DC/DC и обвязка в мини-корпусе: модульные импульсные преобразователи Texas Instruments

26 мая 2016

управление питаниемответственные примененияTexas InstrumentsстатьяDC-DC

Тенденция последнего времени по интегрированию компонентов импульсных преобразователей в миниатюрный корпус позволяет существенно снизить финансовые и временные затраты на разработку, а также повысить надежность и улучшить характеристики разрабатываемых устройств. В передовых рядах здесь выступает компания Texas Instruments с миниатюрными DC/DC-преобразователями в корпусах MicroSIP и MicroSIL, а также – с семейством модулей SimpleSwitcher.

Одним из узлов, имеющихся в каждом устройстве, является источник питания. Нередко от его качества зависит возможность реализации многих критических параметров изделия. Выбор оптимального решения при построении источника питания является непростой задачей, так как часто необходимо определенное техническое решение, не выходящее за рамки бюджета и в границах отведенного для этого места. Ключом к такому решению является выбор правильной архитектуры источника питания и используемых в нем компонентов. Тенденция рынка к миниатюризации и возможности использования приборов без подключения к сетевому напряжению накладывает дополнительные ограничения на выбор компонентов. С одной стороны, необходимо уменьшить габариты используемых компонентов, с другой – повысить КПД, чтобы увеличить время работы от батареи. При этом сложность современных систем нередко требует одновременного наличия нескольких уровней напряжения питания с заданной последовательностью включения, рассчитанных на разные токовые нагрузки, что приводит к необходимости разветвленных источников с несколькими каскадами. Реализация таких решений возможна несколькими способами, каждый из которых представляет набор компромиссов между КПД, размером и конечной стоимостью.

Отдельный вопрос – выбор подходящей топологии источника питания. Традиционные линейные регуляторы достаточно просты и понятны в процессе разработки. Однако при больших мощностях нагрузки для их охлаждения необходимо дополнительное место на плате, а в некоторых случаях – дополнительное воздушное охлаждение. В противоположность этому импульсные источники достаточно привлекательны для многих применений с точки зрения их повышенного КПД. Большой КПД позволяет отказаться от дополнительного места для отвода тепла, при этом уменьшается общее энергопотребление, что увеличивает время работы от батареи в портативных системах. С другой стороны, наличие высокочастотных колебаний в импульсных источниках требует дополнительного уменьшения их возможного взаимодействия с остальной схемотехникой в изделии и ограничения влияния на входные цепи. Кроме того, при разработке импульсных источников не последнюю роль играет качество внешних компонентов и трассировка платы. Совокупность всех факторов приводит к увеличению сложности и времени разработки, отладки, проверки на соответствие стандартам разрабатываемых источников. Использование готовых модулей позволяет упростить процесс разработки.

Прогресс в полупроводниковой технологии совместно с усовершенствованием корпусирования сделал модули питания популярными и более доступными. Обладая высоким уровнем интеграции, модули питания позволяют упростить процесс разработки и выиграть место на печатной плате (рисунок 1).

Рис. 1. Эволюция в технологии корпусирования модулей питания

Рис. 1. Эволюция в технологии корпусирования модулей питания

Сегодня многие источники питания используют импульсное преобразование для получения необходимых выходных напряжений. Широкое распространение данный тип преобразования получил благодаря высокому КПД при относительно небольших размерах решения в сравнении с линейными преобразователями. Существует несколько типов импульсных преобразователей из одного напряжения по постоянному току в другое (DC/DC): повышающие, понижающие, понижающе-повышающие, инвертирующие. Использование различных типов преобразователей дает возможность реализовать источник питания с любым выходным напряжением независимо от величины входного напряжения. Несмотря на имеющиеся преимущества DC/DC-преобразователей, при их использовании необходимо учитывать и их особенности. Среди особенностей можно отметить сложность разработки (трудозатраты), количество компонентов, электромагнитное излучение (EMI), шумы, пульсации, скорость реакции на переходные процессы, устойчивость. Поэтому для большинства разработчиков проектирование преобразователей требует опыта и знаний, которые позволят получить изделие, соответствующее как техническим характеристикам, так и требованиям различных внешних стандартов. Не удивительно, что многие разработчики предпочитают использовать готовые решения, чтобы упростить процесс разработки блока источника питания.

