Микросхема широтно-импульсного контроллера 1310ЕУ015

Компания АО «ПКК Миландр» разрабатывает и производит широкий спектр изделий микроэлектроники (микроконтроллеры, микропроцессоры, микросхемы памяти, универсальные электронные модули и т. д.). Среди этих изделий присутствуют микросхемы и электронные модули преобразователей напряжения. Анализ рынка показал, что наиболее востребованными среди российских потребителей являются источники питания относительно малой мощности, предназначенные для создаваемых конечных систем, — так называемые преобразователи Power on Load. Поэтому в компании особое внимание уделяется разработкам, связанным именно с этим сегментом. По принципу работы все источники питания (ИП) можно разделить на два типа: с непрерывным и дискретным (ключевым) принципом стабилизации. К первому типу относится микросхема 1309ЕР1Т, представляющая собой линейный стабилизатор напряжения. Ко второму типу относятся микросхема 1310НН015, представляющая собой полностью интегральный DC/DC-преобразователь, микросхема ШИМ-контроллера 1310ЕУ015 и ряд созданных на его основе электронных модулей импульсных источников питания с внешними силовыми ключами.

На рис. 1 представлена блок-схема DC/DC-преобразователя на основе микросхемы ШИМ-контроллера 1310ЕУ015. В его состав входят усилитель ошибки и цепь компенсации, драйвер нижнего плеча, драйвер верхнего плеча, два МОП-транзистора, внутренний стабилизатор напряжения (LDO), ШИМ-компаратор, блоки логики, ZCD-компаратор, датчик уровня тока, индуктивность, резистор датчика тока, резистивный делитель, цепь вольтодобавки, элементы генератора пилообразного напряжения и емкость нагрузки.

Рис. 1. Блок-схема DC/DC-преобразователя на основе микросхемы ШИМ-контроллера 1310ЕУ015

Как видно на блок-схеме, приведенной на рис. 1, для управления током дросселя используются два силовых МОП-транзистора, работающие в противофазе. Такое конструктивное решение позволяет получить более высокие значения коэффициента полезного действия (КПД) по сравнению с асинхронными DC/DC-преобразователями, использующими один МОП-транзистор и обратный диод Шоттки.

Ниже показано влияние параметров компонентов схемы на КПД DC/DC-преобразователя. Для этого необходимо учесть рассеиваемую мощность всех основных компонентов схемы преобразователя:

1. Полезная мощность, рассеиваемая нагрузкой:

P_out = I_outV_out,                      (1)

где I_out — выходной ток DC/DC-преобра-зователя; V_out — выходное напряжение DC/DC-преобразователя.

2. Мощность, рассеиваемая вследствие перезарядки межэлектродных емкостей выходных МОП-транзисторов:

P_sw = 2×(C_GS×∆V+C_GD×(∆V+V_in)+

+C_DS×V_in)×f_sw×V_in,               (2)

где C_GS — емкость затвор-исток выходного МОП-транзистора; C_GD — емкость затвор-сток выходного МОП-транзистора; C_DS — емкость сток-исток выходного МОП-транзистора; ∆V — величина изменения управляющего напряжения; f_sw — частота переключения МОП-транзисторов; V_in — входное питающее напряжение DC/DC-преобразователя. В связи с тем, что в синхронном преобразователе используется два выходных транзистора, в выражении (2) присутствует коэффициент 2.

3. Мощность, рассеиваемая на сопротивлении выходных МОП-транзисторов:

P_RМОП1 = I²_outR_МОП1(t_ON/T) = I²_outR_МОП1(V_out/V_in),              (3)

P_RМОП2 = I²_outR_МОП2(t_OFF/T) = I²_outR_МОП2(1–V_out/V_in),           (4)

где R_МОП1 — сопротивление транзистора верхнего плеча; R_МОП2 — сопротивление транзистора нижнего плеча; t_ON — длительность открытого состояния транзистора верхнего плеча; t_OFF — длительность открытого состояния транзистора нижнего плеча; T — период переключения МОП-транзисторов.

4. Мощность, рассеиваемая на токоизмерительном резисторе R_s в цепи истока МОП-транзистора нижнего плеча:

P_Rs = I²_outR_s(1–V_out/V_in),              (5)

где R_s — сопротивление токоизмерительного резистора в составе датчика тока, отслеживающего средний ток в дросселе.

