Новости при интегралните DC/DC конвертори
Начало > Електроника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 3, 2014
Стефан Куцаров
Kлючовите стабилизатори са на практика един от задължителните блокове в съвременните електронни устройства и имат съществено значение за намаляване на размерите им. Това се постига не само чрез технологичните им особености, но и посредством намаляване на броя на външните елементи, допълващи техните интегрални схеми (ИС).
Поради това бързо нараства количеството и разнообразието на стабилизатори с вградени мощни транзистори, което обяснява думата “интегрални” в българското наименование. Те работят с нестабилизирано постоянно входно напрежение VIN и нямат галванична изолация (DC/DC) между него и стабилизираното изходно напрежение VOUT.
Освен стабилизатори (Regulator), се наричат и конвертори (Converter) без да има разлика между двата термина, като не са рядкост случаите в каталог на конкретна ИС те да се използват едновременно.
В статията се разглеждат основните видове DC/DC конвертори, появили се на пазара след 01.01.2011 г., като сравнително малка част са тези от първата година. Даденият в таблиците работен температурен обхват е на околната температура ТА на ИС, но вместо нея производителите често дават TJ на нейния кристал.
Понижаващи конвертори
Тяхното положително VOUT е по-малко от положителното им VIN, което съотношение в документацията се отбелязва с термините Buck и Step-Down.
Несинхронни конвертори. В каталозите думата несинхронен (Nonsynchronous) може да отсъства, т.е. термините Buck Regulator, Step-Down DC/DC Converter и техни подобни обикновено означават (без това да е правило) несинхронни конвертори.
Идея за структурата на ИС и свързването на външните й елементи е дадена на фиг. 1. Тук транзисторът Т е PMOS, а Шотки диодът (Catch Diode) е вграден в някои ИС (например дадените в редове 1 и 4 на табл. 1). Чрез делителя се фиксира изходното напрежение VOUT = (1+R1/R2) VFB при известно от каталожната информация на ИС напрежение VFB между извод FB и маса.
Осцилаторът Osc задава честотата fo на правоъгълните импулси, постъпващи на модулатора Mod. Нейната стойност обикновено е фиксирана, но има ИС, при които тя се задава чрез външен елемент (резистор в тази на ред 6 от табл. 1). Модулаторът осигурява импулси най-често с широчинноимпулсна модулация (PWM), чийто коефициент на запълване се променя чрез напрежението от усилвателя на грешка ЕА за осигуряване на стабилното VOUT.
Съществуват ИС (ред 4 в табл. 1) с автоматично превключване от PWM в честотноимпулсна модулация (PFM) при изходен ток IOUT под определена стойност, с което се запазват големите стойности на коефициента на полезно действие h. Драйверът Dr на ИС осигурява необходимата амплитуда на импулсите на гейта на Т, като съпротивлението му дрейн-сорс RDS е сред съществените параметри на ИС.
Към тях в табл. 1 са прибавени консумираните токове IQ в работен режим и ISHDN в изключено състояние. В предпоследната колона са трите величини, определящи нормалната работа на ИС. При VIN под Undervoltage Lockout (UVLO) и при температура на кристала над Thermal Shutdown (TSHDN) тя се изключва, а когато IOUT достигне тока на ограничение (Current Limit) ILIM, стойността му автоматично се намалява, обикновено до около 0,5IOUT (в ИС на ред 4 от табл. 1 чрез външен резистор се задава ILIM).
Не са рядкост ИС, които освен разновидност с външен делител (Adjustable Version) имат и няколко с фиксирано VOUT чрез вграден делител (ред 2 на табл. 1). В ИС на ред 5 напреженията VOUT се задават чрез подходящо свързване на два специални извода.
За този тип и всички останали видове конвертори полезно е да се знае, че почти всички ИС са с разрешаващ вход EN за включването и изключването им, някои имат външна RC верига срещу самовъзбуждане и че кондензаторът COUT не е електролитен, а обикновено керамичен.
Освен това за постигане на максимално добри параметри са важни правилното изчисление и подбор на външните елементи на конвертора, както и начинът на монтирането им върху печатната платка – почти винаги в документацията на ИС има подробни сведения по тези въпроси.