Исследования показали, что при создании DC/DC-преобразователя решения с использованием готового модуля требуют на 45% меньше времени на разработку по сравнению с решениями на основе дискретных компонентов. Такой выигрыш во времени может стать решающим при выводе продукта на рынок, что позволит увеличить прибыль. В дополнение уменьшенное количество компонентов совместно с меньшим количеством шагов при монтаже помогает упростить процесс сборки, увеличить процент выхода годных изделий и улучшить общую надежность изделия. При расчете экономической составляющей не стоит забывать и о стоимости закупки и хранения компонентов изделия. Чем больше позиций в спецификации – тем больше дополнительных расходов несет предприятие за счет обслуживания и хранения каждой номенклатурной позиции. Так, благодаря уменьшению количества используемых в изделии компонентов, модули могут дать дополнительный выигрыш в цене за счет уменьшения стоимости владения.

Обзор модулей Texas Instruments

Компания Texas Instruments обладает одним из самых больших наборов микросхем для реализации различных систем управления питанием. На сегодняшний день в ее номенклатуре насчитывается более чем 200 модулей источников питания, где в один корпус с микросхемой преобразователя интегрированы индуктивность, силовой транзистор, цепи компенсации и другие пассивные элементы, что позволяет значительно упростить процесс разработки и производства и сократить время выхода на рынок. Благодаря специальной конструкции и использованию особых техник при корпусировании достигается высокая плотность упаковки компонентов.

При разработке корпусов особое внимание уделяется улучшению способов отвода тепла от активных элементов и соответствию стандартам электросовместимости (EMI). Для обеспечения хорошего отвода тепла от кристалла микросхемы в модулях применяется специальная рамка с широкими медными выводами. В свою очередь, хороший теплоотвод позволяет модулям работать в широком диапазоне температур, увеличивая надежность изделия. Все модули, выпускаемые компанией Texas Instruments, подвергаются проверке параметров по температуре, вибрациям, EMI и другим воздействиям для обеспечения максимального соответствия стандартам и различным условиям работы. Поэтому области применения таких модулей достаточно широки. Это системы связи, управления данными и офисным оборудованием, системы автоматизации зданий и промышленных систем, небольшие бюджетные системы, такие как датчики, бытовая и потребительская электроника и прочие портативные изделия. Существующие модули предназначены для работы в широком диапазоне входных напряжений 2,2…60 В и способны обеспечить стабильное выходное напряжение в при различных токовых нагрузках до 50 А (рисунок 2). Условно модули, выпускаемые TI, можно разделить на группы, исходя из типа корпуса и входных напряжений.

