Использование повышающе-понижающих преобразователей с током покоя 1.3 мкА в микромощных приложениях

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2014

Dave Salerno, Linear Technology

В связи с распространением беспроводных датчиков, поддерживающих «Интернет вещей», возрастает потребность в небольших, эффективных преобразователях энергии, способных автономно питать маломощные устройства. Новые монолитные повышающее-понижающие DC/DC преобразователи LTC3129 и LTC3129-1 с входным напряжением от 2.42 В до 15 В разработаны специально для таких целей. Выходное напряжение LTC3129 регулируется в диапазоне от 1.4 В до 15.75 В, в то время как LTC3129-1 позволяет установить восемь фиксированных напряжений между 1.8 В и 15 В. Обе микросхемы в понижающей конфигурации могут отдавать ток не менее 200 мА.

Для питания маломощных датчиков исключительно удобны микросхемы LTC3129 и LTC3129-1. Отсутствие входного и выходного токов в режиме отключения и ток потребления 1.3 мкА в пульсирующем режиме делают их идеальными строительными блоками приложений сбора энергии, для которых решающее значение имеет КПД при экстремально низких нагрузках. Универсальная повышающе-понижающая архитектура этих микросхем может служить основой широчайшего спектра источников питания.

LTC3129 и LTC3129-1 работают на фиксированной частоте 1.2 МГц, в частности, в режиме стабилизации тока, содержат цепи внутренней частотной компенсации петли обратной связи и автоматически переключаются в пульсирующий режим или в режим малошумящей ШИМ. Приборы имеют вход RUN с точным значением порога, позволяющий управлять условиями блокировки при понижении входного напряжения (UVLO), выход «Питание в норме» и функцию слежения за точкой максимальной мощности (MPPC), оптимизирующую передачу энергии при извлечении ее из фотогальванических ячеек.

Миниатюрный корпус QFN размером 3 × 3 мм и высокий уровень интеграции упрощают размещение LTC3129/LTC3129-1 в ограниченном пространстве современных приложений. Для создания законченного источника питания потребуется добавить всего несколько пассивных компонентов и силовую индуктивность, которая может иметь габариты не более 2 × 3 мм. Внутренняя частотная компенсация еще больше упрощает конструирование.

Преобразователь 3.3 В работает при комнатном освещении от миниатюрного солнечного элемента

В изображенной на Рисунке 1 схеме используется уникальная способность LTC3129 и LTC3129-1 запускаться и работать при ничтожных уровнях входной мощности, начиная от 7.5 мкВт, что позволяет им при освещении менее 200 лк преобразовывать энергию, получаемую от небольших дешевых фотогальванических элементов площадью до одного квадратного дюйма. Это означает, что микросхемы могут использоваться для питания беспроводных датчиков комнатным светом, когда входная мощность DC/DC преобразователя очень мала, и средние потребление энергии должно поддерживаться на чрезвычайно низком уровне.

Рисунок 1.	Преобразователь с выходным напряжением 3.3 В получает энергию от фотоэлемента, освещаемого комнатным светом.

Чтобы сделать возможным запуск микросхемы при столь малом токе, ее потребление поддерживается в пределах 2 мкА (а в режиме отключения еще меньше) до тех пор, пока не начнут выполняться три условия:

• Напряжение на выводе RUN должно превышать 1.22 В (типовое значение).
• Напряжение на выводе V_IN должно превышать 1.9 В (типовое значение).
• Напряжение на выводе V_CC, которое формируется внутри из V_IN, но может быть приложено и извне, должно превышать 2.25 В (типовое значение).

Пока остается невыполненным хотя бы одно из этих трех условий, микросхема остается в режиме «мягкого выключения», или в режиме ожидания, потребляя ток всего 2 мкА.

Это позволяет входному накопительному конденсатору заряжаться от очень слабого источника всегда, когда входное напряжение достаточно велико, и соблюдены три перечисленных выше условия, при которых включаются тактовые генераторы LTC3129/LTC3129-1, и напряжение V_OUT начинает стабилизироваться, поддерживаемое зарядом, накопленным в конденсаторе. Входное напряжение, при котором микросхема выходит из режима блокировки, с помощью подключенного к входу RUN внешнего резистивного делителя может быть установлено любым от 2.4 до 15 В. Низкий ток вывода RUN, в типичном случае не превышающий 1 нА, позволяет использовать резисторы с большим сопротивлением и минимизировать ток, потребляемый по входу V_IN.

