Микросхема ltc3113 производства Linear Technology для малошумящих DC/DC-преобразователей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

32

Компоненты источники питания

Микросхема LTC3113 производства Linear Technology

для малошумящих DC/DC-преобразователей

Александр ФЁДОРОВ

[email protected]

Обеспечение высокой плотности мощности стало основным требованием к современным DC/DC-преобразователям. Соответственно, потери мощности являются главным препятствием на пути технологического развития подобных микросхем, так как их высокая интеграция вынуждает разрабатывать новые средства и методы уменьшения тепловых потерь. Разработка производительного и компактного DC/DC-решения может стать непростой задачей, если учесть, что входное напряжение может быть как ниже, так и выше выходного, особенно при повышенных требованиях к мощности. В данном случае стандартный подход приводит к созданию SEPIC DC/DC-преобразователя с двумя катушками индуктивности, малым КПД и значительному по размерам решению. Напротив, микросхема LTC3113 компании Linear Technology представляет собой альтернативу. Ее отличия — повышающе-понижающая топология, одна катушка, высокий КПД и небольшие размеры.

Введение

Внутренние ключевые транзисторы с малым сопротивлением позволяют обеспечить нагрузку 3 А в компактном корпусе размером 4x5 мм. Микросхема обладает расширенными входным и выходным диапазонами напряжений (1,8-5,5 В) и максимальным КПД 96%. Встроенный ШИМ-контроллер излучает минимальные шумы при штатной работе и дает возможность осуществить «гладкий» переход между повышающим и понижающим режимами. Комбинация этих

особенностей позволяет LT3113 соответствовать актуальным требованиям при проектировании DC/DC-решения.

На рис. 1 изображено основанное на микросхеме LT3113 решение электропитания размером 11x14x2,5 мм, способное выдавать 12 Вт от Li-Ion батареи. Такое устройство обеспечивает плотность мощности 31 мВт/мм3. Для схожего SEPIC-решения потребуется минимум в два раза больше площади на печатной плате, при этом будет достигнуто меньшее значение КПД, плюс возникнут сложности с тепловыделением.

LTC3113 обладает рядом опций, повышающих общую эффективность решения и устройства в целом. Среди них — возможность изменять тактовую частоту в пределах 0,3-2 кГц, встроенная функция «мягкий старт», технология Burst Mode, позволяющая повысить КПД при малых нагрузках, а также защита от короткого замыкания и перегрева.

Применение в GSM-устройствах

Часто в приборах для передачи данных по каналу GSM используются дорогие ионисторы на выходе DC/DC-шины. Они предназначены для мощной нагрузки, значения которой ощутимо скачут во время работы GSM-модуля на передачу. В большинстве случаев способность микросхемы LTC3113 обеспечивать большую нагрузку позволяет выдавать ток для активной работы GSM-модуля без использования ионисторов. На рис. 2 показана подобная схема с характерной для GSM-приложений нагрузкой и недорогим керамическим конденсатором 100 мФ/3,8 В.

На осциллограмме изображена реакция 3,8-вольтового выхода преобразователя на включение нагрузки 3 А в течение 580 мкс. При такой серьезной нагрузке отклонения выхода питания составляют всего 150 мВ (4,5%). Момент выключения нагрузки характерен схожим по амплитуде положительным отклонением.

источники питания

компоненты

33

з.зв —Т-Т-

±10% =j= 47 МКФ =j= 47 мкФ

onJoff-pwmi burst-

SW1 SW2

V,N Vout

LTC3113

RUN FB

BURST VC

RT

SGND PGND

т

220 пф

н=Н1—

6В кОм

Vout

—Т-Т- 3,8 В

=Ь =Ь 0-ЗА

Т 200 мкФ 4,7 мкФ

■ —1— —1—

[¡ь

V0ut

200 мВ/дел.

'load

2А/деп.

V

100 мкс/дел.

Рис. 2. Схема питания GSM-модуля и его переходные процессы

Шумы

Многие приложения, включая приемопередающие радиоустройства, очень чувствительны к шумам, которые генерируются импульсным преобразователем. В микросхеме ЦГС3П3 применена малошумящая архитектура, препятствующая появлению нежелательных гармоник, которые могут негативно повлиять на приемопередающие модули устройства. Как правило, эти гармоники становятся ощутимыми, когда входное напряжение преобразователя примерно равно выходному. В такой ситуации типовые преобразователи генерируют дополнительные частотные составляющие в результате смены рабочих состояний ключевых транзисторов. ЦГС3П3 подавляет уровень лишних гармоник и уменьшает тем самым общий шум на выходе.

На рис. 3 показан самый «тяжелый» случай для компонента ЦГС3П3 и его конкурентного аналога. Максимально зашумленный спектр был получен путем подстройки входного напряжения при постоянной нагрузке в 1 А на выходе преобразователя. На осциллограмме видно, что ЦГС3П3 генерирует единственную спектральную составляющую на заданной частоте в 2 МГц. Напротив, спектр конкурента содержит множество

30

20

10

in 0

q

-10

cr

-та

^

с

-30

<

-40

-50

-60

-70

LTC3113 fsw = 2 МГц

SUBHARMONICS

К

COMPETITOR fsw = 2,4 МГц

I/

0,5 1 1,5 2 2,5 3 Частота, МГц

Рис. 3. Выходная спектрограмма LTC3113 и компонента-конкурента

побочных гармоник, нежелательно влияющих на чувствительные модули устройства. Общий шум LTC3113 в полосе 0-3 МГц составляет 10 дБ против 20 дБ у соперника.

Li-Ion преобразователь 3,3 В/10 Вт

Кроме питания чувствительных радиоустройств, работа от Li-Ion аккумуляторов также является типовым применени-

ем для преобразователей с повышающе-понижающей топологией. LTC3113 может обеспечить 10 Вт (3,3 В/3 A) выходной мощности, работая от Li-Ion аккумулятора в пределах рабочего заряда. На рис. 4 изображена типовая схема с 3,3-В выходом. КПД варьируется в пределах от 80 до 92%, что обеспечивает ток нагрузки от 60 мА до 3 A.

При подаче на вывод BURST напряжения больше 1,2 В активируется режим Burst Mode. В таком режиме преобразователь динамически меняет частоту, при этом значительно повышается КПД при малых нагрузках.

Для приложений, чувствительных к шуму, преобразователь можно ввести в режим фиксированной частоты, оставив напряжение на выводе BURST менее 0,3 В.

Системы резервного питания

На рис. 5 показана схема резервного питания с использованием ионистора, отстроенная на 3,3 В и постоянную нагрузку 1,5 A. В этом приложении два параллельных иони-стора заряжаются до 4,5 В при нормальных условиях и обеспечивают нагрузку питанием при отсутствии входного напряжения у преобразователя.

Осциллограмма показывает, что LTC3113 может самостоятельно обеспечивать нагруз-

2,5-4,4 В -?—

Li-Ion —1— л

sw1 sw2

V|n Vout

LTC3113

run fb

burst vc

rt

sgnd pgnd

1

h825 h1 М ком III

Vout

- 3,3 В

_т

ком

47 Пф

й-

90

-& ■&

с 70

I1

1 Г

Г

п

И

■VIN = 3B

Vin = 3,7B -Vin=4,2B

V|N = 3 В BURST ■ V|N = 3,7 В BURST - V,N = 4,2 В BURST

0,001 0,01 0,1 1 10 Ток нагрузки, A

Рис. 4. Вариант с питанием от Li-Ion аккумулятора

1,8-4,5 в т т

=^30ф =ро,1 мкф

=^30Ф -i —l offIon -

90,9 Юм

SW1 V,n SW2

Vout

LTC3113

RUN FB

BURST vc

RT

SGND PGND

I

±

680 пф

49,9 кОм

П825 П'

МкОм м

У01я

3,3 в

6,49 Т кОм

Л

Vin 2 В/дел.

Vout 2 В/дел.

RUN 2 В/дел.

5 с/деп.

Рис. 5. Решение с применением ионисторов и переходные процессы

ку питанием в течение 22,5 с благодаря ионисторам. За это время напряжение на ионисторах падает с 4,5 до 1,8 В, при этом стабильный выход возможен лишь благодаря способности преобразователя работать с малыми входными напряжениями. В таком случае полученная преобразователем энергия равна:

Еш = -¡=---^ = —¡*---^ = 127,6 Дж.

Энергия, полученная нагрузкой, выглядит как:

Еоит = ^м^см^ = 1,5x3,3x22,5 = 111,4 Дж.

Результаты расчетов показывают, что нагрузка получила 87% энергии, потребленной преобразователем. Следует отметить, что при фактическом КПД в 87% размер решения составляет всего 11x14 мм, включая пространство под ионисторы.

Заключение

Повышающе-понижающий DC/DC-преобразователь LTC3113 обладает оптимальными значениями плотности энергии, малошум-ности, высокого КПД при широком диапазоне нагрузок. Микросхема предназначена для чувствительных к шуму применений и решений с аккумуляторным или резервным питанием. ■