SWIFT™ – управляем питанием по-новому
Выбор данного семейства преобразователей в качестве темы обсуждения обусловлен тем, что они подходят для широкого круга применений - от устройств с батарейным питанием до систем промышленной автоматики и телекоммуникационных устройств. Еще одной причиной выбора достаточно узкой тематики является то, что охватить все DC/DC-преобразователи в рамках одной статьи практически невозможно, на данный момент их у TI более 600! Мы попытаемся осветить общие критерии выбора того или иного преобразователя, некоторые проблемы, которые встают перед разработчиком при проектировании DC/DC-источника питания, показать интересные варианты их применения и технические особенности, которые отличают решения TI от решений других производителей.
Эволюция современных DC/DC-преобразователей идет по пути уменьшения габаритов конечного источника питания и повышения его эффективности. Требования по габаритам приводят к тому, что на рынке появляется все больше и больше преобразователей с высокой частотой преобразования (свыше 1 МГц) и MOSFET-ключом, расположенным на одном кристалле с контроллером. В первую очередь повышение частоты позволяет уменьшить габариты дросселя, однако при этом приходится ответственно подойти к выбору этого дросселя.
На практике на частотах преобразования свыше 300 кГц уже встает необходимость применения дросселей с особыми техническими характеристиками для обеспечения работы на высоких частотах. Компания Sumida, например, в своей линейке дросселей CDEP использует плоский провод с прямоугольным сечением для уменьшения скин-эффекта на высоких частотах. Отличным выбором высокочастотного дросселя является серия IHLP от компании Vishay, благодаря применению в них специальных неферритовых материалов удалось расширить диапазон рабочих частот до 5 МГц!
Тема высокочастотных дросселей затронута не случайно - это, пожалуй, самый частый вопрос, задаваемый нам разработчиками, которые решили применить продвинутый DC/DC-контроллер в своем изделии. Для выбора дросселя можно зайти на наш сайт и воспользоваться параметрическим поиском в разделе «Индуктивности» http://catalog.compel.ru/inductor/list. Дроссели от Sumida и Vishay на данный момент доступны на нашем складе в Москве.
Для обеспечения высокой эффективности источника питания Texas Instruments применяет ряд технических решений. Во-первых, это использование встроенного MOSFET-транзистора с низким значением сопротивления «сток-исток» в открытом состоянии Rds(on) и малым значением суммарного заряда затвора (Qg). Во-вторых, для приложений, где требуется высокий ток нагрузки и малое значение выходного напряжения, TI предлагает преобразователи с синхронным выпрямлением. В-третьих, для сохранения высокой эффективности на малых токах нагрузки в ряде преобразователей предусмотрен режим Eco-modeTM - при сохранении постоянной тактовой частоты в режиме малой нагрузки преобразователь «пропускает» часть управляющих импульсов (pulse skipping). Еще одной важной составляющей эффективности DC/DC-источника питания, которой уделяют внимание многие производители, в том числе и TI, является собственное потребление микросхемы преобразователя.
Графическое сравнение эффективности преобразователей с синхронным и несинхронным выпрямлением представлено на рисунках 1 и 2. В качестве примера приведены: TPS54331 (несинхронное выпрямление) и TPS54325 (синхронное выпрямление). Разница в эффективности на малых токах нагрузки связана, прежде всего, с большим влиянием потерь на переключение в синхронном преобразователе, а также с тем, что на малых нагрузках TPS54331 переходит в режим Eco-modeTM (рисунок 1).
Рис. 1. Сравнение эффективности TPS54331 и TPS54325 при Uвых = 2,5 В
На больших токах преобразователь с синхронным выпрямлением имеет более высокий КПД при малых значениях выходного напряжения (рисунок 2) в силу того, что у несинхронного прямое падение напряжения на диоде становится сравнимо со значением выходного напряжения.
Рис. 2. Сравнение эффективности TPS54331 и TPS54325 при Uвых = 1,5 В
Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод, что при выборе типа преобразователя следует сначала оценить характер нагрузки. Характеристики эффективности в зависимости от тока нагрузки, входного и выходного напряжений приведены в документации на любой преобразователь TI.
