Особенности разработки повышающих, обратноходовых и SEPIC стабилизаторов на основе микросхем повышающих преобразователей. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2017

Haifeng Fan, Texas Instruments

Часть 1

Несинхронное или синхронное выпрямление

Рисунок 7.	Синхронный повышающий стабилизатор.

Все рассмотренные выше импульсные DC/DC стабилизаторы были несинхронными, поскольку в них использовался выпрямительный диод. В синхронных стабилизаторах вместо диода используется MOSFET, и для него, соответственно, требуется дополнительный драйвер затвора. Проще всего понять различие между синхронными и несинхронными стабилизаторами, сравнив Рисунки 7 и 5, на которых показаны соответствующие схемы повышающих преобразователей. Несинхронный повышающий контроллер LM5022 содержит только один драйвер затвора транзистора нижнего плеча, в то время как синхронный повышающий контроллер LM5122 имеет дополнительный драйвер для управления затвором MOSFET верхнего плеча. Микросхема LM5122 также может использоваться для построения неизолированного синхронного обратноходового стабилизатора (Рисунок 8).

Рисунок 8.	Неизолированный синхронный обратноходовой стабилизатор.

Обычно прямое падение напряжения на MOSFET синхронного выпрямителя ниже, чем на диоде Шоттки, что приводит к уменьшению потерь проводимости. Следовательно, синхронные стабилизаторы могут иметь больший КПД, особенно в низковольтных приложениях с большими токами нагрузки. Сопротивление открытого канала MOSFET имеет положительный температурный коэффициент, из-за чего падение напряжения на открытом MOSFET увеличиваться с ростом температуры. Благодаря такой зависимости при параллельном соединении нескольких приборов происходит автоматическое выравнивание токов. Таким образом, для параллельной работы в приложениях с большими токами нагрузки лучше подходят MOSFET, чем имеющие отрицательный температурный коэффициент диоды Шоттки.

Кроме того, параллельное соединение MOSFET гораздо эффективнее уменьшает потери проводимости, чем соединение диодов Шоттки. Это хорошо видно из Рисунка 9, на котором сравниваются рабочие характеристики MOSFET и диодов Шоттки при параллельном включении. При снижении тока MOSFET в два раза потери проводимости также уменьшаются вдвое, поскольку вольтамперная характеристика MOSFET линейна. Напротив, хотя двукратное уменьшение тока диода Шоттки также снижает потери, в отличие от MOSFET, новое значение потерь диода будет больше половины первоначального из-за экспоненциального характера вольтамперной характеристики.

Рисунок 9.	Сравнение характеристик MOSFET и диода Шоттки.

Основным недостатком синхронных импульсных стабилизаторов является необходимость использования дополнительного драйвера для MOSFET верхнего плеча, что приводит к усложнению схемы и росту потерь на управление. В Таблице 1 дано сравнение синхронных преобразователей с MOSFET и несинхронных преобразователей с диодами Шоттки. Выбирая тип преобразователя, разработчики должны руководствоваться спецификой конкретного приложения.

Таблица 1.	Сравнение синхронных преобразователей с MOSFET и несинхронных преобразователей с диодами Шоттки
MOSFET (синхронный) Диод Шоттки (несинхронный) Преимущества Меньшие потери проводимости Простота реализации Хорошо работают при параллельном соединении — Недостатки Сложность реализации Большие потери проводимости — Не предназначены для параллельного соединения

Поднимите свой проект на новый уровень

Мощные многофазные стабилизаторы

Существует несколько способов увеличения выходной мощности стабилизаторов, среди которых рядом преимуществ обладает многофазная синхронизация. Управляя фазовым сдвигом между тактовыми импульсами параллельно соединенных стабилизаторов, можно достичь снижения пульсаций тока, увеличения КПД, уменьшения размеров пассивных компонентов и улучшения тепловых характеристик. На Рисунке 10 показан двухфазный синхронный повышающий стабилизатор, реализованный на двух контроллерах. Нижний по схеме ведомый контроллер синхронизируется тактовым сигналом, формируемым встроенным генератором верхнего ведущего контроллера таким образом, чтобы фазовый сдвиг между импульсами синхронизации ведущего и ведомого контроллеров составлял 180 градусов. Сбалансированное распределение токов между двумя фазами достигается за счет управления по выходному току с использованием единственного усилителя ошибки ведущего контроллера, управляющего силовыми каскадами обоих каналов.

