504 в аналогичной конфигурации. И это еще с учетом того, что ИМС TPS54360 не имеет опции PowerGood.

Согласно результатам анализа на симуляторе WEBENCHDesign, занимаемая площадь на печатной плате составила бы не менее 627мм2, что как минимум в два с половиной раза превышает площадь аналогичного DC/DC-преобразователя, выполненного на ИМС MAX17504.

Еще один важный момент это тепловые характеристики. К сожалению, инструмент для проектирования из состава «EE-Sim Design Generation and Simulation Tool», в отличие от симулятора WEBENCHDesign, не осуществляет теплового моделирования.

На рис.5 приведено сравнение тепловых характеристик синхронного и аналогичного по входным и выходным характеристикам типового несинхронного преобразователей. Решение от Maxim– КПД 87.3%, максимальная температура 42°С; типовое решение в виде несинхронного преобразователя – КПД 65.7%, максимальная температура 81°С.

 

Как можно видеть из настоящей статьи, новые ИМС контролеров понижающих синхронных DC/DC-преобразователей семейства Himalayaкомпании MaximIntegratedProducts– это достаточно высокоэффективные продукты, позволяющие получить самые оптимальные решения для широкого спектра применений.

 

Литература:

1.Рентюк В. Решения проблемы пульсаций и помех входного тока импульсных преобразователей. // Электрик. – 2016. - №3.

2.Иоффе. Д. Обеспечение устойчивости понижающего преобразователя напряжения// Компоненты и технологии. 2007. -- №6.

3.MAX17504, 4.5V–60V, 3.5A, High-Efficiency, Synchronous Step-Down DC-DC Converter with Internal Compensation, Rev 1; 2/14, Maxim Integrated Products, Inc.

4.Рентюк В. DC-DCпреобразователи: инструмент для проектирование компании Maxim. // Электрик. – 2015. - №11.

5.Рентюк В. Проектирование DC/DC-преобразователей в системе WEBENCH Design Center // Электрик. – 2013. - №10.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus