Нови интегрални DC/DC конвертори

Стефан Куцаров

Популярният термин DC/DC конвертор (DC/DC Converter, DC to DC Converter) реално означава преобразувател на едно постоянно напрежение в друго, но тъй като все по-често изходното напрежение е стабилизирано, той започва да замества класическия ключов стабилизатор (Switching Regulator).

Най-често продължават да се използват конверторите с едно изходно напрежение, но нарастващата сложност на електронните устройства и необходимостта във все повече случаи от различни захранващи напрежения на блоковете им увеличава броя на конверторите с две или повече напрежения. И при тях постоянен стремеж е намаляването на размерите, в резултат на което вече се предлагат модули не по-големи от интегрални схеми, примери за каквито са дадени в статията.

За тях производителите ползват различни наименования, например μModule Regulator и MicroDC/DC Converter. В статията са отразени появили се на пазара модели след 01.01.2016 г. и главно такива от последните две години.

Понижаващи конвертори

Този тип (Buck Converter, Step-Down Converter) са без галванично разделяне на изхода от входа, изходното им напрежение V_OUT е по-малко от входното V_IN и продължават да са с най-голям относителен дял.

Част от новите прибори са с класическата структура с един мощен NMOS транзистор между входа и изхода, но нараства делът на синхронните понижаващи конвертори, същността на чиято съвременна структура с основните й външни елементи е показана на фиг. 1.

Разрешаващият вход EN съществува само в част конверторите и предназначението му е да фиксира чрез REN1 и REN2 минимално необходимото V_IN за нормална работа. Освен към V_IN делителят може да се свързва и към друг източник на постоянно напрежение. Двата мощни транзистора T_N и T_P трябва да имат малки съпротивления на канала (съответно R_NMOS и R_PMOS) за да се намали разсейваната мощност върху конвертора и стойностите им често са сред основните параметри, като обикновено R_NMOS<R_PMOS.

Необходимите за работата им импулси типично са с широчинноимпулсна модулация (PWM) и по-рядко с честотно-импулсна модулация (PFM) и се осигуряват от осцилатора OSC и драйвера DR. Показаното задаване на честотата им fo чрез външен резистор е само в част от конверторите, а в останалите тя е фиксирана.

Продължава да расте броят на моделите с нейни стойности от мегахерцовия обхват (засега до около 5 MHz), което води до по-малка индуктивност на бобината L. Извод SYNC може да се ползва като изход за честотата fo или като вход за синхронизирането й с външен източник. Чрез RFB1 и RFB2 се установява желаното V_OUT като в част от конверторите RFB2 е вграден.

Съществуват и серии конвертори, в които към модела със задаване на VOUT е прибавен набор от конвертори с вградени резистори за фиксирано напрежение. На извод PG има високо логическо ниво в нормален работен режим, а при смущения се получава лог. 0. Основното предназначение на блока SS (Soft Start) е плавното нарастване на V_OUT при включване на конвертора и съответно избягване на нежелан негов отскок, като скоростта на нарастването се задава чрез C_SS.

В опростената структура на фиг. 1 не е отразен наличният в част от конверторите блок за автоматичното им включване (Power-On Reset, POR) при V_IN над определена стойност и изключване при друго по-малко напрежение. В техническата документация обикновено се дават препоръчваните капацитети на C_IN и C_OUT.

Една от характерните особености на съвременните понижаващи конвертори е наличието на все повече модели със стойности на максималния изходен ток IOUTmax над 10 А. Все пак, при необходимост от значително по-големи токове, се запазва актуалността на паралелното свързване на няколко конвертора към един товар. Друга особеност са все по-близката до 100% максимална стойност на ефективността (Efficiency), определяна от израза η=100V_OUTI_OUT/(V_INI_IN). Поради същественото влияние на I_OUT и V_IN върху стойността й обикновено в каталозите има графики η(I_OUT) - примерът на фиг. 2 е за конвертора на ред 3 в табл. 1, от който се вижда логичното й намаляване с увеличаване на разликата V_IN–V_OUT и понижаване на I_OUT.

За практическото запазване на голяма η при малки I_OUT в някои конвертори се осъществява преминаване от режима с PWM в Pulse Energy Mode (PEM), при който изходните импулси на DR са с много малка продължителност и в определен обхват на V_OUT това може да доведе до неколкократно увеличаване на η.

Подобен ефект в някои конвертори се постига чрез преминаване от PWM в честотно-импулсна модулация (PFM), обикновено означавано като Light Load Efficiency (LLE). Освен това част от производителите прибавят към графиките η(I_OUT) зависимостта на разсейваната мощност от I_OUT - пример e ИС на ред 4. Сред основните параметри на конверторите са и следните.

• Максималната разлика ΔV_OUT на реалното V_OUT от стойността му в каталога, която е в сила за произволни V_IN, V_OUT и околна температура.
• Стабилизацията по вход (Line Regulation) LNR, представляваща относителната промяна 100(ΔV_OUT/V_OUT) на V_OUT при изменение на V_IN с 1V с мерна единица %/V.
• Стабилизацията по изход (Load Regulation) LDR със същия израз, но в % при промяна на I_OUT в определени граници, обикновено от 0 до I_OUTmax.
• Входното напрежение V_IN(UVLO), при което конверторът престава да работи (UnderVoltage LockOut).
• За сигурното действие на конверторите обикновено те съдържат част или всички от следните защити.
• От голямо V_IN (Input Overvoltage Protection) OVP - при определена негова стойност се нулира V_OUT, а нормалната работа се възстановява при намаляването му до по-малка стойност.
• Максималнотокова защита (Overcurrent Protection) OCP - нулиране на V_OUT при увеличаване на I_OUT с няколко десетки процента до 2 пъти над I_OUTmax.
• Температурната защита (Overtemperature Protection) OTP няма специфични особености в сравнение със защитите на други електронни схеми.
• Защита от късо съединение (Output Short-Circuit Protection) OSCP - тя нулира V_OUT и след премахване на "късото" се задейства блокът SS.

При използването на конвертори в интегрално и модулно изпълнение трябва да се има предвид, че в документацията обикновено се дават подробности за изчисляване на външните им елементи и препоръки за изготвяне на печатните платки, придружени с практически техни реализации.
Основните приложения на понижаващите конвертори са в комуникационни и компютърни прибори, индустриални съоръжения, медицински уреди, автомобили, системи за разпределено захранване и т. н. Конверторите с I_OUT до няколко стотици mA са предназначени за сензори, устройства с батерийно захранване и др., а дори и за замяна на линейни стабилизатори.

В табл. 1 са дадени основните параметри на понижаващи конвертори, като трябва да се има предвид и наличието в документацията на осцилограми (напр. на V_OUT и входния ток), изясняващи реакцията на схемите при различни изменения на условията на работа. С IC и М в колона 2 е отбелязано дали моделът е ИС или модул, Syn показва, че той е синхронен и 1Т че е с един транзистор между входа и изхода. Колона 4 подчертава тенденцията за увеличаване на дела на конверторите с малки V_OUT и на подходящите за прибори с едноклетъчен литиев акумулатор. Пример е даденият на ред 2, който консумира в работен режим 95 μA.

Специфична особеност на повечето конвертори (редове 1, 6-12 и 14) е вграденият линеен стабилизатор за захранване на част от блоковете, осигуряване на желаните им параметри и намаляване на постояннотоковата консумация. Конверторът на ред 4 е с патентованата Silent Switcher Technology, позволяваща едновременно работа с големи fо и намаляване на обусловените от принципа на действие на DC/DC конверторите електромагнитни смущения.

Стойността на V_IN на конвертора на ред 6 е основание за наименованието му високоволтов, към което се прибавя програмирането на UVLO и прагът на задействане на вход EN. Характерен пример за модул с много малки размери е даденият на ред 7. Конверторът на ред 8 се предлага в две разновидности - за захранване на маломощни товари (HiperLight Load) и на такива с резки промени на консумирания ток (HiperSpeed Control).

Сред конверторите с най-голяма η_max е този на ред 9, а особеност на конвертора на ред 10 е възможността му чрез добавяне на външен полеви транзистор да работи като понижаващо-повишаващ (дадените в табл. 1 параметри са само за действието като понижаващ). Основното му предназначение е за ползване в автомобили (например за арматурното табло и информационната система), като отговаря на изискванията на AEC-Q100.

