К. Староверов
Новости Электроники 4, 2008
В статье пойдет речь о понижающих DC/DC-преобразователях со встроенным коммутатором, как наиболее широко использующихся в устройствах промышленной автоматики для стабилизации напряжения питания. Широкий ассортимент таких интегральных схем выпускает компания Texas Instruments (TI). Подчеркнуты преимущества изделий TI над конкурирующими изделиями.
Преобразователь DC/DC - со встроенным ключом представляет собой интегральную схему (ИС), в которую входит ШИМ-контроллер, контур стабилизации напряжения, драйвер транзисторного ключа и собственно транзисторный ключ (обычно полевой МОП-транзистор). Кроме того, у такой ИС могут поддерживаться такие возможности, как дистанционное включение/отключение, сигнализация выхода выходного напряжения из режима стабилизации (выход «POWER GOOD») и др.
Понижающие DC/DC-преобразователи, которые могут использоваться для локализованной к нагрузке стабилизации напряжения (Point of Load) компания TI выделила в отдельное семейство SWIFTTM. Проектирование на основе таких стабилизаторов существенно облегчается за счет использования бесплатного ПО SWIFT Designer.
Далее DC/DC-преобразователи будут рассмотрены в контексте их возможных применений в устройствах промышленной автоматики.
Понижающие DC/DC-преобразователи с широким диапазоном входного напряжения
Стабилизация изменяющегося в широких пределах напряжения является одной из самых распространенных задач, с которой сталкиваются разработчики устройств промышленной автоматики. Действительно, в таких применениях обычно доступно либо переменное напряжение 18/24/36 В, либо постоянное 5/12 В - 24/48 В, в т.ч. напряжения батарейных источников питания. Понижение этих напряжений с помощью линейных стабилизаторов, которым свойственна максимальная простота схемы включения и низкая стоимость, ограничено токами нагрузками до 100 мА или связано с необходимостью использования громоздкого и дорогостоящего теплоотвода. Таким образом, при более высоких токах нагрузки применение импульсных стабилизаторов является более оправданным.
Ассортимент преобразователей с широким входным диапазоном представлен в табл. 1 (новинки выделены красным цветом).
Таблица 1. Понижающие DC/DC-преобразователи с широким диапазоном входного напряжения
| Наименование |
Входное напряжение, В |
Выходное напряжение, В |
Макс. ток нагрузки, А | Fпр., кГц | Корпус |
|---|---|---|---|---|---|
| TL2575/HV-xx | 4,75...40 (60) |
3,3/5/12/15 1,23...37 (57) |
1 | 52 | 5/TO-263 |
| TPS5410 | 5,5...36 | 1,23...31 | 1 | 500 | 8/SOIC |
| TPS5420 | 5,5...36 | 1,23...31 | 2 | 500 | 8/SOIC |
| TPS5430 | 5,5...36 | 1,23...31 | 3 | 500 | 8/SOIC |
| TPS5450 | 5,5...36 | 1,22...31 | 5 | 500 | 8/SOIC |
| TPS5435x | 4,5 (6,3)...20 |
1,2/1,5/1,8/2,5/3,3/(5) 0,9...12,36 |
3 | 700 | 16/HTSSOP |
|
TPS54283/6 TPS54383/6 |
4,5...28 | 2 x 0,8...25,2 |
2 + 2 3 + 3 |
300/600 | 14/HTSSOP |
| TPS54550 | 4,5...20 | 0,9...12 | 6 | 700 | 16/HTSSOP |
| TPS6211x | 3,1...17 |
3,3/5 1,2...16 |
1,5 | 1000 | 16/QFN |
| Наименование | Сравнение с конкурирующими решениями | ||
|---|---|---|---|
| Наименование | Производитель | Преимущества TI | |
| TL2575/HV-xx | LM2575/H | NSC | Совместимая по расположению выводов замена |
| TPS5410 | LM2675 | NSC | Повышенная частота преобразования (500 кГц) |
| L5970D | ST | Повышенная частота преобразования (500 кГц), пониженное собственное потребление | |
| MIC4690 | Micrel | Повышенный КПД (до 92%), более высокое макс. входное напряжение | |
| TPS5420 | L5973D | ST | Повышенная частота преобразования (500 кГц), пониженное собственное потребление |
| LM25005 | NSC | Повышенный КПД (до 93%), более низкое входное напряжение | |
| TPS5430 | LM2676 | NSC | Повышенная частота преобразования (500 кГц), улучшенные тепловые характеристики |
