В большинстве случаев источник питания можно построить по структурной схеме, приведенной на рисунке 1.

Рис. 1. Типовые решения от Texas Instruments для проектирования AC/DC- и DC/DC-преобразователей

Часто в качестве схемы питания достаточно только некоторых блоков рисунка 1. Например, для создания низковольтных DC/DC-преобразователей отпадает необходимость в разделительном трансформаторе, схемах обратной связи для гальванической развязки и первичной высоковольтной части схемы.

Корректоры коэффициента мощности

Большинство современных AC/DC-преобразователей средней и большой выходной мощности имеет на входе корректор коэффициента мощности (ККМ) или PFC (Power Factor Correction). Источники питания без ККМ создают мощные импульсные помехи по электросети для параллельно включенных электроприборов. Международная электротехническая комиссия (МЭК) или IEC (International Electrotechnical Commission) и международная организация по стандартизации или ISO (International Organization for Standardization) устанавливают ограничения на содержание и уровни гармоник во входном токе вторичных источников электропитания. Использование электроприборов, не удовлетворяющих стандартам этих организаций, запрещено во многих странах, поэтому разработчики серьезной аппаратуры обязательно должны об этом помнить. На рисунке 2 показаны временные диаграммы работы источников питания с ККМ на входе и при его отсутствии.

Рис. 2. Временные диаграммы напряжения и тока в источниках питания с ККМ и при его отсутствии

Типовой AC/DC-преобразователь имеет на входе сетевой выпрямитель и сглаживающий конденсатор, являющийся реактивной нагрузкой для диодного моста и питающей сети. Такой ИП потребляет мощность от сети только в то время, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, превышает напряжение на этой емкости (см. левую часть рисунка 2). На практике это время составляет примерно 25% от периода сетевого напряжения. В оставшиеся три четверти периода мощность от сети не потребляется, так как нагрузка питается от сглаживающего конденсатора. Это приводит к тому, что мощность подается в нагрузку только на пиках напряжения, а потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит много мощных гармоник. Корректор коэффициента мощности уменьшает среднеквадратичное значение потребляемого от сети тока и обеспечивает равномерное потребление мощности практически в течение всего периода сетевого напряжения при резком уменьшении гармонических составляющих тока во входной цепи. Это проиллюстрировано на правой части рисунка 2. Для количественной оценки внесенных искажений и помех существует коэффициент мощности (КМ или Power Factor). Коэффициент мощности ИП с параметрами ИП в правой части рисунка 2 близок к единице и говорит о минимуме создаваемых помех. Одним словом, КМ показывает, насколько равномерно источник питания потребляет мощность от электрической сети.

У Texas Instruments есть эффективные решения для ККМ. Это многофазные корректоры коэффициента мощности (Interleaved PFC). Диаграммы работы однофазного и двухфазного ККМ показана на рисунке 3.

Рис. 3. Структура двухфазного ККМ и диаграммы работы однофазного и двухфазного корректоров мощности

Из рисунка 3 хорошо видно, что при одинаковых условиях у двухфазного ККМ амплитуда тока через выходной конденсатор Свых в два раза меньше при удвоенной рабочей частоте, пульсации которой сгладить можно меньшей емкостью. Это позволяет использовать конденсатор с уменьшенными размерами и на пониженное рабочее напряжение. Габариты индуктивностей L1 и L2 более компактны по сравнению с индуктивностью в однофазном корректоре. Коэффициент мощности у некоторых ККМ Texas Instruments превышает значение 0,99. По способу управления ККМ подразделяются на три вида:

• управление по среднему значению тока - оптимальный метод управления для ККМ при достижении малых нелинейных искажений;
• управление по переходному режиму - недорогое и более простое решение с высокими требованиями к фильтрации и максимальному току;
• управление по переходу напряжения через ноль (ZVT) - один из способов мягкого включения, снижающий уровень электромагнитных помех и позволяющий работать на более высокой частоте.

Цифровое управление питанием

Нельзя не остановиться на относительно новом перспективном цифровом управлении питанием - серии Fusion Digital Power для создания изолированных и неизолированных преобразователей, а также для построения управляемых DC/DC-преобразователей в точке нагрузки (Point of Load или POL). Основная идея серий Fusion Digital Power - замена аналогового ШИМ-контроллера на цифровой (Ц-ШИМ). Цифровой ШИМ-контроллер позволяет более гибко регулировать выходное напряжение и коэффициент мощности, выравнивать напряжения в многофазных преобразователях и осуществлять многие другие функции управления и контроля работоспособности. На рисунке 4 показана упрощенная структурная схема преобразователя с использованием микросхем серий Fusion Digital Power.

