Синхронный комбинированный преобразователь. Ремонт электронной техники- опыт, разработки, советы Синхронный понижающий преобразователь

Представляю вашему вниманию ещё одну схему понижающего (step-down) преобразователя, в данном случае синхронного, построенного на основе микросхемы HIP6004, выпаянной из старой материнской платы.

Итак, микросхема - это низковольтный ШИМ-контроллер, который предназначен для построения синхронных понижающих преобразователей по топологии buck с внешними n-канальными полевыми транзисторами MOSFET.

Эта микруха - идеальное решение для построения понижающих преобразователей в автомобиль, поскольку специально заточена на работу от 12 Вольт (запускается минимум от +9,7В, максимальное питание по даташиту +15В).

Для полного открытия n-канальных полевиков используется стандартная схема бустерной накачки (с диодом и конденсатором), напряжение которой подают на специальный вывод BOOT.

Кроме того, HIP6004 имеет пятиразрядный ЦАП, который позволяет, изменяя комбинацию уровней сигналов на входах VID0..VID4, регулировать опорное напряжение от 1,3 до 2,05 В с шагом 0,05В, или от 2 до 3,5В с шагом 0,1В, что, в свою очередь, делает возможным создать с помощью этой микросхемы преобразователь напряжения с дискретно регулируемым выходом (чем шире будет диапазон - тем больше шаг, чем уже диапазон - тем меньше шаг). Для построения преобразователя с регулируемым выходом можно просто подцепить к ногам VID0..VID4 микроконтроллер и, меняя с его помощью уровни сигналов на этих ногах, менять опорное напряжение и, соответственно, выходное напряжение преобразователя.

Ещё одной особенностью данной микросхемы является наличие "мягкого" старта, который позволяет сначала небольшими импульсами зарядить выходные конденсаторы, а потом уже переходит непосредственно к регулированию выходного напряжения.

Рабочая частота этого ШИМ-контроллера может быть перенастроена в очень широких пределах (от 50 кГц до более 1МГц). Это делается установкой подтягивающего резистора к специальному выводу RT. Когда вывод RT висит в воздухе - рабочая частота 200 кГц. Если вывод подтянут через резистор к земле, то частота увеличивается в зависимости от номинала подтягивающего резистора. Если RT подтянут к питанию, то частота уменьшается. Формулы смотрите в даташите.

Какие ещё есть вкусности у этой микрухи? Ну, есть выход POWER GOOD, есть схема ограничения пикового тока. Короче, микруха умная и интересная.

Схема (вариант с фиксированным выходным напряжением)

В чём отличие синхронного buck-конвертера от несинхронного? Всё очень просто. В обычном конвертере с земли на PHASE стоит диод Шоттки, который открывается при закрытии верхнего транзистора. Так вот, чтобы сократить потери мощности, в синхронном преобразователе вместо этого диода ставят ещё один полевой транзистор (диод Шоттки всё равно нужен, но в современных полевиках обычно есть встроенный).

Элементы:

L1, L2 - катушки индуктивности на 10..15 мкГн и 1..3 мкГн соответственно. Катушка L1 намотана на кольце с материнской платы, а катушка L2 просто выдрана оттуда целиком и не перематывалась. L2, C5 - это дополнительный LC-фильтр на выходе. Он позволяет значительно уменьшить пульсации выходного напряжения и использовать на выходе конденсаторы меньшего номинала и, соответственно размера. Практика показывает, что лучше брать катушки, намотанные не одним проводом, а несколькими.

С1 - электролитический конденсатор 220 мкФ х 16В для выхода 5 Вольт или 470 мкФ х 16В для выхода 9,5 Вольт.

С2 - керамический конденсатор на 0,1 мкФ (фильтр по питанию микрухи, ставить как можно ближе к ногам микрухи)

С3 - керамический конденсатор на 0,1 мкФ (бустерный конденсатор, на него накачивают напругу выше питания для управления полевиком)

С4,С5 - электролитические конденсаторы 100 мкФ х 16В и 220 мкФ х 16В, соответственно (выходной фильтр)

С6, С7, С8 - керамические конденсаторы на 8,2 нФ; 2,2 нФ; 0,1 мкФ соответственно (обвязка микрухи, подробности смотрите в даташите)

С9 - керамический конденсатор на 0,1 мкФ (цепь мягкого старта)

R1, R2 - резисторы делителя напряжения. Опорное напряжение компаратора ошибки для нашего случая (когда VID0...VID4 подключены к земле) равно 2,05 Вольт. Исходя из этого, формула для расчёта выходного напряжения в зависимости от сопротивлений делителя: Vout=2,05*(1+R1/R2). В нашем случае, для выхода 5В получим: R1=10 кОм, R2=6,8 кОм. Для выхода 9,5В получим R1=10 кОм, R2=2,74 кОм.

R3 - резистор на 2 кОм. Этот резистор стоит в цепи ограничения пикового тока. Пиковый ток рассчитывается по формуле: Ipk=200мкА*R3/RDS(ON) , где RDS(ON) - сопротивление верхнего транзистора в открытом состоянии).

R4, R5, R6 - резисторы на 20 кОм; 1,5 кОм и 20 Ом соответственно (обвязка микрухи, подробности смотрите в даташите).

