Конвертер напряжения dc. DC-DC конвертеры MAXIM. Подробное описание работы

Журнал "Электронные компоненты" №6 2005г.

Фирма Vicor специализируется на разработке и производстве модулей, предназначенных для построения источников и систем электропитания. Продукция фирмы включает в себя широкий спектр сетевых выпрямителей, фильтров , DC/DC-конверторов, а также конструктивно законченных блоков питания. В статье рассмотрены схемотехнические и конструктивные особенности, основные технические характеристики и номенклатура серийно выпускаемых DC/DC-конверторов. DC/DC-конверторы фирмы Vicor являются продуктом современных высоких технологий. В них воплощены многочислен-ные оригинальные схемотехнические и конструктивные идеи. На сегодняшний день они являются примером современных Hi-Tech источников питания .

Американская фирма Vicor начала свою деятельность в начале 80-х гг. прошлого столетия, предоставив в распоряжение разработчиков стандартизованный набор модулей, из которых можно было «собирать», наподобие детского конструктора Lego , источники питания (ИП), различные по мощности и другим эксплуатационным параметрам. Таким образом, был совершен переход к идеологии построения систем распределенного питания, которые в настоящее время находят все более широкое применение. По своим массогабаритным и электрическим параметрам продукция компании Vicor по тем временам была практически уникальной, она и предназначалась, в основ-ном, для использования в

военной технике. Разработка оказалась очень удачной, поэтому и сейчас выпуск продукции 1-го поколения продолжается. Всего за 20 лет было изготовлено более 20 млн. модулей.

С середины 90-х гг. компания Vicor начала выпуск DC/DC-конверторов 2-го поколения, которые в настоящее время являются одними из лучших на рынке по показателям плотности мощности. Vicor постоянно отслеживает новейшие достижения в сфере разработки ИП и предлагает свои оригинальные решения. Например, в 2003 - 2005 гг. был модернизирован технологический процесс изготовления DC/ DC-конверторов 2-го поколения, названный FasTrack Program . Результатом этого усовершенствования стало повышение надежности модулей, снижение помех и шумов, улучшение тепловых характеристик. В эти же годы компания Vicor предложила концептуально новый подход к построению распределенных систем питания, названный Factorized Power. Устоявшегося перевода этого термина пока нет, но основной смысл этой кон-цепции можно передать следующим образом. DC/DC-конвертор обычно выполняет одновременно три основные функции: трансформацию напряжения, гальваническую развязку и стабилизацию выходного напряжения. Компания Vicor в Factorized Power предлагает разделить DC/DC-конвертор и, соответственно, его функции на два модуля, один из которых является
предварительным стабилизатором напряжения, а второй - трансформатором. Такой подход основан на том,ч то во многих случаях нет необходимости использовать все функции DC/DC-конвертора. В рамках этой программы были разработаны модули VI-Chips , имеющие рекордные показатели эффективности и плотности мощности. Модули с размером корпуса 32 х 21,6 х 6 мм и весом 12 г способны конвертировать мощность до 3300 Вт, имеют КПД более 92%, частоту преобразования до 3,5 МГц, макс. рабочую температуру 125°С. Концепции Factorized Power и преобра-зователям VI-Chips в дальнейшем будет посвящена отдельная публикация.

В настоящее время Vicor серийно выпускает DC/DC-конверторы 1-го и 2-го поколений мощностью 25...600 Вт на корпус (см. рис. 1 и 2). Благодаря применению оригинальных схемотехнических решений, новейших технологий и материалов, плотность мощности достигает при этом 70 кВт/дм3. Все производство компании Vicor сосредоточено на нескольких предприятиях в США, сборка модулей осуществляется на автоматизированных оперативно перепрограммируемых линиях, способных производить в день до 8 тыс. модулей 1-го поколения и до 2 тыс. модулей 2-го поколения.

Общие характеристики модулей

Универсальность типоразмеров.

В зависимости от мощности преобразова-ния модули имеют 3 стандартных типоразмера. Для 1-го поколения это размер «кирпич» (brick ) 117 × 56 × х 12,7мм мощностью75,100, 150, 200 Вт и «полкирпича» (half-brick ) 58 × 56 × 12,7 мм мощностью 25, 50, 75, 100 Вт. Для 2-го поколения — «кирпич» до 600 Вт, «полкирпича» до 250 Вт и «четверть кирпича» 58 х 37 х 12,7 мм до 150 Вт.

Конструктивное исполнение

В пластмассовом корпусе модуля смонтированы печатная плата и электронные компоненты, которые залиты специально подобранным силиконовым компаундом. Корпус помещен на алюминиевую плас-тину-основание, служащую для отвода выделяемого тепла и крепления модуля.Компаунд защищает компоненты от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды и способствует равномерному распределению тепла по объему модуля. Двух-трех кратная разница стоимости модулей для ком-мерческого, индустриального и военного исполнений, в основном, определяется именно подбором компаун-да и технологией его заливки (вакуумное центрифугирование).

Универсальность конс-трукции модулей предоставляет широкие возможности конструкторам с точки зрения монтажа. При помощи стоек они могут крепить-ся на плату, радиатор или стенку прибора. Выводы могут быть удлиненные для монтажа «на плату» или короткие для монтажа «в плату» (см. рис. 3). Во втором варианте высота сборки составляет всего 13—14 мм. Кроме этого, если требуется, возможность опера-тивной замены модулей, выпускаютсяспециальные разъемы. Как опция, существует также конструктивное оформление моду-лей для навесного монтажа MegaMod Family с подсо-единением к выводам «под винт» (см. рис. 4).

Температурный диапазон

Все модули выпускаются в нескольких вариантах (градациях) по температуре эксплуатации. Общими для 1-го и 2-го поколений явля-ются «коммерческий» (С) —25...100°С , «индустриальный» (I, H) -40...100°С и «милитари » (М) —55...100°С диапазоны эксплуатации с минимальными темпе-ратурами хранения соот-ветственно —40°С; —55°С; —65°С. Кроме этого, для 1-го поколения доступны модули в исполнении «эко-ном» (Е) с температурой эксплуатации —10...85°С, а для 2-го — в исполнении (Т): —40°С эксплуатация и —40°С хранение.

Надежность

Надеж-ность — один из основ-ных параметров, характе-ризующих качество ИП. Показатели надежности учитывают схемотехничес-кие решения, качество мате-риалов, технологические процессы и «культуру про-изводства». Благодаря высо-кой надежности, продукция компании Vicor широко при-меняется в военной технике и другом ответственном про-мышленном оборудовании. Среднее время наработки на отказ (MTBF — Mean Time Before Failure ), рассчитанное в соответствии с методикой MIL-HDBK-217F (Reliability Prediction of Electronic Equipment ) с применением математичес-кого пакета RelCalc , состав-ляет более 2 млн. ч при 25°С при полной нагрузке. При температуре 65°С MTBF составляет несколько сотен тыс. часов. Согласно мето-дике вычисления, исходя из реально продемонстрированного времени наработ-ки (некоторые модули 1-го поколения эксплуатируются более 20 лет), надежность составляет более 20 млн. ч. Каждый модуль исполнения I(Н) и М проходит контроль и тестирование на удовлетворение заявлен-ным параметрам. Контроль включает в себя несколько термических циклов, замер параметров при высшей и низшей температуре, визуальный осмотр. Результаты испытаний помещаются на сайт фирмы Vicor, и по серийному номеру модуля можно получить паспорт с реально замеренными параметрами на конкретное изделие. Вся продукция фирмы Vicor имеет соот-ветствующие сертификаты по электробезопасности , шумам и помехам. Кроме этого модули исполнений I(Н) и М удовлетворяют стандартам MIL-STD-810, MIL-STD-901, MIL-STD-202 по механическим (раз-режение, удар, вибрация) и климатическим (температура, влажность, солевой туман) воздействиям.

