Синхронный понижающий преобразователь: ST1S10PHR, Синхронный понижающий преобразователь напряжения, 3А [SO-8 EP], ST Microelectronics — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Синхронный понижающий DC-DC преобразователь на 5 вольт 5 ампер, контроллер TPS4005 + доработка.

Неполноценный обзор модуля на чипе TPS40057.
Заявленные характеристики:
Входное напряжение: 9-35 в
Выходное напряжение: 5 В
Выходной ток: 5А
Выходная мощность: 25 Вт

На плате есть три основных компонента:
Синхронный контроллер TPS40057
SMD дроссель Sumida 6R1ML M9N2
Транзисторы TOSHIBA TPCA8053-H

В даташите есть рекомендована схема подключения и она близко соответствует данной плате.

С тестированием возникли проблемы.У меня нет нормальной нагрузки выше 3,5А
Пришлось городить связку из электронной нагрузки + кусок нихромной проволоки.
На верху в каждом столбце указано напряжение от блока питания.

Uвход — напряжение отданное блоком питания
Iвход — ток отданный блоком питания
Wвход — мощность отданная блоком питания

Uвыход — напряжение на выходе с модуля
Iвыход — ток нагрузки на выходе с модуля
Wвыход — мощность на выходе с модуля

КПД — преобразования модуля

Показания напряжений снимались с контактов на плате.

Ну и следом сгорел USB тестер. т.к. не рассчитан на такой ток.

Шумы на выходе

В районе 120мВ и они не меняются во всех диапазонах измерений. Печально, даже доделывать нечего.
Частота ШИМ 263,1kHz.

Нагрев, прогрел 5 минут на токе 4,35А:

Самым горячим оказался диод Шоттки.

Переделка.
Не люблю когда на плате что-то сильно греется без особой необходимости.
По этой причини диод выпаял и поставил перемычку. Он нужен только как защита от неправильного подключения, переполюсовки.
Лично мне он не нужен.

Прогрел 30 минут на токе 3,5А:

Так уже намного лучше. Равномерный нагрев, максимальная температура 57,6 градуса, очень порадовала.

Но этот модуль я изначально покупал не для 5 вольт. Мне от него нужно стабильные 3,3В при токе 6А.
Покурив немного инструкцию и разглядывая плату, был найден нужный резистор.

И формула его расчёта:

На плате он помечен как R14 номиналом 1.6kOm.

Зачем эти формулы? Припаяем на угад, а если не получится тогда и посчитаем как правильно.
Выпаял его и припаял подстроечник на 5кОм. В итоге получил регулируемый понижающий модуль. Диапазон напряжений от 0,8-8 вольт. Потом регулятор заменю на SMD резистор или маленький много оборотистый подстроечник.
Для получения 3,3 вольта выставил сопротивление 2,65кОм, можно просто заменить на 2,7кОм.

Ну последовательность была немного другая. Первым делом впаял подстроечник, а потом же смотрел на тепловую карту. Но не суть.

На 3,3 электронная нагрузка стала ещё хуже работать. Намотал ещё проволоки.

Светло-жёлтым помечены поля, где нагрузку давал буквально на 5 сек.

Две последних нагрузка по 5 минут.

В общем картина меня вполне порадовала. Блоки полностью оправдали мои ожидания. Но я не смог выжать с него все возможности.
Да, амперметр мне показывал более 10А. Но как долго плата сможет выдержать — непонятно. Проволока начинала светиться. И появлялся шум от дросселя.
Без хорошей электронной нагрузки нормальное тестирование не получится сделать.
Сегодня заказал плату на 150 ватт. Но пока она придёт… и придёт ли… Потом дополню обзор, а может и нет. Если к тому времени коллеги не запилят уже нормальный обзор, а не этот выкидыш.

Доработка заключалась только в замене резистора, для регулировки выходного напряжения. Удаление диода по желанию. Можно ещё поставить не силовой выключатель, т.к. контроллер имеет софт старт.
При цене в ~100р. и таких характеристиках — этот блок просто подарок и не имеет конкурентов.

На этом всё.

2019.01.30 — дополнение
Приехала электронная нагрузка на 10А. Я очень удивлён результатом. Ток на выходе в 10А держит! Просадка 100мВ, пульсации 200мВ, температура 120+

Синхронный понижающий DC/DC-преобразователь с высокой удельной мощностью, входным напряжением 12 В и мощностью 100 Вт с дросселем, установленным над МС(TIDA-00510)

Проект понижающего преобразователя с TPS53355 и дросселем, установленным над МС, характеризуется высокой удельной мощностью благодаря уменьшению площади печатной платы вследствие установки выходного дросселя над указанной МС, что позволяет данному проекту иметь минимальный КПД 92% при выходных мощностях 66 Вт и 100 Вт (выходные напряжения 3,3 В и 5 В, соответственно), для чего требуются всего лишь 4 керамических выходных конденсатора ёмкостью 100 мкФ каждый.

Данный базовый проект имеет характер аппаратного решения.

Возможности

КПД 94% при входном напряжении 12 В, выходном напряжении 5 В, выходном токе 20 А и частоте переключения 650 кГц

Потери мощности 6 Вт при выходной мощности 100 Вт
Пульсации выходного напряжения с амплитудой 14 мВ при выходном токе 20 А
Требуются всего лишь 4 керамических выходных конденсатора ёмкостью 100 мкФ каждый
Увеличение выходного напряжения на 27 мВ при скачкообразном росте тока нагрузки с 5 А до 10 А со скоростью 2,5 А/мкс
Температура корпуса МС 58,7°C при выходном напряжении 5 В и выходном токе 20 А (выходная мощность 100 Вт)

Файлы

Схемы и диаграммы

Быстро получите общее представление о схемотехнике решения

Тесты и Инструкции

Протестируйте плату по готовым тестам

Печатные платы и ПО

Ускорьте разработку по готовому дизайну

Спецификация (BOM)

Загрузите полный список требуемых компонентов.

Синхронный понижающий DC-DC преобразователь напряжения SC202 Semtech для питания микросхем

Компания Semtech — ведущий мировой производитель аналоговых и аналого-цифровых полупроводниковых устройств, — объявляет о выпуске новой платформы импульсных стабилизаторов, предлагая понижающий DC-DC преобразователь напряжения с интегрированным дросселем в небольшом корпусе размерами 2.5×3.0x1.0мм.

Новое устройство SC202 компании Semtech — это синхронный понижающий DC-DC преобразователь напряжения с частотой переключений ШИМ 3,5МГц, выходным током 500мА и очень высоким КПД до 94%. В дополнение, встроенная петля компенсации и программируемое выходное напряжение устраняют необходимость использования внешних компонентов управления стабильностью и программируемых резисторов, что в свою очередь уменьшает общее занимаемое место на печатной плате. Комбинация высокой степени интеграции и небольшого корпуса, занимающего общую площадь на печатной плате всего 14 кв.мм, обеспечивает разработчиков более эффективным решением по сравнению с альтернативой на основе линейного стабилизатора.

Разработка с использованием понижающего DC-DC преобразователя напряжения SC202 компании Semtech — простой процесс, требующий всего два внешних конденсатора, один для развязки по входу и второй для фильтрации по выходу. В дополнение к очень высокому КПД, SC202 обладает высоким КПД и в условиях малых нагрузок, благодаря автоматической системе сбережения мощности (PSAVE), которая уменьшает ток потребления в спящем режиме до всего 38 мкА. Эта система также обеспечивает низкий ток (менее 1мкА) в режиме отключения и превосходные характеристики при возникновении переходных процессов. Комбинация высокой степени интеграции, ультра-малого размера корпуса, высокого КПД и простоты разработки делает понижающий трансформатор SC202 идеальным решением для низковольтных применений питания оконечных нагрузок и для портативных устройств и систем следующего поколения — маленьких, легких и с питанием от гальванических элементов или аккумуляторов.

Стабилизатор SC202 компании Semtech работает от входных напряжений от 2.9 до 5.5В и обеспечивает на выходе программируемое напряжение в диапазоне 0.8-3.3В,

перекрывая все типовые уровни питания для ядер и цепей ввода/вывода цифровых микросхем с помощью одного лишь устройства. Этот стабилизатор также предлагает полный набор функций защиты, включая внутренний «мягкий» старт для уменьшения пусковых токов и лучшего управления общего канала питания всей системы, которые включают такие параметры как: отключение входа при недостаточном входном напряжении, отключение выходов при перенапряжении и защита от превышения тока, температурная защита и защита плавающего вывода программирования.

Понижающий преобразователь SC202 расширяет линейку преобразователей для оконечных нагрузок компании Semtech, которая включает в себя стабилизатор SC195, предлагающий аналогичные характеристики и функции, но использующий внешний дроссель.

Основные свойства стабилизатора напряжения SC202 компании Semtech:
— Интегрированный дроссель для облегчения разработки и разводки печатной платы;

     — Ультра-малый тонкий 13-выводной корпус MLPQ с размерами 2.5×3.0x1.0мм;
     — Малое занимаемое место на печатной плате, менее 14 кв. мм;
     — Простота разработки. Требуется всего лишь два внешних конденсатора;
     — Высокий КПД до 94%;
     — Автоматическая система сбережения энергии (PSAVE) увеличивающая эффективность в режиме отключения или останова;
     — Быстрый отклик на возникновение переходных процессов;
     — Частота переключений ШИМ 3,5 МГц;
     — Выходной ток 500 мА.

Возможные применения стабилизатора напряжения SC202 Semtech:
     — Кабельные модемы: вспомогательные микросхемы питания;
     — Сотовые телефоны: питание камеры, процессора, схемы цифрового контроля, прямой видеотрансляции, ЦСП, внешней памяти, аналого-цифровых схем;
     — Цифровые камеры: внешняя память, схемы вспомогательных функций, системный котроллер и ЦПУ;
     — DSL модемы: Ethernet MAC/PHY, микроконтроллер;

     — MP3 проигрыватели: аудио ЦСП, системный котроллер и ЦПУ, интерфейс внешней памяти, встроенная память, схемы вспомогательных функций, интерактивные экраны и устройства ввода/вывода;
     — Ноутбуки: графический контроллер, питание периферийных устройств;
     — Маршрутизаторы и коммутаторы: микроконтроллер;
     — Базовые станции мобильной связи: питание маломощных устройств.

Радиационно-стойкий DC-DC синхронный понижающий преобразователь TPS7h5001-SP на ток 18А

Компания Texas Instruments выпустила в начале мая 2020г синхронный понижающий DC-DC преобразователь напряжения TPS7h5001-SP с входным напряжением 3 – 7 В и током нагрузки до 18А. ИС предназначена для работы в космических аппаратах и отличается высокой стойкостью к радиационному излучению, способна работать при уровне радиации до 100Крад. В состав ИС интегрированы низкоомные MOSFET транзисторы на высоковольтном и низковольтном ветвях питания. ИС имеет керамический 34-выводной корпус с улучшенным теплоотводом. Вымокая эффективность обеспечивается благодаря схеме с токовым режимом управления.

В преобразователе предусмотрена возможность управления скоростью нарастания выходного напряжения через вывод SS/TR, что позволет соединять выходы двух ИС. Также можно включать несколько (до 4) преобразователей параллельно в режиме мастер-подчиненный, используя вход SYNC2. При этом тактовые импульсы смежных ИС сдвигаются по фазе на 90°. При перегрузке производится ограничение тока в каждом цикле работы в высоковольтной и в низковольтной ветвях питания с помощью полевых транзисторов. В ИС имеется защита от перегрева путем выключения при превышении порога температуры.

Основные характеристики преобразователя:

Параметры устойчивости к радиации:
- Интенсивность излучения TID до 100 Крад(Si)
- SEGR устойчивость к LET = 75 Мэв-см²/мг
- SET и SEFI характеристики до LET = 75 Мэв-см²/мг

Пиковая эффективность 95.5% (V_O = 1В на 100КГц)
Сопротивление встроенных ключей MOSFET 22мОм и 17мОм
Напряжение питанияl от 3В до 7В на входе VIN
Опорное напряжение 0.6В ±1.5% во всем температурном диапазоне
Гибкая тактовая частота:
- Внутренний генератор от 100КГц до 1МГц
- Внешняя синхронизация от 100КГц до 1МГц
- По входу SYNC устанавливается частота 500КГц для работы до 4 ИС вместе

Для заказов обращайтесь в ООО «Макро Тим» по адресу alexerk@macroteam.ru и по тел. +7 495 306-00-26

Синхронный понижающий преобразователь напряжения LM76005 на ток нагрузки 5А с напряжением питания 3.5 – 60 В

Компания Texas Instruments выпустила в конце июля 2020г ИС LM76005 — простой в использовании синхронный понижающий DC-DC преобразователь на ток нагрузки до 5А, с широким диапазоном входного питающего напряжения от 3.5В до 60В. Преобразователь допускает увеличение входного напряжения до 65В, что облегчает защиту от скачков напряжения на входе. В ИС используется режим управления по пиковому току для получения высокой эффективности преобразования и поддержания необходимой точности выходного напряжения. Плавный переход между режимами PWM и PFM, очень низкое сопротивление ключа MOSFET и внешний вход для смещения выходного напряжения также повышают эффективность преобразования во всем диапазоне нагрузок. Для работы ИС требуется совсем немного внешних компонентов. Специально выбранное расположение выводов позволяет минимизировать уровень ЭМ излучений на печатной плате. Предусмотрены следующие виды защиты: тепловое отключение, блокировка пониженного напряжения на входе, циклическое ограничение тока, защита от короткого замыкания при сбое. ИС LM76005 доступно в 30-контактном корпусе WQFN со смачиваемыми боковыми сторонами.

Основные характеристики ИС LM76005:

• Предназначена для использования в тяжелых промышленных условиях:
   — Защита от переходных процессов на входе до 65 В
   — Оптимизирована для снижения электромагнитным помех
   — Выбор режима работы FPWM
   — Диапазон регулируемой частоты ШИМ от 200 КГц до 500 КГц
   — запуск с предварительно смещенным выходным напряжением

• Выходное напряжение от 1 В до 95% от входного
• Синхронизация с внешними источниками частоты
• Регулируемая длительность плавного запуска (по умолчанию 6,3 мс)

• Низкая рассеиваемая мощность при разных нагрузках:
    — ток покоя 15 мкА
    — КПД 95% при частоте 400 кГц (12 В, 5 В, 2 А)
    — КПД 92% при нагрузке 10 мА (12 В, 5 В)
    — Опция внешнего смещения для повышения эффективности

Для заказов обращайтесь в ООО «Макро Тим» по адресу [email protected] и по тел. +7 495 306-00-26

L7987 — синхронный понижающий преобразователь напряжения

L7987 — синхронный понижающий преобразователь напряжения с током нагрузки до 3 А, входным напряжением до 61 В и регулируемым ограничителем тока.

Выходное напряжение преобразователя регулируется в пределах от 0.8 В до уровня входного напряжения V_IN.

Широкий диапазон входного напряжения и 100%-ый рабочий цикл обеспечивают соответствие устройства спецификациям по отказоустойчивости для промышленных систем. Встроенный источник напряжения смещения V_BIAS с отдельным выводом позволяет сохранить высокий КПД L7987 в условиях малой нагрузки. Благодаря регулируемой схеме ограничения выходного тока и высокой частоте переключения удается снизить размеры конечного решения. Импульсная схема измерения тока с цифровой цепью обратной связи по частоте гарантирует высокую стабильность тока нагрузки в любых рабочих режимах. Цепь обратной связи по пиковому току также снижает стрессовую нагрузку на силовые компоненты в жестких условиях короткого замыкания. Выход сигнала «питание в норме» PGOOD с открытым коллектором позволяет задавать последовательность подачи выходного напряжения при включении.

Несколько преобразователей могут быть синхронизированы от одного задающего генератора посредством специального вывода SYNCH для предотвращения возникновения пульсирующих шумов в таких чувствительных приложениях, как цепи датчиков с АЦП.

Типовая схема включения L7987

Отличительные особенности:

Максимальный выходной ток: 3 А
Диапазон входного напряжения V_IN: от 4.5 В до 61 В
Типовое значение сопротивления открытого канала силовых ключей: R_DS(ON) = 250 мОм
Диапазон установки рабочей частоты преобразования: от 250 кГц до 1.5 МГц
Ток покоя в ждущем режиме: 11 мкА (тип.)
Ток покоя в рабочем режиме при напряжении вход / выход 24 В / 3.3 В: 1 мА (тип.)
Диапазон регулировки выходного напряжения: от 0.8 В до V_IN
Возможность синхронизации с внешним тактовым сигналом
Регулируемая длительность режима мягкого старта
Устанавливаемый порог ограничения выходного тока
Малое время включения: не более 12 мкс
Наличие источника напряжения смещения V_BIAS повышает КПД преобразователя в условиях малой нагрузки
Выход сигнала «питание в норме» по схеме с открытым коллектором
Возможность управления последовательностью подачи выходного напряжения
Цифровая цепь обратной связи по частоте в режиме короткого замыкания на выходе
Цепь обратной связи по пиковому току в режиме короткого замыкания на выходе
Автоматический перезапуск устройства после срабатывания тепловой защиты

Область применения:

Преобразователь разработан для использования в системах питания с напряжением 24 В
Системы бесперебойного питания
Программируемые логические контроллеры (PLC)

DC-DC Преобразователь понижающий синхронный MP2315 c фиксированным/регулируемым выходом

Понижающий преобразователь постоянного напряжения MP2315 c фиксированным/регулируемым выходом

Преобразователь постоянного напряжения (регулятор напряжения), безусловно, одно из самых распространённых электронных устройств, востребованных в любительском и профессиональном радиоконструировании. Условно преобразователи делятся на три категории: повышающий, понижающий, и стабилизирующий (чаще именуемый универсальный), сочетающий в себе обе возможности. Первостепенная задача, успешно выполняемая любым регулятором, — это возможность выбора требуемого уровня напряжения на выходе путём его увеличения или уменьшение по отношению к входному. Вторая немаловажная функция преобразователя заключается в способности стабилизации выходного напряжения на выбранном уровне, в то время как входное напряжение может свободно колебаться в пределах определённого промежутка (не всего) диапазона поддерживаемого рабочего напряжения.

В своём большинстве, преобразователи DC-DC отличаются друг от друга не только конструктивным исполнением и способом изменения напряжения (регулируемый или фиксированный выход), но и различными техническими параметрами, среди которых наиболее важными считаются поддерживаемое рабочих напряжений, пропускная способность по току, максимальная нагрузочная мощность, эффективность и другие. Именно эти показатели указывают на итоговую совместимость с различной аппаратурой, помогают правильно оценить расход электроэнергии со стороны источника исходного напряжения, питающего через преобразователь конечное устройство. Регулятор напряжения можно смело называть многоцелевым устройством по причине невероятно широкого спектра применения в сфере создания схем питания разнообразной электроники.

Общий принцип работы преобразователя достаточно прост — названия подклассов устройств практически говорят сами за себя. В понижающем регуляторе, напряжение на выходе не может быть больше, чем на входе. В повышающем всё ровно наоборот, выход всегда будет больше, чем вход. Для универсальных стабилизаторов не важен высокий или низкий уровень входящего напряжения, так как процесс выравнивания выходного напряжения автоматизирован.

Технические характеристики

Модель: HW-613
Тип: понижающий
Преобразователь: MP2315
Напряжение на входе: 4.5 — 24 В
Напряжение на выходе

регулируемое: 0.8 — 17 В
фиксированное: 1.8 В / 2.5 В / 3.3 В / 5 В / 9 В / 12 В

Продолжительный ток: 2 А
Максимальный ток: 3 А (необходимо охлаждение)
Частота преобразования: 500 кГц
Эффективность (КПД): до 97.5%
Защита: от пониженного напряжения, короткого замыкания, перегрева
Температура эксплуатации: -40°С…+125°С
Размеры: 20 х 11 х 5 мм

Главная особенность платы миниатюрного понижающего модуля HW-613 c интегрированной микросхемой преобразователя MP2315 заключается в возможности самостоятельного определения пользователем способа настройки напряжения на выходе — фиксированного на одном из нескольких представленных уровней, или плавно регулируемого. HW-613 порддерживает широкий спектр входного напряжения, от +4.5В до +24В. Подстроечный резистор позволяет увеличивать напряжение на выходе HW-613 до 17В плавным поворотом по часовой стрелке и снижать до 0.8В вращением в обратную сторону. На нижней стороне платы расположен ряд из нескольких нераспаянных перемычек, имеющих маркировки 1.8В, 2.5В, 3.3В, 5В, 9В и 12В. Перемычки предназначены для настройки регулятора на фиксированный выход. Каждая из них определяет соответствующий надписи уровень напряжения.

По умолчанию, задан способ плавной регулировки. Выход VO+ преобразователя DC-DC соединён с подстроечным резистором (перемычка ADJ) неразрывной дорожкой. Чтобы изменить способ с плавной регулировки на выход с фиксированным напряжением, следует перерезать дорожку ADJ и, напротив нужного напряжения, запаять контакты новой дорожки. Возвращение к способу плавной регулировки предполагает повторную операцию с разрезанием и запайки исходной дорожки ADJ.

Примечание. Одновременное использование фиксированного выхода и выхода с плавной регулировкой не предусмотрено.

Микросхема преобразователя поддерживает режим энергосбережения и внешнее управление. Её функционирование может быть приостановлено низкоуровневым сигналом, и возвращено в рабочий режим высокоуровневым сигналом, передаваемым системой управления на контакт EN. Выход EN подтянут к общему питанию модуля, максимальное обратное напряжение на контакте не превышает 6.5В. Если режим энергосбережения не задействован, контакт EN подключать не обязательно.

Назначение контактов

Вывод «VO+» — положительная (плюсовая) сторона выходного напряжения
Вывод «GND» — общий контакт для входного и выходного напряжения
Вывод «IN+» — положительная (плюсовая) сторона входного напряжения
Вывод «EN» — режим энергосбережения, отключение преобразователя низкоуровневым напряжением

Электрическая схема преобразователя MP2315

Документация

Понижающий преобразователь MP2315 (англ., PDF)

Обзор синхронного понижающего преобразователя

— Справка разработчика

Показанный рисунок представляет собой идеализированную версию топологии понижающего преобразователя и два основных режима работы: непрерывный и прерывистый.

Базовую работу понижающего преобразователя можно проиллюстрировать, посмотрев на два пути тока, представленные состоянием двух переключателей:

S1: выключатель высокого давления
S2: выключатель низкого уровня

Когда переключатель верхнего плеча включен, на катушку индуктивности подается напряжение постоянного тока, равное VIN — VOUT, что приводит к положительному линейному нарастанию тока катушки индуктивности.И наоборот, когда переключатель верхней стороны выключается, а переключатель нижней стороны включается, приложенное напряжение индуктивности равно -VOUT, что приводит к отрицательному линейному нарастанию тока катушки индуктивности. Чтобы убедиться, что нет сквозного тока, между выключением верхнего и нижнего выключателя используется мертвое время, когда оба переключателя выключены, и наоборот.

Понижающий преобразователь работает в режиме постоянного тока индуктивности, если ток через индуктор никогда не падает до нуля во время цикла коммутации.Если ток индуктора достигает нуля, понижающий преобразователь работает в режиме прерывистого тока индуктора.

Компаратор нулевого тока

Обычно при использовании синхронного решения преобразователь вынужден работать в режиме постоянного тока индуктора независимо от нагрузки на выходе. Это, в свою очередь, приводит к потерям при низких нагрузках, поскольку выход разряжается. Одним из решений этой проблемы, который также применяется в конструкции MCP16311 / 2, является использование компаратора нулевого тока.Этот компаратор контролирует ток через переключатель низкого уровня, и когда он достигает нуля, переключатель выключается. Эта функция называется эмуляцией диода , и при ее реализации преобразователь будет иметь преимущества как синхронного, так и асинхронного режимов работы.

В традиционном преобразователе переключатель S2 был бы перехватывающим диодом (диодом Шоттки). Это до сих пор практикуется во многих современных понижающих преобразователях, поскольку они обеспечивают повышенную простоту управления и в то же время экономичны.Хотя такое асинхронное решение может показаться более простым и дешевым, оно также может оказаться неэффективным, особенно при работе с низкими выходными напряжениями. По этой причине было разработано синхронное решение, которое включает замену переключателя S2 на полевой МОП-транзистор, что увеличивает эффективность и возможности выходного тока.

Работа PFM / PWM

Для дальнейшего повышения эффективности при малых нагрузках, помимо эмуляции диодов, MCP16311 имеет режим работы с частотно-импульсной модуляцией (PFM).В этом режиме, по сравнению с традиционной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), MCP16311 увеличивает выходное напряжение до точки, после которой он переходит в спящий режим. В этом неактивном состоянии устройство перестает переключаться и потребляет только 44 мкА на входе. Когда выходное напряжение падает ниже номинального значения, устройство перезапускает переключение и возвращает выход в режим регулирования. Пример работы PFM представлен на показанном рисунке. Его легко определить по треугольной форме волны на выходе преобразователя.

Режим работы PFM значительно увеличивает эффективность преобразователя при малых нагрузках, а также добавляет низкочастотную составляющую на выходе, которая изменяется в зависимости от входного напряжения, выходного напряжения и выходного тока.

При увеличении выходной нагрузки преобразователь переходит в нормальный режим ШИМ. Пороговая точка определяется отношением входного напряжения к выходному и выходным током.

Из-за треугольной формы сигнала на выходе рекомендуется использовать MCP16312, поскольку он работает в режиме ШИМ.

Понижающий регулятор — Учебное пособие по проектированию источника питания, часть 2-1

В части 2-1 нашего руководства по проектированию источников питания мы собираемся начать глубокое изучение понижающего преобразователя и выбрать одну очень важную часть — выходной индуктор. Затем мы начнем с философии конструкции входных конденсаторов.

Раздел 2-1 Повестка дня

Синхронная и несинхронная реализация понижающих преобразователей
Выбор внешних компонентов:
Философия дизайна внешних компонентов:
- Входной конденсатор — типы (большой или MLCC)
- Входное сопротивление и демпфирование

На этом занятии гораздо меньше тем, чем на двух предыдущих вводных занятиях.Причина в том, что уровень детализации.

Выходной индуктор или понижающий индуктор является ключевым элементом этого и почти любого другого импульсного стабилизатора. Затем входные конденсаторы, о которых часто забывают, имеют решающее значение не только для правильной работы преобразователя, но и для электромагнитной совместимости или ЭМС. Мы рассмотрим различные конденсаторные технологии, а затем обсудим явление, называемое взаимодействием источников питания, которое может возникнуть, если входной фильтр не спроектирован должным образом. Предпосылки, обсуждаемые в этом разделе, будут использоваться в следующем разделе для фактического выбора входных конденсаторов, но также будут повторно использоваться практически для любой другой топологии переключающего преобразователя.

Как инженеры по электроснабжению любят цыплят?

Хорошо. Я не писал эту глупую шутку, но немного юмора может иметь большое значение. Если вы работаете со сложными цифровыми системами, особенно с ПЛИС, то у вас, вероятно, есть шина 12 В и шина 5 В, и у вас есть много понижающих регуляторов. Время от времени вам может повезти, и вам придется создать отрицательный выход или, возможно, по какой-то причине повысить напряжение. В основном это доллар, доллар, доллар, доллар и доллар.Вот почему инженеры по электроснабжению похожи на цыплят.

Определение основных терминов

Номинальное входное напряжение, В _IN, ex. 13,8 В для легковых автомобилей
- Максимальное входное напряжение, В _IN-MAX, напр. 42В для сброса зажатой нагрузки
- Минимальное входное напряжение, В _IN-MIN, ex. 4,5 В для старт-стоп
Максимальный выходной ток / максимальная нагрузка, I _O-MAX / R _O-MIN
Номинальный рабочий цикл, D _NOM, при номинальном входном напряжении
- Максимальный рабочий цикл, D _MAX, при минимальном входном напряжении
- Минимальный рабочий цикл, D _MIN, при максимальном входном напряжении
Многослойные керамические конденсаторы, MLCC
Сопротивление постоянному току, DCR, индукторов
Эквивалентное последовательное сопротивление конденсаторов
Преобразователь или регулятор: переключающая ИС по крайней мере с одним внутренним силовым полевым МОП-транзистором
Контроллер: коммутационная ИС с внешним питанием MOSFET (-и)
Модуль: управление переключением, силовые переключатели, индуктор и пассивные элементы в одном корпусе

Не волнуйтесь, я не буду читать вам этот список.Существуют и другие, более эффективные снотворные. Нет, это для вас, если я говорю о переменной, а вы не знаете, что это такое.

Схема типового несинхронного понижающего регулятора

В разделах 1-1 и 1-2 я показал понижающий преобразователь с идеальными переключателями, а затем — понижающий преобразователь с практичными переключателями. Теперь перед вами еще более практичный доллар. Внимательно посмотрите на входные и выходные конденсаторы. Обратите внимание, что я нарисовал по одному поляризованному и одному неполяризованному символу для каждой направляющей.Один из ключей к хорошей конструкции импульсного источника питания — убедиться, что ваши шины напряжения имеют низкий импеданс в максимально широком диапазоне частот. Конденсаторы разных размеров и типов обеспечивают низкий импеданс в широком диапазоне частот.

Я уверен, что вы заметили, как L IN, входная катушка индуктивности тоже влезла туда. Возможно, это не отдельное устройство, но оно всегда под рукой. Это потому, что все кабели, дорожки на печатной плате и любой другой реальный проводник, по которому проходит ток, имеют индуктивность.Уловка состоит в том, чтобы заставить это работать на вас, а не против вас.

Уравнения рабочего цикла, без синхронизации

Я впервые показываю диапазон рабочих циклов, основанный на изменении входного напряжения V IN. Я, конечно, предполагаю, что V OUT исправлен. Это тоже не факт, но верно для многих коммутаторов. Инжиниринг в целом — это разработка систем, которые могут справиться с худшим случаем плюс некоторый запас. Нам нужно знать крайние значения входного напряжения, рабочего цикла, выходного тока, частоты переключения и температуры, чтобы назвать основные из них, чтобы создать хороший дизайн для нашего импульсного преобразователя.