Под цифровым контроллером подразумевается Ц-ШИМ-ядро плюс цифровая логика, позволяющие осуществлять функции управления, описанные выше. Драйвер и выходной каскад выполнены с учетом прямого согласования между частями схемы с минимумом дополнительных навесных элементов. В цепи обратной связи происходит преобразование аналогового сигнала ошибки в цифровой код с помощью быстродействующего прецизионного АЦП. Цифровой сигнальный процессор (DSP) или микроконтроллер (MSP430, TMS470 или любой другой, подходящий по производительности) вычисляют величину сигнала рассогласования, который корректирует ошибку и управляет передачей энергии в силовой каскад. Сигналы с цепей защиты и управления аналогично могут преобразовываться в цифровой код и анализироваться цифровым контроллером. Это позволяет расширить гибкость управления и получить более точную повторяемость схем ИП, а также высокую стабильность характеристик и точность выходных напряжений при широком диапазоне изменения нагрузки и температурного режима.

Рис. 4. Три серии для цифрового управления питанием фирмы Texas Instruments

Самый простой вариант - использование только драйверов с управлением цифровым кодом из серии UCD7xxx. При этом разработчик может использовать любые подходящие микроконтроллеры или ЦСП. Это может быть связано с накопленным опытом по программированию и наличием отладочных средств и программ для контроллеров, с которыми проектировщик работает уже длительное время. Хотя использование всех серий от Texas Instruments для цифрового управления питанием, скорее всего, будет оптимальным с точки зрения количества используемых компонентов, но окончательный выбор остается за разработчиком. Следующий вариант - применение серии UCD8xxx, содержащей ШИМ, управляемый цифровым кодом, логический блок и драйвер(ы) с ограничением выходного тока. Это проиллюстрировано на рисунке 4 блоком UCD8xxx. Максимально гибкое решение для проектирования цифрового источника питания - комбинированное взаимодействие серий UCD9xxx (цифровой контроллер + ШИМ-контроллер) и микросхем драйверов UCD7xxx. Высокая повторяемость, возможность автокалибровки и подстройки, стабильность параметров в широком диапазоне температур обеспечивают ИП с цифровым управлением перспективу уже сейчас и в самом ближайшем будущем.

ШИМ-контроллеры источников питания

По способу управления ШИМ-контроллеры Texas Instruments делятся на две группы:

• управление с помощью обратной связи по напряжению - простой метод управления для широкодиапазонных по входу и выходу устройств;
• управление с помощью обратной связи по току - обеспечение быстрого отклика на входное воздействие с возможностью ограничения по току в каждом рабочем цикле.

Программируемый плавный пуск устраняет жесткие режимы для транзисторов и пассивных компонентов. Наличие в ШИМ-контроллерах схемы ограничения максимальной скважности предотвращает насыщение импульсного трансформатора. Микросхемы этого класса с префиксами UCC имеют низкий ток запуска и предназначены в первую очередь для автономных приложений. ШИМ-контроллеры Texas Instruments уже давно завоевали широкую популярность у отечественных разработчиков и доказали свою высокую надежность.

Драйверы МОП-транзисторов

Драйверы МОП-транзисторов (MOSFET) предназначены для управления мощными полупроводниковыми приборами в выходных каскадах преобразователей электрической энергии. Драйверы используются в качестве промежуточного звена между управляющей схемой (контроллером или цифровым сигнальным процессором) и мощными исполнительными элементами, коммутирующими нагрузку. Драйверы полевых транзисторов Texas Instruments имеют высокие выходные токи (до 9 А), малые длительности фронта, спада, задержки и другие отличительные особенности. Обзорное представление о параметрах драйверов Texas Instruments дает рисунок 5.

Рис. 5. Драйверы МОП-транзисторов Texas Instruments

Достичь таких больших выходных токов в сочетании с высоким быстродействием позволяет мощный выходной буфер TrueDrive^TM, представляющий собой параллельное включение двух каскадов, схемное решение которых показано на рисунке 6.

Рис. 6. Мощный выходной буфер TrueDrive^TM

Входная часть каскада состоит из комплементарной пары полевых транзисторов разной проводимости, а выходная - из двух биполярных NPN-транзисторов. Инвертирующая схема на входе верхнего NPN-транзистора обеспечивает противофазную работу биполярных транзисторов. Такой комбинированный выходной каскад эффективно усиливает ток и при низком напряжении питания благодаря наличию P- и N-канальных МОП-транзисторов (MOSFET). Благодаря встроенным стабилизаторам напряжения драйверы могут работать в широком диапазоне входных напряжений. В линейке этой продукции имеются инвертирующие, неинвертирующие, И и И-НЕ конфигурации драйверов.