В схеме на Рисунке 1 запасенная в C_IN энергия начинает использоваться для стабилизации выходного напряжения сразу после включения преобразователя. Если средняя мощность, забираемая от выхода V_OUT, меньше мощности, получаемой от солнечного элемента, LTC3129/LTC3129-1 остаются в пульсирующем режиме, и стабилизация V_OUT не прерывается.

Если потребность в средней выходной мощности превышает возможности входного источника, напряжение V_IN падает до уровня блокировки, и контроллер выключается. С этого момента C_IN начинает перезаряжаться, и цикл включения повторяется. В таком прерывистом режиме работы V_IN с некоторым гистерезисом изменяется вокруг точки блокировки. Размах обусловленных этими изменениями пульсаций в нашем примере составляет примерно 290 мВ, и определяется встроенным гистерезисом вывода RUN, равным 100 мВ, а также параметрами делителя.

Заметим, что если установить напряжение блокировки преобразователя в точку максимальной мощности используемого фотогальванического элемента (в типичном случае, это от 70% до 80% напряжения холостого хода), то мощность, отдаваемая элементом, всегда будет близка к максимальной до тех пор, пока средняя мощность, потребляемая нагрузкой, остается меньшей, чем выходная мощность солнечного элемента. В таком режиме напряжение V_IN поднимается и остается выше напряжения блокировки.

Для дополнительной оптимизации эффективности и исключения нежелательной нагрузки на выход LTC3129/LTC3129-1 перестают пропускать какой-либо ток через V_OUT во время мягкого старта или при выборе пульсирующего режима. Это защищает преобразователь от разряда V_OUT в течение процедуры мягкого запуска, тем самым, сохраняя заряд на выходном конденсаторе. Фактически, если LTC3129 находится в спящем режиме, ток вывода V_OUT отсутствует полностью. В случае микросхемы LTC3129-1 ток через V_OUT составляет доли микроампера, что объясняется наличием внутреннего высокоомного делителя напряжения обратной связи.

Добавление резервной батареи

Во многих приложениях, получающих питание от солнечного света, используются резервные батареи, снабжающие схему энергией при недостатке освещения. На Рисунке 2 показано, каким образом можно организовать резервное питание в предыдущей схеме преобразователя (Рисунок 1), добавив в нее дисковые литиевые батарейки и несколько внешних компонентов, которые будут использоваться, когда энергии, получаемой от фотогальванического элемента, не хватает для поддержания заданного уровня выходного напряжения V_OUT. В схеме использована микросхема LTC3129, позволяющая установить V_OUT равным 3.2 В для лучшего соответствия напряжению литиевой батарейки.

Рисунок 2.	Преобразователь солнечной энергии с резервной батареей.

В этом примере батарея включена со стороны выхода преобразователя, а установленное напряжение V_OUT микросхемы LTC3129 немного превышает напряжение батареи. Этим гарантируется отсутствие тока через батарею, когда V_OUT получает энергию от входа солнечного элемента. Если света для питания нагрузки недостаточно, и V_OUT начинает падать, внутренний транзистор, подключенный к выходу PGOOD, открывается, переключая питание нагрузки с выхода преобразователя LTC3129 на батарею. В результате напряжение V_OUT становится равным напряжению батареи. В это время входные и выходные конденсаторы преобразователя имеют возможность заряжаться (при наличии хотя бы минимального освещения), позволяя нагрузке, в соответствии с сигналом PGOOD, периодически переключаться между батареей и преобразователем. Таким образом, нагрузка получает питание от солнечного света в течение максимально возможного времени, а батарея используется только для ее периодической подпитки.

Диод, включенный между выводами PGOOD и V_CC, необходим для того, чтобы удерживать низкий уровень PGOOD во время включения преобразователя, до момента полного установления напряжения V_CC.

Куда же лучше подключать резервную батарею?

В предыдущем примере резервная батарея была подключена к выходу. Для приложений с небольшими токами потребления этот способ имеет преимущества, позволяя использовать батарею меньшей емкости и с большим внутренним сопротивлением, благодаря тому, что относительно большие броски входного тока преобразователя при включении, сопровождающиеся значительным проседанием напряжения батареи и дополнительными потерями на ней мощности, батарею непосредственно не затрагивают.