Особенности схемотехнических решений

В отличие от большинства производителей, компания Vicor в своих DC/DC-конверторах использует частотно-импульсный (квазирезонансный) метод преобразования энергии (ЧИМ) (см. рис. 5). При таком методе переклю-чение силового MOSFET-транзистора происходит при нулевом значении тока или напряжения (ZCS — Zero Current , Zero Voltage Switching ). Энергия преда-ется посредством импульсов («квантов»), одинаковых по длительности и амплитуде; форма импульсов — положительный полупериод синусоиды. Стабилизация выходного напряжения осу-ществляется за счет изменения частоты импульсов. Импульс энергии формиру-ется в контуре, состоящем из индуктивности рассеяния трансформатора Т1 и емкос-ти С. Частота импульсов в зависимости от мощности на нагрузке и входного напря-жения может изменяться от десятков кГц до 2 МГц. В номинальном режиме час-тота преобразования лежит в пределах 1,0—1,5 МГц. Для гальванической развяз-ки в цепи обратной связи в DC/DC-конверторах первого поколения приме-нены оптроны, во втором поколении — разделительные трансформаторы, что повышает их надежность. Кроме этого, схемы управ-ления ключами (драйверы) и схемы обратной связи двух поколений различа-ются. Из-за этих различий нельзя применять модули выпрямителей 1-го поко-ления VI-AIM с DC/DC-конверторами 2-го поколе-ния .

Благодаря использова-нию ЧИМ компании Vicor удалось поднять частоту преобразования до 1,5 МГц и за счет этого применить компоненты меньших разме-ров, существенно уменьшить уровень шумов и помех по сравнению с ШИМ - преобразователями, увеличить к.п.д. Типовое значение к.п.д. DC/DC-конверторов компании Vicor составляет 82—92% во всем допустимом диапазоне входных напря-жений и нагрузок.

Номенклатура преобразователей

DC/DC-конверторы 1-го поколения

Конвертор выбирается по совокупности требуемых параметров, при-веденных в таблице 1.

Пример обозначения: VI-26M-IV - DC/DC-конвертор 1-го поколения, семейства VI-200, входное напряжение 300 В (200-400 В), выходное напряжение 10 В, температурный диапазон — «индустриальный», выходная мощность 150 Вт. Семейство «Booster » не имеет схемы управления по выходу, за счет этого они дешевле соответствующих VI-200. Стоимость модулей, в основном, определяется их мощностью и температур-ным диапазоном и не зави-сит от входных/выходных напряжений. Диапазон регу-лировки выходного напря-жения Uвых для модулей с Uвых > 12 В составляет 50— 110% от Uвых . ном, а для модулей с Uвых < 12 Â - ±10% от Uвых . ном.

Таблица 1. Основные параметры DC/DC-конверторов 1-го поколения

Семейство				Температурная градация	Мощность, Вт
	0 - 12 1 - 24 W - 24 2 - 36 3 - 48 N 48 4 - 72 T - 110 5 - 150 6 - 300 7 - 150/300	Z - 2 Y - 3,3 0 - 5 X - 5,2 W - 5,5 V - 5,8 T - 6,5 R - 7,5 M - 10 1 - 12 P - 13,8	2 - 15 N - 18,5 3 - 24 L - 28 J - 36 К - 40 4 - 48 H - 52 F - 72 D - 85 В - 95	Е = -10...+100C С = -20...+100C I = -40...+100C M= -55...+100C	VI-200: (50, 75, 100, 150, 200 Вт) VI-J00: (25, 50, 75, 100 Вт)

DC/DC-конверторы 2-го поколения

Во втором поколении DC/DC-конверторов компании Vicor набор входных и выходных напряжений не так широк. Это связано со сложившимися стандартами используемых в современной аппаратуре напряжений. По входному напряжению UBX имеются только 4 семейства: 24, 48, 300, 375 В с выходными напряжениями 2, 3,3, 5, 12, 15, 24 и 48 В, но с более широкими возможностями регулирования выходного напряжения U BbIX — 10— 110% от Uвых . ном. Для кон-верторов с Uвых — 2 В и 3,3 В минимальное напряжение, которое можно уста-новить, составляет 0,5 В. Выходная мощность опре-деляется размером корпуса и составляет в зависимости от UBX и U BbIX :

• Micro —«четверть кирпича» 50—150 Вт;
• Mini — «полкирпича» 100-300 Вт;
• Maxi —«кирпич» 160-600 Вт.

Пример обозначения: V300A24H500BL - DC/ DC-конвертор 2-го поколе-ния, Uвх = 300 В (180-375 В), корпус Maxi , 500 Вт, «индустриальный» диапазон температур, с удлиненными выводами. Семейство V375 разработано для примене-ния совместно с модулями корректоровкоэффициента мощности, обычно имеющи-ми выходное напряжение около 360 В .

По таким параметрам как точность установки напряжения U вых , стабиль-ность напряжения Uвых при изменении нагрузки, температуры, конверторы Vicor демонстрируют луч-шие показатели, свойствен-ные современным преобра-зователям такого класса . В то же время они облада-ют рядом дополнительных возможностей, существен-но расширяющих область их применения. К таким возможностям относятся: параллельное включение модулей, возможность пос-ледовательного включения (как по входу, так и по выходу), дистанционное включение/отключение, регулировка выходного напряжения в широких пре-делах, компенсация падения напряжения на проводниках от модуля к нагрузке.

Параллельное включение модулей реализуется путем соединения выводов PR (Parallel ) для синхрони-зации частоты преобразова-ния. Как указывалось ранее, в DC/DC-конверторах ком-пании Vicor реализован принцип ЧИМ. Поэтому, если одинаковые модули работа-ют на одной частоте, они конвертируют одинаковую мощность. Таким образом, осуществляется равномерное (с точностью до 5%) распределение токов по модулям. Вывод PR является двунаправленным портом, поэто-му в массиве модулей роль ведущего (драйвера) автома-тически принимает на себя модуль с большей частотой, а остальные подстраиваются под него (бустеры). Если система составлена из N + М модулей, то N модулей можно включить драйверами, а М — «бустерами». Перевод модуля в режим «бустера» осуществляется соединением выводов SC и —S, при этом отключается схема управле-ния выходом. Такое решение используется, если требуется получить выходное напряже-ние, отличное от номиналь-ного . В этом случае один модуль включают «драйве-ром» — именно он задает U вых , а остальные «бусте-рами». PR-выводы разных модулей могут быть соедине-ны между собой нескольки-ми способами. Самый прос-той — непосредственно про-водником. Если требуется обеспечить сохранение работоспособности системы в слу-чае выхода из строя одного или нескольких модулей, то соединение следует осущест-влять через конденсатор. Для обеспечения помехоус-тойчивости системы (напри-мер, если модули находятся на большом расстоянии друг от друга или на разных пла-тах) модули следует соеди-нять через разделительный трансформатор (см. рис. 6). Такое оригинальное решение позволяет достаточно просто наращивать мощность конеч-ной системы и обеспечивать режим резервирования.

Резервирование можно осуществить по схеме N + 1 (в общем случае, N+ М), что экономичес-ки выгоднее, чем обычно применяемая схема 2N. Поясним это на примере ИП мощностью 500 Вт. Его можно сконструировать из двух модулей по 500 Вт (схема резервирования 2N) или из трех по 250 Вт (схема 2N + 1). Во вто-ром случае при нормальном функционировании каждый модуль берет на себя 1/3 общей мощности. В слу-чае выхода из строя одно-гоизмодулейостальные два продолжат нормальную работу. Экономический эффект особенно ощутим, если система состоит из большого числа модулей. Допускается параллельное соединение до 12 модулей.

PC- вывод (Primary Control ) позволяет дистан-ционно управлять включением/отключением модулей. Его также можно использо-вать для индикации состо-яния модуля (вкл ./откл .). На выводе PC формируется (или принимается) сигнал логического уровня 0/5 В. В качестве переключателя могут быть использованы контакты (тумблера, реле) или сигнал логического уровня 0/5 В. При Upc > 2,3 В модуль включен, а при Upc < < 2,3 В — выключен.

Выводы +S и -S (Sense ) предназначены для компенсации падения напряжения на проводни-ках, идущих от модуля к нагрузке. Допускается ком-пенсация падения напряжения до 0,5 В.

SC (Secondary Control ): изменяя потенциал на этом выводе, можно регулиро-вать выходное напряжение. Например, чтобы понизить выходное напряжение отно-сительно номинального , надо соединить через резис-тор вывод SC с выводом —S, а чтобы повысить — с выводом +S. При этом сле-дует учитывать, что у кон-вертора имеется защита по допустимому току, поэтому при понижении ивых про-порционально будет сни-жаться и допустимая мощ-ность преобразователя.

Конверторы компании Vicor имеют встроенные системы защиты :

• от понижения UBX ниже допустимого уровня;
• от превышения выходным напряжением U вых номинального уровня Uвых . ном на -15%;
• от перегрева.

