№6 / 2018 / статья 5

Texas Roads: автомобильные DC/DC-преобразователи от Texas Instruments

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Существующие отраслевые стандарты предъявляют к автомобильным источникам питания повышенные требования. Чтобы обеспечить их выполнение, необходимо правильно выбрать DC/DC-преобразователь, произвести грамотную расстановку компонентов и трассировку печатной платы. В данной статье кратко рассматриваются некоторые особенности создания автомобильных источников питания, а также проводится обзор современных синхронных преобразователей LM76002/3 и LM73605/6 от Texas Instruments.

Источники питания, работающие в составе автомобильного электрооборудования (рисунок 1), должны обладать широким диапазоном входных напряжений и повышенной устойчивостью к помехам, отличаться минимальным уровнем собственных помех, сохранять работоспособность в широком диапазоне температур и так далее. Если речь идет об импульсных регуляторах, то очевидно, что выполнение большей части этих требований напрямую зависит от выбора микросхемы интегрального DC/DC-преобразователя.

Рис. 1. Особенности автомобильных источников питания

Рис. 1. Особенности автомобильных источников питания

С другой стороны, для получения качественного источника питания, отвечающего требованиям ЭМС, необходимо грамотно выполнить компоновку элементов и трассировку печатной платы.

В чем особенность автомобильных DC/DC-преобразователей?

Почему электронные компоненты для автомобильных приложений всегда выделяют в отдельную группу? Почему к ним предъявляются повышенные требования? Ответы на эти вопросы достаточно очевидны. Во-первых, автомобили круглый год эксплуатируются на открытом воздухе, поэтому электроника должна сохранять работоспособность в широком диапазоне температур. Во-вторых, бортовая сеть автомобиля имеет целый ряд особенностей.

Питание потребителей в автомобильной бортовой сети осуществляется от аккумулятора и генератора (рисунок 2). При незаведенном двигателе основную нагрузку берет на себя аккумулятор. После завода двигателя основным источником питания становится генератор, который попутно подзаряжает аккумулятор.

Рис. 2. Упрощенная схема электрооборудования автомобиля

Рис. 2. Упрощенная схема электрооборудования автомобиля

Нагрузка бортовой сети бывает различной:

  • резистивная нагрузка, например, подогрев стекол и сидений, резистивные датчики и так далее;
  • индуктивная нагрузка — вентилятор отопления, стеклоподъемники и прочее;
  • лампы освещения — ближний свет, дальний свет, освещение салона и так далее.

Каждый тип нагрузки имеет свои особенности. Например, при отключении индуктивной нагрузки неизбежно возникают мощные выбросы напряжения. При включении ламп освещения наблюдается стартовый бросок тока, пока спираль лампы не нагреется.

К сожалению, кондуктивные помехи, возникающие в цепях питания, воздействуют на параллельно включенных потребителей (рисунок 3). Например, яркость фар кратковременно падает при заводе двигателя. Это вызвано тем, что пусковой ток стартера составляет десятки ампер, что ненадолго вызывает проседание аккумулятора и падение напряжения.

Рис. 3. Примеры помех, возникающих в бортовой сети автомобиля

Рис. 3. Примеры помех, возникающих в бортовой сети автомобиля

Таким образом, автомобильные DC/DC-преобразователи должны выдерживать воздействие кратковременных и долговременных помех. С другой стороны, уровень их собственных шумов также должен быть ограничен. Это касается как кондуктивных, так и ВЧ-помех радиодиапазона.

Какие же конкретно помехи должны выдерживать DC/DC-преобразователи? Каков допустимый уровень собственных помех? Ответы на эти вопросы дают надежные и проверенные временем отраслевые стандарты.

ГОСТ всему голова!

Перед тем как приступить к выбору интегрального DC/DC-преобразователя, следует ознакомиться с существующими отраслевыми стандартами. Их можно разделить на две группы (рисунок 4). Первая группа определяет требования непосредственно к электронным компонентам (например, AEC-Q100), вторая – применяется к конечному изделию (например, ГОСТ Р52230-2004). Дадим краткую характеристику основным стандартам.

Рис. 4. Стандарты являются отправной точкой при создании автомобильных ИП

Рис. 4. Стандарты являются отправной точкой при создании автомобильных ИП

AEC-Q100. Наиболее распространенной группой стандартов, применимых к компонентам автомобильной электроники, является AEC-Q100. Эти стандарты разработаны одноименной организацией Automotive Electronic Committee (AEC).

AEC-Q100 уделяет внимание таким параметрам как диапазон рабочих температур, защита от статических разрядов, способность к пайке, способность к сохранению информации (для памяти), надежность и другие.

Аттестация по AEC-Q100 является добровольной. Кроме того, при создании автомобильной электроники применение компонентов, аттестованных по AEC-Q100, не является обязательным,. Главное, чтобы итоговое устройство отвечало требованиям технического задания, ТУ или ГОСТ. Впрочем, соответствие AEC-Q100 говорит о высокой надежности компонента и зачастую заказчик изначально требует использования только таких элементов.

ГОСТ Р52230-2004. Основным стандартом при создании автомобильной электроники является ГОСТ Р52230-2004 «Электрооборудование автотракторное. Общие технические условия». Он содержит основные определения, методы и типы испытаний автотракторного электрооборудования и ссылки на другие стандарты.

С точки зрения разработчика источников питания наиболее важные положения ГОСТ Р52230-2004 касаются рабочих диапазонов температур и номинальных напряжений бортовой сети.

Диапазон рабочих температур определяется в зависимости от климатического варианта исполнения и места установки оборудования.

Согласно ГОСТ Р52230-2004, номинальное напряжение для потребителей тока выбирается из ряда 6/12/24 В. Кроме того, потребители электроэнергии, используемые при работающем двигателе, должны быть работоспособными при изменении подводимого напряжения в диапазоне 90%…125% номинального значения. В итоге несложно посчитать, что диапазоны номинальных напряжений питания для микросхем, подключенных к бортовой сети, составляют по рядам: 5,4…7,5 В; 10,8…15 В; 21,6…30 В. Однако и это еще не все. Электронные датчики и блоки управления, согласно ГОСТ, должны выдерживать перенапряжения в бортовой сети в соответствии с ГОСТ 33991-2016.

ГОСТ 33991-2016. Устойчивость к кондуктивным помехам, распространяемым по цепям питания, и ограничения по генерации собственных кондуктивных помех определены в ГОСТ 33991-2016 «Электрооборудование автомобильных транспортных средств. Электромагнитная совместимость. Помехи в цепях. Требования и методы испытаний»

Проведение испытаний на соответствие ГОСТ состоит из двух частей:

  • измерение уровня собственных помех;
  • установление уровня защиты от возможных кондуктивных помех.

Уровень собственных помех определяется двумя показателями: видом помех и степенью их эмиссии.

Помехоустойчивость характеризуется функциональным состоянием изделия во время и после воздействия испытательных импульсов. Различают пять типов испытательных импульсов (таблица 1) и пять функциональных классов (таблица 2).

Таблица 1. Характеристика испытательных импульсов ГОСТ 33991-2016

Испытательный импульс Характеристика
1a, 1b Моделируют переходные процессы, которые возникают при отключении параллельных индуктивных нагрузок
2 Моделирует переходные процессы, которые вызваны внезапным прерыванием тока, подаваемого индуктивным источником в бортовую сеть
3a, 3b Моделируют пиковые значения напряжений, которые возникают при коммутационных процессах
4 Моделирует посадку напряжения питания, вызванную включением стартера двигателя внутреннего сгорания
5a, 5b Моделируют переходный процесс при режиме сброса нагрузки, а также размыкания аккумуляторной батареи в то время, когда от генератора еще продолжается подача зарядного тока, а другая нагрузка остается в цепи генератора: 5a — без централизованной системы подавления выбросов, 5b — c централизованной системой подавления выбросов

Таблица 2. Функциональные классы ГОСТ 33991-2016

Класс Описание
A Уровень I: изделие выполняет свои функции в соответствии с назначением во время и после испытаний
B Уровень II: изделие не выполняет свои функции в соответствии с назначением во время испытаний, но нормальное функционирование автоматически восстанавливается после испытаний
C Уровень III: изделие не выполняет свои функции в соответствии с назначением во время и после испытаний и нормальное функционирование не восстанавливается без вмешательства водителя/пассажира, такого как выключение/включение испытуемого устройства или повторное включение выключателя зажигания после воздействия помехи
D Уровень IV: изделие не выполняет свои функции в соответствии с назначением во время и после испытаний и функционирование надлежащего качества не может быть восстановлено без более детального вмешательства, такого как отключение и повторное подключение аккумулятора или принудительная подача энергии. В результате испытания изделие не должно иметь никакого остаточного повреждения

Как видно из таблицы 1, ГОСТ 33991-2016 охватывает все возможные «штатные» помехи, возникающие в цепях питания.

