МАЛОГАБАРИТНИЙ ЗНИЖУЮЧИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ З ВИХІДНИМ СТРУМОМ 10 А

Типова структура системи електроживлення та шляхи зменшення габаритів

Типова структура системи електроживлення наведена на рис. 1. Один із способів зменшити потужність, що розсіюється блоком живлення, і його габарити — використовувати меншу кількість етапів перетворення напруги. Тобто в цьому випадку понижувальні перетворювачі повинні працювати при великому відношенні вхідної напруги до вихідної (VIN/VOUT). Якщо пристрою потрібна напруга живлення 1,2 В, то використання одного перетворювача, що працює з вхідною напругою 12 В (при відношенні VIN/VOUT = 10), дозволяє зекономити площу друкованої плати. Інший спосіб скоротити габаритні розміри блока живлення — зменшити розміри компонентів (котушок індуктивності, конденсаторів тощо). При цьому слід враховувати, що, як правило, мікропроцесори, програмована логіка та інші пристрої характеризуються великим струмом споживання (10 А і більше).

Особливості роботи понижувального перетворювача

Понижувальний перетворювач — імпульсний стабілізатор напруги. Габаритні розміри найбільшого за розмірами компонента, тобто котушки індуктивності, залежать від частоти комутації (чим вища частота, тим менші розміри котушки). Втрати потужності при перемиканні ключового транзистора залежать від частоти та напруги комутації, причому залежність від напруги є квадратичною. Тривалість інтервалу, в якому комутуючий транзистор перебуває у відкритому стані, безпосередньо залежить від відношення VIN/VOUT. Наприклад, при частоті перетворення 5 МГц (період 200 нс) і відношенні 10/1 тривалість інтервалу становить лише 20 нс, що спричиняє низку добре відомих проблем.

Як видно, ці основні співвідношення параметрів понижувального перетворювача значною мірою є суперечливими. Щоб зменшити габарити перетворювача, який може працювати при високому відношенні VIN/VOUT, слід підвищувати частоту комутації, не збільшуючи при цьому втрати потужності на перемикання транзисторів. У переважній більшості buck-перетворювачі, що працюють з великим відношенням VIN/VOUT, характеризуються порівняно низькою частотою комутації (близько 500 кГц), що не дозволяє істотно зменшити габарити використовуваної котушки індуктивності. Окрім того, що в котушці індуктивності втрачається частина потужності, вона, як правило, є найбільш габаритним і масивним компонентом перетворювача, займаючи майже стільки ж місця, скільки й решта джерела живлення.

Нова запропонована топологія (рис. 2), що отримала назву «two-phase synchronous series capacitor buck converter», багато в чому нагадує стандартну топологію 2-фазного перетворювача. Основна відмінність — модифікована схема підключення фази B, а також конденсатор, увімкнений послідовно з комутуючим транзистором Q1a. Ці прості зміни топології дозволили вдвічі знизити напругу на транзисторах Q1a і Q1b і, таким чином, з’явилася можливість збільшити відношення VIN/VOUT та підвищити частоту комутації. Конденсатор Ct в усталеному режимі, по суті, працює як джерело постійної напруги VIN/2. На рис. 3, 4 наведені еквівалентні схеми заміщення 2-фазного перетворювача з послідовно ввімкненим конденсатором, що ілюструють роботу в усталеному режимі, а також часові діаграми струмів і напруг у деяких вузлах схеми.

Реалізація топології у DC/DC-перетворювачі TPS54A20

Новий синхронний DC/DC-перетворювач TPS54A20 реалізований за 2-фазною топологією (рис. 2) з послідовно ввімкненим конденсатором, що дозволило знизити потужність втрат, збільшити частоту комутації вихідних транзисторів і, відповідно, істотно зменшити габаритні розміри котушок індуктивності. Вихідний струм — до 10 А, вхідна напруга — 8…14 В, частота комутації кожної фази — 2, 3,5 або 5 МГц. Мікросхема випускається в корпусі QFN-20 розмірами 3,5×4×1 мм.

Порівняння габаритів котушок індуктивності та обмеження топології

На рис. 5 наведені габаритні розміри котушок індуктивності, що використовуються у стандартних понижувальних перетворювачах з частотою комутації 500 кГц і вихідним струмом 10 А, а також розміри котушок для перетворювачів, реалізованих за 2-фазною топологією з послідовно ввімкненим конденсатором (частота 2…5 МГц, струм 10 А).

Перевага розглянутої топології — суттєве зменшення габаритів DC/DC-перетворювача за рахунок зменшення габаритних розмірів котушки. Основний недолік полягає в тому, що теоретично максимальна вихідна напруга дорівнює VIN/4, а фактично — VIN/5.

ЛІТЕРАТУРА

1. Comparison of a buck converter and a series capacitor buck converter for high-frequency, high-conversion-ratio voltage regulators.

2. Introduction to the series capacitor buck converter.

3. TPS54A20 8-V to 14-V input, 10-A, up to 10-MHz SWIFT™ step down converter.