Рекомендации по применению понижающих DC/DC преобразователей

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2012

Ken Marasco, Analog Devices

В смартфонах, планшетных компьютерах, цифровых камерах, навигационных системах, медицинском оборудовании и множестве других портативных устройств с автономным питанием часто содержатся микросхемы, изготовленные по разным технологиям. Для работы таких устройств, как правило, требуется несколько независимых источников питания, причем напряжение каждого отличается от напряжения аккумулятора или внешнего сетевого адаптера.

На Рисунке 1 изображена типичная маломощная система, питающаяся от Li-Ion батареи. Диапазон напряжений батареи равен 3…4.2 В, в то время, как для микросхем требуются 0.8 В, 1.8 В, 2.5 В и 2.8 В. Проще всего получить необходимые напряжения с помощью LDO стабилизаторов. Но, к сожалению, вся мощность, не используемая в нагрузке, будет рассеиваться в форме тепла, делая LDO стабилизаторы неэффективными, когда V_IN существенно превышает V_OUT. Широко распространенная, и единственная, в случае нашего примера, альтернатива, существенно сокращающая потери – импульсный преобразователь, накапливающий энергию в магнитном поле индуктивности и отдающий ее в нагрузку при другом напряжении. Рассматриваемые в этой статье понижающие преобразователи («buck» или «step-down») позволяют получить на выходе напряжение меньшее, чем на входе. У повышающих преобразователей («boost» или «step-up»), которые мы будем рассматривать в следующей статье, наоборот, выходное напряжение больше входного. Импульсные преобразователи с внутренним ключевым МОП транзистором, называются импульсными стабилизаторами (switching regulators), в то время как преобразователи, для которых требуются внешние силовые транзисторы, называются импульсными контроллерами (switching controllers). В большинстве маломощных систем используют как LDO, так и импульсные преобразователи, и только при разумном сочетании обоих могут быть получены требуемые технические и ценовые характеристики устройства.

Рисунок 1.	Типичная маломощная портативная система.

Как видно из Рисунка 2, понижающий преобразователь состоит из двух ключей, двух конденсаторов и индуктивности. Драйвер ключей должен формировать неперекрывающиеся последовательности управляющих импульсов, гарантируя, что в каждый момент времени будет замкнут только один ключ, и в схеме не будет сквозных токов. В Фазе 1 ключ B открыт, а ключ A закрыт. Катушка индуктивности подключена к входному напряжению V_IN, и ток через нее течет от V_IN в нагрузку. В Фазе 2 открыт ключ A, и закрыт B. Индуктивность подключена к «земле», и ток, спадая, переносит запасенную в катушке энергию в нагрузку.

Рисунок 2.	Топология понижающего преобразователя (слева), форма напряжения и токов в различных точках схемы (справа).

Импульсные стабилизаторы могут работать в режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode – CCM), в котором ток индуктивности никогда не спадает до нуля, и в режиме прерывистой проводимости (discontinuous conduction mode – DCM), когда ток катушки индуктивности некоторое время может отсутствовать. В маломощных понижающих преобразователях прерывистый режим используется очень редко. Преобразователи обычно конструируют таким образом, чтобы пульсации тока (current ripple), обозначенные на Рисунке 2 как ΔI_L, составляли 20 … 50% от номинального тока нагрузки.

В понижающем синхронном преобразователе, изображенном на Рисунке 3, функцию ключей A и B выполняют p- и n-канальный МОП транзисторы, соответственно. Термин «синхронный» (synchronous) указывает на то, что в качестве нижнего ключа используется МОП транзистор. Преобразователи с диодом Шоттки на месте нижнего ключа называются асинхронными, или несинхронными. В маломощных приложениях лучшую эффективность демонстрируют синхронные преобразователи вследствие меньшего падения напряжения на МОП транзисторе, по сравнению с диодом Шоттки. Однако КПД синхронного преобразователя при малой нагрузке может оказаться недопустимо низким, если нижний МОП транзистор не будет выключаться на то время, пока ток индуктивности равен нулю. Устранение этой проблемы требует дополнительных схемных решений, приводящих к усложнению микросхемы и увеличению ее цены.

