DC/DC преобразуватели

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2006

 

Част 1 - преобразуватели без индуктивности

Стефан Куцаров

Както и да се променят принципите на действие и технологиите на електронните устройства, едно остава неизменно – необходимостта от захранването им с постоянни напрежения. С много малки изключения напреженията са стабилизирани и не трябва да имат пулсации, недопустими за захранваните схеми. Обичайната практика е от едно постоянно и нестабилизирано напрежение (от токоизправител или батерия) да се получават необходимите стабилизирани и (евентуално) нестабилизирани напрежения. Електронните схеми, с които това се постига, могат най-общо да бъдат наречени преобразуватели на постоянно в постоянно напрежение или DC/DC преобразуватели. Огромната част от тях са отдавна известните постояннотокови стабилизатори, но има DC/DC преобразуватели и с нестабилизирано изходно напрежение. В две последователни статии ще бъдат разгледани новостите при трите основни типа DC/DC преобразуватели - линейните стабилизатори, преобразувателите с натрупване на заряд и ключовите стабилизатори, заедно с реализации на последните като модули.

Място на трите типа преобразуватели

Добре известният принцип на линейните стабилизатори изисква транзисторът, свързан между входа и изхода им да работи в линеен режим. За да се осигури това трябва напрежението му колектор-емитер или дрейн-сорс да е над определена минимална стойност. Реално то представлява разликата VIN – VOUT между входното и изходното напрежение (фиг. 1), означава се с VDO и се нарича напрежение върху стабилизатора (Dropout Voltage). В изхода на стабилизатора има ток IOUT, при което върху него под формата на топлина се отделя мощност PD = VDOIOUT. Тя не би трябвало да надхвърля определена граница, което налага ограничения върху максималната стойност на IOUT. При интегралните схеми (ИС) на линейни стабилизатори тя рядко е над 4 А и никога над 10 А (фиг. 2).

Върху аналогичния транзистор на ключовите стабилизатори се разсейва по-малка мощност поради по-малкото напрежение върху него и защото токът IOUT протича само през част от времето на работа на стабилизатора. По тези причини имаше продължителен период, когато се смяташе, че приложенията на линейните стабилизатори ще намаляват, за да се ограничат в крайна сметка до някои специфични случаи. Прогнозите не се оправдаха и днес двата вида стабилизатори се използват практически еднакво. Три са основните причини за това – постояннотоковата консумация на много електронни апаратури рязко намаля, увеличиха се случаите на неголеми граници на изменение на входното напрежение (например при батерийно захранване) и технологията позволи работа с твърде малки VDO. Не трябва да се забравя и основното предимство на линейните стабилизатори спрямо ключовите – те не създават променливи напрежения, което ги прави незаменими за захранване на блокове, работещи със слаби сигнали. От фиг. 2 се вижда, че в областта от 50 mA до 10 А се използват и двата вида стабилизатори. Дадената горна граница на IOUT е на ИС на ключови стабилизатори, отразява състоянието от началото на 2006 г. и се очаква тя да нараства.

Най-малобройна е групата на преобразувателите с натрупване на заряд, които се използват само при малки стойности на IOUT и когато създаваните неизбежни пулсации в напрежението VOUT не вляят на захранваните схеми. Основното им предимство е нищожната разсейвана върху тях мощност, което е предпоставка за малки размери и тегло.

Особеността на съвременните електронни устройства, че по-голямата част или всичките им блокове работят с положителни напрежения определя и много по-голямото разпространение на DC/DC преобразуватели за такива напрежения.

Основни параметри на линейните стабилизатори

Най-важните са изходното напрежение (Output Voltage) VOUT с долна граница вече под 1 V и горна 60 V и максималният изходен ток. В каталозите последният се нарича Output Current и се означава като IOUT. Някои линейни стабилизатори не могат да работят стабилно при празен ход и за тях като параметър се задава и минималният изходен ток IOUTmin с типични стойности няколко mA. Стабилността на изходното напрежение се оценява чрез 3 параметъра. Коефициентът на стабилизация по вход (Line Regulation) представлява изменението на VOUT, предизвикано от определена промяна на входното напрежение VIN. В някои каталози тя е 1 V, при което измерението на параметъра е %/V или mV/V, а в други се указва големината й и измерението е %. Вторият параметър е коефициентът на стабилизация по изход (Load Regulation), който също е изменение на изходното напрежение, но предизвикано от промяна на изходния ток в определени граници. Когато те са 1 mA измерението е %/mA, а при други граници, указани в каталога, може да се дава в % или mV. Третият параметър е температурният коефициент на изходното напрежение (Temperature-Drift Coefficient of Output Voltage) с измерение ppm/°C. За дадена ИС или модул стойността му може да е положителна или отрицателна. В каталозите с VDO се означава параметърът минимално напрежение върху стабилизатора за нормалната му работа.

