Создание высокоэффективных компактных преобразователей постоянного напряжения для переносной аппаратуры, питаемой от одного 1,5В элемента

При построении преобразователя c питанием от одного батарейного элемента полезно представлять характеристику зависимости напряжения на клеммах элемента от времени его разряда. В зависимости от химической основы элемента питания - алкалинового, никель-кадмиевого (NiCD) или никель-металгидридного (NiMH) типа - напряжение на нем при значительном разряде может опускаться до 0,8-0,9 В. В идеале напряжение запуска и рабочее напряжение по-вышающего (boost) преобразователя должны соответствовать этому значению.

Понять важность различий между напряжением запуска и рабочим напряжением можно, обратившись к основам структуры батареи (рис.1). На эквивалентной схеме замещения батареи можно выделить внутреннее последовательное сопротивление батареи Rser и емкости катода Сс и анода Са. В общем случае, когда батарея не подключена к нагрузке, напряжение на её выводах соответствует напряжению её внутренней ячейки, поскольку ток через внутреннее сопротивление батареи не протекает. При подключении нагрузки через ячейку начинает течь ток разряда, приводящий к появлению падения напряжения на внутреннем сопротивлении батареи, что вызывает понижение напряжения на зажимах батареи (красная линия на рис.1). В установившемся режиме падение напряжения прямо пропорционально току нагрузки, умноженному на внутреннее сопротивление. Однако, при переходных режимах в нагрузке, из-за наличия внутренней эквивалентной емкости между электродом, электролитом и сепаратором батареи, действительное напряжение на зажимах элемента меняется нелинейно и находится не в прямой зависимости от падения напряжения на внутреннем сопротивлении (рис. 1). Следствием наличия внутреннего сопротивления батареи является невозможность полного использования энергии элемента до момента, когда напряжение на нем не понизится до достаточной, экспериментально определяемой, величины.

Рис. 1. Структура батареи

С точки зрения пользователя, его переносное устройство должно работать от сменного элемента питания максимально продолжительное время. Разработчик может это обеспечить только при полном использовании энергии, содержащейся в гальваническом элементе. Исследования характеристик разряда 1,5В алкалиновых элементов, выполненные корпорацией Texas Instruments (TI) показали, что при снижении напряжения на зажимах батареи ниже 0,9 В почти вся её энергия, пригодная к использованию, оказывается исчерпана [1]. При этом, после отключения на-грузки напряжение на зажимах повышается до 1,2 В (у NiMH батарей до 1,15 В) несмотря на то, что энергии в батарее практически уже нет (рис.1). Эти данные позволяют сформулировать два базовых требования к повышающим преобразователям, питаемым от одного 1,5 В элемента: напряжение запуска такого преобразователя не должно превышать 1,1 В, а рабочее напряжение должно быть не менее 0,9 В.

В настоящей статье будут рассмотрены две основные разновидности повышающих преобразователей, используемых в переносных устройствах: конверторы с переносом заряда (на переключаемых конденсаторах) и индуктивные повышающие конверторы.

Повышающие преобразователи на переключаемых конденсаторах

Использование конвертеров на переключаемых конденсаторах рекомендуется в тех случаях, когда необходимо идти на компромисс между эффективностью и размерами источника питания. Высокий КПД источника будет напрямую сказываться на повышении времени работы устройства с батарейным питанием. Преобразователи на переключаемых конденсаторах имеют максимальный КПД около 90% и обычно требуют для своей работы всего лишь нескольких внешних конденсаторов. В них не используются дроссели, диоды или полевые транзисторы. Такие преобразователи выпускаются в маленьких корпусах типа SOT-23 и MSOP-8, что позволяет уменьшить размер создаваемого изделия.

Выходной ток конвертеров этого типа обычно не превышает 300 мА, а напряжение 6 В. При необходимости получения больших выходных токов и напряжений или для достижения более высокого КПД следует использовать индуктивные переключающие конверторы, которые в этом случае позволяют выиграть в стоимости и размерах источника.

Среди многообразия преобразователей на переключаемых конденсаторах хотелось бы выделить устройства компании TI семейства TPS603xx. Их интересной отличительной особенностью является наличие пары интегрированных контуров перекачки заряда, работающих с фазовым сдвигом 180 градусов, позволяющих до минимума снизить пульсации выходного напряжения. Это помогает уменьшить стоимость схемы дополнительной фильтрации на выходе. Важно также отметить, что любой преобразователь на переключаемых конденсаторах имеет тенденцию генерировать на выходе меньшую величину высокочастотного шума, чем эквивалентный ему индуктивный преобразователь с таким же выходным током. Это может быть важно в малошумящих приложениях и в схемах, чувствительных к высокочастотным излучениям.