D1 - диод для схемы бустерной накачки (подойдёт любой, я взял стеклянный smd диод с материнки)

T1, T2 - транзисторы MOSFET в корпусах мини D-pack. В принципе пойдут любые MOSFET-ы с материнок, например те же , но эти были выбраны из-за минимальных размеров корпуса.

Если вывод RT подтянуть к земле через резистор 23 кОм, то рабочая частота составит 371 кГц.

Вариант готового устройства (ещё не залитый термоклеем)

Полученный преобразователь (на частоте 371 кГц) при входном напряжении от 9,6 до 15 Вольт выдаёт на выход стабильные 5 или 9,5 Вольт (в зависимости от номинала резистора R2). Испытания проводились для нагрузки до 3 Ампер. Для выхода 5 Вольт КПД составил порядка 85..90%, а для выхода 9,5 Вольт - порядка 90..95%. Можно пересчитать резисторы делителя на любое другое выходное напряжение.

Электролитические конденсаторы нужно аккуратно загнуть к плате, катушки расположить горизонтально, в результате вся конструкция получится довольно плоской (толщиной менее 1 см).

После изготовления всю конструкцию можно залить термоклеем, после чего всё это будет выглядеть как компактный тоненький брусочек. Скачать печатную плату (DipTrace 2.0) можно по ссылке.

Ken Marasco, Analog Devices

В смартфонах, планшетных компьютерах, цифровых камерах, навигационных системах, медицинском оборудовании и множестве других портативных устройств с автономным питанием часто содержатся микросхемы, изготовленные по разным технологиям. Для работы таких устройств, как правило, требуется несколько независимых источников питания, причем напряжение каждого отличается от напряжения аккумулятора или внешнего сетевого адаптера.

На Рисунке 1 изображена типичная маломощная система, питающаяся от Li-Ion батареи. Диапазон напряжений батареи равен 3…4.2 В, в то время, как для микросхем требуются 0.8 В, 1.8 В, 2.5 В и 2.8 В. Проще всего получить необходимые напряжения с помощью LDO стабилизаторов. Но, к сожалению, вся мощность, не используемая в нагрузке, будет рассеиваться в форме тепла, делая LDO стабилизаторы неэффективными, когда V IN существенно превышает V OUT . Широко распространенная, и единственная, в случае нашего примера, альтернатива, существенно сокращающая потери - импульсный преобразователь, накапливающий энергию в магнитном поле индуктивности и отдающий ее в нагрузку при другом напряжении. Рассматриваемые в этой статье понижающие преобразователи («buck» или «step-down») позволяют получить на выходе напряжение меньшее, чем на входе. У повышающих преобразователей («boost» или «step-up»), которые мы будем рассматривать в следующей статье, наоборот, выходное напряжение больше входного. Импульсные преобразователи с внутренним ключевым МОП транзистором, называются импульсными стабилизаторами (switching regulators), в то время как преобразователи, для которых требуются внешние силовые транзисторы, называются импульсными контроллерами (switching controllers). В большинстве маломощных систем используют как LDO, так и импульсные преобразователи, и только при разумном сочетании обоих могут быть получены требуемые технические и ценовые характеристики устройства.

Рисунок 1.

Как видно из Рисунка 2, понижающий преобразователь состоит из двух ключей, двух конденсаторов и индуктивности. Драйвер ключей должен формировать неперекрывающиеся последовательности управляющих импульсов, гарантируя, что в каждый момент времени будет замкнут только один ключ, и в схеме не будет сквозных токов. В Фазе 1 ключ B открыт, а ключ A закрыт. Катушка индуктивности подключена к входному напряжению V IN , и ток через нее течет от V IN в нагрузку. В Фазе 2 открыт ключ A, и закрыт B. Индуктивность подключена к «земле», и ток, спадая, переносит запасенную в катушке энергию в нагрузку.

Импульсные стабилизаторы могут работать в режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode - CCM), в котором ток индуктивности никогда не спадает до нуля, и в режиме прерывистой проводимости (discontinuous conduction mode - DCM), когда ток катушки индуктивности некоторое время может отсутствовать. В маломощных понижающих преобразователях прерывистый режим используется очень редко. Преобразователи обычно конструируют таким образом, чтобы пульсации тока (current ripple), обозначенные на Рисунке 2 как ΔI L , составляли 20 … 50% от номинального тока нагрузки.

В понижающем синхронном преобразователе, изображенном на Рисунке 3, функцию ключей A и B выполняют p- и n-канальный МОП транзисторы, соответственно. Термин «синхронный» (synchronous) указывает на то, что в качестве нижнего ключа используется МОП транзистор. Преобразователи с диодом Шоттки на месте нижнего ключа называются асинхронными, или несинхронными. В маломощных приложениях лучшую эффективность демонстрируют синхронные преобразователи вследствие меньшего падения напряжения на МОП транзисторе, по сравнению с диодом Шоттки. Однако КПД синхронного преобразователя при малой нагрузке может оказаться недопустимо низким, если нижний МОП транзистор не будет выключаться на то время, пока ток индуктивности равен нулю. Устранение этой проблемы требует дополнительных схемных решений, приводящих к усложнению микросхемы и увеличению ее цены.

