Модули питания Simple Switcher EXT для экстремальных условий эксплуатации

Введение

Мы продолжаем знакомить читателей с новыми интегральными импульсными стабилизаторами напряжения компании National Semiconductor, которые появились на рынке электронных компонентов в начале 2010 года под названием Simple Switcher Power Modules LMZ Series — модули питания Simple Switcher серии LMZ.

В первой статье [1] из цикла публикаций о модулях питания компании National Semiconductor был сделан краткий обзор серии LMZ и рассмотрены основные преимущества модулей питания со встроенной экранированной катушкой индуктивности по сравнению с импульсными стабилизаторами напряжения, в которых используется

внешняя катушка индуктивности [2], а также интегральными модулями питания других производителей. Более подробно были представлены микросхемы семейства LMZ105xx с максимальным входным напряжением 5,5 В и током нагрузки до 5 А. Вторая статья [3] цикла была посвящена семействам микросхем LMZ120xx и LMZ142xx с максимальным входным напряжением, соответственно, 20 и 42 В и током нагрузки до 3 А.

В этой статье речь пойдет о новейшей серии LMZ-EXT модулей питания, созданных для эксплуатации в экстремальных условиях окружающей среды (рис. 1). Микросхемы этой серии отличаются рабочим температурным диапазоном кристалла (Т_j) от -55 до +125 °С, а также очень высокой устойчивостью к ударным нагрузкам и вибрациям.

Рис. 1. Потенциальные области применения модулей питания серии LMZ-EXT

Общая характеристика серии LMZ-EXT

В [1] мы уже говорили о том, что компания ведет разработку микросхем с расширенным рабочим температурным диапазоном, и в начале августа этого года было официально объявлено о запуске новых модулей питания в серийное производство.

В состав новой серии модулей питания вошли 9 микросхем (таблица), которые по своим конструктивным и электрическим характеристикам ничем не отличаются от ранее выпущенных модулей питания серии LMZ, при условии совпадения базовых (то есть без буквенных суффиксов) наименований микросхем. Основные отличия новых модулей питания заключаются в их эксплуатационных характеристиках, благодаря которым открываются большие перспективы по использованию этих компонентов в разных областях.

Сначала остановимся более подробно на тех чертах, которые модули питания серии LMZ-EXT унаследовали от своих предшественников.

Таблица. Основные параметры модулей питания серии LMZ-EXT

По своему принципу действия модуль питания является интегральным импульсным стабилизатором напряжения, в котором реализована топология понижающего DC/DC импульсного преобразователя с синхронным управлением силовыми ключами [2]. Это функционально законченное устройство со встроенными силовыми ключами, а также со встроенной экранированной катушкой индуктивности. Для построения источника питания на основе такой микросхемы к ней требуется подключить лишь несколько внешних пассивных компонентов: 3 резистора и 4 конденсатора, как показано на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Функциональная схема источника питания на базе микросхемы семейства LMZ105xxEXT

Рис. 3. Функциональная схема источника питания
на базе микросхемы семейства LMZ120xxEXT или LMZ142xxEXT

В модулях питания семейства LMZ105xxEXT используется метод стабилизации, основанный на широтно-импульсной модуляции разности выходного напряжения и образцового напряжения, вырабатываемого встроенным опорным источником. Модули этого семейства работают на постоянной частоте коммутации силовых ключей, равной 1 МГц. Внутри семейства все модули повыводно совместимы друг с другом, но не с представителями других семейств, так как модули LMZ105xxEXT отличаются от LMZ120xxEXT и LMZ142xxEXT цоколевкой и схемой включения (рис. 2 и 3).

Семейства LMZ120xx и LMZ142xx имеют много общего и отличаются друг от друга только пределами изменения входных напряжений, допустимые значения которых приведены в таблице. В модулях обоих семейств используется метод стабилизации выходного напряжения Constant On Time [3], в основе которого лежит постоянное (при постоянном входном напряжении) время включения «главного» силового ключа, соединяющего вход модуля с катушкой индуктивности, второй вывод которой соединен с выходом модуля. Частота коммутации зависит от сопротивления резистора R_on (рис. 3) и может задаваться разработчиком источника питания в пределах от 100 кГц до 1 МГц. Модули обоих семейств имеют одинаковую цоколевку и, при соблюдении требований к предельным режимам эксплуатации, полностью взаимозаменяемы.

Выходное напряжение всех модулей питания серии LMZ-EXT регулируется с помощью внешних резисторов обратной связи R_fb1 и R_fb2. Минимальное выходное напряжение равно 0,8 В; максимальное напряжение — 5 или 6 В (таблица).

Вход SS модуля питания (рис. 2 и 3) предназначен для программирования режима Soft Start («мягкий» старт), благодаря которому снижается пусковой бросок тока и исключается перерегулирование при включении модуля. Время «мягкого» старта, в течение которого выходное напряжение достигает своего установившегося значения, зависит от емкости внешнего конденсатора C_SS. При емкости 0,01 мкФ время «мягкого» старта будет равно приблизительно 1 мс. Для увеличения или уменьшения этого времени нужно пропорционально изменить емкость конденсатора C_SS.