Семейство преобразователей SWIFTTM представлено в таблице 1.
Таблица 1. Семейство преобразователей SWIFTTM| Наименование | Uвх., В | Uвых., В | Iвых., А | Iсобств., мА | Синхр. выпр. | Fраб., кГц | Eco-mode™ | Корпус |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TPS5401/54040 | 3,5...42 | 0,8...39 | 0,5 | 0,116 | – | 100...2500 | + | 10MSOP PowerPAD |
| TPS54140/240 | 3,5...42 | 0,8...39 | 1,5/2,5 | 0,116/0,138 | – | 300...2500 | + | 10MSOP PowerPAD |
| TPS54060 | 3,5...60 | 0,8...57 | 0,5 | 0,116 | – | 100...2500 | + | 10MSOP PowerPAD, 10SON |
| TPS54160/260 | 3,5...60 | 0,8...57 | 1,5/2,5 | 0,116/0,138 | – | 300...2500 | + | 10MSOP PowerPAD, 10SON |
| TPS5410/20/30/50 | 5,5...36 | 1,23...31 | 1/2/3/5 | 3 | – | 500 | – | 8SOIC/8SO PowerPAD |
| TPS54225/325/425 | 4,5...18 | 0,76...5,5 | 2/3/4 | 0,8/0,85/0,85 | + | 700 | – | 14HTSSOP |
| TPS54226/326/426 | 4,5...18 | 0,76...5,5 | 2/3/4 | 0,8/0,85/0,85 | + | 700 | + | 14HTSSOP, 14QFN |
| TPS54320 | 4,5...17 | 0,8...15 | 3 | 0,6 | + | 200...1200 | – | 14QFN |
| TPS54620 | 4,5...17 | 0,8...15 | 6 | 0,6 | + | 200...1600 | – | 14QFN |
| TPS54327 | 4,5...18 | 0,76...7 | 3 | 0,85 | + | 700 | – | 8SO PowerPAD |
| TPS54328 | 4,5...18 | 0,76...7 | 3 | 0,85 | + | 700 | + | 8SO PowerPAD |
| TPS54350/550 | 4,5...20 | 0,9...12 | 3/6 | 5/9 | + | 250...700 | – | 16HTSSOP |
| TPS54521 | 4,5...17 | 0,8...15 | 5 | 0,6 | + | 200...900 | – | 14QFN |
| TPS54233 | 3,5...28 | 0,8...25 | 2 | 0,11 | – | 300 | + | 8SOIC |
| TPS54231/331 | 3,5...28 | 0,8...25 | 2/3 | 0,11 | – | 570 | + | 8SOIC |
| TPS54232/332 | 3,5...28 | 0,8...25 | 2/3,5 | 0,11 | – | 1000 | + | 8SOIC/8HSOIC PowerPAD |
| TPS56121/221 | 4,5 -14 | 0,6...12 | 15/25 | 2,5 | + | 300...1000 | – | 22SON |
| TPS54283/286 | 4,5...28 | 0,8...25,2 | 2 + 2* | 1,8 | – | 300/600 | – | 14HTSSOP |
| TPS54383/386 | 4,5...28 | 0,8...25,2 | 3 + 3* | 1,8 | – | 300/600 | – | 14HTSSOP |
| TPS55383/386 | 4,5...28 | 0,8...25,5 | 3 + 3* | 1,8 | – | 300/600 | – | 16HTSSOP |
| TPS5429x | 4,5...28 | 0,8...25,5 | 2,5 + 1,5* | 1,65 | – | 300, 600, 1200 | – | 16HTSSOP |
| TPS54110/310 | 3...6 | 0,9...4,5 | 1,5/3 | 4,2/6,2 | + | 280...700 | – | 20HTSSOP |
| TPS54610 | 3...6 | 0,9...4,5 | 6 | 11 | + | 280...700 | – | 28HTSSOP |
| TPS54218/318 /418/618 | 2,95...6 | 0,8...4,5 | 2/3/4/6 | 0,35 | + | 200...2000 | – | 16QFN |
| TPS54317/337 | 3...6 | 0,9...3,3 | 3 | 6,2 | + | 280...1600 | – | 24VQFN |
| TPS54010 | 2,2...4 | 0,9...2,5 | 14 | 13 | + | 280...700 | – | 28HTSSOP |
| TPS54610 | 3...6 | 0,9...4,5 | 6 | 11 | + | 280...700 | – | 28HTSSOP |
| TPS54810 | 4...6 | 0,9...3,3 | 8 | 11 | + | 280...700 | – | 28HTSSOP |
| TPS54910 | 3...4 | 0,9...2,5 | 9 | 11 | + | 280...700 | – | 28HTSSOP |
| TPS54319 | 2,95...6 | 0,82...4,5 | 3 | 0,36 | + | 300...2000 | – | 16QFN |
| TPS54617/917 | 3...6/4 | 0,9...3,3/2,5 | 6/9 | 11 | + | 280...1600 | – | 34VQFN |