Рисунок 10.	Двухфазный синхронный повышающий стабилизатор.

Использование DCR для повышения эффективности

Синхронный повышающий стабилизатор, показанный на Рисунке 7, имеет токоизмерительный резистор в цепи питания между входом стабилизатора и дросселем. Этот резистор является источником дополнительных потерь, которые в сильноточных приложениях могут быть значительными.

Силовой дроссель стабилизатора можно представить последовательным соединением идеальной индуктивности и сосредоточенного сопротивления постоянному току (direct current resistance – DCR) (Рисунок 11). DCR может использоваться для измерения тока дросселя, что позволяет исключить внешний токоизмерительный резистор и соответствующие потери энергии. Падение напряжения на DCR можно выделить с помощью последовательной RC-цепочки, подключенной параллельно дросселю. При согласовании постоянных времени RC-цепочки и L/DCR дросселя, падение напряжения на конденсаторе будет равно падению напряжения на DCR дросселя.

Рисунок 11.	Синхронный повышающий стабилизатор с измерением напряжения на DCR.

Расширение диапазона входных напряжений с помощью разделенного питания

Расщепление шины, чтобы цепи питания микросхемы и силового канала были отделены друг от друга, является эффективным способом расширения диапазона входных напряжений стабилизатора. Например, для работы LM5122 необходимо, чтобы минимальное напряжение на выводе CSP (вход датчика тока силового каскада) составляло 3 В, в то время как выводе V_IN (вход питания микросхемы) оно должно быть не менее 4.5 В. Если эти два вывода подключены так, как показано на Рисунке 7, то входное напряжение стабилизатора (V_IN), при котором он сможет нормально работать, должно быть не менее 4.5 В.

Рисунок 12.	Организация разделенного питания, расширяющая диапазон рабочих напряжений после запуска стабилизатора.

На Рисунках 12 и 13 показаны два варианта расщепления шины питания. Для запуска схемы на Рисунке 12 напряжение V_IN должно быть 4.5 В или выше. После запуска выходное напряжение V_OUT через диод возвращается на вывод V_IN и используется для питания микросхемы, поддерживая нормальную работу регулятора до тех пор, пока V_IN не опустится ниже 3 В. В альтернативном варианте разделенного питания, показанном на Рисунке 13, используется зарядовый насос TPS60150, понижающий минимальное напряжение запуска и работы стабилизатора до 3 В. Это заметное улучшение по сравнению с напряжением 4.5 В, необходимым для конфигурации с одной шиной питания (Рисунок 7).

Рисунок 13.	Организация разделенного питания, расширяющая диапазон напряжений запуска стабилизатора.

Управление выключателем нагрузки для защиты от коротких замыканий

Базовая схема повышающего стабилизатора не имеет защиты от коротких замыканий, поскольку ее выход напрямую подключен к входу через дроссель и диод. Поэтому для предотвращения повреждений при коротких замыканиях часто используется дополнительный выключатель нагрузки. Истинную защиту от коротких замыканий обеспечивает схема на (Рисунке 14). Микросхема LM5121 содержит встроенный драйвер затвора, управляющий дополнительным внешним MOSFET на входе преобразователя, который отключает выход при обнаружении перегрузки и управляет пусковым током при запуске стабилизатора.

Рисунок 14.	Повышающий стабилизатор с истинной защитой от коротких замыканий.

Заключение

Повышающие микросхемы управления питанием с широким диапазоном входных напряжений могут использоваться в конфигурациях повышающего, SEPIC и обратноходового стабилизатора, удовлетворяя требованиям различных приложений. Преобразователи со встроенным ключом обеспечивают высокий уровень интеграции и компактность решения, в то время как контроллеры с внешним MOSFET – бóльшую гибкость. Особенностью несинхронных стабилизаторов является простота реализации, тогда как синхронные решения имеют меньшие потери проводимости и более высокий КПД, особенно в сильноточных низковольтных приложениях. Многофазное преобразование, измерение тока с помощью DCR, разделенное питание и ключ отсоединения нагрузки дают повышающим стабилизаторам дополнительные преимущества. Правильное решение должно выбираться на основе конкретных требований и приоритетов проекта.

Материалы по теме