МАЛОГАБАРИТНЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ВЫХОДНЫМ ТОКОМ 10 А

05.05.2023 |

Типовая структура системы электропитания приведена на рис. 1. Один из способов уменьшить рассеиваемую блоком питания мощность и его габариты – использовать меньше этапов преобразования напряжения. Т.е. в этом случае понижающие преобразователи должны работать при большом отношении входного напряжения к выходному (VIN/VOUT). Если устройству требуется напряжение питания 1.2 В, то использование одного преобразователя, работающего с входным напряжением 12 В (при отношением VIN/VOUT = 10), позволяет, сэкономить площадь печатной платы. Другой способ сократить габаритные размеры блока питания – уменьшить размеры компонентов (катушек индуктивности, конденсаторов и т.п.). При этом следует учитывать, что, как правило, микропроцессоры, программируемая логика и др. устройства отличаются большим током потребления (10 А и более).

Рис. 1. Типовая структура системы электропитания

Понижающий преобразователь – импульсный стабилизатор напряжения. Габаритные размеры наибольшего по размерам компонента, т.е. катушки индуктивности, зависят от частоты коммутации (чем больше частота, тем меньше размеры катушки). Потери мощности при переключении ключевого транзистора зависят от частоты и напряжения коммутации, причем зависимость от напряжения квадратичная. Длительность интервала, в котором коммутирующий транзистор находится в открытом состоянии, напрямую зависит от отношения VIN/VOUT. Например, при частоте преобразования 5 МГц (период 200 нc) и отношении 10/1, длительность интервала всего 20 нс, что вызывает ряд хорошо известных проблем.

Как видно эти основные соотношения параметров понижающего преобразователя во многом противоречивы. Чтобы снизить габариты преобразователя, который может работать при высоком отношении VIN/VOUT, следует повышать частоту коммутации, не увеличивая при этом потерь мощности на переключение транзисторов. В подавляющем большинстве buckпреобразователи, работающие с большим отношением VIN/VOUT, отличаются сравнительно низкой частотой коммутации (примерно 500 кГц), что не позволяет существенно снизить габариты используемой катушки индуктивности. Кроме того, что в катушке индуктивности теряется часть мощности, они, как правило, самые габаритные и массивные компоненты преобразователя, занимающие почти столько же места, сколько остальная часть источника питания.

Рис. 2. Топология 2-фазного понижающего преобразователя с последовательно включенным конденсатором

Рис. 3. Эквивалентные схемы замещения 2-фазного преобразователя с последовательно включенным конденсатором

Новая предложенная топология (рис. 2), получившая название «two-phase synchronous series capacitor buck converter», во многом напоминает стандартную топологию 2-фазного преобразователя. Основное отличие – модифицированная схема подключения фазы В, а также конденсатор, включенный последовательно с коммутирующим транзистором Q1a. Эти про стые изменения топологии позволили в два раза снизить напряжение на транзисторах Q1a и Q1b и тем самым, появилась возможность увеличить отношение VIN/VOUT и повысить частоту коммутации. Конденсатор Ct в установившемся режиме, по сути, работает как источник постоянного напряжения VIN/2. На рис. 3, 4 приведены иллюстрирующие работу в установившемся режиме эквивалентные схемы замещения 2-фазного преобразователя с последовательно включенным конденсатором, а также временные диаграммы токов и напряжений в некоторых узлах схемы.

Рис. 4. Временные диаграммы токов и напряжений

Новый синхронный DC/DC-преобразователь TPS54A20 реализован по 2-фазной топологии (рис. 2) с последовательно включенным конденсатором, что позволило снизить мощность потерь, увеличить частоту коммутации выходных транзисторов и, соответственно, существенно уменьшить габаритные размеры катушек индуктивности. Выходной ток до 10 А, входное напряжение 8…14 В, частота коммутации каждой фазы 2, 3.5 или 5 МГц. Микросхема выпускается в корпусе QFN-20 размерами 3.5×4×1 мм.

На рис. 5 приведены габаритные размеры катушек индуктивности, используемые в стандартных понижающего преобразователях с частотой коммутации 500 кГц и выходным током 10 А, а также размеры катушек для преобразователей, реализованных по 2-фазной топологии с последовательно включенным конденсатором (частота 2…5 МГц, ток 10 А).
Преимущество рассмотренной топологии – существенное уменьшение габаритов DC/DC-преобразователя за счет уменьшения габаритных размеров катушки, основной недостаток заключается в том, что теоретически максимальное выходное напряжение равно VIN/4, фактически – VIN/5.

ЛИТЕРАТУРА

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.