Analog Devices: новые стабилизаторы и микросхемы управления питанием

На современном рынке электронных компонентов в последнее время все больше и больше становятся востребованными стабилизаторы и микросхемы управления питанием компании Analog Devices.

В статье дан краткий обзор новых и наиболее интересных микросхем этой фирмы, появившихся за последний год.

Линейные стабилизаторы

Маломощный импульсный стабилизатор ADP120 был анонсирован в конце 2008 г. и вышел в серию в начале 2009 г. Данная микросхема представляет новое поколение линейных стабилизаторов с малым падением напряжения. В основу ее работы положена классическая схема с усилителем тока на полевом транзисторе с малым сопротивлением сток/исток. Упрощенная функциональная схема стабилизатора показана на рис. 1. Микросхема имеет следующий функционал: защиту от короткого замыкания на выходе, перегрева, схему переключения стабилизатора в дежурный режим и его отключения при переходе границы входного напряжения ниже определенного заданного порога, например для предотвращения глубокого разряда аккумуляторов.

Рис. 1. Функциональная схема ADP120

Основные параметры стабилизатора ADP120:

• Диапазон входных напряжений — 2,3-5,5 В.
• Диапазон выходных напряжений — 1,2-3,3 В.
• Максимальный ток нагрузки — 100 мА.
• Точность поддержания выходного напряжения — 2% (во всем диапазоне тока и температуры).
• Максимальный ток потребления — 22 мкА.
• Подавление помех по питанию — 70 дБ (на частоте 10 кГц).
• Уровень шума — 40 мкВ эфф. (при выходном напряжении 1,2 В).
• Падение напряжения вход/выход — 60 мВ.
• Диапазон рабочих температур -40.. . + 125 °С.
• Тип корпуса — 5-TSOT, 4-WLCSP.

Пример схемы включения показан на рис. 2. Стабилизатор специально спроектирован для работы с конденсаторами с малыми значениями емкости. Это позволяет применить керамические конденсаторы малых габаритов и сэкономить место на печатной плате. Но для надежной и стабильной работы стабилизатора рекомендуются к применению конденсаторы с характеристиками ТКЕ типов X5R, X7R с рабочими напряжениями от 6,3 В и выше и, напротив, не рекомендуются с ТКЕ типов Y5V и Z5U. При применении микросхемы ADP120 в корпусе WLCSP и двух конденсаторов размера 0603 можно построить стабилизатор, чьи размеры будут всего лишь 3,5х 1,6 мм.

Рис. 2. Схема включения ADP120

В микросхеме реализована функция отключения выхода при переходе границы входного напряжения ниже определенного порога. В данном случае он равен 2,2 В. Также, при желании, микросхему можно отключать принудительно, подав на вывод EN уровень логического нуля. В корпусах таких же типов и с очень похожими параметрами, но с максимальным током нагрузки 150 мА, доступны стабилизаторы серии ADP121.

Микросхемы ADP220 и ADP221 являются сдвоенным вариантом микросхем ADP120 и ADP121 и выпускаются только в корпусе WLCSP. Стабилизаторы обеспечивают максимальный ток в нагрузке до 200 мА на один канал, обладают низким уровнем шума и высоким значением подавления помех (до 76 дБ) и доступны с разными значениями выходных напряжений в каналах. Пример схемы включения ADP220 и ADP221 показан на рис. 3.

Рис. 3. Схема включения микросхем ADP220/221

Важно отметить, что микросхемы стабилизаторов Analog Devices в корпусе 5-TSOT являются полностью функциональными аналогами подобных микросхем других компаний и могут не только с успехом их заменять, обеспечивая заявленные производителем характеристики, но и предлагают лучшие параметры, например, по точности поддержания выходного напряжения, и расширенный диапазон рабочих температур.

Основное назначение таких микросхем — это работа в портативной аппаратуре, с питанием от батарей и аккумуляторов. Но благодаря их универсальности, отличным параметрам и высокой рабочей температуре стабилизаторы можно применять в цепях, критичных к качеству питания. Это могут быть высокочастотные узлы и блоки (синтезаторы частот с ФАПЧ, РЧ-усилители, смесители и т. п.), прецизионные операционные усилители, АЦП и ЦАП высокой точности.