В современных маломощных синхронных понижающих преобразователях основным рабочим режимом является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В этом режиме частота переключения постоянна, а ширина импульсов (t ON) изменяется в соответствии с требуемым выходным напряжением. Поставляемая в нагрузку средняя мощность пропорциональна коэффициенту заполнения D, что делает ШИМ эффективным средством контроля выходной мощности.

МОП ключи управляются контроллером ШИМ, для стабилизации выхода использующим обратную связь либо по току, либо по напряжению. Маломощные понижающие конвертеры обычно работают на частотах от 1 до 6 МГц. Более высокие частоты позволяют применять индуктивности меньших размеров, но расплатой за это становится снижение КПД, который падает на 2% при каждом удвоении рабочей частоты.

При малых токах нагрузки ШИМ не всегда является самым эффективным решением. Рассмотрим, к примеру, схему управления питанием видеокарты. При смене сюжетов изменяется ток нагрузки понижающего преобразователя, управляющего графическим процессором. ШИМ в режиме непрерывной проводимости способна стабилизировать питание в очень широком диапазоне выходных токов, но, по мере снижения нагрузки, КПД преобразователя стремительно падает вследствие возрастания относительной доли тока, потребляемого самим преобразователем. Поэтому в понижающих преобразователях, предназначенных для портативных приложений, используются дополнительные методы снижения мощности, такие как частотно-импульсная модуляция, или ЧИМ (pulse-frequency modulation - PFM), пропуск импульсов (pulse skipping) или же комбинация обоих методов.

При входе в экономичный режим (power-save mode - PSM) в понижающих преобразователях Analog Devices происходит следующее. К порогу ШИМ добавляется смещение, в результате которого выходное напряжение начинает подниматься и достигает величины, приблизительно на 1.5% превышающей номинальный уровень стабилизации ШИМ. В этот момент ШИМ выключается, оба ключа закрываются, и микросхема переходит в режим ожидания (idle mode). Выходной конденсатор C OUT начинает разряжаться до тех пор, пока V OUT не упадет до уровня, при котором восстанавливается стабилизация ШИМ. Подключается индуктивность, и V OUT вновь начинает расти. Этот процесс повторяется до тех пор, пока ток нагрузки не превысит установленный порог.

ADP2138 - компактный понижающий DC/DC преобразователь с выходным током 800 мА и рабочей частотой 3 МГц. Типичная схема его включения показана на Рисунке 4. Рисунок 5 иллюстрирует благоприятное влияние на КПД автоматического переключения ШИМ/PSM. В некоторых случаях переменная частота переключения в режиме PSM затрудняет фильтрацию помех, поэтому многие понижающие преобразователи имеют вывод MODE (см. Рисунок 4), позволяющий пользователю принудительно включать режим ШИМ, или разрешать преобразователю переключаться между ШИМ и PSM автоматически. В отдельных микросхемах вывод MODE может предназначаться для динамического перехода в режим пониженного энергопотребления.

Понижающие преобразователи улучшают КПД

Повышенный КПД продлевает время работы до смены или перезаряда батарей, что для новых портативных устройств можно считать одной из важнейших характеристик. Например, при использовании LDO стабилизатора ADP125 (Рисунок 6) Li-Ion аккумулятор способен отдавать в нагрузку ток 500 мА при напряжении 0.8 В. При этом КПД стабилизатора, равный

V OUT /V IN × 100% = 0.8/4.2 × 100%,

составляет лишь 19%. Вся неиспользуемая энергия, 81% (1.7 Вт), рассеивается корпусом в виде тепла, которое может стать причиной быстрого перегрева портативного устройства. Импульсный преобразователь ADP2138, рабочий КПД которого при входном напряжении 4.2 В и выходном 0.8 В равен 82%, позволяет повысить эффективность более чем в 4 раза и сократить выделение тепла. Вот почему в последние годы наблюдается бум разработки новых импульсных преобразователей для портативной аппаратуры.

Ключевые понятия, относящиеся к понижающим преобразователям

Диапазон входных напряжений (Input Voltage Range) : Диапазон входных напряжений понижающего преобразователя определяет наименьшее допустимое напряжение источника питания. В справочниках этот параметр может быть представлен весьма широким диапазоном, но для эффективной работы схемы V IN всегда должно превышать V OUT . Например, чтобы получить стабилизированное выходное напряжение 3.3.В, входное напряжение должно превышать 3.8 В.

Собственный ток потребления, или ток общего вывода (Ground or Quiescent Current) : Обозначаемый обычно буквами I Q постоянный ток, не идущий в нагрузку. Чем меньше I Q , тем выше КПД устройства. В спецификациях на микросхемы I Q может приводиться для самых разнообразных условий, включая блокировку микросхемы, режим облегченной нагрузки, режим ЧИМ или ШИМ. Поэтому лучше всего, если выбор понижающего преобразователя, наиболее подходящего для создаваемого приложения, будет основываться на фактических данных о КПД устройства при конкретных рабочих токах и напряжениях нагрузки.

Ток в режиме отключения (Shutdown Current) : Входной ток, потребляемый преобразователем, отключенным по выводу разрешения. Как правило, для маломощных понижающих преобразователей этот ток значительно меньше 1 мкА. Этот параметр очень важен для портативных устройств с батарейным питанием, в которых предусмотрен спящий режим.

