№11 / 2017 / статья 4

Понижаем 48 В: новые DC/DC Microchip для индустриальных применений

Алексей Трушников (г. Минск)

Новые синхронные понижающие DC/DC-преобразователи Microchip с применением фирменных технологий Hyper Speed Control® и HyperLight Load® – это КПД до 95%, блокировка при пониженном входном напряжении, ультрабыстрая реакция на переходные процессы, мягкий старт для ограничения бросков тока, настраиваемое ограничение тока и активная защита при коротком замыкании. Основная область их применения – распределенные системы питания, сетевое и коммуникационное оборудование с напряжением питания 48 В.

В подавляющем большинстве случаев импульсные источники питания (ИИП) являются лучшим по сравнению с линейными регуляторами напряжения решением. Разница очевидна – ИИП имеют меньшие габариты и вес, их удельная мощность выше. ИИП нормально работают в более широком диапазоне входных напряжений. При этом к существенным недостаткам ИИП относятся повышенный уровень излучаемых шумов и помех, сложность схемотехнических решений и определенные трудности при проектировании. Ведущие производители компонентов для ИИП предоставляют большой объем документации и программных средств для облегчения и ускорения разработки, а также демонстрационные и оценочные платы. Таким образом, часть недостатков перестает быть преградой на пути применения существующих и освоения новых топологий ИИП.

Существует ряд типовых схем управления ИИП. Принцип управления по напряжению предполагает, что если контроллер построен с использованием ШИМ-модуляции (подавляющее большинство контроллеров), то ширина выходного импульса управления силовым ключом определяется отклонением выходного напряжения от заданного. Токовое управление предполагает две петли регулирования – по выходному напряжению и по току через открытый ключ, а значит и ток накачки дросселя. Токовая петля следит за тем, чтобы через ключ не протекал ток больше заданного, а петля напряжения корректирует ограничение тока так, чтобы тока дросселя хватило для поддержания выходного напряжения.

В отличие от режимов напряжения и тока режим Adaptive On-Time предполагает, что ширина импульса для открытия верхнего ключа равна (1):

$$t_{ON}=\frac{U_{Вых}}{U_{Вх}\times{f_{Раб}}} \qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Где:
tON – длительность импульса включения, с;
UВых – заданное выходное напряжение, В;
UВх – входное напряжение, В;
fРаб – заданная рабочая частота, Гц.

По завершении импульса включения запускается отработка времени паузы и открывается нижний ключ. В данном случае, в отличие от токового управления, контролируется уровень пульсаций выходного напряжения, и в момент, когда значение выходного напряжения упадет ниже опорного, время паузы будет завершено. В случае, если напряжение уже в момент начала паузы имеет значение ниже опорного – отрабатывается минимальная длительность паузы и начинается следующий период открытия верхнего ключа. Эта минимальная пауза необходима для зарядки конденсатора бустерного питания драйвера управления верхнего ключа.

Таким образом, хоть рабочая частота и задана, но в переходных режимах она может изменяться и возвращаться назад к заданной в установившемся режиме.

Компания Microchip предлагает линейку понижающих DC/DC-преобразователей серии MIC2851x. Ранее, до 2015 года, микросхемы MIC28510MIC28513 выпускались компанией Micrel Semiconductor. С покупкой Micrel в 2015 году компания Microchip получила возможность предложить своим клиентам более широкий перечень DC/DC для различных применений. В 2017 году линейка пополнилась новыми представителями – MIC28514/MIC28515 [1, 2].

Микросхемы MIC2851x – это синхронные понижающие DC/DC-преобразователи с применением фирменных технологий Hyper Speed Control® и HyperLight Load®. Обобщенные технические характеристики семейства MIC2851x приведены в таблице 1. КПД при максимальной нагрузке и определенных значениях входного и выходного напряжений может достигать 95%. В спецификациях приведены графики зависимостей КПД от нагрузки и входного напряжения (рисунок 1). Выходное напряжение микросхем настраивается с помощью внешнего делителя.

Рис. 1. Зависимость КПД MIC28515 от нагрузки

Рис. 1. Зависимость КПД MIC28515 от нагрузки

Среди реализуемых преобразователями функций:

  • блокировка при пониженном входном напряжении (undervoltage lockout);
  • «мягкий старт» для снижения бросков тока при включении. Функция реализуется ступенчатым нарастанием опорного напряжения от 0 до 100% в течение заданного времени «мягкого старта» и, соответственно, выходного напряжения и тока;
  • настраиваемое ограничение по току;
  • режим активной защиты при коротком замыкании на выходе (hiccup-mode). Принцип защиты заключается в том, что в случае короткого замыкания происходит отключение верхнего ключа с помощью токовой защиты, которая измеряет падение напряжения на RDS нижнего ключа. При этом запускается функция мягкого старта и происходит очередная попытка установления рабочего режима. Если снова срабатывает токовая защита, процесс повторяется до успешного перезапуска;
  • защита от перегрева.

Также особенностью семейства можно назвать фирменную технологию Any Capacitor™, которая позволяет применять выходные конденсаторы с широким диапазоном допустимых эквивалентных последовательных сопротивлений – ЭПС (ESR). Вообще, тип выходного конденсатора определяется его ЭПС, а также номинальным напряжением и значением допустимого тока, проходящего через него. ЭПС выходного конденсатора определяет величину пульсаций выходного напряжения и устойчивость петли регулирования. Общее значение пульсаций определяется ЭПС и емкостью выходного конденсатора. Микросхемы MIC28514/MIC28515 требуют для корректной работы пульсаций размахом не менее 20 мВ. Также необходимо, чтобы пульсации были синфазны току дросселя. Поэтому часть пульсаций, вызванных емкостью выходного конденсатора, должна быть существенно меньше части пульсаций, вызванных ЭПС выходного конденсатора. Если в схеме применяются конденсаторы с низким ЭПС, например, керамические, то должен быть использован метод добавления пульсаций, заключающийся в шунтировании верхнего резистора делителя выходного напряжения конденсатором для создания пути протекания тока пульсаций из выходного напряжения. В случае применения выходного конденсатора с экстремально низким ЭПС должно осуществляться добавление пульсаций с точки схемы до дросселя (рисунок 2).

Рис. 2. Реализация метода добавления пульсаций

Рис. 2. Реализация метода добавления пульсаций

Типовые схемы включения показаны на рисунках 3, 4, 5.

Основные области применения преобразователей семейства MIC2851x (таблица 1) – распределенные системы питания, сетевое и коммуникационное оборудование, питающееся от напряжения 48 В, в том числе – базовые станции, системы питания промышленного оборудования, солнечная энергетика.

Таблица 1. Технические параметры микросхем MIC2851x

Параметр Наименование
MIC28510 MIC28511 MIC28512 MIC28513 MIC28514 MIC28515
Диапазон входного напряжения, В 4,5…75 4,6…60 4,6…70 4,6…45 4,5…75 4,5…75
Диапазон задания выходного
напряжения, В
0,8…24 0,6…32 0,6…32
Точность стабилизации выходного напряжения, % 1
Максимальный выходной ток, А 4 3 2 4 5 5
Диапазон рабочих частот, кГц 100…500 200…680 200…680 200…680 270…800 270…800
Функция мягкого запуска и длительность Есть
Длительность мягкого запуска, мс 6 5 5 5 2,5…40 5
Диапазон рабочих температур, °С -40…125
Тип корпуса 28-выв.
MLF 5х6мм
24-выв.
FQFN 3х4мм
24-выв.
FCQFN 3х4мм
24-выв.
FQFN 3х4мм
32-выв.
VQFN 6х6мм
32-выв.
VQFN 6х6мм
Рис. 3. Типовая схема включения MIC28510

Рис. 3. Типовая схема включения MIC28510

Рис. 4. Типовая схема включения MIC28511…MIC28513

Рис. 4. Типовая схема включения MIC28511…MIC28513

Рис. 5. Типовые схемы включения MIC28514 и MIC28515

Рис. 5. Типовые схемы включения MIC28514 и MIC28515

Особенностью микросхемы MIC28514 является внешний вывод задания длительности мягкого старта (вывод SS), а микросхемы MIC28515 – вывод MODE, определяющий режим работы — Continuous Conduction Mode (CCM) или Hyper Light Load (HLL). Режим HLL позволяет достичь лучших показателей энергоэффективности в режимах малых нагрузок, а режим CCM поддерживает рабочую частоту преобразователя практически постоянной во всем диапазоне нагрузок. Это позволяет упростить обеспечение требований по электромагнитной совместимости. Вывод EN (Enable) позволяет контролировать преобразователь внешней схемой управления, например, микроконтроллером. Также внутри микросхемы есть встроенный супервизор питания, который через вывод PG (Power Good) сигнализирует о том, что выходное напряжение – ниже порога 90% установившегося значения.

При работе преобразователя MIC28515 в установившемся CCM-режиме (рисунок 6) на вход усилителя обратной связи с выхода преобразователя поступают пульсации, приведенные к уровню опорного напряжения с помощью делителя. Пульсации выходного напряжения пропорциональны току дросселя. Время включения верхнего плеча tON определяется приведенной выше формулой (1). Завершение периода паузы определяется выходным напряжением. Когда выходное напряжение становится ниже опорного – внутренняя логика запускает очередной цикл включения.

Рис. 6. Установившийся режим CCM

Рис. 6. Установившийся режим CCM

При резком росте нагрузки, например, с нуля до величины номинального тока, выходное напряжение внезапно проседает (рисунок 7). Это влечет за собой уменьшение напряжения обратной связи до уровня ниже опорного, а компаратор ошибки, в свою очередь, запускает очередной временной цикл включения. По окончании периода включения внутренняя логика отрабатывает минимальный период паузы, поскольку выходное напряжение все еще не превысило опорное. Таким образом, после минимальной паузы снова запускается цикл включения. Так будет продолжаться до тех пор, пока выходное напряжение не начнет расти и приближаться к заданному. За счет снижения времени паузы рабочая частота фактически увеличивается на время переходного процесса и возвращается к заданной, когда преобразователь снова перейдет в установившийся режим. За счет изменения рабочих скважности и частоты преобразователя достигается быстрая реакция на переходной процесс с минимальными отклонениями выходного напряжения.

Рис. 7. Переходной режим

Рис. 7. Переходной режим

При малых значениях нагрузки в режиме непрерывного тока (CCM) ток дросселя может стать отрицательным. Однако при низких токах нагрузки MIC28515 может быть переключена на прерывистый режим (DCM). Для этого нужно подать соответствующий сигнал на вход MODE. В этом режиме (HyperLight Load®) КПД преобразователя оптимизируется за счет отключения всех возможных цепей и снижения собственного тока потребления. MIC28515 выходит из спящего режима при условии уменьшения напряжения обратной связи до уровня ниже опорного.

MIC28515 имеет компаратор перехода через ноль, который контролирует ток дросселя по падению напряжения на сопротивлении перехода нижнего ключа во время его включенного состояния. Если напряжение обратной связи больше опорного и ток дросселя становится слегка отрицательным, MIC28515 автоматически переводит в режим пониженного потребления большинство внутренних цепей.

При переходе MIC28515 в режим пониженного потребления верхний и нижний выходные ключи поддерживаются в закрытом состоянии. Ток нагрузки обеспечивается энергией выходного конденсатора. При снижении выходного напряжения напряжение обратной связи пропорционально уменьшается, и как только оно станет ниже опорного, MIC28515 выходит из режима пониженного потребления и продолжает работу в обычном режиме.

В режиме пониженного потребления микросхема потребляет около 400 мкА, таким образом обеспечивая высокую эффективность при малых нагрузках.

Средства отладки

Для ускорения разработки компания Microchip предлагает оценочные платы ADM00804 для MIC28514 и ADM00845 для MIC28515 (рисунок 8) [3]. Отличие между платами – лишь в одной микросхеме. На платах имеются перемычки для выбора фиксированного выходного напряжения из ряда 0,8; 1,2; 2,5; 3,3; 5,0 и 12 В. Компания Microchip комплектует платы руководствами пользователя, в которых можно найти исчерпывающую информацию: принципиальную схему, подробный перечень элементов, послойные чертежи плат.

Заключение

Технология Hyper Speed Control (улучшенный вариант Adaptive On-Time) позволяет получить ультрабыструю реакцию на переходные процессы, что снижает требования к выходному фильтрующему конденсатору как по величине емкости, так и по величине ЭПС. Также эта технология позволяет строить DC/DC-преобразователи с повышенным входным напряжением  и низким выходным на одной микросхеме при небольшом числе компонентов внешней обвязки, что существенно повышает конкурентоспособность данного решения на рынке источников импульсного питания.

Литература

  1. 75V/5A Hyper Speed Control Synchronous DC/DC Buck Regulator with External Mode Control;
  2. MIC28514 Evaluation Board User’s Guide;
  3. MIC28515 75V/5A HLL Step-Down Evaluation Board User’s Guide.

Наши информационные каналы

О компании Microchip

Microchip Technology Inc. - ведущий поставщик микроконтроллеров, схем смешанного сигнала, аналоговых полупроводников и решений на основе флэш-IP. Решения Microchip обеспечивают разработку с низким уровнем риска, снижают общую стоимость системы и сокращают время выхода на рынок для тысяч различных клиентских приложений по всему миру. Штаб-квартира в Чандлер, штат Аризона. Продукция Microchip обладает высокими качеством и уровнем технической поддержки. Продукция Microchip обладает высоким уровн ...читать далее