Один дроссель для всей системы: многоканальные преобразователи Maxim с технологиями SIMO и nanoPower

21 января

управление питаниемпотребительская электроникаинтернет вещейMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Александр Русу (г. Одесса)

Понижающе-повышающие трехканальные импульсные преобразователи MAX17270/71 производства Maxim Integrated за счет применяемых технологий SIMO и nanoPower позволяют организовать многоканальную систему питания для устройств с малым энергопотреблением, при этом значительно экономя место на плате.

Появление на рынке современных ультракомпактных устройств с батарейным питанием, в числе которых беспроводные наушники, фитнес-браслеты, интеллектуальные часы и другие гаджеты, поставило перед разработчиками очередную техническую проблему. Наличие в одном устройстве большого количества разнородных узлов требует для их совместной работы гибкой многоканальной системы питания, для размещения которой в корпусе может физически не оказаться места. Так, например, во многих портативных устройствах для работы радиомодулей необходимы источники питания с напряжением 3 В и выходным током до 20 мА, цифровые процессоры обычно требуют для своей работы напряжения 1,1…1,8 В, а если в системе есть механические приводы, то для их работы потребуется более мощный канал с напряжением 3,2 В и выходным током до 300 мА.

К подобным устройствам также предъявляются жесткие требования по времени автономной работы. Это означает, что система питания должна иметь не только высокий КПД, но и ультрамалые токи собственного потребления, в том числе токи утечки, ведь некоторые из ее узлов остаются соединенными с батареей даже после выключения устройства.

Очевидно, что решить данную задачу с помощью существующих на рынке традиционных преобразователей постоянного напряжения общего назначения в большинстве случаев сложно, а значит необходимо искать микросхемы, специализированные именно для таких случаев. Одним из таких решений являются построенные с использованием технологий SIMO и nanoPower понижающе-повышающие преобразователи MAX17270/71. 

Особенности технологии SIMO

Основной специфической особенностью импульсного преобразования является необходимость использования реактивных элементов: конденсаторов и дросселей. Эти компоненты принципиально не могут быть малогабаритными, поскольку их размеры пропорциональны количеству накапливаемой энергии. И если удельная мощность конденсаторов благодаря существованию материалов с высокой диэлектрической проницаемостью относительно высока, то индуктивные элементы, к сожалению, подобным качеством не обладают. На практике это приводит к тому, что масса и габариты единственного дросселя импульсного преобразователя могут превышать массу и габариты всех остальных его компонентов. Кроме того, по сравнению с другими типами электронных компонентов, используемых в силовой электронике, дроссели гораздо сложнее в изготовлении. Это означает, что уменьшение общего количества дросселей будет способствовать не только увеличению удельной мощности системы питания, но и уменьшению ее стоимости.

Но каким образом можно уменьшить общее количество дросселей в многоканальной системе питания, если для каждого канала принципиально необходим как минимум один дроссель? Одним из вариантов решения данной задачи является использование дросселя с несколькими обмотками так, как это делается в многоканальных обратноходовых преобразователях (рисунок 1). Однако из-за крайне малого объема устройства использование подобного решения приведет к еще большему усложнению и удорожанию системы, ведь изготовление подобного индуктивного элемента может оказаться сложным, а порой и технологически невозможным. 

Рис. 1. Варианты построения многоканальной системы питания малогабаритного устройства с батарейным питанием

Рис. 1. Варианты построения многоканальной системы питания малогабаритного устройства с батарейным питанием

Другим вариантом является использование гибридной схемы, в которой единственный импульсный преобразователь формирует наибольшее в системе напряжение, которое затем уменьшается до нужных значений с помощью LDO-стабилизаторов. До недавнего времени это был практически единственный вариант построения многоканальных систем питания для приложений с ограниченным объемом, при использовании которого приходилось мириться с вынужденным уменьшением КПД из-за использования LDO-стабилизаторов.

