54231 so8 стабилизатор схема включения

Выбор данного семейства преобразователей в качестве темы обсуждения обусловлен тем, что они подходят для широкого круга применений — от устройств с батарейным питанием до систем промышленной автоматики и телекоммуникационных устройств. Еще одной причиной выбора достаточно узкой тематики является то, что охватить все DC/DC-преобразователи в рамках одной статьи практически невозможно, на данный момент их у TI более 600! Мы попытаемся осветить общие критерии выбора того или иного преобразователя, некоторые проблемы, которые встают перед разработчиком при проектировании DC/DC-источника питания, показать интересные варианты их применения и технические особенности, которые отличают решения TI от решений других производителей.

Эволюция современных DC/DC-преобразователей идет по пути уменьшения габаритов конечного источника питания и повышения его эффективности. Требования по габаритам приводят к тому, что на рынке появляется все больше и больше преобразователей с высокой частотой преобразования (свыше 1 МГц) и MOSFET-ключом, расположенным на одном кристалле с контроллером. В первую очередь повышение частоты позволяет уменьшить габариты дросселя, однако при этом приходится ответственно подойти к выбору этого дросселя.

На практике на частотах преобразования свыше 300 кГц уже встает необходимость применения дросселей с особыми техническими характеристиками для обеспечения работы на высоких частотах. Компания Sumida, например, в своей линейке дросселей CDEP использует плоский провод с прямоугольным сечением для уменьшения скин-эффекта на высоких частотах. Отличным выбором высокочастотного дросселя является серия IHLP от компании Vishay, благодаря применению в них специальных неферритовых материалов удалось расширить диапазон рабочих частот до 5 МГц!

Тема высокочастотных дросселей затронута не случайно — это, пожалуй, самый частый вопрос, задаваемый нам разработчиками, которые решили применить продвинутый DC/DC-контроллер в своем изделии. Для выбора дросселя можно зайти на наш сайт и воспользоваться параметрическим поиском в разделе «Индуктивности» http://catalog.compel.ru/inductor/list. Дроссели от Sumida и Vishay на данный момент доступны на нашем складе в Москве.

Для обеспечения высокой эффективности источника питания Texas Instruments применяет ряд технических решений. Во-первых, это использование встроенного MOSFET-транзистора с низким значением сопротивления «сток-исток» в открытом состоянии Rds(on) и малым значением суммарного заряда затвора (Qg). Во-вторых, для приложений, где требуется высокий ток нагрузки и малое значение выходного напряжения, TI предлагает преобразователи с синхронным выпрямлением. В-третьих, для сохранения высокой эффективности на малых токах нагрузки в ряде преобразователей предусмотрен режим Eco-mode TM — при сохранении постоянной тактовой частоты в режиме малой нагрузки преобразователь «пропускает» часть управляющих импульсов (pulse skipping). Еще одной важной составляющей эффективности DC/DC-источника питания, которой уделяют внимание многие производители, в том числе и TI, является собственное потребление микросхемы преобразователя.

Графическое сравнение эффективности преобразователей с синхронным и несинхронным выпрямлением представлено на рисунках 1 и 2. В качестве примера приведены: TPS54331 (несинхронное выпрямление) и TPS54325 (синхронное выпрямление). Разница в эффективности на малых токах нагрузки связана, прежде всего, с большим влиянием потерь на переключение в синхронном преобразователе, а также с тем, что на малых нагрузках TPS54331 переходит в режим Eco-mode TM (рисунок 1).

Читайте также: Стабилизатор напряжения powercom tca 2000 1000вт 2000ва

Рис. 1. Сравнение эффективности TPS54331 и TPS54325 при Uвых = 2,5 В

На больших токах преобразователь с синхронным выпрямлением имеет более высокий КПД при малых значениях выходного напряжения (рисунок 2) в силу того, что у несинхронного прямое падение напряжения на диоде становится сравнимо со значением выходного напряжения.

Рис. 2. Сравнение эффективности TPS54331 и TPS54325 при Uвых = 1,5 В

Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод, что при выборе типа преобразователя следует сначала оценить характер нагрузки. Характеристики эффективности в зависимости от тока нагрузки, входного и выходного напряжений приведены в документации на любой преобразователь TI.

Семейство преобразователей SWIFT TM представлено в таблице 1.

Таблица 1. Семейство преобразователей SWIFT TM

Наименование Uвх., В Uвых., В Iвых., А Iсобств., мА Синхр. выпр. Fраб., кГц Eco-mode™ Корпус
TPS5401/54040 3,5…42 0,8…39 0,5 0,116 100…2500 + 10MSOP PowerPAD
TPS54140/240 3,5…42 0,8…39 1,5/2,5 0,116/0,138 300…2500 + 10MSOP PowerPAD
TPS54060 3,5…60 0,8…57 0,5 0,116 100…2500 + 10MSOP PowerPAD, 10SON
TPS54160/260 3,5…60 0,8…57 1,5/2,5 0,116/0,138 300…2500 + 10MSOP PowerPAD, 10SON
TPS5410/20/30/50 5,5…36 1,23…31 1/2/3/5 3 500 8SOIC/8SO PowerPAD
TPS54225/325/425 4,5…18 0,76…5,5 2/3/4 0,8/0,85/0,85 + 700 14HTSSOP
TPS54226/326/426 4,5…18 0,76…5,5 2/3/4 0,8/0,85/0,85 + 700 + 14HTSSOP, 14QFN
TPS54320 4,5…17 0,8…15 3 0,6 + 200…1200 14QFN
TPS54620 4,5…17 0,8…15 6 0,6 + 200…1600 14QFN
TPS54327 4,5…18 0,76…7 3 0,85 + 700 8SO PowerPAD
TPS54328 4,5…18 0,76…7 3 0,85 + 700 + 8SO PowerPAD
TPS54350/550 4,5…20 0,9…12 3/6 5/9 + 250…700 16HTSSOP
TPS54521 4,5…17 0,8…15 5 0,6 + 200…900 14QFN
TPS54233 3,5…28 0,8…25 2 0,11 300 + 8SOIC
TPS54231/331 3,5…28 0,8…25 2/3 0,11 570 + 8SOIC
TPS54232/332 3,5…28 0,8…25 2/3,5 0,11 1000 + 8SOIC/8HSOIC PowerPAD
TPS56121/221 4,5 -14 0,6…12 15/25 2,5 + 300…1000 22SON
TPS54283/286 4,5…28 0,8…25,2 2 + 2* 1,8 300/600 14HTSSOP
TPS54383/386 4,5…28 0,8…25,2 3 + 3* 1,8 300/600 14HTSSOP
TPS55383/386 4,5…28 0,8…25,5 3 + 3* 1,8 300/600 16HTSSOP
TPS5429x 4,5…28 0,8…25,5 2,5 + 1,5* 1,65 300, 600, 1200 16HTSSOP
TPS54110/310 3…6 0,9…4,5 1,5/3 4,2/6,2 + 280…700 20HTSSOP
TPS54610 3…6 0,9…4,5 6 11 + 280…700 28HTSSOP
TPS54218/318 /418/618 2,95…6 0,8…4,5 2/3/4/6 0,35 + 200…2000 16QFN
TPS54317/337 3…6 0,9…3,3 3 6,2 + 280…1600 24VQFN
TPS54010 2,2…4 0,9…2,5 14 13 + 280…700 28HTSSOP
TPS54610 3…6 0,9…4,5 6 11 + 280…700 28HTSSOP
TPS54810 4…6 0,9…3,3 8 11 + 280…700 28HTSSOP
TPS54910 3…4 0,9…2,5 9 11 + 280…700 28HTSSOP
TPS54319 2,95…6 0,82…4,5 3 0,36 + 300…2000 16QFN
TPS54617/917 3…6/4 0,9…3,3/2,5 6/9 11 + 280…1600 34VQFN
TPS84620 4,5…14,5 1,2…5,5 6 + 480…780 BQFN
* – два выходных канала.

Читайте также: Замена передних втулок стабилизатора шевроле каптива

Остановимся на описании наиболее интересных новинок. TPS5401 и TPS54060/160/260 в первую очередь выделяются очень широким диапазоном входного напряжения от 3,5 до 60 В и выходным током до 2,5 А у TPS54260. Частоту преобразования можно установить в диапазоне от 100 кГц до 2,5 МГц с помощью внешнего резистора. Не секрет, что многие производители (ST, ONS и другие) расширяют свои линейки DC/DC-преобразоваталей за счет выпуска микросхем со все более широким входным диапазоном напряжения и высоким выходным током, но TPS54260 на данный момент является безусловным лидером по соотношению этих параметров.

Эти выдающиеся характеристики использованы в полной мере в схеме на рисунке 3. Данная схема позволяет увелить ток нагрузки емкостного преобразователя напряжения, который очень часто используется в счетчиках электроэнергии, при этом такое решение привлекательно низкой себестоимостью. Повышение допустимого тока нагрузки особенно актуально в современных счетчиках, в которых применяются продвинутые интерфейсы (например, радиоканал).

Рис. 3. Схема для увеличения выходного тока преобразователя на гасящем конденсаторе

Коротко поясним суть этой схемы. Полная мощность в вольт-амперах P(ВА) = URMS x IRMS. Для выполнения требований по ограничению собственного потребления счетчика 4ВА при напряжении сети 220В IRMS необходимо ограничить значением 17,4мА. При этом входная емкость вычисляется по формуле: С1= IRMS/(URMS x 2pf). При частоте сети 50Гц: C1 ≥ 240нФ. Постоянный ток на входе DC/DC-преобразователя после однополупериодного выпрямителя: IвхDC= (IAC x √2)/p. При IRMS= 17,4мА: IвхDC= 7,8мА. Для линейного стабилизатора IвыхDC= IвхDC, поэтому такой вариант источника питания может использоваться только для простейших счетчиков, у которых максимальный ток потребления находится в пределах 8мА.

Таким образом, при использовании импульсного DC/DC-преобразователя выходной ток IвыхDC является функцией, зависящей от UвхDC и КПД. Собственно говоря, для большего выходного тока необходимо большее входное напряжение. На практике мы имеем результаты, показаные в таблице 2. Поскольку TPS5401 имеет максимальное входное рабочее напряжение 42 В, а TPS54060 — 60 В, то при использовании последнего можно получить более высокое значение выходного тока.

Таблица 2. Сравнение линейного и импульсных регуляторов в схеме с гасящим конденсатором

Параметры Iвых(max), мА (лин. рег.) Iвых(max), мА TPS5401 Iвых(max), мА TPS54060
Pвых. • А 8 35 49
Pвых. • А 16 109 137

Еще одним интересным вариантом применения DC/DC-преобразователя серии SWIFT TM является источник питания мощных светодиодов с возможностью аналогового и ШИМ-димминга на базе TPS54160 (рисунок 4).

Рис. 4. Понижающий драйвер светодиодов на TPS54160

Данная схема примечательна прежде всего малым количеством элементов обвязки и возможностью использовать только керамические конденсаторы, отказавшись от электролитов. Схема расчитана на входное напряжение 24 В и номинальное выходое напряжение 14,8 В при токе 700 мА. Таким образом, возможно подключение одной линейки из четырех светодиодов последовательно в режиме 700 мА или двух линеек по 350 мА параллельно (например, светодиоды серий MX6 и MX3 от CREE, соответственно). Подробное описание можно найти по ссылке http://focus.ti.com/lit/an/slva374/slva374.pdf.

Для удобства расчета собственного источника питания светодиодов на базе TPS54x60 TI предлагает программу, реализованную в виде excel-файла, которая доступна по ссылке: http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/leddriver60vswift-calc.html.

Описанные выше примеры показывают, насколько разнообразными могут быть варианты применения одного и того же DC/DC-преобразователя вообще и семейства SWIFT TM в частности. В заключительной части статьи хотелось бы обратить внимание на позиции, обладающие впечатляющими характеристиками по величине выходного тока.

Читайте также: Стабилизатор для камеры jvc

TPS54620 — выходной ток до 6 А, при достаточно широком входном и выходном диапазонах напряжений и максимальной частоте преобразоваиния до 1,6 МГц.

TPS56221 — выходной ток до 25 А! Выпускается в корпусе 22SON. Выход этой микросхемы стал возможен в связи с приобретением Texas Instruments компании Ciclon Semiconductor, которая являлась производителем MOSFET-транзисторов по технологии NexFET TM с самыми низкими значениями суммарного заряда затвора и сопротивления «сток-исток». Эти транзисторы интегрированы на кристалле преобразователя.

На данный момент финальным аккородом в эволюции DC/DC-преобразователей TI становится TPS84620. Фактически это микросхема-модуль, в которой интегрированы: контроллер с синхронным выпрямлением + MOSFET-транзисторы (по сути TPS54620), дроссель и часть остальной пассивной обвязки. Этот модуль обеспечивает выходной ток до 6 А, и все это в компактном корпусе BQFN (рисунок 5).

Рис. 5. Внешний вид TPS84620

Полезные ссылки

Для расчета DC/DC-источников питания TI предлагает программу SwitcherPro TM , которую можно скачать по ссылке www.ti.com/switcherpro. Программа постоянно обновляется (добавляются новые позиции) и является хорошей отправной точкой в разработке своего DC/DC-преобразователя. Помимо расчета схемы и получения списка компонентов (BOM), можно получить рекомендации по расположению компонентов на плате.

TINA-TI — бесплатный Spice-симулятор от Texas Instruments: www.ti.com/tina-ti.

Для подбора дросселя можно воспользоваться функционалом нашего сайта http://www.compel.ru/. В разделе «Калькуляторы» появился простой расчет, позволяющий подобрать необходимый дроссель при регулируемом выходном напряжении и разных типах нагрузки. Примечателен данный «калькулятор» и тем, что по результатам расчета выводится предложение из складских позиций, подходящих под расчетные параметры. Прямая ссылка http://catalog.compel.ru/blog/fordesigners/calculators/stepdown/.

При выборе дросселя серии IHLP от Vishay может пригодиться калькулятор потерь: http://www.vishay.com/inductors/calculator/calculator/.

Литература

1. «Efficiency of synchronous versus nonsynchronous buck converters», Rich Nowakowski, Ning Tang. Texas Instruments «Analog Applications Journal» 4Q2009. (SLYT358)

2. «TPS5401 Increases Output Current of Cap-Drop Power Supply», Sankar Sadasivam, Harmeet Singh, Michael Gilbert. Texas Instruments «Power Solution of the Month» December 2010.

3. «TPS54160 60-V, Step-Down LED Driver Design Guide», Daniel Acevedo, John Tucker. Application Report SLVA374

4. «Using IHLP’s in Automotive Applications», Vishay Application Note.

  • Свежие записи
    • Датчик положения педали газа 1: принцип работы и особенности
    • Что произойдет, если датчик кислорода на автомобиле перестанет работать?
    • Как очистить датчик массового расхода воздуха: эффективные средства
    • Причины выхода из строя датчика абсолютного давления
    • Где находится масляный датчик на ВАЗ 2112 с 16 клапанами?