Делители напряжения на основе коммутируемых конденсаторов в системах распределенного питания

Силовые DC/DC преобразователи HS200 с технологией MuxCapacitor, выпускаемые компанией Helix, являются новым типом делителей напряжения и могут стать неотъемлемой частью систем электропитания с распределенной архитектурой (Distributed Power Architecture – DPA). Это высокоэффективный инструмент понижения входного напряжения для питания локализованных к нагрузке (Point-Of-Load – POL) преобразователей с общей мощностью до 15 Вт. Для понимания особенностей использования HS200 в подобных приложениях необходимо вначале рассмотреть типовую систему питания с распределенной архитектурой.

В существующих системах DPA для питания POL-регуляторов нестабилизированным пониженным напряжением от 9.6 В до 14 В используются преобразователи шины (Рисунок 1). Такие преобразователи идеально соответствуют требованиям, предъявляемым к системам со слабостабилизированными 12-вольтовыми промежуточными шинами, от которых питаются последующие неизолированные POL-регуляторы. Как преобразователи шины, так и POL-регуляторы хорошо подходят для приложений с напряжением входной шины 48 В (±10%).

Один сегмент типовой системы распределенного питания, в которой обычно имеется преобразователь шины.
Рисунок 1. Один сегмент типовой системы распределенного питания,
в которой обычно имеется преобразователь шины.

Микросхема HS200 может заменить преобразователь шины, принимая напряжение 48 В и понижая его до 6 В для питания POL-регулятора. Поскольку сегодня типичные напряжения питания находятся в диапазоне от 3.3 В до 1 В и менее, для большинства приложений 6 В является адекватным промежуточным напряжением.

Что такое MuxCapacitor?

Главными элементами конструкции HS200 являются три зарядовых насоса, выполненных по технологии MuxCapacitor (Рисунок 2). Зарядовые насосы могут быть включены каскадно – для увеличения общего коэффициента деления напряжения, или параллельно – для увеличения выходного тока. Контроллер MuxCapacitor оптимизирует КПД во всем диапазоне нагрузок – от нуля до максимума.

Делитель напряжения MuxCapacitor с тремя зарядовыми насосами.
Рисунок 2. Делитель напряжения MuxCapacitor с тремя зарядовыми насосами.

В MuxCapacitor используются зарядовые насосы, обеспечивающие DC/DC преобразование с помощью ключей, заряжающих и разряжающих два внешних конденсатора. Как видно из Рисунка 2, над каждым каскадом MuxCapacitor имеется внешний «плавающий» конденсатор CEXT, выполняющий функцию переноса заряда, и к каждому выходу подключен внешний накопительный конденсатор, предназначенный для хранения заряда и фильтрации выходного напряжения. Модуляция сопротивления ключей зарядовых насосов позволяет увеличить выходной ток при тех же размерах (или стоимости) кристалла, поскольку при этом не требуются последовательные проходные транзисторы.

Основным преимуществом зарядовых насосов MuxCapacitor является отсутствие магнитных полей и электромагнитных помех, создаваемых дросселями или трансформаторами. Однако один потенциальный источник помех все же есть – это большие токи, заряжающие «плавающий» конденсатор, когда он подключается к входному источнику или другому конденсатору с отличающимся напряжением. Несмотря на простоту схем MuxCapacitor, они при полной нагрузке способны обеспечить КПД 90...95%, а при небольшом токе КПД каждого каскада может достигать 99%.

Как показано на Рисунке 2, на выходах каскадов MuxCapacitor формируются три промежуточных напряжения:

При этом общая мощность

забираемая от всех зарядовых насосов HS200, не может превышать 15 Вт. Объединение нескольких каскадов MuxCapacitor позволило создать низкопрофильную высокоинтегрированную микросхему, большой КПД которой снижает тепловыделение, позволяя использовать более тонкий и дешевый корпус.

Основные особенности HS200

  • Максимальное входное напряжение: 63 В;
  • КПД:
    • при выходной мощности 15 Вт – не менее 90%,
    • при выходной мощности 2.5 Вт – свыше 97%;
  • Диапазон рабочих температур: от –40 °C до +125 °C;
  • Вход разрешения (EN): 0 – микросхема выключена, 1 – рабочий режим;
  • Мощность, потребляемая в отсутствие нагрузки: 5 мВт.

Подробное описание HS200

Полная структурная схема HS200 показана на Рисунке 3. Микросхема является простым в использовании высокоэффективным делителем постоянного напряжения. Понизив входное напряжение с помощью трех каскадов делителей на зарядовых насосах, можно использовать более низковольтные и дешевые POL-регуляторы или другие преобразователи энергии.

На блок-схеме HS200 показаны вспомогательные схемы для управления MuxCapacitor.
Рисунок 3. На блок-схеме HS200 показаны вспомогательные схемы для управления MuxCapacitor.

Каждый делитель напряжения состоит из внутреннего коммутатора и двух внешних конденсаторов – плавающего и накопительного. Коммутационный узел понижения напряжения управляется встроенным двухфазным генератором неперекрывающихся тактовых импульсов, определяющим длительности интервалов заряда и разряда. Ограничение пускового тока для мягкого запуска обеспечивается за счет высоких сопротивлений открытых каналов ключей первого делителя.

В каждом каскаде MuxCapacitor имеется защита от перегрузки по току, которая автоматически сбрасывается при восстановлении нормального режима. Эта функция активна при запуске микросхемы, что гарантирует мягкое нарастание напряжения VOUT на выходе каждого каскада.

Вывод VINLDO предназначен для питания маломощного источника опорного напряжения (ИОН) на основе ширины запрещенной зоны, формирующего стабильное термокомпенсированное напряжение VREF, необходимое для работы внутренних цепей микросхемы. Этот источник содержит цепи запуска и всегда находится во включенном состоянии, даже при низком уровне на входе разрешения EN.

Для питания аналоговых цепей используется интегрированный 5-вольтовый LDO стабилизатор, вход которого подключен к выводу VINLDO, а опорным напряжением служит выход ИОН. Стабилизатор имеет защиту от короткого замыкания и всегда включен, даже при запрещающем сигнале EN.

Схема защитной блокировки при пониженном напряжении (Undervoltage-Lockout – UVLO) контролирует напряжения на выходе 5-вольтового LDO стабилизатора и выводе EN. Она гарантирует, что выходы всех MuxCapacitor будут оставаться в отключенном состоянии, если уровень хотя бы одного из этих сигналов опустится ниже установленного порога. Нормальная работа возобновляется, когда сигналы превысят свои пороговые значения.

После этого HS200 генерирует сигнал «Готовность к включению питания» (Power On Ready – POR), и с этого момента включается последовательность мягкого запуска. При низком уровне на входе EN все компараторы UVLO, кроме компаратора, контролирующего вход EN, отключаются, обеспечивая сверхнизкое потребление микросхемы.

Тактовый генератор

Частота тактового генератора задается сопротивлением резистора, подключаемого между выводами RT и GND. Типовое сопротивление резистора, необходимого для установки частоты 100 кГц, равно 400 кОм. Вывод EXTCLK предназначен для синхронизации микросхемы внешним тактовым сигналом. При выборе внешней синхронизации (EXTCLKSEL = 1) частота переключения ключей определяется частотой импульсов, поступающих на вход EXTCLK. В качестве EXTCLK можно использовать выход синхроимпульсов внешнего преобразователя. Это позволяет экономить энергию, потребляемую делителями MuxCapacitor, поскольку при снижении нагрузки частота переключения внешнего преобразователя обычно уменьшается.

Для питания внешнего POL-регулятора HS200 понижает напряжение 48 В до 6 В. С1, С2, С3 - «плавающие», а С4, С5, С6 - накопительные внешние конденсаторы.
Рисунок 4. Для питания внешнего POL-регулятора HS200 понижает напряжение 48 В до 6 В.
С1, С2, С3 – «плавающие», а С4, С5, С6 – накопительные внешние конденсаторы.

Датчик перегрева микросхемы срабатывает при температуре 145 °С и имеет гистерезис 20 °С. При превышении порога срабатывания выходы всех MuxCapacitor отключаются, а схема мягкого старта сбрасывается. Перезапуск микросхемы происходит автоматически, когда измеренная температура возвращается в нормальный рабочий диапазон. Датчик перегрева отключается при низком уровне напряжения на выводе EN, снижая рассеиваемую микросхемой мощность до ультранизких значений.

Упрощенная схема преобразователя на основе микросхемы HS200, понижающая напряжение 48 В до 6 В, показана на Рисунке 4. Выходное напряжение VOUT3 служит входным напряжением для POL-регулятора. Такая конфигурация обеспечивает максимальный КПД системы.

Материалы по теме

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 1010
сейчас смотрят 3
представлено поставщиков 380
загружено
позиций
25 067 862