| LM2696 | NSC | Повышенная частота преобразования (500 кГц), улучшенные тепловые характеристики | |
| MIC4576 | Micrel | Повышенная частота преобразования (500 кГц), улучшенный КПД (до 93%) | |
| TPS5450 | - | - | - |
| TPS5435x | LT1765 | LTC | Повышенный КПД (до 92%), улучшенный разброс (1%) |
|
TPS54283/6 TPS54383/6 |
- | - | - |
| TPS54550 | LM2677 | NSC | Повышенная частота преобразования (700 кГц), более компактный корпус |
| LM2678 | NSC | Повышенная частота преобразования (700 кГц), улучшенный КПД (>90%), более компактный корпус | |
| TPS6211x | LM2734 | NSC | Повышенный КПД (до 95%), пониж. собственное потребление, экономичный режим работы |
| MIC2179 | Micrel | Повышенная частота преобразования (1 МГц), более компактный корпус, экономичный режим работы | |
Там же приведена информация о ближайших аналогах и преимуществах предложения TI. Информация по, вероятно, наиболее привлекательному для разработчиков семейству стабилизаторов TPS54х0, который при размещении в миниатюрном 8-выводном корпусе SOIC характеризуется верхней границей входного диапазона 36 В и большим выходным током 1...5 А, уже публиковалась на страницах журнала [1], поэтому здесь более подробно остановимся на следующем (по верхней границе входного диапазона) преобразователе, а точнее семействе двухканальных преобразователей TPS54x83/6. Благодаря широкому входному диапазону и возможности регулировки выходного напряжения от 0,8 В, данные стабилизаторы могут использоваться в различных применениях, например:
- преобразование напряжения 24 В в 12 В для питания устройств сопряжения и 5 В для питания микроконтроллера;
- преобразование напряжения 12 В в 5 В и 3,3 В в микропроцессорных системах со смешанным питанием;
- преобразование напряжения 5 В в 3,3 В и 1,2 В в цифровых системах с раздельным питанием логического ядра и интерфейсов ввода-вывода.
Подробные принципиальные электрические схемы для каждого из этих применений приводятся в документации [2], здесь же ограничимся упрощенной схемой включения (рис. 1).
Рис. 1. Укрупненная схема включения двухканальных DC/DC-преобразователей TPS54x8x
Благодаря внутренней установке частоты преобразования (Fпр), параметров плавного запуска и интегрированию схемы компенсации контура стабилизации напряжения, преобразователь достаточно прост в применении и требует минимально необходимое число внешних компонентов. Кроме того, преобразование на достаточной большой частоте (300/600 кГц) позволит даже при работе с максимальным перепадом напряжения использовать дроссели индуктивностью менее 50 мкГн, что существенно удешевит 2...3-амперные каскады электропитания. Оба канала оснащены защитой от токовой перегрузки, причем порог ее срабатывания в первом канале фиксированный (3 А и 4,5 А у 2- и 3-амперных версий, соответственно), а во втором - задается через вывод ILIM2: соответственно, 4,5 А и 1,5 А (ILIM2 соединен с BP), 3 А (ILIM2 оставлен неподключенным) и 1,5 А (ILIM2 соединен с GND). Особую гибкость данному преобразователю придает раздельное расположение входов питания каждого канала. Это делает возможным питать каждый канал разными напряжениями или организовать каскадное питание, когда выход одного преобразователя питает вход другого. Однако при этом необходимо учитывать, что внутренний стабилизатор напряжения, питающий всю внутреннюю логику, в т.ч. схему блокировки при снижении напряжения (порог 4,1 В), получает питание с вывода PVDD2. Из этого вытекает требование для раздельного или каскадного питания: напряжение на входе PVDD2 должно быть выше напряжения на входе PVDD1. Также необходимо, чтобы до нарастания напряжения на PVDD1 напряжение на входе PVDD2 пресекло порог блокировки при снижении напряжения.