При срабатывании одной из систем защиты модуль отключается и затем каждые 2—20 мс пытается стартовать заново. При этом на выводе PC появляются импульсы, которые можно использовать для индикации состояния конвертора (см. рис. 7). При устранении неисправности модуль автоматически переходит в активный режим.

Конверторы можно также перевести в режим стабилизатора тока путем добавления токоизмерительного резистора и операционного усилителя с подачей сигнала обратной связи на вывод SC. Такое решение реализо-вано в семействе програм-мируемых источников тока BatMod , предназначенных для зарядки аккумуляторов с номинальным напряжением 12, 24, 48 В при питании от сети постоянного тока 48, 150, 300 В на мощность до 200 Вт. BatMod обладают тем же набором свойств, что и DC/DC-конверторы 1-го поколения: выпускаются в четырех температурных гра-дациях Е , С, I и М, могут быть соединены параллельно. Также они имеют вывод для установки выходного тока и вывод для контроля тока.

В связи с тем, что конверторы компании Vicor являются достаточно слож-ными устройствами и обла-дают широким спектром возможностей, их корректное применение требует учета ряда особенностей. На сайте фирмы www.vicorpower.com можно найти инструкции по использованию, рекомендации по пайке, борьбе с шумами и помехами, обеспечению безопасного теплового режима. Кроме этого, квалифицированную техническую консультацию можно получить у офици-ального представителя Vicor в России — фирмы «ЭФО».

Литература

LM2596 понижает входное (до 40 В) напряжение - выходное регулируется, ток 3 А. Идеален для светодиодов в машине. Очень дешёвые модули - около 40 рублей в Китае.

Компания Texas Instruments выпускает качественные, надежные, доступные и дешёвые, удобные в применении DC-DC контроллеры LM2596. Китайские заводы выпускают на её основе сверхдешёвые импульсные понижающие (stepdown) конвертеры: цена модуля на LM2596 примерно 35 рублей (вместе с доставкой). Я советую купить сразу партию в 10 штук - для них всегда найдётся применение, при этом цена опустится до 32 рублей, и меньше 30 рублей при заказе 50 штук. Подробнее о расчёте обвязки микросхемы, регулировке тока и напряжения, его применении и о некоторых минусах конвертера.

Типичный метод использования - стабилизированный источник напряжения. На основе этого стабилизатора легко сделать импульсный блок питания, я применяю её как простой и надёжный лабораторный блок питания, выдерживающий короткое замыкание. Они привлекательны постоянством качества (похоже, все они делаются на одном заводе - да и сложно сделать ошибки в пяти деталях), и полным соответствием даташиту и заявленным характеристикам.

Другая область применения - импульсный стабилизатор тока для питания мощных светодиодов . Модуль на этой микросхеме позволит вам подключить автомобильную светодиодную матрицу на 10 Ватт, дополнительно обеспечив защиту от КЗ.

Крайне рекомендую купить их десяток штук - обязательно пригодятся. Они по–своему уникальны - входное напряжение вплоть до 40 вольт, и требуется лишь 5 внешних компонентов. Это удобно - можно поднять напряжение на шине электропитания умного дома до 36 вольт, уменьшив сечение кабелей. В точках потребления ставим такой модуль и настраиваем его на нужные 12, 9, 5 вольт или сколько понадобится.

Рассмотрим их подробнее.

Характеристики микросхемы:

• Входное напряжение - от 2.4 до 40 вольт (до 60 вольт в версии HV)
• Выходное напряжение - фиксированное либо регулируемое (от 1.2 до 37 вольт)
• Выходной ток - до 3 ампер (при хорошем охлаждении - до 4.5А)
• Частота преобразования - 150кГц
• Корпус - TO220-5 (монтаж в отверстия) либо D2PAK-5 (поверхностный монтаж)
• КПД - 70-75% на низких напряжениях, до 95% на высоких

1. Источник стабилизированного напряжения
2. Схема преобразователя
3. Даташит
4. USB-зарядник на основе LM2596
5. Стабилизатор тока
6. Применение в самодельных устройствах
7. Регулировка выходного тока и напряжения
8. Улучшенные аналоги LM2596

История - линейные стабилизаторы

Для начала, объясню чем плохи стандартные линейные преобразователи напряжения вроде LM78XX (например 7805) или LM317. Вот его упрощённая схема.

Главный элемент такого преобразователя - мощный биполярный транзистор, включенный в своём «исконном» значении - как управляемый резистор. Этот транзистор входит в состав пары Дарлингтона (для увеличения коэффициента передачи по току и снижения мощности, необходимой на работу схемы). Базовый ток задаётся операционным усилителем, который усиливает разность между выходным напряжением и заданным с помощью ИОН (источник опорного напряжения), т.е. он включен по классической схеме усилителя ошибки.

Таким образом, преобразователь просто включает резистор последовательно с нагрузкой, и управляет его сопротивлением чтобы на нагрузке гасилось, к примеру, ровно 5 вольт. Нетрудно посчитать что при понижении напряжения с 12 вольт до 5 (очень частый случай применения микросхемы 7805) входные 12 вольт распределяются между стабилизатором и нагрузкой в отношении «7 вольт на стабилизаторе + 5 вольт на нагрузке». На токе в полампера на нагрузке выделяется 2.5 ватта, а на 7805 - целых 3.5 ватта.

Получается что «лишние» 7 вольт просто гасятся на стабилизаторе, превращаясь в тепло. Во-первых, из-за этого возникают проблемы с охлаждением, а во-вторых на это уходит много энергии из источника питания. При питании от розетки это не очень страшно (хотя всё равно наносится вред экологии), а при батарейном или аккумуляторном питании об этом нельзя не помнить.

Другая проблема - таким методом вообще невозможно сделать повышающий преобразователь. Часто такая потребность возникает, и попытки решить этот вопрос двадцать-тридцать лет назад поражают - насколько сложен был синтез и расчёт таких схем. Одна из простейших схем такого рода - двухтактный преобразователь 5В->15В.

Нужно признать, что он обеспечивает гальваническую развязку, однако он неэффективно использует трансформатор - каждый момент времени задействована лишь половина первичной обмотки.

Забудем это как страшный сон и перейдём к современной схемотехнике.

Источник напряжения

Схема

Микросхема удобна в применении в качестве step–down конвертера: мощный биполярный ключ находится внутри, осталось добавить остальные компоненты регулятора - быстрый диод, индуктивность и выходной конденсатор, также возможно поставить входной конденсатор - всего 5 деталей.

В версии LM2596ADJ также потребуется схема задания выходного напряжения, это два резистора или один переменный резистор.

Схема понижающего преобразователя напряжения на основе LM2596:

Вся схема вместе:

Здесь можно скачать даташит/datasheet на LM2596 .

Принцип работы: управляемый ШИМ–сигналом мощный ключ внутри устройства посылает импульсы напряжения на индуктивность. В точке А x% времени присутствует полное напряжение, и (1–x)% времени напряжение равно нулю. LC–фильтр сглаживает эти колебания, выделяя постоянную составляющую, равную x * напряжение питания. Диод замыкает цепь, когда транзистор выключен.

Подробное описание работы

Индуктивность противится изменению тока через неё. При появлении напряжения в точке А дроссель создаёт большое отрицательное напряжение самоиндукции, и напряжение на нагрузке становится равно разности напряжения питания и напряжения самоиндукции. Ток индуктивности и напряжение на нагрузке постепенно растут.

После пропадания напряжения в точке А дроссель стремится сохранить прежний ток, текущий из нагрузки и конденсатора, и замыкает его через диод на землю - он постепенно падает. Таким образом, напряжение на нагрузке всегда меньше входного напряжения и зависит от скважности импульсов.

Выходное напряжение

Модуль выпускается в четырёх версиях: с напряжением 3.3В (индекс –3.3), 5В (индекс –5.0), 12В (индекс –12) и регулируемая версия LM2596ADJ. Имеет смысл везде применять именно настраиваемую версию, поскольку она в большом количестве есть на складах электронных компаний и вы вряд ли столкнётесь с её дефицитом - а она требует дополнительно лишь два копеечных резистора. Ну и конечно, версия на 5 вольт тоже пользуется популярностью.

Количество на складе - в последнем столбце.

Можно сделать задание выходного напряжения в виде DIP-переключателя, хороший пример этого приведён здесь, либо в виде поворотного переключателя. В обоих случаях потребуется батарея точных резисторов - зато можно настраивать напряжение без вольтметра.

Корпус

Существует два варианта корпусов: корпус для планарного монтажа TO–263 (модель LM2596S) и корпус для монтажа в отверстия TO–220 (модель LM2596T). Я предпочитаю применять планарную версию LM2596S, поскольку в этом случае радиатором является сама плата, и отпадает необходимость покупать дополнительный внешний радиатор. К тому же её механическая стойкость гораздо выше, в отличие от TO-220, которую обязательно надо к чему–то привинчивать, хотя бы даже к плате - но тогда проще установить планарную версию. Микросхему LM2596T-ADJ я рекомендую использовать в блоках питания, потому что с её корпуса легче отвести большое количество тепла.

Сглаживание пульсаций входного напряжения

Можно использовать как эффективный «интеллектуальный» стабилизатор после выпрямления тока. Поскольку микросхема следит непосредственно за величиной выходного напряжения, колебания входного напряжения вызовут обратно пропорциональное изменение коэффициента преобразования микросхемы, и выходное напряжение останется в норме.

Из этого следует, что при использовании LM2596 в качестве понижающего преобразователя после трансформатора и выпрямителя, входной конденсатор (т.е. тот который стоит сразу после диодного моста) может иметь небольшую ёмкость (порядка 50-100мкФ).

Выходной конденсатор

Благодаря высокой частоте преобразования выходной конденсатор тоже не обязан иметь большую ёмкость. Даже мощный потребитель не успеет значительно посадить этот конденсатор за один цикл. Проведём расчёт: возьмём конденсатор в 100мкФ, 5В выходного напряжения и нагрузку, потребляющую 3 ампера. Полный заряд конденсатора q = C*U = 100e-6 мкФ * 5 В = 500e-6 мкКл.

За один цикл преобразования нагрузка заберёт из конденсатора dq = I*t = 3 А * 6.7 мкс = 20 мкКл (это всего 4% от полного заряда конденсатора), и тут же начнётся новый цикл, и преобразователь засунет в конденсатор новую порцию энергии.

Самое главное - не используйте в качестве входного и выходного конденсатора танталовые конденсаторы. У них прямо в даташитах пишут - «не использовать в цепях питания», потому что они очень плохо переносят даже кратковременные превышения напряжения, и не любят высокие импульсные токи. Используйте обычные алюминиевые электролитические конденсаторы.

Эффективность, КПД и тепловые потери

КПД не так высок, поскольку в качестве мощного ключа используется биполярный транзистор - а он имеет ненулевое падение напряжения, порядка 1.2В. Отсюда и падение эффективности при маленьких напряжениях.

Как видим, максимальная эффективность достигается при разности входного и выходного напряжений порядка 12 вольт. То есть, если нужно уменьшить напряжение на 12 вольт - в тепло уйдёт минимальное количество энергии.

Что такое эффективность преобразователя? Это величина, характеризующая токовые потери - на выделение тепла на полностью открытом мощном ключе по закону Джоуля-Ленца и на аналогичные потери при переходных процессах - когда ключ открыт, допустим, лишь наполовину. Эффекты от обоих механизмов могут быть сравнимы по величине, поэтому не нужно забывать про оба пути потерь. Небольшая мощность идёт также на питание самих «мозгов» преобразователя.

В идеальном случае, при преобразовании напряжения с U1 до U2 и выходном токе I2 выходная мощность равна P2 = U2*I2, входная мощность равна ей (идельный случай). Значит, входной ток составит I1 = U2/U1*I2.

В нашем же случае преобразование имеет эффективность ниже единицы, поэтому часть энергии останется внутри прибора. Например, при эффективности η выходная мощность составит P_out = η*P_in, а потери P_loss = P_in-P_out = P_in*(1-η) = P_out*(1-η)/η. Конечно, преобразователь вынужден будет увеличить входной ток, чтобы поддерживать заданные выходные ток и напряжение.

Можно считать, что при преобразовании 12В -> 5В и выходном токе 1А потери в микросхеме составят 1.3 ватта, а входной ток будет равен 0.52А. В любом случае это лучше любого линейного преобразователя, который даст минимум 7 ватт потерь, и потребит из входной сети (в том числе на это бесполезное дело) 1 ампер - в два раза больше.

Кстати, микросхема LM2577 имеет в три раза меньшую частоту работы, и её эффективность несколько выше, поскольку меньше потерь в переходных процессах. Однако, ей нужны в три раза более высокие номиналы дросселя и выходного конденсатора, а это лишние деньги и размер платы.

Увеличение выходного тока

Несмотря на и так довольно большой выходной ток микросхемы, иногда требуется ещё бОльший ток. Как выйти из этой ситуации?

1. Можно запараллелить несколько преобразователей. Конечно, они должны быть настроены точно на одно и то же выходное напряжение. В таком случае нельзя обойтись простыми SMD-резисторами в цепи задания напряжения Feedback, нужно использовать либо резисторы с точностью 1%, либо вручную задавать напряжение переменным резистором.

Если нет уверенности в маленьком разбросе напряжений — лучше параллелить преобразователи через небольшой шунт, порядка нескольких десятков миллиом. Иначе вся нагрузка ляжет на плечи преобразователя с самым высоким напряжением и он может не справиться. 2. Можно использовать хорошее охлаждение — большой радиатор, многослойная печатная плата большой площади. Это даст возможность [поднять ток](/lm2596-tips-and-tricks/ "Применение LM2596 в устройствах и разводка платы") до 4.5А. 3. Наконец, можно [вынести мощный ключ](#a7) за пределы корпуса микросхемы. Это даст возможность применить полевой транзистор с очень маленьким падением напряжения, и здорово увеличит как выходной ток, так и КПД.

USB-зарядник на LM2596

Можно сделать очень удобный походный USB-зарядник. Для этого необходимо настроить регулятор на напряжение 5В, снабдить его USB-портом и обеспечить питание зарядника. Я использую купленный в Китае радиомодельный литий-полимерный аккумулятор, обеспечивающий 5 ампер-часов при напряжении 11.1 вольта. Это очень много - достаточно для того чтобы 8 раз зарядить обычный смартфон (не учитывая КПД). С учётом КПД получится не меньше 6 раз.

Не забудьте замкнуть контакты D+ и D- гнезда USB, чтобы сообщить телефону что он подключен к заряднику, и передаваемый ток неограничен. Без этого мероприятия телефон будет думать, что он подключен к компьютеру, и будет заряжаться током в 500мА - очень долго. Более того, такой ток может даже не скомпенсировать ток потребления телефона, и аккумулятор вовсе не будет заряжаться.

Также можно предусмотреть отдельный вход 12В от автомобильного аккумулятора с разъёмом прикуривателя - и переключать источники каким-либо переключателем. Советую установить светодиод, который будет сигнализировать что устройство включено, чтобы не забыть выключить батарею после полной зарядки - иначе потери в преобразователе полностью посадят резервную батарею за несколько дней.

Такой аккумулятор не слишком подходит, потому что он рассчитан на высокие токи - можно попробовать найти менее сильноточную батарею, и она будет иметь меньшие размеры и вес.

Стабилизатор тока

Регулировка выходного тока

Возможна только в версии с настраиваемым выходным напряжением (LM2596ADJ). Кстати, китайцы делают и такую версию платы, с регулировкой напряжения, тока и всевозможной индикацией - готовый модуль стабилизатора тока на LM2596 с защитой от КЗ, можно купить под названием xw026fr4.

Если вы не хотите применять готовый модуль, и желаете сделать эту схему самостоятельно - ничего сложного, за одним исключением: у микросхемы нет возможности управления током, однако её можно добавить. Я объясню, как это сделать, и попутно разъясню сложные моменты.

Применение

Стабилизатор тока - штука, нужная для питания мощных светодиодов (кстати - мой проект микроконтроллерного драйвера мощного светодиода ), лазерных диодов, гальваники, заряда аккумуляторов. Как и в случае со стабилизаторами напряжения, есть два типа таких устройств - линейный и импульсный.

Классический линейный стабилизатор тока - это LM317, и он вполне хорош в своём классе - но его предельный ток 1.5А, для многих мощных светодиодов этого недостаточно. Даже если умощнить этот стабилизатор внешним транзистором - потери на нём просто неприемлемы. Весь мир катит бочку на энергопотребление лампочек дежурного питания, а тут LM317 работает с КПД 30% Это не наш метод.