5. Мощность, рассеиваемая на паразитном сопротивлении дросселя:

P_dcr = I²_outR_dcr,                      (6)

где R_dcr — паразитное сопротивление дросселя.

6. Мощность, рассеиваемая на паразитном сопротивлении выходной емкости C_out:

P_esr = (I²_pp/3)R_esr,                  (7)

где R_esr — эквивалентное последовательное сопротивление выходной емкости; I_pp — ток пульсации через дроссель.

7. Мощность, рассеиваемая на паразитном сопротивлении компонентов преобразователя — сопротивлении проводников платы и т. д.:

P_Rpar = I²_outR_par,                       (8)

где R_par — суммарное паразитное сопротивление всех компонентов (паразитные эффекты печатной платы и т. д.).

8. Собственная мощность потребления микросхемы ШИМ-контроллера:

P_Vin = I_ccV_in,                        (9)

где I_cc — собственный ток потребления микросхемы ШИМ-контроллера.

С учетом выражений (1–9) запишем формулу для КПД DC/DC-преобразователя:

η = (100%×P_out)/(P_out+P_sw+P_RМОП1+P_Rs+R_dcr+P_esr+P_Rpar+P_Vin).         (10)

Используя выражение (10), можно оценочно спрогнозировать значение КПД преобразователя, зная характеристики компонентов устройства.

Важно отметить, что из выражения (10) следует, что КПД преобразователя сильно зависит от выбора МОП-ключей. Также КПД преобразователя зависит от частоты f_sw переключения выходных транзисторов. При одних и тех же выходных транзисторах КПД увеличивается при уменьшении частоты f_sw.

Ближайшим аналогом микросхемы 1310ЕУ015 является микросхема LM25117 фирмы Texas Instruments. Рассчитаем КПД DC/DC-преобразователя на основе микросхемы LM25117 по формуле (10). В качестве выходных транзисторов используем рекомендованные производителем транзисторы SI7884BDP, имеющие следующие параметры: C_GS = 3,4 нФ, C_GD = 142 пФ, C_DS = 193 пФ, R_ds(on) = 7,3 мОм. Тогда при типовых режимах и параметрах схемы V_in = 5,12 В, V_out = 1 В, f_sw = 200 кГц, ∆V = 5 В, I_cc = 2 мА, R_par = 15 мОм, R_S = 8 мОм получается рассчитанная зависимость КПД от тока нагрузки, представленная на рис. 2а.

Рис. 2. Расчетная зависимость КПД DC/DC-преобразователя от тока нагрузки при двух значениях питающего напряжения 5 и 12 В:
а) кремниевые транзисторы SI7884BDP;
б) нитрид-галлиевые транзисторы EPC2111

Также вычислим зависимость КПД по формуле (10) для нитрид-галлиевых транзисторов EPC2111: V_out = 1 В, f_sw = 200 кГц, V_in = 5 и12 В, I_cc = 2 мА, R_par = 15 мОм, R_S = 8 мОм, ∆V = 5 В (рис. 2б).

Теперь приведем экспериментально снятую зависимость КПД от тока нагрузки для напряжения 5 и 12 В: в случае использования микросхемы 1310ЕУ015 и МОП-транзисторов SI7884BDP (рис. 3а), а также для случая использования МОП-транзисторов российской компании «Ангстрем» (2П7248А и 2П7162А) для V_out = 1 В и f_sw = 200 кГц (рис. 3б).

Рис. 3. Экспериментально снятые зависимости КПД DC/DC-преобразователя (в составе микросхемы 1310ЕУ015) от тока нагрузки при двух значениях питающего напряжения 5 и 12 В:
а) кремниевые транзисторы SI7884BDP;
б) МОП-транзисторы российской компании «Ангстрем» (2П7248А и 2П7162А)