Рисунок 3.	Понижающий преобразователь состоит из генератора, контроллера ШИМ с петлей обратной связи и ключевых МОП транзисторов.

В современных маломощных синхронных понижающих преобразователях основным рабочим режимом является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В этом режиме частота переключения постоянна, а ширина импульсов (t_ON) изменяется в соответствии с требуемым выходным напряжением. Поставляемая в нагрузку средняя мощность пропорциональна коэффициенту заполнения D, что делает ШИМ эффективным средством контроля выходной мощности.

МОП ключи управляются контроллером ШИМ, для стабилизации выхода использующим обратную связь либо по току, либо по напряжению. Маломощные понижающие конвертеры обычно работают на частотах от 1 до 6 МГц. Более высокие частоты позволяют применять индуктивности меньших размеров, но расплатой за это становится снижение КПД, который падает на 2% при каждом удвоении рабочей частоты.

При малых токах нагрузки ШИМ не всегда является самым эффективным решением. Рассмотрим, к примеру, схему управления питанием видеокарты. При смене сюжетов изменяется ток нагрузки понижающего преобразователя, управляющего графическим процессором. ШИМ в режиме непрерывной проводимости способна стабилизировать питание в очень широком диапазоне выходных токов, но, по мере снижения нагрузки, КПД преобразователя стремительно падает вследствие возрастания относительной доли тока, потребляемого самим преобразователем. Поэтому в понижающих преобразователях, предназначенных для портативных приложений, используются дополнительные методы снижения мощности, такие как частотно-импульсная модуляция, или ЧИМ (pulse-frequency modulation – PFM), пропуск импульсов (pulse skipping) или же комбинация обоих методов.

При входе в экономичный режим (power-save mode – PSM) в понижающих преобразователях Analog Devices происходит следующее. К порогу ШИМ добавляется смещение, в результате которого выходное напряжение начинает подниматься и достигает величины, приблизительно на 1.5% превышающей номинальный уровень стабилизации ШИМ. В этот момент ШИМ выключается, оба ключа закрываются, и микросхема переходит в режим ожидания (idle mode). Выходной конденсатор C_OUT начинает разряжаться до тех пор, пока V_OUT не упадет до уровня, при котором восстанавливается стабилизация ШИМ. Подключается индуктивность, и V_OUT вновь начинает расти. Этот процесс повторяется до тех пор, пока ток нагрузки не превысит установленный порог.

ADP2138 – компактный понижающий DC/DC преобразователь с выходным током 800 мА и рабочей частотой 3 МГц. Типичная схема его включения показана на Рисунке 4. Рисунок 5 иллюстрирует благоприятное влияние на КПД автоматического переключения ШИМ/PSM. В некоторых случаях переменная частота переключения в режиме PSM затрудняет фильтрацию помех, поэтому многие понижающие преобразователи имеют вывод MODE (см. Рисунок 4), позволяющий пользователю принудительно включать режим ШИМ, или разрешать преобразователю переключаться между ШИМ и PSM автоматически. В отдельных микросхемах вывод MODE может предназначаться для динамического перехода в режим пониженного энергопотребления.

Рисунок 4.	Типовая схема включения микросхем ADP2138/ADP2139.

Рисунок 5.	Зависимость КПД преобразователя ADP2138 от тока нагрузки в режиме ШИМ с непрерывной проводимостью (а) и в режиме пониженного потребления (б).

Понижающие преобразователи улучшают КПД

Повышенный КПД продлевает время работы до смены или перезаряда батарей, что для новых портативных устройств можно считать одной из важнейших характеристик. Например, при использовании LDO стабилизатора ADP125 (Рисунок 6) Li-Ion аккумулятор способен отдавать в нагрузку ток 500 мА при напряжении 0.8 В. При этом КПД стабилизатора, равный

V_OUT/V_IN × 100% = 0.8/4.2 × 100%,

составляет лишь 19%. Вся неиспользуемая энергия, 81% (1.7 Вт), рассеивается корпусом в виде тепла, которое может стать причиной быстрого перегрева портативного устройства. Импульсный преобразователь ADP2138, рабочий КПД которого при входном напряжении 4.2 В и выходном 0.8 В равен 82%, позволяет повысить эффективность более чем в 4 раза и сократить выделение тепла. Вот почему в последние годы наблюдается бум разработки новых импульсных преобразователей для портативной аппаратуры.

Рисунок 6.	LDO стабилизатор может отдавать в нагрузку ток 500 мА.

Ключевые понятия, относящиеся к понижающим преобразователям

Диапазон входных напряжений (Input Voltage Range): Диапазон входных напряжений понижающего преобразователя определяет наименьшее допустимое напряжение источника питания. В справочниках этот параметр может быть представлен весьма широким диапазоном, но для эффективной работы схемы V_IN всегда должно превышать V_OUT. Например, чтобы получить стабилизированное выходное напряжение 3.3.В, входное напряжение должно превышать 3.8 В.

Собственный ток потребления, или ток общего вывода (Ground or Quiescent Current): Обозначаемый обычно буквами I_Q постоянный ток, не идущий в нагрузку. Чем меньше I_Q, тем выше КПД устройства. В спецификациях на микросхемы I_Q может приводиться для самых разнообразных условий, включая блокировку микросхемы, режим облегченной нагрузки, режим ЧИМ или ШИМ. Поэтому лучше всего, если выбор понижающего преобразователя, наиболее подходящего для создаваемого приложения, будет основываться на фактических данных о КПД устройства при конкретных рабочих токах и напряжениях нагрузки.

Ток в режиме отключения (Shutdown Current): Входной ток, потребляемый преобразователем, отключенным по выводу разрешения. Как правило, для маломощных понижающих преобразователей этот ток значительно меньше 1 мкА. Этот параметр очень важен для портативных устройств с батарейным питанием, в которых предусмотрен спящий режим.

Точность стабилизации выходного напряжения (Output Voltage Accuracy): Понижающие преобразователи Analog Devices имеют высокую точность стабилизации. Так, благодаря заводской подстройке, погрешность устройств с фиксированным выходом при температуре 25 °C не превышает ±2%. Точность стабилизации приводится в спецификациях для различных значений температуры, входного напряжения и тока нагрузки, и для наихудшего случая выражается в процентах.

Нестабильность по входному напряжению (Line Regulation): Характеризует степень влияния изменения входного напряжения на выходное при номинальной нагрузке.

Нестабильность выходного напряжения при изменении нагрузки (Load Regulation): Этот параметр является мерой влияния изменений тока нагрузки на выходное напряжение. При медленном изменении нагрузки большинство понижающих преобразователей могут стабилизировать напряжение с очень высокой точностью.

Переходный режим при изменениях нагрузки (Load Transients): Ошибки переходного режима могут возникать при быстрых скачках тока нагрузки, вызывающих переключение режимов от ШИМ к ЧИМ, и наоборот. Параметры переходного режима не всегда приводятся в документации, но в большинстве описаний можно найти осциллограммы, иллюстрирующие реакцию на скачки нагрузки при различных рабочих условиях.

Ограничение тока (Current Limit): В понижающие преобразователи, подобные ADP2138, встроены защитные схемы, ограничивающие величину положительного тока, протекающего через p-МОП транзистор силового ключа и синхронный выпрямитель. Фактически, это означает ограничение тока, текущего от входа к выходу. Ограничитель отрицательного тока предотвращает появление в индуктивности тока обратного направления, вытекающего из нагрузки.

Мягкий старт (Soft Start): Это важная для понижающих преобразователей функция, заключающаяся в управлении скоростью нарастания выходного напряжения в целях ограничения бросков тока. Мягкий старт позволяет не допускать проседания напряжения подключенных к входу преобразователя батарей или высокоимпедансных источников питания. Внутренний цикл мягкого старта начинается после включения устройства по входу разрешения ENABLE (EN).

Время включения (Start-Up Time): Время между нарастающим фронтом сигнала разрешения и моментом достижения выходным напряжением V_OUT 90% номинального уровня. Проверка этого параметра обычно выполняется при установившемся V_IN при переходе вывода разрешения из состояния ВЫКЛ в состояние ВКЛ. В тех случаях, когда выводы EN и V_IN соединены, время включения может существенно увеличиться, так как петле обратной связи требуется время для отработки ошибки. Время выключения понижающего преобразователя – важный параметр для приложений, в которых преобразователь часто включается и выключается, т.е., прежде всего, для портативных устройств.

Отключение при перегреве (Thermal ShutDown – TSD): Если температура перехода превышает установленный порог, защитная схема выключает преобразователь. Причиной перегрева кристалла может быть большой ток нагрузки, плохое охлаждение схемы или высокая окружающая температура. Схема защиты обязательно должна иметь гистерезис, чтобы не допускать включения преобразователя до возвращения температуры кристалла к установленному рабочему уровню.

Режим со 100% коэффициентом заполнения (100% Duty Cycle Operation): При провалах V_IN, или при увеличении I_LOAD понижающий стабилизатор может оказаться у порога, когда p-МОП транзистор должен быть открыт 100% времени, и V_OUT начнет падать ниже требуемого уровня. ADP2138 плавно переводит схему в этот режим, а при изменении состояния входа немедленно перезапускается в режиме ШИМ, не допуская выбросов выходного напряжения.

Разрядный ключ (Discharge Switch): В некоторых устройствах при очень малой нагрузке напряжение на выходе преобразователя может сохраняться в течение некоторого времени после перевода системы в спящей режим. Если процесс последующего включения начнется до завершения разряда выходного напряжения, возможны блокировка или повреждение системы. В преобразователе ADP2139 имеется встроенный резистор сопротивлением порядка 100 Ом, через который происходит разряд выхода после подачи низкого уровня на вход EN, или при защитном отключении микросхемы.

Блокировка питания при пониженном напряжении (Undervoltage Lockout – UVLO): Эта функция гарантирует, что напряжение на нагрузку не будет подано раньше, чем входное напряжение преобразователя достигнет заданного порога. Важное значение блокировки заключается в возможности исключить подачу питания до установления рабочего уровня входного напряжения.

Приложение

Синхронные понижающие DC/DC преобразователи с выходным током 800 мА и рабочей частотой 3 МГц

Понижающие DC/DC преобразователи ADP2138 и ADP2139 оптимизированы для использования в беспроводных телефонах, персональных медиа плеерах, цифровых камерах и других портативных устройствах. Микросхемы могут работать в режиме принудительной ШИМ, в котором пульсации выходного напряжения минимальны, или же автоматически переключаться между ШИМ и PSM для увеличения КПД при облегченной нагрузке. Диапазоном входных напряжений от 2.3 до 5.5. В определяется способность преобразователей работать от стандартных источников питания, включая литиевые, щелочные и NiMH батареи. Выпускаются многочисленные опции с фиксированным выходным напряжением от 0.8 до 3.3 В, током нагрузки 800 мА и точностью 2%. Внутренний силовой ключ и синхронный выпрямитель улучшают эффективность преобразователя и сокращают количество необходимых внешних компонентов. Изображенная на Рисунке А микросхема ADP2139 отличается наличием дополнительного разрядного ключа. Микросхемы выпускаются в компактном 6-выводном корпусе WLCSP размером 1 × 1.5 мм, работают в диапазоне температур от –40 до +125 °C, и в партиях 1000 шт. продаются по $0.90 за один прибор.

Рисунок А.	Функциональная схема ADP2139.