При построении каскада питания цифровых схем, требующих формирования напряжений питания в определенной последовательности, поможет функция программирования через вывод SEQ режимов формирования выходных напряжений: два последовательных и один раздельный или одновременный (см. табл. 2).
Таблица 2. Режимы формирования выходных напряжений
|
Подключение вывода SEQ |
Режим формирования выходных напряжений |
Вывод EN1 | Вывод EN2 |
|---|---|---|---|
| BP | Последовательный: вначале выход 2, а затем 1 | Активен только если разрешена работа 2-ого канала (через вывод EN2). | Активен |
| GND | Последовательный: вначале выход 1, а затем 2 | Активен | Активен только если разрешена работа 1-ого канала (через вывод EN1). |
| не подключен | Независимый или одновременный | Для одновременности выхода на режим стабилизации выводы EN1 и EN2 нужно соединить вместе |
При последовательном формировании напряжений задержка активизации «ведомого» канала составляет приблизительно 400 мкс относительно момента выхода в режим стабилизации «ведущего» канала. Если выбран независимый режим, и выводы EN1 и EN2 соединены вместе, то формирование напряжений будет происходить с сохранением постоянства их соотношений. Благодаря этому достигается одномоментность выхода в режим стабилизации обоих каналов.
Низковольтные DC/DC-преобразователи для понижения напряжения шин +3,3 и +5,0 В
Такие преобразователи необходимы в устройствах, где используются низковольтные микропроцессоры, ЦПОС, программируемая логика, специализированные СБИС (ASIC) и/или синхронные динамические ОЗУ, и применяется архитектура распределенного питания от шин напряжением +3,3 В или +5,0 В. TI предлагает большой ассортимент преобразователей для таких применений (табл. 3).
Таблица 3. Низковольтные понижающие DC/DC-преобразователи
|
Наимено- вание |
Входное напря- жение, В |
Выходное напряжение, В |
Макс. ток нагрузки, А |
Fпр., кГц |
Корпус | Особенности |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TPS40222 | 4,5...8 | 0,8...0,9 Vвх | 1,6 | 1250 | 6/SON | Малый 6-выв. корпус (3х3 мм) |
| TPS54010 | 2,2...4 | 0,9...2,5 | 14 | 700 | 28/HTSSOP | Встроенный синхронный выпрямитель |
| TPS54073 | 2,2...4 | 0,9...2,5 | 14 | 700 | 28/HTSSOP | Функция блокировки втекания тока во время запуска |
| TPS54110 | 3...6 | 0,9...4,5 | 1,5 | 700 | 20/HTSSOP | Встроенный синхронный выпрямитель |
| TPS5431x | 3...6 |
0,9/1,2/1,5/1,8/ 2,5/3,3 0,9...3,3 |
3 | 700 | 20/HTSSOP | Встроенный синхронный выпрямитель |
| TPS54317 | 3...6 | 0,9...3,3 | 3 | 1600 | 24/QFN | Встроенный синхронный выпрямитель |
| TPS54373 | 3...6 | 0,9...3,3 | 3 | 700 | 20/HTSSOP | Функция блокировки втекания тока во время запуска |
| TPS54377 | 3...6 | 0,9...3,3 | 3 | 1600 | 24/QFN | Функция блокировки втекания тока во время запуска |
| TPS54380 | 3...6 | 0,9...4,5 | 3 | 700 | 20/HTSSOP | Функция отслеживания напряжения |
| TPS5461х | 3...6 |
0,9/1,2/1,5/1,8/ 2,5/3,3 0,9...4,5 |
6 | 700 | 28/HTSSOP | Встроенный синхронный выпрямитель |
|
TPS54672/3 TPS54872/3 |
3...6 | 0,2/0,9...4,5 | 6 8 | 700 | 28/HTSSOP | Функция отслеживания напряжения/блокировки втекания тока во время запуска |
|
TPS54680 TPS54880 |
3...6 4...6 | 0,9...4,5 0,9...3,3 | 6 8 | 700 | 28/HTSSOP | Функция отслеживания напряжения при подаче/снятии питания |
|
TPS54810 TPS54910 |
4...6 3...4 | 0,9...3,3 0,9...2,5 | 8 9 | 700 | 28/HTSSOP | Встроенный синхронный выпрямитель, разброс 1% |