Поскольку наиболее интересные по своим параметрам преобразователи на переключаемых конденсаторах предлагает на рынке корпорация TI, хотелось бы рассмотреть их возможности на примере семейства TPS6030xx/х. В него входят четыре преобразователя, разделяющиеся на два семейства: TPS6030x и TPS6031x (таблица 1). Различие между ними заключается в наличии у приборов серии TPS6031x режима повышенной эффективности Snooze (рис. 2). В этом режиме происходит значительное уменьшение потребляемого устройством тока при работе на малую нагрузку.

Рис. 2

Типовой рабочий ток преобразователя при переходе в режим Snooze составляет 2 мкА, при этом выходное напряжение поддерживается на уровне 3,3 В±10% или 3 В±10%. Этот ток ниже тока саморазряда большинства элементов питания. Значение тока нагрузки в режиме Snooze ограничивается 2 мА. Если происходит увеличение тока в нагрузке свыше 2 мА, выходное напряжение понижается, и устройство автоматически переходит в нормальный режим работы, обеспечивая поддержание номинального выходного напряжения при более высоких токах нагрузки. В этом случае потребляемый прибором ток возрастает до 50 мкА, но при этом точность регулирования увеличивается до 4%. Микросхема переводится в режим Snooze подачей на соответствующий вход управления лог. "0".

Преобразователи серии TPS6031x выпускаются в микроминиатюрном 10-выводном корпусе MSOP, размеры которого составляют всего лишь 3,05х4,98 мм. Учитывая, что для нормальной работы этих микросхем дополнительно нужно только пять небольших керамических конденсаторов на 1 мкФ, можно утверждать, что эти приборы идеально подходят для построения микромощных малогабаритных повышающих преобразователей. Они могут обеспечить в нагрузке ток до 20 мА и напряжение 3 или 3,3 В, при входном напряжении от 0,9 до 1,8 В. Обладая КПД порядка 90% в широком диапазоне выходных токов, конверторы TPS6031x специально оптимизированы для работы от гальванических элементов на 1,2 В. Режим Snooze повышает КПД при малых нагрузках, а на дополнительным выходе OUT1 обеспечивается получение удвоенного входного напряжения и ток до 40 мА. Дополнительный вывод PG (Power Good), представляющий собой выход с открытым стоком, позволяет отслеживать состояние выхода OUT2, оказываясь в состоянии высокого уровня при достижении на выходе OUT2 98% заданного выходного напряжения. Номинальная внутренняя частота переключения прибора составляет 700 кГц. Все микросхемы семейства TPS603xx ориентированы на работу в индустриальном температурном диапазоне (от -40 до +85 °С).

Для облегчения изучения возможностей приборов семейства TPS6030x и ускорения разработки источников питания на их основе компания TI предлагает специальную отладочную плату TPS6030xEVM.

Индуктивные повышающие преобразователи

Индуктивные повышающие (Boost) преобразователи являются самым распространенным типом повышающих конвертеров постоянного тока (DC/DC). Функциональная схема работы такого преобразователя показана на рис.3. При замыкании ключа входное напряжение Uвх прикладывается к катушке L, что приводит к плавному нарастанию тока через неё и накоплению в ней энергии. Затем, через промежуток времени, определяемый параметрами ШИМ-сигнала, управляющего ключом, ключ размыкается. После размыкания ключа снижение тока через катушку приводит к появле-нию положительного напряжения на ней, которое, суммируясь с Uвх, открывает диод D и подзаряжает конденсатор С. Варьируя скважность ШИМ-сигнала можно изменять величину накапливаемой в катушке энергии и, следовательно, величину выходного напряжения преобразователя. Важно отметить, что выходной ток такого преобразователя и ток, протекающий через ключ не одинаковы, и максимальный ток в нагрузке будет всегда меньше величины тока через переключающий транзистор. В качестве ключа в настоящее время обычно используется полевой МДП-транзистор, интегрированный в маломощных преобразователях непосредственно в кристалл.

Рис. 3. Функциональная схема индуктивного повышающего преобразователя

Номенклатура индуктивных повышающих преобразователей у многих производителей представлена десятками типов микросхем, различия между которыми заключаются в следующих ключевых параметрах (таблица 1).

Диапазон входного напряжения

Как было отмечено выше, для полноценного использования энергии гальванического элемента, нижняя граница диапазона входного напряжения повышающего преобразователя должна иметь величину не более 0,9 В. Наилучшие показатели этого параметра демонстрируют изделия компании MAXIM, способные работать при напряжении от 0,7 В. Кроме того, многие из конвертеров этой фирмы также имеют наименьшее среди продукции конкурентов напряжение запуска, не превышающее 0,9 В.

