Багаторівневе джерело живлення для пристроїв з низьким енергоспоживанням

Інтегральна мікросхема MAX77655 для систем живлення з низьким енергоспоживанням

Загальне призначення та сфера застосування

Мікросхема MAX77655 компанії Maxim Integrated призначена для використання в системах живлення пристроїв з низьким енергоспоживанням. Вона забезпечує формування чотирьох вихідних напруг із загальним струмом навантаження до 700 мА. ІМС використовується в тих застосуваннях, де важливими є малі габарити та висока ефективність джерела живлення.

Мікросхема містить понижувально-підвищувальний перетворювач з однією котушкою індуктивності та кількома виходами (SIMO – Single Input Multi Output), який забезпечує чотири незалежно програмовані виходи живлення.

Двонапрямний інтерфейс I2C дозволяє налаштовувати та перевіряти стан пристрою. Внутрішній контролер увімкнення/вимкнення забезпечує керовану послідовність запуску для кожного з виходів, а також виконує функції моніторингу під час роботи ІМС.

Основні параметри ІМС MAX77655

Основні параметри ІМС:

• автоматичне перемикання між понижувальним і підвищувальним режимами роботи

• діапазон вхідної напруги 2,5…5,5 В

• діапазон вихідної напруги від 0,5 В до 4,0 В для всіх каналів

• типове значення струму споживання 6,9 мкА при роботі з двома виходами, увімкненими в режимі низького енергоспоживання

• низький струм спокою (типове значення 0,3 мкА для кожного додаткового виходу в режимі низького енергоспоживання)

• вихідний струм не менше 700 мА при вхідній напрузі 3,7 В та вихідній напрузі 1,8 В

• ККД не менше 90% при вхідній напрузі 3,7 В та вихідній напрузі 1,8 В

• інтерфейс зв’язку I2C

• діапазон робочих температур від –40 до 85 °C

• габаритні розміри 1,99×1,99×0,64 мм

• корпус із кульковими виводами WLP-16 (Wafer-Level Package).

Структурна схема ІМС

Структурна схема ІМС MAX77655 наведена на рис. 1.

Основний потужний каскад перетворює вхідну напругу в послідовність імпульсів, які через ланцюг L1, C1 подаються паралельно на чотири синхронні випрямлячі, керовані контролером. Змінюючи режим роботи синхронного випрямляча (тривалість керувальних імпульсів), можна формувати на кожному з виходів необхідну напругу.

Режими роботи каналів SIMO

Кожен канал SIMO може індивідуально працювати в одному з трьох режимів (понижувальний, понижувально-підвищувальний або підвищувальний) залежно від співвідношення вихідної напруги до вхідної напруги. Робочий режим вибирається автоматично на основі співвідношення VSBBx/VIN:

• понижувальний при VSBBx/VIN < 0,6

• понижувально-підвищувальний при виконанні умови 0,6 < VSBBx/VIN < 1,25

• підвищувальний при 1,25 < VSBBx/VIN

У табл. 1 наведено приклад залежності режиму роботи для кожного з каналів від співвідношення вихідної напруги каналу до вхідної напруги.

Режим понижувального перетворювача

При керуванні виходом одного з каналів транзистор M3_x відкритий, а M4 – закритий (рис. 1). Ключі M1 і M2 перемикаються, як у традиційному понижувальному перетворювачі. Тобто, коли M1 відкритий, а M2 закритий, у котушці індуктивності L1 накопичується енергія. Коли M2 відкритий, а M1 закритий, енергія, накопичена в котушці індуктивності, передається на вихід.

Таблиця 1. Залежність режиму роботи каналів від співвідношення вихідної напруги каналу до вхідної напруги

Режим понижувально-підвищувального перетворювача

На відміну від традиційних понижувально-підвищувальних перетворювачів, SIMO-перетворювач використовує схему керування з трьома станами. Спочатку замикаються M1 і M4, щоб зарядити енергією котушку індуктивності. Транзистор M3_x при цьому закритий. Це схоже на стан понижувального регулятора, коли енергія подається на вихід, продовжуючи заряджати котушку індуктивності.
У другому стані M2 відкритий, а M1 закритий, передаючи енергію, накопичену в котушці індуктивності, на вихід.

Другий стан підвищує ефективність у понижувально-підвищувальному режимі порівняно з традиційними схемами керування.

Режим підвищувального перетворювача

Ключ M1 відкритий, а M2 закритий. Ключі M3_x і M4 перемикаються, як у традиційному підвищувальному перетворювачі. Тобто M3_x відкритий, а M4 закритий для накопичення енергії в котушці індуктивності. Потім M3_x відкривається, а M4 закривається, щоб подавати енергію на вихід як від входу, так і від котушки індуктивності.

Міжканальне перемикання

Для зменшення пульсацій вихідної напруги перетворювач може перемикатися з виходу одного каналу на вихід іншого, використовуючи вбудований алгоритм. Під час переходу з одного каналу на інший вивід LXB тимчасово підключається до загального проводу.

Плавний пуск перетворювача

Функція плавного пуску SIMO обмежує пусковий струм під час увімкнення, що досягається шляхом обмеження швидкості наростання вихідної напруги під час пуску. Збільшення ємності, підключеної до виходу перетворювача, призводить до збільшення стрибків струму під час увімкнення.

Регістри SIMO

Регістр CNFG_SBB_TOP керує всіма каналами SIMO, регулюючи вихідну напругу (DRV_SBB ). Для керування вихідною напругою в кожному каналі використовуються спеціальні регістри CNFG_SBBx_A.TV_SBBx .

У регістрі CNFG_SBBx_B доступні додаткові елементи керування для увімкнення/вимкнення активних розрядних резисторів (ADE_SBBx) та увімкнення/вимкнення понижувально-підвищувальних каналів SIMO (EN_SBBx ). Передбачена можливість контролю перевантаження в кожному з каналів у реальному часі, що відображається в бітах STAT_GLBL.SBBx_S._F.

Повний опис призначення регістрів, значень за замовчуванням і програмування ІМС наведено в .

У також наведено рекомендації щодо вибору котушки індуктивності та конденсаторів, які використовуються спільно з ІМС MAX77655.

Демпфувальна схема

Для зменшення пікового значення напруги на виводі LXB під час перемикання використовується демпфувальний ланцюг – резистор R1 (3,9 Ом) і конденсатор C2 (1500 пФ), увімкнений між виводом LXB і загальним проводом, як показано на рис. 1.

На рис. 2 наведено осцилограми вихідних напруг під час увімкнення перетворювача. Нижня осцилограма показує сплески вхідного струму під час увімкнення кожного з вихідних каналів.

На рис. 3 наведено осцилограми вхідної та вихідних напруг під час вимкнення живлення, що подається на вхід перетворювача.

На рис. 4 наведено осцилограми вихідних напруг при вимкненні ІМС MAX77655. Як видно з рисунка, вимкнення джерел здійснюється у зворотному порядку порівняно з послідовністю під час увімкнення.

ККД перетворювача в кожному з каналів залежить як від напруги джерела вхідної напруги, так і від струму навантаження, а також від вихідної напруги. На рис. 5 наведено залежності ККД перетворювача від струму навантаження при різних вихідних напругах VSBBx.

Приклад реалізації друкованої плати блока живлення з використанням MAX77655 наведено на рис. 6. Детальніше з характеристиками ІМС MAX77655 можна ознайомитися в .

ЛІТЕРАТУРА
1. https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX77655.pdf