MC34063 ТА ІНШІ DC/DC-перетворювачі

У зв’язку з постійним розширенням номенклатури мікросхем імпульсних DC/DC-перетворювачів і появою на ринку, ледь не щодня, нових типів мікросхем, часто невиправдано забуваються раніше популярні і добре зарекомендовані протягом багатьох років і, що немаловажно, недорогі імпульсні перетворювачі сімейства MC34063. У статті розглядаються варіанти використання DC/DC-перетворювачів серії MC34063, а також їх численних модифікацій і аналогів, що випускаються рядом провідних виробників. І сьогодні ці мікросхеми можуть знайти застосування у багатьох додатках.

Вступ

Одна з перших мікросхем, призначених для побудови імпульсних DC/DC-перетворювачів, – μA78S40 (Fairchild). Її виробництво розпочалося ще наприкінці 70-х років минулого століття. Слідом за нею, на базі тієї ж простої і виявилася вельми вдалої структури, в результаті модифікації з’явилися мікросхеми MC34063/33063 (Motorola) і їх аналоги, що випускаються дотепер компаніями ON Semiconductor, STMicroelectronics, Texas Instruments та іншими менш відомими виробниками.

Далі під назвою MC34063 мається на увазі сімейство мікросхем, що є функціональними аналогами MC34063. Провідні компанії, що випускають ІМС цього сімейства, як правило, пропонують різні варіанти їх використання для створення джерел живлення різного призначення.

Разом з тим, як це часто трапляється, виникає нетривіальна проблема вибору оптимальної для конкретного застосування структури джерела живлення з урахуванням можливостей існуючих ІМС цього сімейства. Можна знайти безліч прикладів застосування MC34063, описаних у численних джерелах, що з’явилися протягом останніх десятиліть. У статті розглядаються особливості деяких варіантів застосування .

Структура та особливості MC34063

Базова структурна схема MC34063 і часові діаграми, що пояснюють принцип дії імпульсного перетворювача, наведені на рис. 1 .

У табл. 1 наведені основні параметри мікросхем MC34063, що випускаються компанією ON Semiconductor. Усі ІМС мають максимально допустиму вхідну напругу 40 В і відрізняються між собою величиною допустимого вихідного струму та частоти перетворення, а також типом корпусу, який власне визначає величину розсіюваної потужності. Як видно з даних (табл. 1) деякі модифікації ІМС мають підвищену частоту перетворення до 150 кГц (NCP3063/64) або навіть до 250 кГц (NCP3163). У ІМС NCP3064/66 передбачений спеціальний вхід для увімк./вимк. перетворювача. Крім того, компанія ON Semiconductor випускає ряд модифікацій мікросхем сімейства MC34063 (MC33063AV, NCV33063A, MC33163, NCP3063B, NCV3063), призначених для роботи в розширеному температурному діапазоні –40…85 і –40…125 °С, а також для застосування в автотранспортних засобах. У всіх модифікаціях передбачено відключення ІМС при перевищенні допустимого рівня струму, що протікає через комутуючий транзистор.

Універсальна гістерезисна (релейна) архітектура більшості модифікацій сімейства MC34063 дозволяє використовувати їх для створення понижувальних (step-down), підвищувальних (step-up), інвертуючих (inverting) і понижувально-підвищувальних (buck-boost) імпульсних DC/DC-перетворювачів (рис. 2). Частота генерації визначається тривалістю зарядки і розрядки конденсатора CT. Струм зарядки-розрядки фіксований (35 і 220 мкА). Типове значення порогових напруг перемикання етапів зарядки/розрядки конденсатора – 0.75 і 1.25/2 В. Для керування ключовим транзистором використовується RS-тригер і логічний елемент «І». Якщо вихідна напруга нижча за номінальну, то В = “1” і RS-тригер керується вихідним сигналом генератора (по суті сигналом А). Протягом інтервалу зарядки конденсатора вихідний ключ відкритий (Q = “1”, тобто TON) і енергія накопичується в котушці індуктивності. На інтервалі розрядки вихідний ключ закритий (Q = “0”, тобто TOFF). У разі якщо вихідна напруга перевищить номінальне значення, сигнал компаратора (В = “0”) блокує відкривання ключа і напруга на навантаженні поступово знижується до рівня нижче номінального після чого повторюється процес накопичення енергії в котушці індуктивності.