ГОСТ 30378-95. Защита от электростатических разрядов определяется по ГОСТ 30378-95 (ГОСТ 50607-93) «Электрооборудование автомобилей. Помехи от электростатических разрядов. Требования и методы испытаний». Стандарт привычно выделяет два типа электростатических разрядов: контактный и воздушный.

ГОСТ Р 51318.25-2012 (СИСПР 25:2008). Импульсные источники питания являются мощным источником ВЧ-помех. Ограничения по уровню радиопомех представлены в ГОСТ Р 51318.25-2012 (СИСПР 25:2008) «Совместимость технических средств электромагнитная. Транспортные средства, моторные лодки и устройства с двигателями внутреннего сгорания. Характеристики индустриальных радиопомех. Нормы и методы измерений для защиты радиоприемных устройств, размещенных на подвижных средствах».

ГОСТ Р 51318.25-2012 устанавливает нормы и методы измерений параметров индустриальных радиопомех в полосе частот 150 кГц…2500 МГц. Требования стандарта направлены на обеспечение защиты приемников (радиоприемников, мобильных радиосистем, радиотелефонов, любительских радиосистем, системы спутниковой навигации (GPS и подобных) и Bluetooth), установленных в транспортных средствах, от индустриальных радиопомех, создаваемых элементами/модулями в самих транспортных средствах.

Перечисленные стандарты применимы к источникам питания автомобильной электроники. В большинстве случаев они почти напрямую задают требования к микросхемам DC/DC-преобразователей. Однако при выборе конкретной микросхемы следует учитывать и некоторые дополнительные особенности.

На что стоит обратить внимание при выборе автомобильного DC/DC-преобразователя

Требования к автомобильным DC/DC-преобразователям достаточно специфичны, поэтому при выборе подходящего регулятора необходимо обращать внимание на целый ряд особенностей.

Диапазон рабочих температур. Как правило, для автомобильных приложений следует выбирать DC/DC-преобразователь с широким диапазоном рабочих температур -40…125°С. Впрочем, иногда и этого бывает недостаточно.

Диапазон рабочих напряжений. Как уже говорилось выше, даже в штатном режиме допускается изменение напряжения бортовой сети в пределах от 90% до 125% номинального напряжения. Кроме того, в соответствии с ГОСТ 33991-2016 возможно возникновение перенапряжений прямой и обратной полярностей. Например, для бортовой сети 12 В амплитуда импульсов типа 3а достигает -150 В, а импульсов 3b +100 В.

К сожалению, существующие преобразователи с такими перепадами самостоятельно справиться не смогут, однако при помощи внешних элементов защиты, например, выпрямительных диодов и TVS-супрессоров, можно погасить помехи до приемлемого значения, находящегося в рамках рабочего диапазона напряжений DC/DC-преобразователя.

Как показывает практика, для бортовой сети 12 В чаще всего используются DC/DC-преобразователи со входным напряжением 36 В (и выше), а для бортовой сети 24 В применяются DC/DC-преобразователи с допустимым входным напряжением от 60 В (и выше).

Не стоит забывать и о нижнем пороге напряжения питания. В частности, при заводе двигателя легкового автомобиля (12 В) напряжение бортовой сети существенно «проседает». Если пуск производится при положительной температуре окружающей среды, то просадка может достигать 6 В (рисунок 5а) [1]. Если нижний порог преобразователя достаточно мал, то даже в такой ситуации он сможет поддержать стабильное выходное напряжение 5 или 3,3 В.

Запуск при отрицательных температурах оказывается еще более жестким, и может кратковременно привести к падению напряжения до 4,2 В (рисунок 5б). Если в схеме отсутствует дополнительный повышающий преобразователь, то стабильное выходное напряжение самостоятельно сможет поддержать только преобразователь 3,3 В.

Рис. 5. Отклик LM53635 на просадку напряжения бортовой сети при пуске двигателя

Рис. 5. Отклик LM53635 на просадку напряжения бортовой сети при пуске двигателя

Здесь стоит сразу сделать оговорку. При просадке аккумулятора преобразователь сможет поддержать стабильное выходное напряжение только если его собственное падение напряжения достаточно мало.