Точность стабилизации выходного напряжения (Output Voltage Accuracy) : Понижающие преобразователи Analog Devices имеют высокую точность стабилизации. Так, благодаря заводской подстройке, погрешность устройств с фиксированным выходом при температуре 25 °C не превышает ±2%. Точность стабилизации приводится в спецификациях для различных значений температуры, входного напряжения и тока нагрузки, и для наихудшего случая выражается в процентах.

Нестабильность по входному напряжению (Line Regulation) : Характеризует степень влияния изменения входного напряжения на выходное при номинальной нагрузке.

Нестабильность выходного напряжения при изменении нагрузки (Load Regulation) : Этот параметр является мерой влияния изменений тока нагрузки на выходное напряжение. При медленном изменении нагрузки большинство понижающих преобразователей могут стабилизировать напряжение с очень высокой точностью.

Переходный режим при изменениях нагрузки (Load Transients) : Ошибки переходного режима могут возникать при быстрых скачках тока нагрузки, вызывающих переключение режимов от ШИМ к ЧИМ, и наоборот. Параметры переходного режима не всегда приводятся в документации, но в большинстве описаний можно найти осциллограммы, иллюстрирующие реакцию на скачки нагрузки при различных рабочих условиях.

Ограничение тока (Current Limit) : В понижающие преобразователи, подобные ADP2138, встроены защитные схемы, ограничивающие величину положительного тока, протекающего через p-МОП транзистор силового ключа и синхронный выпрямитель. Фактически, это означает ограничение тока, текущего от входа к выходу. Ограничитель отрицательного тока предотвращает появление в индуктивности тока обратного направления, вытекающего из нагрузки.

Мягкий старт (Soft Start) : Это важная для понижающих преобразователей функция, заключающаяся в управлении скоростью нарастания выходного напряжения в целях ограничения бросков тока. Мягкий старт позволяет не допускать проседания напряжения подключенных к входу преобразователя батарей или высокоимпедансных источников питания. Внутренний цикл мягкого старта начинается после включения устройства по входу разрешения ENABLE (EN).

Время включения (Start-Up Time) : Время между нарастающим фронтом сигнала разрешения и моментом достижения выходным напряжением V OUT 90% номинального уровня. Проверка этого параметра обычно выполняется при установившемся V IN при переходе вывода разрешения из состояния ВЫКЛ в состояние ВКЛ. В тех случаях, когда выводы EN и V IN соединены, время включения может существенно увеличиться, так как петле обратной связи требуется время для отработки ошибки. Время выключения понижающего преобразователя - важный параметр для приложений, в которых преобразователь часто включается и выключается, т.е., прежде всего, для портативных устройств.

Отключение при перегреве (Thermal ShutDown - TSD) : Если температура перехода превышает установленный порог, защитная схема выключает преобразователь. Причиной перегрева кристалла может быть большой ток нагрузки, плохое охлаждение схемы или высокая окружающая температура. Схема защиты обязательно должна иметь гистерезис, чтобы не допускать включения преобразователя до возвращения температуры кристалла к установленному рабочему уровню.

Режим со 100% коэффициентом заполнения (100% Duty Cycle Operation) : При провалах V IN , или при увеличении I LOAD понижающий стабилизатор может оказаться у порога, когда p-МОП транзистор должен быть открыт 100% времени, и V OUT начнет падать ниже требуемого уровня. ADP2138 плавно переводит схему в этот режим, а при изменении состояния входа немедленно перезапускается в режиме ШИМ, не допуская выбросов выходного напряжения.

Разрядный ключ (Discharge Switch) : В некоторых устройствах при очень малой нагрузке напряжение на выходе преобразователя может сохраняться в течение некоторого времени после перевода системы в спящей режим. Если процесс последующего включения начнется до завершения разряда выходного напряжения, возможны блокировка или повреждение системы. В преобразователе ADP2139 имеется встроенный резистор сопротивлением порядка 100 Ом, через который происходит разряд выхода после подачи низкого уровня на вход EN, или при защитном отключении микросхемы.

Блокировка питания при пониженном напряжении (Undervoltage Lockout - UVLO) : Эта функция гарантирует, что напряжение на нагрузку не будет подано раньше, чем входное напряжение преобразователя достигнет заданного порога. Важное значение блокировки заключается в возможности исключить подачу питания до установления рабочего уровня входного напряжения.

Приложение

Синхронные понижающие DC/DC преобразователи с выходным током 800 мА и рабочей частотой 3 МГц

Понижающие DC/DC преобразователи ADP2138 и ADP2139 оптимизированы для использования в беспроводных телефонах, персональных медиа плеерах, цифровых камерах и других портативных устройствах. Микросхемы могут работать в режиме принудительной ШИМ, в котором пульсации выходного напряжения минимальны, или же автоматически переключаться между ШИМ и PSM для увеличения КПД при облегченной нагрузке. Диапазоном входных напряжений от 2.3 до 5.5. В определяется способность преобразователей работать от стандартных источников питания, включая литиевые, щелочные и NiMH батареи. Выпускаются многочисленные опции с фиксированным выходным напряжением от 0.8 до 3.3 В, током нагрузки 800 мА и точностью 2%. Внутренний силовой ключ и синхронный выпрямитель улучшают эффективность преобразователя и сокращают количество необходимых внешних компонентов. Изображенная на Рисунке А микросхема ADP2139 отличается наличием дополнительного разрядного ключа. Микросхемы выпускаются в компактном 6-выводном корпусе WLCSP размером 1 × 1.5 мм, работают в диапазоне температур от -40 до +125 °C, и в партиях 1000 шт. продаются по $0.90 за один прибор.

Выбор DC/DC-преобразователя для приложения может оказаться устрашающей задачей. Кроме того, что они доступны на рынке в большом количестве, проектировщик должен ещё и пойти на несметное число компромиссов. Обычно для источника питания важны размер, КПД, цена, температура, точность и переходные характеристики. Необходимость удовлетворять техническим требованиям ENERGY STAR® или критериям «green-mode» делает КПД по энергии всё более важным параметром. Разработчики стремятся повысить КПД без увеличения стоимости, особенно в приложениях крупномасштабной бытовой электроники, для которых уменьшение потребления энергии на 1 Вт может сэкономить МВт для энергетической системы. Полупроводниковая промышленность недавно выпустила недорогие DC/DC-преобразователи с синхронным выпрямлением, которые считаются более эффективными, чем асинхронные DC/DC-преобразователи. В данной статье сравниваются КПД, размер и стоимость синхронных и асинхронных преобразователей, используемых в бытовой электронике, при различных условиях работы. Показано, что синхронные понижающие преобразователи не всегда более эффективны.

Типичные применения

Чтобы показать тонкие различия между двумя типами преобразователей, было выбрано типичное применение для точечной нагрузки. Множество недорогих бытовых изделий используют 12-В шину, которая получает питание от нерегулируемого сетевого адаптера или от автономного источника питания. Выходные напряжения обычно лежат в диапазоне 1-3,3 В, выходные токи - до 3 А. Для сравнения действительных значений КПД при различных выходных токах и напряжениях были выбраны устройства Texas Instruments, приведённые в таблице 1. Номинальный выходной ток, уровень которого является характеристикой любого устройства, продаваемого на рынке, был взят прямо из листов технических данных (1, 2).

Таблица 1. Сравнение устройств

Принцип работы

На рисунке 1 показана типичная блок-схема для понижающего регулятора. Основные компоненты - это Q1, силовой МОП-транзистор верхнего плеча; L1, силовая катушка индуктивности, и C1, выходной конденсатор. Для синхронной понижающей схемы используется МОП-транзистор нижнего плеча (Q2).

В асинхронной понижающей схеме используется силовой диод (D1). В синхронном преобразователе, таком как TPS54325, в устройство встроен силовой МОП-транзистор нижнего плеча. Основным преимуществом синхронного выпрямителя является то, что падение напряжения на МОП-транзисторе нижнего плеча может быть ниже, чем падение напряжения на силовом диоде асинхронного преобразователя. При одинаковом уровне тока меньшее падение напряжения превращается в меньшее рассеяние мощности и больший КПД.

Выбор силового диода

Асинхронные преобразователи разработаны для работы с внешним силовым диодом (D1). При выборе силового диода разработчик должен учесть три ключевые характеристики: обратное напряжение, падение прямого напряжения и прямой ток. Во-первых, номинальное обратное напряжение должно быть, по крайней мере, на 2 В выше, чем максимальное напряжение в коммутационном узле. Во-вторых, для большего КПД падение прямого напряжения должно быть небольшим. В-третьих, номинальное значение пикового тока должно быть больше, чем максимальный выходной ток плюс половина пикового тока катушки индуктивности. При низкой продолжительности включения (то есть низких выходных напряжениях) D1 работает как блокирующий диод, который проводит больший ток, чем МОП-транзистор верхнего уровня. Четвёртое соображение состоит в том, чтобы убедиться, что корпус выбранного диода справится с рассеянием мощности. Для TPS54331 был выбран диод B340A, который имеет номинальное обратное напряжение 40 В, падение прямого напряжения 0,5 В, и номинальный прямой ток 3 А.

Для TPS54325 силовой диод не нужен, так как в микросхему встроен 70-мОм МОП-транзистор нижнего плеча. Интегрированный МОП-транзистор экономит место; но при этом увеличивается сложность управляющей схемы, чтобы гарантировать, что оба МОП-транзистора не будут открыты одновременно, что привело бы к закорачиванию входа на землю. Любая перекрывающаяся проводимость ключей приведёт к понижению КПД и может даже перегрузить и повредить систему.

Вычисления КПД

Для определения КПД DC/DC-преобразователя нужно рассчитать общее рассеивание мощности. Основной вклад в рассеивание мощности для DC/DC-преобразователя, работающего в режиме непрерывной проводимости (continious conduction mode, ССМ), дают потери на ключах верхнего и нижнего плечей и потери на собственный потребляемый ток ИС. Эти потери можно рассчитать по следующим формулам:

Уравнения 1-3 применимы как к синхронному,так и к асинхронному преобразователю в ССМ. Однако нужно учесть потери в МОП-транзисторе нижнего уровня для синхронного понижающего преобразователя (уравнение 4), в силовом диоде нижнего уровня (PD1) для асинхронного понижающего преобразователя (уравнение 5):

В уравнении 4 первый член соответствует потерям проводимости в МОП-транзисторе нижнего уровня, а второй - потерям проводимости во встроенном диоде. Ток, текущий через встроенный диод, примерно на порядок ниже по величине, чем ток, текущий через МОП-транзистор нижнего уровня, и при 2 А им можно пренебречь.

