Нови интегрални DC/DC конвертори

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 3/2019 • 06.06.2019

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 VOUT е по-малко от входното VIN 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 VIN за нормална работа. Освен към VIN делителят може да се свързва и към друг източник на постоянно напрежение. Двата мощни транзистора TN и TP трябва да имат малки съпротивления на канала (съответно RNMOS и RPMOS) за да се намали разсейваната мощност върху конвертора и стойностите им често са сред основните параметри, като обикновено RNMOS<RPMOS.

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 VOUT 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 VOUT при включване на конвертора и съответно избягване на нежелан негов отскок, като скоростта на нарастването се задава чрез CSS.

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

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=100VOUTIOUT/(VINIIN). Поради същественото влияние на IOUT и VIN върху стойността й обикновено в каталозите има графики η(IOUT) - примерът на фиг. 2 е за конвертора на ред 3 в табл. 1, от който се вижда логичното й намаляване с увеличаване на разликата VIN–VOUT и понижаване на IOUT.

 

За практическото запазване на голяма η при малки IOUT 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 VOUT 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(IOUT) зависимостта на разсейваната мощност от IOUT - пример e ИС на ред 4. Сред основните параметри на конверторите са и следните.

  • Максималната разлика ΔVOUT на реалното VOUT от стойността му в каталога, която е в сила за произволни VIN, VOUT и околна температура.
  • Стабилизацията по вход (Line Regulation) LNR, представляваща относителната промяна 100(ΔVOUT/VOUT) на VOUT при изменение на VIN с 1V с мерна единица %/V.
  • Стабилизацията по изход (Load Regulation) LDR със същия израз, но в % при промяна на IOUT в определени граници, обикновено от 0 до IOUTmax.
  • Входното напрежение VIN(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 VIN (Input Overvoltage Protection) OVP - при определена негова стойност се нулира VOUT, а нормалната работа се възстановява при намаляването му до по-малка стойност.
  • Максималнотокова защита (Overcurrent Protection) OCP - нулиране на VOUT при увеличаване на IOUT с няколко десетки процента до 2 пъти над IOUTmax.
  • 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 VOUT 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 IOUT 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 VOUT 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 VOUT 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 VIN 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 ηmax 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 VOUT (3 модела, всеки с 4 стойности, задавани чрез логическите нива на два входа) и IOUTmax, 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 VOUT благодарение на намалената паразитна индуктивност на изводите.

Моделът на ред 13 е част от серия от 30 ИС с VIN до 60V и IOUT 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 VOUT>VIN. 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 VIN. 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 VOUT 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 VIN 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 VOUT/VIN, известно като Boost Factor, увеличаването на чиято стойност изисква по-малко омично съпротивление DCR на бобината.

Реално получаваните стойности на VOUT са до около 7VIN, 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 VOUT, 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 IOUTmax зависи от нейния максимален ток ILIM. Затова някои производители го дават като допълнителен параметър заедно с израз в каталозите за определяне на IOUTmax, докато други ползват за параметър класическия IOUTmax.

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 VIN от 0,88 V, но запазва действието си до 0,4 V, а неговото VOUT 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 VIN от Li-Ion акумулатори с една клетка е предвиден конверторът на ред 4, чийто ILIM е 1,5 А при VIN≥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 VOUT на конвертора на ред 6, а той е част от серия с още 7 конвертора с фиксирани VOUT 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 IOUTmax=100mA, като моделът R-78S1.8-0.1 работи с VIN=0,65V-1,3V, осигурява VOUT=1,8V и има ηmax=93%.

 

Понижаващо-повишаващи конвертори

Този трети тип конвертори (Buck-Boost Converter) BBC осигуряват VOUT, което може да е по-малко или по-голямо от VIN. 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 VIN със стойности от двете страни на VOUT 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 VOUT от VIN.

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 VOUT - 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 IOUT=1 mA, докато с PWM при този ток тя намалява под 0,1 IOUTmax. Особеност и предимство на серията от 5 конвертора на ред 2 е вграденият интерфейс I2C, чрез който VOUT 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 IOUTmax=3 A и по-малка ηmax. Освен задаване на VOUT чрез външен делител конверторът на ред 4 позволява получаване на VOUT=3,3 V чрез просто свързване на два от изводите. Само с външна бобина и 3 кондензатора работи конверторът на ред 5, а VOUT 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 fo 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 VIN=2,8-28 V осигурява VOUT=-5 V и IOUTmax=1,2 A при ηmax=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 VIN=3,1-14 V, VOUT задавано чрез външен делител между -1 и -5,5 V, ток IOUTmax=1 A и ηmax=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 VIN=4-11 V, VOUT=-5 V и IOUTmax=0,5 А.

 

Конвертори с галванично разделяне

Този тип конвертори (Isolated DC-DC Converter) осигуряват чрез трансформатор галваничното разделяне на VOUT от VIN, 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 VOUT от МАХ17682 на Maxim Integrated.

Конверторът работи с VIN между 4,5 и 42 V и осигурява мощност 10 W при ηmax=92%, има ТА=-40÷+125°С и корпус 4х4х0,75 mm. За работа с VIN до 75 V и свързване към телекомуникационни мрежи е NCP1032 на ON Semiconductor, осигуряващ мощност 3 W при ηmax=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 IOUTmax=1 A и ηmax=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 VIN е положително, а в зависимост от модела стойностите на VOUT 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 VOUT, 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.



ЕКСКЛУЗИВНО

Top