Возможность регулировки выходного напряжения

Все производители предлагают преобразователи как с фиксированной величиной выходного напряжения (1,5; 1,8; 2,5; 2,8; 3; 3,3; 5 В), так и с программируемым выходным напряжением, задаваемым, как правило, внешним резистив-ным делителем. При этом, к примеру TI, выпускает микросхемы преимущественно либо с фиксированным (TPS61011/2/3/4/5, TPS61001/2/3/4/5), либо с программируемым выходным напряжением (TPS61010, TPS61000), а схе-мотехника многих изделий от MAXIM позволяет подключением внешних резисторов изменять предустановленное фиксированное значение напряжения на выходе.

Выходной ток

Подавляющее большинство представленных на рынке типов повышающих преобразователей с малым входным напряжением имеют интегрированный MOSFET-транзистор, вследствие чего их стоимость коррелирует с величиной максимального выходного тока. Наиболее мощные, но при этом и самые дорогие конверторы производит компания MAXIM. К примеру, её микросхема MAX1709 способна отдавать ток в нагрузку до 4 А. Для упрощения схемы фильтрации шумов на выходе логика ШИМ-управления в ней работает на фиксированной частоте 600 кГц. Однако имеется возможность подачи внешней синхронизирующей частоты в диапазоне 350…1000 кГц.

Дополнительные функциональные возможности

К стандартным функциям современных преобразователей можно отнести возможность мягкого старта, наличие режима shutdown, защиту от перегрева и пр. В некоторых конверторах для получения дополнительной стабилизации напряжения есть встроенные линейные регуляторы, как например 120 мА программируемый LDO-регулятор в TPS61100/3/6/7. Многие преобразователи TI имеют выход "Power Good", информирующий системный контроллер о наличии на выходе питающего контроллера номинального напряжения. Важной функцией можно считать наличие в конверторе схемы отключения нагрузки при переходе его в режим shutdown.

Всесторонне оценить возможности индуктивных повышающих преобразователей, способных работать от одного гальванического элемента можно, рассмотрев особенности хорошо сбалансированного по своим характеристикам семейства TPS61020/4/5/7 выпускаемого Texas Instruments. Эти устройства позволяют достигнуть КПД 96% при входном напряжении 0,9 В, выходном токе 200 мА и собственном потребляемом токе 25 мкА. Такие показателя являются лучшими в индустрии. Среди основных возможностей семейства нужно выделить следующие:

• выходное напряжение остается регулируемым, когда входное напряжение превышает номинальное выходное напряжение;
• чрезвычайно малый потребляемый в режиме shutdown ток на уровне 0,1 мкА;
• возможность получения фиксированного или регулируемого (резистивным делителем) выходного напряжения;
• широкий диапазон входного напряжения 0,9…6,5 В, дающий возможность питать контроллер от одного, двух или трех алкалиновых, NiCd или NiMH гальванических элементов, либо от одного Li-Ion или Li-Polymer элемента;
• режим энергосбережения, активизируемый при низкой выходной мощности, что дополнительно повышает КПД;
• интегрированный компаратор для отслеживания понижения напряжения питающей батареи ниже задан-ного уровня;
• схема преобразователя с низкими электромагнитными излучениями, что обеспечивается наличием цепи подавления "звона" дросселя;
• полное отключение нагрузки при переходе в режим shutdown;
• защита от перегрева, мягкий старт;
• маленький корпус QFN-10 PowerPADФ размерами 3?3 мм, индустриальный температурный диапазон.

В основе структуры преобразователей TPS6102x лежит ШИМ-контроллер с фиксированной максимальной частотой переключения 720 кГц, и синхронный выпрямитель на выходе устройства (рис.4). Ток через силовой NMOS ключ ограничивается на уровне 1500 мА.

Рис. 4. Структура преобразователей TPS6102x

Типовая схема включения микросхем TPS6102х показана на рис.5. Для нормальной работы им нужно несколько внешних конденсаторов и пара делителей на резисторах, одним из которых разработчик задает минимально допустимое рабочее напряжение батареи (по входу LBI, если есть необходимость в его отслеживании), а другим устанавливает необходимое выходное напряжение (вход FB).

