Sistemde DC-DC düşürme regülatörünü başarıyla kullanın
Akıllı telefonlar, tablet bilgisayarlar, dijital kameralar, navigasyon sistemleri, tıbbi ekipman ve diğer düşük güçlü taşınabilir cihazlar genellikle farklı yarı iletken süreçleri kullanılarak üretilen çok sayıda entegre devre içerir. Bu cihazlar genellikle, her biri genellikle bir batarya veya harici AC / DC güç kaynağı tarafından sağlanan voltajdan farklı olan birden fazla bağımsız güç kaynağı voltajı gerektirir. Şekil 1, lityum iyon pille çalışan tipik bir düşük güç sistemini göstermektedir. Pilin kullanılabilir çıkış aralığı 3 V ila 4,2 V arasındadır ve IC, 0,8 V, 1,8 V, 2,5 V ve 2,8 V voltaj gerektirir. Akü voltajını daha düşük bir DC voltajına düşürmek için basit bir yöntem, düşük bırakma regülatörü (LDO) kullanmaktır. Bununla birlikte, VIN, VOUT'tan çok daha yüksek olduğunda, yüke iletilmeyen güç ısı şeklinde kaybedilecek ve bu da düşük LDO verimliliği ile sonuçlanacaktır. Yaygın bir alternatif, enerjiyi indüktörün manyetik alanında alternatif olarak depolayan ve daha sonra onu farklı voltajlarda yüke bırakan bir anahtar dönüştürücü kullanmaktır. Bu tür bir planın kaybı daha düşüktür, daha iyi bir seçimdir, yüksek verimli çalışmayı gerçekleştirebilir. Bu makale, daha düşük bir çıkış voltajı sağlayan bir düşürücü dönüştürücü sunar. Yükseltici dönüştürücü, daha yüksek bir çıkış voltajı sağlayan başka bir makalede tanıtılacaktır. Anahtar olarak yerleşik bir FET'e sahip bir anahtar dönüştürücü, anahtarlama regülatörü olarak adlandırılır ve harici bir FET gerektiren bir anahtarlama dönüştürücü, anahtarlama denetleyicisi olarak adlandırılır. Çoğu düşük güçlü sistem, maliyet ve performans hedeflerine ulaşmak için hem LDO hem de anahtarlama dönüştürücüleri kullanır.
Şekil 1. Tipik düşük güç tüketen taşınabilir sistem
Kova regülatörü, Şekil 2'de gösterildiği gibi 2 anahtar, 2 kapasitör ve 1 indüktör içerir. Örtüşmeyen anahtar tahrik mekanizması, istenmeyen akım "geçiş" olgusunu önleyerek, herhangi bir anda yalnızca bir anahtarın açılmasını sağlar. İlk aşamada B anahtarı açılır ve A anahtarı kapanır. İndüktör VIN'e bağlanır, böylece akım VIN'den yüke akar. İndüktördeki pozitif voltaj nedeniyle akım artar. İkinci aşamada, A anahtarı açık ve B anahtarı kapalıdır. İndüktör toprağa bağlanır, böylece akım topraktan yüke akar. İndüktör üzerindeki negatif voltaj nedeniyle akım azalır ve indüktörde depolanan enerji yüke bırakılır.
Şekil 2. Buck dönüştürücü topolojisi ve çalışma dalga formları
Anahtarlama regülatörünün sürekli veya aralıklı olarak çalışabileceğini unutmayın. Sürekli iletim Sürekli iletim modunda (CCM) çalışırken, indüktör akımı sıfıra düşmeyecektir; kesintili iletim modunda (DCM) çalışırken, indüktör akımı sıfıra düşebilir. Düşük güçlü buck dönüştürücüler nadiren kesintili iletim modunda çalışır. Tasarım gereği, akım dalgalanması (Şekil 2'de I olarak gösterilmiştir) genellikle nominal yük akımının% 20 ila% 50'sidir.
Şekil 3'te, anahtar A ve anahtar B, senkronize bir kova regülatörü oluşturmak için sırasıyla PFET ve NFET anahtarları kullanılarak uygulanır. "Senkronize" terimi, bir FET'in bir alçak-taraf anahtarı olarak kullanılması anlamına gelir. Alçak taraf anahtarları yerine Schottky diyotları kullanan Buck düzenleyiciler, "asenkron" (veya senkronize olmayan) tipler olarak adlandırılır. Düşük güçle uğraşırken, senkronize bir buck regülatörü daha etkilidir çünkü FET'in voltajı bir Schottky diyotunkinden daha düşüktür. Bununla birlikte, indüktör akımı 0'a ulaştığında, alt FET serbest bırakılmazsa, senkron dönüştürücünün hafif yük verimliliği azalacak ve ek kontrol devresi, IC'nin karmaşıklığını ve maliyetini artıracaktır.
