№4 / 2011 / статья 8

SWIFT™ – управляем питанием по-новому

Михаил Чигарев (КОМПЭЛ)

Выбор данного семейства преобразователей в качестве темы обсуждения обусловлен тем, что они подходят для широкого круга применений — от устройств с батарейным питанием до систем промышленной автоматики и телекоммуникационных устройств. Еще одной причиной выбора достаточно узкой тематики является то, что охватить все DC/DC-преобразователи в рамках одной статьи практически невозможно, на данный момент их у TI более 600! Мы попытаемся осветить общие критерии выбора того или иного преобразователя, некоторые проблемы, которые встают перед разработчиком при проектировании DC/DC-источника питания, показать интересные варианты их применения и технические особенности, которые отличают решения TI от решений других производителей.

Эволюция современных DC/DC-преобразователей идет по пути уменьшения габаритов конечного источника питания и повышения его эффективности. Требования по габаритам приводят к тому, что на рынке появляется все больше и больше преобразователей с высокой частотой преобразования (свыше 1 МГц) и MOSFET-ключом, расположенным на одном кристалле с контроллером. В первую очередь повышение частоты позволяет уменьшить габариты дросселя, однако при этом приходится ответственно подойти к выбору этого дросселя.

На практике на частотах преобразования свыше 300 кГц уже встает необходимость применения дросселей с особыми техническими характеристиками для обеспечения работы на высоких частотах. Компания Sumida, например, в своей линейке дросселей CDEP использует плоский провод с прямоугольным сечением для уменьшения скин-эффекта на высоких частотах. Отличным выбором высокочастотного дросселя является серия IHLP от компании Vishay, благодаря применению в них специальных неферритовых материалов удалось расширить диапазон рабочих частот до 5 МГц!

Тема высокочастотных дросселей затронута не случайно — это, пожалуй, самый частый вопрос, задаваемый нам разработчиками, которые решили применить продвинутый DC/DC-контроллер в своем изделии. Для выбора дросселя можно зайти на наш сайт и воспользоваться параметрическим поиском в разделе «Индуктивности» http://catalog.compel.ru/inductor/list. Дроссели от Sumida и Vishay на данный момент доступны на нашем складе в Москве.

Для обеспечения высокой эффективности источника питания Texas Instruments применяет ряд технических решений. Во-первых, это использование встроенного MOSFET-транзистора с низким значением сопротивления «сток-исток» в открытом состоянии Rds(on) и малым значением суммарного заряда затвора (Qg). Во-вторых, для приложений, где требуется высокий ток нагрузки и малое значение выходного напряжения, TI предлагает преобразователи с синхронным выпрямлением. В-третьих, для сохранения высокой эффективности на малых токах нагрузки в ряде преобразователей предусмотрен режим Eco-modeTM — при сохранении постоянной тактовой частоты в режиме малой нагрузки преобразователь «пропускает» часть управляющих импульсов (pulse skipping). Еще одной важной составляющей эффективности DC/DC-источника питания, которой уделяют внимание многие производители, в том числе и TI, является собственное потребление микросхемы преобразователя.

Графическое сравнение эффективности преобразователей с синхронным и несинхронным выпрямлением представлено на рисунках 1 и 2. В качестве примера приведены: TPS54331 (несинхронное выпрямление) и TPS54325 (синхронное выпрямление). Разница в эффективности на малых токах нагрузки связана, прежде всего, с большим влиянием потерь на переключение в синхронном преобразователе, а также с тем, что на малых нагрузках TPS54331 переходит в режим Eco-modeTM (рисунок 1).

 

Сравнение эффективности TPS54331 и TPS54325 при Uвых = 2,5 В

 

Рис. 1. Сравнение эффективности TPS54331 и TPS54325 при Uвых = 2,5 В

 

На больших токах преобразователь с синхронным выпрямлением имеет более высокий КПД при малых значениях выходного напряжения (рисунок 2) в силу того, что у несинхронного прямое падение напряжения на диоде становится сравнимо со значением выходного напряжения.

 

Сравнение эффективности TPS54331 и TPS54325 при Uвых = 1,5 В

 

Рис. 2. Сравнение эффективности TPS54331 и TPS54325 при Uвых = 1,5 В

Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод, что при выборе типа преобразователя следует сначала оценить характер нагрузки. Характеристики эффективности в зависимости от тока нагрузки, входного и выходного напряжений приведены в документации на любой преобразователь TI.

Семейство преобразователей SWIFTTM представлено в таблице 1.

Таблица 1. Семейство преобразователей SWIFTTM  

Наименование Uвх., В Uвых., В Iвых., А Iсобств., мА Синхр. выпр. Fраб., кГц Eco-mode™ Корпус
TPS5401/54040 3,5…42 0,8…39 0,5 0,116 100…2500 + 10MSOP PowerPAD
TPS54140/240 3,5…42 0,8…39 1,5/2,5 0,116/0,138 300…2500 + 10MSOP PowerPAD
TPS54060 3,5…60 0,8…57 0,5 0,116 100…2500 + 10MSOP PowerPAD, 10SON
TPS54160/260 3,5…60 0,8…57 1,5/2,5 0,116/0,138 300…2500 + 10MSOP PowerPAD, 10SON
TPS5410/20/30/50 5,5…36 1,23…31 1/2/3/5 3 500 8SOIC/8SO PowerPAD
TPS54225/325/425 4,5…18 0,76…5,5 2/3/4 0,8/0,85/0,85 + 700 14HTSSOP
TPS54226/326/426 4,5…18 0,76…5,5 2/3/4 0,8/0,85/0,85 + 700 + 14HTSSOP, 14QFN
TPS54320 4,5…17 0,8…15 3 0,6 + 200…1200 14QFN
TPS54620 4,5…17 0,8…15 6 0,6 + 200…1600 14QFN
TPS54327 4,5…18 0,76…7 3 0,85 + 700 8SO PowerPAD
TPS54328 4,5…18 0,76…7 3 0,85 + 700 + 8SO PowerPAD
TPS54350/550 4,5…20 0,9…12 3/6 5/9 + 250…700 16HTSSOP
TPS54521 4,5…17 0,8…15 5 0,6 + 200…900 14QFN
TPS54233 3,5…28 0,8…25 2 0,11 300 + 8SOIC
TPS54231/331 3,5…28 0,8…25 2/3 0,11 570 + 8SOIC
TPS54232/332 3,5…28 0,8…25 2/3,5 0,11 1000 + 8SOIC/8HSOIC PowerPAD
TPS56121/221 4,5 -14 0,6…12 15/25 2,5 + 300…1000 22SON
TPS54283/286 4,5…28 0,8…25,2 2 + 2* 1,8 300/600 14HTSSOP
TPS54383/386 4,5…28 0,8…25,2 3 + 3* 1,8 300/600 14HTSSOP
TPS55383/386 4,5…28 0,8…25,5 3 + 3* 1,8 300/600 16HTSSOP
TPS5429x 4,5…28 0,8…25,5 2,5 + 1,5* 1,65 300, 600, 1200 16HTSSOP
TPS54110/310 3…6 0,9…4,5 1,5/3 4,2/6,2 + 280…700 20HTSSOP
TPS54610 3…6 0,9…4,5 6 11 + 280…700 28HTSSOP
TPS54218/318 /418/618 2,95…6 0,8…4,5 2/3/4/6 0,35 + 200…2000 16QFN
TPS54317/337 3…6 0,9…3,3 3 6,2 + 280…1600 24VQFN
TPS54010 2,2…4 0,9…2,5 14 13 + 280…700 28HTSSOP
TPS54610 3…6 0,9…4,5 6 11 + 280…700 28HTSSOP
TPS54810 4…6 0,9…3,3 8 11 + 280…700 28HTSSOP
TPS54910 3…4 0,9…2,5 9 11 + 280…700 28HTSSOP
TPS54319 2,95…6 0,82…4,5 3 0,36 + 300…2000 16QFN
TPS54617/917 3…6/4 0,9…3,3/2,5 6/9 11 + 280…1600 34VQFN
TPS84620 4,5…14,5 1,2…5,5 6   + 480…780 BQFN
* – два выходных канала.

Остановимся на описании наиболее интересных новинок. TPS5401 и TPS54060/160/260 в первую очередь выделяются очень широким диапазоном входного напряжения от 3,5 до 60 В и выходным током до 2,5 А у TPS54260. Частоту преобразования можно установить в диапазоне от 100 кГц до 2,5 МГц с помощью внешнего резистора. Не секрет, что многие производители (ST, ONS и другие) расширяют свои линейки DC/DC-преобразоваталей за счет выпуска микросхем со все более широким входным диапазоном напряжения и высоким выходным током, но TPS54260 на данный момент является безусловным лидером по соотношению этих параметров.

Эти выдающиеся характеристики использованы в полной мере в схеме на рисунке 3. Данная схема позволяет увелить ток нагрузки емкостного преобразователя напряжения, который очень часто используется в счетчиках электроэнергии, при этом такое решение привлекательно низкой себестоимостью. Повышение допустимого тока нагрузки особенно актуально в современных счетчиках, в которых применяются продвинутые интерфейсы (например, радиоканал).

 

Схема для увеличения выходного тока преобразователя на гасящем конденсаторе

 

Рис. 3. Схема для увеличения выходного тока преобразователя на гасящем конденсаторе

Коротко поясним суть этой схемы. Полная мощность в вольт-амперах P(ВА) = URMS x IRMS. Для выполнения требований по ограничению собственного потребления счетчика 4ВА при напряжении сети 220В IRMS необходимо ограничить значением 17,4мА. При этом входная емкость вычисляется по формуле: С1= IRMS/(URMS x 2pf). При частоте сети 50Гц: C1 ≥ 240нФ. Постоянный ток на входе DC/DC-преобразователя после однополупериодного выпрямителя: IвхDC= (IAC x √2)/p. При IRMS= 17,4мА: IвхDC= 7,8мА. Для линейного стабилизатора IвыхDC= IвхDC, поэтому такой вариант источника питания может использоваться только для простейших счетчиков, у которых максимальный ток потребления находится в пределах 8мА.

Для импульсного преобразователя: IвыхDC = Pвых/Uвых, Pвых = Pвх x h, Pвх = UвхDC x IвхDC.

Таким образом, при использовании импульсного DC/DC-преобразователя выходной ток IвыхDC является функцией, зависящей от UвхDC и КПД. Собственно говоря, для большего выходного тока необходимо большее входное напряжение. На практике мы имеем результаты, показаные в таблице 2. Поскольку TPS5401 имеет максимальное входное рабочее напряжение 42 В, а TPS54060 — 60 В, то при использовании последнего можно получить более высокое значение выходного тока.

Таблица 2. Сравнение линейного и импульсных регуляторов в схеме с гасящим конденсатором  

Параметры Iвых(max), мА (лин. рег.) Iвых(max), мА TPS5401 Iвых(max), мА TPS54060
Pвых. < 4 ВА 8 35 49
Pвых. < 8 ВА 16 109 137

Еще одним интересным вариантом применения DC/DC-преобразователя серии SWIFTTM является источник питания мощных светодиодов с возможностью аналогового и ШИМ-димминга на базе TPS54160 (рисунок 4).

