Новый понижающий DC/DC-преобразователь

Новая разработка компании STMicroelectronics в области DC/DC-преобразователей, микросхема L5988, является дальнейшим развитием линейки монолитных преобразователей. Характерные представители этой линейки представлены в табл. 1.

Таблица 1. Монолитные DC/DC-преобразователи ST

Наимено- вание	Корпус	Температура, °С		Uвх., В		U вых., В		I вых., A	Частота преобра- зования, кГц	Макс. КПД, %
		мин.	макс.	мин.	макс.	мин.	макс.
А5970	SO8	-40	85	4,4	36	1,235	36	1	500	-
A5972D	SO8	-40	85	4,4	36	1,235	36	1,5	250	-
L6926	TSSOP8	-	-	2	5,5	0,6	5,5	0,8	1400	95
L5988	HTSSOP16	-	-	2,9	18	0,6	18	4	1000	93

Прежде чем перейти к рассмотрению конкретных характеристик, остановимся на предпосылках, заставляющих разработчиков искать новые подходы и принципы построения вторичных источников питания.

 

 

Рис. 1. Типовая схема синхронного ключевого стабилизатора

На рис. 1 изображен синхронный ключевой стабилизатор. Он работает следующим образом:

1. Открывается ключ Q1, и дроссель L оказывается подключенным одним выводом к источнику питания Vcc, а другим - к конденсатору Cout. По достижении необходимого значения Vout, компаратор в цепи обратной связи управляющего устройства закроет ключ Q1.

2. Открывается ключ Q2, и энергия, запасенная магнитным полем дросселя, заряжает конденсатор Cout. Ключ Q2 работает синхронно с ключом Q1, поэтому преобразователь называется синхронным. Ключ Q2 должен открываться с некоторым опозданием, для того, чтобы исключить сквозной ток по цепи «источник питания - ключи Q1 и Q2 - земля».

Если заменить ключ Q2 диодом в обратном включении (лучше с барьером Шоттки), то получим асинхронный преобразователь. Диод будет переходить в проводящее состояние каждый раз, как только закроется ключ Q1 - так как ЭДС, наведенная в дросселе, будет иметь полярность, противоположную первоначально приложенной ЭДС. Применение полевого транзистора в качестве ключа Q2 улучшает передаточные характеристики устройства, особенно при низких значениях напряжения на выходе - в силу низкого (десятки мОм) сопротивления канала сток - исток . Идеальным условием работы этой схемы является постоянная токовая нагрузка - тогда можно рассчитать значения L и С таким образом, чтобы энергия за время открытого ключа Q1 распределилась поровну между выходной ёмкостью и катушкой.

А что делать, если нагрузка - не константа? В таких условиях традиционный ШИМ отвечает на изменение тока в нагрузке изменением ширины импульса на своём выходе, что в свою очередь приводит к необходимости выбирать конденсаторы Cin, Cout с некоторым запасом для обеспечения требуемого тока в самом критическом случае, т. е. при самом широком импульсе на выходе преобразователя. При работе нескольких преобразователей от одного источника питания Cin должен покрывать потребности в энергии для всех преобразователей на случай одновременного открытия ключей Q1.

Необходимо избавиться от крупногабаритных сглаживающих конденсаторов, а в связи с тем, что частоты преобразования уже перешли рубеж в 1 МГц, то проблема внутренней индуктивности конденсаторов добавляет забот разработчикам источников питания - необходимы качественные конденсаторы, а это дополнительные финансовые расходы. Выход из сложившейся ситуации напрашивается такой:

а) работать нормированными импульсами короткой длины, изменяя при этом частоту их следования.

б) синхронизировать одновременную работу нескольких DC/DC-преобразователей от одного источника питания.

Для того, чтобы выполнить вышеперечисленные пункты, необходимо интеллектуальное устройство, реализующее упреждающий алгоритм. Такой алгоритм есть, и имя ему - step-down.

На рисунке 2 в упрощенной форме изображена блок-схема step-down-преобразователя.

 

 

Рис. 2. Блок-схема step-down-преобразователя

Идея алгоритма сводится к следующим процедурам:

1. Формировать осциллятором импульсы на расчетные катушку L и конденсатор Cout, причем эти импульсы должны быть такой длины, при которой рассеянная мощность не превысит 1-2%

2. Выходное напряжение регулировать равным периодом следования нормированных импульсов, при этом исключить «катастрофические» выбросы широких или, наоборот, очень узких импульсов путем равномерного распределения между смежными импульсами на некотором временном промежутке.

3. Ввести цепь обратной связи (выводы FB и COMP), которая должна:

а) возвращать действующее значение выходного напряжения,

б) усиливать и формировать отслеженные на выходном конденсаторе и обработанные в устройстве Е/А высокочастотные пульсации.

4. Задержать сигнал с выходного ключа в сдвиговом регистре FREQUENCY SHIFTER (для L5988 эта величина составляет 2048 шагов (step)) и вернуть его на вход формирующего устройства (down).

5. Синхронизировать сов­падение импульсов с Е/А и FREQUENCY SHIFTER в устройствах PWM (ШИМ), OSCILLATOR, D-триггер таким образом, чтобы они совпадали во времени, и тем самым осуществить стабилизацию выходного напряжения. Проще говоря, отслеживать и совмещать фазу двух импульсов с задержкой в несколько шагов (отстающий шаг).

6. Ввести устройство синхронизации для нескольких DC/DC-преобразователей, позволяющее распределять импульсы так, чтобы они не перекрывались более чем на 15% .При этом преобразователь, имеющий наивысшую частоту преобразования по отношению к смежному DC/DC, будет ведущим (master).

Итак, мы рассматриваем монолитный DC/DC-преобразователь L5988. «Монолитный» следует понимать как преобразователь со встроенными ключами, в отличие, например, от L6712, где ключи внешние, что, в свою очередь, позволяет разрабатывать преобразователи на большие токи. L5988 обеспечивает максимальный ток не более 4 А. В типовом включении рис. 3 схема содержит минимум пассивных элементов, при этом КПД имеет очень хорошие показатели - 93% в пике рис. 4.

 

 

Рис. 3. Типовое включение L5988

 

 

 

Рис. 4. Зависимость КПД от выходного тока для L5988

При этом хочется отметить - лучший показатель, найденный в справочных данных, составляет 96% и принадлежит МАХ8566 компании Maxim, но следует учесть, что это традиционный ключевой DC/DC, а для step - down-конверторов этот показатель на сегодняшний день является рекордным. Микросхема упакована в корпус HTSSOP-16 толщиной 1,2 мм. Назначение выводов указано в табл. 2

Таблица 2. Назначение выводов L5988

N вывода	Обозначение	Описание
2, 3, 4	Vcc	Напряжение питания
1, 16	Vout	Регулируемое напряжение выхода
13, 14, 15	GND	Земля
9	SYNC	Две и более микросхемы можно синхронизировать простым соединением этих выводов вместе. Тот чип, у которого задан наивысший FSW, является Master, а остальные - Slave, причем их частота будет сдвинута на 180° относительно Master
10	FSW	Открытый pin установит частоту 400 кГц, соединение с GND через внешний резистор повысит частоту преобразования до 1 мГц, соединение через внешний резистор с Vref (1,8 В) понизит частоту преобразования до 200 кГц
8	FB	Инвертирующий вход усилителя ошибки, который соединяется либо непосредственно, либо через делитель с выходом преобразователя
6	COMP	Pin подключается к усилителю ошибки через компенсирующую цепь
5	SS/INH	Pin задания величины мягкого старта. Подключается через конденсатор на землю. Когда величина напряжения составляет 0,65 В и менее, это устройство отключается
12	Vref	Внутреннее опорное напряжение 1,8 В. Использовать совместно с конденсатором 1 мкФ
7	ILIM - ADJ	Вход задания параметров защиты. При соединении этого вывода через резистор с GND порог защиты увеличивается. При соединении через резистор с Vref - уменьшается
11	S/O/U	Многофункциональный аналоговый вход - величина поданного напряжения определяет одно из трех функциональных назначений: 1. Включает и выключает синхронизирующую моду после мягкого старта 2. Включает и выключает блокирующую моду OVP 3. Устанавливает порог UVLO для питания шин 3,3 В и 12 В

Среди других особенностей микросхемы L5988 - то, что время прямой электрической проводимости в низкозагруженном цикле преобразования при частоте преобразования не более 1 мГц составляет 100 нс. Также примечательно наличие токовой защиты с регулируемым порогом.

Диапазон входных напряжений 2,9...18 В стал возможен с появлением технологи BCD6 (Bipolar - CMOS - DMOS version 6). Минимально допустимое напряжение на входе при этой технологии составляет 2 В, и такие микросхемы в линейке DC/DC-преобразователей STMicroelectronics есть - это L6926 и L6928, но максимально допустимое напряжение составляет не более 5,5 В, так что входной диапазон L5988 производит впечатление хорошо продуманного компромисса.

STM предлагает применять этот чип в конструктивах DVD, ТВ, автомобильного аудио, LCD, XDSL, компьютерных жестких дисков - можно продолжить перечень и далее, ввиду того, что трудно назвать область, где источники питания не востребованы. Потребность в DC/DC-преобразователях на выходные напряжения 3...3,3 В будет и далее возрастать в связи с всеобщей тенденцией понижения питающих напряжений.

Вернуться к содержанию номера