Като параметър се задават допустимите граници на входното напрежение (Input Voltage) VIN, в които се осигурява нормалната работа на стабилизатора. Някои производители дават само максималното напрежение, тъй като минималното е равно на VOUT+VDO. Също основни параметри са захранващият ток (Supply Current, Quiescent Current, Ground Current) IQ, собственият шум в изхода (Output Noise) за определена честотна лента (например от 10Hz до 100 kHz) и коефициентът на потискане на захранващото напрежение (Power Supply Rejection Ratio, Ripple Rejection). Последният отразява действието на линейните стабилизатори като филтър за често съществуващите пулсации във входното напрежение. Той се дава за една или две честоти (например 1 kHz и 100 kHz) и показва с колко децибела напрежението на пулсациите в изхода е по-малко от това на входните.

Токът IQ обикновено е много по-малък от IOUT. Поради това мощността VINIQ, необходима за работа на ИС, може да се пренебрегне спрямо разсейваната мощност VDOIOUT върху регулиращия транзистор. Така мощността на входа PIN се оказва равна на сумата от VDOIOUT и мощността върху товара POUT = VOUTIOUT. Следователно коефициентът на полезно действие на стабилизатора h=100 (POUT/PIN), % се представя във вида h=100 (VOUT/VIN), %. Той е важен параметър, но поради промените му в процеса на работа не се дава в каталозите.

Линейни стабилизатори

Съществена тяхна особеност е необходимостта от кондензатор в изхода за осигуряване на стабилна работа. В зависимост от стойността на VDO съществуват две групи. Първата са стандартните линейни стабилизатори (Standard Linear Regulator, Linear Regulator) с VDO над 1,5 V, използвани повече от 30 години. Приложенията им намаляват, но те продължават да имат място в устройства с мрежово захранване без строги изисквания за малка разсейвана мощност и размери. Основните предлагани на пазара ИС за фиксирани положителни напрежения от тази група са серията 78хх за 5, 8, 10, 12, 15 и 24 V и IOUT = 1,5 A, серията 78Мхх за напрежения 3.3, 5, 6, 8, 9 и 12 V и IOUT = 0,5 A и серията 78Lхх за напрежения 2.6, 5, 6.2, 8, 9, 10, 12 и 15 V и IOUT = 100 mA. Също за фиксирани, но отрицателни напрежения и същите токове са сериите 79хх, 79Мхх и 79Lхх. От ИС с регулируемо напрежение (обикновено задавано чрез два външни резистора) с най-голямо приложение са ИС тип 317 за положително напрежение между 1,2 и 37 V и тип 337 за същите отрицателни напрежения. И двата типа са с IOUT = 1,5 A.

Втората група са линейните стабилизатори с малко напрежение (Low Dropout Regulator) LDO c VDO до 1,5 V, чийто дял в световното производство непрекъснато нараства. Съществено при тях е, че VDO е право пропорционално на изходния ток (малко напрежение при малък ток), като в много случаи нормалната им работа започва от напрежение няколко десетки mV.

В зависимост от стойността на VOUT има три разновидности LDO. Първата са тези с фиксирано напрежение (Fixed Regulator), които производителите обикновено предлагат като серия ИС с еднакви параметри и разлика само в стойноста на VOUT. Специфичен техен параметър е производственият толеранс на изходното напрежение (Output Voltage Accuracy) със стойности няколко %. Втората разновидност са LDO с регулирумо VOUT (Adjustable Regulator), задавано както при тип 317. И накрая, третата и най-малобройна разновидност са LDO с цифрово управление, чието изходно напрежение може да има точно определени стойности, задавани чрез двоично число.

