Buck boost преобразователь схема

Новые литий-ионные аккумуляторы для портативной электроники и автомобилей

Обзор тенденций развития литиевых химических источников тока подготовлен Марджери Корнер (Margery Conner) техническим редактором из EDN.

Источник питания на микросхеме TNY376PN для Set Top Box

Чтобы спроектировать SET TOP BOX для массового потребителя нужно сделать надежное и что немаловажно – недорогое устройство. Одним из элементов SET TOP BOX, который вносит существенный вклад в технические характеристики и конкурентоспособность изделия на рынке, является его [[источник питания]].

РЕАЛИЗАЦИЯ ТОКОВОГО РЕЖИМА УПРАВЛЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КОНТРОЛЛЕРАХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

В статье описаны преимущества токового режима управления в импульсных источниках питания и способ его реализации при использовании цифровых контроллеров, не требующий сверхвысокой производительности процессора. Используемые для этого аналоговые компараторы позволяют также создать быстродействующую схему защиты. Показано, что все необходимые компоненты для конструирования таких источников питания уже выпускаются несколькими фирмами, в том числе и компанией Microchip.

30 января

По мере того как мобильные телефоны, смартфоны, цифровые камеры и медиапроигрыватели обретают новые функции, растет и потребность в вычислительных ресурсах, что влечет за собой применение процессоров с большим потреблением или даже нескольких процессоров в одном устройстве. Это увеличивает требования как к самим батареям, так и к узлам вторичного преобразования электрической энергии в устройст­ве. Какие же решения позволяют обеспечить питание портативных устройств и полнее использовать энергию батареи?

бычно в портативных устройствах используют литий-ионные батареи. Вероятно, новые типы батарей будут иметь более широкий диапазон питающих напряжений — то есть большее начальное и меньшее конечное напряжение. Значительную часть энергии потребляют также вспомогательные схемы. Это дополнительно повышает требования к преобразователям напряжения.
Для повышения КПД преобразования энергии линейные стабилизаторы все чаще приходится заменять импульсными. Расширение диапазона рабочих напряжений батареи также требует применения импульсных преобразователей различной топологии. Обычно требования высокого КПД предъявляются к понижающим преобразователям, однако последнее время все чаще применяются преобразователи, способные как понижать, так и повышать напряжение питания (buck-boost-преобразователи).
Традиционные buck-boost-пре­об­ра­зо­ватели строятся по топологиям SEPIC, Flyback (обратноходовые) и ZETA. Так же, как и в обычных понижающих или повышающих преобразователях, в этих топологиях предусмотрен один активный и один пассивный ключ. Возможность как понижать, так и повышать напряжение достигается применением дополнительной индуктивности в преобразователях типа SEPIC и ZETA, или применением трансформатора в топологии Flyback (см. рис. 1).

Рис. 1. Основные топологии buck-boost-преоб­ра­зо­ва­телей

В ряде случаев в качестве buck-boost-преобразователя может выступать инвертирующий преобразователь. В таких случаях может применяться как простейшая топология, так и более сложная, известная как Cuk (см. рис. 2).

Рис. 2. Топология типа Cuk и простейший инвертор

Кроме того, возможно последовательное соединение повышающего и понижающего преобразователя, когда используется дополнительная промежуточная шина питания. И наконец, повышать и понижать напряжение питания могут полномостовые (H-bridge) преобразователи с двумя синхронно управляемыми активными ключами (см. рис. 3).

Рис. 3. Топология мостового buck-boost-преоб­ра­зо­вателя

Применение дополнительных пассивных компонентов повышает цену устройства и значительно увеличивает его размеры, что нежелательно или даже недопустимо для портативных устройств.
Перечисленные топологии преоб­ра­зователей имеют одну общую чер­ту: импульсный ток значительно уве­ли­чивается в режиме buck-boost-преобразования. Увеличение действующего среднеквадратичного тока как в ключе, так и в пассивных компонентах приводит к росту потерь, что, в конечном счете, снижает эффективность преобразователя. Для сохранения эффективности на приемлемом уровне приходиться увеличивать размеры ключа и пассивных компонентов.
Анализируя кривые эффективнос­ти стандартных понижающих и повышающих преобразователей, мы можем видеть, что наибольшие значения КПД достигаются, когда входное и выходное напряжения близки или равны.

Рис. 4. Кривые КПД buck-boost-преобразователя

В качестве примера на рисунке 4 приведены типичные кривые КПД повышающего и понижающего преобразователей. При этих условиях минимальны также пульсации тока в индуктивности и ключах.
Можно сделать вывод, что наилучшей для buck-boost-преобразователя была бы двухступенчатая топология. Возвращаясь к описанным выше топологиям, мы видим, что такой преобразователь может быть построен с использованием только одной индуктивности и набора ключей для повышающей и понижающей ступени. При этом для повышения КПД и снижения нагрузки на пассивные компоненты необходимо в каждом из режимов использовать только свою ступень; вторая должна быть отключена. Это достигается использованием 100%-ной скважности для понижающей ступени в то время, когда используется повышающая, и нулевой скважности повышающей ступени, когда активна понижающая.
Таким образом, небольшим усложнением схемы управления можно добиться работы преобразователя с максимальным КПД. Кривая эффективности для такого преобразователя представляет собой совокупность ранее приведенных кривых. Максимум КПД будет располагаться в точке, где входное и выходное напряжения равны или близки друг к другу, поэтому следует стремиться к тому, чтобы преобразователь большую часть времени работал именно вблизи такого режима. Кроме того, подобная схема управления минимизирует пульсации тока в индуктивности. Это позволяет уменьшить номинальную индуктивность и максимальный допус­тимый ток через нее и, как следствие, геометрический размер примененной индуктивности.

Рис. 5. Buck-boost-преобразователь на основе TPIC63000

Пример воплощения описанной выше концепции представляет собой микросхема TPS63000. На рисунке 5 приведена полная схема buck-boost-преобразователя, построенного на основе этой микросхемы. Такая микросхема способна отдавать ток до 800 мА в повышающем режиме или до 1200 мА — в понижающем. При этом она требует применения всего трех внешних компонентов: двух конденсаторов размером 0603 и одной индуктивности размером 3 × 3 мм. Корпус самой микросхемы (QFN) также имеет размер 3 × 3 мм, что в целом позволяет конструировать исключительно малогабаритные преобразователи.

Рис. 6. Кривая КПД преобразователя на микросхеме TPS6300X

На рисунке 6 показана кривая эффективности данного преобразователя при выходном напряжении 3,3 В. Как сказано выше, максимальный КПД достигается при входном напряжении, близком к выходному.
На рисунках 7 и 8 приведено сравнение применения buck-boost-преоб­разователя и обычного понижающего преобразователя совместно с литиевым аккумулятором.

Рис. 7. Разрядная кривая литиевого аккумулятора и выходное напряжение понижающего и buck-boost-преобразователя

На рисунке 7 показано выходное напряжение обеих схем, а на рисунке 8 дано сравнение КПД преобразователей в течение разрядного цикла батареи. Для сравнения с buck-boost-преобразователем в данном примере был использован высокоэффективный понижающий преобразователь TPS62046. Обе микросхемы обеспечивали ток 600 мА при напряжении 3,3 В. Тест был остановлен, когда батарея разрядилась до напряжения 2,5 В в случае buck-boost-преобразователя, или когда выходное напряжение упало ниже 3,3 В в случае понижающего преобразователя.

Рис. 8. Изменение КПД понижающего и buck-boost-преобразователя в процессе разряда литиевого аккумулятора

Как видно из графиков, хотя buck-boost-преобразователь имеет меньший КПД, чем понижающий преобразователь, он позволяет дольше питать нагрузку от батареи и разряжать батарею до более низкого напряжения.

Статья переведена инженером по применению Ильей Голубевым.