В номенклатуре продукции Analog Devices также есть мощные линейные стабилизаторы с максимальным током нагрузки до 2 А, например ADP1740 и ADP1741. Микросхемы имеют традиционную структуру с дополнительной защитой от протекания обратного тока (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема ADP1740

Из дополнительных функций стоит отметить режим «мягкого старта» для исключения бросков тока при включении. Режим и принцип его работы показаны на рис. 5. Имеется выход индикации аварии — PG. Пример схемы включения ADP1740 представлен на рис. 6, а его регулируемая версия ADP1741 — на рис. 7. Микросхемы выпускаются в миниатюрном корпусе 16-LFCSP с металлизированной подложкой для отвода тепла, а входы и выходы объединены — для обеспечения максимального тока в нагрузке и снижения падения напряжения.

Рис. 5. Работа в режиме «мягкого старта»

Рис. 6. Схема включения ADP1740

Рис. 7. Схема включения ADP1741

Стабилизаторы доступны с семью фиксированными выходными напряжениями (ADP1740) и обладают следующими основными характеристиками:

• Диапазон входных напряжений — 1,6-3,6 В.
• Диапазон выходных напряжений — 0,75-3,0 В.
• Максимальный ток нагрузки — 2 А.
• Точность поддержания выходного напряжения — 2% (во всем диапазоне температуры и тока).
• Максимальный ток потребления — 22 мкА.
• Максимальное падение напряжения — 160 мВ (при максимальном выходном токе).
• Подавление помех по питанию — 65 дБ (на частоте 10 кГц).
• Уровень шума — 23 мкВ эфф. (при выходном напряжении 0,75 В).
• Диапазон рабочих температур — 40.. .+125 °С.
• Тип корпуса — 16-LFCSP.

У читателя может возникнуть вопрос, а для чего выпускать мощные стабилизаторы с такими низкими входными напряжениями? Но в этом и заключается главная особенность данных компонентов, разработанных инженерами фирмы Analog Devices. Преследуемая ими цель — получение более высокого значения КПД стабилизатора. На рис. 6 видно, что при входном напряжении 1,8 В можно получить на выходе 1,5 В. Разработчик микросхем рекомендует использовать именно такие стабилизаторы, если необходимо получить низкие напряжения питания при больших токах.

Сравним КПД стабилизаторов. Если есть необходимость в нескольких напряжениях питания для ядра и периферии, например, 1,8 и 1,5 В из входного 3,3 В, то стандартное решение: поставить два стабилизатора и запитать их от 3,3 В. Но, применив стабилизатор с низким падением напряжения и получив 1,5 из 1,8 В, получаем выигрыш в КПД на 30-40% по сравнению со стандартным решением, что позволяет отказаться от элементов дополнительного отвода тепла или принудительного охлаждения.

Основное назначение микросхем ADP1740 и ADP1741 — совместная работа с ПЛИС, процессорами, памятью, синтезаторами частот прямого цифрового синтеза, их применяют в телекоммуникационном и промышленном оборудовании. Требования, предъявляемые к качеству конденсаторов, такие же, как и в предыдущем случае. Более подробную информацию можно найти в описании на микросхему.

Отдельного внимания заслуживает линейный стабилизатор ADP1720. Его уникальность заключается в большом входном напряжении — до 28 В, но максимальный ток, который он может отдать в нагрузку, равен 50 мА. Схема включения показана на рис. 8. Стабилизатор предназначен для работы, прежде всего, в промышленной электронике с питанием от 12-24 В, в устройствах с нестабильными питанием и схемах дежурного режима. Существует два варианта исполнения данной микросхемы: с фиксированными выходными напряжениями (3,3 и 5 В) и в регулируемой версии (1,225-5,0 В). В микросхему встроена защита от короткого замыкания и перегрева. Из функциональных особенностей стоит отметить возможность перевода микросхемы в спящий режим.

Рис. 8. Схема включения ADP1720

Основные параметры ADP1720:

• Диапазон входных напряжений — 4-28 В.
• Диапазон выходных напряжений — 1,225-5,0 В.
• Максимальный ток нагрузки — 50 мА.
• Точность поддержания выходного напряжения — 2% (во всем диапазоне температуры и тока).
• Максимальный ток потребления — 2,1 мА.
• Максимальное падение напряжения — 480 мВ (при максимальном выходном токе).
• Подавление помех по питанию — 50 дБ (на частоте 10 кГц).
• Уровень шума — 124 мкВ эфф. (при выходном напряжении 1,6 В).
• Диапазон рабочих температур -40.. . + 125 °С.
• Тип корпуса — 8-MSOP.

Описанные в статье линейные стабилизаторы представлены как новинки для минимального и максимального значения выходных токов (табл. 1). Существует множество подобных микросхем на различные токи и выходные напряжения.

Таблица 1. Линейные стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы со встроенными силовыми транзисторами

Теперь рассмотрим новые импульсные стабилизаторы со встроенными силовыми ключами и начнем с ADP2105, ADP2106 и ADP2107.

Эти микросхемы представляют собой синхронные, понижающие DC/DC-стабилизаторы в компактном корпусе LFCSP размером 4х4 мм, их рабочая частота — 1,2 МГц. При средних и больших токах нагрузки микросхемы используют режим ШИМ с постоянной частотой. Для обеспечения продолжительного срока службы батарей и аккумуляторов в портативной аппаратуре такая микросхема сама включает частотную модуляцию при небольших нагрузках. ADP2105, ADP2106 и ADP2107 предназначены для работы совместно с процессорами, ПЛИС, БМК, микроконтроллерами в промышленной, портативной и стационарной аппаратуре различного назначения.

На рис. 9 показан пример включения микросхемы ADP2107-ADJ, то есть регулируемой версии с внешним резистивным делителем в цепи обратной связи. А на рис. 10 показан график зависимости КПД от тока нагрузки. Видно, что на средних токах КПД достигает уровня «97 %.

Рис. 9. Схема включения ADP2107

Рис. 10. Зависимость КПД от тока нагрузки

Микросхемы работают при входных напряжениях от 2,7 до 5,5 В и доступны со следующим диапазоном выходных напряжений: 3,3; 1,8; 1,5 и 1,2 В, а также в регулируемой версии с максимальным током нагрузки 1 А (ADP2105), 1,5 A (ADP2106) и 2 A (ADP2107). При переводе в спящий режим микросхема отключается и потребляет ток менее 0,1 мкА от входного источника питания. К другим особенностям относится автоматическое отключение для предотвращения глубокого разряда аккумуляторов и «мягкий старт» при включении. Микросхемы доступны в корпусе 16-LFCSP и предназначены для работы в расширенном температурном диапазоне от -40 до +125 °С.

Что касается более высокочастотных стабилизаторов напряжения, то из новинок можно назвать ADP2108 и ADP2109. Они предназначены для работы в цепях с динамической нагрузкой (контроллеры, процессоры, преобразователи, передатчики и т. п.) с токами нагрузки до 600мА.

Высокая частота преобразования 3 МГц и наличие встроенного ключа требует всего три внешних миниатюрных пассивных элемента. В основу работы положена ШИМ с контролем частоты, что позволяет получить КПД до 95%. Для обеспечения продолжительной работы батарей или аккумуляторов микросхема сама изменяет частоту при малой нагрузке.

Стабилизаторы работают в диапазоне входных напряжений 2,3-5,5 В, что позволяет использовать один литиевый, литиево-полимерный или другие аккумуляторы, либо, например, питать устройство от шины USB или иных источников. Максимальный ток нагрузки до 600 мА гарантируется в полном диапазоне входных напряжений, а выходные напряжения находятся в диапазоне 1,0-3,3 В. Также имеется уже ставшее обычным автоматическое отключение для предотвращения глубокого разряда батарей и «мягкий старт» при включении. В микросхему ADP2109 дополнительно встроен ключ для разряда выходного конденсатора.

Микросхемы производятся в корпусах 5-TSOT и 5-WLCSP (для ADP2109 — только 5-WLCSP) и предназначены для работы в диапазоне температур от -40… + 85 °С. Пример схемы включения ADP2108 показан на рис. 11.

Рис. 11. Схема включения ADP2108/09

В качестве примера еще более высокочастотных стабилизаторов в линейке продукции Analog Devices можно привести микросхему ADP2121. Частота работы преобразователя равна 6 МГц, что позволяет снизить размер и номинал индуктивности еще в несколько раз: до 0,47 мкГн. Схема включения ее не отличается от описанных микросхем ADP2108/9, а вариант топологии печатной платы и габариты стабилизатора с обвязкой показаны на рис. 12.

Рис. 12. Пример печатной платы стабилизатора на микросхеме ADP2121

Основные параметры ADP2121:

• Входное напряжение — 2,3-5,5 В.
• Выходное напряжение — 1,8, 1,82, 1,85, 1,875 В (фиксированное).
• Максимальный выходной ток — 500 мА.
• Частота преобразователя — 6 МГц.
• Ток потребления — 38 мкА (экономичный режим).
• КПД — 92%.
• Рабочий диапазон температур -40.. .+85 °С.
• Тип корпуса — 6-WLCSP.