Обобщената структура на съвременен LDO за положително напрежение е дадена на фиг. 3. Реално съществуващите ИС рядко съдържат всички нейни блокове и възможности. Кои от тях ще бъдат включени в конкретна ИС зависи от фирмата производител. Същността на действието на схемата е класическа. Генераторът на ток I и блокът REF създават опорно напрежение UR (обикновено между 1,2 и 1,25 V) на единия вход на усилвателя на грешка ЕА. На другия му вход чрез делителя Ra-Rb постъпва част от изходното напрежение. В ИС с фиксирано напрежение делителят е вграден и чрез задаване на различни негови съпротивления в процеса на производство се реализират ИС от една серия. Делителят е външен в ИС с регулируемо напрежение и се свързва към извод ADJ. От схемата се вижда, че в този случай между ADJ и масата GND се установява напрежението UR. В биполярните ИС регулиращият транзистор Т е тип PNP (както е означено на фиг. 3), докато в CMOS ИС той е PMOS. Класически са блокът за температурна защита ТР и този за максималнотокова защита CL. При задействане на която и да е от защитите транзисторът се запушва. Сравнително отскоро съществува разрешаващият вход EN (или СЕ). За нормалната работа в част от ИС той се свързва към извод IN или му се подава логическа 1 с TTL или CMOS ниво. При замасяване на входа или подаване на логическа 0 се преминава в режим “изключено” (Shutdown, Standby), в който изходното напрежение се нулира и ИС консумира ток обикновено под няколко mA. При наличие на кондензатор в изхода на ИС, след запушването на Т той започва да се разрежда през товара и едва след известно време изходното напрежение става 0. За бързо нулиране в някои ИС (най-вече тези с CMOS технология) е прибавен още един транзистор Т0 (означен на фиг. 3 като ключ), който едновременно със запушването на Т свързва накъсо изводи OUT и GND. Съществуват ИС с вход EN__ (или CE__), чиято работа се осигурява чрез замасяване или логическа 0, а изключването е чрез свързване към IN или с логическа 1.

За много електронни схеми, например микропроцесори, е важно захранващото им напрежение да не намалява под определена стойност, а ако това стане да им се подаде подходящ сигнал. Тази функция се осигурява от компаратора СОМР, който сравнява част от VOUT със зададено напрежение от блока REF. При VOUT над минимално допустимата стойност, на изход PG (Power Good) се получава съответното логическо ниво (в някои ИС този изход се означава с FLAG). При намаляване на VOUT логическото ниво се сменя, което е сигнал за реакция на захранваната схема.

В съответствие с действието на стабилизатора всяко изменение на изходния му ток променя за кратко време и изходното напрежение (отскок), след което ЕА се задейства и възстановява стойността му. При резки промени на тока (например стабилизаторът захранва цифрови схеми) е необходим бърз ЕА, който консумира значителен ток. Съответно по-бавен ЕА означава по-малка консумация. В някои ИС е предвидена възможност ЕА да има два режима на работа – бърз и икономичен, които се избират чрез подходящо свързване (обикновено към IN или GND) на извод MODE.

При изключване на входното напрежение кондензаторът в изхода остава зареден и ако То липсва за известно време изходното напрежение се оказва по-голямо от входното. За предпазване на Т от това обратно напрежение в някои ИС се поставя диодът D.

От фиг. 3 се вижда, че към изхода на ИС е свързан колектора (или дрейна) на регулиращия транзистор. Това е предпоставка за самовъзбуждане и причина за необходимостта от кондензатор в изхода на стабилизатора. В каталозите се посочва видът му (обикновено керамичен или танталов) и препоръчваните минимална стойност на капацитета и максимално съпротивление на загубите ESR. Наскоро се появиха ИС, които допускат работа без кондензатор (Cap-Free Regulator), например серията TPS732xx-Q1 на Texas Instruments. Това се постига чрез работа на транзистора като повторител на напрежение.

В табл. 1 са дадени основните параметри на характерни съвременни ИС на LDO за положително напрежение.

Пример за LDO с отрицателно напрежение е ТС59ххх на Microchip. Той има две разновидности с VOUT, равно на 3 и 5 V (ххх е съответно 300 и 500). Максималният ток е 100 mA, а VDO е 120 mV при ток 50 mA. Много малък е захранващият ток (3,5 mA). Друга ИС е LT1175 на Linear Technology с регулируемо изходно напрежение и максимален ток 500 mA. Характерна особеност е възможността чрез различни свързвания на два извода на ИС да се задават 4 прага на задействане на максималнотоковата защита.