 

Понижающий драйвер светодиодов на TPS54160

 

Рис. 4. Понижающий драйвер светодиодов на TPS54160

Данная схема примечательна прежде всего малым количеством элементов обвязки и возможностью использовать только керамические конденсаторы, отказавшись от электролитов. Схема расчитана на входное напряжение 24 В и номинальное выходое напряжение 14,8 В при токе 700 мА. Таким образом, возможно подключение одной линейки из четырех светодиодов последовательно в режиме 700 мА или двух линеек по 350 мА параллельно (например, светодиоды серий MX6 и MX3 от CREE, соответственно). Подробное описание можно найти по ссылке http://focus.ti.com/lit/an/slva374/slva374.pdf.

Для удобства расчета собственного источника питания светодиодов на базе TPS54x60 TI предлагает программу, реализованную в виде excel-файла, которая доступна по ссылке: http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/leddriver60vswift-calc.html.

Описанные выше примеры показывают, насколько разнообразными могут быть варианты применения одного и того же DC/DC-преобразователя вообще и семейства SWIFTTM в частности. В заключительной части статьи хотелось бы обратить внимание на позиции, обладающие впечатляющими характеристиками по величине выходного тока.

TPS54620 — выходной ток до 6 А, при достаточно широком входном и выходном диапазонах напряжений и максимальной частоте преобразоваиния до 1,6 МГц.

TPS56221 — выходной ток до 25 А! Выпускается в корпусе 22SON. Выход этой микросхемы стал возможен в связи с приобретением Texas Instruments компании Ciclon Semiconductor, которая являлась производителем MOSFET-транзисторов по технологии NexFETTM с самыми низкими значениями суммарного заряда затвора и сопротивления «сток-исток». Эти транзисторы интегрированы на кристалле преобразователя.

На данный момент финальным аккородом в эволюции DC/DC-преобразователей TI становится TPS84620. Фактически это микросхема-модуль, в которой интегрированы: контроллер с синхронным выпрямлением + MOSFET-транзисторы (по сути TPS54620), дроссель и часть остальной пассивной обвязки. Этот модуль обеспечивает выходной ток до 6 А, и все это в компактном корпусе BQFN (рисунок 5).

 

Внешний вид TPS84620

 

Рис. 5. Внешний вид TPS84620

 

Полезные ссылки

Для расчета DC/DC-источников питания TI предлагает программу SwitcherProTM, которую можно скачать по ссылке www.ti.com/switcherpro. Программа постоянно обновляется (добавляются новые позиции) и является хорошей отправной точкой в разработке своего DC/DC-преобразователя. Помимо расчета схемы и получения списка компонентов (BOM), можно получить рекомендации по расположению компонентов на плате.

TINA-TI — бесплатный Spice-симулятор от Texas Instruments: www.ti.com/tina-ti.

Для подбора дросселя можно воспользоваться функционалом нашего сайта /. В разделе «Калькуляторы» появился простой расчет, позволяющий подобрать необходимый дроссель при регулируемом выходном напряжении и разных типах нагрузки. Примечателен данный «калькулятор» и тем, что по результатам расчета выводится предложение из складских позиций, подходящих под расчетные параметры. Прямая ссылка http://catalog.compel.ru/blog/fordesigners/calculators/stepdown/.

При выборе дросселя серии IHLP от Vishay может пригодиться калькулятор потерь: http://www.vishay.com/inductors/calculator/calculator/.

 

Литература

1. «Efficiency of synchronous versus nonsynchronous buck converters», Rich Nowakowski, Ning Tang. Texas Instruments «Analog Applications Journal» 4Q2009. (SLYT358)

2. «TPS5401 Increases Output Current of Cap-Drop Power Supply», Sankar Sadasivam, Harmeet Singh, Michael Gilbert. Texas Instruments «Power Solution of the Month» December 2010.

3. «TPS54160 60-V, Step-Down LED Driver Design Guide», Daniel Acevedo, John Tucker. Application Report SLVA374

4. «Using IHLP’s in Automotive Applications», Vishay Application Note.

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

 

 

 

Наши информационные каналы

Рубрики:

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