Падение напряжения на преобразователе. Выходное напряжение преобразователя зависит от величины нагрузки, сопротивления силового ключа и индуктивности, коэффициента заполнения (формула 1) [1]:

$$V_{OUT\_MIN}=(V_{IN}\times D_{MAX})-(R_{DS\_ON}\times I_{IN})-(R_{DCR}\times I_{L\_RMS}),\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где DMAX – максимальный коэффициент заполнения, RDS_ON – сопротивление ключа, RDCR – сопротивление катушки, IL_RMS – ток индуктивности, IIN  – входной ток.

В качестве примера в таблице 3 приведены значения минимальной возможной просадки напряжения на выходе преобразователей семейства LM5360xx при максимальной нагрузке.

Таблица 3. Просадка напряжения при работе различных преобразователей

Параметр LM53602/3 LM53600/1 LM53625/35
Типовой Максимальный Типовой Максимальный Типовой Максимальный
Rds_on, мОм 95 200 200 420 60 130
Твкл мин., нс 50 80 50 75 50 60
Падение напряжения при частоте 1,85 МГц, мВ 509 868 509 806 509 578

Функция плавного запуска. Полезной особенностью для автомобильных DC/DC-преобразователей является функция плавного запуска. Дело в том, что цифровые микросхемы (процессоры, датчики и так далее) оказываются весьма чувствительными к перепадам напряжения. Чаще всего нестабильность напряжения проявляется при включении замка зажигания или группы параллельно включенных устройств. При этом происходит массовый заряд входных конденсаторов и, как следствие, протекание значительных токов. Так как сопротивление проводов является конечным, то в начальный момент времени могут наблюдаться локальные просадки напряжения. Если же DC/DC-преобразователь будет формировать выходное напряжение не скачком, а плавно, то этот критичный стартовый момент будет пропущен, и к моменту выхода на режим все переходные процессы закончатся (рисунок 6). Это спасет цифровые микросхемы от многократных перезапусков.

Рис. 6. Плавный пуск позволяет избежать неприятностей при включении цифровых схем

Рис. 6. Плавный пуск позволяет избежать неприятностей при включении цифровых схем

Быстродействие системы управления. Для оценки устойчивости ИП к пульсациям и изменениям напряжения бортовой сети часто используют автомобильный тест “Waterfall Test” [1]. Он заключается в формировании импульсных просадок с постепенным уменьшением напряжения питания (рисунок 7). Не все преобразователи способны адекватно отрабатывать такое воздействие. Некоторые из них склонны к перерегулированию из-за недостаточного быстродействия системы управления (рисунок 7б). Появляющиеся перенапряжения (в данном случае – около 500 мВ) могут быть опасны для цифровых микросхем.

Рис. 7. Проверка отклика DC/DC-преобразователей на импульсное изменение входного напряжения

Рис. 7. Проверка отклика DC/DC-преобразователей на импульсное изменение входного напряжения

Тип преобразователя. В большинстве случаев в автомобильных устройствах используются понижающие неизолированные преобразователи. Иногда для обеспечения устойчивой работы при просадках напряжения применяются входные повышающие регуляторы.

Исторически сложилось так, что на рынке долгое время присутствовали только несинхронные автомобильные преобразователи. Однако сейчас ситуация меняется. В частности, компания Texas Instruments предлагает синхронные регуляторы со встроенными ключами и входным напряжением до 60 В. Синхронные преобразователи позволяют отказаться от обратного диода. Это дает возможность создавать сверхкомпактные и высокоэффективные источники питания.

Потребление и КПД. Автомобильные DC/DC-преобразователи должны иметь минимальный ток потребления (quiescent current), малые потери и высокий КПД в широком диапазоне токов нагрузки. Это в первую очередь касается тех приборов, которые остаются активными при незаведенном двигателе.

Потери преобразователя бывают статическими и динамическими. Статические потери в первую очередь определяются сопротивлением силовых ключей, динамические сильно зависят от частоты коммутации.