| TPS54972/3 | 3...4 | 0,2/0,9...4,5 | 9 | 700 | 28/HTSSOP | Функция отслеживания напряжения/ блокировки втекания тока во время запуска |
| TPS54974 | 2,2...2,8 | 0,9...2,0 | 9 | 700 | 28/HTSSOP | Встроенный синхронный выпрямитель, разброс 1% |
| TPS54980 | 3...4 | 0,9...2,5 | 9 | 700 | 28/HTSSOP | Функция отслеживания напряжения |
| TPS6200х | 2...5,5 |
0,9/1/1,2/1,5/1,8/ 1,9/2,5/3,3 0,9...5 |
0,6 | 1000 | 10/MSOP | КПД 95% |
|
TPS6202х TPS6204х |
2,5...6 | 3,3/0,7...6 1,5/1,6/1,8/3,3/0,7...6 | 0,6 1,2 | 1500 | 10/MSOP-PPAD, 10/SON | КПД 95%, два выборочных режима работы: экономичный при малых токах нагрузки и режим с постоянной частотой преобразования |
| TPS6205х | 2,7...10 | 1,5/1,8/3,3/0,7...6 | 0,8 | 1000 | 10/MSOP | Совместимость с большинством аккумуляторных батарей: 1...2 х Li-Ion, 3...5 х NiMH/NiCd |
| TPS6210х | 2,5...9 | 0,8...8 | 0,5 | 600...2500 | 8/SOIC | Три режима работы: автоматический, отключение, постоянная частота преобразования |
| TPS6220х | 2,5...6 | 0,7...6/1,2/1,5/1,6/ 1,8/1,875/2,5/3,3 | 0,3 | 1500 | 5/SOT-23 | КПД 95%, миниатюрный корпус |
| TPS6222х | 2,5...6 |
1,2/1,5/1,6/1,8/ 1,875/2,3 0,7...6 |
0,4 | 1850 | 5/SOT | КПД 95%, собств. потребление 15 мкА, миниатюрный корпус |
| TPS6224х | 2...6 | 0,6...6 | 0,3 | 2250 | 6/SON | Миниатюрный корпус с размерами 2х2 мм |
| TPS6226х | 2...6 | 1,2/1,8/2,5/0,6...6 | 0,6 | 2250 | 6/SON | Миниатюрный корпус с размерами 2х2 мм |
| TPS62270 | 2...6 | 0,6...6 | 0,4 | 2250 | 6/SON | Миниатюрный корпус с размерами 2х2 мм |
| TPS6229х | 2,3...6 | 1,8/3,3/0,6...6 | 1 | 2250 | 6/SON | Миниатюрный корпус с размерами 2х2 мм |
|
TPS6230х TPS6231х |
2,7...6 |
1,2/1,5/1,6/1,8/ 1,875 0,6...5,4 |
0,5 | 3000 | 10/SON, 8/DSBGA | Доступность в корпусах QFN и Chip-Scale |
| TPS6232х | 2,7...6 | 0,6...5,4/1,5 | 0,5 | 3000 | 10/SON, 8/DSBGA | Доступность в корпусах QFN и Chip-Scale |
| TPS6235х | 2,7...5,5 | 0,75...1,975 | 1 | 3000 | 12/DSBGA | Динамич. масштабирование напряжения через интерфейс I2C |
|
TPS6240х TPS62410 TPS62420 |
2,5...6 | 2 х 0,6...6 | 0,4 + 0,6 0,8 + 0,8 0,6 + 1 | 2250 | 10/SON | 2 канала в миниатюрном корпусе, 1-пров.интерфейс EasyScale |
| TPS62510 | 1,8...3,8 | 0,6...3,8 | 1,5 | 1500 | 10/SON | КПД 97%, работа от очень малого входного напряжения |
| TPS62700 | 2,7...5,5 | 1,3...3,09 | 0,65 | 2000 | 8/DSBGA | Стабилизатор для РЧ усилителей мощности |
| TPS6502х | 2,5...6 | 3 х 0,6...Vвх | 1,2 + 1 + 0,8 | 1500 | 40/QFN | 3xDC/DC-преобраз. + 3x LDO; I2C интерфейс; динамич. масштабирование напряжения; для систем с питанием от Li-Ion |
| TPS6505х | 2,5...6 | 0,6...2,5 + 0,6...2,5 3,3+1/1,3 0,6...2,5 + 1,3/1,05 | 0,6+0,6 1+0,6 | 2250 | 32/QFN | 2xDC/DC-преобраз. + 4x LDO в корпусе с размерами 4 мм х 4 мм |
В него вошли преобразователи с входным диапазоном от 1,8 до 10 В, выходным током до 14 А, частотой преобразования до 3 МГц (многие поддерживают возможность ее регулировки), со встроенным синхронным выпрямителем (заменяет внешний диод Шоттки и улучшает КПД преобразования), с поддержкой специальных возможностей для многоканальных каскадов электропитания (управление последовательностью формирования напряжений или отслеживание напряжений), с цифровым интерфейсом управления (в т.