Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №2

Современные микропотребляющие DC-DC преобразователи напряжения с накачкой заряда для приборов с батарейным питанием

Яблоков Дмитрий


В отличие от DC/DC-преобразователей, использующих индуктивности для накопления энергии в магнитном поле, преобразователи charge pump (с накачкой заряда) используют переключаемые конденсаторы для переноса и накопления энергии. Во время своего появления на рынке электронных компонентов около десяти лет тому назад преобразователи с накачкой заряда сильно уступали индуктивным по широте своих возможностей и могли предоставить лишь малые токи и нестабилизированные выходные напряжения, кратные входным (обычно с кратностью 2, 3 или –1). В последующие годы интерес к преобразователям с накачкой заряда непрерывно возрастал из-за простоты их использования, дешевизны и высокого КПД.

Функциональная схема простейшего удвоителя напряжения с накачкой заряда представлена на рис. 1, а временная диаграмма, поясняющая его работу, — на рис. 2.

Рис. 1
Рис. 2

В фазе 1 ключи S2, S3 замкнуты, а S1, S4 — разомкнуты: происходит зарядка конденсатора CF до напряжения источника VIN; в это время нагрузка расходует энергию конденсатора COUT. В фазе 2 состояния ключей меняются на противоположные: S2, S3 разомкнуты, а S1, S4 замкнуты: конденсатор COUT подзаряжается до напряжения, равного сумме напряжения источника и CF. Таким образом напряжение на нагрузке колеблется в небольших пределах вокруг 2×VIN, с частотой коммутации ключей.

Исторически самым известным устройством, интегрирующим сразу 2 преобразователя с накачкой заряда, был драйвер интерфейса RS232 фирмы Maxim MAX202. Первый преобразователь микросхемы удваивал напряжение питания +5 В, а второй инвертировал полученное напряжение +10 В в –10 В. И, хотя параметры этих преобразователей были невысоки: выходной ток — единицы миллиампер, а для работы необходимы 5 электролитических конденсаторов по 10 мкФ, — компактное интегральное решение MAX202 было экономически более выгодно, чем 3 отдельные микросхемы: драйвер RS232 и 2 индуктивных DC/DC-преобразователя.

В настоящее время в связи с миниатюризацией электронных компонентов и бурным развитием рынка портативных устройств с батарейным питанием все более привлекательными становятся именно преобразователи с накачкой заряда. Усилия разработчиков преобразователей, направленные на устранение главных недостатков: малой нагрузочной способности, повышенных пульсаций и отсутствия стабилизации выходного напряжения, привели к созданию ряда весьма удачных микросхем с накачкой заряда.

Проблема малой нагрузочной способности была решена с развитием технологий производства компонентов. С появлением керамических конденсаторов с низким внутренним сопротивлением и емкостью до сотни микрофарад появилась возможность переносить большие заряды на высоких частотах. Затем развитие кремниевых технологий позволило интегральным КМОП-ключам коммутировать токи в единицы ампер при низком управляющем напряжении. Благодаря этому современные преобразователи с накачкой заряда работают начиная от напряжения одного элемента (0,9–1,5 В) и обеспечивают ток нагрузки до 300 мА, используя керамические конденсаторы емкостью 1–4,7 мкФ, переключаемые с частотой до 1 МГц.

Следующая проблема повышенных пульсаций решилась внедрением двухтактной (push-pull) схемы удвоителя напряжения (рис. 3).

Рис. 3

Эта схема объединяет два преобразователя с накачкой заряда, работающих параллельно, но в противофазе. Пока конденсатор CF1 заряжается от источника напряжения VIN, конденсатор CF2 передает часть заряда выходному конденсатору COUT; в следующем полупериоде заряжается CF2, а разряжается CF1. Таким образом происходит непрерывная передача энергии в нагрузку. Осциллограммы на рис. 4 иллюстрируют снижение пульсаций выходного напряжения в двухтактной схеме (В) по сравнению с однотактной схемой (А), показанной на рис. 1.

Рис. 4

Последняя и наиболее трудная задача стабилизации выходного напряжения решается сегодня тремя способами: изменением схемы коммутации, преобразованием с пропуском импульсов и преобразованием с постоянной частотой.

Внедрению стабилизации методом изменения схемы коммутации способствовала разработка схемы умножителя напряжения с нецелым коэффициентом кратности преобразования (1,5). Развитие кремниевой технологии позволило совместить на одном кристалле умножители ×1,5, ×2 и ×3. Стабилизация производится изменением в процессе работы, «на лету», коэффициента передачи умножителя в зависимости от изменения входного напряжения и тока нагрузки. Функциональная схема умножителя напряжения с накачкой заряда с коэффициентом преобразования 1,5 представлена на рис. 5.

