Расширьте диапазон входных напряжений низковольтного понижающего импульсного регулятора

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2018

Hua (Walker) Bai, Linear Technology

EDN

Внутренние рабочие напряжения электронных устройств продолжают уменьшаться, но напряжения входных источников питания не меняются. По мере увеличения разности между входными и выходными напряжениями повышается и КПД импульсных регуляторов. К сожалению, снижение выходного напряжения импульсного понижающего преобразователя приводит к ограничению диапазона входных напряжений схемы. В этой статье показано, как расширить диапазон входных напряжений понижающего преобразователя с низким выходным напряжением.

Рисунок 1.	Для поддержания высокого КПД при выходных напряжениях 3.3 В или выше зарядовый насос, образованный элементами D2 и C5, обеспечивает вольтодобавку, позволяющую эффективно управлять внутренним ключевым транзистором микросхемы IC1.

Понижающий импульсный регулятор напряжения, такой как LT1936 (IC₁), выпускаемый Linear Technology, содержит в верхнем плече внутренний мощный n-p-n транзистор, включенный между входом V_IN и выходом коммутационного узла SW. Для достижения максимального КПД напряжение на базе этого транзистора должно быть больше входного напряжения. Изображенная на Рисунке 1 схема лучше всего работает при выходных напряжениях больше 3 В. Зарядовый насос, состоящий из диода D₂ и конденсатора C₅, формирует на выводе Boost напряжение, на 3 В превышающее входное. Когда внутренний мощный транзистор микросхемы IC₁ выключен, напряжение на выводе SW, благодаря диоду D₁, опускается практически до уровня земли. Вольтодобавочный конденсатор C₅ через диод D₂ заряжается до 3 В от напряжения V_OUT. При включенном мощном транзисторе напряжение на выводе SW становится равным V_IN, а напряжение на выводе Boost устанавливается на уровне V_IN + 3 В, чем обеспечивается эффективный запас для удержания транзистора в насыщении.

Рисунок 2.	Для выходных напряжений ниже 1.8 В эффективность работы при низких входных напряжениях обеспечивается подключением к выводу Boost микросхемы LDO регулятора IC2, расширяющей диапазон входных напряжений схемы.

Однако выходных напряжений ниже 2.8 В теперь недостаточно для поддержания режима полного насыщения ключевого транзистора микросхемы IC₁, и КПД схемы ухудшается из-за большего падения напряжения на транзисторе. В этой ситуации подключение анода D₂ к V_IN вместо V_OUT увеличивает напряжение на выводе Boost до удвоенного значения V_IN, но вынуждает ограничить V_IN до 20 В, чтобы не превысить максимального допустимого напряжения на выводе Boost. При выходных напряжениях, меньших 2.8 В, схема на Рисунке 2 позволяет увеличить максимальное напряжение на входе V_IN до 36 В. Когда входное напряжение превышает 5.3 В, LDO регулятор LT3010-5 поддерживает на конденсаторе C₉ напряжение 5 В. В результате при входных напряжениях на выводе V_IN от 5.3 В до 36 В напряжение на выводе Boost всегда остается на 5 В выше V_IN.

Рисунок 3.	При максимальном входном напряжении 36 В запас по напряжению на выводах SW и Boost, обусловленный вольтодобавкой, составляет 5 В.

На Рисунке 3 показаны осциллограммы входного напряжения 36 В и результирующих напряжений на выводах SW и Boost. Максимальное напряжение на выводе Boost (Рисунок 3) достигает 41 В, оставляя безопасный запас относительно максимально допустимых 43 В. При входных напряжениях от 3.6 В до 5.3 В на микросхеме IC₂, работающей в режиме LDO, падает всего 300 мВ. Из Рисунка 4 видно, что даже при минимальном входном напряжении схемы 3.6 В напряжение на выводе Boost остается на 3.3 В выше V_IN, и внутренний n-p-n транзистор микросхемы IC₁ работает в режиме насыщения.

Рисунок 4.	При входном напряжении 3.6 В и выходном напряжении 1.8 напряжение 3.3 В на выводе Boost микросхемы IC1 гарантирует, что внутренний ключ будет по-прежнему работать в режиме насыщения.

Материалы по теме