Şekil 3. Buck regülatörü entegre osilatörü, PWM kontrol döngüsü ve anahtarlama FET'i
Mevcut düşük güçlü senkron kova düzenleyicileri, ana çalışma modu olarak darbe genişlik modülasyonunu (PWM) kullanır. PWM frekansı sabit tutar ve darbe genişliğini (tON) değiştirerek çıkış voltajını ayarlar. Verilen ortalama güç, görev döngüsü D ile orantılıdır, bu nedenle bu, yüke giden gücü artırmanın etkili bir yoludur.
FET anahtarı, yük değişikliklerine yanıt veren ve çıkış voltajını ayarlamak için kontrol döngüsündeki voltaj veya akım geri beslemesini kullanan bir darbe genişliği denetleyicisi tarafından kontrol edilir. Düşük güçlü buck dönüştürücülerin çalışma frekansı aralığı genellikle 1 MHz ila 6 MHz'dir. Anahtarlama frekansı daha yüksek olduğunda, kullanılan indüktör daha küçük olabilir, ancak anahtarlama frekansı iki katına çıktığında, verimlilik yaklaşık% 2 azalacaktır.
Hafif yük altında, PWM çalışma modu her zaman sistem verimliliğini artırmaz. Örnek olarak grafik kartı güç kaynağı devresini ele alalım.Video içeriği değiştiğinde, grafik işlemciyi çalıştıran buck dönüştürücünün yük akımı da değişecektir. Sürekli PWM çalışma modu, çok çeşitli yük akımlarını idare edebilir, ancak hafif yükler altında, regülatörün ihtiyaç duyduğu güç, yüke iletilen toplam gücün büyük bir bölümünü oluşturarak sistem verimliliğinde hızlı bir düşüşe neden olur. Taşınabilir uygulamalar için buck regülatörü, darbe frekansı modülasyonu (PFM), darbe atlama veya ikisinin kombinasyonu gibi diğer güç tasarrufu teknolojilerini entegre eder.
ADI, yüksek verimli hafif yük işletim modunu "güç tasarrufu modu" (PSM) olarak tanımlar. Güç tasarrufu moduna girerken, PWM ayar seviyesi kayacak ve çıkış voltajının PWM ayar seviyesinden yaklaşık% 1,5 daha yüksek bir seviyeye ulaşana kadar yükselmesine neden olacaktır.Bu anda, PWM çalışma modu kapanır ve her iki güç anahtarı da kapatılır. , Cihaz boş moda girer. COUT, VOUT PWM düzenleme voltajına düşene kadar deşarj edilebilir. Ardından, cihaz indüktörü çalıştırarak VOUT'un tekrar üst eşiğe yükselmesine neden olur. Yük akımı, güç tasarrufu modu akım eşiğinden düşük olduğu sürece, bu işlem tekrarlanacaktır.
ADP2138, kompakt bir 800 mA, 3 MHz, kademeli DC-DC dönüştürücüdür. Şekil 4, tipik bir uygulama devresini göstermektedir. Şekil 5, zorunlu PWM çalışma modu ve otomatik PWM / PSM çalışma modundaki verimlilik artışını göstermektedir. Frekanstaki değişiklikler nedeniyle, PSM parazitini filtrelemek zor olabilir, bu nedenle birçok kova düzenleyici bir MODE pini sağlar (Şekil 4'te gösterildiği gibi), kullanıcı cihazı bu pim aracılığıyla sürekli PWM modunda çalışmaya zorlayabilir veya cihazın otomatik olarak çalışmasına izin verebilir. PWM / PSM modu çalışır. MODE pini, herhangi bir çalışma modunu ayarlamak için kabloyla bağlanabilir veya güç tasarrufu için gerektiğinde dinamik olarak değiştirilebilir.
