Понижающие DC/DC преобразователи

Аннотация

В статье кратко описаны основы построения современных DC/DC преобразователей; на примере микросхемы MP1593 – универсального DC/DC преобразователя – детально рассмотрены принципы расчёта внешних цепей для получения требуемых параметров источника питания; дан пример практической реализации.

Введение

Современные DC/DC–преобразователи отвечают самым высоким требованиям к надёжности и параметрам выходного напряжения. Чаще всего они используются в автономных системах с батарейным или аккумуляторным питанием; такие преобразователи должны иметь высокий КПД. При помощи импульсных DC/DC–преобразователей можно регулировать напряжение на нагрузке и даже получать отрицательное выходное напряжение, что невозможно при использовании обычных (линейных) регуляторов напряжения. Одна из наиболее перспективных областей применения таких преобразователей – создание распределённых систем электропитания.

Достижения в теории и технологиях производства интегральных схем позволяют добиваться ранее невозможных результатов. Существенно повышен КПД, улучшены температурные характеристики, неуклонно уменьшаются габариты, повышается удельная мощность устройств.

Совершим небольшой экскурс в теорию. Итак, существует два основных типа регуляторов напряжения: линейные и импульсные. Классический линейный регулятор – это устройство, стабилизирующее напряжение на нагрузке и не позволяющее добиться выходного напряжения, превышающего входное. Его классическая схема приведена на рисунке 1. Для большинства интегральных линейных регуляторов типовое внутреннее падение напряжения составляет порядка 2 В. Это означает, что для получения на выходе такого регулятора напряжения 5 В на его входе должно быть не менее 7 В. Следствием достаточно большого падения напряжения на элементах линейного регулятора является их низкий КПД. Существуют, однако, линейные регуляторы и с малым внутренним падением напряжения, на сегодняшний день составляющим примерно 0,05 В. Такие устройства получили название LDO-регуляторы (от Low Dropout – малое падение напряжения). К сожалению, LDO регуляторы отличаются меньшей стабильностью характеристик выходного напряжения по сравнению с их аналогами с более высоким падением напряжения. Ещё одной серьёзной проблемой линейных регуляторов является высокая вероятность выхода из строя проходного транзистора. При коротком замыкании в нагрузке к цепи коллектор-эмиттер этого транзистора оказывается приложенным полное напряжение питания регулятора, что может привести к выходу его из строя.

Современные импульсные регуляторы практически избавлены от перечисленных недостатков и поэтому получили широкое распространение. Рассмотрим вкратце принципы их работы.

В отличие от линейных регуляторов, чьи силовые элементы постоянно находятся в открытом состоянии, в импульсных силовой элемент работает в дискретном (ключевом) режиме. Таким образом, передача энергии от первичного источника в нагрузку происходит в виде пакетов импульсов. Свойство дросселей накапливать энергию в виде магнитных полей, а конденсаторов – в виде электрического заряда используется для сглаживания пульсаций выходного напряжения, обычно имеющего исходно форму прямоугольных импульсов.

Структурная схема импульсного преобразователя приведена на рисунке 2. Наиболее часто применяемый принцип работы – широтно-импульсная модуляция (в зарубежной литературе – Pulse Width Modulation, PWM). В импульсных регуляторах, построенных по данному принципу, выходное напряжение пропорционально скважности импульсов, задаваемой блоком PWM.

Одно из основных следствий работы в ключевом режиме – малое выделение энергии в виде тепла и, следовательно, потенциально высокий КПД подобных устройств. Габариты конструкции напрямую зависят от рабочей частоты инвертора. Чем она выше, тем меньшей индуктивности требуется дроссель и меньшей ёмкости – выходной конденсатор, а значит, эти наиболее громоздкие элементы будут компактнее.

Понижающие регуляторы преобразуют входное напряжение в более низкое регулируемое выходное. Упрощённая схема и диаграммы работы устройства приведены на рисунке 3.

При закрытом силовом ключе S1 ток индуктора IL1 линейно нарастает приблизительно в соответствии с законом:

Ток индуктора течёт через нагрузку и выходной конденсатор C1. Когда напряжение на нём достигает порога регулирования блока PWM, ключ S1 разрывает цепь. При открытом ключе S1 ток в цепи нагрузки не прекращается, поскольку в работу вступает диод D1, предотвращающий разрыв цепи. Энергия, запасённая в индуктивности, перекачивается в нагрузку. Ток индуктора начинает линейно падать приблизительно в соответствии с законом:

Когда напряжение на конденсаторе C1 становится равным нижнему порогу регулирования блока PWM, ключ S1 закрывается и цикл повторяется.