ч. для динамического масштабирования напряжения, которое необходимо для оптимизации энергопотребления некоторых микропроцессоров) и др. Многим преобразователям свойственно сочетание высокого КПД преобразования (более 90%), малого собственного потребления (менее 20 мкА) и размещения в миниатюрных корпусах с улучшенным рассеиванием тепла. Такие особенности преобразователей позволяют использовать их для понижения напряжений литиево-ионных аккумуляторов и 3...5-элементных никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторных батарей. Однако для таких применений необходимо отдавать предпочтение преобразователям, поддерживающих 100%-ое заполнение импульсов, когда встроенный ключ полностью открыт. Это позволит максимально полно использовать энергию батарейного источника.
Ранее на страницах журнала [3] уже публиковалась информация по некоторым из представленных в табл. 3 преобразователям, в т.ч. TPS6220x, TPS623хх и TPS6240x, поэтому, здесь в качестве дополнения этой информации приводится пример построения стабилизатора напряжения 1,8 В, питаемый от шины 3,3 В (рис. 2).
Рис. 2. Пример высоконадежного стабилизатора напряжения 1.8 В, питаемого от шины 3.3 В
Этот стабилизатор обеспечит надежность электропитания потребителей и длительный срок безотказной работы всей системы благодаря таким функциям, как блокировка формирования выходного напряжения до установления входного напряжения к номинальному уровню; плавный старт, ограничивающий пусковые токи и блокировка втекающего тока во время запуска, обеспечивающей возможность запуска с предварительно смещенной нагрузкой.
Понижающие DC/DC-преобразователи для питания микроконтроллеров MSP430
Большое число средств промышленной автоматики выполняются на основе не столь высокопроизводительных и энергоемких цифровых ИС, как перечислялись выше, а с использованием более прозаичных 8/16-битных микроконтроллеров, характеризующихся более низким энергопотреблением и не предъявляющих особых требований к управлению электропитанием, как, например, динамическое масштабирование напряжения или формирование напряжений в заданной последовательности. Однако построение высоконадежного, компактного и эффективного стабилизатора здесь также остается актуальным. Среди представленных в табл. 3 преобразователей TI выделяет несколько семейств (рис. 3), которые рекомендуется использовать для питания их 16-битных микроконтроллеров из семейства MSP430 [4].
Рис. 3. Понижающие DC/DC-преобразователи для питания микроконтроллеров MSP430
Если учесть, что принципы питания микроконтроллеров разных производителей, в т.ч. 8- и 32-битных, принципиально не различаются, то эти преобразователи могут с таким же успехом применяться и для питания других популярных микроконтроллеров.
Таким образом, компания Texas Instruments выпускает обширный ассортимент интегральных схем понижающих DC/DC-преобразователей, позволяющих решить широкий круг задач, связанных с реализацией высоконадежных каскадов электропитания устройств промышленной автоматики, охватывая диапазон входных напряжений до 60 В и токов нагрузки до 14 А. Преобразователи характеризуются простотой применения, малыми размерами конечного решения и высоким КПД преобразования. По отношению к конкурирующим решениям преобразователям TI свойственна более высокая частота преобразования, что позволит сократить размеры и снизить стоимость конечного решения. Ряд преобразователей поддерживается бесплатным программным обеспечением для синтеза и анализа схем импульсных источников питания, что еще больше упрощает проектирование и снижает риск принятия неправильных решений еще на начальных фазах проектирования.
