Richard Cook, Linear Technology
LT Journal of Analog Innovation
Многоэлементные батареи большой емкости становятся все более привычными в носимых устройствах и промышленных приборах, получающих энергию от нескольких источников. Для максимального продления времени работы батарей и поддержки различных источников энергии стабилизаторы напряжения в подобных системах питания должны быть способны регулировать выходное постоянное напряжение, даже если их входное напряжение меньше, больше или равно выходному. Достичь этого можно использованием двух отдельных преобразователей с двумя микросхемами контроллеров. Но более привлекательным решением является использование одного повышающе-понижающего DC/DC преобразователя, который обеспечит такие критически важные для портативных устройств атрибуты, как небольшие размеры, простота и высокий КПД.
Микросхема LTC3111 представляет собой интегральный повышающе-понижающий преобразователь с диапазонами входных и выходных напряжений от 2.5 В до 15 В и током нагрузки до 1.5 А. Она позволяет преобразовывать энергию различных источников, таких как одно- и многоэлементные Li-Ion батареи, свинцово-кислотные аккумуляторы, блоки конденсаторов, порты USB и сетевые адаптеры.
В дополнение к широкому диапазону рабочих напряжений, LTC3111 использует разработанную Linear Technology оригинальную архитектуру управления ШИМ, эффективно устраняющую джиттер и электромагнитные помехи, возникающие на границах между повышающим и понижающим режимами. Это позволяет упростить, а то и вовсе исключить из системы дорогие фильтры и экраны, защищающие чувствительные к шумам преобразователи данных или радиочастотные цепи. Время автономной работы устройств с батарейным питанием, находящихся в режиме ожидания, можно увеличить выбором пульсирующего режима (Burst Mode), в котором значительно снижается собственный ток потребления преобразователя.
Точный входной порог управляющего вывода позволяет аккуратно запрограммировать напряжение включения преобразователя. Встроенные в устройство функции защиты, такие как ограничение выходного тока и отключение при перегреве или коротком замыкании, гарантируют надежную работу в жестких условиях эксплуатации. Для приложений критичных к размерам компонентов установленная по умолчанию частота переключения 800 кГц может быть увеличена до 1.5 МГц.
 |
|
| Рисунок 1. | Конструкция преобразователя мощностью 18 Вт, основанного на микросхеме LTC3111. |
На Рисунке 1 показана конструкция преобразователя на основе LTC3111, отдающего в нагрузку мощность 18 Вт при напряжении 12 В. Схема занимает на печатной плате менее 180 мм2. При сопоставимой выходной мощности это решение компактнее, чем повышающе-понижающий преобразователь на основе контроллера, и намного эффективнее, чем содержащая две индуктивности сложная схема с топологией SEPIC. Микросхема LTC3111 выпускается в 16-выводных корпусах со сниженным тепловым сопротивлением: DFN размером 3 мм × 4 мм, или MSOP.
Использование точного порогового напряжения входа RUN в схемах с одно-, двух- и трехэлементными Li-Ion батарями
Вывод RUN микросхемы может использоваться либо для включения/выключения преобразователя цифровым сигналом, либо для точной установки порога блокировки при пониженном напряжении с помощью резистивного делителя, включенного между выводом VIN и землей. Пороговое напряжение входа RUN микросхемы LTC3111, равное 1.2 В (±5% в диапазоне температур), позволяет изменять напряжение включения преобразователя. После того, как преобразователь включен из-за наличия гистерезиса 120 мВ на входе RUN запрет работы преобразователя произойдет тогда, когда входное напряжение упадет до уровня на 10% меньшего, чем напряжение, при котором произошло включение.
 |
|
| Рисунок 2. | В этой схеме, которая может питаться от одно-, двух- и трехэлементных Li-Ion батарей, используется высокая точность порогового напряжения вывода RUN преобразователя LTC3111. |
На Рисунке 2 изображена практическая схема, в которой точность порога вывода RUN используется для включения/выключения преобразователя LTC3111 при питании от одно-, двух- или трехэлементных Li-Ion батарей. Для случая одноэлементной батареи сопротивление R на выводе RUN равно 267 кОм, и LTC3111 включается, когда напряжение на входе превысит 3.3 В, а выключается – когда опустится ниже 3 В.
 |
|
| Рисунок 3. | Отклик преобразователя на линейное изменение входного напряжения при использовании свойства вывода RUN для случая одноэлементной батареи. |
Этот метод может быть применен к схемам с двух- и трехэлементными батареями, для чего сопротивление резистора R нужно изменить в соответствии с таблицей на Рисунке 2. На Рисунке 3 показан отклик преобразователя на медленное линейное изменение напряжения VIN для случая одноэлементной батареи. В одноэлементной конфигурации напряжение на выходе VOUT появляется тогда, когда входное напряжение достигает 3.3 В, и выключается при 3 В. Аналогичным образом этот график может быть масштабирован для случая двух- и трехэлементных батарей, для которых пороги включения/выключения будут равны 6.6 В/6 В и 9.9 В/9 В, соответственно. Хорошая точность порогового напряжения входа RUN может также использоваться в тех случаях, когда минимальное входное напряжение источника должно быть ограничено допустимым уровнем разряда таких устройств, как батареи конденсаторов, свинцово-кислотные или NiCd аккумуляторы.
 |
|
| Рисунок 4. | Зависимость КПД от выходного тока для вариантов с одно-, двух- и трехэлементными Li-Ion батареями. |
Кривые на Рисунке 4 показывают зависимость КПД от выходного тока для вариантов с одно-, двух- и трехэлементными батареями, работающими при их типовых напряжениях. Максимальный КПД, превышающий 90%, достигается при подключении батареи, состоящей из трех элементов. Заметим, что максимальный ток нагрузки при выходном напряжении 5 В уменьшается, когда входное напряжение становится ниже 6 В. В технической документации на LTC3111 приведены графики, показывающие зависимость максимального выходного тока от входного напряжения в режиме ШИМ и пульсирующем режиме для различных выходных напряжений, с помощью которых можно определить, поддерживается ли заданная нагрузка в определенном диапазоне входных напряжений.