Данные уравнения показывают, что на КПД при полной нагрузке влияют несколько факторов, такие как сопротивление между стоком и истоком, прямое напряжение между стоком и истоком, продолжительность включения, частота и времена МОП-транзистора. Потери переменного и постоянного тока в катушке индуктивности и эквивалентном последовательном сопротивлении выходной ёмкости аналогичны, так как для обоих устройств можно использовать одинаковый LC-фильтр. Для DC/DC-преобразователя продолжительность включения задана, и выбирать можно только сопротивление между стоком и истоком, падение прямого напряжения и частоту переключения. Обычно времена включения и выключения МОП-транзистора не указываются в листах технических данных, но их важно учитывать, так как чем они быстрее, тем меньше мощности рассеивается. Однако при слишком быстром включении мощного МОП-транзистора в коммутационном узле могут возникать переходные помехи.

Для улучшения тепловых характеристик важно уменьшать время коммутации, что позволит выбрать более дешёвый корпус для МОП-транзистора с меньшей мощностью и более высоким сопротивлением между стоком и истоком.

КПД при высоких нагрузках

Были созданы две схемы с устройствами, приведёнными в таблице 2, так, чтобы их эффективности можно было сравнить. Устройства используют одинаковый LC-фильтр. Несмотря на то, что устройства имели несколько различные фиксированные частоты переключения, это не имело значительного влияния на КПД схемы и не могло изменить выводов данного эксперимента. Входное напряжение было выбрано 12 В и измерения КПД проводились просто при изменении выходных напряжений.

Таблица 1. Сравнение устройств

На рисунке 2 показан КПД обоих устройств с 12-В входом и 1,5-В выходом. Рисунок чётко показывает, что TPS54325 при полной нагрузке имеет более высокий КПД. Так как продолжительность включённого состояния составляла 12,5%, силовой диод асинхронного варианта с падением прямого напряжения 0,5 В рассеивал больше энергии, чем 70-мОм МОП-транзистор, а также несмотря на более высокое сопротивление между истоком и стоком ключа верхнего плеча в схеме с TPS54325.

На рисунке 3 показан КПД обоих устройств с 12-В входом и 2,5-В выходом. Очевидно, что КПД TPS54331 значительно вырос.

В этом случае продолжительность включённого состояния была 21% и оба КПД при полной нагрузке были практически одинаковыми. Силовой диод асинхронной схемы проводил реже, а МОП-транзистор верхнего плеча с низким сопротивлением включения проводил чаще. Когда рассеивание на силовом диоде нижнего плеча уменьшилось из-за уменьшения скважности, асинхронное устройство стало более эффективным.

КПД при малых нагрузках

Для некоторых приложений необходимость в КПД при малой нагрузке перевешивает необходимость в КПД при высокой нагрузке. При низких нагрузках асинхронные понижающие преобразователи переключаются в режим прерывистой проводимости (РПП). В асинхронном понижающем преобразователе ток катушки индуктивности течёт только в одном направлении. В синхронном понижающем преобразователе ток течёт в обоих направлениях, и мощность рассеивается при протекании обратного тока. На рисунке 4 показана разница между формами сигналов тока катушки индуктивности в РНП по сравнению с РПП.

TPS54331 имеет функцию пропуска импульсов, называемую Eco-modeTM, которая повышает КПД при низкой нагрузке. Данный режим работы включает мощный МОП-транзистор реже, что приводит к понижению потерь на переключение. Разница в КПД при низкой нагрузке, обусловленная функцией Eco-mode TPS54331, и его низким собственным потребляемым током при работе, показана на рисунках 2 и 3. Более подробную информацию об Eco-mode можно найти в (1).

Цена и размеры

Синхронный преобразователь со встроенным МОП-транзистором обладает такими преимуществами, как уменьшенный размер, меньшее число деталей и более простая конструкция. Но если главной целью является уменьшение цены, то асинхронный преобразователь с внешним силовым диодом может быть менее дорогим, чем синхронный понижающий преобразователь.

Заключение

Синхронные понижающие преобразователи недавно стали очень популярными и широко доступными. Однако они не всегда более эффективны. Асинхронные понижающие преобразователи могут иметь аналогичный КПД при большой скважности и низкой нагрузке. Обратив внимание на технические характеристики, особенно сопротивление между стоком и истоком и собственный потребляемый ток, разработчик может сделать лучший выбор для конкретного применения.

Литература

4.5-V to 18-V, 3-A Output Synchronous Step Down Switcher with Integrated FET (SWIFT™), TPS54325 Data Sheet (slvs932a)

3A, 28V Input, Step Down SWIFT™ DC/DC Converter with Eco-mode™, «TPS54331 Data Sheet (slvs839b)

DC-DC
и их небольшой апгрейд до SEPIC
или пару слов от том, что такое SEPIC
Многоканальный


преобразователь на базе
модуль с заявленным током в 10 Ампер

Микросхемы продаются лотом из 10 штук, на момент покупки стоили 1.67, сейчас 1.71, но скорее всего была скидка через мобильное приложение.
Кстати, только сегодня заметил, что теперь на странице заказов Али не отображается время, оставшееся до окончания защиты заказа.