Таблиця 1. Основні параметри ІМС сімейства MC34063

У ІМС серії MC34063 передбачена можливість обмеження струму, а для вимірювання його величини використовується зовнішній резистор. Однак не слід вважати, що це дозволяє спроєктувати перетворювач з обмеженням вихідного струму в тій трактовці, що перетворювач переходить у режим генератора струму. Реалізована лише можливість обмеження струму, що протікає через вихідний транзистор (ключ) і котушку індуктивності, що здійснюється шляхом моніторингу падіння напруги на зовнішньому вимірювальному резисторі (R), увімкненому послідовно з колом живлення VIN і комутуючим транзистором. Якщо падіння напруги перевищить величину 250…350 мВ (типове номінальне значення 300 мВ), пристрій регулювання струму зарядки конденсатора CT забезпечує додатковий струм для його зарядки. Причому величина додаткового струму (рис. 3) залежить від падіння напруги на вимірювальному резисторі (чим більша напруга, тим більший струм зарядки). При типовому напрузі 300 мВ струм зарядки дорівнює струму розрядки. Збільшення струму зарядки призводить до того, що напруга на конденсаторі швидше досягає верхнього порогового значення, що призводить до скорочення тривалості відкритого стану вихідного ключа і, відповідно, зменшення кількості енергії, запасеної в котушці індуктивності. Іншими словами, збільшення швидкості зарядки конденсатора (рис. 1) дозволяє зменшити тривалість TON і тим самим обмежити струм через транзистор.

Стандартні методи захисту від струму перевантаження, передбачені в MC34063, при використанні структури step-up, навряд чи дозволять зберегти в працездатному стані діод (D2) і котушку індуктивності (L) у разі протікання великого струму через навантаження, наприклад, при її короткому замиканні (КЗ). На інтервалі TOFF (транзистор Q2 закритий) при КЗ струм протікає безпосередньо від джерела живлення через діод D2 і котушку в навантаження (рис. 2). У структурі buck-boost завдяки використанню транзистора Q1, увімкненого послідовно з джерелом живлення (VIN) і навантаженням, а також при наявності відповідного пристрою керування є можливість реалізації обмеження вихідного струму, як у разі застосування структури step-down.

У більшості сучасних імпульсних джерелах живлення для керування основним елементом перетворювача – комутованим ключем – використовується метод широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). При ШІМ-модуляції ключ, як правило, – МОП-транзистор – вмикається в кожному робочому циклі. Вихідна напруга стабілізатора порівнюється з еталонною напругою, їх різниця підсилюється і використовується для регулювання вихідної напруги за рахунок зміни ширини імпульсів, які керують станом ключа. ШІМ-метод має безліч переваг, однак його реалізація через ряд факторів значно складніша релейного методу керування. На відміну від інших модифікацій в імпульсних стабілізаторах MC34166/67 реалізований ШІМ-метод керування вихідною напругою.

При релейному методі регулювання вихідна напруга стабілізатора також порівнюється з напругою еталонного джерела. Однак у цьому випадку використовується стандартний компаратор, який керує станом комутованого ключа, тобто вмикає або вимикає ключ. Регулювання рівня вихідної напруги здійснюється за рахунок зміни співвідношення робочих (ключ увімк.) і неробочих (вимк.) циклів. Релейний метод регулювання має ряд переваг. Можна обійтися без підсилювача помилки і генератора пилкоподібного сигналу, що використовується для формування ШІМ-сигналу. Значення коефіцієнта підсилення стандартного компаратора більш ніж достатньо для генерації керуючих імпульсів з потрібною точністю. При відсутності підсилювача помилки немає необхідності в забезпеченні стійкості системи регулювання, оскільки немає затримки розповсюдження в колі зворотного зв’язку. Перевага – скорочення тривалості перехідного процесу і відсутність елементів корекції АЧХ передавальної характеристики кола зворотного зв’язку. У найпростішому випадку при релейному методі керування фіксується тривалість увімкненого стану ключа.

Разом з тим, майже всі модифікації розглянутих перетворювачів підтримують роботу в режимі широтно-імпульсної модуляції, який забезпечується завдяки керуванню струмом зарядки-розрядки зовнішнього часзадаючого конденсатора (рис. 4). Це дозволяє регулювати тривалість і відповідно шпаруватість імпульсів, що керують комутованим транзистором. Як правило, усі модифікації стандартних схем включення MC34063 досягаються за рахунок відповідного підключення додаткових зовнішніх компонентів.

У результаті комбінованого використання двох класичних структур DC/DC-перетворювачів (понижувальної та підвищувальної) нескладно отримати понижувально-підвищувальну (buck-boost або step-up/down) структуру (див. рис. 2). У цьому випадку при використанні MC34063 необхідні додаткові зовнішні компоненти. Енергія акумулюється в котушці індуктивності протягом інтервалів часу, в яких транзистори Q1 і Q2 перебувають у «відкритому» стані (TON). При закриванні транзисторів енергія, запасена в котушці, через діоди D1 і D2 передається в навантаження і конденсатор вихідного фільтра. Протягом інтервалу TON структура перетворювача аналогічна базовій структурі step-up, однак на інтервалі TOFF котушка індуктивності відключається від джерела вхідної напруги (Vin). При використанні такої структури вихідна напруга перетворювача може бути меншою, рівною або більшою вхідної напруги. На рис. 5 наведені схеми і часова діаграма, що пояснюють роботу імпульсного перетворювача зі структурою step-up/down.

Вихідна напруга перетворювача в режимі безперервних струмів (Continuous Current Mode – CCM) визначається відомим виразом:

Vout=Vin⋅D1−DV_{out} = V_{in} \cdot \frac{D}{1-D}Vout​=Vin​⋅1−DD​

де D=TONTD = \frac{T_{ON}}{T}D=TTON​​.

Вихідна напруга імпульсного регулятора пропорційна коефіцієнту заповнення керуючих імпульсів D. Якщо D < 0.5, вихідна напруга менша вхідної (step-down). При D > 0.5 перетворювач працює в режимі step-up.

Застосування в драйверах світлодіодів

Типовий приклад можливого використання ІМС типу MC34063 в імпульсних перетворювачах зі структурою buck-boost – це драйвери світлодіодів, які повинні забезпечувати постійний струм через світлодіоди при варіаціях як величини вхідної напруги, так і числа підключених світлодіодів в умовах зміни умов експлуатації. Світлотехнічне обладнання в автотранспортних засобах відрізняється не тільки роботою при зміні напруги живлення в широкому діапазоні, але і числом підключених світлодіодів для забезпечення необхідної яскравості світіння. Напруга бортової мережі знаходиться в діапазоні 9…16 В. Крім того, допускається його нетривале збільшення до 18…19 В. При запуску двигуна можливе підвищення напруги до 26 В, а при роботі бортового генератора на холостому ходу не виключаються кидки напруги до 70 В (як правило, в автотранспортних засобах передбачається ряд заходів щодо усунення викидів напруги). У табл. 2 наведені значення падіння напруги на світлодіодах залежно від їх числа . Напруга живлення світлотехнічного обладнання при роботі від мережі змінного струму 12 В, у разі використання трансформатора і випрямляючого моста також змінюється в широкому діапазоні.

Спрощена структура понижувально-підвищувального перетворювача, створеного на базі ІМС типу NCP3063, який можна використовувати як драйвер світлодіодів в автомобілі, наведена на рис. 6.

Незважаючи на деяке ускладнення схеми, застосування струмочутливого вимірювального резистора (RSNS), увімкненого в коло високої напруги, а не в коло загального проводу (як у стандартних рішеннях), дозволяє підключати світлодіоди безпосередньо до загального проводу і таким чином спростити електропроводку. Завдяки додатковому пристрою керування (рис. 6) здійснюється регулювання струму зарядки-розрядки часзадаючого конденсатора CT. Падіння напруги (ILED×RSNS) на вимірювальному резисторі RSNS порівнюється з падінням напруги на резисторі R10. При рівності напруг вмикається транзистор Q6. Струм зарядки-розрядки конденсатора CT залежить від величини напруги на виході повторювача напруги (Q5).

Таблиця 2. Падіння напруги на світлодіодах залежно від їх числа

У стандартних схемах підключення світлодіодів до драйверів напруга зворотного зв’язку (VFB = ILED×RSNS) у сталому режимі дорівнює еталонній напрузі (VREF). Недолік такої схеми полягає в тому, що при великому струмі через світлодіоди на резисторі RSNS розсіюється велика потужність. У такій схемі включення потужність на резисторі можна знизити зменшенням еталонної напруги. У ІМС NCP3065/6, орієнтованих на використання в драйверах світлодіодів, напруга еталонного джерела знижена до 235 мВ. Крім того, частота генератора збільшена до 250 кГц. Основні параметри ІМС NCP3065/6 дані в табл. 3.

Таблиця 3. Основні параметри ІМС NCP3065/6

Структура NCP3065 наведена на рис. 7, структурна схема підключення світлодіодів – на рис. 8. Частота генерації визначається тривалістю зарядки і розрядки конденсатора CT. Струм зарядки-розрядки фіксований (275 і 1650 мкА). У ІМС NCP3064/65/66 також передбачена можливість обмеження струму, що протікає через вихідний транзистор і котушку індуктивності, а для вимірювання величини струму використовується зовнішній резистор, увімкнений послідовно з колом живлення.

Якщо падіння напруги перевищить величину 165…235 мВ (типове значення 185 мВ), блокується відкривання вихідного ключа. Як видно на структурній схемі, на відміну від ІМС MC34063 в NCP3064/65/66 не реалізована можливість збільшення струму зарядки конденсатора CT.

Інвертуючі перетворювачі

Стандартна структура інвертуючого DC/DC-перетворювача з використанням MC34063 наведена на рис. 9. При вхідній напрузі 24 В і вихідній – мінус 12 В, напруга між виводами VCC і GND становить 36 В (24+12). Допустима напруга мікросхеми MC34063А – 40 В. У разі якщо необхідно отримати більшу вихідну напругу, наприклад, –24 В, наведена схема ледь чи застосовна, оскільки напруга між виводами VCC і GND становитиме 48 В (24+24). У такій схемі вивід мікросхеми GND підключений до кола від’ємної вихідної напруги. Враховуючи це, максимальне значення вихідної напруги визначається з простого виразу (Vout = 40 В – Vin).

Однак, при використанні зовнішнього транзистора та інших додаткових компонентів, ця проблема вирішується порівняно просто (рис. 9). Максимальна вихідна напруга і струм навантаження в цьому випадку визначаються параметрами зовнішнього потужного біполярного або польового транзистора.

Мікросхема NCV33163, орієнтована на використання в автотранспортних засобах, має підвищену вхідну напругу (60 В) і максимальний струм до 2 А. Діапазон робочих температур –40…115 °С, максимальна температура кристала – 150 °С. Основні параметри ІС NCV33163 дані в табл. 4.

Таблиця 4. Основні параметри ІМС NCV33163

Моделювання та розробка

Для розробки джерел живлення з використанням ІМС сімейства MC34063 провідні компанії-виробники (ON Semiconductor, Texas Instruments та ін.) надають їх SPICE-моделі, орієнтовані на використання як з популярними програмними пакетами моделювання (наприклад, PSpice A/D OrCAD), так і з фірмовим ПЗ: LTSpiceXVII (Linear Technology Corporation), GreenPoint Design Simulation (ON Semiconductor). Крім того, у мережі Інтернет можна знайти безліч прикладів застосування і нескладних програм з розрахунку параметрів DC/DC-перетворювачів, створюваних на базі цих ІМС. На початковому етапі розробки завжди простіше використовувати програмну модель із застосуванням персонального комп’ютера, ніж макетувати з паяльником у руках. Крім того, у процесі моделювання можна виконати перевірку характеристик моделі в заданому діапазоні зміни параметрів компонентів, температури навколишнього середовища тощо, що дозволяє прискорити розробку джерела живлення.