А вот наша микросхема - удобный драйвер импульсного преобразователя напряжения, имеющий много режимов работы. Потери минимальны, поскольку не применяется никаких линейных режимов работы транзисторов, только ключевые.

Изначально она предназначалась для схем стабилизации напряжения, однако несколько элементов превращают её в стабилизатор тока. Дело в том, что микросхема всецело полагается на сигнал «Feedback» в качестве обратной связи, а вот что на него подавать - это уже наше дело.

В стандартной схеме включения на эту ногу подаётся напряжение с резистивного делителя выходного напряжения. 1.2В - это равновесие, если Feedback меньше - драйвер увеличивает скважность импульсов, если больше - уменьшает. Но ведь можно на этот вход подать напряжение с токового шунта!

Шунт

Например, на токе 3А нужно взять шунт номиналом не более 0.1Ом. На таком сопротивлении этот ток выделит около 1Вт, так что и это много. Лучше запараллелить три таких шунта, получив сопротивление 0.033Ом, падение напряжения 0.1В и выделение тепла 0.3Вт.

Однако, вход Feedback требует напряжение 1.2В - а мы имеем лишь 0.1В. Ставить бОльшее сопротивление нерационально (тепла будет выделяться в 150 раз больше), поэтому остаётся как-то увеличить это напряжение. Делается это с помощью операционного усилителя.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Классическая схема, что может быть проще?

Объединяем

Теперь объединяем обычную схему преобразователя напряжения и усилитель на ОУ LM358, к входу которого подключаем токовый шунт.

Мощный резистор 0.033 Ом - это и есть шунт. Его можно сделать из трёх резисторов 0.1 Ом, соединённых параллельно, а для увеличения допустимой рассеиваемой мощности - используйте SMD-резисторы в корпусе 1206, поставьте их с небольшим промежутком (не вплотную) и постарайтесь максимально оставить слой меди вокруг резисторов и под ними. На выход Feedback подключен небольшой конденсатор, чтобы устранить возможный переход в режим генератора.

Регулируем и ток и напряжение

Давайте заведём на вход Feedback оба сигнала - и ток, и напряжение. Для объединения этих сигналов воспользуемся обычной схемой монтажного «И» на диодах. Если сигнал тока выше сигнала напряжения - он будет доминировать и наоборот.

Пару слов о применимости схемы

Вы не можете регулировать выходное напряжение. Хотя невозможно регулировать одновременно и выходной ток, и напряжение - они пропорциональны друг другу, с коэффициентом «сопротивление нагрузки». А если блок питания реализует сценарий вроде «постоянное выходное напряжение, но при превышении тока начинаем уменьшать напряжение», т.е. CC/CV - то это уже зарядное устройство.

Максимальное напряжение питания схемы - 30В, поскольку это предел для LM358. Можно расширить этот предел до 40В (или 60В с версией LM2596-HV), если питать ОУ от стабилитрона.

В последнем варианте в качестве суммирующих диодов необходимо использовать диодную сборку, поскольку в ней оба диода сделаны в рамках одного технологического процесса и на одной пластине кремния. Разброс их параметров будет гораздо меньше разброса параметров отдельных дискретных диодов - благодаря этому мы получим высокую точность отслеживания значений.

Также нужно внимательно следить за тем, чтобы схема на ОУ не возбудилась и не перешла в режим генерации. Для этого старайтесь уменьшить длину всех проводников, а особенно дорожки, подключенной к 2 выводу LM2596. Не располагайте ОУ вблизи этой дорожки, а диод SS36 и конденсатор фильтра расположите ближе к корпусу LM2596, и обеспечьте минимальную площадь петли земли, подключенной к этим элементам - необходимо обеспечить минимальную длину пути возвратного тока «LM2596 -> VD/C -> LM2596″.

Применение LM2596 в устройствах и самостоятельная разводка платы

О применении микросхемы в своих устройствах не в виде готового модуля я подробно рассказал в другой статье , в которой рассмотрены: выбор диода, конденсаторов, параметров дросселя, а также рассказал про правильную разводку и несколько дополнительных хитростей.

Возможности дальнейшего развития

Улучшенные аналоги LM2596

Проще всего после этой микросхемы перейти на LM2678 . По сути - это тот же самый stepdown преобразователь, только с полевым транзистором, благодаря которому КПД поднимается до 92%. Правда, у него 7 ног вместо 5, и он не pin-to-pin совместимый. Тем не менее эта микросхема очень похожа, и будет простым и удобным вариантом с улучшенной эффективностью.

L5973D – довольно старая микросхема, обеспечивающая до 2.5А, и немного более высокий КПД. Также у неё почти в два раза выше частота преобразования (250 кГц) - следовательно, требуются меньшие номиналы индуктивности и конденсатора. Однако, я видел что с ней происходит, если поставить её напрямую в автомобильную сеть - довольно часто выбивает помехами.

ST1S10 - высокоэффективный (КПД 90%) DC–DC stepdown преобразователь.

• Требует 5–6 внешних компонентов;

ST1S14 - высоковольтный (до 48 вольт) контроллер. Большая частота работы (850 кГц), выходной ток до 4А, выход Power Good, высокий КПД (не хуже 85%) и схема защиты от превышения тока нагрузки делают его, наверное, лучшим преобразователем для питания сервера от 36–вольтового источника.

Если требуется максимальный КПД - придётся обращаться к неинтегрированным stepdown DC–DC контроллерам. Проблема интегрированных контроллеров в том, что в них никогда не бывает классных силовых транзисторов - типичное сопротивление канала не выше 200мОм. Однако если взять контроллер без встроенного транзистора - можно выбрать любой транзистор, хоть AUIRFS8409–7P с сопротивлением канала в пол–миллиома

DC-DC преобразователи с внешним транзистором

Следующая часть

Сегодня на обзоре маленький DC-DC конвертер. Можно сказать, это полноценный орган управления блоком питания. Платка, на самом деле, миниатюрная, поставляется она в антистатическом пакетике, и сами видели, что она очень, запросто, помещается в руке. Смотрите видео канала “KIRILL NESTEROV”

Размер платы конвертера 6 сантиметров на 3,5. Содержатся 2 чипа. Один чип регулирует напряжение, а второй управляет индикацией, показывая количество вольт на входе и на выходе, как раз чип скрыт под светодиодной индикацией, практически не видно, только если на просвет. Из органов управления 3 компонента: 2 кнопочки и 1 регулятор. Регулятор отвечает за установку напряжения на выходе преобразователя. А 2 микро кнопочки не сразу объяснят, что делают, над ними, есть светодиоды. Светодиод in и светодиод out. Первая кнопка отвечает за включение и выключение, а вторая показывает индикацию. Лучше сейчас подключим платку к нормальному блоку, и покажем, как работает. Каждый вывод платы подписан, и имеется, как колодка для подключения, так и место для пайки.

Немного пройдемся по характеристики DC-DC конвертера. Питается от 5-36 вольт, это значит, что можем спокойно, на нашем БП, которым запитываем преобразователь, выставить 5.
Подаем ток от блока. Видите, что уже загорелась индикация, зелененькая, показано 4.9. Это на выходе. Можем посмотреть, какое идет на вход при нажатии на клавишу. Видим 4,9 вольт, посмотрим, какое на выходе. Да, ровно 4.9, можно сказать, что они показывают одинаково.

Используем тестер. Как выглядят показания, видим, что на источнике напряжение 5,13, на входе 5, на выходе замеряем – 5,11, что ближе с тем, что выдает блок питания.
Для начала посмотреть, какое напряжение минимальное можно подавать на платку. Итак, на блоке 3,8 вольт, индикация уже перестала работать, а на выходе то же самое. Упало до 2 вольт, а выход уже ничего не показывает. Опять подняли до 5, это минимальная точка, когда БП способен нормально работать.
Так как заявлено, что может работать от 36, этот вольтаж сейчас и выставим здесь. Как ни странно, у преобразователя 36, это максимум. Сейчас показано 14,1 на входе, и 35,7, но прибор немного врет.

Что еще не сказал по поводу регулировки. Она плавная от начала до конца, изменяется линейно. Уже заметили, напряжение 33,6, а по характеристикам должен выдавать от 1,25 до 32, что вылезает за пределы. 35,7, но индикатор врет, на выходе получаем 36, то же самое, что выдает блок.

Что касается управления устройства – всего 3 органа: 2 микро кнопочки и 1 регулятор, резистор на 50 Ком. Индикация in с левой стороны, и с правой стороны выход, отражают напряжение. Кнопочкой можно включать и отключать показания, блок продолжает работать. С напряжением понятно. Сделаем его пониже на 30,6, но дело в том, что стоит конденсатор на выходе на 35 вольт, опасно его сжечь.
Продавец на своей страничке товара утверждает, что преобразователь способен выдавать максимальный ток, аж в 5 ампер, но советует использовать его все-таки на 4,5, максимальная мощность должна составлять не больше 75 ватт, но при продолжительном использовании, не должны превышать его в 50 ватт.

Прислал:

Простые схемы не всегда хуже "навороченных". А схемы на дискретных элементах ничуть не уступают готовым микросхемам. Очередной пример можно увидеть здесь.

Одними из наиболее популярных электронных устройств в настоящее время являются маломощные однотактные DC-DC конверторы, широко используемые в переносной батарейной аппаратуре. Естественно, что многие фирмы ведут активные разработки в этой области, и таких готовых устройств бесчисленное множество. На рис. 1 для примера показана блок-схема одного из распространенных конверторов TPS61045 производства фирмы Texas Instruments .

Эта блок-схема не является чем-то выдающимся по количеству используемых элементов, ничуть не меньше таковых в аналогичных устройствах других производителей. Вероятно поэтому интегральные DC-DC конвертеры являются довольно дорогими изделиями электронной техники. Кроме гипертрофированной блок-схемы некоторые из таких устройств страдают импульсной неустойчивостью из-за неоправданно большого коэффициента преобразования в петле ООС. Например, на рис. 2 показана упрощенная форма напряжения в таком режиме на индуктивности конвертера SP6641 фирмы Sipex.

По всей видимости, приведенные факты стали следствием использования интегральных технологий, которые, устранив прямую зависимость между числом используемых компонентов и размерами электронных устройств, заодно устранили и мотивацию к созданию оптимальной электроники. Вследствие этого неоправданное усложнение интегральных микросхем стало всеобщим, а платить за это приходится потребителям.

Поэтому в данной статье сделана попытка показать, что если для реализации электронных устройств не использовать лишних компонентов, то получаются изделия, ничем не уступающие интегральным аналогам, а по некоторым параметрам и превосходящие их. Начиная с меньшей стоимости.

Кроме того, поскольку в таких устройствах компонентов ровно столько, сколько это необходимо для решения конкретной задачи, они почти не уступают интегральным аналогам по занимаемой площади на плате, хотя выполнены на отдельных элементах. Причем реализация на отдельных элементах зачастую позволяет обеспечить и лучшие электрические параметры, чем у интегральных микросхем, поскольку разработчик имеет возможность при создании своего устройства отобрать наилучшие на данный момент дискретные компоненты, чего нельзя обеспечить при использовании готовых микросхем, качество используемых элементов в которых навсегда привязано к периоду их разработки.

Электрическая схема однотактного конвертера, подтверждающего вышеизложенное, представлена на рис.3.

Структура представляемого устройства является универсальной и позволяет создавать конвертеры с любыми видами модуляции.

В данном случае используется частотно-импульсная модуляция, что не только позволило реализовать наиболее простую структуру конвертера, но и способствует его более высокой эффективности по сравнению с конвертерами, использующими ШИМ. Это объясняется тем, что при использовании частотно-импульсной модуляции и уменьшении тока в нагрузке КПД снижается только за счет начального потребления тока схемой управления выходным ключом, в отличие от конверторов с ШИМ, где КПД дополнительно ухудшается в связи с неэффективным использованием индуктивности при уменьшении времени ее заряда, что особенно сильно проявляется при больших коэффициентах преобразования.

Устройство является универсальным, но в данном конкретном случае предназначено для преобразования напряжения батареи из двух NiMh аккумуляторов с напряжением 2…2.7 В в напряжение питания для OLED дисплея (~13 В, 30 мА).

Следует обратить внимание на то, что в конверторе нет никаких компараторов и операционных усилителей. При этом не только обеспечивается стабильность выходного напряжения не хуже 1% при изменении входного в пределах 2.5…4 В или при изменении нагрузки, что вполне достаточно для любых практических задач, но и исключается импульсная неустойчивость, вследствие чего просто приятно наблюдать чистую осциллограмму на аноде VD4 в отличие от картины в той же точке у некоторых промышленных микросхем. Соответственно обеспечивается и минимальный уровень помех. Указанная особенность определяется не только минимально необходимым усилением в петле ООС, но и используемым типом модуляции.

За счет взаимной компенсации температурного ухода у VD1, VT1 и VD3 описываемое устройство обладает и неплохой температурной стабильностью – не хуже 2% в диапазоне температур –20…+50 °С. КПД преобразователя при использовании относительно недорогой индуктивности фирмы Murata LQH55D составляет примерно 85% даже при входном напряжении 2 В и предельной выходной мощности, которая при таком входном напряжении достигает 0.4 Вт. Наилучшие характеристики устройства обеспечиваются при питании DD1 от отдельного источника напряжением 2.5…5 В.

Следует отметить, что за вычетом стоимости танталовых конденсаторов, выпрямительного диода и индуктивности, которые используются и в микросхемном варианте, стоимость компонентов представляемого устройства составляет примерно 10 руб., в то время как розничная цена микросхемы TPS61045, предназначенной для тех же целей и имеющей худшие параметры, в среднем не ниже 50 руб. Следовательно, лишние компоненты из упомянутой микросхемы обходятся пользователям в 40 руб.

Единственный замеченный недостаток представляемого конвертера заключается в том, что при питании DD1 от первичного источника и при снижении первичного напряжения ниже определенного предела возможна ситуация, когда возникает положительная обратная связь через источник питания и в такой ситуации либо мощность, рассеиваемая на МОП ключе, может превысить допустимую, либо МОП ключ просто разрядит первичный источник. Это объясняется удлинением выходных импульсов у используемого логического элемента при уменьшении его питающего напряжения.

Однако при желании такая ситуация может быть исключена при минимальных дополнительных затратах – достаточно параллельно диодной сборке VD1 включить выход обычного монитора питания типа, например, BD47xx с напряжением срабатывания, равным минимально допустимому напряжению питания конвертера, а вход монитора следует подключить к первичному источнику питания. При использовании в микроконтроллерных устройствах можно отключать конвертер по входу shutdown, подавая на него низкий логический уровень, как только АЦП микроконтроллера обнаружит разряд батареи ниже допустимого уровня.

На рис. 4 представлен вариант трассировки конвертера на печатной плате в масштабе примерно 4:1. Реальные размеры – 14 × 17 мм без присоединительных выводов. При необходимости получения выходных напряжений менее 8 В стабилитрон VD4 следует заменить на шунтовый регулятор типа, например, LMV431.

Возможны также различные модификации конвертера, изображенного на рис. 3. Один из теоретически возможных вариантов для примера показан на рис. 5*.

Рис. 5
(*Данное устройство не используется в моих разработках, а поэтому не реализовывалось и не тестировалось.)

В этом варианте используется цепь регулирования, применяемая в простых однотактных DC-DC конвертерах как минимум с 80-х годов прошлого столетия. Конвертеры такого типа позволяют избежать применения преобразователей типа sepic, которые не имеют перед ними никаких преимуществ, кроме возможности присоединить не плюс, а минус батареи к общему проводу питаемого конвертером устройства. Поскольку представленное на рис. 5 устройство намного дешевле, проще и эффективнее упомянутых конвертеров типа sepic, оно делает применение последних за исключением особых случаев совершенно бессмысленным.

Замечательным свойством этого конвертера, как, кстати, и конвертеров типа sepic, является возможность работы с первичными источниками, напряжение которых может быть любым – как меньше выходного напряжения, так и больше. К сожалению, диапазон возможных напряжений первичного источника в описываемом устройстве ограничивается возможностями используемого триггера Шмитта по допустимым напряжениям его питания. В показанном на рис. 5 варианте диапазон напряжений первичного источника не должен выходить за пределы 2…5.5 В при выходном напряжении, например, 3 В.

Кроме прочих достоинств, при использовании этой схемы появляется возможность использовать батарею в качестве источника отрицательного смещения, а не применять для этого специальные преобразователи или дополнительные обмотки с выпрямителем.

Фирма MAXIM Integrated Products сегодня является общепризнанным мировым лидером всфере разработки и производства широчайшего спектра интегральных схем для самых разнообразных областей микроэлектроники. Огромное количество решений фирма предлагает в области технологий преобразования мощности. Номенклатура выпускаемых микросхем-преобразователей охватывает практически всю совокупность текущих потребности электроники в этой сфере. В статье будут рассмотренны возможности некоторых наиболее интересных преобразователей постоянного напряжения фирмы MAXIM.

Как известно, в основе работы импульсного преобразователя лежит процесс передачи энергии со входа на выход путем перекоммутации реактивного элемента с определенной частотой. В этой связи существует деление преобразователей на две группы - индуктивные и конденсаторные (рис.1).

Индуктивные преобразователи напряжения

Индуктивные DC/DC-конвертеры представлены фирмой MAXIM наиболее широко. Выпускается 218 различных микросхем индуктивных преобразователей:

• повышающие (Step-Up);
• понижающие (Step-Down);
• повышающие/понижающие (Step-Up/Down);
• инвертирующие (Inverter).

Повышающие индуктивные преобразователи MAX1724 и MAX1709

Микросхема MAX1724 представляет собой высокоэффективный (КПД до 90%) повышающий конвертер, доступный в тонком 5-ножечном корпусе SOT23. Он имеет уникально низкий ток покоя - около 1,5 мкА. Этот прибор специально разработан фирмой MAXIM для использования в портативных переносных приборах с питанием от одной или двух алкалиновых или NiMH-батарей. Нижний диапазон входного напряжения этой микросхемы составляет 0,8 В. Конвертер построен по схеме синхронного выпрямителя, исключающей необходимость в использовании внешнего диода Шоттки. Благодаря этому для обеспечения работы преобразователя необходимо всего 3 внешних элемента (рис.2). Для снижения электромагнитных излучений в MAX1724 используется собственная схема снижения генерируемого шума. Встроенные ключи на N-канальных полевых транзисторах обеспечивают выходной ток в нагрузке до 150 мA при напряжении на выходе от 2,7 до 5 В (зависит от типа микросхемы). Отдельный вывод /SHDN (рис.2) позволяет управлять работой преобразователя. Ток в режиме «Shutdown » не превышает 0,1 мкА.

В случаях, когда необходимо обеспечить питание более мощной нагрузки, фирма MAXIM предлагает иное решение - MAX1709. Этот прибор обеспечивает выходной ток до 4 А при напряжении на входе 3,3 В. Диапазон входного напряжения лежит в пределах от 0,7 до 5 В. Таким образом, обеспечивается возможность использования микросхемы MAX1709 в устройстве, питающемся от одной батарейки на 1,2 В. Фиксированная частота переключения обеспечивает работу преобразователя на частоте основной гармоники равной 600 кГц. Выбор этой частоты позволяет использовать простые схемы фильтрации для снижения шумов. Кроме того, повышенная частота переключения снижает размеры используемой катушки индуктивности. При необходимости конвертер может работать на частоте внешнего генератора (от 350 кГц до 1 МГц), подключаемого к выводу CLK (рис.3). Путем изменения номиналов внешних компонентов имеется возможность программировать работу преобразователя в ежиме «мягкого старта », а также ограничивать максимальный ток нагрузки. Это может быть важно в условиях питания устройства от батарей.

Следует отметить, что благодаря возможности работы рассмотренных приборов при снижении входного питающего напряжения вплоть до 0,7 –0,8 В, они могут обеспечить более длительную работу разнообразных переносных устройств с питанием от батарей, повышая тем самым их потребительские качества.

Понижающий индуктивный преобразователь MAX1917

Современные требования к миниатюризации и снижению стоимости конечного изделия побуждают производителей непрерывно оптимизировать характеристики своих разработок. Примером может служить DC/DC-конвертер MAX1917, предназначенный для комплексного управления питанием DDR-памяти. Этот преобразователь построен на основе разработанной фирмой MAXIM архитектуры Quick-PWM ™. Она позволяет обеспечить очень малое время отклика управляющей схемы на изменения тока нагрузки. Благодаря этому снижается количество и общая емкость конденсаторов на выходе конвертера. На рис.4 показана схема включения преобразователя.

Микросхема MAX1917 обеспечивает управление ключами N-FET, позволяя реализовать понижающий синхронный выпрямитель с втекающим или вытекающим током в нагрузке до 25 А при напряжении до 3,6 В. Максимальный КПД может достигать величины 96%при токе в несколько ампер. Повышению КПД способствует, в частности, считывание информации о токе в нагрузке с перехода сток-исток нижнего в плече полевого транзистора. Это позволяет обойтись без использования специального резистора в качестве датчика тока, исключив его тепловые потери.

Начальная частота переключения микросхемы MAX1917 может выбираться из ряда 200; 300; 400; 550 кГц. В процессе стабилизации выходного напряжения эта частота меняется довольно в широких пределах в зависимости от тока нагрузки и входного напряжения.

Напряжение на выходе задается через вход DDR. С помощью внешних элементов задаются параметры встроенных схем ограничения максимального тока и «мягкого старта».

На рис.5 показан график изменения напряжения на нагрузке при возникновении скачка тока с 2,5 до 18 А. На осциллограмме видно, что время восстановления напряжения при изменении тока не превышает 20 мкс.

Несмотря на то что описанный прибор создан, прежде всего, для применения в системе питания DDR-памяти, он может использоваться и как понижающий преобразователь общего назначения с изменяемой частотой переключения.

В настоящее время фирмой MAXIM производится большое количество специализированных понижающих конвертеров для различных областей применения:

• системы питания сотовых телефонов (MAX1820-1821, MAX1958-1959);
• драйверы модулей Пелтье (MAX1968-1969, MAX8520-8521);
• системы питания ноутбуков (MAX1534, MAX1710-1712, MAX1717-1718, MAX1791, MAX1844);
• системы питания современных CPU (MAX797798, MAX1624-MAX1625, MAX1638-1639).

Выпускаемые понижающие конвертеры охватывают диапазон выходных токов вплоть до 60 А (MAX5041). Многие приборы работают на очень высоких частотах переключения - 1,2 МГц (MAX1734, MAX1921), 1 МГц (MAX1821), что позволяет повышать удельную мощность блоков питания за счет снижения размеров реактивных элементов, передающих энергию.

Повышающий/понижающий преобразователь MAX1672

Пожалуй, MAX1672 - самый функционально насыщенный конвертер среди изделий MAXIM такого типа. Выпускаемый в очень маленьком QSOP-корпусе, он обеспечивает выходное напряжение в диапазоне от 1,25 до 5,5 В при токе 300 мА без внешнего транзистора (рис.6). Преобразователь работоспособен при входном напряжении от 1,8 до 11 В. Типовой КПД при работе в режиме «Step-Up » составляет 85%.

Преобразователь MAX1672 представляет собой устройство, комбинирующее 2 различных метода преобразования напряжения и не являющееся классическим преобразователем Кука. Для повышения напряжения в состав прибора входит повышающий конвертер на основе встроенного N-канального MOSFET-транзистора и миниатюрной внешней катушки индуктивности (10 мкГ). Понижение напряжения выполняется встроенным линейным регулятором «low-drop » с помощью транзистора P-FET.

Существует 3 различных режима работы преобразователя MAX1672:

• Входное напряжение ниже выходного - работает повышающий конвертер.
• Входное напряжение незначительно больше выходного - это наиболее эффективный режим работы - работают повышающий конвертер и линейный регулятор. В этом режиме повышающий преобразователь автоматически поддерживает напряжение на входе линейного регулятора, необходимое для его работы. На графике зависимости КПД от входного напряжения (рис.7) видно, что в этот момент достигается пик эффективности - КПД свыше 94%%(при токе нагрузки 10мА). Кроме того, задействованный линейный регулятор осуществляет качественную фильтрацию высокочастотных шумов повышающего конвертера.
• Входное напряжение значительно больше выходного - работает только линейный регулятор, КПД падает с ростом входного напряжения.