Прислали микросхемы в небольшом желтом конвертике, внутри простой пакетик с защелкой, количество сходится с заказанным.

Краткое описание на английском.
Если коротко то:
Входное напряжение - 4.5-23 Вольта
Выходное напряжение - 0.925-20 Вольт
Выходной ток - до 3.5 Ампера
Частота преобразования - фиксированная 340 кГц.
Ну и разные полезные вещи в виде термозащиты, перегрузки по току и т.п.

Но при включении меня ждала неудача.
Преобразователь заработал, но при токе нагрузки 0.7 Ампера входил в режим защиты и снижал выходное напряжение почти до нуля.
Кроме того выходное напряжение было немного ниже расчетного. Ну а после нескольких экспериментов микросхема вообще выдавала сначала 6 Вольт на выходе, а потом отказалась работать совсем:(
Снял микросхему феном, запаял новую (уже при помощи фена), ничего не работает, напряжения на выходе нет, ток потребления 90мА.
В итоге снял и вторую микросхему, запаял третью. С ней выходное напряжение стало как задумывалось и микросхема работала дальше корректно.
Первое фото - первая микросхема, второе - третья.

Первый тест, измерение потребляемого тока без нагрузки на выходе.
Я бы не сказал что мало, ожидал что микросхема будет потреблять меньше.
23мА при 10 Вольт и 28мА при 20 Вольт

Процесс тестирования:
1. Выходной ток 1 Ампер, входное напряжение 10-15-20 вольт
2. Выходной ток 2 Ампера, входное напряжение 10-15-20 вольт
3. Выходной ток 3 Ампера, входное напряжение 10-15-20 вольт

Все осциллограммы приводить не буду, покажу лишь режим холостого хода и максимальной нагрузки при 20 Вольт входном.
Пульсации практически отсутствуют, я даже проверил, стоит ли режим 1:1 у делителя щупа.

Проверка минимального входного напряжения при разных токах нагрузки, 1-2-3 Ампера.
Выходное напряжение при этом около 4.75 Вольта.

Не обошел я вниманием и защиту от короткого замыкания на выходе.
Защита работает отлично, но она не переходит в циклический режим, а находится в режиме, подобному режиму стабилизации тока.

А вот с выходным током небольшая беда.
При токе нагрузки в 3 Ампера микросхема через некоторое время отключается по превышению температуры корпуса. Если немного дуть на микросхему, то все работает отлично.
Причина скорее всего в том, что под микросхемой должны быть переходы на вторую сторону платы, а сама плата должна была быть двухсторонней. Я же использовал тонкую одностороннюю плату и она просто не справлялась с отведением тепла.

Но сама микросхема может работать при токах нагрузки до 4.5 Ампера, дальше срабатывает ограничение выходного тока.
Естественно что ток 4-4.5 Ампера микросхема может выдать кратковременно, но тем ни менее, это хорошо.
На фото входной ток при выходном 3.5-4-4.5 Ампера.

Ну и конечно же я проверю КПД.
Производитель приводит такой график для выходного напряжения 5 Вольт. Правда я проверял при напряжениях 10-15-20 Вольт, а не 12 и 23 как в даташите, но не думаю что это критично.

Ну что можно сказать, заявленного КПД я так и не получил, хотя конечно при таких выходных токах эффективность относительно неплохая.
В качестве температуры микросхемы для токов 3 Ампера приведена температура срабатывания термозащиты.
Кроме того явно видно что при входном 10 Вольт КПД явно выше, чем при 20.
Кстати, уже после экспериментов я решил поиздеваться над микросхемой еще. Дла этого я ее основательно прогрел феном и сильно прижал пинцетом к плате. После этого срабатывание термозащиты стало заметно реже, но все равно 3 Ампера она не вытягивала, при 2.5 работала корректно.

Ну и что же можно сказать в итоге.
Плюсы
Цена
Корректно работающая защита от КЗ, перегрузки и перегрева.
Хорошая перегрузочная способность
Наличие плавного старта.
Очень низкие пульсации выходного напряжения.

Минусы
КПД ниже заявленного
Непонятная ситуация с надежностью при установке микросхем на плату.

Мое мнение. Микросхема немного не оправдала моих надежд, как то ожидал большего. Хотя конечно я не соблюдал все требования производителя и припаял микросхему без вывода тепла на вторую сторону платы. Но все равно меня больше расстроил КПД, хотя в диапазоне 10-15 Вольт он выше чем у прошлых экземпляров, приведу небольшое сравнение при токе 2 Ампера
Слева обозреваемая, справа
10 Вольт - 89,7/86
15 Вольт - 87,4/86.1
20 Вольт - 84.9/86.1

В общем что можно сказать, при токах до 2,5 Ампера использовать можно, а при токах до 2 Ампер можно даже не припаивать теплоотвод. Но очень смущает глюк с первым экземпляром, до сих пор не могу понять, что это было, даже расстроился, как то привык уже что собрал и оно работает:)
Кстати, в этом плане микросхемы с фланцем гораздо удобнее, прогрел фланец, микросхема припаялась, а с обозреваемой такая операция очень неудобна.