Синхронни конвертори (Synchronous Buck Converter, Synchronous Step-Down Converter). Структурата им е аналогична на тази от фиг. 1, но диодът е заместен с NMOS транзистор (Low-Side Transistor, Switching Transistor) TLOW, вграден в ИС. Към това предимство на намаляване на броя на външните елементи на ИС се прибавя по-малкият пад на напрежение и разсейвана мощност върху този транзистор и, съответно, повишаване на h.
Например TLOW в ИС от ред 15 на табл. 2 има при максималния IOUT напрежение 120 mW x 2 A = 0,24 V, а този в ред е с 0,066 V вместо типичното 0,4 V на диодите на Шотки. Транзисторът Т на фиг. 1 се нарича High-Side Transistor, Driver Transistor и Buck Switch, отбелязва се с THIGH и съпротивленията на двата са RDSH и RDSL.
За запазване на принципа на действие на понижаващите конвертори трябва и TLOW да се управлява от Dr, като е запушен при отпушен THIGH и обратно, която синхронна смяна на състоянията определя наименованието на тази разновидност на конверторите.
Допълнителна подробност са различните стойности в част от ИС на токовете на ограничение на транзисторите с означения TLIMH и TLIML. Специфична особеност на част от конверторите (например този на ред 5 на табл. 2) е използването само на PWM, а този от ред 6 е предназначен основно за захранване на високочестотния усилвател на мощност в GSM апарати.
Част от интегралните схеми на конвертори имат вход SYNC за външна синхронизация на тяхната fo, а токът ILIM на конвертора от ред 9 се задава чрез резистор между извод ISET и маса. Съществена особеност на ИС на ред 16 е вградената бобина, което позволява работата й само с два външни кондензатора.
Повишаващи конвертори
Осигуряват VOUT>VIN, като относителният им дял в сравнение с понижаващите конвертори постепенно намалява поради стремежа за намаляване на захранващото напрежение на електронните устройства и произтичащата от това възможност за захранване на преносимите с акумулатор с една клетка. В каталозите термините за "повишаващ" са Boost и Step-Up, а структурата и елементите са същите, както при понижаващите конвертори. Разликата е само в свързването на част от елементите за осигуряване на VOUT.
Несинхронни конвертори. Опростената им блокова схема е дадена на фиг. 2 при същите блокове ЕА, Mod, Osc и Dr, както на фиг. 1. Нов е усилвателят CS, който чрез резистор измерва тока на транзистора, пропорционален на IOUT, и осигурява ограничаването му до ILIM.
При отпушен Т токът му от VIN създава върху L напрежение с означената полярност, диодът е запушен поради VOUT и напрежението на анода му е практически 0. Запушването на Т сменя полярността на напрежението на L, то се сумира с VIN и диодът се отпушва, с което се получава VOUT>VIN. Стойността на последното се установява чрез R1-R2, както в понижаващите конвертори.
Синхронни конвертори. Реализацията им е аналогична на понижаващите конвертори, като диодът на фиг. 2 е заместен с PMOS транзистор (Synchronous Rectifier) със съпротивление RDSR, който е вграден в ИС, наименованието на Т е Boost Switch и съпротивлението му е RDSB. В общия случай транзисторите са с различен ток на ограничение ILIMR и ILIMB.
Част от конверторите са с фиксирано VOUT (липсва извод FB на фиг. 2), тъй като приложенията им главно в прибори с батерийно захранване са за осигуряване на определено напрежение на блок или група от блокове. Поради стремежа за минимален обем на приборите нерядко производителите препоръчват в документацията на ИС модела на всеки от външните елементи.
По същата причина обикновено няма външна верига срещу самовъзбуждане и броят на допълнителните изводи е сведен до минимум – обикновено това е само EN за включване и изключване на ИС.
Пример е фиг. 3 на свързването на ИС от ред 1 на табл. 4, от което се виждат често използваните отделни аналогова маса AGND и маса на изходния ток PGND. В редове 3 и 10 на таблицата са серии ИС с фиксирано VOUT през 0,1 V в дадения интервал, тази в ред 8 е с VOUT = 3,3 V и VIN на работеща ИС от ред 6 може да бъде намалявано до 0,35 V.
Също за фиксирано VOUT е ИС от ред 9, предназначена за VIN от основните разновидности литиеви акумулатори с една клетка, която има импулсен IOUT не по-малък от 4А.
Понижаващо-повишаващи конвертори
В съответствие с наименованието си (Buck-Boost DC-DC Converter, Step-Down/Step-Up Regulator, Buck-Boost Regulator) те осигуряват VOUT по-малко и по-голямо от VIN. Независимо от това предимство съществуват значително по-малко ИС в сравнение с предните два вида конвертори.
Основната причина е, че по-рядко практиката налага ползването им. Характерни приложения са прибори с батерийно захранване (особено тези с едноклетъчни Li-Ion и Li-Poly акумулатори), POL системи, захранване на мощни светодиоди. Конверторите практически винаги са синхронни и принципът им на работа е изяснен на фиг. 4, ключовете в която са MOS транзистори. Работата като понижаващ конвертор се осигурява от S1 и S2 при отворен S3 и затворен S4, докато повишаващият конвертор ползва S3 и S4 със затворен S1 и отворен S2.
В табл. 5 са дадени примери за конвертори, като ILmax е максимално допустимият ток през бобината. Таблицата показва една съществена особеност – максималното VOUT не надхвърля максималното VIN въпреки получаването на VOUT>VIN. Схемата в ред 1 има разновидност с VOUT=3,3 V, а същото стабилизирано напрежение се получава и в схемата на ред 2 чрез подходящо свързване.
Инвертиращи конвертори
Използването на блокове с отрицателно захранващо напрежение става все по-ограничено, поради което са много малко появилите се напоследък на пазара инвертиращи конвертори (Negative Output Converter). Типичен техен представител е LMZ34002 на Texas Instruments с VIN = +4,5 ё +40 V, VOUT между -3 и -17 V (задавано от външен резистор), максимален IOUT = 2 A и h = 84%. Бобината е вградена в ИС, която е с размери 11,2x9,2x2,9 mm и има работен температурен обхват -40ё+85 °C.
Конвертори с повече от един изход
Приложенията на тази категория (Multiple Output Regulator, Multi-Output Switching Regulator) нарастват, тъй като един от основните фактори за намаляване на постояннотоковата консумация на електронните устройства е захранване на всеки от блоковете с най-малкото възможно напрежение. Това налага ползването на няколко конвертора, като най-добре е те да са в рамките на една ИС.
В зависимост от полярността на напреженията съществуват две разновидности. Класическата (с намаляващо приложение) е тази на конверторите за двойно захранване, осигуряващи равни по абсолютна стойност положително и отрицателно VOUT. Пример е LT8471 на Linear Technology, представляваща несинхронен конвертор с три изхода и VIN между +2,6 и +50 V.
Два от тях са с IOUT = 2 A и чрез външно свързване на бобини и диоди на Шотки могат да реализират двойно захранване, както и понижаващ, повишаващ и инвертиращ конвертор с две положителни напрежения. Третият изход с IOUT = 0,5 A е за реализация на повишаващ конвертор. Общата за трите конвертора честота fo се задава чрез външен резистор между 100 kHz и 2 MHz, токът IQ е 2,4 mA, температурата TJ в ИС може да е от -40 до +125 °C, а габаритите на корпуса са 6,6x4,5x1,2 mm.
Втората разновидност са конверторите само за положителни напрежения, чийто брой е между 2 и 8 и всяко от тях може да е с различни VOUT и IOUT. В табл. 6 има несинхронни и синхронни конвертори, което заедно с броя и вида им е отчетено в колона 1. Всеки от изходите има описаните в предните видове конвертори външни елементи и отделни разрешаващи входове EN, но осцилаторът е един. Полезна допълнителна възможност предлага ИС от ред 5 - паралелно свързване на 2 до 4 конвертора от нея и, съответно, сумиране на техните IOUT.
Пример за свързването на конвертори с номера 2 и 3 е даден на фиг. 5, който изяснява използвания принцип. Конверторът с най-малък номер (в случая Conv2) е водещ (Master), в неговия изход (в случая SW2) се свързва бобината и чрез делителя към извода FB (в случая FB2) се задава VOUT. Този извод се свързва към изходите SW на останалите конвертори (в случая SW3), които са подчинени (Slave).
Техните изводи FB за делителите (в случая FB3) и всички входове (VIN2 и VIN3) се съединяват към входното напрежение VIN. Разрешаването и забраняването на работата на конверторите се осъществява чрез входа ЕN на водещия (EN2 на фиг. 5), а останалите разрешаващи входове (EN3) се замасяват. Съществена особеност е, че в някои ИС (например дадената в ред 6) реалната сума на изходните токове е по-малка от сумата на дадените в каталога – тази в ред 6 може да осигури общ ток 1,6 А вместо сумата 2 А от каталога.
Конвертори с вградени линейни стабилизатори
Значителна част от блоковете на електронните апаратури, например усилвателите с малки входни напрежения, не могат да бъдат захранвани от конвертори поради променливата съставка в тяхното VOUT. Това налага ползването на линейни стабилизатори, като практически е задължително те да са с малко напрежение вход-изход (Low Dropout, LDO) за намаляване на разсейваната мощност в ИС.
С много приложения е комбинацията конвертор-LDO, с която се осигурява практически неизменно входно напрежение на LDO за допълнително намаляване на разсейваната мощност върху него, и конверторът често се нарича предварителен стабилизатор (Pre-regulator). Очевидно е удобството от обединяване на конвертори и LDO в една ИС, чийто параметър hmax в случая се отнася само за конверторите.
Допълнително предимство на част от тези ИС (например дадените в редове 1, 2 и 4 на табл. 7) са отделните изводи за входните напрежения на LDO, които позволяват самостоятелно използване на конверторите и на всеки от линейните стабилизатори.
Пример за подобно типично свързване, даден на фиг.6, е на ИС от ред 2 на табл. 7, представляваща част от серия от 8 схеми с различен брой конвертори и LDO. С фиксирани VOUT е ИС на ред 3, а задаването на различните й режими на работа става чрез интерфейса I2C. Особеност на ИС от ред 4 е, че входното напрежение на нейния LDO не може да надхвърля това на конвертора.
Конвертори с цифрово програмиране
Стойността на тяхното VOUT вместо с резисторен делител се задава от двоично число, което е цифровото програмиране и определя наименованията Digital Programmable Converter и Digital Programmable Regulator. При промяна на младшия разред на числото се получава DVOUT, което е стъпката на изменение на VOUT. Понякога наименованието на тези конвертори не съдържа “цифров”, което налага внимание при ползването на каталози.
Специфична особеност на дадените в табл. 8 е използването за програмиране на интерфейса I2C, като в каталозите на ИС се дават достатъчно подробности за действието му. Съществуват и разновидности (ред 2 на табл. 8) на конвертори с вградени LDO и програмиране и на тяхното VOUT. Конверторът от ред 1 на таблицата е от серия от 17 ИС с различни стойности на обхвата на VOUT и стъпката DVOUT.
На фиг. 7 е даден пример за неговото свързване, което показва характерното за този тип конвертори малко количество външни елементи – интерфейсът ползва изводи SDA и SCL, а чрез логическото ниво на входа VSEL се извършва запис на текущото VOUT в един от регистрите на ИС. За малкия обем на конвертора допринася и бобината с индуктивност 470 nH и размери 2x1,6x0,9 mm, препоръчвана в техническата документация на ИС.
Многофункционални конвертори
Съвременните преносими прибори с акумулатори ползват отделни зарядни устройства с мрежово захранване, а, от друга страна, намаляващата постояннотокова консумация на приборите позволява зареждане чрез интерфейса USB. В резултат на това се появиха първите ИС обединяващи конвертори със заряден блок и свързвани към USB.
Пример е LTC3586-2 на Linear Technology с VIN = 4,5ё5,5 V, осигурявано от USB или мрежов адаптер, като при свързване към USB токът от VIN автоматично се ограничава на 100 mA или 500 mA, а към адаптер – на 1 А. Освен блокът за зареждане на Li-Ion и Li-Poly акумулатори 4,2 V тя съдържа два понижаващи конвертора (0,8-3,3 V)/400 mA, един понижаващо-повишаващ (2,75 - 5,5 V)/1 A и един повишаващ (0,8-5 V)/800 mA.
Токът на зареждане се задава чрез външен резистор, а чрез резисторни делители се установяват VOUT на конверторите. Работният температурен обхват на ИС е -40ё+85 °С, а размерите й са 6,1x4,1x0,8 mm. За зареждане на акумулатори 4,1 V е предвидена LTC3586-3 с аналогични параметри.
Вижте още от Електроника
Ключови думи: несинхронни и синхронни понижаващи конвертори, несинхронни и синхронни повишаващи конвертори, понижаващо-повишаващи конвертори, конвертори за няколко положителни напрежения, конвертори с вградени LDO
Новият брой 5/2024
