Инвертирующий DC/DC-преобразователь Unisonic UC5301 на коммутируемом конденсаторе

20 декабря 2023

Николай Вашкалюк (Компэл)

На склад Компэл поступили интегральные DC/DC UC5301G-AG6-R в корпусе SOT-26, позволяющие получить отрицательное низковольтное напряжение -1,8 … -5,0 В из соответствующего положительного входного напряжения +1,8 … +5,0 В без использования дорогих моточных изделий (индуктивностей).

Принцип работы DC/DC-преобразователя от компании Unisonic основан на коммутации внешнего конденсатора внутренними ключами (транзисторами), благодаря чему схема преобразователя имеет минимальное количество элементов (всего три керамических конденсатора) и занимает небольшую площадь на печатной плате.

Микросхема доступна в двух вариантах исполнения: UC5301G-AG6-R в корпусе SOT-26 (имеется на складе Компэл) и UC5301G-S08-R в корпусе SOP-8 (под заказ). ИС потребляет 0,45 мА от источника питания 3,3 В и может быть использована в мобильных приложениях с автономным питанием.

UC5301 является функциональным аналогом таких популярных инвертеров как xx7660, xxx660, xxx6040x, xxx1729, xx2776, xxx8828, xxx8829 и многих других.

Главные особенности микросхемы:

• Напряжение питания 1,8 … 5,0 В
• Инвертированное напряжение на выходе
• Выходной ток до 25 мА при падении напряжения 250 мВ
• КПД до 93%
• Схема защиты от перегрева
• ESD-защита 2 кВ

Рис. 1. Расположение выводов UC5301

Назначение выводов микросхемы (рисунок 1):

• OUT – выход инвертированного входного напряжения
• GND – общий провод
• CP- и CP+ – подключение коммутируемого конденсатора
• IN – вход для источника питания
• NC – неподключенные внутри схемы выводы

Внутренняя структура UC5301 представлена на рисунке 2, а основные технические характеристики приведены в таблице 1.

Рис. 2. Внутренняя структура UC5301

Таблица 1. Основные технические характеристики UC5301 

Принцип работы преобразователя на переключаемом конденсаторе (в зарубежной литературе часто именуемой как Charge Pump или Switched-capacitor) показан на рисунке 3. Четыре выключателя (S1…S4) последовательно коммутируют конденсатор С1. В первой фазе работы коммутатора выключатели S1 и S3 замкнуты, а S2 и S4 разомкнуты, при этом конденсатор С1 заряжается до величины входного напряжения питания. Во второй фазе, выключатели S1 и S3 размыкаются, а S2 и S4 замыкаются, при этом потенциал конденсатора С1 «переворачивается» относительно общего проводника и прикладывается к выходной емкости С2. Если на выходе преобразователя нет нагрузки, то напряжение на конденсаторе С2 в течении нескольких первых циклов сравняется по величине с входным напряжением, но будет иметь отрицательный потенциал относительно общего проводника.

Рис. 3. Идеальная схема инвертора на переключаемом конденсаторе

Входное напряжение может быть в диапазоне 1,8 … 5,0 В, а выходное напряжение V_OUT описывается формулой [1]:

$$V_{OUT}=-(V_{IN}-R_{OUT}\times I_{OUT}),\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где R_OUT – выходное сопротивление преобразователя, I_OUT – выходной ток.

Выходное сопротивление R_OUT является функцией сопротивления коммутируемых ключей (MOSFETs), частоты генерации, емкости и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсаторов С1 и С2.

Поскольку коммутационный ток заряда и разряда С1 примерно в два раза превышает выходной ток, то в формуле расчета выходного сопротивления влияние ESR этого конденсатора будет умножено на четыре. Выходной конденсатор С2 заряжается и разряжается током, примерно равным выходному току, поэтому в формуле расчета он будет учитываться с единичным коэффициентом.

Таким образом, значение R_OUT можно приблизительно рассчитать по уравнению [2]:

$$R_{OUT}\cong 2R_{SW}+\frac{2}{f_{OSC}\times C_{1}}+4ESR_{C1}+ESR_{C2},\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где R_SW – сумма сопротивлений внутренних MOSFET.

Для получения более низкого выходного напряжения необходимо выбирать конденсатор С1 с более высокой емкостью и более низким ESR. Но следует учитывать, что увеличение емкости выше определенного значения оказывает незначительный эффект, поскольку в выходном сопротивлении преобладают внутреннее сопротивление ключей и ESR конденсатора.

Выбор емкости С2 обусловлен допустимым размахом выходных пульсаций: чем больше емкость и ниже ESR, тем меньше напряжение выходных пульсаций и ниже выходное сопротивление. Рассчитать выходные пульсации V_RIPPLE можно по формуле [3]:

$$V_{RIPPLE}=\frac{I_{OUT}}{f_{OSC}\times C_{2}}+2\times I_{OUT}+ESR_{C2}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Входной развязывающий конденсатор С3 (рисунок 4) используется для уменьшения сопротивления переменному току со стороны входного напряжения и уменьшению влияния шумов коммутации UC5301. Номинал С3 рекомендуется выбирать равным номиналу емкости С1. Все указанные выше конденсаторы (С1…С3) должны быть керамического типа (MLCC) с диэлектриком X7R.

Рис. 4. Типовая схема включения UC5301

При компоновке печатной платы необходимо располагать все элементы как можно ближе друг к другу, соединять их короткими дорожками для минимизации паразитной индуктивности и емкости, а также использовать сплошной полигон общего проводника (GND).

На рисунке 5 показана схема одного из возможных применений UC5301 для организации двуполярного питания операционного усилителя с использованием однополярной шины питания.

В течении короткого времени, когда подается входное напряжение V_IN, но инвертор еще не успел запуститься, выходной конденсатор С2 через цепь нагрузки заряжается положительным напряжением. Чтобы предотвратить этот паразитный заряд, параллельно выходу инвертора рекомендуется добавить диод Шоттки D1.

Рис. 5. Подключение UC5301 для двуполярного питания ОУ