Надеюсь что информация будет полезна, рассказал вроде все что мог, а вопросы и пожелания как всегда жду в комментариях.

Планирую купить +30 Добавить в избранное Обзор понравился +70 +119

Бродя по зарубежным интернет площадкам мое внимание привлек интересный модуль понижающего преобразователя с заявленными характеристиками: - входное напряжение 6.5-60В, - выходное напряжение 1.25-30В, ток до 10А, КПД до 97%. При заявленных характеристиках на модуле отсутствуют какие - либо радиаторы для охлаждения активных элементов. Основу модуля составляет синхронный понижающий преобразователь LT3800 . Модуль для тестов был любезно предоставлен администрацией сайта Паяльник.
Размер модуля составляет 21 х 75 х 16мм (20мм с учетом высоты дросселя).

Составляет ~4$.

Сборка модуля довольно качественная и не вызывает нареканий.

Принципиальная схема модуля.

После подключения модуля к источнику питания 12В потребление тока модулем составило 200-300 мА на холостом ходу, что меня очень удивило, но покрутив регулятор напряжения модуля ток холостого хода резко упал до 10-20 мА. Данный эффект наблюдается, если регулятором выходное напряжение модуля установить выше, чем входное напряжение. Так что будьте внимательны!
При тестировании модуля наблюдался очень сильный нагрев дросселя (более 100 градусов при нагрузке 40 Вт). Было принято решение заменить дроссель на более мощный(взял из компьютерного блока питания).

Модуль после переделки.

С данной переделкой температура дросселя пришла в норму без критического нагрева.
Экспериментальным путем было выяснено, что модуль уверенно держит нагрузку до 60Вт. Температура ключей и LT3800 составляет 70-80 градусов при постоянной нагрузке 60 Вт на выходе. При превышении нагрузки выше 70 Вт наблюдался резкий очень сильный разогрев верхнего ключа более 150 градусов. Во избежание выхода из строя модуля не рекомендую подключать нагрузку более 60Вт.

Пульсации напряжения (12В) на выходе модуля составляют 80-100 мВ при отсутствии нагрузки. Входное напряжение - 28В.

При нагрузке 20 Вт (12В 1,7А) пульсации напряжения немного увеличились до 200мВ. Входное напряжение - 28В.

При нагрузке 40 Вт (12В 3,4А) пульсации напряжения составили 240мВ. Входное напряжение - 28В.

При нагрузке 60 Вт (12В 5А) пульсации напряжения увеличились до 260мВ. Входное напряжение - 28В.

При нагрузке 50 Вт (5В 10А) в режиме стабилизации тока пульсации напряжения составили 340мВ. Входное напряжение - 28В.

Ситуацию с пульсациями напряжения можно улучшить повесив керамику на выходе модуля 10 мкФ (рекомендуемую в даташите LT3800), которую не предусмотрел производитель модуля.

Модуль держит заявленные 10А на выходе, а при попытке увеличить выходной ток выше 10А модуль переходит в режим стабилизации тока (около 10А). А при полном коротком замыкании модуль уходит в защиту с самовосстановлением работы, после устранения короткого замыкания. Кратковременно данный модуль может выдавать 10А при напряжении 12В (120Вт), но без внешнего охлаждения преобразователь может выйти из строя.

ИТОГ
Модуль соответствует заявленным характеристикам. Правда на этапе испытаний на вход модуля не удалось подать напряжение 60В ввиду отсутствия данного источника питания. Выходное напряжение регулируется в пределах 1.25-30В. Выходной ток 10А (главное не превышать выходную мощность более 60Вт). КПД устройства составило 90-94%(при нагрузке 20-60Вт).
Если Вы планируете использовать модуль с штатным дросселем, то не рекомендуется нагружать модуль более, чем на 40Вт. Если нужна бОльшая мощность, то дроссель необходимо заменить, и приклеить с помощью термоклея радиатор на ключевые элементы.
Модуль можно использовать для сборки регулируемого блока питания мощностью 100Вт, правда необходимо будет добавить обратную связь, для регулировки тока.

К сожалению преобразователи на LT3800 на зарубежных интернет - площадках нелегко найти, так как продавцы нигде не указывают тип примененной микросхемы. Рекомендую в поиске указать - dc-dc step down 10a (15a), и по детальным фото модуля искать модули на основе LT3800.
Кому нужен модуль большей мощности на LT3800, то рекомендую обратить внимание на следующий модуль(dc-dc step down 15a 200W). Он легко выдерживает мощность 100Вт, и слегка чуть теплый. Ток у меня он выдержал аж 20А (предел мультиметра). При таком токе провода прибора мгновенно разогреваются. Стресс с КЗ не рекомендую устраивать на модуле, который ниже, чтобы он не вышел из строя. Судя по комментариям с Ютуба данный модуль выходит из строя при коротком замыкании. Скорее всего китайцы с шунтом 0,07Ом что-то намудрили и защита не работает. Будьте осторожны!