Рис. 5. Типовая схема включения TPS6102х

Примером комплексного однокристального решения источника питания с несколькими выходами является микросхема MAX1800 корпорации MAXIM. Она предназначена для использования в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах. В устройстве интегрированы базовый повышающий конвертер, три вспомогательных повышающих контроллера и неподключенный блок усиления для управления внешним P-канальным MOSFET-транзистором для линейного регулятора (рис.6).

Рис. 6. Схема подключения MAX1800

При питании от источника 0,7…5,5 В прибор обеспечивает поддержание на основным выходе регулируемого напряжения 2,7…5,5В при токе до 1,5 А. Благодаря использованию в MAX1800 интегрированного синхронного выпрямителя компании MAXIM удалось достигнуть в своем изделии КПД до 95%. Дополнительные повышающие контроллеры, имеющиеся в MAX1800, могут быть использованы для питания ПЗС-матрицы, ЖКИ и модуля подсветки. Помимо этого, преобразователь MAX1800 имеет возможность управлять внешними вспомогательными контроллерами, например ведомым конвертором MAX1801, который может использоваться для питания двигателя камеры (рис.6). Микросхема MAX1800 доступна в миниатюрном корпусе 32-TQFP размерами 5х5 мм. Оперативно оценить возможности изделия позволит отладочный модуль MAX1800EVKIT.

В последнее время актуальной проблемой стало создание источников питания для светодиодов белого свечения, широко используемых в качестве подсветки в дисплеях, а также в качестве самостоятельных источников света [2]. В основе этой проблемы лежит одна из особенностей таких светодиодов, связанная со значительной величиной падения напряжения на них, достигающей 4 В. С другой стороны, поскольку любой светодиод в общем смысле является токовым прибором, с точки зрения энергоэффективности выгодно обеспечивать прямое управление током, протекающим через него. Это позволяет исключить потери, возникающие на балластном резисторе при традиционном включении светодиода, реализовать ШИМ-управление яркостью, обеспечить защиту от перенапряжения на диоде и пр. Принцип такого управления показан на рис.7.

Рис. 7. Принцип прямого управления током, протекающим через светодиод

В настоящее время ведущие производители полупроводников предлагают различные типы повышающих конверторов, ориентированных на работу со светодиодами. Хорошей иллюстрацией может служить продукция компании National Semiconductor. В её ассортименте представлено больше десятка драйверов светодиодов, но применительно к теме данной статьи интерес представляют два типа конверторов: LM2623, обеспечивающий ток в нагрузке до 1 А и его более мощная модификация LM2623A с максимальным выходным током 2А. Оба эти преобразователя могут работать от источника 0,8…14 В.

Микросхема LM2623 представляет собой высокоэффективный повышающий преобразователь, позволяющий разработчику изменять в широких пределах выходное напряжение (1,24…14 В), рабочую частоту (300…2000 кГц) и коэффициент заполнения (от 17% до 90%). Она производится в миниатюрном корпусе Mini-SO-8 и имеет высоту 1,09 мм. Устройство имеет встроенный MOSFET с сопротивлением канала 0,17 Ом, интегрированную систему ограничения максимального тока и защиту от перегрева. Напряжение запуска прибора не превышает 1,1 В.

Области применения описанных преобразователей охватывают весьма широкий спектр портативных приложений с батарейным питанием:

• портативные измерительные приборы;
• электронные игрушки;
• устройства домашней автоматизации;
• медицинские приборы (например, слуховые аппараты);
• пейджеры;
• драйверы "белых" светодиодов и модулей подсветки ЖКИ;
• программаторы флэш-памяти;
• аудиоплееры на основе флэш-карт памяти;
• портативные считыватели смарт-карт.

Подводя итог краткого обзора ассортимента современных повышающих преобразователей, напрашивается вывод о все большей ориентированности большинства изделий на конкретные узкие сферы применения. В условиях огромной конкуренции производители полупроводников стараются предложить специальное решение для каждой разновидности электронных устройств, что с одной стороны приводит к улучшению потребительских свойств создаваемой электронной аппаратуры, а с другой осложняет разработчику задачу выбора оптимальной элементной базы.

Таблица 1. Сравнительные характеристики повышающих преобразователей, питаемых от 1,5 В гальванического элемента

*) Производитель: TI - Texas Instruments; N - National Semiconductor; M - MAXIM Corporation.

**) Цена в американских долларах при объемах закупок от 1000 шт.

Литература

1. SK Loo and Keith Keller, Application Report "Single-cell Battery Discharge Characteristics Using the TPS61070 Boost Converter", SLVA194-AUGUST 2004, TI.
2. Clinton Jensen, "Inductive Based Switching Regulator Circuits Provide High Efficiency White LED Drives AN-1250", Sep-tember 2002, National Semiconductor.