Понижающие DC/DC-преобразователи со встроенным ключом

Понижающие импульсные DC/DC-преобразователи со встроенным ключом имеют максимальный ток ограничения 14 А. Серия маломощных DC/DC-преобразователей (TPS6xxxx) и понижающих конвертеров SWIFT^TM (TPS54xxx) достигают максимального КПД 97% и оптимизированы для применения в маломощных устройствах с батарейным питанием. Синхронное выпрямление не только уменьшает стоимость за счет исключения внешнего выпрямительного диода Шотки, но и увеличивает КПД преобразования на 10%. Наглядное представление о параметрах понижающих конвертеров со встроенным ключом дает рисунок 7. Широкие диапазоны входных и выходных напряжений этих приборов, наличие у некоторых входов управления по последовательному интерфейсу I²C делают их оптимальным выбором для многих приложений. Современные процессоры и специализированные ИС требуют очень низких напряжений питания. Для достижения максимальной гибкости Texas Instruments выпускает конвертеры с выходным напряжением вплоть до 0,7 В.

Рис. 7. Понижающие DC/DC-преобразователи со встроенным ключом

Повышающие DC/DC-преобразователи со встроенным ключом

Среди повышающих/понижающих импульсных DC/DC-преобразователей со встроенным ключом у Texas Instruments есть микросхемы TPS6300x с эффективностью преобразования до 96% во всем диапазоне входных напряжений от 1,8 до 5,5 В. Конвертеры TPS6300x предназначены для приложений, использующих Li-Ion элемент, а также 2- или 3-элементную батарею питания. Собственное потребление этих микросхем составляет всего 25 мкА. Для работы этих преобразователей требуется индуктивность с номиналом всего 2,2 мкГн. Размеры малогабаритного корпуса QFN всего 3х3 мм. Основные параметры всей линейки повышающих и понижающих/повышающих преобразователей со встроенным ключом представлены на рисунке 8.

Рис. 8. Повышающие DC/DC-преобразователи со встроенным ключом Texas Instruments

Безындуктивные DC/DC-преобразователи со встроенным ключом

Применение безындуктивных DC/DC-конвертеров напряжения (Charge Pumps) рекомендуется при необходимости выбора между эффективностью преобразования и габаритами устройства. Топология с отсутствием индуктивности обеспечивает максимальный КПД 90% и для внешней обвязки требуется всего лишь несколько конденсаторов. Индуктивности, диоды и внешние транзисторы не требуются. Микросхемы выпускаются в миниатюрных корпусах SOT-23 и MSOP-8, размеры которых очень малы. Применение безындуктивных преобразователей целесообразно по стоимости, мощности и габаритам при выходном токе менее 300 мА при напряжении на выходе до 6 В. Если необходимы более высокие значения выходных токов, напряжений или КПД, то более эффективно применение импульсного преобразователя с индуктивностью как по стоимости, так и по габаритам. В повышающих преобразователях безындуктивного типа пульсации выходного напряжения сводятся к минимуму благодаря действию двух контуров умножения, работающие в противофазе. Это упрощает фильтрацию пульсаций на выходе. Умножители генерируют меньше шумов по сравнению с эквивалентным индуктивным преобразователем с одинаковым диапазоном выходного тока. Это может стать решающим аргументом при выборе схемы питания для малошумящих устройств или схем, чувствительных к высокочастотным шумам. Основные параметры безындуктивных умножителей напряжения Texas Instruments приведены на рисунке 9.

Рис. 9. Безындуктивные (Charge Pumps) DC/DC-преобразователи Texas Instruments

LDO- и линейные стабилизаторы Texas Instruments

Для дополнительного подавления пульсаций после импульсных преобразователей часто ставят стандартный линейный или LDO-стабилизатор. Texas Instruments предлагает широкий выбор LDO-стабилизаторов (с низким падением напряжения между входом и выходом) от схем с очень низким потреблением до схем с потреблением 7,5 А. Основные серии этого класса продукции представлены на рисунке 10. Для достижения минимального шума на выходе ИП необходимо выбирать LDO-стабилизатор с высоким коэффициентом подавления пульсаций (PSRR) и низким уровнем выходного шума (<50 мкВ). В некоторых LDO-стабилизаторах есть компенсационный вывод, к которому подключается конденсатор для уменьшения шума на выходе.

Рис. 10. LDO и линейные стабилизаторы Texas Instruments

В статье кратко рассмотрена лишь небольшая часть продукции для управления питанием фирмы Texas Instruments. Дополнительную информацию заинтересованный читатель может найти на сайте производителя: http://www.power.ti.com/.