Новинки компании Texas Instruments.
Импульсные преобразователи напряжения

Введение

Современная концепция организации питания электронных устройств предполагает наличие необходимых источников напряжения непосредственно там, где оно потребляется, то есть на печатной плате, реализующей ту или иную функцию. Данная концепция имеет англоязычное название POL (point of load, точка нагрузки). Подобный подход имеет ряд преимуществ (снижение числа соединений, потерь, уменьшение помех и т. д.), реализация его стала возможна во многом благодаря развитию рынка преобразователей напряжения. Сегодня доля преобразователей (регуляторов) напряжения является, пожалуй, наибольшей в сегменте рынка аналоговой полупроводниковой электроники. Компания Texas Instruments считается признанным лидером среди производителей микросхем управления питания в целом и преобразователей напряжения в частности. Статья посвящена интересным с нашей точки зрения новым преобразователям Texas Instruments, выпущенным в текущем году. Кроме того, будет проведено сравнение новинок Texas Instruments с продуктами других производителей — там, где это представится возможным.

Понижающие импульсные регуляторы

В 2015 году выпущен ряд новых сверхэкономичных импульсных регуляторов серии TPS6274x, основные характеристики которых приведены в таблице 1. Серия TPS6274x является развитием вышедшей ранее серии TPS6273x и отличается более высоким значением выходного тока (0,3 А вместо 0,1), а также способами управления выходным напряжением. Динамическое управление выходным напряжением является особенностью данной серии, оптимизированной для использования в устройствах с автономным питанием, в том числе с наличием радиоканала. Все три новых регулятора имеют синхронное выпрямление и логический вход для их отключения. Однако самой интересной особенностью новинок является высокий КПД при очень малых нагрузках (рис. 1). Из представленной зависимости видно, что КПД (в качестве примера взят TPS62743) превышает 50% при нагрузке всего 1 мкА. Это означает, что собственное потребление не превышает 1 мкА при работающем выходном каскаде. Для сопоставления: ток саморазряда популярного литиевого элемента 2032 составляет единицы микроампер.

Рис. 1. Зависимость КПД регулятора TPS62743 от нагрузки

*  Здесь и далее приводится стандартная цена с сайта производителя [4, 5, 6] в партии от 1000 штук.

Отличие TPS62746 от TPS62743 заключается в способе управления выходным напряжением. В TPS62743 выходное напряжение управляется при помощи трех логических входов в диапазоне от 1,2 до 3,3 В, с шагом 0,3 В. В TPS62746 (рис. 2) при помощи логического вывода можно выбрать одно из двух напряжений — 1,2 или 1,8 В. Интересной особенностью TPS62746 представляется наличие аналогового ключа, коммутирующего входное напряжение с дополнительным выводом. Таким образом можно, например, управлять питанием дополнительных аналоговых цепей (датчиков, усилителей). Выходное напряжение TPS62745 задается так же, как у TPS62743, с той лишь разницей, что управляющих входов четыре, а не три. Выходное напряжение меняется с шагом 0,1 от 1,8 до 3,3 В (от 1,3 до 2,8 у TPS627451). TPS62745 имеет повышенное напряжение питания до 10 В. Топология регуляторов требует минимального числа внешних компонентов, высокая частота коммутации (1200 кГц и больше) минимизирует номиналы используемых емкостных и индуктивных элементов.

Рис. 2. Типичное включение регулятора TPS62746

Поиск конкурентов регуляторов серии TPS6274x оказался делом нелегким, что, в частности, демонстрирует уникальность вышедших компонентов. В итоге для сравнения приводим характеристики регулятора Linear Technology LTC3388. Преобразователь Linear Technology имеет существенно большее входное напряжение (до 20 В), тем не менее у него гораздо меньший выходной ток. Причем LTC3388 характеризуется вдвое большим потреблением на холостом ходу (а это, пожалуй, самый любопытный параметр в данном случае), более низким КПД, при этом его цена гораздо выше.

Повышающие преобразователи напряжения

В текущем году выпущен также ряд интересных повышающих преобразователей. Основные характеристики новинок представлены в таблице 2. Семейство TPS61098(x) имеет встроенный линейный регулятор (рис. 3), характеризуется высоким КПД в широком диапазоне выходных токов. Тип выпрямления — синхронный. Регулятор может использоваться в двух режимах — штатном и экономичном. В экономичном режиме КПД преобразователя достигает почти 70% при выходном токе 1 мкА. Состояние выходов TPS61098(x) в различных режимах приведено в таблице 3. Минимальное входное напряжение 0,7 В позволяет питать повышающий преобразователь от одного элемента типа АА или ААА. Регулятор оптимален для источников питания малопотребляющих автономных сенсоров, в том числе с радиоканалом. Поиски конкурента серии TPS61098(x) успехом не увенчались. Нашлись единицы повышающих преобразователей с близкими значениями потребления на холостом ходу, среди них, однако, не удалось найти ни одного со встроенным линейным регулятором.

