Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №11

Серия SuperSwitcher II сильноточных DC/DC-преобразователей Micrel

Горьков Сергей  
Самарин Александр  

Импульсные стабилизаторы Micrel имеют высокие характеристики, позволяющие им конкурировать на равных с продукцией таких производителей силовой электроники, как Maxim, Texas Instruments и OnSemi. Номенклатура импульсных преобразователей Micrel постоянно расширяется.

В статье рассматриваются характеристики понижающих импульсных сильноточных стабилизаторов SuperSwitcher II, недавно разработанных компанией Micrel. Особенность этой линейки — в применении патентованной технологии Hyper Speed Control, которая обеспечивает очень быстрый отклик при изменении тока в нагрузке.

Еще одна важная особенность микросхем серии — низкий собственный ток потребления. Например, у MIC26601/901/1201 — 730 мкА, у MIC26603/903/1203 — 450 мкА, что в несколько раз ниже, чем у аналогичных микросхем конкурентов. Столь низкие значения тока потребления позволят повысить общий КПД системы питания. Наличие встроенных защитных схем и компенсации, минимум внешних компонентов, компактный корпус — все это отличительные признаки стабилизаторов серии SuperSwitcher II.

Микросхемы работают в широком диапазоне температур: температура кристалла может варьироваться от –40 до +125 °C. Это позволяет использовать их в разных областях — потребительских устройствах, измерительной аппаратуре, приборах промышленной автоматизации, коммуникационных устройствах и т. д.

В стабилизаторах SuperSwitcher II реализованы различные схемы защиты — отключение выходного напряжения при низком уровне входного напряжения, отключение при перегреве, защита от короткого замыкания и схема плавного включения выходного напряжения для предотвращения бросков тока во входной цепи при старте.

Области применения:

  • ресиверы спутникового ТВ;
  • маршрутизаторы, коммутаторы, модемы;
  • принтеры, сканеры, платы видеоконтроллеров;
  • серверное оборудование, питание процессорных плат;
  • распределенные системы низковольтного питания.

В таблице приведены основные параметры микросхем серии SuperSwitcher II.

Таблица. Основные параметры конвертеров и контроллеров серии SuperSwitcherII

Наименование Диапазон входных напряжений, В Выходной ток, А Выходное напряжение, В Частота преобразования, кГц Архитектура Корпус
MIC28500 30–75 4 До 0,8 100–500 Hyper Speed Control
Any Capacitor
MLF-28
MIC28510 4,5–75 4 0,8–24 100–500
MIC26400 4,5–26 5 0,8–5,5 300
MIC26601 4,5–28 6 600
MIC26600 4,5–26 7 300
MIC27600 4,5–36 7 300
MIC26901 4,5–28 9 600
MIC261201 4,5–28 12 600
MIC26950 4,5–26 12 300
Конвертеры с высокой эффективностью при низкой нагрузке (Hyper Light Load)
MIC26603 4,5–28 6 0,8–5,5 600 Hyper Speed Control
Any Capacitor
MLF-28
MIC26903 9
MIC261203 12
Контроллеры понижающих преобразователей (внешние силовые ключи)
MIC2165/2166 4,5–28 25 0,8–5,5 600 Hyper Speed Control
Any Capacitor
MSOP-10
MIC2124 3–18 25 До 0,8 300
MIC2176 4,5–75 15 До 0,8 100, 200, 300
MIC2174 3–40 25 300

Технология Hyper Speed Control

В микросхемах SuperSwitcher используется фиксированная частота преобразования с адаптивным временем ON включенного состояния выходных ключей. Время фазы ON определяется частотой переключения, а также значениями входного и выходного напряжения преобразователя по формуле:

где TON — период фазы ON, VOUT — выходное напряжение; VIN — входное напряжение; FSW — частота переключения конвертера.

Вычисление времени для таймера фазы ON производится специальным модулем в структуре микросхемы конвертера. Постоянная частота преобразования поддерживается в режиме относительно небольших колебаний тока в нагрузке. При резком увеличении тока в нагрузке длительность фазы OFF ШИМ-сигнала уменьшается на все время, пока уровень сигнала обратной связи будет ниже опорного уровня напряжения VREF, при этом увеличивается частота переключения. Повышение частоты переключения выходных ключей позволяет быстрее скомпенсировать провал выходного напряжения. После стабилизации выходного тока частота вновь возвращается в исходное состояние и становится постоянной. Это решение обеспечивает быстрый отклик, а также позволяет уменьшить номинал выходной емкости. Данная архитектура запатентована производителем под маркой Hyper Speed Control.