Висновок

У результаті вдосконалення технології виготовлення ІМС в останні роки з’явилося безліч мікросхем імпульсних перетворювачів для реалізації різноманітних структур, у тому числі і структури buck-boost. Усі вони, безумовно, мають кращі параметри порівняно з ІМС сімейства MC34063.

У їх числі, наприклад, ІМС TPS63050/1 і TPS630250/1/2 компанії Texas Instruments, орієнтовані на реалізацію структури buck-boost. Частота перетворення збільшена до 2.5 МГц, що дозволяє використовувати малогабаритні котушки індуктивності. Ці ІМС мають ККД понад 90…95 (у режимі boost) і 95…97% (buck). Вихідний струм від 0.5 (TPS63050) до 2 А (TPS630252). Крім того, оскільки вони орієнтовані на мобільні додатки, усі вони відрізняються мініатюрним корпусом типу DSBGA розмірами всього 1.56×1.16 (TPS63050) або 1.776×2.086 мм (TPS630252) з кроком виводів 0.4 мм. Їх недолік – низька вхідна напруга (2.3…5.5 В) і вища вартість порівняно з MC34063. У табл. 5 як приклад наведена орієнтовна вартість (на сайті DigiKey) деяких компонентів, необхідних для реалізації DC/DC-перетворювача зі структурою buck-boost (рис. 6), створеного на основі ІМС NCP3063, а також вартість модифікацій TPS6305х/63025х.

Таблиця 5. Орієнтовна вартість компонентів DC/DC-перетворювача

Мініатюрний корпус, що є перевагою у разі його застосування в мобільних пристроях, навряд чи доцільно використовувати у багатьох інших додатках, у яких розміри пристроїв не належать до числа критичних характеристик. Крім того, для монтажу корпусів типу BGA, що мають відстань між виводами всього 0.4 мм, потрібна друкована плата, виготовлена за вищим класом точності, і відповідне дороге технологічне обладнання, що далеко не завжди виправдано.

Універсальна архітектура перетворювачів сімейства MC34063 дозволяє успішно застосовувати їх для створення недорогих імпульсних стабілізаторів напруги різного призначення (step-down, step-up, inverting, buck-boost). І хоча їх використання не дозволяє досягти параметрів, порівнянних з тими, які забезпечують сучасні імпульсні DC/DC-перетворювачі, у ряді випадків простота виготовлення і вартість джерела живлення можуть стати основними критеріями при виборі ІМС. Один з підходів зниження вартості – застосування мікросхем сімейства MC34063.

На завершення наведені результати моделювання драйвера світлодіодів і інвертуючого перетворювача напруги (рис. 10, 11) з використанням відповідно ІМС NCP3066 і MC34063. Для моделювання використовувалися Spice-моделі мікросхем, що надаються компанією-виробником (ON Semiconductor), а також програми моделювання: GreenPoint 6.10 і OrCAD 16.5.

Більш повну інформацію про ІМС сімейства MC34063 можна знайти в .

ЛІТЕРАТУРА

1.MC34063A, MC33063A, SC34063A, SC33063A,
NCV33063A. 1.5 A, Step-Up/Down/Inverting Switching
Regulators (onsemi.com).

2.350mA Buck Boost LED Driver using Bipolar Junction
Transistors (BJTs), High Side Current Sensing and
a NCP3063 Controller (onsemi.com).

3.700mA/1 A Buck Boost LED Driver using FETs,
High Side Current Sensing and a NCP3063 Controller
(onsemi.com).

4.Theory and applications of the MC34063 and
A78S40 switching regulator control circuits.

5.High intensity LED drivers using
NCP3065/NCV3065 (onsemi.com).

6.NCP3065, NCV3065. Up to 1.5 A Constant current
switching regulator for LEDs (onsemi.com).