С впечатляващо малки размери е и ИС на ред 11 за сметка на неголемите V_OUT (3 модела, всеки с 4 стойности, задавани чрез логическите нива на два входа) и I_OUTmax, тъй като основното й предназначение е за електроника в облеклото, "умни" часовници и маломощни Bluetooth (BLE) прибори. Патентованият HotRod Package на конвертора на ред 12 осигурява голяма hmax и малки пулсации на V_OUT благодарение на намалената паразитна индуктивност на изводите.

Моделът на ред 13 е част от серия от 30 ИС с V_IN до 60V и I_OUT до 22 А, ползваща Zero-Voltage Switching (ZVS) топология и осигуряваща големи hmax. В серията е ползвана входна UVLO и сравнително рядко срещаната също входна Overvoltage Lock Out (OVLO).
За понижаващи стабилизатори с галванично разделяне на изхода от входа е предназначен конверторът NCP1032 на ON Semiconductor, препоръчван основно за захранване на прибори от 24- и 48-волтови комуникационни мрежи, например Power Over Ethernet (POE).

Повишаващи конвертори

Наименованието им и английските термини Boost DC/DC Converter и Step-Up DC/DC Converter показват осигуряването на V_OUT>V_IN. Стремежът за създаване на работещи с малки захранващи напрежения електронни схеми е причината за по-малкия относителен дял на повишаващите конвертори спрямо понижаващите.

От друга страна, все по-масовото ползване през последните години на преносими прибори, захранвани от акумулатори и галванични елементи с малки напрежения, определя важността на повишаващите конвертори с малки V_IN. В зависимост от неговата минимална стойност те могат да работят с алкални и Li-Mn галванични елементи, с Li-Ion и с NiMH акумулатори с една клетка, което обикновено е указано в документацията им.

Типични приложения на конверторите са в прибори за безжични комуникации (напр. Zigbee), за радиочестотна идентификация (RFID), безжични сензори, медицински уреди, при ползване на суперкондензатори като източник на VIN, и др. Сред приложенията на “класическите” повишаващи конвертори (с V_OUT над десетина V) са индустриални прибори, автомобили, комуникационни съоръжения, драйвери за електродвигатели и мощни високочестотни усилватели.

Принципът на действие на основния тип повишаващи конвертори е изяснен на фиг. 3. При затворен S1 от V_IN протича ток през L и натрупва енергия. Когато S1 се отвори, се сменя полярността на напрежението върху нея и затварянето на S2 позволява прехвърлянето й в изхода. Повишаването на напрежението се оценява чрез V_OUT/V_IN, известно като Boost Factor, увеличаването на чиято стойност изисква по-малко омично съпротивление DCR на бобината.

Реално получаваните стойности на V_OUT са до около 7V_IN, каквито са осигуряваните от конверторите в табл. 2. В означените в нейната колона 2 с 1Т ключът S2 не е MOS транзистор, а диод на Шотки, докато останалите с означение Syn ползват два MOS транзистора.

Тъй като напрежението върху отворения S1 е равно на V_OUT, в някои каталози последното не се дава като параметър и се замества с максимално допустимото върху ключа. Освен това поради протичането на изходния ток през бобината стойността му I_OUTmax зависи от нейния максимален ток I_LIM. Затова някои производители го дават като допълнителен параметър заедно с израз в каталозите за определяне на I_OUTmax, докато други ползват за параметър класическия I_OUTmax.

Конверторът на ред 1 в табл. 2 се свързва по по-сложна схема от тази на фиг. 3 и това прави възможно с него да се реализират още повишаващо-понижаващи и инвертиращи конвертори. Даденият на ред 2 ползва честотно-импулсна модулация (PFM) и започва работа при минимално V_IN от 0,88 V, но запазва действието си до 0,4 V, а неговото V_OUT се задава с един външен резистор.

В документацията на конвертора на ред 3 са дадени много практически схеми на стабилизатори с него и конкретни външни елементи. За V_IN от Li-Ion акумулатори с една клетка е предвиден конверторът на ред 4, чийто I_LIM е 1,5 А при V_IN≥3 V, а размерите му улесняват вграждането в преносими прибори. Даденият на ред 5 има 3 управляващи входа, чрез двоичното число на които се установява едно от фиксираните изходни напрежения (от 1,8 до 5 V), и друг вход за изключване на изхода. Чрез външен резисторен делител се задава стойността на V_OUT на конвертора на ред 6, а той е част от серия с още 7 конвертора с фиксирани V_OUT между 1,8 и 5 V.