Найдите электрически тихую сторону

Это хорошее время, чтобы поговорить о методах измерения. Есть теория из квантовой физики, утверждающая, что сам акт измерения чего-либо меняет это. Одно дело сказать, что наблюдение за планетой меняет планету, но измерение токов и напряжений определенно влияет на эти величины. В большинстве случаев есть хорошие места для размещения токового щупа и плохие места.

Большинство индукторов импульсных стабилизаторов имеют тихую сторону (по напряжению) и шумную сторону

Это долговечный синхронный понижающий стабилизатор, который я использовал в большинстве экспериментов с понижающей топологией на этом семинаре.Я только два раза облажался. Вот откуда я знаю, что он надежный. В любом случае, в понижающем преобразователе «переключающий узел» — это то место, где два силовых полевых транзистора для синхронных баксов, таких как этот, или полевой транзистор в диоде, который был бы для несинхронных баксов, подключаются к одной стороне катушки индуктивности. Этот узел очень шумный с точки зрения электричества.

Другая сторона индуктора хороша и не работает. Это выходное напряжение с хорошим сочетанием различных конденсаторов, обеспечивающих низкий уровень шума в широком диапазоне частот.

Индуктор: шумная сторона vs.Тихая сторона

Этот снимок прицела говорит само за себя. Коммутационный узел подскакивает вверх и вниз на 20 вольт с большим количеством шумов и гармоник как на частоте переключения, так и на частоте считывания. Видите эти кратковременные всплески? Затем есть другая сторона катушки индуктивности, которая перемещается от пика до пика всего около двух вольт. На самом деле меньше, потому что некоторые из этих звуков ненастоящие. Он индуцируется общей землей, разделяемой двумя пробниками напряжения.

Соедините проволочную петлю последовательно с тихой стороной

Сейчас мы беспокоимся не о пробниках напряжения, а о том, где разместить наши токовые пробники.Эти активные токовые пробники имеют довольно большие головки, хотя и являются зажимными. Они рассчитаны максимум на 30 ампер. Вам нужно вставить петлю из проволоки размером примерно 15 на 15 милометров, чтобы закрепить их. Этот контур всегда должен идти последовательно с электрически тихой стороной индуктора. Добавление этой проволочной петли увеличивает индуктивность, но добавление индуктивности последовательно с индуктором обычно не проблема. Это немного меняет работу схемы, но если мы добавим 100 наногенри последовательно с индуктором на десять микрогенри, эффект будет незначительным.

А теперь есть над чем подумать. Что произойдет, если вы включите 100 наногенри последовательно с конденсатором фильтра при переключении MOSFET? Оставайтесь поблизости, чтобы узнать.

Выходной индуктор

Понижающий проводник накапливает энергию и фильтрует необработанное прямоугольное напряжение в плавное напряжение или, по крайней мере, более плавное напряжение. После того, как эта часть преобразователя будет правильно выбрана, выбор остальных компонентов будет довольно простым.

Магниты (индукторы и / или трансформаторы) являются сердцем всех переключающих преобразователей
Частота переключения имеет большое влияние на физический размер

Это может быть не сразу очевидно, но этот выстрел из прицела был сделан в режиме свободного хода.Обратите внимание, что спадающие фронты напряжения коммутируемого узла красивые и резкие. Под острым я имею в виду отсутствие дрожания. Чистая волна напряжения в коммутационном узле, без спадов и дрожания, и чистый треугольник с током через катушку индуктивности — это первые две вещи, на которые я обращаю внимание при проверке исправности импульсного регулятора.

Один из ключевых компромиссов при проектировании, который должен сделать каждый разработчик импульсных источников питания, — это выбор самой частоты коммутации. Более низкая частота обычно более эффективна, но более высокая частота приводит к меньшим, более дешевым и легким магнитам.Вы, наверное, слышали или слышали, что более низкая частота также лучше для EMC, но я не уверен в этом. Я внимательно изучаю действующие стандарты электромагнитной совместимости, прежде чем выбирать свою частоту, но это делается для того, чтобы избежать чувствительных полос частот или целенаправленно поместить основную частоту моего источника шума в диапазон с высоким пределом электромагнитных помех.

Я обычно выбираю самый большой индуктор, который подходит, когда я могу контролировать частоту переключения. Или, говоря другими словами, я выбираю самую низкую частоту переключения, которая позволяет мне установить катушку индуктивности на плате или внутри корпуса моего источника питания.

Средний ток в понижающем индукторе

Средний выходной ток и средний ток индуктора равны

Одним из практических аспектов преобразователя со средним током индуктивности, равным среднему выходному току, является то, что выбор ИС управления удобен и прост, особенно для устройств с внутренними переключателями питания и фиксированными ограничениями по току. Когда вы читаете, например, «понижающий стабилизатор на 5 ампер», это обычно означает, что переключатели мощности могут обрабатывать мощность, рассеиваемую, когда на выход подается 5 ампер.Понижающий — единственная топология, которая работает таким образом. Чтобы получить больше подробностей, обязательно просмотрите разделы этого семинара, посвященные усилению SEPIC или Flyback.

Расчетные уравнения выходного индуктора

Эти уравнения для выбора индуктивности основаны на работе CCM. Помните, это когда ток катушки индуктивности остается выше нуля в течение всего цикла переключения. Имейте в виду, что все несинхронные понижающие стабилизаторы перейдут в режим DCM, когда нагрузка упадет достаточно низко.DCM сам по себе не является проблемой.

На этом семинаре мы впервые видим концепцию выбора компонентов для поддержания заданного отношения пульсации или составляющей переменного тока к средней или постоянной составляющей формы волны. Мы будем видеть эту концепцию снова и снова. Это один из основных принципов конструкции импульсных регуляторов.

Пиковые и среднеквадратичные токи индуктора

Всякий раз, когда вы видите RMS, думайте о тепле. Если вы превысите RMS-рейтинг устройства, оно нагреется.Не обязательно слишком много, это зависит от многих факторов. Когда вы видите пик или «Sat», это насыщенность. Когда сердечник больше не выдерживает плотности магнитного потока.

Захват осциллографа, показанный внизу, представляет собой реакцию понижающего стабилизатора на короткое замыкание на выходе. Одна из больших проблем при проектировании индуктора — решить, следует ли выбирать ток насыщения, достаточно высокий, чтобы выдержать ограничение пикового тока системы. Большинство пределов пикового тока примерно на 50 процентов выше максимального среднего тока, чтобы обеспечить запас для тока пульсаций и кратковременности нагрузки.

Итак, насыщенный магнитный элемент не взрывается или что-то в этом роде, и при этом он не получает необратимых повреждений, но вы можете получить очень высокие пиковые токи при насыщении, что часто случается во время коротких замыканий на выходе. Это, в свою очередь, приводит к высоким среднеквадратичным токам. Высокие среднеквадратичные токи заставляют все нагреваться. С другой стороны, высокие значения пикового тока делают катушки индуктивности больше, тяжелее и дороже.

Ферритовый сердечник по сравнению с сердечником из порошкового железа

Вот где приходит компромисс.Феррит и порошковое железо — это, по сути, два варианта выбора магнитных сердечников для стандартных катушек индуктивности. Во многих случаях оба могут работать, но в целом ферритовые устройства обеспечивают более высокую индуктивность при более низких пиковых токах, поэтому они чаще встречаются в схемах с более высоким выходным напряжением, но меньшими выходными токами. Устройства с электроприводом имеют более низкую индуктивность, но гораздо более высокие токи насыщения.

Просто взгляните на двухколесные устройства, которые я выбрал для этого слайда.Оба работают на 12 ампер (среднеквадратичное значение), но железная часть с питанием может выдерживать удвоенный ток, прежде чем он достигнет насыщения. По этой причине части сердечника с питанием более распространены при низком выходном напряжении и высоком выходном токе.

Входные конденсаторы

Недооцененные и недооцененные

Одна вещь, которая показалась мне странной, когда я начал писать таблицы данных и примечания к применению, заключалась в том, что выходным конденсаторам уделялось много внимания, и все уравнения были похожи, в то время как у каждого автора был свой подход к входным конденсаторам.Некоторые руководства по дизайну вообще не приводили никаких уравнений или были очень расплывчатыми.

Моя цель на следующих девяти слайдах — убедить вас, мои зрители, что входные конденсаторы в понижающих стабилизаторах абсолютно необходимы.

Только самые простые, самые маленькие и наиболее экономичные понижающие стабилизаторы имеют только один входной конденсатор. В таких случаях фильтрация электромагнитных помех выполняется на предыдущем этапе. Теперь, чтобы сделать снимок с прицела, показанный здесь, я намеренно удалил все входные конденсаторы, кроме одного, небольшого понижающего стабилизатора.Вот почему я показываю это пустое место между B IN и C IN-1 на схеме. Затем я подключил небольшой сенсорный резистор к C IN-1, который представлял собой многослойный керамический конденсатор, сокращенно MLCC.

Здесь мы можем видеть, как ток трапециевидной формы течет, когда коммутационный узел находится в высоком состоянии, что означает, что управляющий полевой транзистор включен. Волны трапеции имеют высокие среднеквадратичные значения, которые вызывают сильный нагрев и высокое содержание гармоник, что вызывает большое количество электромагнитных помех. А теперь посмотрите на квазисинусоидальную форму входного тока IN-DC? Наша цель — сделать этот ток как можно ближе к постоянному току.

Я обещал, что мы будем снова и снова видеть концепцию управления переменным током как процент от значения постоянного тока. Все те же элементы, которые присутствуют в этом уравнении из минимальной входной емкости, присутствовали в уравнении для минимальной выходной индуктивности. Но обратите внимание, что вместо рекомендуемого соотношения от 20% до 40%, это от 1% до 5%. Основная причина этого в том, что пульсации напряжения и входного тока прямо пропорциональны. Пульсации входного тока должны быть очень, очень низкими, чтобы соответствовать большинству требований к кондуктивным электромагнитным помехам.

Чтобы дать вам представление о том, как это происходит во временной области, пульсации входного тока обычно должны быть меньше одного миллиампер от пика до пика. Если при расчетах C IN Min получается меньше, чем на 10 мкФ или меньше, подумайте об использовании всех многослойных керамических колпачков или MLCC. Это те коричневые или серые прямоугольные конденсаторы. Раньше они использовались только для высокочастотной фильтрации, но за те 15 лет, что я занимался проектированием источников питания, диапазон значений напряжения в емкости увеличился настолько, что теперь их можно использовать вместо тантала, алюминия и т. Д. и другие конденсаторы, которые были ранее, были единственным выбором для емкости более 10 мкФ.

Потеря емкости MLCC при смещении постоянного тока

MLCC

во многих аспектах почти настолько близки к идеалу, насколько это возможно с реальными конденсаторами. Например, эквивалентное последовательное сопротивление или ESR часто меньше 5 миллиом. У некоторых танталовых или алюминиевых конденсаторов ESR в Омах. Эквивалентная последовательная индуктивность, или ESL, MLCC также очень мала из-за их небольшого размера и геометрии. Это то, что делает керамические колпачки идеальными для фильтрации высоких частот.

Но нет ничего идеального. Одним из ключевых недостатков MLCC является то, что они теряют емкость, когда вы используете их с постоянным напряжением. Как правило, чем меньше емкость, тем ниже номинальное напряжение и чем выше номинальная емкость, тем хуже этот эффект. Как показывают графики здесь, MLCC могут потерять более половины своей емкости, если вы используете их при полном номинальном напряжении постоянного тока. Для конденсаторов емкостью более одного микрофарада я всегда использую диэлектрики X5R или X7R. Они отлично подходят для температурной стабильности. Я обычно выбираю устройства с градуированными напряжениями, которые в два раза превышают рабочее напряжение.Так, например, шина 12 В будет использовать эти MLCC с номиналом 25 В.

Зависимость объемной крышки от частоты: Al-Electrolytic

Давайте посмотрим на некоторые типичные технологии для так называемых конденсаторов большой емкости. Когда я говорю «большой объем», я имею в виду устройство, обеспечивающее большую емкость. Какая емкость? Ты спрашиваешь. Ну, как всегда, это зависит от обстоятельств. Как правило, используйте так называемые конденсаторы большой емкости, когда вам нужно больше емкости, чем может обеспечить MLCC. Конечно, вы всегда можете распараллелить множество MLCC.Это то, что делают серьезные основные шины микропроцессоров и ПЛИС. Но часто у вас нет бюджета или площади печатной платы. Если с этим справится один алюминиевый электролитический конденсатор, то все в порядке.

Большое текстовое поле и стрелка делают очевидным принципиальный недостаток этого алюминиевого конденсатора. Это просто не конденсатор после 20 килогерц или около того. Это ESL, паразитная индуктивность, которая вызывает увеличение импеданса выше определенной частоты. Алюминиевые электролиты для поверхностного монтажа обычно лучше, потому что их выводы короче.Помните, что индуктивность, помимо прочего, зависит от длины.

Прежде чем вы начнете думать, что этот конденсатор бесполезен для коммутирующего преобразователя постоянного тока в постоянный, например, на один мегагерц, помните, что множество событий, таких как переходные характеристики нагрузки, происходят на гораздо более низкой частоте. Не стоит пока сбрасывать со счетов благородный алюминиевый конденсатор.

Объемная крышка в зависимости от частоты: Полимер Al

Это устройство из полимерного алюминия имеет твердый электролит.Одним из больших преимуществ является то, что при той же температуре и одинаковых тепловых нагрузках этот конденсатор прослужит дольше, чем стандартный алюминиевый электролит, в котором есть жидкий электролит, который со временем испаряется. Полимерный алюминий также был бы лучшим кандидатом на роль ядра цифрового процессора. Под этим я подразумеваю высокодинамическую нагрузку, которая очень быстро запрашивает много тока, а затем так же быстро падает почти до нуля. Это потому, что этот конденсатор имеет гораздо более низкое ESR, а также сохраняет его на довольно низком уровне даже при низких температурах.

Холодный — это то место, где стандартные электролиты также имеют большие проблемы, потому что их электролит может замерзнуть. Это приводит к тому, что ESR становится настолько высоким, что эффективно размыкает цепь конденсатора. До сих пор полимерные алюминиевые колпачки не выходили за пределы 25 вольт, поэтому в основном они используются на выходах понижающих регуляторов.

Объемная крышка в зависимости от частоты: твердый тантал

Твердый тантал, иногда также известный как сухой тантал, является одной из немногих альтернатив алюминиевым электролитическим технологиям в течение нескольких лет в тех случаях, когда требовались довольно большие емкости при напряжении примерно до 50 вольт.Я до сих пор помню, как мой коллега посмеялся над моим счетом, когда я впервые подал слишком большое напряжение на одну из этих крышек. Никто не пострадал, и вишнево-красное пламя, когда танталовая крышка сгорела дотла, было красивым. Эти проблемы в основном исчезли, но тантал по-прежнему является довольно дорогой технологией.

Что касается ESR и ESL, этот тип конденсатора лучше, чем алюминиевый электролитический, но не так хорош, как MLCC. Я считаю, что для низких напряжений в наши дни более популярны полимерный алюминий и полимерный тантал.