Şekil 4. ADP2138 / ADP2139 tipik uygulama devresi
Şekil 5. ADP2138 verimliliği: (a) sürekli PWM modu; (b) PSM modu
Kademeli regülatör verimliliği artırır
Pil ömrü, yeni taşınabilir aygıtların tasarımında büyük önem taşıyan bir özelliktir. Sistem verimliliğini artırmak, pilin çalışma süresini uzatabilir ve değiştirme veya şarj etme sıklığını azaltabilir. Örneğin, bir lityum iyon şarj edilebilir pil, Şekil 6'da gösterildiği gibi 0,8 V'de 500 mA yük sürmek için bir ADP125 LDO kullanabilir. Bu LDO'nun verimliliği yalnızca% 19'dur (VOUT / VIN ×% 100 = 0.8 / 4.2 ×% 100). LDO kullanılmayan enerjiyi depolayamaz, bu nedenle gücün kalan% 81'i (1,7 W) yalnızca LDO içinde ısı biçiminde dağıtılabilir ve bu da elde tutulan cihazın sıcaklığının hızla yükselmesine neden olabilir. ADP2138 anahtarlama regülatörünü kullanırsanız, çalışma verimliliği 4,2 V giriş ve 0,8 V çıkışta% 82 olacak ve bu önceki şemanın verimliliğinden 4 kat daha fazla olacak ve taşınabilir cihazların sıcaklık artışı büyük ölçüde azalacaktır. Bu sistemlerin verimliliğindeki önemli gelişme, anahtarlama düzenleyicilerin taşınabilir cihazlarda yaygın olarak kullanılmasını sağlamıştır.
Buck dönüştürücülerin temel özellikleri ve tanımları
Giriş voltajı aralığı: Buck dönüştürücünün giriş voltajı aralığı, kullanılabilir en düşük giriş besleme voltajını belirler. Spesifikasyonlar geniş bir giriş voltaj aralığı sağlayabilir ancak yüksek verimli çalışma elde etmek için VIN, VOUT'tan daha yüksek olmalıdır. Örneğin, kararlı bir 3,3 V çıkış voltajı elde etmek için, giriş voltajı 3,8 V'den yüksek olmalıdır.
Toprak akımı veya hareketsiz akım: IQ, yüke iletilmeyen DC öngerilim akımıdır. Cihazın IQ'su ne kadar düşükse, verimlilik o kadar yüksek olur. Bununla birlikte, IQ, kapatma, sıfır yük, PFM çalışma modu veya PWM çalışma modu dahil olmak üzere birçok koşul için belirtilebilir. Bu nedenle, bir uygulama için en iyi kova regülatörünü belirlemek için, belirli bir çalışma voltajında ve yük akımında gerçek çalışma verimliliği verilerini görüntülemek en iyisidir.
Kapatma akımı: Bu, etkinleştirme pini devre dışı bırakıldığında cihaz tarafından tüketilen giriş akımıdır ve düşük güçlü buck regülatörleri için genellikle 1µA'dan çok daha düşüktür. Bu gösterge, taşınabilir aygıt uyku modundayken pilin uzun bir bekleme süresine sahip olup olamayacağı açısından önemlidir.
Çıkış voltajı doğruluğu: ADI'nin düşürücü dönüştürücüsü yüksek çıkış voltajı doğruluğuna sahiptir ve sabit çıkış cihazı fabrikada üretildiğinde ±% 2 (25 ° C) dahilinde doğru bir şekilde ayarlanır. Çıkış voltajı doğruluğu, çalışma sıcaklığı, giriş voltajı ve yük akımı aralığı koşulları altında belirtilir ve en kötü durumdaki hata, ±% x olarak belirtilir.
Hat düzenleme oranı: Hat düzenleme oranı, nominal yük altında giriş voltajının değişmesiyle çıkış voltajının değişim oranını ifade eder.
Yük düzenleme oranı: Yük düzenleme oranı, çıkış akımındaki değişikliklerle birlikte çıkış voltajının değişim oranını ifade eder. Yavaş değişen yük akımları için, çoğu buck regülatörü çıkış voltajını temelde sabit tutabilir.
Yük geçişi: Yük akımı hızlı bir şekilde daha düşük bir seviyeden daha yüksek bir seviyeye değişirse, bu da çalışma modunun PFM ile PWM arasında veya PWM'den PFM'ye geçmesine neden olursa, geçici hatalar meydana gelebilir. Veri sayfalarının tümü yük geçişlerini belirtmez, ancak çoğu veri sayfası farklı çalışma koşulları altında yük geçici tepki eğrileri sağlayacaktır.
Akım sınırı: ADP2138 gibi Buck regülatörleri, PFET anahtarı ve senkron redresörden akan ileri akımı sınırlamak için yerleşik koruma devrelerine sahiptir. Pozitif akım kontrolü, girişten çıkışa akabilecek akım miktarını sınırlar. Negatif akım sınırı, indüktör akımının ters dönmesini ve yükten dışarı akmasını engeller.