Все модули питания выпускаются в герметичном компактном 7-выводном корпусе типа TO-PMOD с габаритными размерами 10,16×13,77×4,57 мм (рис. 1). Выводы микросхемы имеют длину 3,92 мм и шаг 1,27 мм. Металлическая пластина на обратной стороне корпуса выполняет функцию теплоот-вода. При монтаже микросхемы на печатную плату эту пластину следует электрически соединить с шиной «земля». Тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом равно 1,9 °С/Вт. Тепловое сопротивление между кристаллом и окружающей средой составляет 20 °С/Вт.

Еще одним очень важным достоинством корпуса TO-PMOD является внутренний защитный экран, благодаря которому снижается уровень электромагнитных помех, создаваемых при работе импульсного преобразователя напряжения. По уровню излучаемых электромагнитных помех модули питания серий LMZ и LMZ-EXT соответствуют стандарту EN55022 (Class B) [4].

Материалы, из которых изготовлены микросхемы, соответствуют директиве RoHS.

Рабочий температурный диапазон

Благодаря отличным теплофизическим и механическим характеристикам корпуса TO-PMOD, модули питания National Semiconductor могут работать в широком температурном диапазоне без применения дополнительного радиатора или принудительного охлаждения. Модули серии LMZ рассчитаны на работу при температуре кристалла от -40 до +125 °C. Новые модули питания серии LMZ-EXT имеют расширенный рабочий температурный диапазон — от -55 до +125 °C. Это открывает большие перспективы для применения новых компонентов в электронной аппаратуре, предназначенной для эксплуатации в самых суровых условиях окружающей среды, например в аппаратуре военного назначения, на транспорте, в условиях Крайнего Севера и в других районах с холодным климатом (рис. 1).

Видеоотчет о температурных испытаниях модулей питания LMZ-EXT можно посмотреть на web-сайте производителя [4].

Устойчивость к ударным нагрузкам и вибрациям

Кроме климатических испытаний, были также проведены независимые испытания микросхем серии LMZ-EXT на устойчивость к ударным нагрузкам в соответствии с военным стандартом MIL-STD-883 (Method 2002.3, Condition B) и промышленным стандартом JESD22-B110 (Condition B), а также испытания на устойчивость к вибрациям в соответствии со стандартами MIL-STD-883 (Method 2007.2, Condition A) и JESD22-B103B (Condition 1) [4]. Испытания показали, что микросхемы способны выдерживать однократные перегрузки с ускорением 1500g и вибрации в течение 4 минут с частотой от 20 до 2000 Гц и ускорениями 20g по всем трем координатным осям, где g = 9,81 м/с².

Области применения

Модули питания серии LMZ-EXT предназначены для построения источников питания электронной аппаратуры, способной работать в самых суровых эксплуатационных условиях. Модули имеют выдающиеся технические характеристики, из которых следует отметить высокий КПД, максимальное значение которого у всех микросхем серии превышает 90%, рабочий температурный диапазон от -55 °C, низкий уровень излучаемых помех, высокую устойчивость к вибрациям и ударным нагрузкам. Простой, компактный, герметичный и очень надежный корпус TO-PMOD способен выдерживать большие перепады температуры и хорошо отводит тепло от кристалла микросхемы, благодаря чему при выделяемой в нагрузке мощности до 25 Вт модулю не требуются ни внешний радиатор, ни принудительный обдув.

Новые модули питания могут быть рекомендованы для PoL источников питания электронных устройств, применяемых в военной и авиационной технике, на железнодорожном и автомобильном транспорте, в медицинской и измерительной технике, в промышленной электронике, а также в любой электронной аппаратуре, предназначенной для эксплуатации при больших перепадах температуры окружающей среды, например в уличных банкоматах и телекоммуникационных устройствах.

Заключение

Если по условиям технического задания есть входная шина питания с напряжением +3,3, 5, 12, 24 или 36 В и требуется создать высоконадежный, компактный и относительно недорогой PoL источник питания с выходным напряжением от 0,8 до 5 В, с максимальным выходным током от 1 до 5 А, низким уровнем излучаемых электромагнитных помех и еще с целым рядом других очень высоких технических характеристик, то стоит обратить внимание на интегральные модули питания серий LMZ и LMZ-EXT компании National Semiconductor. Эти микросхемы помогут решить поставленную задачу в кратчайшие сроки и с гарантированным результатом.

Литература

1. Иванов Д. Модули питания Simple Switcher // Компоненты и технологии. 2010. № 5.
2. Иванов Д. LM2267x — Simple Switcher в пятом поколении // Компоненты и технологии. 2009. № 1.
3. Иванов Д. Модули питания LMZ120xx и LMZ142xx // Компоненты и технологии. 2010. № 6.
4. Справочно-информационный портал компании National Semiconductor. Продукция Simple Switcher Power Modules — http://www.national.com/ analog/power/simple_switcher_power_modules