Понижающие DC/DC с интегрированным ключом для промышленной автоматики

11 апреля 2008

Преобразователь DC/DC — со встроенным ключом представляет собой интегральную схему (ИС), в которую входит ШИМ-контроллер, контур стабилизации напряжения, драйвер транзисторного ключа и собственно транзисторный ключ (обычно полевой МОП-транзистор). Кроме того, у такой ИС могут поддерживаться такие возможности, как дистанционное включение/отключение, сигнализация выхода выходного напряжения из режима стабилизации (выход «POWER GOOD») и др.

Понижающие DC/DC-преобразователи, которые могут использоваться для локализованной к нагрузке стабилизации напряжения (Point of Load) компания TI выделила в отдельное семейство SWIFTTM. Проектирование на основе таких стабилизаторов существенно облегчается за счет использования бесплатного ПО SWIFT Designer.

Далее DC/DC-преобразователи будут рассмотрены в контексте их возможных применений в устройствах промышленной автоматики.

Понижающие DC/DC-преобразователи с широким диапазоном входного напряжения

Стабилизация изменяющегося в широких пределах напряжения является одной из самых распространенных задач, с которой сталкиваются разработчики устройств промышленной автоматики. Действительно, в таких применениях обычно доступно либо переменное напряжение 18/24/36 В, либо постоянное 5/12 В — 24/48 В, в т.ч. напряжения батарейных источников питания. Понижение этих напряжений с помощью линейных стабилизаторов, которым свойственна максимальная простота схемы включения и низкая стоимость, ограничено токами нагрузками до 100 мА или связано с необходимостью использования громоздкого и дорогостоящего теплоотвода. Таким образом, при более высоких токах нагрузки применение импульсных стабилизаторов является более оправданным.

Ассортимент преобразователей с широким входным диапазоном представлен в табл. 1 (новинки выделены красным цветом).

Таблица 1. Понижающие DC/DC-преобразователи с широким диапазоном входного напряжения

Наименование Входное
напряжение, В
Выходное
напряжение, В
Макс. ток нагрузки, А Fпр., кГц Корпус
TL2575/HV-xx 4,75…40 (60) 3,3/5/12/15
1,23…37 (57)
1 52 5/TO-263
TPS5410 5,5…36 1,23…31 1 500 8/SOIC
TPS5420 5,5…36 1,23…31 2 500 8/SOIC
TPS5430 5,5…36 1,23…31 3 500 8/SOIC
TPS5450 5,5…36 1,22…31 5 500 8/SOIC
TPS5435x 4,5 (6,3)…20 1,2/1,5/1,8/2,5/3,3/(5)
0,9…12,36
3 700 16/HTSSOP
TPS54283/6
TPS54383/6
4,5…28 2 x 0,8…25,2 2 + 2
3 + 3
300/600 14/HTSSOP
TPS54550 4,5…20 0,9…12 6 700 16/HTSSOP
TPS6211x 3,1…17 3,3/5
1,2…16
1,5 1000 16/QFN
Наименование Сравнение с конкурирующими решениями
Наименование Производитель Преимущества TI
TL2575/HV-xx LM2575/H NSC Совместимая по расположению выводов замена
TPS5410 LM2675 NSC Повышенная частота преобразования (500 кГц)
L5970D ST Повышенная частота преобразования (500 кГц), пониженное собственное потребление
MIC4690 Micrel Повышенный КПД (до 92%), более высокое макс. входное напряжение
TPS5420   L5973D ST Повышенная частота преобразования (500 кГц), пониженное собственное потребление
LM25005 NSC Повышенный КПД (до 93%), более низкое входное напряжение
TPS5430   LM2676 NSC Повышенная частота преобразования (500 кГц), улучшенные тепловые характеристики
LM2696 NSC Повышенная частота преобразования (500 кГц), улучшенные тепловые характеристики
MIC4576 Micrel Повышенная частота преобразования (500 кГц), улучшенный КПД (до 93%)
TPS5450
TPS5435x LT1765 LTC Повышенный КПД (до 92%), улучшенный разброс  (1%)
TPS54283/6
TPS54383/6
TPS54550 LM2677 NSC Повышенная частота преобразования (700 кГц), более компактный корпус
LM2678 NSC Повышенная частота преобразования (700 кГц), улучшенный КПД (>90%), более компактный корпус
TPS6211x LM2734 NSC Повышенный КПД (до 95%), пониж. собственное потребление, экономичный режим работы
MIC2179 Micrel Повышенная частота преобразования (1 МГц), более компактный корпус, экономичный режим работы

 

Там же приведена информация о ближайших аналогах и преимуществах предложения TI. Информация по, вероятно, наиболее привлекательному для разработчиков семейству стабилизаторов TPS54х0, который при размещении в миниатюрном 8-выводном корпусе SOIC характеризуется верхней границей входного диапазона 36 В и большим выходным током 1…5 А, уже публиковалась на страницах журнала [1], поэтому здесь более подробно остановимся на следующем (по верхней границе входного диапазона) преобразователе, а точнее семействе двухканальных преобразователей TPS54x83/6. Благодаря широкому входному диапазону и возможности регулировки выходного напряжения от 0,8 В, данные стабилизаторы могут использоваться в различных применениях, например:

  • преобразование напряжения 24 В в 12 В для питания устройств сопряжения и 5 В для питания микроконтроллера;
  • преобразование напряжения 12 В в 5 В и 3,3 В в микропроцессорных системах со смешанным питанием;
  • преобразование напряжения 5 В в 3,3 В и 1,2 В в цифровых системах с раздельным питанием логического ядра и интерфейсов ввода-вывода.

Подробные принципиальные электрические схемы для каждого из этих применений приводятся в документации [2], здесь же ограничимся упрощенной схемой включения (рис. 1).

 

Укрупненная схема включения двухканальных DC/DC-преобразователей TPS54x8x

 

Рис. 1. Укрупненная схема включения двухканальных DC/DC-преобразователей TPS54x8x

Благодаря внутренней установке частоты преобразования (Fпр), параметров плавного запуска и интегрированию схемы компенсации контура стабилизации напряжения, преобразователь достаточно прост в применении и требует минимально необходимое число внешних компонентов. Кроме того, преобразование на достаточной большой частоте (300/600 кГц) позволит даже при работе с максимальным перепадом напряжения использовать дроссели индуктивностью менее 50 мкГн, что существенно удешевит 2…3-амперные каскады электропитания. Оба канала оснащены защитой от токовой перегрузки, причем порог ее срабатывания в первом канале фиксированный (3 А и 4,5 А у 2- и 3-амперных версий, соответственно), а во втором — задается через вывод ILIM2: соответственно, 4,5 А и 1,5 А (ILIM2 соединен с BP), 3 А (ILIM2 оставлен неподключенным) и 1,5 А (ILIM2 соединен с GND). Особую гибкость данному преобразователю придает раздельное расположение входов питания каждого канала. Это делает возможным питать каждый канал разными напряжениями или организовать каскадное питание, когда выход одного преобразователя питает вход другого. Однако при этом необходимо учитывать, что внутренний стабилизатор напряжения, питающий всю внутреннюю логику, в т.ч. схему блокировки при снижении напряжения (порог 4,1 В), получает питание с вывода PVDD2. Из этого вытекает требование для раздельного или каскадного питания: напряжение на входе PVDD2 должно быть выше напряжения на входе PVDD1. Также необходимо, чтобы до нарастания напряжения на PVDD1 напряжение на входе PVDD2 пресекло порог блокировки при снижении напряжения.

При построении каскада питания цифровых схем, требующих формирования напряжений питания в определенной последовательности, поможет функция программирования через вывод SEQ режимов формирования выходных напряжений: два последовательных и один раздельный или одновременный (см. табл. 2).

Таблица 2. Режимы формирования выходных напряжений

Подключение
вывода SEQ
Режим формирования
выходных напряжений
Вывод EN1 Вывод EN2
BP Последовательный: вначале выход 2, а затем 1 Активен только если разрешена работа 2-ого канала (через вывод EN2). Активен
GND Последовательный: вначале выход 1, а затем 2 Активен Активен только если разрешена работа 1-ого канала (через вывод EN1).
не подключен Независимый или одновременный Для одновременности выхода на режим стабилизации выводы EN1 и EN2 нужно соединить вместе

При последовательном формировании напряжений задержка активизации «ведомого» канала составляет приблизительно 400 мкс относительно момента выхода в режим стабилизации «ведущего» канала. Если выбран независимый режим, и выводы EN1 и EN2 соединены вместе, то формирование напряжений будет происходить с сохранением постоянства их соотношений. Благодаря этому достигается одномоментность выхода в режим стабилизации обоих каналов.

Низковольтные DC/DC-преобразователи для понижения напряжения шин +3,3 и +5,0 В

Такие преобразователи необходимы в устройствах, где используются низковольтные микропроцессоры, ЦПОС, программируемая логика, специализированные СБИС (ASIC) и/или синхронные динамические ОЗУ, и применяется архитектура распределенного питания от шин напряжением +3,3 В или +5,0 В. TI предлагает большой ассортимент преобразователей для таких применений (табл. 3).

Таблица 3. Низковольтные понижающие DC/DC-преобразователи

Наимено-
вание
Входное
напря-
жение, В
Выходное
напряжение,
В
Макс.
ток
нагрузки,
А
Fпр.,
кГц
Корпус Особенности
TPS40222 4,5…8 0,8…0,9 Vвх 1,6 1250 6/SON Малый 6-выв. корпус  (3х3 мм)
TPS54010 2,2…4 0,9…2,5 14 700 28/HTSSOP Встроенный синхронный выпрямитель
TPS54073 2,2…4 0,9…2,5 14 700 28/HTSSOP Функция блокировки втекания тока во время запуска
TPS54110 3…6 0,9…4,5 1,5 700 20/HTSSOP Встроенный синхронный выпрямитель
TPS5431x 3…6 0,9/1,2/1,5/1,8/
2,5/3,3 0,9…3,3
3 700 20/HTSSOP Встроенный синхронный выпрямитель
TPS54317 3…6 0,9…3,3 3 1600 24/QFN Встроенный синхронный выпрямитель
TPS54373 3…6 0,9…3,3 3 700 20/HTSSOP Функция блокировки втекания тока во время запуска
TPS54377 3…6 0,9…3,3 3 1600 24/QFN Функция блокировки втекания тока во время запуска
TPS54380 3…6 0,9…4,5 3 700 20/HTSSOP Функция отслеживания напряжения
TPS5461х 3…6 0,9/1,2/1,5/1,8/
2,5/3,3 0,9…4,5
6 700 28/HTSSOP Встроенный синхронный выпрямитель
TPS54672/3
TPS54872/3
3…6 0,2/0,9…4,5 6 8 700 28/HTSSOP Функция отслеживания напряжения/блокировки втекания тока во время запуска
TPS54680
TPS54880
3…6 4…6 0,9…4,5 0,9…3,3 6 8 700 28/HTSSOP Функция отслеживания напряжения при подаче/снятии питания
TPS54810
TPS54910
4…6 3…4 0,9…3,3 0,9…2,5 8 9 700 28/HTSSOP Встроенный синхронный выпрямитель, разброс 1%
TPS54972/3 3…4 0,2/0,9…4,5 9 700 28/HTSSOP Функция отслеживания напряжения/ блокировки втекания тока во время запуска
TPS54974 2,2…2,8 0,9…2,0 9 700 28/HTSSOP Встроенный синхронный выпрямитель, разброс 1%
TPS54980 3…4 0,9…2,5 9 700 28/HTSSOP Функция отслеживания напряжения
TPS6200х 2…5,5 0,9/1/1,2/1,5/1,8/
1,9/2,5/3,3 0,9…5
0,6 1000 10/MSOP КПД 95%
TPS6202х
TPS6204х
2,5…6 3,3/0,7…6 1,5/1,6/1,8/3,3/0,7…6 0,6 1,2 1500 10/MSOP-PPAD, 10/SON КПД 95%, два выборочных режима работы: экономичный при малых токах нагрузки и режим с постоянной частотой преобразования
TPS6205х 2,7…10 1,5/1,8/3,3/0,7…6 0,8 1000 10/MSOP Совместимость с большинством аккумуляторных батарей: 1…2 х Li-Ion, 3…5 х NiMH/NiCd
TPS6210х 2,5…9 0,8…8 0,5 600…2500 8/SOIC Три режима работы: автоматический, отключение, постоянная частота преобразования
TPS6220х 2,5…6 0,7…6/1,2/1,5/1,6/ 1,8/1,875/2,5/3,3 0,3 1500 5/SOT-23 КПД 95%, миниатюрный корпус
TPS6222х 2,5…6 1,2/1,5/1,6/1,8/
1,875/2,3 0,7…6
0,4 1850 5/SOT КПД 95%, собств. потребление 15 мкА, миниатюрный корпус
TPS6224х 2…6 0,6…6 0,3 2250 6/SON Миниатюрный корпус с размерами 2х2 мм
TPS6226х 2…6 1,2/1,8/2,5/0,6…6 0,6 2250 6/SON Миниатюрный корпус с размерами 2х2 мм
TPS62270 2…6 0,6…6 0,4 2250 6/SON Миниатюрный корпус с размерами 2х2 мм
TPS6229х 2,3…6 1,8/3,3/0,6…6 1 2250 6/SON Миниатюрный корпус с размерами 2х2 мм
TPS6230х
TPS6231х
2,7…6 1,2/1,5/1,6/1,8/
1,875 0,6…5,4
0,5 3000 10/SON, 8/DSBGA Доступность в корпусах QFN и Chip-Scale
TPS6232х 2,7…6 0,6…5,4/1,5 0,5 3000 10/SON, 8/DSBGA Доступность в корпусах QFN и Chip-Scale
TPS6235х 2,7…5,5 0,75…1,975 1 3000 12/DSBGA Динамич. масштабирование напряжения через интерфейс I2C
TPS6240х
TPS62410
TPS62420
2,5…6 2 х 0,6…6 0,4 + 0,6 0,8 + 0,8 0,6 + 1 2250 10/SON 2 канала в миниатюрном корпусе, 1-пров.интерфейс EasyScale
TPS62510 1,8…3,8 0,6…3,8 1,5 1500 10/SON КПД 97%, работа от очень малого входного напряжения
TPS62700 2,7…5,5 1,3…3,09 0,65 2000 8/DSBGA Стабилизатор для РЧ усилителей мощности
TPS6502х 2,5…6 3 х 0,6…Vвх 1,2 + 1 + 0,8 1500 40/QFN 3xDC/DC-преобраз. + 3x LDO; I2C интерфейс; динамич. масштабирование напряжения; для систем с питанием от Li-Ion
TPS6505х 2,5…6 0,6…2,5 + 0,6…2,5 3,3+1/1,3 0,6…2,5 + 1,3/1,05 0,6+0,6 1+0,6 2250 32/QFN 2xDC/DC-преобраз. + 4x LDO в корпусе с размерами 4 мм х 4 мм

В него вошли преобразователи с входным диапазоном от 1,8 до 10 В, выходным током до 14 А, частотой преобразования до 3 МГц (многие поддерживают возможность ее регулировки), со встроенным синхронным выпрямителем (заменяет внешний диод Шоттки и улучшает КПД преобразования), с поддержкой специальных возможностей для многоканальных каскадов электропитания (управление последовательностью формирования напряжений или отслеживание напряжений), с цифровым интерфейсом управления (в т.ч. для динамического масштабирования напряжения, которое необходимо для оптимизации энергопотребления некоторых микропроцессоров) и др. Многим преобразователям свойственно сочетание высокого КПД преобразования (более 90%), малого собственного потребления (менее 20 мкА) и размещения в миниатюрных корпусах с улучшенным рассеиванием тепла. Такие особенности преобразователей позволяют использовать их для понижения напряжений литиево-ионных аккумуляторов и 3…5-элементных никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторных батарей. Однако для таких применений необходимо отдавать предпочтение преобразователям, поддерживающих 100%-ое заполнение импульсов, когда встроенный ключ полностью открыт. Это позволит максимально полно использовать энергию батарейного источника.

Ранее на страницах журнала [3] уже публиковалась информация по некоторым из представленных в табл. 3 преобразователям, в т.ч. TPS6220x, TPS623хх и TPS6240x, поэтому, здесь в качестве дополнения этой информации приводится пример построения стабилизатора напряжения 1,8 В, питаемый от шины 3,3 В (рис. 2).

 

Пример высоконадежного стабилизатора напряжения 1.8 В, питаемого от шины 3.3 В

 

Рис. 2. Пример высоконадежного стабилизатора напряжения 1.8 В, питаемого от шины 3.3 В

Этот стабилизатор обеспечит надежность электропитания потребителей и длительный срок безотказной работы всей системы благодаря таким функциям, как блокировка формирования выходного напряжения до установления входного напряжения к номинальному уровню; плавный старт, ограничивающий пусковые токи и блокировка втекающего тока во время запуска, обеспечивающей возможность запуска с предварительно смещенной нагрузкой.

Понижающие DC/DC-преобразователи для питания микроконтроллеров MSP430

Большое число средств промышленной автоматики выполняются на основе не столь высокопроизводительных и энергоемких цифровых ИС, как перечислялись выше, а с использованием более прозаичных 8/16-битных микроконтроллеров, характеризующихся более низким энергопотреблением и не предъявляющих особых требований к управлению электропитанием, как, например, динамическое масштабирование напряжения или формирование напряжений в заданной последовательности. Однако построение высоконадежного, компактного и эффективного стабилизатора здесь также остается актуальным. Среди представленных в табл. 3 преобразователей TI выделяет несколько семейств (рис. 3), которые рекомендуется использовать для питания их 16-битных микроконтроллеров из семейства MSP430 [4].