Yumuşak başlangıç: Dahili yumuşak başlatma işlevi, buck regülatörü için çok önemlidir.Çalışırken çıkış voltajının yavaşça yükselmesini kontrol eder ve böylece ani akımı sınırlar. Bu şekilde, dönüştürücünün girişine bir pil veya yüksek empedanslı güç kaynağı bağlandığında, giriş voltajının düşmesi engellenebilir. Cihaz etkinleştirildikten sonra, dahili devre güç açma döngüsünü başlatır.
Başlatma süresi, etkinleştirme sinyalinin yükselen kenarından VOUT'un nominal değerinin% 90'ına ulaşmasına kadar geçen süreyi ifade eder. Bu test genellikle VIN'in uygulanması ve etkinleştirme piminin kapalı konumdan açık konuma getirilmesi koşuluyla gerçekleştirilir. Etkinleştirme pininin VIN'e bağlı olması durumunda, VIN kapalı konumdan açık konuma getirildiğinde başlatma süresi önemli ölçüde artabilir çünkü kontrol döngüsünün dengelenmesi için belirli bir süre gerekir. Güç tüketiminden tasarruf etmek için regülatörlerin sık sık açılıp kapatılması gereken taşınabilir sistemlerde, regülatörün başlatma süresi önemli bir husustur.
Termal kapatma (TSD): Bağlantı sıcaklığı belirtilen sınırı aştığında, termal kapatma devresi regülatörü kapatır. Aşırı bağlantı sıcaklığı, yüksek çalışma akımı, zayıf devre kartı soğutması veya yüksek ortam sıcaklığından kaynaklanabilir. Koruma devresi, yonga sıcaklığı önceden ayarlanan sınırın altına düşmeden önce cihazın normal çalışmaya dönmesini önlemek için belirli bir histerezis içerir.
% 100 görev döngüsü çalışması: VIN düştükçe veya ILOAD yükseldikçe, buck regülatörü bir limite ulaşacaktır: PFET anahtarı% 100 görev döngüsünde açılmış olsa bile, VOUT hala beklenen çıkış voltajından düşüktür. Şu anda ADP2138, PFET anahtarının% 100 görev döngüsü iletimini koruyabildiği bir moda sorunsuz bir şekilde geçiş yapar. Giriş koşulları değiştiğinde, cihaz hemen PWM düzenlemesini yeniden başlatır ve VOUT aşmayacaktır.
Boşaltma anahtarı: Bazı sistemlerde yük çok küçükse, sistem uyku moduna geçtikten sonra buck regülatör çıkışı belirli bir süre yüksek seviyede kalabilir. Ancak, çıkış voltajı deşarj edilmeden önce sistem çalıştırma dizisini başlatırsa, sistem kilitlenebilir veya cihaza zarar verebilir. Etkinleştirme pimi düştüğünde veya cihaz bir düşük gerilim kilitleme / termal kapatma durumuna girdiğinde, ADP2139 buck regülatörü, çıkışı entegre bir anahtar direnci (tipik değer 100 ) aracılığıyla deşarj eder.
Düşük voltaj kilidi: Düşük voltaj kilidi (UVLO), yalnızca sistem giriş voltajı belirtilen eşikten yüksek olduğunda, yüke çıkış voltajının olmasını sağlayabilir. UVLO önemlidir, çünkü yalnızca giriş voltajı cihazın kararlı çalışması için gereken voltaja ulaştığında veya bu voltaja ulaştığında cihazı çalıştırır.
son sözler
Düşük güçlü buck regülatörü, DC-DC dönüştürücü tasarımını değiştirmeyi artık gizemli hale getiriyor. ADI, minimum harici bileşenlerle yüksek iş verimliliği elde edebilen bir dizi yüksek düzeyde entegre, sağlam, kullanımı kolay ve uygun maliyetli düşürücü regülatör sağlar. Sistem tasarımcıları, veri sayfasının uygulama bölümünde sağlanan tasarım hesaplamalarını kullanabilir veya ADIsimPower tasarım aracını kullanabilir.
Feragatname: Bu web sitesinin orijinal içeriğini yeniden yazdırmanız gerekirse, lütfen kaynağı belirtin; bu web sitesinde çoğaltılan içeriğin (makaleler, resimler, videolar) ve diğer materyallerin telif hakkı orijinal web sitesine aittir. Herkese açıklamamanız gereken makaleler veya resimler kullanırsak ve her iki tarafa da gereksiz ekonomik kayıplardan kaçınmak için zamanında onaylamazsak, lütfen bize e-posta gönderin, böylece uygun önlemleri hızlı bir şekilde alabiliriz; katkılarınızı bekliyoruz, e-posta: editors @ eccn. com.tr.