Рис. 2. Основные модули, выпускаемые компанией Texas Instruments

Рис. 2. Основные модули, выпускаемые компанией Texas Instruments

Миниатюрные модули

Рис. 3. Внешний вид корпусов MicroSIP и MicroSIL

Рис. 3. Внешний вид корпусов MicroSIP и MicroSIL

Для изделий, где габаритные размеры имеют первостепенное значение, Texas Instruments предлагает модули, выполненные в миниатюрных корпусах MicroSIP и MicroSIL (таблица 1). Модуль, выполненный в корпусе MicroSIP, представляет собой многослойную подложку с интегрированной в нее микросхемой управления питания и дополнительными пассивными элементами на верхней ее стороне и BGA-матрицей для пайки на нижней стороне. Такой подход позволяет вдвое уменьшить место, необходимое для размещения DC/DC-преобразователя на плате. При этом нет необходимости в дополнительных элементах, чтобы получить окончательный результат. Полученное решение занимает на плате место менее 7 мм2, а в высоту не превышает 1 мм. Другой разновидностью MicroSIP-корпуса является MicroSIL. Его основное отличие – это то, что в модуле из пассивных элементов используется только индуктивность, и поэтому необходимо использовать дополнительные входные и выходные конденсаторы. Кроме того, выводы для пайки тут не BGA, а аналогичные большинству QFN-корпусов, что во многих случаях существенно упрощает процесс монтажа. При этом конструктивное исполнение остается аналогичным MicroSIP: это многослойная плата с интегрированной микросхемой управления питанием и катушка индуктивности на верхней стороне платы (рисунок 3). Малые размеры в обоих случаях достигаются за счет работы преобразователей на частотах более 1 МГц, что позволяет использовать малые размеры элементов фильтра.

Таблица 1. Основные характеристики миниатюрных DC/DC-модулей

Наименование Выходной ток, макс, A Входное
напряжение, мин., В
Входное
напряжение, макс., В
Выходное
напряжение, мин., В
Выходное
напряжение, макс., В
Диапазон
рабочих температур, °С
Размер корпуса, ШхД
LMZ20501 1 2,7 5,5 0,8 3,6 -40…125 3,5х3,5
LMZ20502 2 2,7 5,5 0,8 3,6 -40…125 3,5х3,5
LMZ21700 0,65 3 17 0,9 6 -40…125 3,5х3,5
LMZ21701 1 3 17 0,9 6 -40…125 3,5х3,5
LMZ10500 0,65 2,7 5,5 0,6 3,6 -40…125 2,6х3,0
LMZ10501 1 2,7 5,5 0,6 3,6 -40…125 2,6х3,0
TPS82130 3 3 17 0,9 6 -40…125 2,8х3,0
TPS82084 2 2,5 6 0,8 6 -40…125 2,8х3,0
TPS8268120 1,6 2,5 5,5 1,2 1,2 -40…85 2,9х2,3
TPS8268180 1,6 2,5 5,5 1,8 1,8 -40…85 2,9х2,3
TPS82085 3 2,5 6 0,8 6 -40…125 2,8х3,0
TPS826716 0,6 2,3 4,8 1,6 1,6 -40…85 2,9х2,3
TPS8268090 1,6 2,5 5,5 0,9 0,9 -40…85 2,9х2,3
TPS8268105 1,6 2,5 5,5 1,05 1,05 -40…85 2,9х2,3
TPS8268150 1,6 2,5 5,5 1,5 1,5 -40…85 2,9х2,3
TPS826721 0,6 2,3 4,8 2,1 2,1 -40…85 2,9х2,3
TPS82740A 0,2 2,2 5,5 1,8 2,5 -40…85 2,3х2,9
TPS82740B 0,2 2,2 5,5 2,6 3,3 -40…85 2,3х2,9
TPS82692 0,8 2,3 4,8 2,2 2,2 -40…85 2,9х2,3
TPS826951 0,8 2,3 4,8 2,5 2,5 -40…85 2,9х2,3
TPS82697 0,8 2,3 4,8 2,8 2,8 -40…85 2,9х2,3
TPS82698 0,8 2,3 4,8 3 3 -40…85 2,9х2,3
TPS82693 0,8 2,3 4,8 2,85 2,85 -40…85 2,9х2,3
TPS826745 0,6 2,3 4,8 1,225 1,225 -40…85 2,9х2,3
TPS826765 0,6 2,3 4,8 1,05 1,05 -40…85 2,9х2,3
TPS826711 0,6 2,3 4,8 1,8 1,8 -40…85 2,9х2,3
TPS82670 0,6 2,3 4,8 1,86 1,86 -40…85 2,9х2,3
TPS82673 0,6 2,3 4,8 1,26 1,26 -40…85 2,9х2,3
TPS82695 0,5 2,3 4,35 2,5 2,5 -40…85 2,9х2,3
TPS82672 0,6 2,3 4,8 1,5 1,5 -40…85 2,9х2,3
TPS82674 0,6 2,3 4,8 1,2 1,2 -40…85 2,9х2,3
TPS82676 0,6 2,3 4,8 1,1 1,1 -40…85 2,9х2,3
TPS82677 0,6 2,3 4,8 1,2 1,2 -40…85 2,9х2,3
TPS82671 0,6 2,3 4,8 1,8 1,8 -40…85 2,9х2,3
TPS82675 0,6 2,3 4,8 1,2 1,2 -40…85 2,9х2,3
TPS82690 0,5 2,3 4,35 2,85 2,85 -40…85 2,9х2,3

Чтобы наряду с малыми габаритами обеспечить и другие технические параметры, такие как малый уровень пульсаций и высокая стабильность выходного напряжения, применяются дополнительные специальные методы.

Для обеспечения повышенного КПД при малых токовых нагрузках в модулях применяется специальный режим сохранения энергии (Power Save Mode, PSM, рисунок 4). Данный режим позволяет увеличить время работы от батареи, снижая ток потребления до минимума при малой токовой нагрузке. При этом преобразователь работает в режиме прерывистых токов с одиночными импульсами, что позволяет уменьшить выходные пульсации. В таком режиме преобразователь возобновляет свою работу при падении выходного напряжения ниже номинального и восстанавливает требуемое значение минимум за один пульс, после чего вновь переходит в режим PSM. В режиме PSM выходное напряжение немного превышает номинальное напряжение при ШИМ-управлении, но данный эффект можно уменьшить, увеличив выходную емкость. В некоторых устройствах, таких как модули TPS8267x, используется дополнительный вывод MODE, с помощью которого есть возможность отключить данный режим и принудительно перевести преобразователь в режим ШИМ-модуляции независимо от токовой нагрузки.

Рис. 4. КПД преобразователя при различной токовой нагрузке

Рис. 4. КПД преобразователя при различной
токовой нагрузке

Совместно с режимом сохранения энергии в большинстве микромодулей применяется DCS-управление – специальная схема управления преобразованием. Она объединяет в себе преимущества двух способов управления – гистерезисного и с обратной связью по напряжению. Основная цель данного способа – плавный переход из режима импульсной модуляции (ШИМ) в режим PSM, что дает ряд преимуществ. В частности, обеспечивается быстрый отклик на изменение нагрузки и входного напряжения при малых уровнях пульсации. При использовании DCS-управления на средних и высоких нагрузках применяется ШИМ, а на малых нагрузках микросхема переходит в режим PSM автоматически. Применение данной технологии позволяет применять небольшие и конкурентные по цене внешние компоненты.

Для обеспечения электромагнитной совместимости и соответствия требованиям внешних стандартов в модулях используется спектральная модуляция. Ее задача – распределить излучаемую высокочастотную энергию в широкой полосе частот, тем самым расширяя ее спектр и приближая его к спектру белого шума (рисунок 5). Полученный результат позволяет добиться непрерывного спектра с малой амплитудой, что дает возможность легко проходить проверку на электромагнитную совместимость и сводит к минимуму влияние присутствующих импульсов в изделиях, чувствительных к шумам.

Рис. 5. Изменение спектра при применении спектральной модуляции

Рис. 5. Изменение спектра при применении спектральной модуляции

Дополнительной особенностью, применяемой в модулях, является принудительный разряд выходного конденсатора при отключении модуля. Эта функция позволяет полностью контролировать выходное напряжение и избегать паразитных утечек и подпитывания внешних схем после отключения.

Комплекс технических решений, применяемых в микромодулях, совместно с высоким КПД в широком диапазоне токовых нагрузок делают эти модули хорошей альтернативой стандартным линейным регуляторам.

Семейство модулей SimpleSwitcher

Кроме модулей в миниатюрном исполнении, в номенклатуре Texas Instruments есть модули в выводных корпусах, предназначенные для более мощных применений – линейка модулей SimpleSwitcher. Данные модули идеальны для разработчиков, которые ищут простые в использовании решения с минимальным количеством внешних компонентов, без ущерба для качества и технических параметров.

Ключевыми особенностями применения данных устройств являются:

  • малое количество внешних элементов, необходимых для реализации решения;
  • доступность как в выводном исполнении, так и в QFN-корпусе;
  • лучшие в своем классе температурные характеристики и высокий КПД;
  • совместимость по выводам в линейке между микросхемами с различными токовыми нагрузками;
  • соответствие стандарту EN55022 (CISPR22) Class B по излучаемой электроэнергии и EMI.

В самом семействе DC/DC-модулей SimpleSwitcher можно выделить три отдельных линейки, для каждой из которых характерны свои особенности.

Модули линейки LMZ1 представляют собой понижающие DC/DC-преобразователи с минимальным функционалом, предназначенные для работы в диапазоне входных напряжений 2,95…42 В и при этом обеспечивающие выходное напряжение 0,8…24 В с максимальным током до 10 А (таблица 2). Для модулей линейки LMZ1 характерно наличие выводов разрешения и плавного пуска. Модули доступны в двух типоразмерах корпусов (14-выводном PFM либо 7-выводном TO-PMOD) и совместимы между собой по выводам. Для увеличения надежности в микросхемы встроены дополнительные функции защиты: тепловая защита, отключение при пониженном напряжении питания, защита от превышения питающего напряжения, защита от короткого замыкания нагрузки, ограничение выходного тока, начало работы с предварительным смещением выходного напряжения. В большинстве случаев для работы модулей LMZ1 достаточно пяти дополнительных внешних компонентов – двух резисторов и трех конденсаторов. В некоторых случаях может понадобиться наличие дополнительных элементов для управления уровнем включения модуля или изменения временных свойств внутреннего таймера (рисунок 6).

Рис. 6. Типовое включение LMZ14202

Рис. 6. Типовое включение LMZ14202

Таблица 2. Основные параметры микросхем линейки LMZ1

Наименование Диапазон входных напряжений, В Выходной ток, макс., А Диапазон выходного напряжения, В
LMZ10503/04/05 2,95…5,5 3/4/5 0,8…5
LMZ12001/02/03 4,5…20 1/2/3
LMZ14201/02/03 6…42
LMZ14201H/02H/ 03H 5…24
LMZ12008/10 6…20 8/10 0,8…5
LMZ13608/10 6…36

Следующая линейка модулей семейства DC/DC-преобразователей Simple Switcher DC/DC LMZ2 является продолжением линейки LMZ1 (таблица 3). Как и представители предыдущей линейки, микросхемы LMZ2 представляют собой синхронные понижающие преобразователи. Модули способны обеспечить выходные токи до 10 А при выходном напряжении в диапазоне 0,8…6 В. Основным отличием линейки LMZ2 является наличие дополнительного функционала, который позволяет обеспечить работу с токовыми нагрузками до 60 А в приложениях, чувствительных к шумам. Это обеспечивается за счет возможности параллельного использования нескольких модулей на одну нагрузку и синхронизации частоты преобразования в них.

Таблица 3. Основные характеристики линейки LMZ2

Наименование Диапазон входных напряжений, В Выходной ток, макс., А Диапазон выходного напряжения, В
LMZ22003/05 6…20 3/4 0,8…5
LMZ23603/05 6…36 0,8…6
LMZ22008/10 6…20 8/10
LMZ23608/10 6…36

Последней на сегодняшний день линейкой в семействе SIMPLE SWITCHER является линейка LMZ3 (таблица 4). Основное, что отличает данную линейку от других – использование низкопрофильного QFN-корпуса и расширенный дополнительный функционал. Примененный QFN-корпус позволяет достичь малого размера при низком профиле, при этом обеспечивается работа при входных напряжениях 2,95…60 В с выходными токами до 30 А на один корпус. Для стандартной работы модуля LMZ3 достаточно трех внешних элементов.