Зависимость объемной крышки от частоты: Polymer Ta

Полимерные танталовые и полимерно-алюминиевые конденсаторы во многом схожи. Они имеют аналогичные диапазоны напряжения, редко превышающие максимум 25 вольт, аналогичные диапазоны емкости, обычно до 1000 микрофарад или около того, и аналогичные значения ESR, обычно от менее 10 миллиомов до около 50 миллиомов или около того. Они тоже очень похожи. Фактически, они выглядят как танталовые конденсаторы для поверхностного монтажа, а также совместимы по занимаемой площади.

Как и алюминиевые полимеры, полимерные танталовые колпачки могут выдерживать большие пульсации тока благодаря низкому ESR и хорошо выдерживают низкие температуры. Кроме того, здесь мы говорим о входных конденсаторах, но довольно низкие номинальные напряжения означают, что эти устройства чаще всего встречаются на выходах баксов, как правило, для использования при 5 В постоянного тока и ниже.

Зависимость емкости MLCC от частоты

Последним, но не менее важным является MLCC.Этот график предназначен для устройства размером 1206, номиналом 10 мкФ и номинальным напряжением 25 вольт постоянного тока. Его емкость почти на порядок выше, чем у конденсаторов любого другого типа, которые мы видели. Этот график показывает нам причину, по которой цифровые ядра серии окружены MLCC. Ничто другое не может оставаться емкостным при тех частотах и скоростях нарастания, которые требуются микропроцессорам, ПЛИС и серийным микроконтроллерам.

Помимо того, что у MLCC есть ESL, составляющее около 3 миллиомов, ESL намного ниже. Помните, что это означает паразитную индуктивность, которая ниже, чем у конденсаторов других типов.Это настоящая причина того, что MLCC являются лидерами с точки зрения емкости на высоких частотах. Наконец, этот низкий ESR и твердый термостойкий материал, керамика, делают MLCC способными выдерживать гораздо больший ток пульсаций на единицу объема, чем конденсаторы любого другого типа. Короче говоря, они почти идеальны для использования в качестве входных конденсаторов понижающих стабилизаторов.

Входные конденсаторы, часть 2

Все больше и больше баксов используют входные ограничения 100% MLCC
Низкое СОЭ — это хорошо, НО:
Входная линия / выводы имеют паразитную индуктивность, L _IN
Или специально добавлен входной индуктор
Этот фильтр L-C имеет низкий коэффициент демпфирования и может:
- Вызывает превышение VIN при запуске
- Кольцо в устойчивом состоянии

Я только что заявил, что многослойные керамические конденсаторы или MLCC почти идеальны для использования в качестве входных конденсаторов понижающих стабилизаторов.У них низкая СОЭ, низкая ESL. Они могут обрабатывать больше пульсаций тока на единицу объема, чем любая другая технология, но, как ни странно, быть почти идеальным не всегда идеально. Теперь, когда MLCC доступны с напряжением до 100 вольт, что покрывает подавляющее большинство преобразователей постоянного тока в постоянный, и MLCC доступны с емкостью более 10 микрофарад, иногда намного больше 10 микрофарад, что удовлетворяет потребность в емкости для многих схем. Теоретически можно использовать только керамику на входах многих понижающих преобразователей.

На практике, если у вас есть только входные конденсаторы MLCC и их длинные индуктивные входные выводы, то формируется входной LC-фильтр второго порядка. Звучит хорошо, правда? Проблема в том, что у этого фильтра очень высокое значение добротности. Другой способ заявить об этом состоит в том, что входной фильтр, состоящий из входных выводов и MLCC, имеет очень и очень маленькое демпфирование. Любой небольшой переходный процесс заставит его колебаться или звенеть. То же самое может произойти, если ваш понижающий стабилизатор имеет фактическую катушку индуктивности дискретного входного фильтра. Как показано на принципиальной схеме, вам нужно быть осторожным с входным фильтром с более высоким импедансом, Z S, чем входное сопротивление импульсного регулятора, отрицательное Z IN.

Что такое отрицательное входное сопротивление?

Возможно, вы впервые слышите термин «отрицательное сопротивление», так что давайте копнем глубже. Правильно спроектированные импульсные источники питания обеспечивают высокий КПД в широком диапазоне входных напряжений. Для доллара это обычно более 90%. Представьте себе схему, которая имеет выход 5 В, выдает выходной ток 1 А и имеет вход 10 В. Если, например, КПД составляет 90%, то входной ток по этой формуле примерно равен.55 ампер. Теперь, если VIN повысится до 20 вольт, но выходное напряжение, выходной ток и энергоэффективность останутся прежними, то входной ток упадет до 0,27 ампер. Это сохранение силы. Если ток, потребляемый нагрузкой, падает при повышении приложенного напряжения, то с математической точки зрения эта нагрузка имеет отрицательный входной импеданс.

Импеданс фильтра и импеданс преобразователя

Итак, причина, по которой мы заботимся об отрицательном входном импедансе, связана с входными колебаниями, звоном или взаимодействием источника питания, о котором я говорил.Если выходной импеданс входного фильтра Z S равен абсолютному значению входного импеданса преобразователя, то теоретически система будет звонить до бесконечности вольт. В одном из моих любимых фильмов «Охотники за привидениями» персонаж Эгон говорит: «Было бы плохо». На практике, когда выходное сопротивление фильтра выше, чем ZN, входное сопротивление коммутатора, система, вероятно, будет колебаться. Вот почему я даю расчет ZN MIN, чтобы мы знали худший случай. Кстати, для импульсных преобразователей худший случай обычно с максимальной нагрузкой и минимальным входным напряжением.Подробнее об этом в сессиях Boost SEPIC, инвертора и Flyback позже на семинаре.

Демпфирование входного фильтра (для MLCC)

В предыдущем разделе, раздел 2-1, я сказал, что алюминиевый электролитический конденсатор еще не умер. Оказалось, что алюминиевые электролитические конденсаторы с их высокой емкостью на единицу объема, высоким ESR и низкой стоимостью идеально подходят для демпфирования LC-фильтров. Алюминий с большими потерями, подключенный параллельно к MLCC, творит чудеса с входными колебаниями.Обратите внимание, что емкость 4 X для демпфирования была первоначально предложена доктором Миддлбруком, одним из великих имен в силовой электронике.

Всякий раз, когда я размещаю печатную плату для схемы, которая, как я знаю, будет иметь длинные индуктивные входные выводы, я часто размещаю посадочное место для резистора последовательно с демпфирующим конденсатором. Таким образом, если по какой-либо причине электролитическая крышка, которая в остальном идеальна, не имеет достаточного СОЭ, я могу просто добавить столько, сколько захочу.

Коэффициент демпфирования входного фильтра

В этом уравнении для демпфирования коэффициента дельта RS — это сопротивление входных проводов, а RDN — это любой дискретный резистор, включенный последовательно с демпфирующим конденсатором.

Еще несколько советов по демпфированию входного фильтра. Если вы разрабатываете источник питания для очень высокотемпературных сред и беспокоитесь, что даже качественный электролитик высохнет, вы также можете использовать полимерный алюминий, полимерный тантал или даже большой банк параллельных MLCC с дискретным последовательным резистором. Я не рекомендую сухой тантал, потому что они могут быть чувствительны к пусковым токам. Под чувствительными я имею в виду, что они могут взорваться.

На самом деле вы можете ослабить LC-фильтр, разместив ветвь параллельно катушке индуктивности с индуктивностью, в четыре или пять раз превышающей индуктивность основной катушки индуктивности и дискретного резистора, но это дорого и громоздко.Я делаю это только для определенных входных фильтров в некоторых очень специальных приложениях переменного тока в постоянный.

Вы, вероятно, не увидите никакой разницы в размах колебаний входного напряжения после добавления демпфирующего колпачка, потому что он обычно не очень емкостный на частоте переключения, но вы увидите хорошее улучшение падения входного напряжения во время переходных процессов нагрузки. .

Далее: Раздел 2-2 — Понижающие преобразователи

Подробнее Философия конструкции входного конденсатора
- Выбор входной емкости
- Действующий ток (пульсации) во входных конденсаторах
- Объединение MLCC и конденсаторов большой емкости
Философия проектирования и выбор выходных конденсаторов
Философия проектирования и выбор управляющего MOSFET (переключатель верхнего плеча), когда он внешний

На следующем занятии будут представлены уравнения для выбора емкости, расчета максимального значения ESR и RMS пульсаций для входных конденсаторов в понижающий преобразователь, а также способы комбинирования емкостных и керамических конденсаторов для получения низкого импеданса и длительного срока службы.Затем мы поговорим о выходных конденсаторах, и последняя часть раздела 2-2 будет посвящена выбору теплового ребра для переключателя высокого напряжения, когда это дискретный полевой МОП-транзистор.

На этом завершается часть 2-1, и я надеюсь, что вы кое-что узнали и вернетесь, чтобы увидеть следующую сессию, а также будущие. В части 2-2 мы остановимся на понижающем преобразователе и сначала выберем несколько входных конденсаторов. Затем мы перейдем к подробному руководству по проектированию всех остальных внешних частей и компонентов.Я хотел бы поблагодарить Power Electronics News за предоставленную мне возможность представить эту серию, и я с нетерпением жду встречи со всеми, по крайней мере виртуально, в части 2-2.

Ссылка на следующий раздел: 2-2 Понижающие преобразователи, часть 2

Ссылка на предыдущий раздел: 1-2 Топологии и основы, часть 2

Синхронный понижающий преобразователь

с двойным входом, 42 В, 2,5 А обеспечивает бесшовное автоматическое переключение между двумя входными источниками питания и соответствует строгим ограничениям по электромагнитным помехам CISPR 25, класс 5

Многие электронные устройства должны плавно переключаться между различными источниками входного питания, такими как батареи , автомобильные рельсы, настенные адаптеры и USB-порты.Традиционно разработчики источников питания полагаются на диоды Шоттки или приоритетный PowerPath (переключатели MOSFET, управляемые ИС) для объединения источников входного сигнала. Поскольку оба метода требуют дополнительных компонентов перед импульсным источником питания, размер решения и сложность конструкции увеличиваются, а общая эффективность источника питания снижается. Благодаря способности работать напрямую от двух различных источников входного питания, LTC3126 устраняет эти недостатки и позволяет создавать блоки питания с несколькими источниками меньшего размера и с более высокой эффективностью.

LTC3126 работает напрямую от двух независимых источников питания, что значительно упрощает конструкцию таких систем за счет минимизации количества компонентов и размера решения, как показано на рисунке 1, при сохранении высокой общей эффективности системы. Простота использования повышается благодаря широкому диапазону входного напряжения, низкому общему току покоя источника питания всего 2 мкА и уровню излучаемых помех ниже жестких автомобильных ограничений CISPR 25 класса 5, как показано на рисунке 2.

Рис. 1. LTC3126 обеспечивает полное решение с двумя входами питания в 3.4см ².

Рис. 2. LTC3126, работающий на стандартной демонстрационной печатной плате, соответствует ограничениям на излучение CISPR 25 класса 5, показанным красным.

LTC3126 поддерживает два выбираемых выводами режима управления PowerPath ^™: режим идеального диода-ИЛИ (описан здесь) и режим приоритетного канала (описан ниже). В режиме идеального диодного ИЛИ, как показано на рисунке 3, LTC3126 имитирует идеальную схему диодного ИЛИ, в которой понижающий преобразователь автоматически работает от более высокого напряжения двух входных источников питания.Этот режим работы полезен в приложениях, где два источника питания имеют неперекрывающиеся диапазоны напряжений, например, перезаряжаемая литиевая батарея с диапазоном напряжения от 3 до 4,2 В и сетевой адаптер с номинальным выходным напряжением 12 В.

Рис. 3. В идеальном диодном режиме LTC3126 имитирует схему дискретного диода-ИЛИ, устраняя при этом потери мощности Шоттки, падение напряжения и обратный ток утечки.

LTC3126 содержит два внутренних переключателя высокого сопротивления с низким сопротивлением, расположенных в топологии, показанной на рисунке 4, что позволяет понижающему преобразователю работать напрямую от любого источника входного питания без дополнительных компонентов тракта питания.Это имеет несколько преимуществ по сравнению с традиционным подходом на основе диодов Шоттки, когда для решения этой задачи используются дискретные устройства:

Типичный диод Шоттки на 40 В, 2 А имеет прямое падение напряжения не менее 500 мВ при полном токе. Это падение напряжения увеличивает требуемый рабочий запас, делая невозможным работу от источников входного напряжения, близких к напряжению регулируемой шины, тем самым уменьшая полезную часть кривой разряда батареи. Для выхода 3,3 В на рис. 5 показан типичный дополнительный запас по напряжению, который устраняется использованием LTC3126, а не ИЛИ Шоттки, за которым следует понижающий преобразователь.
Прямое падение напряжения Шоттки также приводит к значительной потере эффективности. При полной нагрузке это может составлять 1 ватт дополнительных потерь мощности, что составляет от 4% до 5% снижения общей эффективности преобразования энергии, как показано на рисунке 6. LTC3126 устраняет эту потерю мощности.
Дискретный подход Шоттки страдает от высокого тока утечки на неиспользуемый вход. Типичный 40V, 2.5A Schottky может иметь ток утечки 500 мкА при 25 ° C, увеличивающийся до десятков миллиампер при 100 ° C — значительный ток на неиспользуемом входе — который практически устраняется использованием LTC3126.

Рис. 4. Топология переключателя питания LTC3126 обеспечивает оптимальную эффективность и минимальный размер решения, учитывая способность понижающего преобразователя работать напрямую от любого входа, V _IN1 или V _IN2, без дополнительных компонентов тракта питания.

Рис. 5. Конструкция LTC3126 с технологией PowerPath без потерь позволяет снизить входное напряжение при сохранении регулирования на выходе 3,3 В.

Рис. 6. Конструкция LTC3126 PowerPath без потерь обеспечивает значительное повышение эффективности.

Во многих приложениях с двумя источниками питания два входа могут перекрываться в диапазонах функциональных напряжений, при этом, по возможности, предпочтительно использовать один вход, что делает нежелательным решение с диодным ИЛИ (побеждает более высокое напряжение). Например, устройство, которое работает как от герметичной свинцово-кислотной батареи на 12 В, так и от автомобильной шины питания, обычно предназначено для работы от автомобильного входа, когда он присутствует, чтобы продлить срок службы батареи.

Это требует более сложного решения для тракта питания, чем может быть обеспечено с помощью диодов Шоттки, требующих использования специальной микросхемы контроллера PowerPath и переключателей MOSFET.На рисунке 7 показано, что LTC3126 и его режим приоритетного канала с выбираемым выводом объединяют эту возможность с переключающим преобразователем, устраняя необходимость в последовательных переключателях MOSFET (и контроллере) в тракте питания. Это нововведение упрощает конструкцию, снижает требования к площади платы, повышает эффективность и сводит к минимуму общий ток покоя силового каскада.

Рис. 7. В режиме приоритетного канала LTC3126 предпочтительно работает от входа V _IN1 всякий раз, когда он действителен, и возвращается к работе с V _IN2, только если напряжение на V _IN1 недопустимо.Комбинация в LTC3126 схемы выбора PowerPath с ИС понижающего преобразователя обеспечивает более высокий КПД и меньший ток покоя, а также более компактную и простую конструкцию.

В режиме приоритетного канала каждый вход LTC3126 имеет настраиваемый пользователем минимальный порог напряжения, выше которого канал считается действительным. Внутренний понижающий преобразователь работает напрямую от приоритетного канала, V _IN1, когда он действителен, независимо от напряжения на вторичном входе.

Понижающий преобразователь возвращается к работе от вторичного канала, V _IN2, только когда приоритетный канал недействителен.

Контроллеры

PowerPath, использующие внешние полевые МОП-транзисторы, обычно требуют значительного времени для переключения между каналами, чтобы избежать переходных процессов, вызванных событиями быстрого переключения. Когда канал выключен, контроллер должен делать это достаточно медленно, чтобы избежать быстрого прерывания входного тока. Аналогичным образом, когда канал активирован, контроллер PowerPath должен выполнить плавный запуск внешних полевых МОП-транзисторов для этого канала.

Во избежание прерывания подачи питания на нагрузку при отключении входа должен присутствовать большой удерживающий или накопительный конденсатор, чтобы обеспечить достаточный заряд для поддержки нагрузки до тех пор, пока тракт питания полностью не перейдет на альтернативный вход. Требуется конденсатор большой емкости и Тот факт, что он должен быть рассчитан на максимальное напряжение любого входа, часто приводит к тому, что он является самым большим компонентом в системе.

Напротив, запатентованная конфигурация переключателей в LTC3126 позволяет ему переходить с одного входа на другой за один цикл переключения.На Рисунке 8 показаны формы сигнала переключателя, выходного напряжения и тока катушки индуктивности во время переключения за один цикл, производимого LTC3126 при переходе с входа 13,8 В на V _IN1 на вход 24 В на V _IN2. Это почти мгновенное переключение сводит к минимуму величину удерживающей емкости, требуемой на отключаемом канале, и снижает любые нарушения выходного напряжения. В этом случае возмущение выходного напряжения во время перехода канала составляет менее 40 мВ, примерно 1% от 3.Выход 3 В.

Рис. 8. Одноцикловое переключение между входными каналами LTC3126 снижает требования к удерживаемой емкости и сводит к минимуму возмущения выходного напряжения.

Программируемые контроллеры PowerPath

используют резистивные делители для установки допустимых пороговых напряжений для каждого входного канала, как показано на рисунке 10. Выходы делителя сравниваются с внутренним опорным напряжением через компараторы.

Из-за утечки на печатной плате максимальное значение резистора, которое можно использовать в большинстве приложений, составляет приблизительно 1 МОм, что приводит к значительному потреблению тока от входной шины через резисторный делитель, даже когда деталь находится в выключенном состоянии.Для входа 24 В ток легко может составить 19 мкА на входной канал.

Кроме того, во многих приложениях с высокой надежностью, таких как автомобильная среда, максимально допустимое значение резистора ограничено 100 кОм. В результате только резистивные делители могут потреблять более 100 мкА на входной канал.

Чтобы минимизировать потери входного тока в резисторных делителях, устанавливающих пороговые значения, LTC3126 использует новую архитектуру, показанную на рисунке 9, для установления минимального порога входного напряжения для каждого канала.Выход V _REF внутренне регулируется до точного, стабильного по температуре 1,00 В и используется в качестве эталона для внешних резисторных делителей, используемых для установки порога блокировки пониженного напряжения для каждого входного канала.

Рис. 9. В LTC3126 используется новый подход к установлению пороговых значений UVLO, который минимизирует ток покоя, устраняя необходимость в резисторных делителях, подключенных к источникам входного напряжения.

Рис. 10. Традиционный метод, используемый для определения пороговых значений UVLO для устройства PowerPath, использует значительный ток покоя в резисторных делителях, подключенных к V _IN.

Каждый порог UVLO равен 20-кратному напряжению на соответствующем выводе V _SET. Например, программирование вывода V _SET1 на 0,5 В приводит к пороговому значению UVLO 10 В для канала V _IN1. Поскольку напряжение на каждом делителе составляет всего 1 В, а не полное входное напряжение, ток покоя уменьшается более чем на порядок. Эта функция в сочетании с режимом пакетного режима с низким током покоя ^® снижает общий ток покоя LTC3126 до ~ 2 мкА при работе от входа 24 В при сохранении регулирования на выходной шине.Даже при использовании резисторов менее 100 кОм типичный ток покоя остается ниже 10 мкА.

Таблица 1. Обзор характеристик монолитных преобразователей с несколькими входами
	LTC3126	LTC3118
Режим	Бак	Повышение мощности
Программируемые входные пороги UVLO
Идеальный диод или приоритет В _IN Выбор режимов
Диапазон ввода	2.От 4 В до 42 В	От 2,2 В до 18 В
Выходной диапазон	0,818 В до В _IN	от 2 В до 18 В
Допустимый выходной ток	2.5A	5 В при 2 А для V _IN> 6 В
Рабочая частота	от 200 кГц до 2,2 МГц	1,2 МГц
Ток покоя	2 мкА в пакетном режиме, 1 мкА в выключенном состоянии	50 мкА в пакетном режиме, 2 мкА в выключенном состоянии
Пакеты	28-выводный QFN 4 мм × 5 мм и 28-выводный TSSOP	4 мм × 5 мм 24-выводной QFN или 28-выводный TSSOP

Выход V _REF также можно использовать в качестве эталона с температурной стабильностью для других компараторов или преобразователей данных в системе, что дополнительно снижает требования к ИС.

CISPR 25 предоставляет стандартизированные средства тестирования электронных устройств, предназначенных для использования в автомобилях, чтобы гарантировать, что электрические подсистемы не создают помех для обычных радиоприемников, включая спутниковую навигацию, Bluetooth, сотовые телефоны и радиоприемники. Помехи в транспортных средствах из-за непреднамеренных выбросов вызывают растущую озабоченность у производителей таких систем, учитывая увеличение количества электрических подсистем в транспортных средствах в сочетании с увеличением количества радиочастотных приемников.

Импульсные преобразователи мощности могут вызывать особую озабоченность из-за излучаемых излучений, учитывая их высокую мощность, быстрые фронты переключения и наличие множества компонентов, несущих коммутируемые токи большой амплитуды, которые могут стать источниками неприятных излучений. В LTC3126 используются запатентованные методы, позволяющие минимизировать излучаемые излучения без снижения эффективности или снижения рабочей частоты.

Благодаря низкому уровню шума при работе на фиксированной частоте излучаемые излучения LTC3126 значительно ниже пределов CISPR 25 класса 5, как показано на рисунке 2.Показанное здесь испытание на соответствие стандарту CISPR 25 Class 5 было проведено в признанной на национальном уровне независимой испытательной лаборатории EMI, где измерения проводились с использованием стандартной демонстрационной печатной платы LTC3126, работающей при нагрузках 0,5 и 1 А от входа 12 В. Две кривые излучаемого излучения, показанные на рисунке 2, относятся к горизонтальной и вертикальной поляризации приемной антенны в соответствии со спецификацией CISPR 25. Хотя спецификация CISPR 25 регулирует излучаемые излучения в диапазоне частот от 150 кГц до 1 ГГц, данные на рисунке 2 нанесены на линейную ось в диапазоне от 30 МГц до 1 ГГц.Обычно это наиболее интересный диапазон, учитывая, что низкочастотные излучения ниже 30 МГц лежат более чем на 30 дБмкВ / м ниже пределов CISPR для этого диапазона.

Возможность резервного питания «последнего вздоха» становится требованием во многих системах, где функциональность должна поддерживаться в течение короткого времени после отключения питания, чтобы выполнить контролируемое отключение, сохранить важную информацию в энергонезависимой памяти или предупредить другие системы о неизбежном неисправность. В твердотельном накопителе, который, возможно, является наиболее ярким примером этого, используется резервный источник питания для хранения кэшированных данных в SDRAM в энергонезависимой флэш-памяти при сбое питания, чтобы предотвратить потерю данных.Тем не менее, эта возможность «последнего вздоха» теперь распространяется на широкий спектр систем, от промышленных контроллеров до медицинских устройств.

Все большее количество этих источников питания последнего поколения полагаются на суперконденсаторы в качестве резервного источника питания, учитывая их практически неограниченный срок службы и работу, не требующую обслуживания. На рисунке 11 показана схема источника питания последнего вздоха с использованием LTC3126 для бесперебойного перехода к резервному питанию при удалении основного источника питания. LDO на основе PNP используется для зарядки суперконденсатора до 5 В и обеспечивает обратную блокировку, чтобы гарантировать отсутствие пути разряда от суперконденсатора, когда первичный источник питания выходит из строя.В этом примере LTC3126 настроен на использование первичного входа 12 В до порогового значения UVLO 10 В, после чего компонент автоматически переходит к источнику суперконденсатора на вторичном входе.

Рис. 11. LTC3126 используется вместе с LDO с обратной блокировкой, чтобы обеспечить полное резервное питание суперконденсатора.

Время задержки выходной шины зависит от зарядного напряжения суперконденсатора, V _CAP, напряжения выходной шины, V _OUT, тока нагрузки, I _LOAD, размера суперконденсатора, C. , а средний КПД преобразователя η.Переменная V _MIN — это минимальное входное напряжение, необходимое для поддержания требуемого выходного напряжения шины. Если выход должен оставаться в режиме стабилизации, то V _MIN равно выходному напряжению шины плюс падение напряжения понижающего преобразователя при требуемом токе нагрузки.

Для выходной нагрузки 1 А на шине 3,3 В падение напряжения составляет примерно 300 мВ. Следовательно, для поддержания регулирования выходной шины требуется минимальное входное напряжение 3,6 В. Предполагая, что средняя эффективность составляет 90%, расчетное время задержки равно 1.6 с, что близко соответствует измеренному времени задержки 1,5 с, показанному на Рисунке 12.

Рис. 12. В сочетании с суперконденсатором 1Ф, 5,5 В, LTC3126 может обеспечить время задержки 1,5 секунды при сбое питания для выходной шины 3,3 В с нагрузкой 1 А. В этот момент выходной сигнал постепенно ухудшается, поскольку деталь входит в операцию отключения.

LTC3126 включает внутренний синхронный выпрямитель, который снижает рассеиваемую мощность, повышает эффективность и минимизирует размер решения.Синхронное выпрямление особенно полезно при работе при более низких выходных напряжениях, когда падение напряжения внешнего диода Шоттки составляет большую относительную часть выходного напряжения. Пакетный режим с выбираемым выводом оптимизирует КПД при малых нагрузках, как показано на рисунке 13. Преобразователь поддерживает КПД более 87% во всем диапазоне токов нагрузки от 1 мА до 2,5 А.

Рис. 13. В пакетном режиме КПД превышает 87% в широком диапазоне токов нагрузки от 1 мА до 2.5А.

Высокая эффективность упрощает управление температурным режимом, сводит к минимуму количество компонентов и упрощает конструкторские проблемы. Рисунок 14 показывает, что даже при относительно высоком коэффициенте понижения при полной нагрузке температура кристалла LTC3126 повышается всего на 36 ° C.

Рис. 14. При работе с V _IN = 12 В, V _OUT = 3,3 В при частоте переключения 2 МГц, повышение температуры кристалла всего на 36 ° C выше температуры окружающей среды при полном номинальном токе нагрузки 2,5 А.

Частоту коммутации можно запрограммировать до 2.2 МГц для устранения помех в диапазоне AM для чувствительных к шуму автомобильных приложений, а переключение может быть синхронизировано с внешними часами для дальнейшего снижения шума. Когда входное напряжение снижается до запрограммированного выходного напряжения, LTC3126 поддерживает регулирование, удерживая переключатель высокого уровня во включенном состоянии в течение нескольких циклов. Это обеспечивает эффективный рабочий цикл переключателя на стороне высокого напряжения более 99%, сводя к минимуму падение напряжения до 280 мВ для нагрузки 1 А, тем самым расширяя полезный диапазон входного напряжения для максимального использования диапазона разряда батареи.

LTC3126 — это решение с двумя входами и одной ИС для высокоэффективных компактных источников питания. Поскольку функция PowerPath без потерь интегрирована в понижающий преобразователь, LTC3126 обеспечивает непревзойденную эффективность, размер приложения и низкий ток покоя. Его широкий диапазон входного напряжения от 2,4 В до 42 В поддерживает широкий спектр источников питания, в том числе автомобильные, аккумуляторные батареи большинства типов, многоячеечные аккумуляторные батареи, USB и плохо регулируемые настенные адаптеры.

Низкий ток 1 мкА при отключении и ток 2 мкА в пакетном режиме делают LTC3126 идеальным для приложений с батарейным питанием, где низкое потребление тока позволяет ему оставаться включенным постоянно, избегая накладных расходов контрольной схемы для включения / выключения источника питания.LTC3126 идеально подходит для высокопроизводительных мобильных устройств, источников бесперебойного питания и промышленного испытательного оборудования, питающегося от источников питания с двумя входами.

(PDF) Обзор оптимизации конструкции синхронного понижающего преобразователя

Обзор конструкции синхронного понижающего преобразователя

Оптимизация

Мохамед Эль-Занати 1, Мохамед Ораби 1, член IEEE, MZ El-Sadek 2

1 APEARC, Асуанский факультет Инженерное дело, Университет Южной долины, Асуан, Египет, orabi @ ieee.org

2 Инженерный факультет, Университет Асуит, Асуит, Египет

Резюме. В настоящее время основной важной проблемой для разработчиков источников питания

является питание последнего поколения микропроцессоров

и DSP, поскольку они требуют высоких скоростей нарастания тока на

комплектуется с низким выходным напряжением. В этой статье представлены этапы проектирования

понижающего преобразователя, используемого в таких приложениях

. Также стало очевидным преимущество применения высокой частоты переключения

.Для проверки моделирования и анализа было получено

экспериментальных результатов.

I. ВВЕДЕНИЕ

Микропроцессоры и DSP широко используются во многих коммерческих и промышленных приложениях

. Эти компоненты

были улучшены с точки зрения тактовой частоты, интеграции и применимости

. Однако для улучшения тезисов

необходимо снизить рабочее напряжение

без снижения энергопотребления.В общем, основные требования

для питания микропроцессоров последнего поколения и

DSP: [1] — [3]:

• Низкое выходное напряжение: от 1 до 3,3 В.

• Низкие пульсации выходного напряжения.

• Высокий ток нагрузки: от 1 до 50 А.

• Скорость нарастания большого тока: до 5 А / нс.

• Уменьшенный размер преобразователя и улучшенный преобразователь

КПД

Когда применяется ступенчатый ток нагрузки, в выходном напряжении преобразователя появляется переходное напряжение

.Необходимо, чтобы

удерживал эти пики и их периоды в пределах требуемых спецификаций

. Таким образом, улучшенная полоса пропускания преобразователя

и меньшие выходные конденсаторы используются с компромиссными значениями пульсации выходного сигнала

. Для улучшения полосы пропускания преобразователя

и уменьшения размера компонентов преобразователя следует использовать более высокую частоту

. Чтобы прояснить эти шаги, в данной статье

рассматриваются этапы проектирования понижающего преобразователя, работающего в режиме управления напряжением

при различных частотах переключения.

II. КОНСТРУКЦИЯ БАКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

На рис.1 показан синхронный понижающий преобразователь с главным переключателем

M1 и синхронным переключателем M2. Параметры выходного фильтра

— Lf и Cf.

A. Расчет параметров силового каскада:

Применение практического примера с входным напряжением Vin = 5 В,

Выходное напряжение

Vo = 1,5 В, выходной ток Io = 1,5 А, максимум

пульсации тока ΔIo = 30%, для максимальная пульсация выходного напряжения

ΔVo = 100 мВ.

Пуск с более низкой частотой коммутации fs = 200 кГц и

Vref = 1,25 В (старая конструкция).

i) Значение индуктивности для желаемого рабочего тока пульсаций может быть определено

с использованием следующего соотношения для работы CCM [4]:

МИН f

) 1 (

≥

(1)

Затем, выбирая L = 3 мкГн. (1)

ii) MOSFET должен иметь максимальное рабочее напряжение VDS

, превышающее максимальное входное напряжение.Кроме того, чтобы обеспечить низкие потери проводимости

, он должен иметь низкое значение RDS (включено). Эта потеря составляет

, рассчитывается как:

) 1 (**) (

**) (

) (

DRIswitchLowerP

DRIswitchupperP

— =

(2)

iii) Выходной конденсатор должен иметь большое значение для уменьшения

пульсаций выходного напряжения, рассчитывается как [4],

) 1 (

oLCf

(3)

Для пульсаций выходного напряжения менее 100 мВ выходной конденсатор

должен быть выбран с значением больше 100 мкФ.Для C = 300 мкФ было выбрано

для учета ESR эффекта выходного конденсатора.

Ничего не стоит упоминать, что ESR выходного конденсатора действует как

как ограничение для коэффициента пульсаций выходного напряжения (пусть C = 300F

с ESR = 25m).

Рисунок 1. Синхронный понижающий преобразователь

Vin

CfM2

Vg1

Vg2 RLoad

-Коммутируемый синхронный понижающий преобразователь для портативных приложений

В этой статье предлагается синхронный понижающий преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с нулевым переходом напряжения (ZVT), который разработан для работы при низком напряжении и с высокой эффективностью, обычно необходимой для портативных систем. .Новая пассивная вспомогательная цепь, которая позволяет главному переключателю работать с переключением при нулевом напряжении, была включена в обычный синхронный понижающий преобразователь с ШИМ. Приведены принципы работы и подробный анализ установившегося режима синхронного преобразователя ZVT-PWM, реализованного со вспомогательной схемой. Кроме того, главный выключатель и все полупроводниковые приборы работают в условиях мягкого переключения. Таким образом, вспомогательная цепь обеспечивает больший общий КПД. Возможность использования вспомогательной схемы подтверждена результатами моделирования и экспериментов.

1. Введение

Современные потребительские тенденции электроника требует все более низкого напряжения. Портативная электроника оборудование, такое как портативные компьютеры, сотовые телефоны и будущие микропроцессоры и микросхемы памяти, требует маломощных схем для максимального увеличения времени работы от батарей. Из-за значительно более низких потерь проводимости синхронные выпрямители теперь используются практически во всех низковольтных источниках постоянного тока. расходные материалы [1–4]. Синхронный выпрямитель — это электронный переключатель, который повышает эффективность преобразования энергии за счет размещение пути проводимости с низким сопротивлением через диодный выпрямитель в импульсный регулятор.Обычно для этой цели служат полевые МОП-транзисторы.

Однако более высокий ввод напряжения и более низкие выходные напряжения привели к очень низким рабочим циклам, увеличение коммутационных потерь и снижение эффективности преобразования. Итак, в этой статье мы оптимизировали КПД синхронного понижающего преобразователя за счет исключения переключения потери при использовании техники мягкой коммутации. Метод мягкой коммутации в режиме напряжения, который вызвал наибольший интерес в Последние годы — это переход в нулевое напряжение [5–24].Это связано с его низкой дополнительной проводимостью. потерь и потому, что его работа наиболее близка к преобразователям ШИМ. В вспомогательная цепь преобразователей ZVT активируется непосредственно перед основным переключатель включается и выключается после его выполнения. Компоненты вспомогательной цепи в этом цепи имеют более низкие характеристики, чем в основной цепи питания, потому что вспомогательная цепь активна только часть цикла переключения; это позволяет устройству включаться с меньшими коммутационными потерями, чем основной переключатель, который будет использоваться в качестве вспомогательного переключателя.Повышение эффективности вызвало вспомогательной цепью в основном из-за разницы в коммутационных потерях между вспомогательным выключателем и главным выключателем питания, если он должен был работать без помощи вспомогательной цепи. Ранее предложенный ZVT-PWM преобразователи имеют по крайней мере один из следующих ключевых недостатков. (i) Вспомогательные выключатель выключен, пока он проводит ток. Это приводит к появлению коммутационных потерь и электромагнитных помех, которые сводят на нет преимущества использования вспомогательной цепи.В преобразователях типа предложенных в [6, 12, 15, 16] отключение происходит очень тяжело. (ii) Вспомогательный контур вызывает основной переключатель преобразователя для работы с более высоким пиковым током нагрузки и с большим циркулирующий ток. Это приводит к необходимости в устройстве с более высоким номинальным током. для главного выключателя и увеличение потерь проводимости. Преобразователи, предложенные в [5, 8, 9, 13, 14, 17], имеют сильные токовые нагрузки на главный выключатель. (iii) Вспомогательный контур компоненты имеют высокое напряжение и / или токи нагрузки, такие как преобразователи предложено в [5, 8, 9, 14, 17].Конвертер, предложенный в [23], снижает текущая нагрузка на главный выключатель, но схема очень сложная. (iv) В кроме того, наиболее активные схемы подвергаются серьезной критике из-за их сложность, высокая стоимость, сложное управление, большая циркулирующая энергия, чрезмерная напряжения и тока, а также узкие линейные и нагрузочные диапазоны. Кроме того, сообщалось, что пассивные схемы дешевле, надежнее и имеют более высокое соотношение производительность / стоимость, чем активные [25, 26].

Снижение коммутационных потерь для маломощных схема, такая как синхронный понижающий преобразователь, не упоминается в литературе. [1–26]. В преобразователь, показанный на рисунке 1, предназначен для низковольтной сильноточной цепи, и он оказался очень эффективным. Таким образом, в данной статье представлен новый класс синхронных понижающих преобразователей ЗВТ. За счет использования резонансной вспомогательной сети в предлагаемых преобразователях достигается переключение при нулевом напряжении для главного переключателя и синхронного переключателя, а также переключение при нулевом токе для вспомогательного выключателя без увеличения их напряжения и тока.

В статья организована следующим образом. В разделе 2 дается краткое описание предложенная схема с последующим обзором различных режимов работы с их основные формы сигналов и представление их эквивалентных режимов работы и анализ. В Разделе 3 представлены соображения по проектированию, а в Разделе 4 включает в себя основные функции конвертера. Раздел 5 включает моделирование и экспериментальные результаты, иллюстрирующие особенности предлагаемого преобразователя схема.Раздел 6 содержит некоторые выводы.
2. Синхронный понижающий преобразователь ZVT-PWM
2.1. Описание схемы и предположения
Синхронный понижающий преобразователь ZVT-PWM преобразователь показан на рисунке 1. Он представляет собой комбинацию обычного ШИМ. синхронный понижающий преобразователь и предлагаемая вспомогательная демпферная схема. В Вспомогательный контур состоит из резонансного дросселя 𝐿r, резонансного конденсатор 𝐶r, буферный конденсатор 𝐶b и три вспомогательных Шоттки диоды S1, 𝐷S2 и 𝐷S3.Корпусные диоды основных переключатель S и синхронный переключатель S1 также используются в этом конвертер.
Для анализа установившегося состояния работы предлагаемой схемы, при этом делаются следующие предположения. один цикл переключения.
(1) Входное напряжение i постоянно. (2) Выходное напряжение o постоянно или выходной конденсатор 𝐶o достаточно велик. (3) Выходной ток 𝐼o постоянен или выходная катушка индуктивности 𝐿o достаточно велика. (4) Выходная катушка индуктивности 𝐿o равна намного больше, чем резонансный цепь индуктивности 𝐿r.(5) Идеально подходят резонансные схемы. (6) Идеально подходят полупроводниковые устройства. (7) Время обратного восстановления всех диодов не учитывается.
2.2. Принципы работы и анализ
Исходя из этих предположений, схемы работы в одном Цикл переключения можно разделить на восемь этапов. Ключевые формы сигналов этих каскадов приведены на рисунке 2, а схемы эквивалентных схем этапы работы представлены на рисунке 3. Подробный анализ каждого этапа представлены следующим образом.