Бързо развиващата се област на индустриалния интернет на нещата (IIoT), се нуждае от подходящи захранващи блокове за сензорите и комуникацията им с управляващите системи. Част от сензорите се разполагат на отдалечени и трудно достъпни места, което налага захранването им заедно със свързаната към тях електроника с батерии, обикновено 1,5-волтови с типично минимално напрежение 0,65 V.

По-високото работно напрежение на електрониката налага ползването на повишаващи конвертори с някои специфични изисквания към параметрите. Сред примерите за такива са модулите на серията R-78S на RECOM с I_OUTmax=100mA, като моделът R-78S1.8-0.1 работи с V_IN=0,65V-1,3V, осигурява V_OUT=1,8V и има η_max=93%.

Понижаващо-повишаващи конвертори

Този трети тип конвертори (Buck-Boost Converter) BBC осигуряват V_OUT, което може да е по-малко или по-голямо от V_IN. Приложенията им обхващат тези на понижаващите и повишаващите конвертори, към които се прибавят и някои специфични.

На първо място сред тях е работата с източници на V_IN със стойности от двете страни на V_OUT като зареждане на акумулатори от слънчеви клетки, захранване на прибори от акумулатори, захранване на мощни високочестотни усилватели, на прибори от POE, реализация на захранвания с галванично разделяне на V_OUT от V_IN.

С малки изключения (например конверторът на ред 3 в табл. 3) ВВС ползват мощни MOS транзистори с основна схема на свързване на фиг. 4, обикновено наричана мостова (H-bridge). В нея за работа като понижаващ синхронен конвертор са предназначени SWITCH A и SWITCH B при постоянно отворен SWITCH C и постоянно затворен SWITCH D, докато повишаващият конвертор ползва SWITCH C и SWITCH D при затворен SWITCH A и отворен SWITCH B.

И в двата случая правилната последователност на отваряне и затваряне на ключовете се осигурява от управляващ блок в ИС на конвертора. В сравнение с предните два типа конвертори ВВС обикновено са с по-малко защити - най-често ОТР с евентуално добавяне на OSCP. Друга особеност, която трябва да се има предвид при ползването на каталожна информация, е че IOUTmax може да има различни стойности в зависимост от V_OUT - например конверторът на ред 6 е с 7,5 А при 10 V и 2,5 А при 50 V.

Използваната модулация в ВВС обикновено е PWM, но за избягване на недостатъка й от намаляване на h при малки IOUT, в някои конвертори автоматично се преминава в пакетен режим на действие (Burst Mode Operation). Например даденият на ред 1 в табл.3 запазва почти непроменена стойността на η (около 90%) до I_OUT=1 mA, докато с PWM при този ток тя намалява под 0,1 I_OUTmax. Особеност и предимство на серията от 5 конвертора на ред 2 е вграденият интерфейс I²C, чрез който V_OUT се програмира със стъпка 20 mV.

Конверторът на ред 3 може да работи и като инвертиращ с различни основни параметри за трите режима – в табл. 3 са тези на повишаващ конвертор, докато понижаващият има I_OUTmax=3 A и по-малка η_max. Освен задаване на V_OUT чрез външен делител конверторът на ред 4 позволява получаване на V_OUT=3,3 V чрез просто свързване на два от изводите. Само с външна бобина и 3 кондензатора работи конверторът на ред 5, а V_OUT може да е 2,5 или 3,3 V чрез подходящо свързване на изводи. Ползваната Zero-Voltage Switching (ZVS) technology в конвертора на последния ред в табл. 3 позволява работа със сравнително висока f_o и съответно бобина и кондензатори с намалени размери.

Инвертиращи конвертори

Сравнително рядкото използване на отрицателни захранващи напрежения на електронните схеми е логичната причина за неголямото количество инвертиращи конвертори (Inverting Converter), които преобразуват “класическото” положително напрежение в отрицателно и носят още наименованието конвертори за отрицателно напрежение (Negative Voltage Converter).