Следует упомянуть еще и самый компактный вариант построения системы, в котором нужные напряжения формируются только LDO-стабилизаторами без использования импульсных преобразователей, а следовательно, и дросселей, однако крайне низкий КПД подобного решения приводит к катастрофическому сокращению времени автономной работы.

На фоне существующих компромиссных решений технология SIMO (Single-Inductor Multiple-Output) открывает совершенно новые возможности для разработчиков. В ее основе лежит принцип временного разделения процессов преобразования в разных каналах, что приводит к тому, что единственный дроссель используется каждым каналом преобразователя по очереди.

Существуют два основных алгоритма работы SIMO-преобразователей (рисунок 2). В первом случае дроссель вначале накапливает энергию сразу для всех активных каналов, а затем по частям отдает ее в нагрузки. Во втором случае циклы накопления-возврата энергии осуществляются индивидуально для каждого канала, а сами каналы могут работать по гибкому алгоритму, в зависимости от текущих токов нагрузок.

Рис. 2. Принцип работы многоканального SIMO-преобразователя повышающего типа

Рис. 2. Принцип работы многоканального SIMO-преобразователя повышающего типа

Очевидно, что второй алгоритм технически гораздо проще, и при его использовании можно применять те же методы управления, что используются в традиционных одноканальных импульсных преобразователях. Ключевой особенностью второго способа является возможность максимально точного определения длительности каждого из этапов преобразования, а следовательно, и максимально точная стабилизация выходных напряжений с минимальным уровнем пульсаций. Кроме этого, подобная технология позволяет при необходимости отключить любую из питающих шин, а также гибко регулировать количество циклов преобразования для каждого канала в зависимости от выходного тока, вплоть до полной остановки всей силовой части в режиме легких нагрузок.

Для обеспечения высоких значений КПД и удельной мощности наилучшим образом подходит метод управления по току с обеспечением граничного режима работы силовой части. При таком подходе за счет максимально эффективного использования энергетической емкости для дросселя необходим магнитопровод с минимальным объемом, а переключение силовых ключей при нулевом токе снижает уровень динамических потерь.

Таким образом, SIMO-преобразователи сохраняют все положительные свойства традиционных одноканальных импульсных схем, в первую очередь – высокое значение КПД независимо от количества каналов и соотношения входных и выходных напряжений, и при этом за счет использования единственного дросселя занимают значительно меньший объем внутри системы. К недостаткам SIMO-преобразователей можно отнести необходимость использования выходных конденсаторов большей емкости, поскольку поступление энергии в них теперь происходит реже. Однако из-за того, что удельная энергетическая емкость конденсаторов намного больше, чем для индуктивных компонентов, это не приводит к столь значительному увеличению объема, как в случае использования отдельных дросселей в каждом из каналов.

Необходимо обратить внимание и на еще одну специфическую особенность SIMO-преобразователей: для исключения одновременной передачи накопленной в дросселе энергии сразу в несколько каналов ключи, подключающие его к выходным конденсаторам, в выключенном состоянии не должны проводить ток в обоих направлениях. Это означает, что неуправляемые диоды, используемые в традиционных преобразователях, в этой части схемы SIMO-преобразователей использовать нельзя, а при использовании MOSFET необходимо принимать меры для блокировки протекания тока через их паразитные антипараллельные диоды. 

Особенности микросхем MAX17270/71

Одними из немногих присутствующих на рынке многоканальных преобразователей, использующих технологию SIMO, являются выпускаемые компанией Maxim Integrated микросхемы MAX17270 и MAX17271. Эти приборы являются трехканальными импульсными преобразователями, специально разработанными для компактных портативных приложений с батарейным питанием. Данные преобразователи построены по понижающе-повышающей схеме, что позволяет получать на выходе каждого из каналов напряжение как больше, так и меньше первичного напряжения аккумуляторной батареи с КПД не хуже 85%. Для работы микросхем необходим единственный малогабаритный дроссель с индуктивностью 2,2 мкГн (рисунок 3). Такое решение, в конечном итоге, требует значительно меньшей площади печатной платы для размещения подсистемы питания по сравнению с вариантом, при котором выходные напряжения формируются отдельными преобразователями, и более высокого КПД, чем при использовании гибридного метода.