Рис. 5

Работает схема следующим образом: в фазе 1 замкнуты только ключи S3, S4, S5: при этом происходит зарядка последовательно соединенных конденсаторов CF1иCF2 до на- пряжения источника VIN. Так как CF1 и CF2 имеют одинаковую емкость, то каждый из них оказывается заряженным до напряжения VIN/2. В фазе 2 ключи S3, S4, S5 размыкаются, и замыкаются ключи S1, S2, S6, S7. Конденсаторы CF1 иCF2 оказываются включенными в параллель друг с другом и последовательно с источником VIN. При этом к нагрузке оказывается приложенным напряжение 1,5×VIN.

Способ стабилизации с пропуском импульсов основан на удержании выходного напряжения в заданных пределах при помощи накачки заряда с регулируемой частотой, изменяющейся в зависимости от тока нагрузки (рис. 6).

Рис. 6

Пока выходное напряжение VOUT остается меньше нижней границы заданного диапазона, преобразователь, использующий способ стабилизации с пропуском импульсов, работает в обычном ключевом режиме с фиксированной частотой. Но как только выходное напряжение превысит верхнюю границу, преобразователь переходит в ждущий режим и остается в этом режиме до следующего снижения выходного напряжения меньше нижней границы. График I на рис. 6 показывает моменты дискретной передачи энергии выходному конденсатору COUT при снижении напряжения. Способ стабилизации с пропуском импульсов стабилизации обеспечивает максимальный КПД преобразования благодаря ключевому режиму работы и чередованию активного и ждущего режимов.

Однако наиболее высокое качество стаби- лизации обеспечивает преобразование с постоянной частотой за счет аналогового способа регулирования тока заряда, передаваемого выходному конденсатору COUT (рис. 7).

Рис. 7

Ток регулируется изменением напряжения на затворах ключей, коммутирующих конденсатор CF. КПД преобразования оказывается в этом случае не так высок из-за перехода в аналоговый линейный режим стабилизации.

Существует большое число приложений, в которых качество стабилизации напряжения ±5...10% считается вполне приемлемым, при исключительно жестких требованиях к потреблению, КПД и габаритам стабилизатора. К таким приложениям относятся устройства с батарейным питанием типа индивидуальных носимых медицинских датчиков, портативных измерительных приборов, игрушек, автономных датчиков охранно-пожарной сигнализации и т. п. Именно в этих устройствах использование преобразователей с накачкой заряда оказывается практически безальтернативным.

Одной из наиболее интересных практических реализаций преобразователей с накачкой заряда являются микросхемы серии TPS603xx производства Texas Instruments (табл. 2). Они предназначены для питания от одного элемента напряжением 0,9–1,8 В миниатюрных устройств, потребляющих ток до 20 мА при напряжении 3,0–3,3 В. Фиксированное напряжение стабилизации микросхем TPS603x0 и TPS603x2 равно 3,3 В, а TPS603x1 и TPS603x3 — 3,0 В. Уникальной особенностью этих микросхем является высокий КПД и исключительно низкий собственный ток потребления, имеющий типовое значение 2 мкА при токе нагрузки до 2 мА. Микросхемы выпускаются в корпусе 8VSSOP размером 3$5 мм с шагом выводов 0,5 мм.

Таблица 2. Семейство низковольтных стабилизированных преобразователей напряжения с накачкой заряда серии TPS
Семейство низковольтных стабилизированных преобразователей напряжения с накачкой заряда серии TPS

Для достижения максимального КПД микро- схемы серии TPS603xx гибко используют все три способа стабилизации, описанные выше: изменением схемы коммутации, преобразованием с пропуском импульсов и преобразованием с постоянной частотой (табл. 1). Выбор наиболее эффективного способа осуществляется автоматически схемой управления, в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки.

Таблица 1. Особенности основных способов стабилизации напряжения в преобразователях с накачкой заряда
Особенности основных способов стабилизации напряжения в преобразователях с накачкой заряда

Структурная схема микросхем серии TPS6031x приведена на рис. 8.

Рис. 8

Микросхемы имеют в своем составе два последовательно включенных преобразователя с накачкой заряда, источник опорного напряжения, два усилителя ошибки, компаратор выходного напряжения, схему мягкого запуска и управления. Первый из преобразователей построен по стандартной схеме удвоителя напряжения и имеет свой выход OUT1, у второго преобразователя изменяемый коэффициент передачи — 1,5 или 2. Его выход OUT2 и является выходом микросхемы. Переключением схемой управления общего коэффициента передачи х3 или х4 достигается грубая первичная стабилизация напряжения, в зависимости от условий работы.

Выход OUT2 стабилизирован, а на выходе OUT1 присутствует нестабилизированное удвоенное напряжение источника VIN. Ток, снимаемый с выхода OUT2, не должен превышать 20 мА при ненагруженном выходе OUT1. Или, наоборот, при ненагруженном выходе OUT2 с выхода OUT1 можно получить не более 40 мА. Исходя из последнего условия могут быть вычислены любые другие сочетания максимальных токов для этих выходов. Например, можно одновременно получать 20 мА с выхода OUT1 и 10 мА с выхода OUT2.

Более точная стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью комбинированного алгоритма управления, названного разработчиками «LinSkip», и представляющего собой адаптивное сочетание двух алгоритмов: преобразования с пропуском импульсов и преобразования с постоянной частотой. Преобразование с пропуском импульсов, как наиболее экономичное, используется при малых значениях тока нагрузки, менее 7,5 мА. При большем значении тока, для снижения пульсаций, микросхема автоматически переключается в режим преобразования с постоянной частотой. Возрастающий в линейном режиме до 2 мА собственный ток потребления уже не играет в этом случае существенной роли в общем энергопотреблении.

Микросхемы серии TPS603xx имеют еще один, особый режим работы «snooze», при котором собственный ток потребления снижается до 2 мкА, что ниже, чем ток саморазряда большинства химических источников тока. В батарейных приборах это позволяет совсем отказаться от выключателя питания. При переходе в режим «snooze» точность стабилизации выходного напряжения снижается с ±4% до ±10%. Микросхемы автоматически переходят в режим «snooze», если ток, потребляемый нагрузкой, меньше 2 мА и выходят из этого режима при токе нагрузки больше 2 мА. Переход в режим «snooze» может быть заблокирован высоким логическим уровнем на выводе 1 SNOOZE микросхемы. КПД преобразователя, в зависимости от тока нагрузки, в различных режимах работы и точки переходов между этими режимами показаны на рис. 9.

Рис. 9

Компараторы напряжения, использованные в серии TPS603xx, формируют импульс сброса низкого логического уровня при падении выходного напряжения стабилизатора ниже 98% от номинала. Микросхемы TPS603x0 и TPS603x1 имеют выход компаратора с открытым стоком, а TPS603x2 и TPS603x3 двухфазный КМОП выходной каскад (рис. 10).

Рис. 10

Способность выходного КМОП-каскада отдавать ток до 5 мА и низкое сопротивление верхнего ключа R(PG1), составляющее около 15 Ом, позволяют использовать встроенный компаратор не только в режиме супервизора. Например, через КМОП-каскад компаратора к выходу преобразователя OUT2 возможно подключение дополнительной нагрузки. На рис. 11 показано, что нагрузка может представлять собой периферийную аналоговую цепь, полностью отключаемую от источника при снижении выходного напряжения или принудительном выключении преобразователя. Таким образом достигается дополнительная экономия энергии батареи. Кроме того, сопротивление ключа R(PG1) совместно с конденсатором CPG составляют RC-цепочку, дополнительно фильтрующую пульсации напряжения.

Рис. 11

Цоколевка, внутренняя структура и логика работы TPS6030x и TPS6031x полностью идентичны, за исключением назначения вывода 1 микросхем. У TPS6031x вывод 1 SNOOZE предназначен для принудительной блокировки перехода в режим «snooze», а у TPS6030x вывод 1 EN отключает преобразователь при подаче сигнала низкого логического уровня.

Важной особенностью, присущей преобразователям с накачкой заряда, является полное отсоединение нагрузки от источника при выключении преобразователя, что продлевает срок службы батареи.

Все микросхемы серии TPS603xx требуют для работы 5 конденсаторов по 1 мкФ. В качестве C1F, C2F возможно применение дешевых конденсаторов меньшей емкости, до 0,1 мкФ, без ухудшения стабильности, но с соответствующим уменьшением максимального выходного тока. Из-за высокой частоты переключения, среднее значение которой составляет 700 кГц, все используемые конденсаторы должны быть только керамическими. Чтобы снизить пульсации выходного напряжения, очень важно минимизировать внутреннее сопротивление выходного конденсатора. Для этого желательно составить его из нескольких однотипных керамических конденсаторов, соединенных параллельно.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке