задать вопрос консультанту online
Логотип компании ЭЛТЕХ

Микромодули питания Microchip и особенности их применения

05.12.2016

В октябре 2015 года произошло слияние компаний Microchip Technology и широко известной своими решениями в области устройств электропитания Micrel Semiconductor, чья продукция теперь выпускается под маркой Microchip. В статье рассмотрены характеристики и особенности применения интегральных микросхем (ИМС) импульсных стабилизаторов напряжения Micrel-Microchip, выполненных в виде микромодулей со встроенными дросселем и силовым ключом (Fully Integrated Modules), благодаря чему удается уменьшить число внешних компонентов и размеры конечного изделия, а также существенно снизить тепловое и электромагнитное излучение по сравнению с аналогичными устройствами, содержащими дискретные элементы.

По данным аналитических компаний, изучающих перспективы рынка электроники, к 2019 году мировой рынок силовых модулей будет составлять около трети от рынка силовых полупроводниковых приборов и вырастет в два раза по сравнению с 2014‑м. Компания Microchip имеет заметные позиции на этом рынке, так как спроектировала ряд новых схемных решений и эффективную технологию размещения в корпусе микросхем пассивных компонентов, что позволило уменьшить расстояние между ними, улучшить рассеяние тепла и снизить электромагнитное излучение. Результатом данной работы стало создание семейства микромодулей питания (ММП) — миниатюрных гибридных микросхем для DС/DC- преобразователей напряжения.

Рассматриваемые в обзоре микромодули питания Microchip — это импульсные понижающие стабилизаторы напряжения с синхронным выпрямителем [1], выполненные в виде гибридных микросхем в низкопрофильных миниатюрных корпусах MLF (QFN), в которых объединены ИМС контроллера, верхний и нижний управляемые силовые ключи на МОП-транзисторах и катушка индуктивности (дроссель) с высокочастотным ферритовым сердечником, позиционируемые для работы в расширенном индустриальном диапазоне температур –40…+125 °C. Как и все современные интегральные импульсные стабилизаторы напряжения, микромодули питания Microchip обязательно содержат различные схемы защиты от перегрузок и перегрева, а также выводы для индикации, управления параметрами и режимами работы — «Готовность» (Power Good — PG), «Плавный старт» (Soft Start — SS), «Активный режим» (Enable — EN) и т. д. Упрощенная функциональная схема ММП на примере MIC33153 (подробно будет рассмотрен далее) с регулируемым выходным напряжением и типовая схема его включения приведены на рис. 1.

Особенностью микромодулей питания Microchip является использование в них ряда оригинальных схемных решений, существенно улучшающих параметры стабилизаторов. Рассмотрим эти решения подробнее.

В импульсных понижающих стабилизаторах с большим перепадом входных и выходных напряжений для повышения стабильности работы применяют многоконтурные схемы обратной связи по напряжению и току [1], в которых достаточно сложной проблемой является совмещение динамической устойчивости и быстродействия срабатывания стабилизатора при изменении тока нагрузки. Кроме того, при низких выходных напряжениях коэффициент заполнения управляющих импульсов верхнего ключа становится слишком малым, и при высоких рабочих частотах обеспечить высокий коэффициент стабилизации не удается. Данные проблемы весьма успешно решаются в ММП Microchip благодаря использованию патентованных технологий Hyper Speed Control (HSC) и Hyper Light Load (HLL). Технология HSC [2] основана на применении комбинированной ШИМ-ЧИМ-модуляции — при резком возрастании тока нагрузки скачком увеличивается частота управляющих импульсов, что позволяет значительно снизить «провал» уровня выходного напряжения и обойтись сравнительно небольшой емкостью выходного конденсатора. Технология HLL [3] обеспечивает быструю реакцию при изменении выходного напряжения и стабильную работу при малых токах нагрузки путем переключения импульсного стабилизатора в режим прерывистого тока дросселя и, соответственно, уменьшения частоты управляющих импульсов. Естественно, при этом возрастает уровень пульсаций выходного напряжения, который, тем не менее, остается на приемлемом уровне с выходными керамическими конденсаторами емкостью несколько микрофарад.
Еще одно интересное решение — применение в составе ММП линейного стабилизатора с малым падением напряжения (Low Drop Out — LDO). При этом LDO-стабилизатор может включаться вместо основного импульсного при малых токах нагрузки, когда эффективность последнего снижается, данная технология получила название LowQ mode, или как
дополнение к импульсному (для уменьшения пульсаций и повышения стабильности выходного напряжения) — технология HelDO.

Теперь перейдем к рассмотрению основных типов и особенностей применения микромодулей питания Microchip, актуальных на середину 2016 года. Их основные параметры приведены в таблице.


Серия слаботочных низковольтных ММП MIC33030/50, выполненных по технологии HLL, отличается минимальным токопотреблением в активном и спящем режимах, высоким КПД до 90% и позиционируется для работы в портативных устройствах с автономным питанием. Следует отметить, что  для нормального функционирования ИМС требуется всего два внешних элемента — керамических конденсатора емкостью более 2,2 мкФ на входе и выходе микромодуля, при этом напряжение пульсаций выходного напряжения не превышает 7 мВ в режиме непрерывного тока дросселя и 30 мВ в режиме HLL. Зависимость частоты коммутации от тока нагрузки, демонстрирующая функционирование технологии HLL, приведена на рис. 2.

Уменьшение частоты коммутации происходит автоматически при токе нагрузки 100–150 мА в зависимости от величины входного и выходного напряжения. ММП MIC33030 выпускаются с фиксированным выходным напряжением 1,2 и 1,8 В; MIC33050 — 1; 1,2;1,8 и 3,3 В, а также с регулируемым в пределах, указанных в таблице. Имеется защита от перегрузки по току (Current Limit) и отключение стабилизатора при снижении входного напряжения (Under Voltage Lockout — UVLO) до уровня 2,55 В.


Повышение КПД и уменьшение шумов при малых токах нагрузки в ММП MIC3385 обеспечивается встроенным в ИМС линейным LDO-стабилизатором с регулирующим элементом
на p‑МОП-транзисторе (технология LowQ mode). При снижении тока нагрузки ниже 60 мА оба ключевых транзистора импульсного стабилизатора автоматически переходят в высокоимпедансное состояние, а выходное напряжение стабилизируется линейным стабилизатором, при этом максимальное падение напряжения на регулирующем транзисторе не превышает 150 мВ. Примечательно, что в техническом описании ИМС приведено максимальное значение коэффициента заполнения управляющих импульсов драйвера 100%, что, по сути, означает режим непрерывного регулирования, в то время как в обычных импульсных понижающих стабилизаторах этот коэффициент, определяющий пределы регулирования выходного напряжения, не превышает 85–90%.

 

Типовая схема включения ММП MIC3385 с регулируемым выходным напряжением приведена на рис. 3.

Входы Vin и AVin и выходы Out и LDO импульсного и линейного стабилизаторов соединяются параллельно. Включение режима LowQ mode возможно осуществить и принудительно — подачей управляющего сигнала низкого уровня на вход /LowQ. Время переключения режимов составляет не более 60 мкс и не вызывает скачка напряжения на выходе. КПД стабилизатора в импульсном режиме достигает 90%, а в режиме LowQ mode определяется главным образом разностью входного и выходного напряжений (чем меньше — тем выше). При малом токе нагрузки и спящем режиме собственное энергопотребление ИМС в режиме LDO оказывается существенно меньше, чем в режиме импульсной стабилизации, что особенно важно для питания мобильных устройств.

ММП MC33153, упрощенная функциональная и типовая схемы включения которого приведены на рис. 1, выполнен по технологии, аналогичной модулям MIC33030/50, и дополнительно имеет выводы Soft Start (SS) и Power Good (PG), что позволяет изменять время активации модуля от 100 мкс до 1 с варьированием емкости конденсатора, подключенного к выводу SS, и фиксировать момент его включения по сигналу высокого уровня на выводе PG. Выпускается в двух вариантах — MIC33153YHJ с фиксированным выходным напряжением 1,2 В и MIC33153YHG с выходным напряжением, устанавливаемым внешними резисторами в пределах 0,65–3,6 В.

Микромодули семейства MIC38150/300 выполнены по технологии HelDO и включают импульсный понижающий стабилизатор напряжения с синхронным выпрямителем на МОП-транзисторах и линейный LDO-стабилизатор с регулирующим элементом на биполярном транзисторе. В типовой схеме включения, представленной на рис. 4, выход импульсного стабилизатора SWO подключается к входу LDO-стабилизатора LDOIN. Благодаря последовательному включению импульсного и линейного стабилизаторов удается снизить пиковый уровень шумов выходного напряжения до 5 мВ и эффективно подавить пульсации по цепи первичного питания (коэффициент подавления пульсаций PSRR составляет не менее 70 дБ), что позволяет эффективно применять данные модули для питания малошумящих усилителей, высокочувствительной радиоаппаратуры и других аналогичных устройств. Особенностью
ММП MC38150/300 является возможность регулировки частоты коммутации импульсного стабилизатора в пределах 1–2,5 МГц, что в некоторых случаях сокращает влияние пульсаций напряжения питания на работу основного устройства. Регулировка частоты осуществляется изменением сопротивления резистора, подключенного между выводами SW и LPF в пределах от 10 кОм до 1 МОм (рекомендуемое значение 25 кОм — частота 2 МГц).

Семейство высоковольтных микромодулей питания представлено моделями MIC2803-1/2 и MIC2804-1/2 с максимальным уровнем входного напряжения 50 и 70 В соответственно. Каждая модель выпускается в двух версиях: первая — с использованием технологии HLL и вторая — по технологии HSC. На рис. 5 представлены зависимости КПД стабилизаторов от тока нагрузки для МПП, выполненных по разным технологиям. При малых токах нагрузки эффективность модулей питания, изготовленных по технологии HLL, существенно выше, в то же время МПП версии 2 обеспечивают лучшую динамическую характеристику.

На рис. 6 приведена функциональная схема микромодулей MIC2803 и MIC2804 с компонентами внешней обвязки, задающими параметры работы модулей — выходное напряжение, частоту коммутации, ток ограничения и др. Микромодули отличает высокая точность стабилизации ±1% и полное соответствие стандарту EN55022, который определяет допустимый предельный уровень электромагнитного излучения (ЭМИ) для двух классов: A и B. Класс B предъявляет более жесткие требования по сравнению с классом A. Устройства, которые входят в класс B (уровень излучения не превышает 35 дБмкВ/м в диапазоне частот 30–1000 МГц), разрешается использовать и в жилых помещениях. Основная область применения высоко‑
вольтных микромодулей питания — промышленная и автомобильная электроника, а также всевозможные устройства, в которых первичное напряжение питания может изменяться в широких пределах, — солнечная и гидроэнергетика, блоки резервного питания и т. п.

Заслуживает внимания одна из последних разработок Microchip — микромодуль питания MIC45404 с максимальным выходным током 5 А в корпусе высотой всего 2 мм, специально спроектированный для использования в устройствах с ограничениями по высоте платы: непосредственно в разъемах питания, SSD-накопителях, сетевом и телекоммуникационном оборудовании. Низкопрофильный корпус микромодуля MIC45404 позволяет размещать его на обратной стороне печатной платы, на дочерних платах и в других местах, где может быть критичной высота компонентов. Отличием ММП MIC45404 является возможность установки основных параметров импульсного стабилизатора — девять значений выходного напряже‑
ния: 0,7; 0,8; 0,9; 1; 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 3,3 В, три значения ограничения выходного тока: 3, 4, 5 А и три значения частоты коммутации: 400, 565, 790 кГц через специальные выводы микросхемы путем их подключения к общему проводу, выводу VDDA (внутренний источник 5 В) или оставления свободными, как показано на типовой схеме включения, приведенной на рис. 7.

В импульсном стабилизаторе напряжения MIC45404 используется схема управления ШИМ на постоянной частоте с комбинированной обратной связью по напряжению и минимуму тока нижнего ключа, которая обеспечивает высокую (±1%) стабильность выходного напряжения во всем диапазоне и устойчивую работу модуля с керамическими конденсаторами емкостью 10 мкФ на входе и выходе.
Микромодули MIC45116-1/2 с максимальным выходным током 6 А выпускаются в вариантах HLL (1) и HSC (2), частота коммутации — фиксированная 600 кГц, выходное напряжение устанавливается внешним делителем в пределах от 0,8 В до 85% входного напряжения. Порог ограничения выходного тока можно регулировать изменением сопротивления резистора, подключенного между выводами SW и ILIM. Благодаря технологии HLL КПД стабилизатора MIC45116-1 при выходном напряжении 5 В и токе нагрузки, изменяющемся от 100 мА до максимального, превышает 90%. Микромодули отличаются доступной ценой и могут с успехом применяться для питания промышленных устройств, медицинской аппаратуры и т. п.

Завершает обзор семейство сильноточных микромодулей питания MIC45205-1/2, MIC45208-1/2 и MIC45212-1/2, с максимальными выходными токами 6, 10 и 14 А без использования теплоотводов и внешних транзисторов. Модули выполнены по единой схеме и раз‑личаются размерами корпусов. Типовая схема включения сильноточных микромодулей приведена на рис. 8.


Регулировка частоты коммутации осуществляется при помощи внешнего делителя, подающего часть входного напряжения на вывод FREQ. Частота коммутации рассчитывается по формуле fSW = f0×R2/(R1+R2), где f0 = 600 кГц, а R1 = 100 кОм и R2 — верхнее и нижнее сопротивление делителя. Ток ограничения задается сопротивлением резистора RLIM между выводами SW и ILIM. Выбор емкости и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) входного и выходного конденсаторов определяется частотой коммутации, максимальным током нагрузки и соотношением входного и выходного напряжений при заданном коэффициенте пульсаций. Соответствующие расчетные формулы имеются в технической документации.


Отладочные средства
Поскольку работа микромодулей связана с электромагнитным и тепловым излучением, сформулированы определенные, достаточно сложные рекомендации для оптимального монтажа микросхем и конфигурации печатной платы. Поэтому первоначальное знаком‑ство с микромодулями имеет смысл проводить на отладочных платах (Evaluation Board), выпускаемых фирмой для всех типов микромодулей. Отладочная плата ММП MIC45404 MIC45404YMP-EV (рис. 9) — модуль располагается с другой стороны платы — позволяет протестировать микромодуль во всех режимах и сконфигуриро‑вать оптимальную схему для использования компонента в конкретном устройстве.


Литература
1. Волович Г. И. Схемотхника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.:Издательский дом «Додэка-XXI», 2005.
2. Самарин А., Горьков С. Серия SuperSwitcher II сильноточных DC/DC-преобразователей Micrel // Компоненты и технологии. 2012. № 11.
3. Самарин А., Горьков С. Микросхемы понижающих DC/DC-конвертеров Micrel с режимом HLL // Компоненты и технологии. 2013. № 2.
4. www.microchip.com