Мощный понижающий DC/DC-преобразователь TPP60508 3PEAK для индустриального применения

4 августа 2023

Николай Вашкалюк (КОМПЭЛ)

Компания 3PEAK предлагает мощный понижающий импульсный DC/DC-преобразователь TPP60508 со встроенным силовым МОП-транзистором верхнего плеча, работающий со входным напряжением до 60 В и выходным током до 5 А. Микросхема идеально подойдет для использования в индустриальной промышленности, телекоме и коммуникационном оборудовании, где главными требованиями являются широкий диапазон входных напряжений и высокая надежность.

Функции протекции и диагностики защищают как нагрузку, так и схему питания на уровне всей системы: используя выход PG (Power Good), схема питания может определить, находится ли выходное напряжение данного преобразователя в заданном диапазоне, а функции ограничения тока, понижения частоты и защиты от перегрева также способствуют повышению общей надежности системы питания (рисунок 1, таблица 1).

Для расчета всех номиналов схемы и оценки режимов работы преобразователя компания 3PEAK предлагает воспользоваться калькулятором.

Микросхема уже находится на складе КОМПЭЛ и готова к отгрузке в самый короткий срок.

Особенности:

• высокая эффективность при малой нагрузке в режиме пропусков импульсов;
• метод управления по току с простой схемой внешней компенсации;
• встроенный силовой МОП-транзистор с сопротивлением канала 80 мОм;
• малое потребление, составляющее 160 мкА в рабочем режиме и всего 1 мкА в режиме ожидания;
• регулируемая частота коммутации 0,1…2,5 МГц;
• встроенная схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для синхронизации от внешнего источника тактовой частоты;
• регулируемый порог блокировки от пониженного напряжения с гистерезисом;
• вывод «Power Good» для контроля нормальной работы преобразователя;
• регулируемое время мягкого пуска и последовательности включения;
• прецизионный внутренний источник опорного напряжения (ИОН) 0,8 В с точностью ±1,5%;
• корпус DFN4x4-10 с открытой контактной площадкой для отвода тепла;
• индустриальный диапазон рабочих температур -40…125°C.

Рис. 1. Расположение выводов TPP60508 (корпус DFN4x4-10)

Таблица 1. Нумерация и назначение выводов DC/DC-преобразователя TPP60508

TPP60508 использует режим управления пиковым током с регулируемой частотой коммутации. Напряжение обратной связи подается на вывод FB и сравнивается со внутренним опорным напряжением усилителя ошибки (рисунок 2). Затем выходной сигнал усилителя ошибки с помощью ШИМ-компаратора сравнивается со внутренним пилообразным напряжением, после чего формируется сигнал для управления силовым транзистором верхнего плеча.

Измеренный на верхней стороне ток коммутации участвует в формировании пилообразного напряжения. При увеличении рабочего цикла более 50% этот внутренний пилообразный сигнал компенсирует субгармонические колебания контура управления. Как только ШИМ-компаратор обнаруживает, что пиковый ток коммутации достигает порогового уровня, установленного напряжением на выводе COMP, силовой транзистор отключается.

Усилитель крутизны/ошибки (Transconductance Error Amplifier) преобразует в ток напряжение ошибки между сигналом на выводе FB и опорным напряжением, в зависимости от того, что ниже: напряжение плавного пуска (вывод SS/TR) или внутреннее опорное напряжение. При нормальном режиме работы имеет величину крутизны характеристики gm, равную 350 мкСм. Во время плавного пуска крутизна характеристики уменьшается, чтобы обеспечить более медленное нарастание выходного напряжения преобразователя. Для обеспечения стабильности работы микросхемы во время плавного пуска рекомендуется подключить цепь компенсации между выводами COMP и GND (более подробно этот момент рассмотрим далее).

Рис. 2. Блок-схема TPP60508

Прецизионный внутренний источник напряжения обеспечивает опорное напряжение V_FB, равное 0,8 В, с допуском ±1,5% во всем диапазоне рабочих напряжений и температуры окружающей среды (формула 1):

$$R_{H}=R_{L}\times \left(\frac{V_{OUT}-V_{FB}}{V_{FB}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Одной из интересных особенностей TPP60508 является режим пропуска импульсов при работе с небольшой нагрузкой, при которой пиковый коммутируемый ток ниже внутреннего порога. В данном режиме внутренняя схема фиксирует напряжение COMP на уровне 0,6 В и прекращает коммутацию силового транзистора. Когда выходное напряжение начинает уменьшаться, а дифференциальное входное напряжение расти (значение ошибки), выходной сигнал усилителя ошибки увеличивается. Когда напряжение на выводе COMP поднимается выше порога пропуска импульсов, устройство возобновляет коммутацию силового транзистора. Порог тока эквивалентен току номинального напряжения COMP при напряжении 1 В. Поскольку микросхема использует пиковый ток коммутации для порога пропуска импульсов, то данный порог также зависит от выходной индуктивности.

Для реализации функции плавного пуска необходимо задействовать вывод SS/TR. Время плавного пуска программируется с помощью внешнего конденсатора C_SS, подключенного к этому выводу (рисунок 3). Внутренний источник постоянного тока 1,7 мкА заряжает данный конденсатор с принудительным ограничением до напряжения 2,7 В. В этом случае время плавного пуска (10%…90% от полного заряда конденсатора) можно рассчитать по формуле 2:

$$T_{SS}=\frac{V_{REF}\times C_{SS}\times (90\%-10\%)}{I_{SS}}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Если перед включением питания на выводе SS/TR напряжение выше 54 мВ, внутренняя схема разрядит конденсатор C_SS для обеспечения правильного последующего запуска преобразователя. В случае, когда микросхема перестает переключаться, например, при блокировке пониженного напряжения (UVLO), снятии сигнала EN или защите от перегрева, перед началом нового цикла работы устройство разряжает цепь SS/TR ниже 54 мВ. Также микросхема поддерживает использование вывода SS/TR для отслеживания состояния работы преобразователя и для внешней схемы последовательной подачи питания (Power Sequence), которая должна быть тщательно разработана, чтобы гарантировать возможность восстановления работоспособности системы после любого сбоя преобразователя.

Рис. 3. Типовая схема включения и график зависимости эффективности от выходного тока при частоте коммутации 300 кГц

TPP60508 может работать с частотой коммутации 100…2500 кГц, которая задается с помощью резистора R_RT, подключенного между выводом RT/CLK и цепью GND.

Выбор рабочей частоты обычно обусловлен компромиссом между физическим размером источника питания и его эффективностью, а также значением минимального рабочего цикла. При выборе частоты коммутации необходимо учитывать все эти факторы. Параметры резистора R_RT можно рассчитать по формуле 3: 

$$f=\frac{k}{R_{RT}},\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

где:

• f – частота коммутации, кГц;
• k – постоянный коэффициент, равный 100 000;
• R_RT – сопротивление резистора, кОм.

Также TPP60508 поддерживает внешние источники тактирования/синхронизации, сигнал которого необходимо подавать на вход RT/CLK. Первый нарастающий фронт RT/CLK переводит устройство из режима самогенерации в режим синхронизации, при этом сам вывод RT/CLK устанавливается в состояние высокого импеданса. Для захвата внешней тактовой частоты требуется 78 мкс. Когда внешний источник синхронизации останавливается, микросхема снова переходит в режим самогенерации с частотой, установленной резистором R_RT (рекомендуется оставлять его в схеме как раз на случай потери внешнего сигнала). Во время перехода частота переключения находится на уровне 70 кГц, а затем переключается на свое заданное рабочее значение.

Если при включении TPP60508 обнаруживает короткое замыкание на выходе, то при каждом последующем запуске микросхема снижает частоту коммутации в два раза (максимально до 8 раз). Это позволяет ограничить средний ток катушки индуктивности и увеличивает время отключения силового ключа для минимизации тепловых потерь.

TPP60508 имеет функцию блокировки пониженного напряжения (UVLO) с порогом 4,3 В по умолчанию. Этот порог можно отрегулировать с помощью вывода EN и двух внешних резисторов R_UVLOH и R_UVLOL (рисунок 4).

Рис. 4. Установка значения порога блокировки пониженного напряжения

Источник тока (I_EN) 1,2 мкА подтягивает контакт EN ко внутренней шине питания. Другой источник тока с гистерезисом (I_{EN_hys}) 3,4 мкА обеспечивает напряжение гистерезиса между порогом повышения и понижения. Расчет номиналов резисторов производится с помощью формул 4 и 5:

$$R_{UVLOH}=\frac{V_{SYS\_UVLO\_H}-V_{SYS\_UVLO\_L}}{I_{EN\_hys}};\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

$$R_{UVLOL}=\frac{V_{EN}}{\frac{V_{SYS\_UVLO\_H}-V_{EN}}{R_{UVLO\_H}}+I_{EN}},\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

где:

• V_{SYS_UVLO_H} – желаемое пороговое значение гистерезиса при повышении напряжения;
• V_{SYS_UVLO_L} – пороговое значение гистерезиса при понижении напряжения.