Как правило, в широком диапазоне токов хорошо себя проявляет ШИМ-режим с фиксированной частотой коммутации силовых ключей (рисунок 8). Однако при малых токах динамические потери оказываются недопустимо высокими, что приводит к падению КПД. Чтобы этого избежать, наиболее продвинутые преобразователи переходят к режиму с частотно импульсной модуляцией (ЧИМ). Уменьшение частоты коммутации при малых нагрузках позволяет повысить КПД. В качестве примера такого решения можно вновь привести семейство LM536XX производства Texas Instruments [1].

Рис. 8. Переход к ЧИМ для увеличения КПД при малой нагрузке

Рис. 8. Переход к ЧИМ для увеличения КПД при малой нагрузке

Частота переключений. Хорошо известно, что для минимизации габаритов индуктивности и емкости выходного фильтра необходимо повышать частоту переключений. При этом важно учитывать требования ГОСТ Р 51318.25-2012 (СИСПР 25:2008), согласно которым следует избегать использования частот, отведенных для AM- и FM-приемников. Таким образом, частота переключений для автомобильного DC/DC-преобразователя должна быть либо ниже 530 кГц (диапазон AM-модуляции), либо быть выше 1,8 МГц (диапазон FM-модуляции) [1].

Расширение спектра (Spread Spectrum). Даже при использовании разрешенных частот не всегда удается гарантировать отсутствие помех в AM- и FM-диапазонах. Для дополнительного уменьшения уровня шумов в некоторых преобразователях применяют технику расширения спектра (Spread Spectrum).

При использовании фиксированной частоты коммутации на частотной характеристике преобразователя явно видны пики (рисунок 9а) [1]. Они соответствуют частоте переключений и ее гармоникам. Мощность этих гармонических составляющих оказывается достаточной для того чтобы их фиксировали приемники, что является крайне нежелательным.

Техника расширения спектра подразумевает постоянное переключение рабочей частоты в некотором диапазоне по случайному (псевдослучайному) алгоритму. Например, в преобразователях LM53600/1 и LM53625/35 частота коммутации колеблется в диапазоне ±4% (±84 кГц) с разрешением 17 бит (131072 значений) [1]. В результате спектр преобразователя не имеет ярких пиков.

Рис. 9. Функция расширения спектра помогает минимизировать пиковые значения шумов

Рис. 9. Функция расширения спектра помогает минимизировать пиковые значения шумов

Правильный выбор частоты коммутации и использование расширения спектра значительно упрощает работу входных синфазных и дифференциальных фильтров. Тем не менее, для получения малошумящего источника необходимо крайне ответственно подходить к расстановке компонентов и трассировке печатной платы.

Расстановка компонентов и трассировка печатной платы

Из предыдущих разделов ясно, что решить проблему собственных помех только за счет правильного выбора преобразователя, к сожалению, не получится. Установка входных синфазных и дифференциальных фильтров также не всегда спасает ситуацию. В итоге для минимизации уровня шумов придется уделить особое внимание расстановке компонентов и трассировке печатной платы.

Здесь стоит отметить, что рекомендации по разводке автомобильных преобразователей мало чем отличаются от рекомендаций по разводке источников питания для других отраслей. Рассмотрим кратко наиболее полезные из них [2, 3]:

  • используйте для развязки по питанию высококачественные керамические конденсаторы. Эти конденсаторы обладают наименьшим импедансом;
  • располагайте входной конденсатор фильтра как можно ближе к выводу микросхемы (рисунок 10). Увеличение длины токовой петли приводит к росту импеданса цепи и к увеличению уровня помех. В качестве примера можно привести результаты испытаний преобразователя LM53601 при различном расположении входного конденсатора фильтра (рисунок 11).
Рис. 10. Входной конденсатор должен располагаться как можно ближе к входу DC/DC-преобразователя

Рис. 10. Входной конденсатор должен располагаться как можно ближе к входу DC/DC-преобразователя