 

Понижающие DC/DC-преобразователи для питания микроконтроллеров MSP430

 

Рис. 3. Понижающие DC/DC-преобразователи для питания микроконтроллеров MSP430

Если учесть, что принципы питания микроконтроллеров разных производителей, в т.ч. 8- и 32-битных, принципиально не различаются, то эти преобразователи могут с таким же успехом применяться и для питания других популярных микроконтроллеров.

Таким образом, компания Texas Instruments выпускает обширный ассортимент интегральных схем понижающих DC/DC-преобразователей, позволяющих решить широкий круг задач, связанных с реализацией высоконадежных каскадов электропитания устройств промышленной автоматики, охватывая диапазон входных напряжений до 60 В и токов нагрузки до 14 А. Преобразователи характеризуются простотой применения, малыми размерами конечного решения и высоким КПД преобразования. По отношению к конкурирующим решениям преобразователям TI свойственна более высокая частота преобразования, что позволит сократить размеры и снизить стоимость конечного решения. Ряд преобразователей поддерживается бесплатным программным обеспечением для синтеза и анализа схем импульсных источников питания, что еще больше упрощает проектирование и снижает риск принятия неправильных решений еще на начальных фазах проектирования.

Более детальную информацию по рассмотренным DC/DC-преобразователям можно получить, посетив специальный раздел сайта их производителя http://power.ti.com, который посвящен продукции для построения узлов электропитания.

 

Ссылки:

1. Цветков Д. Понижающие DC/DC-преобразователи Texas Instruments со встроенным ключом //Новости электроники, №14, 2007 г., С. 7-9.

2. TPS54383, TPS54386: 3-A DUAL NON-SYNCHRONOUS CONVERTER WITH INTEGRATED HIGH-SIDE MOSFET//Data Sheet, Texas Instruments Incorporated, lit.num. SLUS774B, 2007, P. 33-44.

3. Староверов К. DC/DC-преобразователи со встроенным ключом от Texas Instruments //Новости электроники, №18, 2007 г., С. 3-7.

4. MSP430 Ultra-Low-Power MCU Power Management Reference Guide//Lit. num. SLYT218, Texas Instruments Incorporated, 1Q 2006, P. 3.

Ответственный за направление в КОМПЭЛе — Мария Рудяк

 

TI Новые Двухканальные DC/DC-преобразователи

 

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail: analog.vesti@compel.ru  

 

Новые коммутаторы стандарта DisplayPort c преобразователями уровня HDMI/DVI

Компания Texas Instruments представила три компактных устройства для стандарта цифрового видеоинтерфейса DisplayPort, бесплатно распространяемого Асооциацией стандартов видеоэлектроники (VESA). Эти микросхемы обеспечивают связь между персональными компьютерами и видеодисплеями. Обладая низким энергопотреблением, они обеспечивают скорость передачи данных до 2,7 Гбит/сек, что помогает согласовать скорости стандарта DisplayPort и мультимедийного интерфейса HDMI, обычно используемого для соединения настольных компьютеров, ноут-буков и dock-станций с DLP-проекторами, компьютерными мониторами и цифровыми телевизорами.

Устройства SN75DP122, SN75DP128 и SN75DP129 имеют один двухрежимный вход для сигнала DisplayPort и регулируемые выходы для соединения с широким набором устройств. Двойной режим означает способность графического процессора (GPU) передавать сигналы как стандарта DisplayPort, так и HDMI/DVI по сигнальной шине DisplayPort, одновременно поддерживая необходимые сигналы управления.

Преобразователь SN75DP129 имеет один двухрежимный вход DisplayPort и один выход дифференциального сигнала TMDS. Эта возможность позволяет пользователю подключать компьютер с выходом DisplayPort к мониторам, оснащенным DVI-входами.SN75DP128 высококачественный коммутатор с одним входом DisplayPort и одним или двумя выходами DisplayPort. Это устройство может использоваться при соединении c dock-станциями.

SN75DP122 имеет один вход DisplayPort в сочетании с выходом DisplayPort или выходом TMDS с преобразованием уровня, что обеспечивает гибкое соединение с монитором или телевизором.

имеет один вход DisplayPort в сочетании с выходом DisplayPort или выходом TMDS с преобразованием уровня, что обеспечивает гибкое соединение с монитором или телевизором.

Устройства SN75DP122 и SN75DP128 выпускаются в корпусе QFN с 56 выводами, SN75DP129 — в корпусе QFN с 36 выводами.

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонен ...читать далее