Компактный сдвоенный 6-амперный понижающий преобразователь с высоким КПД

Linear Technology LTC3636

Zhongming Ye, Analog Devices

Design Note

Чтобы удовлетворить растущие потребности в энергии современных СнК и ПЛИС, применяемых во всех отраслях, разработчикам систем приходится искать все более компактные и эффективные решения для блоков питания. Площадь, занимаемая источниками питания, имеет критическое значение для современных электронных систем, поскольку источники размещаются в непосредственной близости от СнК или таких периферийных устройств, как DRAM или устройства ввода/вывода. В портативном оборудовании, таком как ручные сканеры штрих-кодов или медицинские системы регистрации данных, предъявляются еще более строгие требования к объему.

Проблема, с которой сталкиваются разработчики, не сводится лишь к поиску регулятора, который можно разместить в ограниченном пространстве. Требования компактности решения часто приходят в противоречие с другими требованиям современной электроники: надежности конструкции, высокого КПД, больших коэффициентов преобразования, высокой мощности и хороших тепловых характеристик. Многие из этих требований заставляют искать компромиссы в других областях, что ставит перед разработчиком сложную и трудоемкую задачу оптимизации. Облегчить задачу разработчиков призвана микросхема сдвоенного 6-амперного регулятора LTC3636, потребляющего очень низкий ток в режиме ожидания, обеспечивающего высокий КПД как при полной, так и при легкой нагрузке, и работающего на частотах до 4 МГц.

Компактное решение с частотой переключения 4 МГц

Практически универсальная истина заключается в том, что пространства приложения, отведенного для источников питания, почти всегда бывает едва достаточно. Размеры и плотность мощности понижающих DC/DC преобразователей энергии обычно ограничены громоздкими магнитными компонентами, входными и выходными конденсаторами, габаритами фильтра электромагнитных помех и/или радиатором. В понижающих преобразователях энергии требования размеров и КПД часто противоречат друг другу: размеры дросселя и выходного конденсатора могут быть значительно уменьшены за счет увеличения частоты переключения, но работа на высокой частоте приводит к увеличению коммутационных потерь в дросселе и транзисторах. Это усложняет управление тепловыми режимами в ограниченном пространстве.

Сдвоенный высокоэффективный монолитный понижающий регулятор LTC3636 с выходными токами 6 А на канал способен работать при входных напряжениях до 20 В. Программируемая частота переключения может достигать 4 МГц. Высокая частота переключения существенно снижает размеры дросселя и конденсатора, но, в отличие от многих высокочастотных решений, LTC3636 при этом сохраняет высокие значения КПД. С микросхемой могут использоваться некоторые миниатюрные ферритовые дроссели с меньшими потерями на переменном и постоянном токе. Два канала тактируются противофазно с чередованием импульсов переключения, что подавляет пульсации и, в свою очередь, позволяет уменьшить емкость входного конденсатора.

Компактное решение на основе сдвоенного понижающего преобразователя с рабочей частотой 4 МГц.
Рисунок 1. Компактное решение на основе сдвоенного понижающего преобразователя с рабочей
частотой 4 МГц.

Сдвоенный понижающий преобразователь на Рисунке 1 работает на частоте 4 МГц с очень маленькими дросселями и конденсаторами. КПД и тепловые характеристики микросхемы иллюстрируются Рисунком 2. Термограмма показывает, что температура перегрева преобразователя входного напряжения 5 В при комнатной температуре и естественной конвекции составляет менее 40 °C.

Зависимость КПД от тока нагрузки (слева) и тепловой портрет (справа). Условия: входное напряжение 5 В, естественная конвекция.
Рисунок 2. Зависимость КПД от тока нагрузки (слева) и тепловой портрет (справа).
Условия: входное напряжение 5 В, естественная конвекция.

Высокий КПД преобразования мощности во всем диапазоне нагрузок

Высокий КПД во всем диапазоне нагрузок имеет решающее значение для портативных устройств и автомобильных приложений. Чтобы схема могла работать надежно, потери мощности при тяжелой нагрузке должны быть небольшими. Этого можно достигнуть оптимизацией конструкции схемы при большой нагрузке, сочетая надежную тепловую защиту с надежным управлением тепловым режимом там, где принудительное воздушное охлаждение или установка радиатора невозможны. Для этой цели LTC3636 имеет выход TMON, напряжение на котором пропорционально температуре кристалла микросхемы.