Рис. 3. Упрощенная схема TPS61098(x)

Другая новинка — повышающий регулятор TPS61046 — продолжает серию TPS6104x. Основными отличиями новинки являются высокий КПД в области малых нагрузок (>50% при нагрузке 1%), а также чрезвычайно малый потребляемый ток в режиме покоя (100 нА). Достигается это «честным» отключением входного напряжения от остальных цепей регулятора. TPS61046 предназначен для широкого круга приложений, включая питание светодиодной подсветки дисплеев. Выпускается регулятор в компактном корпусе 1,2×0,8 мм, требует при этом минимальной обвязки.

Отметим и новый повышающий регулятор TPS61088, отличающийся максимальным выходным током среди низковольтных преобразователей Texas Instruments. Максимальный ток ключа TPS61088 составляет 11,9 А. Новый регулятор имеет синхронное выпрямление и регулируемый максимальный ток ключа. К особенностям TPS61088 следует отнести высокий КПД в широком диапазоне нагрузок (рис. 4). Выполнен преобразователь в компактном корпусе 4,5×3,5 мм и тем самым обеспечивает возможность создания источника питания с высокой удельной мощностью.

Рис. 4. Зависимость КПД повышающего преобразователя TPS61088 от нагрузки (входное напряжение 3,6 В)

Преобразователи напряжения на переключаемых емкостях

В текущем году обновилась и линейка преобразователей напряжения на переключаемых емкостях. Преобразователи подобного типа просты в разработке, недороги и требуют минимальной обвязки. Кроме того, эти преобразователи в сравнении с конкурентами, использующими индуктивный элемент, дают значительно более низкий уровень электромагнитных помех. Тем не менее разработчики зачастую незаслуженно забывают о них.

В последнее время изготовлены два импульсных преобразователя, их основные параметры приведены в таблице 4. Общее достоинство обоих преобразователей — высокие значения выходного тока для данного класса устройств — до 200 мА. Другое преимущество — высокая частота переключения, 2000 кГц и выше. Это позволяет экономить на внешних емкостных элементах и облегчает фильтрацию, если необходимо добиться низкого уровня шумов в цепях питания. Оба преобразователя имеют режим отключения, что позволяет использовать их в устройствах с автономным питанием.

Преобразователь LM2775 — повышающий регулятор (рис. 5), обеспечивающий на выходе стабилизированное напряжение 5 В. Источником питания может, в частности, служить литий-ионный аккумулятор или батарея. LM2775 отличается умеренным током потребления, кроме того, имеет режим частотно-импульсной модуляции, способный повысить КПД при малых нагрузках.

Рис. 5. Схема включения повышающего преобразователя LM2775

Еще один выпущенный преобразователь, LM2776, имеет инвертирующую архитектуру. LM2776 — это одно из самых простых решений для организации биполярного питания операционных усилителей и прочей аналоговой периферии. Отметим также высокий КПД преобразователя в достаточно широком диапазоне нагрузок (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость КПД инвертирующего преобразователя LM2776 от нагрузки (входное напряжение 5,5 В)

Понижающие регуляторы серии SWIFT

SWIFT — серия понижающих импульсных регуляторов Texas Instruments узнается по наименованию TPS54xxx. В отличие от понижающих преобразователей серии TPS62xxx регуляторы серии SWIFT обладают более широким диапазоном входных напряжений и выходных токов, а также большим набором функций и настроек. В текущем году изготовлен преобразователь TPS54334 (табл. 5), на примере которого можно проследить тенденции развития данного семейства. Новый регулятор синхронный, имеет функцию плавного запуска и внешнюю компенсацию. TPS54334 отличается высоким значением КПД — свыше 90% при входном напряжении 12 и выходном 3,3 В (рис. 7). При этом цена преобразователя с входным напряжением до 28 В и выходным током до 3 А составляет менее $1. Для сравнения представлены характеристики регулятора MP2303 Monolithic Power — компании, которая вышла на рынок, демонстрируя один из лучших показателей соотношения цены и качества. Из сравнения TPS54334 и MP2303 видно, что при практически идентичных параметрах представитель Texas Instruments в разы превосходит конкурента по цене.

Рис. 7. Зависимость КПД регулятора TPS54334 от нагрузки (Uвых = 3,3 В)

Заключение

В 2015 году компания Texas Instruments выпустила ряд интересных импульсных преобразователей напряжения. Вышли в серию сверхэкономичные преобразователи — понижающие серии TPS6274x и повышающие TPS61098(x), ток потребления которых сопоставим с током саморазряда соответствующих элементов питания. Выпущены преобразователи на переключаемых емкостях LM2775 и LM2776 с увеличенным выходным током. На их основе возможна реализация недорогих, несложных в разработке повышающих и инвертирующих преобразователей напряжения. На примере нового понижающего регулятора серии SWIFT прослеживается тенденция удешевления преобразователей напряжения в сегменте средних напряжения и токов.

В дальнейшем мы надеемся продолжить знакомство с очередными новинками компании. Дополнительную информацию можно найти на [4, 7].