Рис. 3. Упрощенная схема включения MAX17270/71

Рис. 3. Упрощенная схема включения MAX17270/71

Как и все приборы производства Maxim Integrated, использующие технологию nanoPower, микросхемы MAX17270/71 имеют крайне малый ток собственного потребления, равный 0,85 мкА при работе только одного канала и 1,3 мкА при работе в трехканальном режиме. В выключенном состоянии микросхемы потребляют от источника питания ток, не превышающий 330 нА.

Во время работы преобразователи MAX17270/71 используют метод управления по току, при этом единственный дроссель работает в граничном режиме. Максимальное значение тока дросселя программируется для каждого канала индивидуально либо с помощью внешнего резистора (MAX17270), либо через интерфейс I2C (MAX17271).

Микросхемы MAX17270/71 доступны в двух видах 16-выводных квадратных корпусов: TQFN с размерами 3х3х0,75 мм и сверхкомпактном WLP с размерами всего 1,77х1,77х0,5 мм.

Ключевые особенности микросхем MAX17270/71:

  • трехканальная понижающе-повышающая схема на основе единственного дросселя;
  • диапазон входного напряжения 2,7…5,5 В;
  • диапазон выходного напряжения каждого канала 0,8…5,175 В;
  • крайне малый ток собственного потребления, составляющий 1,3 мкА при работе всех каналов и 330 нА в выключенном состоянии;
  • высокое значение КПД, достигающее 85% при выходном напряжении 3,3 В;
  • возможность гибкой настройки выходного напряжения и максимального тока дросселя с помощью внешних резисторов (MAX17270) или через интерфейс I2C (MAX17271);
  • высокая надежность за счет встроенных защитных функций: плавного запуска, защиты от перегрузки по току и перегрева;
  • два вида корпусов: TQFN (3х3х0,75 мм) и WLP (1,77х1,77х0,5 мм).

Микросхемы MAX17270/71 имеют практически одинаковые электрические характеристики и отличаются только методами управления. Силовая часть обеих микросхем состоит из основного силового узла (Main Power Stage) и трех синхронных выходных ключей (Synchronous Rectifier) на основе полевых транзисторов с узлами блокировки протекания тока через их антипараллельные диоды (рисунки 4 и 5). Единственный внешний накопительный дроссель с индуктивностью 2,2 мкГн подключается к выводам LXA и LXB. Кроме обязательных входных и выходных фильтрующих конденсаторов, для корректной работы микросхем MAX17270/71 требуются еще два дополнительных внешних элемента: конденсатор фильтра питания узла контроля аналоговых сигналов, подключаемый между выводом VSUP и общим проводом, и необходимый для управления транзисторами верхних плеч бутстрепный конденсатор, подключаемый к выводам LXB и BST.

Рис. 4. Структурная схема микросхем MAX17270/71

Рис. 4. Структурная схема микросхем MAX17270/71

Рис. 5. Типовая схема включения MAX17270 (а) и MAX17271 (б)

Рис. 5. Типовая схема включения MAX17270 (а) и MAX17271 (б)

В микросхеме MAX17270 управление процессом преобразования осуществляется с помощью внешних прецизионных резисторов, подключаемых к выводам RSEL1…RSEL3. Путем выбора сопротивлений этих резисторов можно одновременно установить выходное напряжение и максимальный ток дросселя каждого из каналов (таблица 1). Кроме того, любой канал можно оперативно включить или выключить путем подачи соответствующего логического сигнала на выводы EN1…EN3.