Высокоэффективный двухканальный понижающий регулятор.
Рисунок 3. Высокоэффективный двухканальный понижающий регулятор.

Высокий КПД при легких нагрузках также важен для систем с батарейным питанием, чтобы увеличить интервалы времени между зарядками аккумулятора. Кроме того, низкое энергопотребление в режиме останова имеет решающее значение для предотвращения разряда батарей в системах с автономным питанием. Компромисс КПД при большой или легкой нагрузке обычно ограничивает характеристики всего решения.

Зависимость КПД от тока нагрузки при выходных напряжениях 5 В и 3.3 В.
Рисунок 4. Зависимость КПД от тока нагрузки при выходных
напряжениях 5 В и 3.3 В.

Регулятор LTC3636 имеет низкий ток потребления, обеспечивающий высокий КПД при выходных напряжениях до 5 В. Для версии LT3636-1 диапазон выходных напряжений расширен до 12 В. Каждый канал понижающего регулятора работает в диапазоне входных напряжений от 3.1 В до 20 В и отдает в нагрузку ток до 6 А. На Рисунке 3 показано высокоэффективное решение, КПД которого остается высоким во всем диапазоне рабочих режимов (Рисунок 4).

Параллельная двухфазная конфигурация с выходным током до 12 А

Широкое распространение электронных систем на основе современных СнК и ПЛИС в автомобильной отрасли, на транспорте и в промышленности требует более мощных источников питания. Мощность, потребляемая этими современными СнК постоянно растет, и решения на основе традиционных ШИМ-контроллеров и MOSFET должны уступать место монолитным регуляторам, позволяющим сделать источники питания более компактными, сильноточными и эффективными. LTC3636 разработана с учетом увеличенного энергопотребления этих СнК, а также их размеров и температурных ограничений. На Рисунке 5а показана схема источника питания с двумя соединенными параллельно каналами, способными отдавать ток до 12 А при напряжении 0.85 В. Пиковый КПД при токе нагрузки 12 А и выходном напряжении 3.3 В составляет 87%. Реакция схемы на изменение нагрузки иллюстрируется Рисунком 5б. В данной конструкции выводы FB1 и FB2 соединены вместе, как и выводы RUN1 и RUN2. Выводы ITH1 и ITH2 также соединены и подключены к внешней цепи коррекции для минимизации рассогласования токов в установившемся и переходном режимах.

Схема регулятора 12 А/0.85 В на основе микросхемы LTC3636 (а) и реакция схемы на изменение нагрузки (б).
Рисунок 5. Схема регулятора 12 А/0.85 В на основе микросхемы LTC3636 (а) и реакция схемы
на изменение нагрузки (б).

Заключение

Повышение уровня интеллектуальности и автоматизации промышленного и автомобильного оборудования, увеличение в нем количества различных датчиков требует существенного улучшения характеристик источников питания. LTC3636 облегчает проектирование систем с двумя шинами питания, потребляющих очень низкие токи в режиме отключения и способных поддерживать нагрузки до 6 А на канал. LTC3636 выпускается в 28-контактном низкопрофильном корпусе QFN размером 4 мм × 5 мм со сниженным тепловым сопротивлением. Встроенная схема защиты от перегрева повышает надежность устройства. Вход установки режима позволяет пользователям выбирать между уровнем пульсаций выходного напряжения и величиной КПД при легкой нагрузке. Пульсирующий режим работы обеспечивает максимальный КПД при малых нагрузках, тогда как режим принудительной непрерывной проводимости позволяет снизить выходные пульсации.

Материалы по теме

  1. Datasheet Linear Technology LTC3636

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Dual-Channel, 6 A Buck Regulator Delivers High Efficiency Compact Solutions

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Купить LTC3636 на РадиоЛоцман.Цены
Элитан
Россия
LTC3636EUFD-1
Analog Devices
435 ₽
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя