С момента появления этой идеи в начале 90-х годов термин и продукт Simple Switcher^® изменили рынок низковольтных импульсных преобразователей постоянного напряжения. В то время преобразование постоянного напряжения на низких токах выполнялось с использованием непрерывных стабилизаторов. Стабилизаторы Simple Switcher дали возможность инженерам, имеющим малый опыт разработки импульсных источников питания, самостоятельно создавать свои собственные источники. Невероятный успех ранее выпущенных изделий и выпуск нового поколения этого семейства сегодня заставляет вспомнить первые импульсные стабилизаторы, основанные на данном принципе.

Компания National Semiconductor представила первое семейство Simple Switсher примерно 16 лет назад. Схемы были созданы таким образом, что от потенциальных потребителей не требовался большой опыт разработки источников питания. Технические описания содержали простое, расписанное по шагам, руководство, позволяющее выбрать критичные внешние компоненты. Приводились не только номинальные значения компонентов, но из списков, представленных в спецификациях, можно было выбрать точные обозначения этих приборов. Выбор силового транзистора заменялся выбором стабилизатора Simple Switcher с требуемым выходным током. Так как силовой транзистор был включен в микросхему, то процесс выбора был значительно упрощен.Сами микросхемы Simple Switcher имели лишь небольшое количество выводов и требовалось несколько внешних компонентов, о которых должен был позаботиться разработчик источника питания. Благодаря наличию в микросхеме цепей компенсации (контура обратной связи) основная задача, возникавшая в то время в процессе разработки источников питания, была вынесена за скобки. Потребителю давался диапазон рабочих значений внешних компонентов, а внутренняя цепь компенсации микросхемы была настроена так, чтобы законченное устройство оставалось стабильным. При таком подходе нет необходимости анализировать схему в случае ее самовозбуждения из-за возможных ошибок разработчиков.

Рис. 1. Первый стабилизатор Simple Switcher середины 90-х годов  

В довершение всего, каждый отладочный комплект для стабилизаторов Simple Switcher поставлялся с компьютерным диском, содержащим «SMS», что в начале 90-х означало не «Служба коротких сообщений», как в наши дни - в мобильных телефонах, а «Импульсные стабилизаторы - это просто» (Switchers Made Simple). Данное программное обеспечение являлось предшественником средства моделирования Webench® компании National Semiconductor. Программное обеспечение Switchers Made Simple, так же как и Webench, до сих пор доступное для загрузки с интернет-сайта компании National, позволяет потребителю моделировать схему импульсного источника питания. Применение данного программного средства позволяет разработчикам упростить выбор внешних компонентов для своей схемы и оптимизировать ее для окончательного применения. Таким образом, возможна экономия времени и средств по сравнению с исследованием макета в лаборатории.

Первые образцы семейства Simple Switcher, выпущенные в 1990 году, состояли всего из нескольких типов микросхем. Как для понижающих, так и для повышающих преобразователей были разработаны версии с различным выходным током и различным фиксированным выходным напряжением. Частота переключения была установлена равной 52 кГц и хорошо подходила для рынка устройств 16 лет назад. Данное семейство было разработано с широким диапазоном входного напряжения на основе технологии биполярных транзисторов, которая позволяет получить диапазон входных напряжений от 4,5 В до 40 В, а для специальных высоковольтных приборов (HV) - до 60 В.