Таблица 4. Основные характеристики линейки L LMZ3

Наименование Диапазон входных напряжений, В Выходной ток, макс., А Диапазон выходного напряжения, В
LMZ30602/04/06 2,95…6 2/4/6 0,8…3,6
LMZ31503/06 4,5…14,5 3/6 0,6…5,5
LMZ31520/30 3…14,5 20/30 0,6…3,6
LMZ31704/07/10 2,95…17 4/7/10 0,6…5,5
LMZ35003 7…50 2,5 2,5…15
LMZ34002 4,5…40 2 -3…-17
LMZ36002 4,5…60 2 2,5…7,5

Кроме функций, которые в той или иной степени присутствуют в LMZ1 и LMZ2, в LMZ3 добавлен дополнительный вывод, который помогает отслеживать выходное напряжение (PowerGood), и дополнительный измерительный вывод (SENSE) (рисунок 7). Низкое цифровое напряжение на данном выводе PowerGood свидетельствует об отклонении выходного напряжения боле чем на ±10% от заданного значения. Использование дополнительного вывода SENSE позволяет компенсировать падение напряжения на проводах при больших токах, тем самым повысив точность установки заданного значения.

Рис. 7. Типовая схема включения LMZ36002

Рис. 7. Типовая схема включения LMZ36002

Заключение

Широкий выбор модулей питания Texas Instruments позволяет быстро решить ряд задач, связанных с миниатюризацией, одновременным использованием нескольких питающих напряжений, достижением высокого КПД. При этом обеспечивается высокая плотность компоновки при больших выходных токах до 30 А и широком диапазоне входных напряжений 2,3…60 В.

Литература

  1. http://www.ti.com/lit/pdf/sszy021.
  2. http://www.ti.com/lit/sg/slvt175a/slvt175a.pdf.


Получение технической информации
, заказ образцов, заказ и доставка.

TI_Simple_switcher_05_16

TPS61098 — новый повышающий DC/DC-регулятор с потреблением 300 нА

Новый повышающий DC/DC-преобразователь TPS61098DSET производства компании Texas Instruments предназначен для работы в автономных устройствах, получающих питание от батарей с рабочим диапазоном напряжений 0,7…4,5 В. Этот преобразователь отличается исключительно низким током собственного потребления, равным 300 нА.
Микросхема вырабатывает два коммутируемых напряжения и содержит встроенный отключаемый LDO с выходным напряжением 3,1 В. Выходной ток может достигать 200 мА. TPS61098DSET реализует специальную схему управления выходными напряжениями для режимов «Сон» и «Активный». Режим «Активный» используется в случае, когда требуются высокие параметры качества регулирования при токе нагрузки в десятки-сотни мА. Режим «Сон» оптимален при малом токе. В этом режиме микроконтроллер переходит в состояние пониженного энергопотребления. В режиме «Сон», когда нагрузка потребляет единицы мкА, напряжение на выходе TPS61098DSET поддерживается на минимальном рабочем уровне. При этом ток собственного потребления DC/DC-преобразователя снижается до 300 нА, что обеспечивает высокий КПД источника питания.
В активном режиме работы, когда напряжение на входе MODE = ”1″, TPS61098DSET поддерживает на выходе VMAIN напряжение 4,3 В. На выходе VSUB присутствует «чистое» стабильное напряжение 3,1 В после LDO. Когда внешний микроконтроллер переводит микросхему в режим «Сон» (MODE = ”0″), напряжение на выходе VMAIN поддерживается на минимальном рабочем уровне 2,2 В, а выход VSUB отключается. Благодаря двум режимам работы КПД преобразователя TPS61098DSET превышает 80% при токах нагрузки до 10 мкA и достигает 93% при токах нагрузки 5…100 мА. Точность установки выходного напряжения равна ±2%.
Микросхема выпускается в миниатюрном корпусе 1,5 × 1,5 мм WSON и может быть разведена на одном слое печатной платы.

•••

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 компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее