РЕЗУЛЬТАТЫ ПОИСКА ПО ЗАПРОСУ ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

В статье рассказывается о новых разработках ОАО «Интеграл» – двух типах микросхем понижающих импульсных преобразователей напряжения IZ1412 (2 А, 23 В, 380 кГц) и IZ2307 (3 А, 23 В, 340 кГц), изготавливаемых по БиКДМОП-технологии. Микросхемы характеризуются низким током потребления (как во включенном, так и в выключенном состояниях), низким сопротивлением в открытом состоянии мощного выходного NДМОП-транзистора, высоким коэффициентом полезного действия (КПД).

Одним из важнейших современных направлений развития производства являются разработка и освоение энергосберегающей аппаратуры, где высокая эффективность, малые габариты и малая рассеиваемая мощность имеют принципиальное значение. Ни один современный источник питания не обходится без использования интегрированных компонентов. Применение ИС в источниках питания делает аппаратуру более компактной и экономичной. Развитие источников питания на базе интегральных микросхем (ИС) позволяет ускорить процесс разработки, повысить технологичность и надежность средств электропитания аппаратуры.

Источники питания формируют стабилизированные напряжения питания, необходимые для устойчивой работы электронной аппаратуры. Понижающие импульсные преобразователи напряжения — это микросхемы, преобразующие постоянное нестабилизированное высокое входное напряжение в пониженное стабилизированное выходное напряжение. Область применения их весьма обширна. Это — распределенные системы электропитания, сетевые системы, зарядные устройства, ноутбуки, изделия экономичной электроники, системы питания программируемых вентильных матриц, цифровых сигнальных процессоров и прикладных ИС, DSL-модемы, предварительные регуляторы напряжения для линейных стабилизаторов и т.д.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает ряд микросхем преобразователей напряжения, большинство из которых изготовлено по биполярной технологии. Описываемые в данной статье микросхемы понижающих импульсных регуляторов изготавливаются по БиКДМОП-технологии.

В числе основных преимуществ БиКДМОП импульсных регуляторов можно назвать:

– низкий ток потребления (порядка 1 мА), который примерно в десять раз меньше такового для микросхем классических биполярных преобразователей напряжения;

– низкое сопротивление в открытом состоянии мощного выходного NДМОП-транзистора, что уменьшает рассеиваемую микросхемой мощность.

На рисунках 1 и 2 приведены структурные схемы преобразователей напряжения IZ1412 и IZ2307 соответственно. В состав каждой микросхемы входят блок генератора, ШИМ-компаратор, усилитель сигнала ошибки, компаратор блокировки, компаратор настройки частоты, компаратор выключения, внутренние регуляторы, формирующие опорные напряжения, ограничитель тока внутри циклов, сумматор, буферы, мощный выходной NДМОП-транзистор.

Таблица 1. Типовые характеристики понижающих импульсных преобразователей напряжения IZ1412, IZ2307

В обоих типах микросхем реализована функция защиты от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке. В режиме КЗ частота преобразования уменьшается, чтобы не допустить увеличения тока через N-канальный ключевой транзистор сверх величины тока ограничения. После устранения КЗ все режимы автоматически возвращаются в исходное состояние, как только напряжение обратной связи (ОС) возрастет до уровня 0,92 В.

1. Семенов Б. Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. — М.: СОЛОН-Пресс, 2005.

2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника, т. 2. — М.: ДМК Пресс, 12-е изд-е., 2007.

В номенклатуре микросхем импульсных преобразователей напряжения ON Semi представлено несколько линеек ИС, которые обеспечивают широкий диапазон входных напряжений, вплоть до 40 В. Микросхемы предназначены для использования в преобразователях напряжения, зарядных устройствах, в системах питания от бортовых аккумуляторных систем, в частности, автомобильных электронных систем.

Для бортовых аккумуляторных систем питания характерны броски напряжения при включении и выключении индуктивных нагрузок (стартер, электроприводы, вентилятор, кондиционер). Преобразователи напряжения, используемые в бортовых вторичных источниках питания, должны обеспечивать высокий уровень допустимого входного напряжения для устойчивости и надежности цепей вторичного электропитания.

В качестве базового режима в преобразователях напряжения данного класса в основном используется режим понижения напряжения. Однако может быть востребован и комбинированный режим с повышением и понижением входного напряжения или с инверсией полярности входного напряжения.

В таблице 1 приведены характеристики микросхем импульсных преобразователей напряжения, имеющие широкий диапазон входных напряжений ON Semi (данные на конец 2009 г.).

Таблица 1. Основные параметры импульсных преобразователей напряжения с широким входным напряжением до 40 В

Все эти линейки преобразователей имеют встроенный мощный выходной ключ (составной биполярный транзистор) и требуют минимальное число дополнительных компонентов. Основными параметрами являются диапазон выходного напряжения и выходной ток, а также диапазон выходных токов.

В представленных импульсных преобразователях напряжения используются различные типы методов регулирования напряжения, разные частоты преобразования, эффективность преобразования.

Фирма ON Semi использует различные методы индексации микросхем, отличающихся температурным диапазоном. В ранних разработках для указания температурного диапазона использовалась дополнительная цифра в номере микросхемы (3 или 4). В других случаях для ИС автомобильного сектора с широким температурным диапазоном — префикс NCV. Например, микросхемы МС3416х отличаются от МС3316х только температурным диапазоном.

В номенклатуре преобразователей напряжений ON Semi можно выделить несколько линеек микросхем, которые имеют одинаковые схемы и цоколевки, но отличаются выходным током, частотой преобразования или температурным диапазоном:

– MC34166, MC33166, MC34163, MC33163;

– NCP3063, NCP3163, NCV3163;

– MC34167, MC33167;

– LM2574, LM2575, LM2576;

– LM2594, LM2595, LM2596;

– NCP1546, NCP1547, NCV8842 ,NCV8843;

– CS51411, CS51412, CS51413, CS51414.

По большей части, их структуры одинаковы или очень похожи. Некоторые типы являются улучшенными модификациями предыдущей серии и полностью совместимы с ними по цоколевке, что позволяет рекомендовать их использование вместо устаревшего аналога.

Рассмотрим некоторые особенности микросхем этих серий, знание которых позволит сделать правильный выбор преобразователя напряжения. Иерархия рассмотрения линеек преобразователей учитывает эволюцию архитектуры и развитие модификации.

Линейка преобразователей напряжения MC34063, MC33063, NCV33063A

Это базовая схема преобразователя, разработанная ON Semi довольно давно и используемая по сей день (см. рис. 1). Достоинство преобразователя — очень простая и дешевая микросхема. Для многих приложений эта схема обеспечивает удовлетворительные параметры.

Частота собственных колебаний генератора задается емкостью конденсатора Timing Capacitor, частота вынужденных колебаний генератора выше и зависит от максимального тока ключа, устанавливаемого резистором ограничения тока. Поскольку скорость нарастания тока в индуктивности зависит от разности входного и выходного напряжений, частота преобразования увеличивается с ростом входного напряжения. Когда напряжение на выходе обратной связи становится равным опорному напряжению, компаратор через логический элемент и триггер запрещает управление выходным ключом на один или несколько периодов частоты генератора. Таким образом, при управлении стабилизатор работает в режиме генерации пакетов импульсов. К ПД преобразователя не превышает 70%. Основные потери происходят за счет падения напряжения на составном транзисторе и на ограничивающем ток резисторе.

Серия преобразователей NCP3063, NCV3063

Микросхема NCP3063, обновленная версия МС34063, имеет более совершенную схему ограничения максимального тока ключа, работающего только в переходных и аварийных режимах, и дополнена температурной защитой (см. рис. 2).

Схема температурной защиты принудительно переводит мощные выходные каскады в выключенное состояние при превышении температуры кристалла сверх допустимой, что обеспечивает повышение надежности преобразователя. Частота преобразования повышена до 150 кГц, что позволяет увеличить его эффективность. Серия полностью совместима с MC34063A, MC33063A, NCV33063A по цоколевке корпусов и рекомендуется в качестве замены.

Преобразователи MC34166, MC34167, MC33166, MC33167

Схема ограничения тока действует в каждом цикле, реализована защита от перенапряжения и защита от перегрева кристалла. Особенность микросхем — низкое потребление в режиме stand-by, всего 36 мкА. Микросхемы поставляются в корпусах ТО-220 и DPAK.

Серия микросхем MC34163, MC33163, NCP3163, NCV3163

Преобразователи данной серии обеспечивают повышенный выходной ток 3,4 А, а также имеют дополнительные функции, улучшающие надежность. Одной из таких функций является наличие сигнала LVI индикации низкого напряжения на входе, который предназначен для подключения непосредственно к микроконтроллеру.

Микросхемы серии LM2594, LM2595, LM2596

Все микросхемы этой серии имеют одинаковую структуру (см. рис. 6) и цоколевку корпусов. Отличие заключается только в параметрах выходных транзисторов, обеспечивающих разные выходные токи: 0,5; 1 и 3 А. Частота задающего генератора — 150 кГц.

Микросхемы имеют схему защиты от перегрева и схему ограничения тока в фазах регулирования.

Преобразователи LM2574, LM2575, LM2576

Структура микросхем такая же (см. рис. 7), как у серии LM2594/LM2595/LM2596. Особенность серии — фиксированные выходные напряжения 3,3; 5,0; 12; 15, а также наличие модификации Adj. с регулируемым выходным напряжением. Частота внутреннего генератора также отличается — 52 кГц. Несмотря на одинаковую структуру, серия имеет отличную от серии LM 2594, LM2595, LM2596 цоколевку корпусов.

Преобразователи NCP1546, NCP1547, NCV8842, NCV8843

Это преобразователи нового поколения, в которых используются более совершенные схемы управления стабилизацией выходного напряжения. Архитектура V2 обеспечивает более эффективную обратную связь как по току, так и по напряжению, отслеживая вариации входного напряжения и тока в нагрузке. Данный тип рекомендуется использовать для питания устройств с импульсными режимами потребления в нагрузке. Характерный пример — питание материнской платы в компьютерах.

Микросхемы обеспечивают лучший уровень стабилизации и лучшую надежность за счет совершенствования механизмов защиты от перегрева и короткого замыкания на выходе. Микросхемы этой серии имеют одинаковую структуру (см. рис. 8). Отличие заключается лишь в использовании разной частоты преобразования: 170 кГц для NCP1546 и 340 кГц для NCP1547. Для понижения уровня ЭМИ системы преобразователей микросхемы обеспечивают режим синхронной работы нескольких преобразователей. Имеются схемы защиты от перегрева силовых цепей, а также режим понижения частоты преобразования в 4 раза при коротком замыкании в нагрузке.

Особенностью микросхемы является очень низкий ток 1 мкА в дежурном режиме (SHDNB). Наличие режима мягкого запуска преобразователя снижает опасные перегрузки при его включении и уменьшает уровень ЭМИ.

Исполнения для автомобильных приложений имеют не только дополнительный префикс NCV, но и другие номера — NCV8842, NCV8843. По сути, кристаллы в микросхемах имеют такую же структуру.

Преобразователи CS51411, CS51412, CS51413, CS51414

Серия микросхем преобразователей понижающего типа разработана компанией Catalyst Semiconductor, которая вошла в состав ON Semi в августе 2009 г. По основным параметрам эта серия близка к NCP1546, NCP1547. Схемотехника этой серии ИС также обеспечивает превосходную стабилизацию выходного напряжения и отличные динамические характеристики благодаря запатентованной технологии V2 управления по цепи обратной связи и современным решениям для силовой части преобразователей (см. рис. 9).

Микросхемы CS51411/13 и CS51412/14 отличаются цоколевкой и назначением выводов. У микросхем CS51411/13 имеется вывод SYNC для синхронного режима, а микросхемы CS51412/14 имеют вывод BIAS для внешней подачи внешнего напряжения питания логики преобразователя.

Микросхемы CS51411 и CS51413 полностью совместимы с ИС Linear Technologies LT1375, а CS51412/14 полностью совместимы с микросхемами LT1376.

1. Михаил Пушкарев. Микросхемы импульсных понижающих стабилизаторов. Эволюция схемотехники//Компоненты и технологии. №2. 2008.

2. Datasheet. L M2574, NCV2574 0.5 A, Adjustable Output Voltage, Step-Down Switching Regulator. O N Semi.

3. Datasheet. N CP1546 1.5 A, 170 kHz, Buck Regulator with Synchronization Capability. O N Semi.

4. Datasheet. M C34063A, MC33063A, NCV33063A 1.5 A, Step-Up/Down/Inverting Switching Regulators. O N Semi.