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.
 |
||
| 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.
 |
||
| 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.
 |
||
| 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.
 |
||
| 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.
 |
||
| 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.
Купить LTC3636 на РадиоЛоцман.Цены