Автор: Юрген Нойхойзлер (Jürgen Neuhäusler), системный инженер по DC/DC-преобразователям, Texas Instruments

Новые литий-ионные аккумуляторы для портативной электроники и автомобилей

Обзор тенденций развития литиевых химических источников тока подготовлен Марджери Корнер (Margery Conner) техническим редактором из EDN.

Источник питания на микросхеме TNY376PN для Set Top Box

Чтобы спроектировать SET TOP BOX для массового потребителя нужно сделать надежное и что немаловажно – недорогое устройство. Одним из элементов SET TOP BOX, который вносит существенный вклад в технические характеристики и конкурентоспособность изделия на рынке, является его [[источник питания]].

РЕАЛИЗАЦИЯ ТОКОВОГО РЕЖИМА УПРАВЛЕНИЯ В ЦИФРОВЫХ КОНТРОЛЛЕРАХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

В статье описаны преимущества токового режима управления в импульсных источниках питания и способ его реализации при использовании цифровых контроллеров, не требующий сверхвысокой производительности процессора. Используемые для этого аналоговые компараторы позволяют также создать быстродействующую схему защиты. Показано, что все необходимые компоненты для конструирования таких источников питания уже выпускаются несколькими фирмами, в том числе и компанией Microchip.

30 января

По мере того как мобильные телефоны, смартфоны, цифровые камеры и медиапроигрыватели обретают новые функции, растет и потребность в вычислительных ресурсах, что влечет за собой применение процессоров с большим потреблением или даже нескольких процессоров в одном устройстве. Это увеличивает требования как к самим батареям, так и к узлам вторичного преобразования электрической энергии в устройст­ве. Какие же решения позволяют обеспечить питание портативных устройств и полнее использовать энергию батареи?

бычно в портативных устройствах используют литий-ионные батареи. Вероятно, новые типы батарей будут иметь более широкий диапазон питающих напряжений — то есть большее начальное и меньшее конечное напряжение. Значительную часть энергии потребляют также вспомогательные схемы. Это дополнительно повышает требования к преобразователям напряжения.
Для повышения КПД преобразования энергии линейные стабилизаторы все чаще приходится заменять импульсными. Расширение диапазона рабочих напряжений батареи также требует применения импульсных преобразователей различной топологии. Обычно требования высокого КПД предъявляются к понижающим преобразователям, однако последнее время все чаще применяются преобразователи, способные как понижать, так и повышать напряжение питания (buck-boost-преобразователи).
Традиционные buck-boost-пре­об­ра­зо­ватели строятся по топологиям SEPIC, Flyback (обратноходовые) и ZETA. Так же, как и в обычных понижающих или повышающих преобразователях, в этих топологиях предусмотрен один активный и один пассивный ключ. Возможность как понижать, так и повышать напряжение достигается применением дополнительной индуктивности в преобразователях типа SEPIC и ZETA, или применением трансформатора в топологии Flyback (см. рис. 1).

Рис. 1. Основные топологии buck-boost-преоб­ра­зо­ва­телей

В ряде случаев в качестве buck-boost-преобразователя может выступать инвертирующий преобразователь. В таких случаях может применяться как простейшая топология, так и более сложная, известная как Cuk (см. рис. 2).

Рис. 2. Топология типа Cuk и простейший инвертор

Кроме того, возможно последовательное соединение повышающего и понижающего преобразователя, когда используется дополнительная промежуточная шина питания. И наконец, повышать и понижать напряжение питания могут полномостовые (H-bridge) преобразователи с двумя синхронно управляемыми активными ключами (см. рис. 3).

Рис. 3. Топология мостового buck-boost-преоб­ра­зо­вателя

Применение дополнительных пассивных компонентов повышает цену устройства и значительно увеличивает его размеры, что нежелательно или даже недопустимо для портативных устройств.
Перечисленные топологии преоб­ра­зователей имеют одну общую чер­ту: импульсный ток значительно уве­ли­чивается в режиме buck-boost-преобразования. Увеличение действующего среднеквадратичного тока как в ключе, так и в пассивных компонентах приводит к росту потерь, что, в конечном счете, снижает эффективность преобразователя. Для сохранения эффективности на приемлемом уровне приходиться увеличивать размеры ключа и пассивных компонентов.
Анализируя кривые эффективнос­ти стандартных понижающих и повышающих преобразователей, мы можем видеть, что наибольшие значения КПД достигаются, когда входное и выходное напряжения близки или равны.

Рис. 4. Кривые КПД buck-boost-преобразователя

В качестве примера на рисунке 4 приведены типичные кривые КПД повышающего и понижающего преобразователей. При этих условиях минимальны также пульсации тока в индуктивности и ключах.
Можно сделать вывод, что наилучшей для buck-boost-преобразователя была бы двухступенчатая топология. Возвращаясь к описанным выше топологиям, мы видим, что такой преобразователь может быть построен с использованием только одной индуктивности и набора ключей для повышающей и понижающей ступени. При этом для повышения КПД и снижения нагрузки на пассивные компоненты необходимо в каждом из режимов использовать только свою ступень; вторая должна быть отключена. Это достигается использованием 100%-ной скважности для понижающей ступени в то время, когда используется повышающая, и нулевой скважности повышающей ступени, когда активна понижающая.
Таким образом, небольшим усложнением схемы управления можно добиться работы преобразователя с максимальным КПД. Кривая эффективности для такого преобразователя представляет собой совокупность ранее приведенных кривых. Максимум КПД будет располагаться в точке, где входное и выходное напряжения равны или близки друг к другу, поэтому следует стремиться к тому, чтобы преобразователь большую часть времени работал именно вблизи такого режима. Кроме того, подобная схема управления минимизирует пульсации тока в индуктивности. Это позволяет уменьшить номинальную индуктивность и максимальный допус­тимый ток через нее и, как следствие, геометрический размер примененной индуктивности.

Рис. 5. Buck-boost-преобразователь на основе TPIC63000

Пример воплощения описанной выше концепции представляет собой микросхема TPS63000. На рисунке 5 приведена полная схема buck-boost-преобразователя, построенного на основе этой микросхемы. Такая микросхема способна отдавать ток до 800 мА в повышающем режиме или до 1200 мА — в понижающем. При этом она требует применения всего трех внешних компонентов: двух конденсаторов размером 0603 и одной индуктивности размером 3 × 3 мм. Корпус самой микросхемы (QFN) также имеет размер 3 × 3 мм, что в целом позволяет конструировать исключительно малогабаритные преобразователи.

Рис. 6. Кривая КПД преобразователя на микросхеме TPS6300X

На рисунке 6 показана кривая эффективности данного преобразователя при выходном напряжении 3,3 В. Как сказано выше, максимальный КПД достигается при входном напряжении, близком к выходному.
На рисунках 7 и 8 приведено сравнение применения buck-boost-преоб­разователя и обычного понижающего преобразователя совместно с литиевым аккумулятором.

Рис. 7. Разрядная кривая литиевого аккумулятора и выходное напряжение понижающего и buck-boost-преобразователя

На рисунке 7 показано выходное напряжение обеих схем, а на рисунке 8 дано сравнение КПД преобразователей в течение разрядного цикла батареи. Для сравнения с buck-boost-преобразователем в данном примере был использован высокоэффективный понижающий преобразователь TPS62046. Обе микросхемы обеспечивали ток 600 мА при напряжении 3,3 В. Тест был остановлен, когда батарея разрядилась до напряжения 2,5 В в случае buck-boost-преобразователя, или когда выходное напряжение упало ниже 3,3 В в случае понижающего преобразователя.

Рис. 8. Изменение КПД понижающего и buck-boost-преобразователя в процессе разряда литиевого аккумулятора

Как видно из графиков, хотя buck-boost-преобразователь имеет меньший КПД, чем понижающий преобразователь, он позволяет дольше питать нагрузку от батареи и разряжать батарею до более низкого напряжения.

Статья переведена инженером по применению Ильей Голубевым.

Автор: Юрген Нойхойзлер (Jürgen Neuhäusler), системный инженер по DC/DC-преобразователям, Texas Instruments

• 
• 
• 
• 

Рубрикатор

События

Наши новости

Новости

Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

Пичугин Сергей

Фирма Texas Instruments обладает признанным авторитетом в области разработки и производства микросхем источников питания, как линейных, так и импульсных. В статье сделан краткий обзор современных микросхем для построения повышающее-понижающих стабилизаторов, которые Texas Instruments предлагает вниманию разработчиков.

Источники питания на повышающепонижающих (buck–boost) преобразователях напряжения незаменимы в тех случаях, когда напряжение на входе источника может во время работы быть как ниже, так и выше выходного напряжения. То есть если входное напряжение выше выходного, то преобразователь должен понижать напряжение, и наоборот: если входное напряжение ниже выходного, то преобразователь должен работать как повышающий. Особенно востребованы такие преобразователи в массовых современных мобильных устройствах с батарейным питанием, где напряжение батареи в конце работы может отличаться от напряжения «свежей» батареи на единицы вольт. Продлевая жизнь химических источников тока, высокоэффективные источники питания батарейных устройств помогают не только экономить деньги потребителя, но и уменьшить загрязнение окружающей среды, сокращая количество выброшенных на свалку отслуживших батарей и аккумуляторов.

Существуют различные способы построения повышающе–понижающих преобразователей. Очевидный способ — это последовательное включение повышающего и понижающего преобразователей. При этом выходное напряжение первого преобразователя должно лежать за пределами изменения напряжения на входе, а требуемое выходное напряжение будет формироваться на выходе второго преобразователя. Очевидные недостатки такой схемы — сложность, большое количество деталей (в том числе два контроллера), высокая стоимость и пониженный КПД. Кроме того, при последовательном соединении импульсных стабилизаторов необходимо принимать меры по недопущению сквозных токов через два включенных ключевых элемента, то есть необходимо определенным образом синхронизировать работу двух стабилизаторов [1].

Другая разновидность повышающе–понижающих преобразователей — это преобразователи с топологией SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter). Упрощенная схема такого устройства показана на рис. 1. Эти преобразователи распространены достаточно широко, в последнее время появляется большое количество литературы по их расчету и применению. Для такой схемы необходим только один контроллер. Как видно из рисунка, в топологии SEPIC используются две индуктивности, что ведет к увеличению габаритов и стоимости устройства. Эти индуктивности могут быть намного больше и дороже, чем используемые в схеме полупроводниковые компоненты.

Для использования в преобразователях с топологией SEPIC можно применять большинство микросхем компании Texas Instruments, предназначенных для работы в повышающих (boost) преобразователях. При этом необходимо помнить, что некоторые из этих микросхем для SEPIC использовать нельзя из–за различных особенностей, оптимизирующих работу в повышающей топологии. Так, например, в SEPIC не будет работать преобразователь TPS61120 из–за специального алгоритма запуска. При включении этой микросхемы на ее выходе открывается ключ, который должен заряжать выходной конденсатор до входного напряжения. В топологии SEPIC нет прямого пути прохождения постоянного тока с входа на выход, соответственно, выходной конденсатор таким способом никогда не зарядится [2]. Об этом фирма предупреждает в специальном указании, которое можно найти на ее сайте. Надежнее всего ориентироваться на микросхемы, для которых в справочных данных явно указана возможность работы в топологии SEPIC, например преобразователи серии TPS61130–TPS61133.

С целью максимально возможной миниатюризации источников питания мобильных устройств очень удобно использовать повышающе–понижающие преобразователи с одной индуктивностью. Для понимания принципа работы таких устройств рассмотрим по отдельности работу повышающего и понижающего преобразователей.

