Малошумящий повышающе-понижающий регулируемый преобразователь напряжения с выходным током 250 мА на основе зарядового насоса

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2014

George H. Barbehenn, Linear Technology

LT Journal of Analog Innovation

Повышающе-понижающиему регулятору LTC3245 не нужна традиционная индуктивность, вместо которой используется емкостной зарядовый насос. Из входного напряжения от 2.7 до 38 В микросхема способна без делителя напряжения обратной связи сформировать фиксированные выходные напряжения 3.3 В и 5 В, а с использованием делителя – любое напряжение от 2.5 до 5.5 В (Рисунок 1). Максимальный выходной ток равен 250 мА. Повышающее-понижающая архитектура LTC3245 позволяет получить стабилизированное выходное напряжение как превышающее напряжение на входе, так и меньшее его.

Рисунок 1.	Повышающе-понижающий преобразователь с выходным напряжением 5 В.

КПД преобразователя на микросхеме LTC3245, понижающего входное напряжение 12 В до 5 В при выходном токе 100 мА, может достигать 80% (Рисунок 2), что значительно выше, чем у линейных LDO стабилизаторов. Это позволяет сделать намного более компактный и дешевый регулятор, так как, в отличие от LDO, в такой схеме не потребуется теплоотвод. LTC3245 выпускается в корпусе MSOP12 с открытым теплоотводящем основанием или в корпусе DFN12 размером 3 × 4 мм.

Рисунок 2.	КПД преобразователя, изображенного на Рисунке 1.

Работа зарядового насоса

На Рисунке 3 показана упрощенная блок-схема преобразователя LTC3245. Зарядовый насос может работать как преобразователь N/M × V_IN, где N и M целые числа. Варианты ½, 1 и 2 являются простейшими, и реализуются с помощью единственного переключаемого конденсатора (часто называемого «летающим». При более высоком порядке N и M потребуется больше конденсаторов и больше ключей.

Рисунок 3.	Детальное изображение блока зарядового насоса.

Ввиду того, что числа N и M могут принимать только целые значения, получить на выходе напряжение произвольной величины, используя прямую накачку заряда, невозможно. Вместо этого контроллер формирует из V_IN напряжение V_IN’, которое и поступает на зарядовый насос, способный работать в одном из трех режимов: понижающем, LDO или повышающем, которым соответствуют выходные напряжения ½V_IN’, V_IN’ или 2V_IN ’ .

Выбирая одновременно подходящее V_IN и режим работы зарядового насоса, можно получать произвольные выходные напряжения. В режиме понижающего преобразователя входной ток микросхемы составляет примерно половину тока эквивалентного LDO, давая значительный выигрыш в эффективности.

Входные пульсации и электромагнитные помехи

LTC3245 заряжает летающий конденсатор в каждом цикле переключения, поэтому для минимизации уровня создаваемых электромагнитных помех вход V_IN необходимо развязать с помощью конденсатора.

Для этой цели будет достаточно многослойного керамического конденсатора емкостью от 3.3 до 10 мкФ, который должен быть установлен как можно ближе к выводу V_IN. Единственный способ расположить конденсатор таким образом – ограничить разумной величиной его допустимое напряжение, что, в свою очередь, позволит минимизировать габариты и разместить его в непосредственной близости от контакта V_IN. Например, хотя, согласно документации, LTC3245 может работать при входном напряжении до 38 В, для схем питания автоэлектроники будет достаточно конденсатора с допустимым напряжением 16 В.

Развязывающий конденсатор, даже при коротких шинах питания с низкой индуктивностью, будет не очень эффективен при большой индуктивности земляных проводников. Идеальна ситуация, когда питание подведено коротким и широким проводником, а подключение к земле выполнено широким полигоном, к которому припаяно открытое теплоотводящее основание корпуса LTC3245.

При этом мы предполагаем, что напряжение V_IN подведено не слишком длинными проводниками, а внутреннее сопротивление источника питания невелико. Если же источник питания имеет большое внутреннее сопротивление, или длина его соединения с микросхемой превышает 5 см, рекомендуется развязать питание дополнительным блокировочным конденсатором. В большинстве случаев адекватной будет емкость 33 мкФ.

Для повышения эффективности работы при облегченной нагрузке или для уменьшения выходных пульсаций LTC3245 может работать в пульсирующем или в малошумящем режиме, соответственно. Пульсирующий режим отличается малым током потребления, и, значит, высоким КПД. Малошумящий режим позволяет при малой нагрузке обменивать эффективность на величину пульсаций.

На Рисунке 4 представлены результаты измерений уровней излучаемой и кондуктивной эмиссии, проведенных в микрокамере в соответствии со стандартом CISPR25. Как можно видеть, при надлежащей развязке LTC3245 не вступает в противоречие с требованиями государственных регулирующих органов к уровням излучаемых или кондуктивных помех.

Рисунок 4.	Излучаемая (а) и кондуктивная (б) эмиссия.

Выбор переключаемого конденсатора

Не слишком детализированная блок-схема зарядового насоса на Рисунке 3 создает впечатление, что летающий конденсатор участвует только непосредственно в накачке заряда. В действительности, он используется еще и регулируемым аттенюатором, формирующим напряжение V_IN’. Поэтому конденсатор следует выбирать, основываясь не на простом расчете, а с учетом нескольких дополнительных ограничений.

Переключаемый конденсатор не должен быть полярным, как алюминиевый или танталовый. Допустимое напряжение конденсатора должно на 1 В превышать выходное напряжение. Например, при выходном напряжении 5 В следует выбрать конденсатор с рабочим напряжением 6.3 В.

Емкость переключаемого конденсатора должна быть не менее 0.4 мкФ. Поскольку использование электролитических конденсаторов в этой схеме невозможно, лучшим выбором будет многослойный керамический конденсатор. При этом предпочтение необходимо отдавать конденсаторам с диэлектриком класса не ниже II (например, X7R) и с хорошим коэффициентом напряжения емкости (КНЕ). КНЕ конденсатора является функцией его номинального напряжения, из-за чего в 5-вольтовой схеме реальная емкость конденсатора, рассчитанного на 16 В будет намного больше, чем у конденсатора с номинальным напряжением 6.3 В.

Поэтому, если выбирать конденсатор с минимальной емкостью, вариант 0.47 мкФ / 6.3 В с диэлектриком класса II следует отбросить как непригодный, поскольку при 5 В его емкость будет меньше 0.4 мкФ, а вот 0.47 мкФ / 50 В с таким же диэлектриком вполне может работать в схеме преобразователя. Для большинства приложений подойдет конденсатор TDK C1005X5R1C105K 1 мкФ, 16 В, 0402.

Выходной конденсатор

Выбор величины емкости выходного конденсатора является компромиссом между уровнем пульсаций и скоростью реакции на скачки тока нагрузки. С увеличением емкости пульсации уменьшаются, но и реакция на скачок становится более медленной.

Допустимое напряжение конденсатора должно соответствовать выходному напряжению регулятора. Так, при напряжении 5 В подойдет конденсатор с максимально допустимым напряжением 6.3 В. Однако, как обсуждалось выше, при максимальном рабочем напряжении конденсатор потеряет намного больше половины своей номинальной емкости. Поэтому емкость, возможно, придется выбирать с запасом, если конденсатор будет использоваться при рабочем напряжении близком к предельному. В противном случае требования по уровню пульсаций могут быть не соблюдены.

Хорошим компромиссом меду величиной пульсаций и скоростью будет конденсатор, емкость которого в 10 - 20 раз превышает емкость летающего конденсатора. Это означает, что при рекомендованной емкости летающего конденсатора 1 мкФ емкость выходного конденсатора нужно выбирать между 10 и 20 мкФ. С учетом потерь емкости следует остановиться на величине 47 мкФ.

Регулируемый выход

Помимо двух фиксированных напряжений 3.3 В и 5 В, с помощью LTC3245 можно получить программируемое выходное напряжение, задаваемое с помощью резисторов обратной связи так, как это показано на Рисунке 5.

Рисунок 5.	Повышающе-понижающий преобразователь с выходным напряжением 3.6 В.

Режим программируемого напряжения включается комбинацией низкого уровня на выводе SEL2 и высокого на SEL1. Вывод OUTS/ADJ используется либо для считывания выходного напряжения при фиксированном выходе, либо в качестве входа обратной связи в режиме регулируемого выхода. В режиме фиксированного напряжения вывод подключается непосредственно к выходу. В режиме регулируемого выхода опорное напряжение равно 1.200 В±2%. Выбором соответствующих резисторов обратной связи выходное напряжение можно установить любым от 2.5 до 5 В.

Выключение

LTC3245 можно переводить в режим отключения, при этом потребляемый ток будет снижаться до 4 мкА. Чтобы выключить микросхему, на входы SEL1 и SEL2 необходимо подать напряжение низкого уровня.

PGOOD

PGOOD – это выход с открытым стоком, высокий уровень на котором означает, что LTC3245 стабилизирует напряжение в штатном режиме. Порог включения PGOOD установлен на уровне 90% от требуемого напряжения обратной связи или от измеренного напряжения.

Заключение

Из входного напряжения 2.7 … 38 В на выходе повышающе-понижающего DC/DC преобразователя на переключаемом конденсаторе LTC3245 можно получить стабилизированное фиксированное (3.3 В, 5 В) или регулируемое напряжение. Низкий рабочий ток (20 мкА без нагрузки, 4 мкА в режиме отключения) и минимальное количество внешних компонентов (три небольших керамических конденсатора) идеально соответствуют требованиям маломощных, компактных автомобильных и промышленных приложений.