Питание преобразователя от нескольких источников
Широкий диапазон рабочих напряжений LTC3111 делает простой организацию питания устройств от нескольких входных источников. На Рисунке 5 показано типичное приложение, в котором микросхема LTC4412 контролера PowerPath (в корпусе SOT-23) выбирает один из двух входных источников с наибольшим напряжением. Равное всего 20 мВ прямое падение напряжения на P-канальном MOSFET микросхемы LTC4412 сводит к минимуму потери мощности. В этой схеме LTC4412 подключает к преобразователю LTC3111 источник с бóльшим напряжением: Li-Ion батарею с напряжением 7.2 В или 12-вольтовый сетевой адаптер.
 |
|
| Рисунок 5. | Микросхема LTC4412 контролера PowerPath выбирает наибольше напряжение для питания преобразователя LTC3111. |
На Рисунке 6 показан график зависимости КПД от тока нагрузки для выходного напряжения 3.3 В при питании преобразователя от двух источников. Достигнутый здесь КПД превышает 89%. При включенном пульсирующем режиме типовой ток потребления в состоянии ожидания равен 49 мкА, что позволяет более чем на две декады расширить диапазон токов нагрузки, в котором сохраняется высокий КПД.
 |
|
| Рисунок 6. | Зависимость КПД LTC3111 от тока нагрузки при VOUT = 3.3 В, VIN = 7.2 В и 12 В. |
В LTC3111 имеется схема, минимизирующая изменения коэффициента передачи цепи обратной связи, что существенно улучшает отклик схемы на скачки нагрузки. Из осциллограммы, приведенной Рисунке 7, можно увидеть, что в повышающем режиме при токе нагрузки 1 А, емкости выходного конденсатора 22 мкФ и длительности фронтов 20 мкс, выбросы VOUT не превышают 50 мВ, или 1.5%.
 |
|
| Рисунок 7. | Выбросы выходного напряжения, при VOUT = 3.3 В и скачкообразном изменении входного напряжения от 7.2 В до 12 В и обратно. |
Использование LTC3111 для получения регулируемого выходного напряжения
Для таких приложений, как управление двигателями, освещение или параметрический контроль источников питания микросхема LTC3111 может быть сконфигурирована как регулируемый источник напряжения. Это может быть сделано многими способами. Один из них показан на Рисунке 8: добавление суммирующего резистора (R3) между выводом обратной связи FB и управляющим напряжением VCONTROL.
 |
|
| Рисунок 8. | Использование LTC3111 в качестве регулируемого источника напряжения. |
Программируемое выходное напряжение может быть рассчитано по формуле:
где
R1 – сопротивление резистора, включенного между выводами VOUT и FB,
R2 – сопротивление резистора, соединяющего FB с землей,
R3 – сопротивление резистора, соединяющего вывод FB и вход VCONTROL.
На Рисунке 9 показана реакция выхода на управляющее напряжение, линейно изменяющееся от 0 В до 1.2 В с частотой 100 Гц. Соответствующее выходное напряжение изменяется от 10 В до 2.5 В, что соответствует инвертирующему коэффициенту передачи от VCONTROL к VOUT, равному 6.2. Малошумящее ШИМ-управление обеспечивает низкие искажения и высокое качество репликации входного сигнала.
 |
|
| Рисунок 9. | Отклик выхода LTC3111 на внешнее управляющее напряжение. |
При использовании LTC3111 в качестве стабилизатора с регулируемым выходным напряжением допустимая нагрузка по току уменьшается, когда VOUT > VIN (то есть, когда микросхема работает в режиме повышения). На Рисунке 10 показано, что максимально допустимый выходной ток существенно зависит от коэффициента повышения преобразователя.
 |
|
| Рисунок 10. | Зависимость максимального выходного тока в режиме ШИМ от выходного напряжения при VIN = 5 В. |
Например, допустимый выходной ток при VOUT= 2VIN будет примерно вдвое меньше, чем при VOUT= VIN. В приведенном выше примере выход нагружался фиксированным током 500 мА, который микросхема способна отдавать при всех выходных напряжениях. Чтобы гарантированно обеспечить устойчивость преобразователя, параметры цепи частотной компенсации петли ОС определяются при самом большом коэффициенте повышения (VIN = 5 В, VOUT = 10 В).
Заключение
LTC3111 обеспечивает повышающе-понижающее преобразование с низким уровнем шумов для разнообразных приложений, требующих расширенного диапазона входных или выходных напряжений. Способность микросхемы эффективно поддерживать большие токи нагрузки делает ее идеальным решением для устройств с повышенным энергопотреблением. Габариты такого решения и КПД преобразования еще больше выигрывают от наличия внутренних MOSFET ключей с сопротивлением 90 мОм и корпусов со сниженным тепловым сопротивлением. Низкий ток, потребляемый в пульсирующем режиме, расширяет область высокого КПД до нескольких декад токов нагрузки, позволяя увеличить время автономной работы многих устройств с батарейным питанием.
Материалы по теме
Перевод: Алексей Ревенко по заказу РадиоЛоцман
Купить LTC3111 на РадиоЛоцман.Цены