На рис. 2 показана упрощенная схема повышающего преобразователя. Когда ключ Sw замкнут, через индуктивность L1 течет ток от источника питания Vin, в ней запасается энергия. Диод D1 отключает выход схемы от Sw, и выходное напряжение поддерживается за счет заряда, накопленного в выходном конденсаторе Cout. Когда ключ Sw размыкается, ток через L1 продолжает течь, так как в силу фундаментальных свойств индуктивности он не может измениться мгновенно. Но теперь этот ток течет через открывшийся диод D1 и заряжает конденсатор Cout. Для уменьшения потерь из–за падения напряжения на диоде D1 вместо последнего можно использовать мощный полевой транзистор (ПТ), открывая и закрывая его в противофазе с ключом Sw.

В понижающем (buck) преобразователе, упрощенная схема которого показана на рис. 3, также есть два ключевых элемента, транзистор и диод, причем диод тоже можно заменить полевым транзистором (так называемое синхронное выпрямление). Когда ключ Sw замкнут, ток через него и индуктивность L1 течет в нагрузку, подключенную к точке Vout, а также заряжает выходной конденсатор Cout. Когда Sw размыкается, ток через L1, аналогично, не может измениться мгновенно, и, следовательно, он продолжает течь через нагрузку и диод D1.

На рис. 4 показана упрощенная схема преобразователя, объединяющего обе эти топологии [3]. Она содержит Н–образный мостовой каскад, включающий в себя повышающую и понижающую части, которые подключаются к одной и той же индуктивности.

Устройство автоматически переключается от понижающей топологии к повышающей и обратно в зависимости от входного напряжения. В нем всегда используется один активный ключ, один выпрямляющий ключ, один ключ постоянно открыт и один ключ постоянно заперт. Таким образом, когда входное напряжение выше, чем выходное, устройство работает как понижающий преобразователь, а когда входное напряжение становится ниже входного, то оно превращается в повышающий преобразователь. Ни в одном из режимов не могут быть одновременно открыты все четыре ключа [4].

Фирма Texas Instruments выпускает два семейства повышающе–понижающих преобразователей для работы от литиевых, NiCd и NiMH химических источников тока TPS63000–TPS63002 [4] и новейшие TPS63010–TPS63012 [5], а также микросхему для работы в источниках питания автомобильной электроники — TPIC74100–Q1. Наиболее важные справочные данные этих микросхем приведены в таблице 1.

Тип	Vin min, В	Vin max, В	Vout min, В	Vout max, В	Vout fixed, В	Iout max, А	Fsw max, кГц	Iq typ, мА	Корпус
TPS63012	2,0	5,5	2,9*	3,4*	1,2	2400	0,04	20DSBGA
TPS63011	2,0	5,5	2,8*	3,3*	1,2	2400	0,04	20DSBGA
TPS63010	2,0	5,5	1,2	5,5	1,2	2400	0,04	20DSBGA
TPS63002	1,8	5,5	5	5	5	1,2	1500	0,03	10SON
TPS63001	1,8	5,5	3,3	3,3	3,3	1,2	1500	0,03	10SON
TPS63000	1,8	5,5	1,2	5,5	1,2	1500	0,04	10SON
TPIC74100–Q1	1,5	40	5	5	5	1	440	0,1	20HTSSOP

В микросхемах TPS63000–TPS63002 и TPS63010–TPS63012 схема управления ключами позволяет преобразователю работать с максимальной эффективностью в наиболее важной рабочей точке, когда входное напряжение приближается к выходному. У многих аналогичных схем повышающе–понижающих преобразователей в этих условиях можно наблюдать падение эффективности и/или колебания выходного напряжения. У этих же микросхем переход между понижающим и повышающим режимами происходит плавно, импульс в импульс. Это обеспечивает непрерывную работу ШИМ во всем диапазоне входных напряжений без перекрытий или «мертвого» времени между двумя режимами.

Основные особенности этих микросхем:

• КПД до 96%;
• выходной ток 1200 мА в понижающем режиме при 3,3 В на выходе (Vin от 3,6 до 5,5 В);
• выходной ток 800 мА в повышающем режиме при 3,3 В на выходе (Vin > 2,4 В);
• автоматический переход из повышающего режима в понижающий и обратно;
• собственный ток потребления — меньше 50 мкА;
• наличие версий с постоянными выходным напряжением и регулируемым от 1,2 до 5,5 В;
• режим энергосбережения при работе на небольшую нагрузку;
• возможность принудительной работы при постоянной частоте и внешней синхронизации.

Основные отличия между семейством TPS63000–TPS63002 и более современными микросхемами TPS63010–TPS63012 состоят в следующем:

• У новых микросхем значительно увеличена максимальная частота переключений (2400 против 1500 кГц), что позволяет использовать пассивные элементы (индуктивности и конденсаторы) с меньшими размерами и стоимостью.
• Новые микросхемы выпускаются в корпусах DFBGA (die–size ball gr >Типовая схема включения микросхем серии TPS63000–TPS63002 с фиксированным выходным напряжением показана на рис. 5 [4]. Видно, что для создания высококачественного малогабаритного (площадью в несколько квадратных миллиметров) повышающе–понижающего преобразователя понадобилась одна микросхема и три внешних компонента. Схема включения для семейства TPS63010–TPS63012 выглядит аналогично, но габариты полученного источника питания будут еще меньше.

Широкий диапазон входных напряжений, от 1,8 до 5,5 В, позволяет работать с наиболее распространенными химическими источниками тока: литий–ионными и литий–полимерными аккумуляторами, одиночными литиевыми элементами и наборами из двух или трех щелочных, никель–кадмиевых или никель–металлгидридных элементов. Кроме того, такие преобразователи удобно подключать к стандартным напряжениям питания: +3,3 и +5 В.

Топология с управлением по среднему току обеспечивает быстрые переходные процессы и малые пульсации как в понижающем, так и в повышающем режимах. Погрешность регулирования выходного напряжения составляет ±1% во всем диапазоне нагрузок и входных напряжений.

Для защиты от короткого замыкания используется прогрессирующее ограничение тока (foldback current limiting), которое уменьшает выходной ток от максимального значения 1,7 А до 800 мА, когда выходное напряжение падает на 3%. Благодаря этому снижается мощность, потребляемая устройством при перегрузке по выходу. При снятии перегрузки устройство возвращается к нормальной работе. Преимущество такого подхода — возможность заряжать выходные конденсаторы очень большой емкости.

Режим энергосбережения (power–save mode) позволяет сохранять высокий КПД даже при выходном токе ниже 300 мА. В этом режиме преобразователь переключается, пока выходное напряжение не превысит заданное значение на некоторую небольшую величину. После этого переключения прекращаются, пока выходное напряжение не снизится на заданную величину.

И, наконец, последний тип малогабаритных повышающе–понижающих преобразователей, который мы рассмотрим, — это емкостные повышающе–понижающие преобразователи с накачкой заряда (Charge Pump). Такие преобразователи обеспечивают меньшие токи и меньший КПД, чем уже рассмотренные преобразователи с индуктивностями. Но, с другой стороны, они, в общем случае, занимают меньшую площадь и стоят дешевле.

В продукции фирмы Texas Instruments этот тип преобразователей представлен микросхемами семейства REG710 [6] и REG711 [7]. Упрощенная блок–схема этих устройств вместе со схемой включения показана на рис. 6. Здесь мы также видим всего три внешних компонента, но теперь это только конденсаторы, причем небольшого размера.

Рассмотрим работу таких преобразователей. Когда входное напряжение больше, чем требуемое выходное, устройство работает как импульсный стабилизатор с частотным регулированием (рис. 7). Транзисторы Q1 и Q3 выключены, Q4 включен, а Q2 переключается с требуемой частотой.

Когда входное напряжение меньше требуемого выходного напряжения, устройство работает в повышающем режиме, как показано на рис. 8.

Импульсы частоты преобразования вырабатываются с коэффициентом заполнения (duty cycle) 50%. Во время первой половины цикла ключи на ПТ подключаются так, как показано на рис. 8а, и конденсатор Cpump заряжается от Vin. Во второй половине цикла ПТ подключены так, как показано на рис. 8б, и напряжение на Cpump добавляется к Vin. Выходное напряжение управляется путем пропускания рабочих циклов при необходимости.

Основные параметры микросхем REG710 приведены в таблице 2.

Тип	Vin min, В	Vin max, В	Vout min, В	Vout max, В	Vout fixed, В	Iout max, А	Fsw max, кГц	КПД тип., %	Корпус
REG710–25	1,8	5,5	2,5	2,5	2,5	0,1	1000	90	6SOT–23
REG710–27	1,8	5,5	2,7	2,7	2,7	0,03	1000	90	6SOT–23
REG710–3	1,8	5,5	3	3	3	0,03	1000	90	6SOT–23
REG710–33	1,8	5,5	3,3	3,3	3,3	0,03	1000	90	6SOT–23
REG710–5	2,7	5,5	5	5	5	0,03	1000	90	6SOT–23
REG71050	2,7	5,5	5	5	5	0,06	1000	90	6SON,6SOT
REG71055	3	5,5	5,5	5,5	5,5	0,06	1000	90	6SOT
REG711–2.5	1,8	5,5	2,5	2,5	2,5	0,05	1000	90	8MSOP
REG711–2.7	1,8	5,5	2,7	2,7	2,7	0,05	1000	90	8MSOP
REG711–3.0	1,8	5,5	3.0	3.0	3.0	0,05	1000	90	8MSOP
REG711–4.3	1,8	5,5	3.3	3.3	3.3	0,05	1000	90	8MSOP

В таблицу 2 не вошла микросхема REG711–5.0, которая может работать только в повышающем режиме.

Особенности микросхем REG710 и REG711:

• широкий диапазон входных напряжений: от 1,8 до 5,5 В;
• автоматический переход от повышения напряжения к понижению и обратно;
• небольшие пульсации входного тока;
• небольшие пульсации выходного напряжения;
• минимальное количество внешних компонентов, не требуются индуктивности;
• высокая частота встроенного генератора (1 МГц) позволяет использовать конденсаторы небольшого размера;
• возможность дистанционного выключения (shutdown);
• защита от превышения максимального тока и максимальной температуры;
• большой выбор выходных напряжений: 2,5; 2,7; 3,0; 3,3; 5,0 и 5,5 В;
• малогабаритные корпуса.

Для увеличения выходного тока микросхемы семейства REG710 можно подключать к нагрузке параллельно.

Литература

1. Николайчук О. Повышающе–понижающий импульсный стабилизатор напряжения // Схемотехника. 2001. № 10.
2. Дополнительный выход отрицательного напряжения с SEPIC. Тема на интернет–форуме http://electronix.ru/
3. Johns B. Fully integrated TPS6300x buck–boost converter extends Li–ion battery life. Материал с сайта фирмы Texas Instruments: www.ti.com
4. TPS63000, TPS63001, TPS63002. High Efficient Single Inductor Buck–Boost Converter with 1.8–A Switches. Материал с сайта фирмы Texas Instruments: www.ti.com
5. TPS63010, TPS63011, TPS63012. High Efficient Single Inductor Buck–Boost Converter with 2–A Switches. Материал с сайта фирмы Texas Instruments: www.ti.com
6. REG710. 60mA, 5.0V, Buck/Boost Charge Pump in ThinSOT–23 and ThinQFN. Материал с сайта фирмы Texas Instruments: www.ti.com
7. REG711. 50mA Switched–Cap DC/DC Converter. Материал с сайта фирмы Texas Instruments: www.ti.com

Другие статьи по данной теме:

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.