Вскоре после этого, для уменьшения значений индуктивности и емкости в схемах, частота переключения была повышена до 150 кГц. Это помогло сэкономить площадь печатной платы и снизить стоимость элементов. Третьим поколением изделий этого семейства была серия импульсных стабилизаторов с частотой 260 кГц, снова со множеством версий на фиксированные выходные напряжения и с различными вариантами выходного тока. По сравнению с первыми преобразователями с частотой 50 кГц, эти приборы обладали новыми характеристиками. При необходимости можно было выбрать вариант с плавным пуском или синхронизацией частоты. Это семейство приборов обозначалось как LM267X, где X - место для числа от 0 до 9, которое обозначает различные базовые версии. Эти микросхемы были первыми стабилизаторами Simple Switchers, использовавшими встроенный силовой ключ на МОП-транзисторе, в отличии от ранее применявшихся ключей на биполярных транзисторах. В основном данное изменение было сделано для повышения эффективности по сравнению с предшествующими представителями этого семейства, особенно для высоких частот переключения. Использование МОП-технологии с проходным полевым транзистором с N-каналом требует большего напряжения на затворе, чем на стоке. Так как в обычном понижающем импульсном стабилизаторе сток силового ключа подключен к источнику входного напряжения Vin, то в системе существует возможность получения напряжения, необходимого для открывания затвора. Это стало возможным благодаря использованию в стабилизаторах Simple Switchers бутстрепного конденсатора Cboot, который представляет собой небольшую емкость, подключенную между ключом и соответствующим выводом Cboot. Подобный «зарядовый насос» обеспечивает преобразователь достаточным напряжением для полного включения встроенного N-канального полевого транзистора.

Такие изменения структуры определили минимальное время выключения, во время которого конденсатор Cboot должен быть перезаряжен в конце каждого цикла, Это время ограничивает близость входного напряжения к выходному напряжению без потери стабилизации. В результате этих изменений была также повышена эффективность стабилизатора до 96%. Очень короткая длительность переходных процессов, всего около 20 нс, значительно снизила потери на переключение. У прежних микросхем длительность переходного процесса составляла 70 нс и более.

В наше время компания National Semiconductor представила новое поколение стабилизаторов Simple Switcher с учетом достижений предыдущих поколений. Как и прежде, микросхемы изготавливаются по высоковольтной технологии с силовым ключом на N-канальном полевом транзисторе. Это позволяет получить диапазон входного напряжения от 6 В до 75 В. Частота переключения современных приборов стала настраиваемой для каждой микросхемы семейства. Частоты переключения достигают 1 МГц. Это делает процесс проектирования более гибким и позволяет применять миниатюрные элементы. Хотя новые схемы по прежнему просты в использовании, разработчик получает больше возможностей при оптимизации габаритов печатной платы (при высокой частоте переключения) или оптимизации эффективности (при низкой частоте переключения).

Рис. 2. Отладочная плата для современного стабилизатора Simple Switcher 

Рис. 3. Схема включения стабилизатора Simple Switcher 

С развитием технологии изготовления корпусов, на смену сравнительно большим корпусам TO-263 пришли корпуса TSSOP с низким тепловым сопротивлением и открытой подложкой. Такой корпус сочетает в себе относительно низкое тепловое сопротивление и большее количество выводов по сравнению со старыми конструкциями. Дополнительные выводы позволяют одновременно использовать многие функции: регулируемый плавный пуск, внешнюю регулировку частоты переключения, наличие вывода синхронизации частоты переключения одной микросхемы от другой, а также вывод выключения. Учитывая такую гибкость, можно назвать микросхемы Simple Switcher «усовершенствованным простым переключателем». Однако, несмотря на то, что функциональность значительно выросла, процесс разработки для пользователя остается простым настолько, насколько это возможно, так же как работа с исходным стабилизатором Simple Switcher. Для достижения этой цели взамен была предложена развитая поддержка разработки, позволяющая проводить бесплатное моделирование в сети Интернет с помощью программного обеспечения Webench.

Рис. 4. Программа Webench обеспечивает разработку устройств большой мощности жизненно важной информацией  

Средство Webench обеспечивает возможность проведения электрического и теплового моделирования. Тепловое моделирование может быть исключительно ценным для разработчиков устройств повышенной мощности. Для того, чтобы помочь инженерам быстро решить, какой внешний компонент выбрать, существуют специальные пошаговые руководства в рекомендациях по применению.   