| TPS84620 | 4,5...14,5 | 1,2...5,5 | 6 | + | 480...780 | – | BQFN | |
| * – два выходных канала. | ||||||||
Остановимся на описании наиболее интересных новинок. TPS5401 и TPS54060/160/260 в первую очередь выделяются очень широким диапазоном входного напряжения от 3,5 до 60 В и выходным током до 2,5 А у TPS54260. Частоту преобразования можно установить в диапазоне от 100 кГц до 2,5 МГц с помощью внешнего резистора. Не секрет, что многие производители (ST, ONS и другие) расширяют свои линейки DC/DC-преобразоваталей за счет выпуска микросхем со все более широким входным диапазоном напряжения и высоким выходным током, но TPS54260 на данный момент является безусловным лидером по соотношению этих параметров.
Эти выдающиеся характеристики использованы в полной мере в схеме на рисунке 3. Данная схема позволяет увелить ток нагрузки емкостного преобразователя напряжения, который очень часто используется в счетчиках электроэнергии, при этом такое решение привлекательно низкой себестоимостью. Повышение допустимого тока нагрузки особенно актуально в современных счетчиках, в которых применяются продвинутые интерфейсы (например, радиоканал).
Рис. 3. Схема для увеличения выходного тока преобразователя на гасящем конденсаторе
Коротко поясним суть этой схемы. Полная мощность в вольт-амперах P(ВА) = URMS x IRMS. Для выполнения требований по ограничению собственного потребления счетчика 4ВА при напряжении сети 220В IRMS необходимо ограничить значением 17,4мА. При этом входная емкость вычисляется по формуле: С1= IRMS/(URMS x 2pf). При частоте сети 50Гц: C1 ≥ 240нФ. Постоянный ток на входе DC/DC-преобразователя после однополупериодного выпрямителя: IвхDC= (IAC x √2)/p. При IRMS= 17,4мА: IвхDC= 7,8мА. Для линейного стабилизатора IвыхDC= IвхDC, поэтому такой вариант источника питания может использоваться только для простейших счетчиков, у которых максимальный ток потребления находится в пределах 8мА.
Для импульсного преобразователя: IвыхDC = Pвых/Uвых, Pвых = Pвх x h, Pвх = UвхDC x IвхDC.
Таким образом, при использовании импульсного DC/DC-преобразователя выходной ток IвыхDC является функцией, зависящей от UвхDC и КПД. Собственно говоря, для большего выходного тока необходимо большее входное напряжение. На практике мы имеем результаты, показаные в таблице 2. Поскольку TPS5401 имеет максимальное входное рабочее напряжение 42 В, а TPS54060 - 60 В, то при использовании последнего можно получить более высокое значение выходного тока.
Таблица 2. Сравнение линейного и импульсных регуляторов в схеме с гасящим конденсатором| Параметры | Iвых(max), мА (лин. рег.) | Iвых(max), мА TPS5401 | Iвых(max), мА TPS54060 |
|---|---|---|---|
| Pвых. < 4 В•А | 8 | 35 | 49 |
| Pвых. < 8 В•А | 16 | 109 | 137 |
Еще одним интересным вариантом применения DC/DC-преобразователя серии SWIFTTM является источник питания мощных светодиодов с возможностью аналогового и ШИМ-димминга на базе TPS54160 (рисунок 4).
Рис. 4. Понижающий драйвер светодиодов на TPS54160
Данная схема примечательна прежде всего малым количеством элементов обвязки и возможностью использовать только керамические конденсаторы, отказавшись от электролитов. Схема расчитана на входное напряжение 24 В и номинальное выходое напряжение 14,8 В при токе 700 мА. Таким образом, возможно подключение одной линейки из четырех светодиодов последовательно в режиме 700 мА или двух линеек по 350 мА параллельно (например, светодиоды серий MX6 и MX3 от CREE, соответственно). Подробное описание можно найти по ссылке http://focus.ti.com/lit/an/slva374/slva374.pdf.
Для удобства расчета собственного источника питания светодиодов на базе TPS54x60 TI предлагает программу, реализованную в виде excel-файла, которая доступна по ссылке: http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/leddriver60vswift-calc.html.
Описанные выше примеры показывают, насколько разнообразными могут быть варианты применения одного и того же DC/DC-преобразователя вообще и семейства SWIFTTM в частности. В заключительной части статьи хотелось бы обратить внимание на позиции, обладающие впечатляющими характеристиками по величине выходного тока.
TPS54620 - выходной ток до 6 А, при достаточно широком входном и выходном диапазонах напряжений и максимальной частоте преобразоваиния до 1,6 МГц.
TPS56221 - выходной ток до 25 А! Выпускается в корпусе 22SON. Выход этой микросхемы стал возможен в связи с приобретением Texas Instruments компании Ciclon Semiconductor, которая являлась производителем MOSFET-транзисторов по технологии NexFETTM с самыми низкими значениями суммарного заряда затвора и сопротивления «сток-исток». Эти транзисторы интегрированы на кристалле преобразователя.
На данный момент финальным аккородом в эволюции DC/DC-преобразователей TI становится TPS84620. Фактически это микросхема-модуль, в которой интегрированы: контроллер с синхронным выпрямлением + MOSFET-транзисторы (по сути TPS54620), дроссель и часть остальной пассивной обвязки. Этот модуль обеспечивает выходной ток до 6 А, и все это в компактном корпусе BQFN (рисунок 5).
Рис. 5. Внешний вид TPS84620
Полезные ссылки
Для расчета DC/DC-источников питания TI предлагает программу SwitcherProTM, которую можно скачать по ссылке www.ti.com/switcherpro. Программа постоянно обновляется (добавляются новые позиции) и является хорошей отправной точкой в разработке своего DC/DC-преобразователя. Помимо расчета схемы и получения списка компонентов (BOM), можно получить рекомендации по расположению компонентов на плате.
TINA-TI - бесплатный Spice-симулятор от Texas Instruments: www.ti.com/tina-ti.
Для подбора дросселя можно воспользоваться функционалом нашего сайта http://www.compel.ru/. В разделе «Калькуляторы» появился простой расчет, позволяющий подобрать необходимый дроссель при регулируемом выходном напряжении и разных типах нагрузки. Примечателен данный «калькулятор» и тем, что по результатам расчета выводится предложение из складских позиций, подходящих под расчетные параметры. Прямая ссылка http://catalog.compel.ru/blog/fordesigners/calculators/stepdown/.
При выборе дросселя серии IHLP от Vishay может пригодиться калькулятор потерь: http://www.vishay.com/inductors/calculator/calculator/.
Литература
1. «Efficiency of synchronous versus nonsynchronous buck converters», Rich Nowakowski, Ning Tang. Texas Instruments «Analog Applications Journal» 4Q2009. (SLYT358)
2. «TPS5401 Increases Output Current of Cap-Drop Power Supply», Sankar Sadasivam, Harmeet Singh, Michael Gilbert. Texas Instruments «Power Solution of the Month» December 2010.
3. «TPS54160 60-V, Step-Down LED Driver Design Guide», Daniel Acevedo, John Tucker. Application Report SLVA374
4. «Using IHLP's in Automotive Applications», Vishay Application Note.
Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]