Особеност е, че част от тях реализират и други видове конвертори чрез подходящи свързвания на външните елементи към интегралната схема, което е описано в документацията й. Сред характерните приложения на инвертиращите конвертори са захранване на GaN транзистори и лазерни диоди, в автомобили и индустриални прибори, на АЦП и ЦАП в телекомуникационни системи.

Конверторът LT8362 на Analog Devices работи като инвертиращ в съответствие със схемата на фиг. 5 и в едно от свързванията си с V_IN=2,8-28 V осигурява V_OUT=-5 V и I_OUTmax=1,2 A при η_max=86%.

Сравнението на напреженията показва, че конверторът действа едновременно и като ВВС. Само инвертиращ е синхронният TPS63710 на Texas Instruments с предимство ползването само една бобина и основни параметри V_IN=3,1-14 V, V_OUT задавано чрез външен делител между -1 и -5,5 V, ток I_OUTmax=1 A и η_max=91%. Полезно е да се има предвид, че продължава предлагането на конвертори, разработени през последното десетилетие на миналия век, например МАХ759 на Maxim Integrated за V_IN=4-11 V, V_OUT=-5 V и I_OUTmax=0,5 А.

Конвертори с галванично разделяне

Този тип конвертори (Isolated DC-DC Converter) осигуряват чрез трансформатор галваничното разделяне на V_OUT от V_IN, необходимо в телекомуникационни мрежи, управление на индустриални процеси, комуникации по електрическата мрежа (PLC), в захранващите блокове на медицински прибори, управление на IGBT и др.

Относителният дял на конверторите не е голям, като трябва да се подчертае, че в документацията им обикновено се дават множество практически схеми на стабилизатори. Същността на реализацията се изяснява чрез фиг. 6, показваща получаването на V_OUT от МАХ17682 на Maxim Integrated.

Конверторът работи с V_IN между 4,5 и 42 V и осигурява мощност 10 W при η_max=92%, има Т_А=-40÷+125°С и корпус 4х4х0,75 mm. За работа с V_IN до 75 V и свързване към телекомуникационни мрежи е NCP1032 на ON Semiconductor, осигуряващ мощност 3 W при η_max=80% и корпус 3x3x0,75 mm.

Запазеното наименование Fly-Buck Converter на LM5161 от Texas Instruments се дължи на структурата му, която позволява ползване като понижаващ стабилизатор и превръщането в конвертор с галванично разделяне чрез проста замяна на бобината с трансформатор. Входното напрежение е 4,5-100 V при I_OUTmax=1 A и η_max=94%, температурата на кристала може да е между -40 и +125°С и корпусът е 5x4,4x0,9 mm. Сред основните приложения е получаването на постоянно напрежение при 48-волтови комуникационни мрежи.

Конвертори с няколко изходни напрежения

Използването на различни захранващи напрежения за блоковете в електронните устройства все по-често се прилага и при много ИС, типичен пример за което е необходимостта от различно захранване на ядрото и входно-изходната шина на микропроцесорите. Това доведе до замяната на традиционната захранваща платка със захранваща ИС (Power Management Integrated Circuit) PMIC, осигуряваща между две и над 10 стабилизирани постоянни напрежения.

Конверторите с няколко изходни напрежения представляват PMIC с блокове само на ключови стабилизатори или на комбинация от такива с линейни стабилизатори. С много малко изключения тяхното V_IN е положително, а в зависимост от модела стойностите на V_OUT се задават независимо една от друга чрез външни делители или са фиксирани. Практическа особеност е, че често се предлагат серии PMIC с различни набори от фиксирани V_OUT, както и съдържащи блокове с други функции.

Например в конвертора на ред 2 от табл. 4 такива са компаратор и таймери, в този на ред 3 е блок за зареждане на акумулатор, а даденият на ред 9 има EEPROM.
Табл. 4 съдържа характерни примери за конвертори, като съкращенията SWBuck и SWBoost в колона 3 означават съответно понижаващ и повишаващ ключов стабилизатор и LDO е за линеен стабилизатор с малка разлика между входното и изходното напрежение. Терминът Dual-Output DC-DC Converter означава наличието на едно положително и едно отрицателно напрежение, обикновено равни по абсолютна стойност. На ред 10 е показан типичен представител на конверторите, съответстващи на стандарта за автомобилна електроника AEC-Q100.