Синхронные понижающие преобразователи 42 В/2.5 А с током потребления 2.5 мкА

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2013

Linear Technology

Design Note 504

Введение

Выпускаемые компанией Linear Technology микросхемы синхронных понижающих преобразователей LT8610 и LT8611 могут отдавать в нагрузку ток до 2.5 A при входном напряжении до 42 В. Высокое входное и низкое выходное напряжения приборов отвечают строгим требованиям автомобильных, промышленных и коммуникационных приложений. Встроенный синхронный выпрямитель в сочетании с использованием экономичного пульсирующего режима (Burst Mode) позволили поднять КПД преобразования до 96% и снизить собственный ток потребления до 2.5 мкА.

Высокая эффективность синхронного выпрямления

Рисунок 1.	Этот понижающий преобразователь12 В/3.3 В на микросхеме LT8610 имеет очень высокий КПД.

Замена внешнего диода Шоттки внутренним синхронным силовым ключом позволяет не только уменьшить размеры схемы, но также повысить КПД и снизить рассеиваемую мощность. Повышение КПД имеет особенно большое значение для приложений с низким напряжением питания, где на диоде Шоттки падает относительно большая часть выходного напряжения. На Рисунке 1 изображена схема преобразователя напряжения 12 В/3.3.В. Из Рисунка 2 можно увидеть, что КПД этой схемы достигает 94%, на 5%-10% превышая КПД асинхронных схем.
 

Рисунок 2.	КПД схемы, изображенной на Рисунке 1, может достигать 94%.

Высокая надежность, компактная индуктивность

Разработчики микросхем LT8610 и LT8611 преследовали цель создания таких приборов, которые позволяли бы использовать внешние катушки индуктивности с размерами, определяемыми требованиями к нагрузке на выходе, а не максимальным током микросхемы. При перегрузке или коротком замыкании микросхемы уверенно переносят работу с насыщенной катушкой индуктивности благодаря быстродействующему узлу отслеживания пиковых значений тока и надежной конструкции ключей. Так, например, в схемах, требующих максимального тока 1.5 А, может использоваться индуктивность со среднеквадратичным значением рабочего тока более 1.5 А и номинальным током насыщения более 1.9 А. Такая гибкость позволяет разработчику выбирать более малогабаритные индуктивности для приложений, ток потребления которых меньше максимального выходного тока микросхемы преобразователя.

Мониторинг и управление током в микросхеме LT8611

LT8611 функционально аналогична микросхеме LT8610, но дополнительно в нее интегрированы усилитель датчика тока и элементы петли управления с выводами ISN, ISP, IMON и ICTRL. Выводы ISN и ISP подключаются к внешнему резистивному датчику тока, который может соединяться последовательно с входом микросхемы или с ее выходом, а также с любой другой точкой системы, в которой требуется измерение тока. Петля управления ограничивает выходной ток LT8611, не допуская превышения напряжением между выводами ISP и ISN порогового уровня 50 мВ. Подачей на вывод ICTRL напряжения в диапазоне 0 … 1 В пользователь имеет возможность изменять этот порог от 0 до 50 мВ. На выходе IMON микросхема, в соответствии с формулой 20×(ISP – ISN), формирует напряжение, пропорциональное измеренному току, который можно легко контролировать с помощью внешнего АЦП.

Цепь измерения и мониторинга тока микросхемы LT8611 может использоваться для ограничения тока короткого замыкания или для создания источников питания с одновременной стабилизацией тока и напряжения. На Рисунке 3 показана временная диаграмма работы микросхемы в режиме контроля и ограничения тока при коротком замыкании нагрузки. Для создания особо качественных и надежных систем питания LT8611 может подключаться к микроконтроллеру, имеющему входы АЦП и ЦАП. Типичными примерами применения прибора являются схемы слежения за точкой оптимальной мощности (MPPT) в контроллерах заряда для солнечных батарей и программируемые источники тока для питания светодиодов.

Рисунок 3.	Работа микросхемы LT8611 в режиме контроля и ограничения тока при коротком замыкании.

Широкий диапазон входных напряжений при рабочей частоте 2 МГц

Как хорошо известно, чем выше частота переключения преобразователя, тем меньше размеры созданного на его основе решения. Поэтому преобразователи с частотой переключения 2 МГц часто применяются в автомобильных системах для исключения интерференции с вещательными станциями AM диапазона и минимизации площади, занимаемой на печатной плате.

Высокая частота переключения, однако, требует принятия некоторых компромиссов, включая сужение диапазона входных напряжений, что важно для автомобильных и промышленных систем. Тем не менее, микросхемы LT8610 и LT8611 позволяют свести эти ограничения к минимуму, совмещая высокую рабочую частоту с большим коэффициентом преобразования. Это достигнуто снижением минимального времени включения силового ключа (типовое значение 50 нс) и малым падением напряжения, даже на частоте 2 МГц. На Рисунке 4 представлена схема преобразователя 5 В/2 А, работающего на частоте 2 МГц в диапазоне входных напряжений от 5.4 до 42 В. Порог ограничения тока установлен на уровне 2 А.

Рисунок 4.	Работающая на частоте 2 МГц микросхема LT8611 не создает интерференции с вещательными станциями AM диапазона и позволяет создавать более компактные схемы источников питания при высоком коэффициенте заполнения импульсов.

Работа при малом падении напряжения

Даже в том случае, когда входное напряжение сравняется с выходным, LT8610 и LT8611 останутся в режиме стабилизации, пропуская циклы выключения силовых ключей и снижая частоту переключения, при этом коэффициент заполнения импульсов может достигать 99.8%. Если же снижение входного напряжения продолжится, выходное напряжение будет отслеживать входное, всегда оставаясь меньше на 450 мВ (при токе нагрузки 2 А). Сохранить высокий КПД микросхемы в таких условиях помогает конденсатор вольтодобавки, подключаемый в выводу BST. Временные диаграммы, позволяющие оценить величину падения напряжения на микросхеме, показаны на Рисунке 5.

Рисунок 5.	Временные диаграммы, демонстрирующие величину падения напряжения на микросхемах LT8610/LT8611.

Выводы

Высокоэффективные и надежные микросхемы конфигурируемых синхронных понижающих преобразователей LT8610 и LT8611 с максимальным выходным током 2.5 А и максимальным входным напряжением 42 В в режиме покоя потребляют 2.5 мкА. Миниатюрные приборы работают в режиме стабилизации тока, а LT8611 имеет дополнительный режим стабилизации тока. Такое сочетание возможностей идеально подходит для применения микросхем в автомобильных и промышленных приложениях.