Говоря о новых стабилизаторах Simple Switcher, необходимо отметить очень интересную примененную структуру управления. До недавнего времени большинство устройств Simple Switcher являлось стабилизаторами с режимом регулировки по напряжению. Эта структура основана на сравнении напряжения ошибки с встроенным пилообразным сигналом. Стабилизаторы, предназначенные для применения в повышающих и обратноходовых преобразователях, используют режим управления по току. В данном случае сигнал с выхода усилителя ошибки сравнивается с сигналом, пропорциональным действующему току через дроссель.

В новых микросхемах Simple Switcher использован интересный принцип петли регулирования, названный «Эмулированный режим регулировки по току». Функционирование в данном режиме очень похоже на обычный режим регулирования по току, но при этом устраняет некоторые недостатки последнего.

В целом, режим регулирования по пиковому току имеет три основных преимущества над режимом регулирования по напряжению:

1. В режиме регулирования по пиковому току автоматически отслеживается изменение входного напряжения в первичной цепи. Другими словами, когда входное напряжение изменяется, обратная связь определяет это непосредственно по изменению тока дросселя. Стабилизатор в режиме регулирования по напряжению без прямой связи должен будет ждать, пока выходное напряжение не вырастет (в связи с ростом входного напряжения) и только тогда сможет противодействовать этому, адаптируя коэффициент заполнения к новому входному напряжению. В токовом режиме регулирования подобные изменения выходного напряжения, связанные с изменением входного, сведены к минимуму.

2. Стабилизаторы с пиковым токовым режимом осуществляют непосредственное ограничение тока в каждом цикле. Когда пиковый ток дросселя превысит определенный порог, ключ мгновенно выключается. Для ограничения пиковых токов в стабилизаторах с регулировкой по напряжению необходима отдельная схема контроля тока.

3. Компенсация петли регулирования стабилизаторов с токовым режимом проще, чем стабилизаторов с регулировкой по напряжению. Стабилизатор с обратной связью по напряжению представляет систему с двумя полюсами, в то время как стабилизатор с токовым режимом имеет один полюс.

Традиционные стабилизаторы с токовым режимом, однако, имеют один недостаток, заключающийся в том, что ток невозможно точно измерить сразу же после открытия ключа. Время этой задержки называется временем паузы, и его минимальное значение всегда является компромиссом между скоростью и точностью измерения тока без преждевременных прерываний включенного состояния. Время паузы ограничивает в преобразователе отношение входного напряжения к выходному, особенно на высоких частотах. Типовое значение времени паузы составляет около 200 нс.

Эмулированный токовый режим имитирует управляющее пилообразное напряжение вместо действительного линейно-изменяющегося тока дросселя, снижая чувствительность схемы широтно-импульсного модулятора к помехам. Это означает, что время паузы в каждом цикле может быть уменьшено, и можно не задумываться о воздействии коммутационных помех на схему измерения тока. Таким образом, разработчик получает все преимущества режима регулирования по пиковому току. Кроме того, такой способ значительно уменьшает время паузы. Типовое минимальное значение длительности открытого состояния ключа у новой микросхемы LM5576 с эмулированным токовым режимом составляет 80 нс. Такое значение позволяет осуществлять преобразование напряжения с 60 В до 5 В при частоте переключения 1 МГц, не используя минимальные значения длительности включенного состояния.

Если рассмотреть подробнее, эмуляция реального тока дросселя осуществляется схемой выборки-хранения, которая производит выборку значения тока диода перед открытием ключа. Этот измеренный ток затем используется в качестве начального значения для формирования линейно-изменяющегося напряжения, которое эмулируется внешним конденсатором и добавляется к нему. Внешний конденсатор заряжается источником тока, управляемым входным и выходным напряжением источника питания, эмулируя «действительный» ток дросселя, не измеряя его непосредственно.

Новое прибавление в семействе Simple Switcher компании National Semiconductor поможет разработчикам конструировать источники питания в очень короткий и экономичный промежуток времени. Расширенная гибкость новых микросхем в сочетании с элементами комплексной технической поддержки на местах помогут инженерам-разработчикам уверенно решать современные задачи, возникающие при разработке схем источников питания.

Таблица 1. Шесть новых стабилизаторов Simple Switcher