DC/DC-преобразователь TPP60508 использует режим управления по току, контролируя пиковый ток внутреннего силового транзистора, расположенного в верхнем плече. Значение тока преобразуется в сигнал напряжения и сравнивается со значением вывода COMP. Когда пиковый ток коммутации превышает пороговое значение, установленное напряжением COMP, устройство отключает силовой транзистор. В случае, когда микросхема находится в режиме перегрузки по току, выходное напряжение снижается, и внутренняя схема генерации будет увеличивать время переключения транзистора (уменьшать частоту) до тех пор, пока не достигнет внутреннего порога ограничения тока. Как только ток коммутации превысит пороговое значение, микросхема отключит силовой транзистор, защищая его от перегрузки. В таком состоянии микросхема находится до тех пор, пока не будет устранена причина перегрузки, после чего TPP60508 автоматически перейдет в нормальный режим работы.

Для получения информации о штатной работе преобразователя у микросхемы имеется вывод PWRGD (Power Good) в виде внутреннего транзистора, включенного с открытым стоком. Если напряжение на выводе FB находится в пределах 93…106% от внутреннего опорного напряжения, PWRGD будет находиться в высоком уровне за счет внешнего подтягивающего резистора (рекомендуемое значение сопротивления – 1 кОм при питании 5 В). Если напряжение FB ниже 90% или выше 108% от значения внутреннего ИОН, то вывод PWRGD переводится в низкий уровень. То же самое происходит и для сценариев, когда срабатывает блокировка от пониженного напряжения (UVLO), защита от перегрева или подачи сигнала на вывод EN. Но следует учитывать, что при напряжении питания ниже 2 В состояние PWRGD может быть неопределенным. Когда напряжение FB выше 108% от значения внутреннего ИОН, коммутация силового транзистора останавливается до тех пор, пока напряжение на выходе не упадет до 106% от значения внутреннего ИОН. После этого микросхема возобновляет коммутацию транзистора. Таким образом реализуется защита от повышенного напряжения на выходе (OVP), благодаря чему сводятся к минимуму выбросы напряжения в нагрузке во время переходных процессов при использовании малой емкости фильтрующих конденсаторов на выходе.

Также TPP60508 имеет защиту от перегрева: при превышении температуры кристалла 161°C микросхема останавливает свою работу до тех пор, пока кристалл не охладится ниже 141°C, после чего произойдет автоматический перезапуск преобразователя. Во время срабатывания защиты вывод PWRGD переводится в низкий уровень, а конденсатор C_SS принудительно разряжается для обеспечения правильного перезапуска всей системы. Необходимо позаботиться о том, чтобы внешняя схема, подключенная к выводу SS/TR, не мешала переходу в низкий уровень во избежание взаимоблокировки всей схемы контроля последовательности включения, которая может помешать перезапуску всего конечного устройства.

На рисунке 5 показан пример использования микросхемы для получения на выходе напряжения 5 В током до 5 А при входном напряжении до 60 В. Частота коммутации в районе 420 кГц.

Рис. 5. Понижающий преобразователь 60 В в 5 В (5 А)

Семейство представлено двумя моделями в корпусах DFN4x4-10:

• TPP60508L1-DF9R;
• TPP60508L1-DF9R-S.

Компания 3PEAK обычно использует символ «-S» в конце наименования, означающий особый контроль качества микросхемы и использование золотых проводников для распайки вывода к кристаллу. Но по заверению производителя, в случае с TPP60508 оба наименования проходят по указанным выше критериям и являются равнозначными.

Их основные характеристики приведены в таблице 2, а графики зависимости некоторых параметров изображены на рисунках 6…8.

Таблица 2. Основные технические характеристики TPP60508

Рис. 6. График изменения сопротивления канала силового транзистора в открытом состоянии в зависимости от температуры

Рис. 7. Зависимость значения ограничения тока от температуры кристалла

Рис. 8. Изменение частоты коммутации от температуры кристалла при сопротивлении резистора R_RT 200 кОм

Дополнительные материалы

1. Спецификация на микросхему TPP60508