Таблица 1. Зависимость выходного напряжения канала и максимального тока дросселя от сопротивления резистора RSEL

Сопротивление резистора RSEL, кОм Выходное напряжение, В Максимальный ток дросселя, А Сопротивление резистора RSEL, кОм Выходное напряжение, В Максимальный ток дросселя, А
∞ (обрыв) 0,8 0,6 56,2 0,8 1,1
909 0,9 0,6 47,5 0,9 1,1
768 1,0 0,6 40,2 1,0 1,1
634 1,1 0,6 34 1,1 1,1
536 1,2 0,6 28 1,2 1,1
452 1,35 0,6 23,7 1,35 1,1
383 1,5 0,6 20 1,5 1,1
324 1,8 0,6 16,9 1,8 1,1
267 2,2 0,6 14 2,2 1,1
226 2,5 0,6 11,8 2,5 1,1
191 2,8 0,6 10 3,0 1,1
162 3,0 0,6 8,45 3,3 1,1
133 3,3 0,6 7,15 3,6 1,1
113 3,6 0,6 4,99 4,1 1,1
80,6 4,1 0,6 0 (короткое замыкание) 4,6 1,1
66,5 4,6 0,6

В отличие от MAX17270, микросхема MAX17271 имеет возможность более гибкого управления процессом преобразования, осуществляемым с помощью интерфейса I2C. Из элементов оперативного управления она имеет только вывод ON, отвечающий за включение силовой части, и вывод сброса RESET, позволяющий установить значения внутренних регистров в исходное состояние. Кроме того, микросхема MAX17271 имеет выход RSTB, выполненный по схеме с открытым стоком, который переводится в состояние с высоким импедансом при появлении выходного напряжения на всех трех каналах. Все остальное управление MAX17271, в том числе установка выходного напряжения и максимального тока дросселя каждого канала, очередность включения и выключения каналов, использование внутренних разрядных резисторов, длительность задержек срабатывания защит и настройка других функций, осуществляется программным способом через интерфейс I2C.

В процессе работы схема управления следит за входными напряжениями каждого канала. Ключевым событием для выполнения очередного цикла преобразования является уменьшение выходного напряжения ниже определенного порогового значения, то есть, фактически, в микросхемах MAX17270/71 реализован гистерезисный метод управления. При наступлении данного события производится как минимум один цикл преобразования, при котором накопительный дроссель вначале заряжается до тока, предустановленного с помощью резисторов RSELx (для MAX17270) или через интерфейс I2C (для MAX17271), а затем передает накопленную энергию в соответствующий выходной конденсатор (рисунок 6). Если по завершении этого процесса выходное напряжение увеличилось, то преобразование в данном канале временно прекращается до момента следующего снижения напряжения до порогового уровня. Такой метод управления позволяет поддерживать выходные напряжения в заданных пределах независимо от токов нагрузки как в своем, так и в соседних каналах, не допуская больших провалов или перенапряжений.

Рис. 6. Диаграммы работы MAX17270/71 в различных режимах

Рис. 6. Диаграммы работы MAX17270/71 в различных режимах

Поскольку единственный накопительный дроссель используется всеми каналами по очереди, то максимальная выходная мощность каждого канала зависит от текущей нагрузки других каналов. Наименьшее значение выходной мощности на конкретном выходе будет при максимальной нагрузке на других каналах, а максимальное – при отсутствии нагрузки на других выходах. 

Средства разработки

Для ускорения выхода продукции на рынок компания Maxim Integrated предлагает разработчикам максимальную поддержку, заключающуюся в предоставлении всей необходимой технической документации. Кроме того, на официальном сайте компании присутствуют математические модели, с помощью которых можно изучить электрические процессы разрабатываемых схем в специализированных средах разработки: автономной EE-Sim® OASIS Simulation Tool на основе ядра SIMPLIS® и в онлайн-среде EE-Sim Design and Simulation Tool. Обе среды ориентированы на разработку импульсных источников питания и позволяют на основе предлагаемых шаблонов собрать виртуальный аналог разрабатываемой схемы менее чем за 5 минут.

Для практической оценки возможностей микросхем MAX17270/71 компания Maxim Integrated предлагает специализированные отладочные платы. Для микросхем MAX17270 доступна отладочная плата MAX17270EVKIT (рисунок 7а), а для микросхем MAX17271 – MAX17271EVKIT (рисунок 7б). Обе платы состоят из двух независимых частей, содержащих одну и ту же микросхему (MAX17270 или MAX17271 соответственно), но изготовленную в двух разных корпусах: TQFN и WLP. Кроме основных микросхем на платах уже установлены все необходимые пассивные компоненты (резисторы, дроссели, конденсаторы и прочее), необходимые для быстрого начала работы с преобразователями.

Рис. 7. Внешний вид отладочных плат: а) MAX17270EVKIT; б) MAX17271EVKIT

Рис. 7. Внешний вид отладочных плат: а) MAX17270EVKIT; б) MAX17271EVKIT

Так, например, на каждой из частей платы MAX17270EVKIT присутствуют по три комплекта, состоящих из трех резисторов, подключаемых к выводам RSELx с помощью джамперов, что позволяет установить одно из трех фиксированных выходных напряжений для каждого канала. Джамперы также подключены и к выводам EN1…EN3, что позволяет быстро включить или отключить любой из каналов микросхемы.

Поскольку основное управление микросхемами MAX17271 осуществляется с помощью I2C, то на плате MAX17271EVKIT установлены два независимых преобразователя интерфейсов, позволяющих подключить платы к персональному компьютеру через порт USB с помощью кабеля, входящего в отладочный комплект. На официальном сайте Maxim Integrated также можно скачать последнюю версию специализированного программного обеспечения, работающего под управлением Windows XP, 7/8/8.1/10 и позволяющего быстро настроить микросхему. 

Заключение

Разработка современных миниатюрных портативных устройств с батарейным питанием при использовании решений Maxim Integrated перестает быть сложной задачей в первую очередь за счет использования технологий SIMO и nanoPower. При этом ключевой особенностью использования микросхем MAX17270/71 является не только гарантия высоких технических характеристик, максимально возможных для данных приложений значений КПД и удельной мощности, но и высокая скорость освоения этих продуктов благодаря всесторонней поддержке разработчиков.

Дополнительные материалы:

Статьи:

  1. Технология Maxim Integrated nanoPower: когда малый IQ имеет преимущества
  2. Контроль в спящем режиме: повышение КПД батарейного питания с помощью DC/DC MAX17225 nanoPower
  3. DC/DC-преобразователи: принципы работы и уникальные решения MaximIntegrated
  4. Измерение мощности в режиме реального времени с помощью ИС регистратора потребляемой мощности
  5. Увеличение времени работы портативной электроники с помощью преобразователя на основе SIMO
  6. Борцы SIMO: особенности применения SIMO-преобразователей Maxim
  7. Выбор SIMO PMIC-преобразователя для проекта портативного устройства
  8. Увеличение энергоэффективности портативных устройств при помощи SIMO PMIC-преобразователей

Новости

  1. MAX17222 — длинная жизнь для маленьких вещей
  2. MAX38640/1/2/3 – понижающие конвертеры семейства NanoPower с ультранизким током потребления
  3. MAX17270 – преобразователь NanoPower SIMO PMIC для IoT с ультранизким потреблением

 

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX17270ETE+T (MAX)
MAX17270ETE+ (MAX)
MAX17270AENE+T (MAX)
MAX17270ENE+T (MAX)
MAX17270EVKIT# (MAX)
MAX17270ENE+ (MAX)
MAX17271ENE+T (MAX)
MAX17271ETE+T (MAX)
MAX17271ETE+ (MAX)
MAX17271EVKIT# (MAX)
MAX17271ENE+ (MAX)