Сравним динамические характеристики регуляторов с обычным ШИМ-управлением и методом Hyper Speed Control (рис. 1):

  • Скважность импульсов увеличивается при резком увеличении тока в нагрузке.
  • Уменьшается время фазы OFF при переходном процессе (рис. 2).
  • Частота переключения увеличивается.
  • В состоянии ON ток протекает по цепи вход–выход. Происходит накопление энергии в индуктивности.
  • В состоянии OFF ток протекает по цепи индуктивность–выход. Накопленная энергия индуктивности передается в нагрузку.
  • Состояние IDLE (пустой цикл). Энергия выходного конденсатора поддерживает ток в нагрузке. Конденсатор разряжается.
Сравнение динамики регуляторов

Рис. 1. Сравнение динамики регуляторов с обычным ШИМ-управлением и методом Hyper Speed Control

Применение технологии с пропуском циклов ШИМ обеспечивает расширение диапазона эффективной работы преобразователя в зоне низких нагрузок. Работа на фиксированной частоте приводит к снижению уровня ЭМИ. Быстрый отклик обеспечивает отсутствие «просадок» выходного напряжения при резких изменениях тока потребления в цепи нагрузки, а также меньший уровень пульсаций на выходе. Снижение времени отклика позволяет уменьшить и емкость выходного конденсатора, а значит, уменьшить площадь платы конвертера и снизить стоимость готового продукта.

Фазы управления выходным каскадом преобразователя

Рис. 2. Фазы управления выходным каскадом преобразователя для метода HyperSpeed Control

Режим с малой нагрузкой — Hyper Light Load

Преобразователи SuperSwitcher компании Micrel обеспечивают высокую эффективность преобразования не только в режиме сильноточной нагрузки (до 12 А), но и при работе с низкими выходными токами. Это достигнуто с помощью прерывистого режима работы выходных ключей, при котором производится пропуск циклов преобразования. Этот способ повышения эффективности при работе в режиме малых нагрузок (например, в дежурном режиме) запатентован компанией Micrel под названием Hyper Light Load. В таблице (нижние четыре строки) представлен подкласс микросхем, которые поддерживают этот режим работы с малой нагрузкой.

Выходной конденсатор малой емкости (Any Capacitor)

Стабильность выходного напряжения зависит от конденсатора в выходной цепи DC/DC-преобразователя. В типовых мощных стабилизаторах для обеспечения стабильности выходного напряжения при больших значениях тока нагрузки используется конденсатор с большой емкостью и большим эквивалентным последовательным сопротивлением. Такое решение удорожает схему и приводит к увеличению размеров конвертера. Большая емкость ухудшает стабильность преобразователя. Однако для стабилизаторов Micrel с архитектурой Any Capacitor допускается установка на выходе конвертера компактных керамических конденсаторов.

Технология термостолбиковых выводов Copper Pillar

В сильноточных силовых приборах важными элементами являются конструкция корпуса и технология выводов. Для создания соединений между контактными площадками на кристалле микросхемы и контактами корпуса микросхем SuperSwitcher II вместо традиционных проволочных используются медные столбики. При корпусировании кристаллов микросхем серии SuperSwitcher II применяется технология монтажа flip-chip с тепловыми столбиковыми выводами Copper Pillar, которая обеспечивает значительное увеличение энергоэффективности преобразователя. Они не только обеспечивают уменьшение переходного сопротивления, но и позволяют увеличить перенос выделяемого тепла на кристалле на корпус. Микросхемы серии SuperSwitcher II производятся в компактных корпусах MLF-28 (QFN) размером 5×6 мм с тремя теплоотводящими площадками-контактами либо в корпусах MSOP-10 размером 3×4,9 мм с одной большой теплоотводящей площадкой на дне корпуса.

На рис. 3 показаны ключевые преимущества технологии столбиковых выводов для силовых кристаллов.

Применение технологии монтажа кристаллов посредством термостолбиков Copper Pillar в корпусах MLF

Рис. 3. Применение технологии монтажа кристаллов посредством термостолбиков Copper Pillar в корпусах MLF

Технология термостолбиков для охлаждения полупроводниковых структур была впервые разработана компанией Nextreme-Thermal Solutions. Температурные медные столбики (Copper Pillar Bump) представляют собой термоэлектрическое устройство на основе тонкопленочных термоэлектронных материалов и используются в технологии flip-chip монтажа кристаллов на корпус. В отличие от обычных столбиков припоя, которые обеспечивают электрическое и механическое соединение кристалла к корпусу, термические столбики работают как твердотельные тепловые насосы и добавляют функцию локального управления теплопередачей. По своему строению термический столбик во всем идентичен структуре медного вывода, но имеет дополнительный — термоэлектрический слой. Температурные столбики образуют термопару из различных материалов. На границах (спаях) проявляется термоэлектрический эффект, при котором разница температуры на границе материалов преобразуется в напряжение или наоборот. Эффект может быть использован для генерации энергии, измерения температуры, локального нагревания или охлаждения объектов. В данном случае используется эффект Пельтье термоэлектрического охлаждения торца столбика при прохождении тока через столбик. Таким образом, термостолбик работает как тепловой насос. Происходит перенос тепла от одного торца столбика в сторону другого. Направление переноса тепла определяется направлением протекания тока и свойством материалов спая.