Недостатками подключения резервной батареи к выходу преобразователя являются требование хорошего согласования напряжения батареи с выходным напряжением преобразователя и необходимость в достаточно плоской характеристике разряда, позволяющей поддерживать достаточный уровень стабилизации V_OUT. Обоим этим требованиям вполне отвечает 3-вольтовая литиевая батарейка.

Подключение резервной батареи со стороны входа преобразователя дает возможность работать с входным напряжением, отличающимся от требуемого выходного напряжения, однако при этом батарея должна быть в состоянии отдавать бóльшие токи, необходимые преобразователю во время включения или при переходных процессах в нагрузке. Для использования на входной стороне лучше всего подходят литий-тионилхлоридные батареи (Li/SOCl₂), отличающиеся большим сроком службы. Батарею можно подключить к входу вместе с солнечной батареей через диодную схему «ИЛИ», или же коммутировать с помощью MOSFET ключей, подобно тому, как это сделано в схеме на Рисунке 2.

Преобразователь 5 В незаметно для потребителя переключается на питание от различных входных источников

Способность LTC3129-1 при минимальном количестве внешних компонентов с высоким КПД работать в широком диапазоне нагрузок и входных напряжений иллюстрируется Рисунком 3. В этом примере для формирования выходного напряжения, с помощью выводов VS1-VS3 запрограммированного на уровне 5 В, могут использоваться вход USB, разнообразные батареи или сетевые адаптеры с выходным напряжением от 3 до 15 В. Возможность гибкого и незаметного для потребителя переключения между различными источниками питания очень полезна для оборудования, эксплуатируемого в полевых условиях, например, для военных радиостанций.

Рисунок 3.	Многовходовый преобразователь с выходным напряжением 5 В.

Ничтожный ток потребления LTC3129-1, в спящем режиме не превышающий 1.3 мкА, в сочетании с высоким сопротивлением резисторов внутреннего делителя напряжения обратной связи позволяет сохранять высокий КПД в широком диапазоне токов нагрузки (Рисунок 4). При выходном токе всего 100 мкА КПД схемы равен примерно 80% практически при любом допустимом входном напряжении V_IN. Это свойство исключительно важно для продления ресурса батарей в приложениях, значительную часть времени работающих в режиме низкого потребления.

Рисунок 4.	Зависимость КПД от входного напряжения VIN и нагрузки для преобразователя 5 В, изображенного на Рисунке 3.

На Рисунке 5 показана реакция схемы на скачок входного напряжения V_IN от 5 В до 12 В для случаев большой и облегченной нагрузки. При нагрузке 200 мА схема работает в режиме ШИМ, и выброс V_OUT составляет всего лишь 150 мВ (3%). При выходном токе 10 мА микросхема переходит в пульсирующий режим с амплитудой пульсаций 100 мВ пик-пик (2%) и выбросом менее 100 мВ.

Рисунок 5.	Реакция на скачок входного напряжения преобразователя 5 В, изображенного на Рисунке 3.

Вывод V_CC является выходом LDO стабилизатора с номинальным напряжением 3.9 В, от которого питается микросхема. Конструкция стабилизатора позволяет с помощью внешнего источника поменять напряжение на этом выводе на 5 В. В приведенном примере между выводами V_OUT и V_CC включен необязательный бутстрепный диод.

Добавление этого внешнего бутстрепного диода дает два преимущества. Во-первых, диод повышает КПД в случаях, когда входное напряжение V_IN мало, а ток нагрузки велик. Диод поднимает управляющее напряжение затвора внутреннего ключа, снижая, тем самым, его сопротивление R_DS(ON). А в случаях облегченной нагрузки и высокого входного напряжения он увеличивает КПД, сокращая потери мощности на внутреннем LDO. (Заметим, что напряжение на выводе V_CC не должно превышать 6 В, поэтому подключать его к более высоким напряжениям через диод нельзя).

Второе преимущество заключается в том, что добавление бутстрепного диода позволяет работать при более низких входных напряжениях. Если преобразователь включается при напряжении V_CC, которое удерживается на уровне, превышающем минимальный порог 2.2 В, он сможет работать при более низком V_IN, вплоть до 1.75 В, когда сработает защита от пониженного входного напряжения. Это расширяет диапазон допустимых входных напряжений и позволяет схеме запускаться даже от двух истощенных щелочных батареек. Обратите внимание, что если напряжение батареи опустилось ниже 2.4 В, а преобразователь выключен (или выход V_OUT закорочен), то перезапуститься микросхема не сможет.

Уличный солнечный преобразователь с MPPC

LTC3129 и LTC3129-1 содержат схему слежения за точкой максимальной мощности (MPPC), позволяющую преобразователю под нагрузкой автоматически поддерживать установленный пользователем минимальный уровень V_IN. Управление напряжением V_IN обеспечивает оптимальные условия передачи энергии в приложениях, использующих более сильноточные фотогальванические элементы или иные источники питания с большим внутренним сопротивлением. Эта функция не позволяет преобразователю «проваливать» входное напряжение при работе от маломощного источника тока.

Цепь управления MPPC уменьшает контролируемый преобразователем средний ток через индуктивность, поддерживая таким образом минимальное заданное входное напряжение при нагруженном выходе. Это напряжение устанавливается внешним резистивным делителем, подключенным к выводам V_IN и MPPC, как показано в примере устройства заряда ионистора на Рисунке 6. Петля управления MPPC сконструирована так, чтобы сохранять устойчивость при минимальной входной емкости 22 мкФ.

Рисунок 6.	Зарядное устройство для ионистора со слежением за точкой максимальной мощности, питающееся внешним солнечным светом.

Заметим, что уменьшение тока индуктивности, обусловленное работой цепи MPPC, при стандартной нагрузке приведет к падению выходного напряжения. Поэтому в большинстве приложений с MPPC солнечная батарея используется для заряда большого накопительного конденсатора (или для капельного подзаряда аккумулятора). MPPC гарантирует, что конденсатор или аккумулятор будут заряжаться максимально возможным током при работе солнечного элемента в точке максимальной мощности.

Важно отметить, что когда LTC3129/LTC3129-1 работают в режиме управления MPPC, пульсирующий режим запрещен, и ток, потребляемый входом V_IN, составляет несколько миллиампер из-за того, что микросхема непрерывно переключается с частотой 1.2 МГц. По этой причине режим MPPC не может использоваться с источниками, не способными отдавать минимальный ток порядка 10 мА. Если приложению требуется функция, подобная MPPC, а входной источник очень слаб, необходимо с помощью вывода RUN точно запрограммировать порог UVLO, как этот описано в примере, иллюстрированном Рисунком 1.

Использование MPPC в искробезопасных электрических цепях

Функция MPPC может использоваться и в других приложениях, включая сконструированные с учетом требований искробезопасности устройства, на входах питания которых включены последовательные ограничительные резисторы, отделяющие DC/DC преобразователь от входного источника. В этом случае петля управления MPPC не позволяет LTC3129/LTC3129-1 забирать слишком большой ток, особенно при включении, когда выходной конденсатор еще разряжен, и входное напряжение может упасть до недопустимого уровня. Вариант такого решения показан на Рисунке 7, где входное напряжение поддерживается на минимальном уровне 3 В, заданном сопротивлениями делителя MPPC.

Рисунок 7.	Преобразователь 3.3 В для искробезопасных приложений, использующий MPPC.

В данном примере требования безопасности ограничивают входную емкость величиной всего 10 мкФ, что меньше 22 мкФ, рекомендованных при использовании режима MPPC, поэтому для увеличения запаса по фазе петли MPPC в схему добавлена дополнительная RC цепь компенсации.

Ограничение входного тока с помощью MPPC

Заметим, что функция MPPC может использоваться для установки требуемого уровня ограничения входного тока. Если подобрать сопротивление входного последовательного резистора и установить напряжение MPPC ниже фиксированного входного напряжения, максимальный входной ток I_IN будет ограничен величиной

 

где

V_SOURCE – напряжение источника питания,
V_MPCC – напряжение MPPC,
R_SERIES – сопротивление последовательного резистора.

Заключение

Монолитные повышающе-понижающие DC/DC преобразователи LTC3129 и LTC3129-1 отличаются исключительной энергоэффективностью и гибкостью, необходимыми современным беспроводным датчикам и портативным электронным устройствам. Ультранизкий ток потребления 1.3 мкА и высокий КПД преобразования могут намного увеличить срок службы батарей при совместном использовании с устройствами сбора энергии.

Возможность выбора различных схем слежения за точкой максимальной мощности позволяет оптимизировать энергетические характеристики для широкого диапазона источников питания. Расширение масштабов использования средств дистанционного беспроводного мониторинга требует создания простых в использовании, эффективных и многофункциональных DC/DC преобразователей энергии. LTC3129 и LTC3129-1 отвечают всем этим критериям.