Режим 1 т ₀— т ₁. Прежний к t ₁, внутренний диод переключателя S1 был проводящим, а главный выключатель S был выключен. Уравнения 𝑖S = 0, 𝑖𝐷1 = 𝐼o, 𝑖𝐿r = 0, 𝑣𝐶r = 0, 𝑣𝐶b = 0 действительны на начало этого этапа. При т = т ₀ главный выключатель включен, который реализует включение при нулевом токе, как это последовательно с резонансный дроссель 𝐿r.На этом этапе 𝑖𝐿r поднимается и ток i _D1 через корпусный диод переключателя S1 падает одновременно с одинаковой скоростью линейно. Режим заканчивается при т = т ₁, когда 𝑖𝐿r достигает 𝐼o, а i _D1 становится равным нулю. Тело диод D ₁ выключен с ZVS из-за наличия 𝐶r и 𝐶b. В этом состоянии 𝑖S = 𝑖𝐿r = i𝐿r𝑡 − 𝑡0, 𝑖𝐷1 = 𝐼o − 𝑖𝐿r𝑉 = −i𝐿r𝑡 − 𝑡0 + 𝐼o, 𝑡01 = 𝐿r𝑉i𝐼o. (1)
Режим 2 t ₁ — t ₂. В диод 𝐷S2 начинает проводить в момент выключения внутреннего диода D ₁. При т = т ₁, 𝐼S = 𝑖𝐿r = 𝐼o, i _D1 = 0, 𝑣𝐶r = 0 и 𝑣𝐶b = 0. В этом интервале резонанс возникает с катушкой индуктивности 𝐿r и конденсаторами 𝐶r и 𝐶b. Этот режим заканчивается, когда r заряжается до входа. напряжение 𝑉i; 𝑖𝐿r𝑡 − 𝑡1 = 𝑉i𝑍1sin𝜔1𝑡 − 𝑡1 + 𝐼o, 𝑣𝐶r𝑡 − 𝑡1 = 𝐶𝑒𝐶r − 𝑉icos𝜔1𝑡 − 𝑡1 + 𝑉i, 𝑣𝐶b𝑡 − 𝑡1 = 𝐶𝑒𝐶b − 𝑉icos𝜔1𝑡− 𝑡1 + 𝑉i, (2) куда 𝐶𝑒 = 𝐶r𝐶b𝐶r + 𝐶b, 𝜔1 = 1√r𝐶𝑒, 𝑍1 = 𝐿r𝐶𝑒.(3) Диод 𝐷S1 включается при ЗВС в момент, когда 𝑣𝐶r становится i. В этом состоянии 𝑡12 = 1𝜔1sin − 1𝐶r𝐶𝑒 − 1. (4)
Режим 3 t ₂— t ₃. В т = т ₂, S = 𝐼o, 𝑖𝐿r = 𝑖𝐿rmax, 𝑣𝐶r = 𝑉𝐶rmax = 𝑉i и 𝑣𝐶b = 𝑉𝐶b1. Когда диод 𝐷S1 включается на новый резонанс начинается с 𝐿r и 𝐶b. Этот режим заканчивается когда 𝑖𝐿r становится равным току нагрузки 𝐼o, а 𝐶b заряжается до своего максимального напряжения 𝑉𝐶b𝑚.Оба диода 𝐷S1 и 𝐷S2 выключены при ZCS из-за наличия r. Напряжение и текущие выражения, которые управляют этим режимом схемы, даются 𝑖𝐿r𝑡 − 𝑡2 = 𝐼𝐿rmax − 𝐼ocos𝜔2𝑡 − 𝑡2 − 𝑉𝐶b1𝑍2sin𝜔2𝑡 − 𝑡2 + 𝐼o, 𝑣𝐶b𝑡 − 𝑡2 = 𝐼𝐿rmax − 𝐼o𝑍2sin𝜔2𝑡 − 𝑡2 + 𝑉𝐶b1cos𝜔2𝑡 −𝑡2. (5) Время интервал этого этапа можно найти следующим образом: 𝑡23 = 1𝜔2tan − 1𝐼𝐿rmax − 𝐼o𝑉𝐶b1, (6) куда 𝜔2 = 1√𝐿r𝐶b, 𝑍2 = 𝐿r𝐶b. (7)
Режим 4 т ₃— т ₄. С оба диода 𝐷S1 и 𝐷S2 погасли при t ₃, теперь только главный выключатель S и индуктор 𝐿r проводят ток нагрузки. Там есть в этом режиме нет резонанса, и работа схемы идентична работе обычный понижающий преобразователь PWM. Уравнения напряжения и тока для этого режим 𝑖S = 𝑖𝐿r = 𝐼o. (8)
Режим 5 т ₄— т ₅. Этот режим запускается с начальными условиями 𝑖S = 𝐼o, 𝑖𝐿r = 𝐼o, 𝑣𝐶r = 𝑉𝐶rmax = 𝑉i, 𝑉𝐶b = 𝑉𝐶b𝑚.Главный выключатель выключается при ZVS, и в то же время синхронный переключатель включен под ZCS. Поскольку синхронный переключатель S1 проводит напряжение через конденсатор, 𝐶b фиксируется на нуле. Резонанс возникает с 𝐿r и 𝐶r. Уравнения напряжения и тока для этого режима следующие: 𝑣𝐶b𝑡 − 𝑡4𝑖 = 0, r𝑡 − 𝑡4 = 𝐼ocos𝜔3𝑡 − 𝑡4 − 𝑉i𝑍3sin𝜔3𝑡 − 𝑡4, 𝑣 (9) 𝐶r𝑡 − 𝑡4 = 𝐼o𝑍3sin𝜔3𝑡 − 𝑡4 + 𝑉icos𝜔3 𝑡 − 𝑡4. (10)
Время продолжительность этого режима можно определить следующим образом: 𝑡45 = 1𝜔3tan − 1𝑉i𝐼o𝑍3, (11) куда 𝜔3 = 1√𝐿r𝐶r, 𝑍3 = 𝐿r𝐶r.(12) Этот режим заканчивается, когда напряжение на 𝐶r становится равным. нуль. Следовательно, диод 𝐷S2 включается при ЗВС.
Режим 6 т ₅— т ₆. В На этом этапе происходит новый резонанс через 𝐿r-𝐶b-𝐷S2-𝐷S1. При t = t ₅, 𝑖S = 0, 𝑖𝐿r = 𝐼𝐿r2, 𝑣𝐶r = 0 и 𝑣𝐶b = 0 являются начальными условиями для этого режима. Для этого состоянии, уравнения 𝑣𝐶b𝑡 − 𝑡5 = 𝐼𝐿r2𝑍2sin𝜔2𝑡 − 𝑡5, 𝑖𝐿r𝑡 − 𝑡5 = 𝐼𝐿r2cos𝜔2𝑡 − 𝑡5.(13) Когда 𝑖𝐿r становится o, этот режим подходит к концу. Временной интервал для этого режим задается как 𝑡56 = 1𝜔2tan − 1𝐼o𝐼𝐿r2, (14) куда 𝜔2 = 1√𝐿r𝐶b, 𝑍2 = 𝐿r𝐶b. (15)
Режим 7 т ₆— т ₇. В t = t ₆, 𝑖S = 0, 𝑖𝐿r = 𝐼o, 𝑣𝐶r = 0, и 𝑣𝐶b = 𝑉𝐶b2 — начальные условия для этого режима. Когда 𝑖𝐿r становится o, синхронный переключатель выключается при ZCS. Запасенная энергия катушки индуктивности 𝐿r и конденсатора 𝐶b теперь составляет переведен в нагрузку.Сопротивлениями включенного состояния диодов и переключателей пренебрегают. Уравнения напряжения и тока для этого режима представлены как 𝑣𝐶b𝑡 − 𝑡6𝐼 = −o𝐶b𝑡 − 𝑡6 + 𝑉𝐶b2, 𝑖𝐿r𝑡 − 𝑡6𝑉 = −o𝐿r𝑡 − 𝑡6 + 𝐼o. (16) Это режим заканчивается, когда 𝑖𝐿r становится равным нулю. Интервал этого режима указан к 𝑡67 = 𝐼o𝐿r𝑉o. (17)
Режим 8 т ₇— т ₈. Теперь ток нагрузки будет протекать через основной диод синхронного переключателя S1. В этом режиме преобразователь работает как обычный понижающий преобразователь ШИМ. пока переключатель S не будет включен в следующем цикле переключения.В этом режиме 𝑖𝐷1 = 𝐼o. (18)
2.3. Выходное напряжение
Выходное напряжение может быть определено путем оценки энергия от источника через входной резонансный дроссель 𝐿r [27]. Выходное напряжение определяется выражением 𝑉o = 𝑉i𝜏12𝑡01 + 𝑡12 + 𝑡23 + 𝑡45 + 𝑡56 + 𝑡67 = 𝑉i𝜏⎛⎜⎜⎜⎝12𝐼o𝐿r𝑉i + 1𝜔1sin − 1𝐶r𝐶𝑒 + 1−1𝜔2tan − 1𝐼𝐿rmax − 𝐼o𝑉𝐶b1 + 1𝜔3tan − 1𝑉𝐶rmax𝐼o𝑍3 + 1𝜔2tan − 1𝐼o𝐼𝐿r2 + 12𝐼o𝐿r𝑉o⎞⎟⎟⎟⎠. (19)
Со времени интервалы режимов 1 и 7 имеют низкое значение по сравнению с другими условиями в В приведенном выше выражении для упрощения пренебрегаем первым и последним членами.
Тогда коэффициент преобразования напряжения будет 𝑉o𝑉i = 1𝜏⎛⎜⎜⎜⎝1𝜔1sin − 1𝐶r𝐶𝑒 + 1−1𝜔2tan − 1𝐼𝐿rmax − 𝐼o𝑉𝐶b1 + 1𝜔3tan − 1𝑉𝐶rmax𝐼o𝑍3 + 1𝜔2tan − 1𝐼o𝐼𝐿r2⎞⎟⎟⎟⎠, (20) где 𝜏 = 1 / 𝑓S, а S — частота переключения.
Из выражения, видно, что коэффициент преобразования напряжения зависит от переключения частота, а не коэффициент заполнения.
3. Процедура проектирования
Проектирование Обычные преобразователи ШИМ хорошо представлены в литературе. Таким образом, это более важно сосредоточиться на процедурах проектирования вспомогательной цепи.В резонансный индуктор и резонансные конденсаторы являются наиболее важными компонентами при проектировании вспомогательный контур. Предлагаемый вспомогательный резонансный контур обеспечивает плавное переключение условия для основного транзистора. Разработана следующая методика расчета. с учетом процедур, подобных представленным ранее в [5–7].
(1) Демпферный дроссель 𝐿r выбирается таким образом, чтобы его ток увеличивался до максимальный выходной ток в пределах r периодов времени, в течение включение главного транзистора или выключение синхронного ключа.В этом case, из (1), 𝑉i𝐿r𝑡r≤𝐼omax (21) можно написать. Здесь 𝑡r — время нарастания основного транзистора. Эти уравнения обеспечить включение ZCS для основного транзистора и выключение ZVS для основного диода синхронного переключателя. (2) Демпферный конденсатор 𝐶r выбран на быть выписанным из 𝑉i до нуля с максимальным выходным током, по крайней мере, за время период т _ф при выключении главного транзистора. Для этого состояния согласно (10) и (11), 1𝐼omax𝑍3𝑉i≥𝑡𝑓.(22) Здесь, t _f это время спада основного транзистора и 𝑍3 = 𝐿r𝐶r. (23) (3) Буферный конденсатор 𝐶b выбран для зарядки от нуля до максимального значения, определенного ранее, например, половины входного напряжения. Этот конденсатор принимает энергию, которая хранится в демпфирующей катушке индуктивности. при выключении синхронного переключателя и заряда демпфера конденсатор. Этот энергетический баланс можно определить следующим образом: 12𝐶r𝑉2i + 12𝐶b𝑉2𝐶b𝑚 = 12𝐿r𝐼2omax.(24) Значение 𝐶b обычно больше чем значение 𝐶r. Следовательно, чем больше значение selected B is, тем меньше будет значение 𝑉𝐶bmax. Более того, если значение 𝐶b увеличивается, напряжение на синхронном переключатель падает, но периоды времени т ₂₃, т ₄₅, т ₅₆, и т ₆₇ во время энергия индуктора передается 𝐶b или увеличению нагрузки.
4. Характеристики преобразователя
Особенности Предлагаемый преобразователь с мягкой коммутацией кратко резюмируется следующим образом.
(1) Все активные и пассивные полупроводниковые устройства включаются и выключаются под точный ZVS и / или ZCS. (2) Предлагаемый преобразователь имеет простую конструкцию, низкую стоимость и простоту управления. (3) Преобразователь действует как обычный преобразователь PWM на протяжении большей части переключения (4) Представленная демпфирующая ячейка может быть легко применена к другим базовым ШИМ DC-DC. преобразователи и ко всем преобразователям переключения.(5) Предлагаемый преобразователь имеет больший общий КПД и более широкий диапазон нагрузок. (6) Главный выключатель и вспомогательный выключатель не подвергаются дополнительным нагрузкам. напряжения напряжения. Текущая нагрузка на главный выключатель немного выше, но текущая нагрузка на вспомогательный переключатель находится в безопасных пределах.
5. Моделирование и экспериментальные результаты
Прототип предлагаемого преобразователя, как показано на рисунке 1, был построен в лаборатория. Предлагаемый преобразователь работает с входным напряжением i = 12 В, выходным напряжением o = 3.3 В, ток нагрузки 11 А, а частота коммутации 500 кГц. Конвертер смоделирован с помощью моделирования программное обеспечение PSIM, версия 6.0. Основные параметры и компоненты приведены в Таблица 1.
9055
Компонент Значение / модель
Моделирование Эксперимент
Главный выключатель
Синхронный переключатель (S1) Ideal IRF1010E
Диод Шоттки (DS1) Ideal MBR60L45CTG
Диод Шоттки (DS2) Ideal MBR60L45CTG
Диод Шоттки (DS3) Ideal MBR60L45CTG
Резонансный индуктор (Lr) 15 нГн 15 нГн
Резонансный конденсатор (Cr) 1 нФ 1 нФ
Буферный конденсатор (CB) 3.3 нФ 3,3 нФ
Выходной конденсатор (Co) 15 μ F 15 μ F
Выходной индуктор (Lo) 5 μ H 5 μ H
Цифры 4 (a) –4 (d) показывают результаты моделирования предлагаемого преобразователя и рисунки 5 (a) –5 (d) представляют результаты экспериментов. Все формы сигналов, кроме кривой эффективности, представляют собой период времени одного цикла переключения, который в данном случае составляет 2 микросекунды.В амплитуды обозначены Рисунок 4 с каждым из их осциллограммы соответственно.
5.1. Главный выключатель
S
Это видно из рисунков 4 (а) и 5 (а). что главный выключатель S включен при ZCS, а основной диод D ₁ синхронного выключателя S1 выключен при ZVS. Главный выключатель принимает ток нагрузки и зарядный ток конденсаторов 𝐶r и 𝐶b. Катушка индуктивности начинает передавать накопленную энергию в конденсаторы 𝐶r и 𝐶b во время включения основного выключатель.Конвертер не превысил пределы напряжения; однако текущее напряжение немного выше для очень короткий период времени. Главный выключатель также отключается при ZVS. Электрический ток и формы волны напряжения идентичны теоретическим формам волны.
5.2. Синхронный выключатель S1
После включения главного выключателя под ZCS, основной диод синхронного выключателя выключен при ZVS, что может быть наблюдается на рисунках 4 (б) и 5 (б). В синхронный переключатель включается под ZCS, когда главный переключатель выключен под ЗВС.После выключения главного выключателя оба конденсатора 𝐶r и 𝐶b разряжены. выписан. Как только оба конденсатора разряжаются почти до нуля, основной диод синхронного переключатель S1 включен под ZVS. Конвертер не превысил текущие ограничения; однако напряжение на переключателе незначительно выше в течение очень короткого периода времени. Синхронный переключатель работает в безопасные пределы, и здесь можно отметить, что период проводимости S1 больше ограничен расчетными значениями, и он работает на низкой мощности, когда по сравнению с другими переключателями.Формы фигур определены, чтобы ограничиваться теоретические формы сигналов.
5.3. Диоды Шоттки 𝐷S1, 𝐷S2 и 𝐷S3
Диоды Шоттки работают очень короткое время. период разряда резонансных конденсаторов 𝐶r и 𝐶b, как может быть наблюдается на рисунках 4 (c), 4 (d), 5 (c) и 5 (d). Более того, видно, что Шоттки диоды 𝐷S1, 𝐷S2 и 𝐷S3 работают в режиме мягкого переключения. условия. Диоды Шоттки включаются и выключаются при ZVS.Проведение диодов Шоттки может вызвать значительное падение выходного напряжения для маломощных схем, но из-за прогресса в полупроводниковой технике, Шоттки Также теперь доступны диоды с низким падением прямого напряжения для высокочастотных схемы.
Дополнительно при включении и выключение главного выключателя S и синхронного выключателя S1, небольшое перекрытие возникает между их собственными напряжениями и токами. Следовательно, коммутационные потери равны ноль, но имеет место небольшая дополнительная потеря проводимости, и поэтому потери проводимости преобладают общие потери в преобразователе с мягкой коммутацией.
Кривая эффективности
Из рисунка 6 видно, что значения КПД преобразователя с мягкой коммутацией относительно высоки с по сравнению с преобразователем с жестким переключением. Значения эффективности по отношению к минимальная выходная мощность уменьшается естественным образом, потому что преобразователь спроектирован для максимального выходного тока. При выходной мощности 70% общий КПД предлагаемый преобразователь увеличивается примерно до 96% от значения 87% в его аналог преобразователя с жестким переключением.Высокая эффективность завершает правильность расчетных значений.