Рис. 11. Влияние токовой петли входного конденсатора на спектр помех

Рис. 11. Влияние токовой петли входного конденсатора на спектр помех

  • старайтесь уменьшить длину силовых цепей (VIN, VOUT, SW и GND). Используйте проводники максимальной ширины или полигоны, это уменьшит импеданс и улучшит качество теплоотвода от микросхемы;
  • используйте для внешних слоев металлизацию максимальной толщины. Комментарий в данном случае остается таким же, как и в предыдущем пункте – чем толще металлизация, тем меньше импеданс и лучше теплоотвод;
  • старайтесь развести силовые цепи (VIN, SW и землю от VIN) на том же слое, что и преобразователь – это наиболее опасные цепи с точки зрения шумов;
  • конденсатор CBOOT также относится к шумной цепи. Его следует помещать максимально близко к преобразователю;
  • используйте ближайший внутренний слой печатной платы для сплошного земляного полигона, это позволит экранировать чувствительные цепи;
  • размещайте развязывающий конденсатор цепи питания VCC максимально близко к выводу микросхемы и подключайте его к слою земли с помощью переходных отверстий, расположенных вплотную к контактной площадке или прямо на ней;
  • при наличии выделенного вывода аналоговой земли его следует подключать к земляному полигону с помощью переходных отверстий;
  • минимизируйте длину цепи обратной связи FB. При этом резисторы обратной связи следует располагать вплотную к выводу FB (рисунок 12). В этом случае они, совместно со входной емкостью, создадут ФНЧ-фильтр. Если же резистор обратной связи поместить далеко от вывода FB, то помехи, генерируемые силовыми цепями, будут поступать напрямую в схему управления;
Рис. 12. Резистор сигнала обратной связи следует располагать вблизи вывода FB

Рис. 12. Резистор сигнала обратной связи следует располагать вблизи вывода FB

  • используйте дополнительные переходные отверстия под микросхемой преобразователя для улучшения теплоотвода;
  • как уже понятно из вышесказанного, для получения хороших результатов необходимо использовать многослойную печатную плату. При этом потребуется как минимум один слой выделить для полигона земли.

Несложно заметить, что выполнить трассировку оказывается значительно проще, если расположение выводов микросхемы преобразователя оптимизированно.

Обзор новых автомобильных DC/DC-преобразователей от Texas Instruments

Texas Instruments выпускает достаточно широкий спектр DC/DC-преобразователей, которые могут использоваться для создания автомобильных источников питания, работающих с бортовой сетью 12 или 24 В.

DC/DC-преобразователи со входным напряжением до 60 В

Для легковых автомобилей и прочей автотракторной техники с бортовой сетью 12 В, как правило, используются микросхемы с диапазоном напряжения 36 В. Texas Instruments активно работает в данном сегменте и продолжает совершенствовать свои продукты. Свидетельством этого являются DC/DC-преобразователи LM73605-Q1 и LM73606-Q1.

LM73605/6 – синхронные преобразователи с диапазоном входных напряжений 36 В и выходным током 5 и 6 А соответственно (таблица 4).

Таблица 4. Характеристики автомобильных DC/DC-преобразователей производства Texas Instruments с входным напряжением менее 60 В

Наименование LM73605-Q1 LM73606-Q1 LM53635-Q1 LM53625-Q1
Uвх макс., В 36 36 42 42
Uвх мин., В 3,5 3,5 3,5 3,5
Uвых макс., В 34 34 10 10
Uвых мин., В 1 1 3,2 3,2
Iвых макс., А 5 6 3,5 2,5
Рабочая частота мин., кГц 350 350 1850 1850
Рабочая частота макс., кГц 2200 2200 2350 2350
Iпотр тип., мА 0,015 0,015 0,018 0,018
Управление Токовое Токовое Токовое Токовое
Максимальный коэффициент заполнения, % 96 96 98 98
Траб, °С -40…125 -40…125 -40…150 -40…150

Использование синхронной топологии с интегрированными силовыми ключами, а также наличие встроенных цепей компенсации максимально упрощает схему включения (рисунок 13). Если дополнительные функции (power good, синхронизация и так далее) не требуются, то для получения законченного решения нужен минимум внешних компонентов.

Рис. 13. Упрощенная схема включения LM73605/6

Рис. 13. Упрощенная схема включения LM73605/6

LM73605/6 работают с частотой коммутации 350…2200 кГц. Программирование частоты коммутации производится с помощью одного внешнего резистора, подключаемого к выводу RT. При этом для пользователей доступно два режима: Auto и FPWM. Выбор режима задается подачей высокого или низкого сигнала на вывод MODE. Режим FPWM (Forced PWM) предполагает работу с жестко заданной частотой в режиме непрерывных токов. В режиме Auto при значительных нагрузках также используется фиксированная частота коммутации. Однако при малой нагрузке происходит переход в режим ЧИМ (PFM) с уменьшением частоты коммутации.

Как говорилось выше, способность уменьшать частоту коммутации при малой нагрузке приводит к значительному повышению КПД преобразователя (рисунок 14) [2]. КПД LM73605/6 в режиме Auto оказывается выше 90% даже при нагрузке менее 10 мА.

Рис. 14. КПД DC/DC-преобразователя LM73605/6

Рис. 14. КПД DC/DC-преобразователя LM73605/6

Высоких значений КПД удается достигать и благодаря малому сопротивлению встроенных ключей и минимальному собственному потреблению. Сопротивление интегрированных силовых MOSFET составляет 53 мОм (верхний MOSFET) и 31 мОм (нижний MOSFET). В режиме Auto собственное потребление LM73605/6 составляет всего 15 мкА. Все это позволяет минимизировать потери и добиваться минимального перегрева (рисунок 15).

Рис. 15. Нагрев DC/DC-преобразователей LM73605/6

Рис. 15. Нагрев DC/DC-преобразователей LM73605/6

Среди дополнительных полезных функций LM73605/6 следует отметить:

  • плавный запуск с регулируемым временем включения;
  • возможность синхронизации с внешним источником тактирования;
  • индикацию установившегося режима Power-Good;
  • защиту от
  • просадок напряжения (UVLO) с настраиваемым порогом;
  • перегрузок по току;
  • перегрева.

Большим плюсом LM73605/6 следует считать миниатюрный корпус (WQFN) и оптимальное расположение выводов. Это позволяет создавать компактные источники питания и обеспечивать выполнение всех требований ЭМС (рисунок 16).

Рис. 16. LM73605/6, благодаря оптимальному расположению выводов, позволяет создавать компактные решения

Рис. 16. LM73605/6, благодаря оптимальному расположению выводов, позволяет создавать компактные решения

Говоря о корпусном исполнении преобразователей LM73605/6, следует отметить особую форму их выводов – Wettable Flanks. Выводы Wettable Flanks отличаются от обычных выводов QFN (рисунок 17). Сформированная канавка позволяет лучше распределить припой. С одной стороны это устраняет проблему излишков пасты, а с другой – значительно упрощает процедуру контроля качества пайки.

Рис. 17.Корпус WQFN имеет особую конфигурацию выводов (Wettable Flanks)

Рис. 17.Корпус WQFN имеет особую конфигурацию выводов (Wettable Flanks)

DC/DC-преобразователи со входным напряжением 60 В

Для автотракторной техники с бортовой сетью 24 В больше всего подходят DC/DC-преобразователи со входным напряжением 60 В и выше.

Texas Instruments предлагает широкий спектр автомобильных 60 В DC/DC-преобразователей с различной токовой нагрузкой (таблица 5):

  • LM16010/20/30 – несинхронные преобразователи с токовой нагрузкой 1/2/3 А, которые отличаются простотой использования, высокой рабочей частотой до 2,5 МГц и широким диапазоном выходных напряжений;
  • LM46001-Q1 и LM46002-Q1– синхронные DC/DC-преобразователи с высоким КПД до 99% и токовой нагрузкой 1 А и 2 А;
  • LM76002-Q1 и LM76003-Q1 – синхронные DC/DC-преобразователи с рекордно малым собственным потреблением всего в 15 мкА и токовой нагрузкой до 2,5 и 3,5 А.

Таблица 5. Характеристики автомобильных DC/DC-преобразователей Texas Instruments со входным напряжением 60 В

Наименование LM76002-Q1 LM76003-Q1 LM46001-Q1 LM46002-Q1 LMR16010 LMR16020 LMR16030
Uвх макс., В 60 60 60 60 60 60 60
Uвх мин., В 3,5 3,5 3,5 3,5 4,3 4,3 4,3
Uвых макс., В 57 57 28 28 50 50 50
Uвых мин., В 1 1 1 1 1 1 1
Iвых макс., А 2,5 3,5 1 2 1 2 3
Рабочая частота мин., кГц 300 300 200 200 200 200 200
Рабочая частота макс., кГц 2200 2200 2200 2200 2500 2500 2500
Iпотр тип., мА 0,015 0,015 0,024 0,027 0,04 0,04 0,04
Управление Токовое Токовое Токовое Токовое Токовое Токовое Токовое
Максимальный коэффициент заполнения, % 99 99 98 98 98
Траб, °С -40…150 -40…150 -40…125 -40…125 -40…125 -40…125 -40…125

LM76002-Q1 и LM76003-Q1 являются наиболее продвинутыми автомобильными преобразователями от TI. Их следует рассмотреть подробнее.

LM76002-Q1 и LM76003-Q1 отличаются простой схемой включения, которая требует минимального набора внешних компонентов (рисунок 18). Это стало возможным благодаря интеграции ключей и цепей коррекции в микросхему преобразователя. Несложно заметить, что расположение выводов LM76002-Q1 и LM76003-Q1 оптимизированно для максимального упрощения трассировки печатной платы.

Рис. 18. Упрощенная схема включения LM76002/03

Рис. 18. Упрощенная схема включения LM76002/03

Преобразователи LM76002-Q1 и LM76003-Q1 способны работать в двух режимах: FPWM с фиксированной частотой переключений (300…2000 кГц) или Auto с возможностью автоматической подстройкой частоты коммутации при малых нагрузках. Собственное потребление микросхем в режиме Auto оказывается на уровне 15 мкА.

Типовое сопротивление интегрированных силовых ключей LM76002-Q1 и LM76003-Q1 составляет 95 мОм (верхний MOSFET) и 45 мОм (нижний MOSFET). Малые собственные потери и возможность снижения рабочей частоты позволяют им сохранять высокий КПД в широком диапазоне нагрузочных токов (рисунок 19).

Рис. 19. КПД DC/DC-преобразователя LM76002/03

Рис. 19. КПД DC/DC-преобразователя LM76002/03

Среди дополнительных преимуществ LM76002-Q1 и LM76003-Q1 можно отметить: наличие функции плавного запуска с регулируемой длительностью, возможность синхронизации с внешним источником тактирования, индикацию установившегося режима Power-Good, защиту от перегрузок по току, защиту от перегрева, особую форму выводов Wettable Flanks.

Заключение

При создании автомобильных источников питания необходимо учитывать целый ряд особенностей, а также требования отраслевых стандартов. Для получения приемлемого результата важно не только правильно выбрать микросхему DC/DC-преобразователя, но и грамотно выполнить расстановку компонентов и трассировку печатной платы.

Автомобильный DC/DC-преобразователь должен отличаться широким диапазоном входных напряжений, обладать высоким КПД, отвечать требованиям по уровню собственных помех.

Современные синхронные DC/DC-преобразователи производства Texas Instruments отвечают всем необходимым требованиям. Например, регуляторы LM73605/6 позволяют создавать автомобильные источники питания нагрузкой до 5/6 А для бортовых сетей 12 В. Преобразователи LM76002/03 имеют диапазон входных напряжений 60 В и способны работать в составе бортовых сетей с напряжением 24 В.

Литература

  1. Katelyn Wiggenhorn. Application Report. Designing High-Performance, Low-EMI Automotive Power. Texas Instruments, 2017;
  2. LM73605/LM73606 3.5-V to 36-V, 5-A or 6-A Synchronous Step-Down Voltage Converter. Texas Instruments, 2017;
  3. LM76002/LM76003 3.5-V to 60-V, 2.5-A/3.5-A Synchronous Step-Down Voltage Regulator. Texas Instruments, 2017;
  4. ГОСТ Р52230-2004 «Электрооборудование автотракторное. Общие технические условия»;
  5. ГОСТ 33991-2016 «Электрооборудование автомобильных транспортных средств. Электромагнитная совместимость. Помехи в цепях. Требования и методы испытаний»;
  6. ГОСТ 30378-95 (ГОСТ 50607-93) «Электрооборудование автомобилей. Помехи от электростатических разрядов. Требования и методы испытаний»;
  7. ГОСТ Р 51318.25-2012 (СИСПР 25:2008) «Совместимость технических средств электромагнитная. Транспортные средства, моторные лодки и устройства с двигателями внутреннего сгорания. Характеристики индустриальных радиопомех. Нормы и методы измерений для защиты радиоприемных устройств, размещенных на подвижных средствах»;
  8. ti.com.

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, ...читать далее

Товары
Наименование Наличие
LM536253QRNLRQ1 (TI) 12 000
LM536255QRNLRQ1 (TI) 12 000
LMR16006XDDCT (TI) 5 370
LMR16006YDDCT (TI) 11 373