Когато един LDO може да работи с VIN над около 40 V той е в категорията на високоволтовите LDO (High Voltage Regulator). Нерядко в означението на тези LDO са прибавени буквите НV. Максималната стойност на VIN засега е 100 V. Изходното напрежение може да има малките стойности на обикновените LDO, например в апаратури, захранвани от телефоната мрежа, но съществуват и ИС с VOUT до 60 V. И в двата случая се получава значителна разлика VIN -VOUT, която ограничава максималната стойност на IOUT до няколко десетки mA. Характерен пример е LT3014 на Linear Technology с VIN между 3 и 80 V и регулируемо VOUT от 1,22 до 60 V. Максималният изходен ток е 20 mA. Схемата работи с IQ=7 mA и изходен кондензатор 0,47 mF без ограничение за вида му. Предимство на тази ИС е, че издържа отрицателни входни напрежения до -80 V.

Характерна особеност на много съвременни устройства е, че за намаляване на постояннотоковата консумация всеки от техните блокове работи с минимално възможното си захранващо напрежение. Това налага в апаратурата да има няколко (до 6) захранващи напрежения, което е най-добре да бъде осигурено от една ИС. Нещо повече, за избягване на нежеланото влияние между блокове през захранването може еднаквото напрежение на два или повече блока да се осигурява от отделни стабилизатори. Тези причини определят съществуването на двойни, тройни, четворни и петорни LDO (Double - Quintuple LDO). Като правило всички те са само за положителни напрежения. По принцип е прието DC/DC преобразуватели с 4 и повече изходни напрежения да се наричат захранващи системи (Power Management Systems). Обикновено се използва едно VIN за всички LDO в ИС. Изходните напрежения могат да са различни или да има и две еднакви, да са фиксирани или регулируеми. Съществуват и специфични случаи като ИС AS1357 на Austriamicrosystems. Нейните три изходни напрежения могат еднократно да се програмират от клиента чрез доставян от фирмата софтуер.

Не са редки случаите, когато при включване на дадена апаратура се изисква постоянните напрежения да се подават на блоковете й в определена последователност (Power Sequencing). Съществуват ИС с вградена такава функция, например АТ73С239 на Atmel. При други, като TPS70302 на TI, може да се избира последователността на двете напрежения.

В табл. 2 са дадени основните параметри на LDO с повече от едно изходно напрежение.

Макар и бавно, LDO с цифрово управление си пробиват път. Например два от четирите LDO в АТ73С239 имат вход, чрез логическото ниво на който се определя една от двете стойности на изходното им напрежение. За третия LDO са предвидени два входа за задаване на трите стойности на неговото VOUT. По-характерен пример е МАХ1799, която позволява чрез интерфейса I2C да се програмират по 32 стойности на VOUT на вградените LDO.

Със стремителното навлизане на електрониката в автомобилите бързо нараства производството на LDO за автомобили (Automotive LDO). Техните основни особености са възможността за работа с VIN до най-малко 45 V и издръжливостта на тежките работни условия. Последните налагат значително по-добра максималнотокова и температурна защита в сравнение с класическите LDO. Същевременно няма никаква пречка за приложения извън автомобилите. Пример за такъв LDO е TLE4266-2 на Infineon. Двете му разновидности осигуряват напрежение 3.3 и 5 V и IOUT = 50 mA като работят с VIN между 6 и 45 V. Освен това температурата на кристала в ИС може да е между -40 и +125°С.

Специфична категория ИС са контролерите за LDO (LDO Controller, Voltage Regulator with External Power Transistor). По своята същност те представляват LDO с външно свързан към ИС регулиращ транзистор. Стойността на VOUT обикновено се определя от контролера по същия начин, както при LDO. Транзисторът най-често е NMOS с индуциран канал и неговият избор, а не на контролера, определя IOUT. Така съвкупността контролер-мощен транзистор може да осигури по-голям ток от ИС на LDO. Към това предимство се прибавя и неголямата разсейвана мощност върху транзистора, дължаща се на малкото му съпротивление дрейн-сорс. За осигуряване на последното някои транзистори изискват напрежение гейт-сорс 10-15 V, което трябва да се осигури от усилвателя ЕА в ИС (вж. фиг. 3). В тези случаи ЕА трябва да се захранва с напрежение, по-голямо от VIN на ИС. Използват се две решения – допълнително външно напрежение на специален извод на ИС или вграден в нея блок за повишаване на VIN.