6. Заключение
Понятия ZVT, используемые в средних и высоких мощности были реализованы в синхронном понижающем преобразователе, и было показано, что устранены коммутационные потери в синхронном понижающем двигателе. Кроме того, главный выключатель ZCS включен, а ZVS выключен. Синхронный переключатель также включается под ZCS и выключен под ZVS. Следовательно, коммутационные потери снижаются, а новый предлагаемый синхронный понижающий преобразователь ZVT более эффективен, чем обычный конвертер.Дополнительные напряжения тока и напряжения на основных устройствах делают не происходит, и вспомогательные устройства подвергаются допустимому напряжению и текущие значения. К тому же преобразователь имеет простую конструкцию, невысокую стоимость, и простота управления. Реализован прототип системы 3.3 В, 11 А, 500 кГц. для экспериментальной проверки улучшенной производительности.
Понижающие преобразователи
и их классные приложения
Понижающий преобразователь — это широко распространенный преобразователь постоянного тока в постоянный, который эффективно преобразует высокое напряжение в низкое.Эффективное преобразование энергии продлевает срок службы батареи, снижает нагрев и позволяет создавать гаджеты меньшего размера. Понижающий преобразователь можно использовать во многих интересных приложениях. Эта статья представляет собой краткое введение в понижающий преобразователь и охватывает несколько интересных применений схем понижающего преобразователя — и его кузена — полумоста — и предоставляет ссылки на ресурсы, где заинтересованные читатели могут узнать больше о конкретных микросхемах для использования в своих конструкциях. .
Понижающий преобразователь: знакомство
Понижающий преобразователь представляет собой простую схему.На рисунке 1 представлена упрощенная схема понижающего преобразователя. Полевой МОП-транзистор верхнего уровня включается и выключается. Управляющая ИС, не изображенная на рисунке, использует замкнутый контур обратной связи для управления выходным напряжением. Передаточная функция постоянного тока — это уравнение, которое связывает входное напряжение, выходное напряжение и рабочий цикл понижающего преобразователя. $ Vout = Vin * D $, где Vout — выходное напряжение, Vin — входное напряжение, а D — рабочий цикл или процент времени, в течение которого MOSFET включен. Катушка индуктивности и конденсатор на рисунке 1 образуют фильтр нижних частот.Этот фильтр нижних частот сглаживает переключающее действие MOSFET и выдает приятное, плавное напряжение постоянного тока.
Рисунок 1: Упрощенная схема несинхронного понижающего преобразователя. TPS5430 является примером несинхронного понижающего контроллера.
На рисунке 2 показан общий вариант понижающего преобразователя: синхронный понижающий преобразователь. В синхронном понижающем преобразователе диод свободного хода заменен полевым МОП-транзистором. Использование полевого МОП-транзистора также позволяет осуществлять двунаправленную передачу мощности.Если понижающий преобразователь работает в обратном направлении, он может работать как повышающий преобразователь. Для этого требуется специальный преобразователь IC. Он используется в таких приложениях, как USB On-the-Go, которые позволяют использовать смартфон для питания небольшой портативной электроники.
Два полевых МОП-транзистора в этой схеме называются полумостом. Полумосты также являются очень полезными схемами, которые имеют множество применений.
Рисунок 2: Упрощенная схема синхронного понижающего преобразователя. LM5119 является примером контроллера синхронного понижающего преобразователя.
Понижающий преобразователь используется повсеместно. В оставшейся части статьи рассматриваются некоторые распространенные приложения.
Портативный USB-порт
USB On-The-Go позволяет подключать к смартфону клавиатуры, мыши и другие периферийные устройства. Периферийное устройство получает питание от USB-порта телефона. Регулировка мощности осуществляется с помощью синхронного понижающего преобразователя, который может передавать мощность в обоих направлениях. Когда телефон подключен к зарядному устройству, понижающий преобразователь работает как понижающий преобразователь для зарядки литиевой батареи в телефоне.Когда подключено периферийное устройство, понижающий преобразователь работает в обратном направлении как повышающий преобразователь, генерируя 5 В от литиевой батареи. Ознакомьтесь с этими ссылками на сайтах Texas Instruments и Linear Technology, чтобы узнать больше о двунаправленных преобразователях постоянного тока в постоянный, которые поддерживают USB On-The-Go.
Рисунок 3: Некоторые популярные смартфоны.
Конвертер POL для ПК и ноутбуков
Преобразователь точки нагрузки, или POL, представляет собой неизолированный понижающий преобразователь, способный эффективно передавать мощность на сильноточные нагрузки.Это особенно полезно для материнских плат ПК и ноутбуков. Современные микропроцессоры потребляют очень низкое напряжение, обычно 1,8 В. Для этого используется синхронный бак, иногда многофазный. Этот POL часто называют модулем регулятора напряжения или VRM в спецификациях материнской платы. Муарата производит преобразователи точки нагрузки, подобные этому.
Рисунок 4 : Материнская плата PCB.
Зарядные устройства
Каждый хочет, чтобы его смартфон, планшет или портативный аккумулятор заряжался быстро, не нагревая портативные устройства.Синхронный понижающий преобразователь — лучший способ сделать это. Обычно порт зарядки для мобильного устройства представляет собой порт micro USB. Он принимает регулируемое напряжение 5 В. Цепи зарядки находятся внутри мобильного устройства, которое часто представляет собой понижающий преобразователь. Некоторые понижающие контроллеры имеют встроенный смарт-контроллер батареи, как этот чип от Linear Technology.
Рисунок 5 : Ноутбук
Солнечные зарядные устройства
Эффективное преобразование высокого напряжения в низкое — сильная сторона понижающего преобразователя.Существует множество устройств, предназначенных для зарядки аккумулятора от солнечной панели с более высоким напряжением. Солнечное зарядное устройство имеет функцию, которую другие понижающие преобразователи не называют отслеживанием точки максимальной мощности. Солнечные элементы имеют нелинейные кривые вольт-амперной характеристики. Солнечное зарядное устройство часто представляет собой понижающий преобразователь с микроконтроллерным управлением. Микроконтроллер указывает понижающему преобразователю потреблять максимальное количество энергии, изменяя ток нагрузки, чтобы зарядить аккумулятор в кратчайшие сроки. Некоторые понижающие преобразователи имеют встроенное отслеживание точки максимальной мощности и интеллектуальное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов, например LT3652 от Linear Technology.
Рисунок 6: Складная солнечная панель для туристов от GoalZero.
Усилители мощности звука
Силовой каскад усилителей звука класса D представляет собой синхронный понижающий преобразователь. Одно большое различие между преобразователем постоянного тока в постоянный и аудиоусилителем класса D состоит в том, что, хотя преобразователь постоянного тока вырабатывает фиксированное постоянное напряжение по линии и нагрузке, усилитель класса D намеренно выдает сигнал переменного тока. Разница в обратной связи.Обратите внимание, что выходной каскад представляет собой полумост, за которым следует LC-фильтр. Хорошим примером усилителя класса D является TDA8954 компании NXP.
Рисунок 7 : Упрощенная схема усилителя класса D.
Преобразователь мощности с синусоидальной волной
Силовые инверторы с чисто синусоидальной волной генерируют синусоидальную волну от источника постоянного напряжения, такого как аккумулятор. Вы можете использовать инвертор для питания бытового электронного устройства от большой батареи или автомобиля. Инверсионный силовой каскад силового инвертора выглядит как усилитель класса D.
Квадрокоптеры
В квадрокоптерах используются понижающие преобразователи
. Квадрокоптеры часто питаются от многоячеечной литиевой аккумуляторной батареи. Типичная конфигурация блока — это 2-6 ячеек последовательно. Эти аккумуляторные блоки вырабатывают напряжение в диапазоне от 6 до 25 В. Понижающий преобразователь понижает напряжение батареи до 5 В или 3,3 В для использования контроллером полета (мозгом квадрокоптера). Индустрия квадрокоптеров часто называет понижающие преобразователи BEC, что является сокращением от схемы устранения батареи или UBEC, что означает универсальную схему устранения батареи.BEC и UBEC часто встречаются на электронных контроллерах скорости, которые приводят в действие бесщеточные двигатели на квадрокоптере, или на плате распределения питания, которая направляет энергию батареи туда, где она должна быть.
Рисунок 8: Квадрокоптер от Thrust-UAV.
Контроллеры бесщеточных двигателей
Говоря о квадрокоптерах, квадрокоптеры используют бесщеточные двигатели для полета из-за их высокой эффективности и легкости. Три полумоста используются для привода индуктивных катушек бесщеточного двигателя.См. Рисунок 9, упрощенную схему привода бесщеточного двигателя. Это похоже на 3 синхронных понижающих преобразователя без фильтрующих конденсаторов. На рисунке 10 изображен реальный электронный регулятор скорости, используемый любителями квадрокоптеров.
Рисунок 9: Упрощенная схема контроллера бесщеточного двигателя.
Рисунок 10: Электронный регулятор скорости, используемый любителями. Этот конкретный регулятор скорости включает в себя понижающий контроллер.
Синхронизация силовых каскадов позволяет передавать мощность от двигателей к батарее. Это процесс, известный как рекуперативное торможение, которое используется в поездах и электромобилях, включая Tesla Roadster.
Контроллеры электродвигателей с щеткой
Щеточный двигатель может приводиться в движение с использованием конфигурации, называемой «управление двигателем на стороне высокого давления». По сути, это синхронный понижающий преобразователь без выходного конденсатора.
Рисунок 11: Упрощенная схема щеточного контроллера мотора.Обратите внимание на сходство с понижающим преобразователем.
Выводы
Эта статья представляет собой краткое введение в понижающие преобразователи. Понижающие преобразователи и их двоюродный брат полумост используются во многих интересных приложениях, включая смартфоны, ноутбуки, планшеты, портативные аккумуляторные батареи, фонарики, квадрокоптеры. Аудиоусилители и схемы управления двигателями имеют много общего с понижающими преобразователями.
Выбор синхронного понижающего преобразователя для Po… | element14 | element14
Блоги по теме: Управление питанием
Essentials | Tech Spotlight | Блоги | Опросы | Управление питанием | Diodes Inc | Далее >>
Из-за снижения напряжений в сердечниках за последние несколько лет произошел переход от централизованных источников питания переменного тока в постоянный к распределенным (децентрализованным) системам электропитания, в которых используются преобразователи постоянного тока в постоянный ток вблизи точки эксплуатации. Низкое напряжение при больших токах заставило индустрию преобразования энергии пересмотреть топологию традиционных схем, выбор компонентов и концепции упаковки.
Конструкторы обратились к синхронным преобразователям постоянного тока в постоянный, чтобы разработать компактные, но высокоэффективные решения. Популярным типом синхронного преобразователя постоянного тока в электронную промышленность является понижающий преобразователь постоянного тока, также известный как понижающий преобразователь.
Синхронный понижающий преобразователь вырабатывает регулируемое выходное напряжение ниже, чем его входное напряжение, и выдает высокие токи, сводя к минимуму потери мощности. Топология синхронного понижающего преобразователя включает два интегрированных силовых полевых МОП-транзистора (верхний и нижний), внешний индуктор и пару внешних конденсаторов.Такая компоновка обеспечивает более высокую эффективность, меньшее рассеивание мощности и меньшую занимаемую площадь по сравнению с асинхронным аналогом, в основном за счет замены внешнего диода Шоттки на интегрированный переключатель MOSFET с низким энергопотреблением (рисунок 1). Топология синхронного понижающего преобразователя получила свое название от метода управления двумя силовыми полевыми МОП-транзисторами: управление включением / выключением синхронизируется для обеспечения регулируемого выходного напряжения и предотвращения одновременного включения обоих полевых МОП-транзисторов.
Рисунок 1: Типичный синхронный понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный
Преобразователи постоянного тока в постоянный служат в качестве регуляторов напряжения в точке нагрузки (POL) и обеспечивают необходимое понижающее напряжение для питания различных нагрузок такие как микропроцессоры, FPGA, DSP, память, логика и другие устройства, имеющиеся на системных платах.Преобразователи POL — это встроенные источники питания постоянного тока, расположенные рядом с электронными компонентами, которые могут потреблять большой ток при низком напряжении (обычно 5 В или меньше). Они удовлетворяют жестким требованиям к высокой эффективности в широком диапазоне нагрузок и отличаются быстрой переходной реакцией на динамические профили нагрузки. Наиболее популярная топология POL основана на однофазных или многофазных синхронных понижающих преобразователях. Название «POL» происходит от того факта, что преобразователь размещен как можно ближе к нагрузке в целях повышения эффективности и регулирования.
На рисунке 2 показан пример типичной системы распределенного энергоснабжения (DPS). Блок питания (PSU) может состоять из выпрямителя переменного тока в постоянный, за которым следует преобразователь постоянного тока в постоянный и дополнительные синхронные понижающие преобразователи меньшего размера, которые преобразуют напряжение на шине в более низкое напряжение, необходимое для каждой нагрузки. Использование синхронных понижающих преобразователей подразумевает меньшие размеры, более высокую эффективность и лучшую производительность. Другие атрибуты синхронного понижающего преобразователя, поддерживающие приложения POL, включают улучшенные переходные характеристики, низкие пульсации и шум, а также совместимую тепловую конструкцию.Понижающие преобразователи для POL не нужно изолировать, поскольку это выполняет входной преобразователь.
Рисунок 2: Типичная распределенная система питания
Diodes Incorporated представила AP62600, синхронный понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный для универсального преобразования точки нагрузки. Микросхема преобразователя AP62600 выдает выходной ток до 6 А при входном напряжении питания от 4,5 до 18 В. Он имеет широкий диапазон выходного напряжения от 0,6 В до 7 В и разработан с полевыми МОП-транзисторами на верхней и нижней стороне с сопротивлением 36 мОм и 14 мОм соответственно.
AP62600 требует минимального количества внешних компонентов в результате его постоянного контроля по времени (COT). Он также обеспечивает быструю переходную характеристику, простую стабилизацию контура и низкие пульсации выходного напряжения. Конструкция оптимизирована для уменьшения электромагнитных помех (EMI). Устройство имеет запатентованную схему драйвера затвора, чтобы противостоять звену коммутационного узла без ущерба для времени включения и выключения MOSFET, что снижает излучаемый высокочастотным EMI шум, вызванный переключением MOSFET.
Рисунок 3: Типовая прикладная схема AP62600
Программируемое время плавного пуска контролирует пусковой ток при включении питания. Функции слежения вместе с выводом хорошего питания позволяют разработчикам реализовать последовательность питания при использовании нескольких AP62600 для питания крупных интегрированных устройств, таких как FPGA, ASIC, DSP и микропроцессорные блоки. AP62600 доступен в корпусе V-QFN размером 2 мм x 3 мм и поэтому используется в самых маленьких изделиях.
Рисунок 4.AP62150
В аналогичной категории синхронный понижающий преобразователь AP62150 представляет собой синхронный понижающий преобразователь на 1,5 А с широким диапазоном входного напряжения от 4,2 В до 18 В. Эти преобразователи работают с выходным напряжением от 0,8 В до 7 В. Устройство полностью объединяет полевой МОП-транзистор с высоким сопротивлением 90 мОм и полевой МОП-транзистор с низким сопротивлением 65 мОм для обеспечения высокоэффективного понижающего преобразования постоянного тока в постоянный. AP62150 имеет более высокую рабочую частоту переключения 1,3 МГц, тогда как большинство других компонентов AP62xxx в этом семействе имеют типичную частоту переключения 750 кГц.
Архитектура управления COT обеспечивает быстрый переходный отклик, плавную стабилизацию контура и низкие пульсации выходного напряжения. Кроме того, AP62150 оптимизирован для снижения электромагнитных помех (EMI). AP62150 предлагает схемы защиты, такие как блокировка при пониженном напряжении (UVLO), ограничение тока впадины цикла за циклом и тепловое отключение. AP62150 доступен в корпусах SOT563 и TSOT26.
Управление питанием играет важную роль практически в каждом элементе электронного оборудования.

Синхронный понижающий DC-DC преобразователь на 5 вольт 5 ампер, контроллер TPS4005 + доработка.

Синхронный понижающий DC/DC-преобразователь с высокой удельной мощностью, входным напряжением 12 В и мощностью 100 Вт с дросселем, установленным над МС(TIDA-00510)

Возможности

Файлы

Схемы и диаграммы

Тесты и Инструкции

Печатные платы и ПО

Спецификация (BOM)

Синхронный понижающий DC-DC преобразователь напряжения SC202 Semtech для питания микросхем

Радиационно-стойкий DC-DC синхронный понижающий преобразователь TPS7h5001-SP на ток 18А

Синхронный понижающий преобразователь напряжения LM76005 на ток нагрузки 5А с напряжением питания 3.5 – 60 В

L7987 — синхронный понижающий преобразователь напряжения

Отличительные особенности:

Область применения:

DC-DC Преобразователь понижающий синхронный MP2315 c фиксированным/регулируемым выходом

— Справка разработчика

Компаратор нулевого тока

Работа PFM / PWM

Понижающий регулятор — Учебное пособие по проектированию источника питания, часть 2-1

(PDF) Обзор оптимизации конструкции синхронного понижающего преобразователя

1. Введение

2. Синхронный понижающий преобразователь ZVT-PWM

2.1. Описание схемы и предположения

2.2. Принципы работы и анализ

2.3. Выходное напряжение

3. Процедура проектирования

4. Характеристики преобразователя

5. Моделирование и экспериментальные результаты

5.1. Главный выключатель

5.2. Синхронный выключатель S1

5.3. Диоды Шоттки 𝐷S1, 𝐷S2 и 𝐷S3

6. Заключение

и их классные приложения

Понижающий преобразователь: знакомство

Портативный USB-порт

Конвертер POL для ПК и ноутбуков

Зарядные устройства

Солнечные зарядные устройства

Усилители мощности звука

Преобразователь мощности с синусоидальной волной

Квадрокоптеры

Контроллеры бесщеточных двигателей

Контроллеры электродвигателей с щеткой

Выводы

Выбор синхронного понижающего преобразователя для Po… | element14 | element14

Похожие записи

Преобразователь тока автомобильный: Какой автомобильный инвертор (преобразователь напряжения 12-220 В) выбрать для ноутбука

Частотный преобразователь для однофазного двигателя: Частотник для однофазного электродвигателя в наличии по доступной цене

Преобразователь первичный измерительный: Какие Виды Преобразователей Применяются В Средствах Измерения?

Добавить комментарий Отменить ответ