Для пользователя электронного устройства больший КПД означает меньшее энергопотребление (несмотря на большее время время работы от батареи), меньше проблем с отводом тепла и, соответственно, меньшие габариты и бóльшую надежность. Максимальная рабочая температура для полупроводников составляет +150 °C. Чтобы поддерживать температуру полупроводникового кристалла на таком уровне, с учетом теплового сопротивления «кристалл–подложка» и «подложка–окружающая среда», температура корпуса элемента должна быть +120 °C, а температура платы преобразователя — еще ниже. Неприятный эффект состоит в том, что с ростом температуры электрическое сопротивление и медных проводников, и каналов силовых транзисторов увеличивается, то есть КПД преобразователя падает, и он начинает нагреваться быстрее. Проблема отвода тепла для локализованных к нагрузке преобразователей стоит особенно остро, поскольку у них малые габариты, отсутствуют радиаторы и они работают в тесном соседстве с другими элементами электронного устройства, которые также выделяют тепло и нагревают окружающий воздух. Охлаждение модулей локализованных к нагрузке преобразователей происходит различными путями. Элементы на плате располагаются таким образом, что слабые конвекционные потоки воздуха уносят с их поверхностей максимум тепла. При наличии принудительного обдува занимающий значительную часть конструкции дроссель может служить радиатором. Толстые проводники обмотки отводят тепло от участков металлизации на плате и рассеивают его. Таким образом, печатная плата преобразователя должна проектироваться с учетом, что ее охлаждение может осуществляться за счет отвода тепла.

Следующими важными характеристиками DC/DC-преобразователей являются время и амплитуда отклика при резком изменении величины нагрузки преобразователя. Эти характеристики сильно зависят от полосы пропускания DC/DC-преобразователя по уровню 0 дБ. Преимущество микросхемы 1310ЕУ015 заключается в возможности задать полосу пропускания с помощью внешних компонентов. Полосу пропускания по 0 дБ оценочно можно определить по следующей формуле:

F_0дБ ≈ R_comp/2×π×R_S×R_FB2×A_S×C_out,  (11)

где R_comp — сопротивление резистора в цепи компенсации; R_FB2 — сопротивление резистора в цепи обратной связи; A_S — коэффициент усиления буфера датчика тока; C_out — емкость фильтрующего конденсатора на выходе DC/DC-преобразователя.

Для обеспечения устойчивости схемы необходимо корректно выбрать величину емкости С_comp конденсатора в цепи компенсации. Внешние компоненты R_comp и С_comp формируют ноль передаточной функции DC/DC-преобразователя, которым необходимо скомпенсировать полюс нагрузки. Величину емкости С_comp рекомендуется выбирать следующим образом:

C_comp = (R_out×C_out)/R_comp.          (12)

Важно отметить, что для обеспечения устойчивой работы схемы частота переключения МОП-транзисторов f_sw должна быть выбрана с учетом следующей рекомендации:

f_sw ≥ 5f_0дБ.                        (13)

На рис. 4 приведена временная диаграмма отклика DC/DC-преобразователя на основе микросхемы 1310ЕУ015 с выбранной полосой пропускания f_0дБ = 11,6 кГц (R_comp = 20 кОм, R_S = 8 мОм, R_FB2 = 3,24 кОм, A_S = 13, C_out = 812 мкФ). Отклик мал по амплитуде и быстро затухает.

Рис. 4. Временная диаграмма отклика DC/DC-преобразователя на основе микросхемы 1310ЕУ015

Следующим функциональным достоинством микросхемы 1310ЕУ015 является реализация плавного старта. Микросхема имеет вывод SS для подключения внешнего конденсатора, емкость которого определяет длительность плавного старта в соответствии со следующей формулой:

t_ss = (C_ss×V_ref)/I_ss,                  (14)

где C_ss — емкость конденсатора плавного старта; I_ss — ток заряда конденсатора плавного старта (10 мкА); V_ref — опорное напряжение (0,7 В).

Например:

t_ss = (47 мкФ×0,7 В)/10 мкА = 3,3 мс.

На рис. 5 представлена осциллограмма, иллюстрирующая плавное нарастание выходного напряжения DC/DC-преобразователя при подаче напряжения питания.

Рис. 5. Временная диаграмма плавного старта DC/DC-преобразователя на основе микросхемы 1310ЕУ015

Таким образом, микросхема ШИМ-контроллера 1310ЕУ015 позволит реализовать высокоэффективные DC/DC-преобразователи, обладающие широкими функциональными возможностями и подходящие для разнообразного спектра применений.