Друга специфична особеност на контролерите се вижда от фиг. 4 – задължително свързваният резистор Rs за максималнотокова защита. Напрежението RsIOUT върху него се прилага между изводи IN и D на ИС и чрез вграден компаратор се сравнява с опорно напрежение VRL в нея. При изходен ток над VRL/Rs компараторът се задейства и запушва транзистора. Накрая трябва да се отбележи, че кондензаторът Со с капацитет няколко десетки mF е задължителен поради големия IOUT. При рязко намаляване на съпротивлението на товара кондензаторът осигурява в първия момент част от увеличения изходен ток, с което се скъсява преходният процес.

Пример за контролер е UC3833 на Texas Instruments. Той работи с VIN между 4.5 и 36 V и има специфична максималнотокова защита. Тя не се задейства от къси импулси на тока когато средната му стойност остава под максималния ток. Съществуват и двойни контролери, какъвто е МАХ8737 на Maxim. Той се захранва с напрежение между 1 и 5.5 V и консумира ток 0,5 mA. За разлика от схемата на фиг. 4, двата му външни транзистора имат собствено захранващо напрежение, което е VIN на така реализираните LDO.

Преобразуватели с натрупване на заряд (Charge Pump) CP

Съществуването и приложенията им се дължат на много малките размери, малката постояннотокова консумация и ниската цена. Два са основните недостатъка – принципно наличие на пулсации в изходното напрежение и малкия изходен ток (под 1 А). Реализират се като CMOS ИС с два или три външни кондензатора с капацитет не повече от няколко mF.

Принципът на действието им се изяснява чрез схемата на фиг. 5. Тя съдържа генератор на импулси IG с честота от десетина kHz до няколко MHz, който управлява CMOS ключовете S1-S4. Поради инвертора G във всеки момент от времето е затворена едната двойка, а другата е отворена. При показаното на фигурата положение кондензаторът С1 се зарежда от входното напрежение VIN, а “достъпът” до С2 е прекъснат, но той разреждайки се осигурява изходния ток IOUT. Следващият импулс от IG сменя положението на четирите ключа, кондензаторът С1 се свързва към С2 и бързо го дозарежда, като му прехвърля заряда си. Така изходното напрежение VOUT се оказва равно на VIN, но е отрицателно. Следователно тази схема е инвертиращ DC/DC преобразувател с VOUT = -VIN. Съществуват и удвоители с VOUT = 2VIN, а по-рядко СР с VOUT = 1,5VIN и утроители с VOUT = 3VIN. Непрекъснатото зареждане и разреждане на С2 са причината за пулсациите в изхода, които са толкова по-малки, колкото по-големи са честотата на импулсите и капацитетът на С2 и по-малък е изходният ток.

Схемата на фиг. 5 е представител на СР с нестабилизирано VOUT (Unregulated Charge Pump). Съществуват и СР със стабилизирано VOUT (Regulated Charge Pump), чиято неизменна стойност се подържа чрез промяна на коефициента на запълване на импулсите.

Поради ненулевото съпротивление на ключовете и някои други причини се губи енергия при прехвърлянето на напрежението от входа на изхода. Загубата се определя от параметъра коефициент на енергийна ефективност (Power Efficiency) PEFF=100(EOUT/EIN), % (в някои каталози се означава с h), в който участват енергията на входа на СР ЕIN и тази на изхода EOUT. Типичните стойности са над 80%. Специфичен параметър е и честотата на превключване на ключовете (Switching Frequency) fSW. Другите основни параметри на СР са подобни на тези на LDO. Твърде бързо нарастват приложенията на СР за захранване на светодиоди (особено бели за подсветка), където пулсациите са без значение.

Няколко примера за ИС на СР са дадени в табл. 3




Новият брой 2/2017

брой 2-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ



ЕКСКЛУЗИВНО

Top