Особого внимания заслуживает анонсированный на момент написания статьи (август 2009 года) сдвоенный импульсный стабилизатор ADP2114. Микросхема представляет собой универсальный синхронный понижающий стабилизатор для работы в широком диапазоне токов нагрузки. Два независимых канала могут быть сконфигурированы как два канала с выходными токами 2 и 2 А (3 и 1 А) или как один канал с током до 4 А.

ШИМ-каналы работают со сдвигом фазы в 180° для уменьшения скачков входного тока и снижения емкости входных конденсаторов. Стабилизатор ADP2114 предназначен для работы совместно с процессорами, ПЛИС, БМК, в телекоммуникационной аппаратуре, промышленных компьютерах, медицинской технике и, несомненно, завоюет популярность во всем мире, что подтверждает большой интерес к этой микросхеме среди отечественных производителей еще до момента ее официального анонсирования на сайте Analog Devices.

Схема включения ADP2114 показана на рис. 13, а график зависимости КПД от тока в нагрузке представлен на рис. 14.

Рис. 13. Схема включения ADP2114

Рис. 14. Зависимость КПД от тока нагрузки

К особенностям данного стабилизатора следует отнести работу на частоте до 2 МГц. При низких токах нагрузки микросхема сама переключает частоту для получения более высокого КПД и снижения излучений. У этой микросхемы есть два вывода индикации нормальной работы, отключения, а также входы для установления режима «мягкого старта», встроенная защита от перегрева и короткого замыкания, отключения при понижении входного напряжения ниже определенного порога (2,65 В).

Краткие технические характеристики ADP2114:

• Диапазон входных напряжений — 2,75-5,5 В.
• Выходной ток нагрузки — 2 и 2 А, 3 и 1 А или до 4 А в режиме объединения каналов.
• Выходное напряжение — 0,8; 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 3,3 В или регулируемое от 0,6 В.
• Точность поддержания выходного напряжения — ±1,5 <%.
• Частота работы — 300, 600, 1200 кГц или внешняя синхронизация от 200 до 2000 кГц.
• Диапазон рабочих температур -40.. .+125 °С.
• Тип корпуса — 32-LFCSP.

На сайте компании Analog Devices доступно не только подробное описание на данный стабилизатор, но и пример печатной платы с топологией проводников и схема включения. При желании можно приобрести отладочную плату, фотография которой приведена на рис. 15.

Рис. 15. Внешний вид отладочной платы для микросхемы ADP2114

Новый интегральный стабилизатор ADP2118 является одноканальным вариантом микросхемы ADP2114 и обеспечивает максимальный ток в нагрузке 3 А (максимальный пиковый ток может достигать 6 А) и требует минимум внешних компонентов. Внутрь микросхемы интегрированы силовые FET-транзисторы с сопротивлением 40 и 75 мОм. Благодаря этому удалось добиться КПД 95%.

На рис. 16 показан пример включения ADP2118 для выходного напряжения 3,3 В.

Рис. 16. Пример включения ADP2118 для выходного напряжения 3,3 В

Основное назначение микросхемы ADP2118 — работа совместно с процессорами, ПЛИС, БМК в качестве источника стабильного напряжения для питания ядра, а также с микросхемами памяти.

Краткие технические характеристики ADP2118:

• Диапазон входных напряжений — 2,3-5,5 В.
• Выходной ток нагрузки — 3 А.
• Выходное напряжение — 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 3,3 В или регулируемое от 0,6 В.
• Точность поддержания выходного напряжения — ±1,5%.
• Частота работы — 600, 1200 кГц или внешняя синхронизация от 600 до 1400 кГц.
• Диапазон рабочих температур -40.. . + 125 °С.
• Тип корпуса — 16-LFCSP. Остальные функциональные особенности такие же, как и у стабилизатора ADP2114. Более подробную информацию (все технические характеристики, графики и другие параметры микросхем ADP2114 и ADP2118) можно найти на сайте производителя.

В таблице 2 приведены краткие характеристики импульсных стабилизаторов напряжения со встроенными силовыми транзисторами.

Таблица 2. Импульсные стабилизаторы

Надежная работа прибора или устройства зависит не только от того, насколько точно стабилизатор может выдавать в нагрузку необходимое напряжение, но и от надежности самого стабилизатора. Существует много причин, по которым напряжение на выходе стабилизатора может отличаться от заданного. Это зависит от нагрузки и ее характера, температуры и влажности окружающей среды, режимов работы устройства и других факторов.

Для контроля правильной работы источника питания и устройства в целом среди номенклатуры производимых компанией Analog Devices микросхем существует множество мониторов напряжений (супервизоров) и секвенсоров (управление очередностью включения/отключения источников питания) с различной функциональностью и точностью. 

Окончание следует