Монолитный импульсный регулятор. Когда все на одном кристалле

Frederik Dostal

Analog Devices

Импульсный регулятор может быть сделан как на основе монолитной микросхемы, так и на основе контроллера. В монолитном импульсном регуляторе соответствующие силовые ключи, обычно MOSFET, интегрированы на общем кремниевом кристалле. При использовании контроллеров, помимо собственно микросхемы контроллера, отдельно необходимо выбирать и размещать силовые полупроводники. Выбор MOSFET занимает много времени и требует определенного понимания процессов, происходящих в ключах. При использовании монолитной микросхемы разработчикам этим заниматься не нужно. Кроме того, решения на основе контроллеров обычно занимают на плате больше места, чем высокоинтегрированные решения. Таким образом, неудивительно, что с годами появлялось все больше монолитных импульсных регуляторов, так что сегодня стал доступен большой выбор подходящих вариантов даже для высоких мощностей. На Рисунке 1 слева показан монолитный понижающий преобразователь, а справа – решение на основе контроллера.

Рисунок 1.	Монолитный понижающий преобразователь (слева) и решение на основе контроллера с внешними ключами (справа).

Хотя монолитные решения требуют меньше места и упрощают процесс проектирования, с другой стороны, одним из преимуществ контроллера является бóльшая гибкость. Разработчик имеет возможность выбора ключей, оптимизированных для конкретного приложения на основе контроллера, а доступ к затворам MOSFET позволяет влиять на фронты импульсов путем разумного использования пассивных компонентов. Кроме того, благодаря возможности выбора больших дискретных транзисторов, схемы с контроллерами подходят для преобразования высоких мощностей, а потери переключения уменьшаются за счет термоотделения от микросхемы контроллера.

Однако помимо этих хорошо известных аргументов за и против монолитного решения есть еще один аспект, который рассматривается не часто. Для снижения уровня электромагнитных излучений в импульсных регуляторах решающее значение имеют так называемые горячие петли. Во всех импульсных стабилизаторах следует максимально оптимизировать характеристики электромагнитной совместимости (ЭМС). Одно из основных правил, соблюдение которых позволяет достигнуть этой цели, – минимизация паразитных индуктивностей в соответствующей горячей петле. В понижающем преобразователе элементами горячей петли являются путь между входным конденсатором и ключом верхнего плеча, соединение между ключом верхнего плеча и ключом нижнего плеча, а также соединение между ключом нижнего плеча и входным конденсатором. Это пути тока, в которых ток изменяется со скоростью коммутации. Смещения напряжения, формирующиеся из-за паразитных индуктивностей вследствие быстрых изменений тока, могут влиять на различные сегменты схемы как помехи.

Рисунок 2.	Структурные схемы монолитного импульсного регулятора (слева) и решения на основе микросхемы контроллера (справа), на каждой из которых отмечено положение горячей петли.

Таким образом, эти паразитные индуктивности в горячих петлях должны быть как можно более низкими. На Рисунке 2 красными прямоугольниками выделены пути, соответствующие горячим петлям для монолитного импульсного регулятора слева и для решения на основе контроллера справа. Нетрудно увидеть, что у монолитного варианта есть два преимущества. Во-первых, горячая петля меньше, чем в схеме с контроллером. Во-вторых, путь, соединяющий транзисторы верхнего и нижнего плеч, очень короток и проходит только по кремниевому кристаллу. Для сравнения, в схемах с микросхемой контроллера этот подключаемый путь тока должен проходить через паразитную индуктивность корпуса, обычно образуемую паразитными индуктивностями выводных рамок и внутренних соединительных проводов. Это приводит к большему смещению напряжения и, соответственно, ухудшению характеристик ЭМС.

1. Datasheet Analog Devices ADP1874
2. Datasheet Analog Devices ADP2441