ИС понижающего DC/DC преобразователя MP1593

Теперь рассмотрим работу и схемотехнику типичного понижающего DC/DC преобразователя MP1593 компании MPS . Это ИС понижающего преобразователя со встроенным выходным каскадом Power MOSFET. Она обеспечивает постоянный ток до 3 А и превосходные параметры стабильности напряжения на нагрузке в широком диапазоне питающих напряжений.

Стандартные области примене ния ИС:

• распределённые системы электропитания;
• батарейные зарядные устройства;
• плоскопанельные мониторы и телевизоры;
• компьютерные игровые приставки;
• DVD–плееры.

Работа в режиме обратной связи по току обеспечивает быструю реакцию на управляющие воздействия и упрощает стабилизирующую цепь обратной связи.

Встроенные защитные механизмы ограничивают ток, отслеживая его в каждом цикле работы, а также защищают ИС от перегрева. Управ ляемый механизм мягкого запуска исключает броски тока в питающей цепи в момент включения MP1593. ИС имеет режим покоя (ждущий режим), в котором её потребление составляет порядка 20 мкА.

В стандартном включении с током в нагрузке до 3 А микросхема требует минимального количества внешних компонентов (см. рис. 4). Приведённые ниже расчёты и формулы ссылаются на этот рисунок. Из достоинств ИС можно отметить также её высокий КПД, достигающий 90% при максимальном токе в нагрузке (кривые зависимости КПД от напряжения питания и тока в нагрузке приведены на рисунке 5).

Перечислим основные характеристики MP1593:

• выходной ток в нагрузке – до 3 А;
• управляемый режим «мягкого» запуска инвертора (см. рис. 6);
• встроенный выходной каскад Power MOSFET, сопротивление 100 мОм;
• подключение по схеме с керамическими выходными конденсаторами с малым эквивалентным последовательным сопротивлением;
• КПД – до 95%;
• низкое потребление (20 мкА) в ждущем режиме;
• фиксированная частота преобразования – 385 кГц;
• встроенная защита от перегрева
• встроенная схема ограничения тока в нагрузке;
• широкий диапазон питающих напряжений – 4,75/28 В;
• регулировка выходного напряжения – от 1,22 В;
• блокировка при понижении напряжения;
• миниатюрный корпус – 8pin SOIC (SOIC8N) (см. рис. 7);
• промышленный диапазон рабочих температур от –40 до 85°С.

Электрические характеристики ИС MP1593 приведены в таблице 1. В таблице 2 приведены функциональные назначения выводов ИС.

Таблица 1. Электрические характеристики MP1593

Таоблица 2. Функциональное назначение выводов MP1593

Для дальнейшего рассмотрения принципов функционирования MP1593 и подбора внешних компонентов приведём структурную схему этой ИС (см. рис. 8). В MP1593 используется токовый принцип регулирования выходного напряжения. Выходное напряжение подаётся на вход FB усилителя сигнала рассогласования через резистивный делитель напряжения. Выход усиленного сигнала рассогласования доступен на выводе COMP ИС. Подбо ром параметров RC-фильтра, подключаемого к этому выводу, можно задавать закон регулирования напряжения в нагрузке. В инверторе использованы силовые N-канальные MOSFET-ключи. Поскольку на их затвор необходимо подавать напряжение, превышающее напряжение питания, между выводами SW и BS данной ИС подключается конденсатор вольтодобавки. Он заряжается, когда на выводе SW присутствует низкий потенциал. Встроенный 10-ти омный ключ служит для управления процессом зарядки конденсатора.

Пример практической реализации

В заключение кратко рассмотрим пример практической реализации источника питания на базе ИС MP1593. На рисунке 9 приводится фотография оценочной платы, являющейся практически законченным решением для различной портативной аппаратуры.

Параметры рассмат риваемого источника:

• выходной ток – 0-3 А;
• выходное напряжение – 3,3 В;
• напряжение питания – 4,75-28 В.

Принципиальная схема оценочной платы блока питания приведена на рисунке 10, а спецификации элементов – в таблице 4. В таблице 3 – приведены рассчитанные номиналы элементов этой схемы для значений выходного напряжения, отличных от 3,3 В. Номиналы элементов компенсационной цепи R2 и C3 рассчитаны для указанного на схеме значения ёмкости выходного конденсатора.

Рисунок 10 – Принципиальная схема оценочной платы EV1593DN-00A

Таблица 5. Типовые номиналы элементов цепи компенсации

Таблица 6. Спецификация элементов оценочной платы EV1593DN-00A

Заключение

DC/DC-преобразователи компании MPS, помимо своей компактности и надёжности, выгодно отличаются от аналогов других производителей меньшей требовательностью к стабильности напряжения питания, а также невысокой ценой. Последнее обстоятельство делает их весьма привлекательными для применения в массовом производстве.

Заказать демонстрационную плату (EV1593DN-00A), а также получить любые консультации разработчики могут в компании ПРОСОФТ.