Выходное напряжение может быть как изменяемым (с помощью внешних резисторов), так и фиксированным - изменение его значения (3,3 или 5 В) производится по входу «3/5 ». Микросхема имеет детектор понижения питающего напряжения (вывод /PGO), параметры работы которого можно устанавливать при помощи делителя напряжения, подключенного к выводу PGI. В режиме «Shutdown » нагрузка отключается от входа, а ток потребления микросхемы снижается до 0,1 мкА.

Реализованная в приборе система защиты от перегрева выключает проходной транзистор при повышении температуры кристалла до +150 °С и включает его снова при охлаждении до +20 °С. Встроенная схема ограничения максимального тока через катушку индуктивности позволяет выбирать два значения: 0,5 и 0,8 А.

Инверторы напряжения MAX774, MAX775 и MAX776

Группа микросхем MAX774-MAX776 представляет собой набор инверторов, характеризующихся стабильно высоким КПД в большом диапазоне токов нагрузки. Различаются они только значением выходного напряжения, поэтому достаточно рассмотреть особенности одного конвертера - MAX774 с отрицательным выходным напряжением –5 В.

Микросхема предназначена для построения инверторов напряжения с использованием внешнего транзистора P-FET и обеспечивает КПД 85% в диапазоне токов нагрузки от 5 мА до 1 А. Это стало возможным благодаря реализованной в приборе уникальной схеме управления, объединяющей преимущества частотно-импульсной модуляции (PFM) с пропуском импульсов (ультранизкий ток потребления), и высокой эффективности конвертера с широтно-импульсной модуляцией (PWM)на больших мощностях нагрузки.

Конденсаторные преобразователи напряжения

Для питания маломощных нагрузок, таких, как LCD, VCO (генераторы, управляемые напряжением), диоды настройки и пр., очень выгодно использовать преобразователи напряжения на коммутируемых конденсаторах. Использование таких устройств не требует наличия индуктивных (намоточных) компонентов, они позволяют создавать дешевые и малогабаритные модули питания. Фирмой MAXIM производится большое количество подобных преобразователей, которые могут быть как с фиксированным входным напряжением, так и регулируемые.

На рис.8 показана типовая схема включения регулируемого конденсаторного конвертера MAX889T. Он обеспечивает стабилизированное напряжение на нагрузке в пределах от –2,5 В до –Vin при токе 200 мА. Этот прибор работает на частоте 2 МГц, что позволяет использовать очень маленькие внешние конденсаторы, однако увеличивает собственный ток потребления. Отдельный вывод /SHDN позволяет управлять работой микросхемы с помощью внешней логики (ток управления не более 0,1 мкА).

Как и в большинстве других DC/DC-конвертеров фирмы MAXIM, в этом устройстве реализованы функции «мягкого старта », ограничения броска тока в момент запуска, схемы защиты от короткого замыкания и перегрева кристалла.

Существуют также двуполярные конденсаторные конвертеры на различные величины напряжений (MAX768, MAX864, MAX865), удвоители напряжения (MAX680, MAX681) и пр.

Преобразователи в двуполярное напряжение (Balanced)

Большинство специализированных преобразователей однополярного напряжения в двуполярное фирмы MAXIM построены на различных вариантах конденсаторных конвертеров. Однако их затруднительно использовать для питания мощных нагрузок. Поэтому в случае необходимости создания мощного двуполярного преобразователя следует обратить внимание на микросхемы MAX742 и MAX743. Первая используется с двумя внешними транзисторами и обеспечивает мощность в нагрузке до 60 Вт, а вторая имеет внутренние полевые транзисторы и допускает подключение нагрузки мощностью до 3 Вт.

DC/DC-конвертер MAX742 (рис.9) предназначен для создания источников питания мощностью от 3 до 60 Вт. Благодаря использованию двух независимых катушек индуктивности этот прибор (в отличие от варианта с трансформатором)обеспечивает раздельное регулирование напряжения в каждом плече с точностью 4%. Преобразователь работает на частоте 100 или 200 кГц с использованием ШИМ. Он преобразует входное напряжение (от 4,2 до 10 В) в выходное ±12 или ±15 В (необходимое напряжение устанавливается с помощью специального вывода). КПД при частоте переключения 100 кГц наиболее высокий - до 92%. Максимальная величина тока в нагрузке для каждого плеча составляет ±2 А.

Многофункциональные DC/DC-конвертеры

Процессы повышения степени интеграции и естественное стремление сокращать количество дискретных компонентов в конечном изделии приводит к появлению всевозможных многофункциональных микросхем, в том числе и в сфере преобразования напряжения. Фирмой MAXIM выпускается широкая гамма многофункциональных контроллеров питания для следующих сфер использования:

• цифровые фотоаппараты и видеокамеры (MAX1800-MAX1802);
• ЖК-мониторы TFT (MAX1880-MAX1885, MAX1889, MAX1998);
• CPU/GPU (MAX1816,MAX1994);
• главные контроллеры системы питания в ноутбуках (MAX1901,MAX1997,MAX1999);
• модемы xDSL/cable (MAX1864,MAX1865);
• спутниковые телефоны (MAX888,MAX1863);
• карманные компьютеры PDA (MAX781);
• питание ламп подсветки CCFT и контроллеров LCD (MAX753,MAX754).

Отличительная особенность этих устройств - применение их в конкретной области, а также наличие нескольких выходов с различными уровнями напряжений. Примером может служить микросхема MAX1800, созданная для использования в системе питания цифрового фотоаппарата или видеокамеры. Она работает при напряжении на входе от 0,7 до 5,5 В.На выходах конвертера вырабатывается целый ряд напряжений (КПД до 95%):

• +3,3 В (до 1,5 А)- главный выход, питание логики;
• +15 В и –7,5 В - питание CCD-матрицы;
• +18 В и +12 В - питание LCD-модуля;
• +7 В - питание CCFL;
• +1,8 В - питание MCU (CORE).

Кроме того, контроллер MAX1800 (рис.10) может управлять одной или несколькими вспомогательными микросхемами MAX1801 для питания миниатюрных электродвигателей.

В таблице приведен ряд характеристик некоторых DC/DC-конвертеров фирмы MAXIM.

Таблица. Основные характеристики DC/DC-преобразователей фирмы MAXIM

Наимено-вание	Функция	Миним-альное входное напря-жение, В	Макси-мальное входное напря-жение, В	Фиксиро-ванное выходное напря-жение, В	Миним-альное выходное напря-жение, В	Макси-мальное выходное напря-жение, В	Типовой выходной ток, обеспечи-ваемый микро-схемой, А	Частота перек-лючения, кГц	Корпус
MAX680	Balanced	2	6	–2xVin +2xVin	-	-	0,01	8	8/PDIP-300 8/SO-150
MAX768	Balanced	2,5	5,5	±5	±1,25	±11	0,005	240	16/QSOP
MAX889	Capacitor Regulated	2,7	5,5	–Vin	–2,5	–5.5	0,2	2000	8/SO.150
MAX1044	Capacitor Unregulated	1,5	10	–Vin +2xVin	-	-	0,02	20	8/PDIP.300 8/SO.150 8/µMAX
MAX1774	Step-Down	2,7	28	1,8 3,3	1	5.5	2	600	28/QSOP
MAX1917	Step-Down	4,5	22	-	0,4	5	25	200–550	16/QSOP
MAX765	Inverter	3	16,5	–12	–1	–16	0,12	300	8/PDIP.300 8/SO.150
MAX776	Inverter	3	16,5	–15	0	–100	1	300	8/PDIP.300 8/SO.150
MAX1724	Step-Up	0,8	5,5	2,7; 3; 3,3; 5	-	-	0,15	-	5/SOT23-Thin
MAX1709	Step-Up	0,7	5	3,3; 5	2,5	5,5	4	600	16/SO.150
MAX711	Step-Up/Down	1,8	11	-	2,7	5,5	0,25	300	16/SO.150
MAX1672	Step-Up/Down	1,8	11	3,3; 5	1,25	5,5	0,26	-	16/QSOP
MAX1800	Multifunction	0,7	5,5	-	-	-	-	1000	32/TQFP-5.5

Литература

1. MAXIM full-line CD-Catalog, 2002 Edition.
2. Эраносян С.А.Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями.Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние. 1991.
3. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Издание 2-е.М.: ДОДЭКА.2000.
4. International Rectifier. Силовые полупроводниковые приборы. Пер.с англ.под ред. В.В.Токарева. Первое издание. Воронеж. 1995.