Этот элемент позволяет осуществлять активную передачу тепла с одной стороны вывода на другую. Диаметр термостолбика — около 238 мкм, а высота — 60 мкм. На рис. 4 показана структура и работа теплового вывода.

Прохождение теплового потока от кристалла

Рис. 4. Прохождение теплового потока от кристалла через тепловой столбик на печатную плату

Корпуса с выводами Copper Pillar обеспечивают уменьшение теплового сопротивления корпуса на 20% по сравнению со стандартными корпусами MLF-типа (рис. 5). Преимущества выводов Copper Pillar:

  • Это позволяет увеличить выходные токи, сохранив те же размеры корпуса, или же уменьшить размеры корпуса при том же максимальном выходном токе. При уменьшении размера корпуса снижаются и размеры силовых модулей преобразователей.
  • Для мощных MOSFET-транзисторов обеспечивается уменьшение на 30–50% сопротивления RDS(ON) (за счет меньшего электрического сопротивления тепловых столбиков по сравнению с проволочными соединениями).
  • Уменьшается паразитная емкость и индуктивность выводов.
  • Увеличивается эффективность преобразования за счет уменьшения потерь на переключениях транзистора.
  • Низкий уровень ЭМИ (отсутствуют паразитные колебания при переходах).
Применение технологии термостолбиков позволяет увеличить выходной ток транзисторов

Рис. 5. Применение технологии термостолбиков позволяет увеличить выходной ток транзисторов на 50% при том же размере кристалла

Использование передовых технологий позволило повысить эффективность преобразования в конвертерах серии SuperSwitcher до 95%. На рис. 6 приведены структура и типовая схема включения микросхемы конвертера MIC26601 (интегрированные силовые ключи).

Структура и схема включения микросхемы конвертера MIC26601

Рис. 6. Структура и схема включения микросхемы конвертера MIC26601

На рис. 7 показана типовая схема применения микросхемы контроллера MIC2166 для проектирования импульсного понижающего конвертера с выходным током до 25 А (внешние силовые ключи).

Типовая схема реализации понижающего конвертера на базе микросхемы контроллера MIC2166

Рис. 7. Типовая схема реализации понижающего конвертера на базе микросхемы контроллера MIC2166

Контроллеры MIC2165/66 являются функциональными аналогами микросхемы MAX1954A компании Maxim. Однако цена его значительно ниже.

Отладочные средства

Для тестирования микросхем понижающих конвертеров и контроллеров компания Micrel разработала оценочные платы. В настоящее время доступны оценочные платы на все типы микросхем серии SuperSwitcher II (например, MIC26600YJL EV, MIC26400YJL EV, MIC26601YJL EV, MIC2176-2 15A EV и т. д.). В помощь разработчику Micrel предоставляет online-симулятор и анализатор MICRELSim Center, позволяющий смоделировать работу стабилизаторов серии SuperSwitcher II. Программа позволяет в пошаговом режиме по заданным параметрам синтезировать принципиальную схему на основе выбора типов и номиналов внешних компонентов. В программе предлагаются и несколько вариантов анализа схемы. Разработчик задает требуемые ему значения входного и выходного напряжения и выходного тока, а программа генерирует принципиальную схему с указанием перечня внешних компонентов и их номинальных значений. Пользователю предлагается про-анализировать параметры схемы в различных режимах: при включении питания, в установившемся состоянии, а также проанализировать переходную характеристику.

Литература

  1. Кондратьев В. Методы теплового расчета микросхем и дискретных устройств силовой электроники. Ч. 2 // Электронные компоненты. 2010. № 10.
  2. Newer Synchronous Buck Controllers and Synchronous Buck Regulators. Материалы компании Micrel.
  3. MIC28510. 75V/4A Hyper Speed Control Syncro-nous DC-DC Buck regulator. Super Switcher II. Datasheet Micrel.
  4. MIC26603. 28V,6A Hyper Light Load Syncronous DC/DC Buck regulator. Super Switcher IIG. Datasheet Micrel.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке