MC34063 И ДРУГИЕ

07.02.2023 |

В связи с постоянным расширением номенклатуры микросхем импульсных DC/DC-преобразователей и появлением на рынке, чуть ли не каждый день, новых типов микросхем, зачастую неоправданно забываются прежде популярные и хорошо зарекомендовавшие себя на протяжении многих лет и, что немаловажно, недорогие импульсные преобразователи семейства MC34063. В статье рассматриваются варианты использования DC/DC-преобразователей серии MC34063, а также их многочисленных модификаций и аналогов, выпускаемых рядом ведущих производителей. И сегодня эти микросхемы могут найти применение во многих приложениях.

ВВЕДЕНИЕ
Одна из первых микросхем, предназначенных для построения импульсных DC/DC-преобразователей, – μA78S40 (Fairchild). Ее производство началось еще в конце 70-х годов прошлого столетия. Вслед за ней, на базе все той же простой и оказавшейся весьма удачной структуры, в результате модификации появились микросхемы MC34063/33063 (Motorola) и их аналоги, выпускаемые до настоящего времени компаниями ON Semiconductor, STMicroelectronics,Texas Instruments и другими менее известными производителями.
Далее под названием MC34063 подразумевается семейство микросхем, являющихся функциональными аналогами MC34063. Ведущие компании, выпускающие ИМС этого семейства, как правило, предлагают различные варианты их использования для создания источников питания разного назначения.

Рис. 1. Структура ИМС MC34063

Вместе с тем, как это часто случается, возникает нетривиальная проблема выбора оптимальной для конкретного приложения структуры источника питания с учетом возможностей существующих ИМС этого семейства. Можно найти множество примеров применения MC34063, описанных в многочисленных источниках, появившейся на протяжении последних десятилетий. В статье рассматриваются особенности некоторых вариантов применения [1-6].

СТРУКТУРА И ОСОБЕННОСТИ MC34063
Базовая структурная схема MC34063 и временные диаграммы, поясняющие принцип действия импульсного преобразователя, приведены на рис. 1 [1].
В табл. 1 приведены основные параметры микросхем MC34063, выпускаемых компанией ON Semiconductor. Все ИМС имеют максимально допусти мое входное напряжение 40 В и отличаются между собой величиной допустимого выходного тока и частоты преобразования, а также типом корпуса, который собственно определяет величину рассеиваемой мощности. Как видно из данных (табл. 1) некоторые модификации ИМС имеют повышенную частоту преобразования до 150 кГц (NCP3063/64) или даже до 250 кГц (NCP3163). В ИМС NCP3064/66 предусмотрен специальный вход для вкл./выкл. преобразователя. Кроме того, компания ON Semiconductor выпускает ряд модификаций микросхем семейства MC34063 (MC33063AV, NCV33063A, MC33163, NCP3063B, NCV3063), предназначенных для работы в расширенном температурном диапазоне -40…85 и -40…125 °С, а также для применения в автотранспортных средствах. Во всех модификациях предусмотрено отключение ИМС при превышении допустимого уровня тока, протекающего через коммутирующий транзистор.
Универсальная гистерезисная (релейная) архитектура большинства модификаций семейства MC34063 позволяет использовать их для создания понижающих (step-down), повышающих (step-up), инвертирующих (inverting) и понижающе-повышающих (buck-boost) импульсных DC/DC-преобразователей (рис.2), Частота генерации определяется длительностью зарядки и разрядки конденсатора СT. Ток зарядки-разрядки фиксирован (35 и 220 мкА). Типовое значение пороговых напряжений переключения этапов зарядки/разрядки конденсатора – 0.75 и 1.25/2 В. Для управления ключевым транзистором используется RS-триггер и логический элемент «И». Если выходное напряжение ниже номинального, то В = “1” и RS-триггер управляется выходным сигналом генератора (по сути сигналом А). На протяжении интервала зарядки конденсатора выходной ключ открыт (Q = “1”, т.е. TON) и энергия накапливается в катушке индуктивности. На интервале разрядки выходной ключ закрыт (Q = “0”, т.е. TOFF). В случае если выходное напряжение превысит номинальное значение, сигнал компаратора (В = “0”) блокирует открывание ключа и напряжение на нагрузке постепенно снижается до уровня ниже номинального после чего повторяется процесс накопления энергии в катушке индуктивности.

Таблица 1. Основные параметры ИМС семейства MC34063

Параметр MC34063A MC34163 MC34166 MC34167 NCP3063 NCP3064 NCP3163
Вх. напряжение, В 3.40 2.5.40 7.5.40 3.40 2.5.40
Вых. ток, А 1.5 3 3 5 1.5 1.5 3
Частота (тип.), кГц 33 50 72 150 250
Напряжение эталон­ного источника, В 1.25 5.05 1.25
Вход ON/OFF +
Диапазон рабочих температур, °С 0.70
Тип корпуса SOIC-8, PDIP-8 SOIC-6W, PDIP-16 TO 220, D2PAK SOIC-8, PDIP-8, DFN-8 SOIC-16W, 18-DFN

Рис. 2. Возможные топологии DC/DC-преобразователей с использованием ИМС MC34063

В ИМС серии MC34063 предусмотрена возможность ограничения тока, а для измерения его величины используется внешний резистор. Однако не следует полагать, что это позволяет спроектировать преобразователь с ограничением выходного тока в той трактовке, что преобразователь переходит в режим генератора тока. Реализована всего лишь возможность ограничения тока, протекающего через выходной транзистор (ключ) и катушку индуктивности, что осуществляется путем мониторинга падения напряжения на внешнем измерительном резисторе (R), включенным последовательно с цепью питания VIN и коммутирующим транзистором. Если падение напряжения превысит величину 250…350 мВ (типовое номинальное значение 300 мВ), устройство регулирования тока зарядки конденсатора СT обеспечивает дополнительный ток для его зарядки. Причем величина дополнительного тока (рис. 3) зависит от падения напряжения на измерительном резисторе (чем больше напряжение, тем больше ток зарядки). При типовом напряжении 300 мВ ток зарядки равняется току разрядки. Увеличение тока зарядки приводит к тому, что напряжение на конденсаторе быстрее достигает верхнего порогового значения, что приводит к сокращению длительности открытого состояния выходного ключа и, соответственно, уменьшению количество энергии, запасенной в катушке индуктивности. Другими словами, увеличение скорости зарядки конденсатора (рис. 1) позволяет уменьшить длительность TON и тем самым ограничить ток через транзистор.
Стандартные методы защиты от тока перегрузки, предусмотренные в МС34063, при использовании структуры step-up, вряд ли позволят сохранить в работоспособном состоянии диод (D2) и катушку индуктивности (L) в случае протекания большого тока через нагрузку, например, при ее коротком замыкании (КЗ). На интервале TOFF (транзистор Q2 закрыт) при КЗ ток протекает непосредственно от источника питания через диод D2 и катушку в нагрузку (рис. 2). В структуре buck-boost благодаря использованию транзистора Q1, включенного последовательно с источником питания (VIN) и нагрузкой, а также при наличии соответствующего устройства управления имеется возможность реализации ограничения выходного тока, как в случае применения структуры step-down.

Рис. 3. Зависимость тока зарядки
от падения напряжения
на токоограничивающем резисторе

В большинстве современных импульсных источниках питания для управления основным элементом преобразователя – коммутируемым ключом – используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При ШИМ-модуляции ключ, как правило, – МОП-транзистор – включается в каждом рабочем цикле. Выходное напряжение стабилизатора сравнивается с эталонным напряжением, их разница усиливается и используется для регулирования выходного напряжения за счет изменения ширины импульсов, которые управляют состоянием ключа. ШИМ-метод имеет множество преимуществ, однако его реализация в силу ряда факторов значительно сложнее релейного метода управления. В отличие от других модификаций в импульсных стабилизаторах MC34166/67 реализован ШИМ-метод управления выходным напряжением.
При релейном методе регулирования выходное напряжение стабилизатора также сравнивается с напряжением эталонного источника. Однако в этом случае используется стандартный компаратор, который управляет состоянием коммутируемого ключа, т.е. включает или отключает ключ. Регулирование уровня выходного напряжения осуществляется за счет изменения соотношения рабочих (ключ вкл.) и нерабочих (выкл.) циклов. Релейный метод регулирования имеет ряд преимуществ. Можно обойтись без усилителя ошибки и генератора пилообразного сигнала, используемого для формирования ШИМ-сигнала. Значение коэффициента усиления стандартного компаратора более чем достаточно для генерации управляющих импульсов с требуемой точностью. При отсутствии усилителя ошибки нет необходимости в обеспечении устойчивости системы регулирования, т.к. нет задержки распространения в цепи обратной связи. Преимущество – сокращение длительности переходного процесса и отсутствие элементов коррекции АЧХ передаточной характеристики цепи обратной связи. В простейшем случае при релейном методе управления фиксируется длительность включенного состояния ключа.

Рис. 4. Реализация режима ШИМ
при использовании ИМС MC34063

Вместе с тем, почти все модификации рассматриваемых преобразователей поддерживают работу в режиме широтно-импульсной модуляции, который обеспечивается благодаря управлению током зарядки-разрядки внешнего времязадающего конденсатора (рис. 4). Это позволяет регулировать длительность и соответственно скважность импульсов, управляющих коммутируемым транзистором.Как правило, все модификации стандартных схем включения MC34063 достигаются за счет соответствующего подключения дополнительных внешних компонентов.
В результате комбинированного использования двух классических структур DC/DC-преобразователей (понижающей и повышающей) несложно получить понижающе-повышающюю (buck-boost или step-up/down) структуру (см. рис. 2). В этом случае при использовании MC34063 необходимы дополнительные внешние компоненты. Энергия аккумулируется в катушке индуктивности в течение интервалов времени, в которых транзисторы Q1 и Q2 находятся в «открытом» состоянии (TON). При закрывании транзисторов энергия, запасенная в катушке, через диоды D1 и D2 передается в нагрузку и конденсатор выходного фильтра. В течение интервала TON структура преобразователя аналогична базовой структуре step-up, однако на интервале TOFF катушка индуктивности отключается от источника входного напряжения (Vin). При использовании такой структуры выходное напряжение преобразователя может быть меньше, равно или больше входного напряжения. На рис. 5 приведены схемы и временная диаграмма, поясняющие работу импульсного преобразователя со структурой step-up/down.

Рис. 5. Структура step-up/down и временная
диаграмма, поясняющая работу

Выходное напряжение преобразователя в режиме непрерывных токов (Continuous Current Mode – CCM) определяется известным выражением:
Vout = Vin • D/(1-D),
где D = TON/T.
Выходное напряжение импульсного регулятора пропорционально коэффициенту заполнения управляющих импульсов D. Если D < 0.5, выходное напряжение меньше входного (step-down). При D > 0.5 преобразователь работает в режиме step-up.
Типичный пример возможного использования ИМС типа MC34063 в импульсных преобразователях со структурой buck-boost – это драйверы светодиодов, которые должны обеспечивать постоянный ток через светодиоды при вариациях, как величины входного напряжения, так и числа подключенных светодиодов в условиях изменения условий эксплуатации. Светотехническое оборудование в автотранспортных средствах отличается не только работой при изменении напряжения питания в широком диапазоне, но и числом подключенных светодиодов для обеспечения необходимой яркости свечения. Напряжение бортовой сети находится в диапазоне 9…16 В. Кроме того, допускается его непродолжительное увеличение до 18…19 В. При запуске двигателя возможно повышение напряжения до 26 В, а при работе бортового генератора на холостом ходу не исключаются броски напряжения до 70 В (как правило, в автотранспортных средствах предусматривается ряд мер по устранению выбросов напряжения). В табл. 2 приведены значения падения напряжения на светодиодах в зависимости от их числа [2, 3]. Напряжение питания светотехнического оборудования при работе от сети переменного тока 12 В, в случае использования трансформатора и выпрямительного моста также изменяется в широком диапазоне.
Упрощенная структура понижающе-повышающего преобразователя, созданного на базе ИМС типа NCP3063, который можно использовать в качестве драйвера светодиодов в автомобиле, приведена на рис. 6.

Рис. 6. Драйвер светодиодов с использованием топологии buck-boost,
созданный на базе ИМС NCP3063

 

Несмотря на некоторое усложнение схемы, применение токочувствительного измерительного резистора (RSNS), включенного в цепь высокого напряжения, а не в цепь общего провода (как в стандартных решениях), позволяет подключать светодиоды непосредственно к общему проводу и таким образом упростить электропроводку. Благодаря дополнительному устройству управления (рис. 6) осуществляется регулирование тока зарядки-зарядки времязадающего конденсатора СT. Падение напряжения (ILED×RSNS) на измерительном резисторе RSNS сравнивается с падением напряжения на резисторе R10. При равенстве напряжений включается транзистор Q6. Ток зарядки-разрядки конденсатора СT зависит от величины напряжения на выходе повторителя напряжения (Q5).

Таблица 2. Падение напряжения
на светодиодах в зависимости от их числа

Количество светодиодов Ток, мА Напряжение, В
Мин. Макс.
1 350 2.30 4.23
3 6.90 12.69
4 9.62 16.92
5 11.50 21.15
1 700 2.4 4.4
3 7.2 13.2
4 11.5 17.7
5 12 22
6 14.5 26.5

В стандартных схемах подключения светодиодов к драйверам напряжение обратной связи (VFB = ILED×RSNS) в установившемся режиме равно эталонному напряжению (VREF). Недостаток такой схемы заключается в том, что при большом токе через светодиоды на резисторе RSNS рассеивается большая мощность. В такой схеме включения мощность на резисторе можно снизить уменьшением эталонного напряжения. В ИМС NCP3065/6, ориентированных на использование в драйверах светодиодов, напряжение эталонного источника снижено до 235 мВ. Кроме того, частота генератора увеличена до 250 кГц. Основные параметры ИМС NCP3065/6 даны в табл. 3.

Таблица 3. Основные параметры
ИМС NCP3065/66

Параметр NCP3065 NCP3066
Вх. напряжение, В 3.40
Вых. ток, А 1.5
Максимальная частота, кГц 250
Напряжение эталонного источника, мВ 235
Вход ON/OFF +
Диапазон рабочих тем­ператур, °С 0.70
Тип корпуса SOIC-8, PDIP-8, DFN-8

Структура NCP3065 приведена на рис. 7, структурная схема подключения светодиодов – на рис. 8. Частота генерации определяется длительностью зарядки и разрядки конденсатора СT. Ток зарядкиразрядки фиксирован (275 и 1650 мкА). В ИМС NCP3064/65/66 также предусмотрена возможность ограничения тока, протекающего через выходной транзистор и катушку индуктивности, а для измерения величины тока используется внешний резистор, включенный последовательно с цепью питания.
Если падение напряжения превысит величину 165…235 мВ (типовое значение 185 мВ), блокируется открывание выходного ключа. Как видно на структурной схеме, в отличие от ИМС MC34063 в NCP3064/65/66 не реализована возможность увеличения тока зарядки конденсатора СT.

Рис. 7. Структура ИМС NCP3065

Стандартная структура инвертирующего DC/DC-преобразователя с использованием MC34063 приведена на рис. 9. При входном напряжении 24 В и выходном – минус 12 В, напряжение между выводами VCC и GND составляет 36 В (24+12). Допустимое напряжение микросхемы MC34063А – 40 В. В случае если необходимо получить большее выходное напряжение, к примеру, -24 В, приведенная схема едва ли применима, т.к. напряжение между выводами VCC и GND составит 48 В (24+24). В такой схеме вывод микросхемы GND подключен к цепи отрицательного выходного напряжения. Учитывая это, максимальное значение выходного напряжения определяется из простого выражения (Vout = 40 В – Vin).

Рис. 8. Драйвер светодиодов
с использованием ИМС NCP3066

Однако, при использовании внешнего транзистора и других дополнительных компонентов, эта проблема решается сравнительно просто (рис. 9). Максимальное выходное напряжение и ток нагрузки в этом случае определяются параметрами внешнего мощного биполярного или полевого транзистора.
Микросхема NCV33163, ориентированная на использование в автотранспортных средствах, имеет повышенное входное напряжение (60 В) и максимальный ток до 2 А. Диапазон рабочих температур – 40…115 °С, максимальная температура кристалла – 150 °С. Основные параметры ИС NCV33163 даны в табл. 4.

Таблица 4. Основные параметры ИМС
NCV33163

Параметр NCV33163
Вх. напряжение, В 2.5.60
Вых. ток, А 2
Максимальная частота, кГц 55
Напряжение эталонного источни­ка, В 1.25
Вход ON/OFF
Диапазон рабочих температур, °С -40.115
Тип корпуса SO-16WB, PDIP-16

 

Рис. 9. Инвертирующие преобразователи напряжения на базе ИМС MC34063A

Для разработки источников питания с использованием ИМС семейства MC34063 ведущие компании-производители (ON Semiconductor, Texas Instruments и др.) предоставляют их SPICE-модели, ориентированные на использование как с популярными программными пакетами моделирования (к примеру, PSpice A/D OrCAD), так и с фирменным ПО: LTSpiceXVII (Linear Technology Corporation), GreenPoint Design Simulation (ON Semiconductor). Кроме того, в сети Интернет можно найти множество примеров применения и несложных программ по расчету параметров DC/DC-преобразователей, создаваемых на базе этих ИМС. На начальном этапе разработки всегда проще использовать программную модель с применением персонального компьютера, чем макетировать с паяльником в руках. Кроме того, в процессе моделирования можно выполнить проверку характеристик модели в заданном диапазоне изменения параметров компонентов, температуры окружающей среды и др., что позволяет ускорить разработку источника питания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате усовершенствования технологии изготовления ИМС в последние годы появилось множество микросхем импульсных преобразователей для реализации разнообразных структур, в том числе и структуры buck-boost. Все они, безусловно, имеют лучшие параметры в сравнении с ИМС семейства MC34063.
В их числе, например, ИМС TPS63050/1 и TPS630250/1/2 компании Texas Instruments, ориентированные на реализацию структуры buck-boost. Частота преобразования увеличена до 2.5 МГц, что позволяет использовать малогабаритные катушки индуктивности. Эти ИМС имеют КПД более 90…95 (в режиме boost) и 95…97% (buck). Выходной ток от 0.5 (TPS63050) до 2 А (TPS630252). Кроме того, т.к. они ориентированы на мобильные приложения, все они отличаются миниатюрным корпусом типа DSBGA размерами всего 1.56×1.16 (TPS63050) или 1.776×2.086 мм (TPS630252) с шагом выводов 0.4 мм. Их недостаток низкое входное напряжение (2.3…5.5 В) и более высокая стоимость в сравнении с MC34063. В табл. 5 в качестве примера приведена ориентировочная стоимость (на сайте DigiKey) некоторых компонентов, необходимых для реализации DC/DC-преобразователя со структурой buckboost ( рис. 6), созданного на основе ИМС NCP3063, а также стоимость модификаций TPS6305х/63025х.

Таблица 5. Ориентировочная стоимость
компонентов DC/DC-преобразователя

Тип Цена, $ Тип Цена, $
MC33063 0.223 TPS63050 1.022
NCP3063 0.38 TPS63051 1.43
NSS40500UW3T2G 0.184 TPS630250 2.1
2N7002LTIG 0.04 TPS630251 2.3
TLV431ASN1T1G 0.14 TPS630252 2.12
MBT3904DW1T1G 0.036
NST30010MXV6T1G 0.24

Миниатюрный корпус, являющийся преимуществом в случае его применения в мобильных устройствах, вряд ли целесообразно использовать во многих других приложениях, в которых размеры устройств не относятся к числу критических характеристик. Кроме того, для монтажа корпусов типа BGA, имеющих расстояние между выводами всего 0.4 мм, требуется печатная плата, изготовленная по более высокому классу точности, и соответствующее дорогостоящее технологическое оборудование, что далеко не всегда оправдано.
Универсальная архитектура преобразователей семейства MC34063 позволяет успешно применять их для создания недорогих импульсных стабилизаторов напряжения разного назначения (step-down, step-up, inverting, buck-boost). И хотя их использование не позволяет достичь параметров, сравнимых с теми, которые обеспечивают современные импульсные DC/DС-преобразователи, в ряде случаев простота изготовления и стоимость источника питания могут стать основными критериями при выборе ИМС. Один из подходов снижения стоимости – применение микросхем семейства MC34063.
В заключение приведены результаты моделирования драйвера светодиодов и инвертирующего преобразователя напряжения (рис. 10, 11) с использованием, соответственно, ИМС NCP3066 и MC34063. Для моделирования использовались Spice-модели микросхем, предоставляемые компанией производителем (ON Semiconductor), а также программы моделирования: GreenPoint 6.10 и Or-CAD 16.5.
Более полную информацию об ИМС семейства MC34063 можно найти в [1-6].

Рис. 10. Модель драйвера светодиодов (NCP3066)

Рис. 11. Модель инвертирующего преобразователя напряжения (MC34063)

ЛИТЕРАТУРА

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).